Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Изучаемая физика была известна с 1918, когда австрийские исследователи Джозеф Ленц и Ханс Тирринг использовали ОТО, чтобы показать, что точно так же, как массивный объект деформирует пространство и время, – как шар для боулинга, покоящийся на батуте, – так вращающийся объект увлекает пространство (и время) вокруг себя, как вращающийся камень, погруженный в ведро сиропа. Этот эффект известен как системное увлечение (захват) и подразумевает, например, что астероид, свободно падающий в направлении быстро вращающейся нейтронной звезды или черной дыры будет пойман в воронку вращающегося пространства и будет закручиваться вокруг, когда он путешествует в направлении вниз. Эффект называется системным увлечением, поскольку с точки зрения астероида – из его системы отсчета – он совсем не будет никуда закручиваться. Напротив, он падает прямо вниз вдоль пространственной решетки, но поскольку пространство кружится (как на Рис. 14.1), решетка будет изгибаться, так что понятие "прямо вниз" будет отличаться от того, что вы ожидали, основываясь на удаленной, незакрученной системе отсчета.

Рис 14.1 Массивный вращающийся объект увлекает пространство – свободно падающую систему – вокруг себя.

Чтобы увидеть связь с Махом, подумаем о версии системного увлечения, в которой массивный вращающийся объект есть огромная пустотелая сфера. Расчеты, инициированные в 1912 Эйнштейном (даже до завершения им ОТО), которые были существенно расширены в 1965 Дитером Бриллом и Джефри Коэном и окончательно завершены в 1985 немецкими физиками Пфистером и К. Брауном, показали, что пространство внутри полой сферы будет увлекаться вращательным движением и выстроится в воронкоподобный волчок.[1] Если стационарное ведро, наполненное водой, – стационарное с точки зрения удаленного положения – будет помещено внутрь вращающейся сферы, расчеты показывают, что вращающееся пространство окажет силовое воздействие на стационарную воду, заставляя ее подниматься по стенкам ведра и принимать искривленную форму.

Этот результат безмерно порадовал бы Маха. Хотя он не мог иметь подобное описание в терминах "вращающегося пространства", – поскольку эта фраза описывает пространство-время как нечто, – он нашел бы его экстремально удовлетворяющим тому, что относительное вращательное движение между сферой и ведром вызывает изменения в форме воды. Фактически, для капсулы, которая содержит достаточно массы (в количестве на одном уровне с массой, содержащейся во всей вселенной), расчеты показывают, что не имеет никакого значения, считаете ли вы, что полая сфера вращается вокруг ведра или ведро вращается внутри полой сферы. Точно так же, как Мах отстаивал, что имеет значение только относительное движение между ними двумя. А поскольку расчеты, на которые я сослался, не используют ничего, кроме ОТО, это является явным примером несомненных маховских свойств теории Эйнштейна. (Тем не менее, в то время как стандартная аргументация Маха требовала, чтобы вода оставалась плоской, если ведро вращалось в бесконечной, пустой вселенной, ОТО с этим не согласна. Результаты Пфистера и Брауна показали, что достаточно массивная вращающаяся сфера в состоянии полностью блокировать обычное воздействие пространства, которое лежит вне самой сферы).

В 1960 Леонард Шифф из Стэнфордского Университета и Джордж Пью из Департамента обороны США независимо предположили, что предсказание ОТО системного увлечения может быть экспериментально проверено с использованием вращательного движения Земли. Шифф и Пью обнаружили, что в соответствии с ньютоновской физикой вращающийся гироскоп – вращающееся колесо, которое прикреплено к оси, – плавающий по орбите высоко над земной поверхностью, должен быть ориентирован в фиксированном и неизменном направлении. Но в соответствии с ОТО его ось должна чрезвычайно слабо вращаться вследствие увлечения пространства Землей. Поскольку масса Земли незначительна по сравнению с гипотетической полой сферой, использованной в приведенных выше вычислениях Пфистера и Брауна, степень системного увлечения, вызванного вращением Земли, будет ничтожной. Детальные расчеты показали, что если ось волчка гироскопа сначала направлена на выбранную контрольную звезду, годом позже слабо кружащееся пространство сдвинет направление его оси примерно на стотысячную долю градуса. Это угол, на который сдвигается секундная стрелка часов грубо за две миллионных доли секунды, так что обнаружение его представляет большую научную, технологическую и инженерную проблему.

Сорока годами разработок и примерно сотней докторских диссертаций позже ко Стэнфорда, руководимая Фрэнсисом Эвериттом и финансируемая НАСА, была готова запустить эксперимент. В течение следующих нескольких лет их спутник (Gravity Probe B – Гравитационный зонд В), плавающий в пространстве на высоте 400 миль и снабженный четырьмя самыми стабильными из когда либо построенных гироскопов, будет пытаться измерить системное увлечение, вызванное земным вращением. Если эксперимент будет успешным, это будет одно из самых точных из когда-либо достигнутых подтверждений ОТО, и это обеспечит первое прямое доказательство эффекта Маха.[2] Не менее возбуждающей является возможность, что эксперимент обнаружит отклонения от предсказаний ОТО. Такая малая трещина в фундаменте ОТО может означать только, что мы нуждаемся в увеличении экспериментальных взглядов на до сих пор скрытые свойства пространства-времени.

Поимка волны

Существенным уроком ОТО является то, что масса и энергия вызывают деформацию ткани пространства; мы проиллюстрировали это на Рис. 3.10, показав искривленное окружение вокруг Солнца. Однако, имеется ограничение на такого рода рисунки, заключающееся в том, что они не годятся для иллюстрации, как пространственные деформации и искривления эволюционируют, когда масса и энергия двигаются или некоторым образом изменяют свою конфигурацию.[3] ОТО предсказывает, что точно так же, как батут предполагает фиксированную, искривленную форму, если вы стоите совершенно спокойно, но перемещается, когда вы прыгаете вверх и вниз, пространство предполагает фиксированную искривленную форму, если материя полностью спокойна, как предложено на Рис. 3.10, но, когда материя двигается взад и вперед, возникает волнистая рябь на его ткани. Эйнштейн пришел к этому результату между 1916 и 1918, когда он использовал вновь полученные уравнения ОТО, чтобы показать, что, – почти как электрические заряды, двигающиеся вверх и вниз в радиопередающей антенне, производят электромагнитные волны (это то, как производятся радио и телевизионные волны), – движение материи есть способ и причина (как взрыв сверхновой) для производства гравитационных волн. А поскольку гравитация есть кривизна, гравитационная волна есть волна кривизны. Точно так же, как бросание булыжника в пруд генерирует распространяющиеся наружу водяные волны, вращающаяся по спирали материя генерирует расходящуюся во все стороны пространственную рябь; в соответствии с ОТО взрывы удаленных сверхновых подобны космическим булыжникам, брошенным в пространственно-временной пруд, как показано на Рис. 14.2. Рисунок освещает важную отличительную особенность гравитационной волны: в отличие от электромагнитной волны, волны звука или водяной волны – волн, которые путешествуют по пространству, – гравитационные волны путешествуют внутри пространства. Они представляют собой путешествующие искажения в геометрии самого пространства.

Рис 14.2 Гравитационные волны являются рябью в ткани пространства-времени.

Хотя гравитационные волны являются теперь общепринятым предсказанием ОТО, на многие годы этот предмет погряз в замешательстве и разногласиях, по меньшей мере, в части, следующей приверженности философии Маха. Если ОТО полностью включает в себя идеи Маха, тогда "геометрия пространства" будет просто общепринятым языком для выражения положения и движения одного массивного объекта по отношению к другим. Пустое пространство при таком образе мыслей будет пустым понятием, так как можно осмысленно говорить об искажении пустого пространства? Многие физики пытались доказать, что предложенные волны в пространстве означают ошибочное истолкование математики ОТО. Но при должном подходе теоретический анализ сводился к корректному заключению: гравитационные волны реальны и пространство может колебаться.

С каждым проходящим пиком и впадиной искаженная гравитационной волной геометрия будет растягивать пространство – и все в нем находящееся – в одном направлении, а затем сжимать пространство – и все в нем находящееся – в перпендикулярном направлении, как в чрезвычайно преувеличенном виде изображено на Рис. 14.3. В принципе, вы можете обнаружить прохождение гравитационной волны, периодически измеряя расстояния между различными положениями, и найти, что отношение между этими расстояниями каждое мгновение изменяется.