Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор

В конце главы обсудим еще одну интересную проблему. ОТО включает две фундаментальных константы: гравитационную G и скорость света c. Присутствие первой из них очевидно и естественно – мы имеем дело с гравитационной теорией. Но скорость света – это скорость электромагнитного взаимодействия. А электромагнитное и гравитационное взаимодействия совершенно разной природы. Строго говоря, в ОТО должна быть другая константа – скорость распространения гравитационного взаимодействия, обозначим ее c_g. Фактически Эйнштейн постулировал использование скорости света. Возможно, основанием для этого был принцип соответствия с СТО, где фигурирует как раз скорость света. Но это не выглядит убедительно. Если нет серьезных теоретических оснований, то этот факт нужно проверять. Этой проблемой занялся больше 10-ти лет назад научный тандем в составе нашего соотечественника (сейчас работающего в США, в университете Миссури-Коламбия), теоретика Сергея Копейкина и американского экспериментатора Эдварда Фомалонта из Национальной Астрономической Обсерватории, Шарлотсвилл, США. Мы коротко приведем их постановку задачи и результаты.

Представим, что Солнце внезапно исчезло из центра нашей Солнечной системы. Через какое время Земля почувствует его исчезновение? Для света все ясно: поскольку известна его скорость распространения, то оптически исчезновение Солнца обнаружится только через 8 мин 20 сек. Это время необходимо свету, чтобы преодолеть расстояние в одну астрономическую единицу (150 млн км), отделяющее нас от Солнца.

ОТО предсказывает точно такое же время и для исчезновения гравитационного притяжения Солнца на орбите Земли. В этом случае Земля продолжит движение по своей орбите в течение еще 8 мин 20 сек, а затем начнет двигаться по прямой линии, так как сигнал об исчезновении притяжения Солнца дойдет именно за это время. В отличие от ОТО, в теории Ньютона Земля мгновенно почувствует отсутствие Солнца. Но этим фантастическим способом невозможно экспериментально определить скорость распространения гравитационного взаимодействия.

Реальное явление – это некоторые гравитационные возмущения Солнца, связанные с его движениями относительно центра масс Солнечной системы. Однако центр Солнца расположен недалеко от центра масс всей Солнечной системы, и изменения гравитационного поля, вызываемые небольшими долговременными колебаниями положения Солнца относительно этой точки, пренебрежимо малы и недоступны для современных наблюдений. Скорость распространения гравитационного взаимодействия c_g (скорость гравитации) можно измерить только в том случае, если гравитационное поле является переменным и эта переменность достаточно быстрая, чтобы возникли гравитационные релятивистские эффекты, доступные для современной измерительной техники. При этом возможны два метода, один из которых основан на детектировании гравитационных волн и прямом измерении скорости их распространения, а второй – на измерении переменного гравитационного поля движущегося тела. Как мы уже знаем, пока гравитационные волны не зарегистрированы непосредственно. А вот вторая возможность оказалась перспективной.

Изложим идею эксперимента Копейкина-Фомалонта. Самым массивным телом в Солнечной системе, которое создает переменное гравитационное поле, является Юпитер. Для данного эксперимента его движение можно вполне считать прямолинейным и равномерным. Как на примере этой модели можно представить, что гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью? Если бы использовалась теория Ньютона, где скорость передачи гравитационного взаимодействия бесконечна, то эквипотенциальные («равно-силовые») поверхности, перемещались бы, как вмороженные, вместе с Юпитером, оставляя его в центре. Но поскольку скорость распространения конечна, то эквипотенциальные поверхности будут запаздывать. Механизм запаздывания показан на рис. 10.6. Пусть за время t информация о положении Юпитера в точке А переместилась до поверхности А'. Но за это же время Юпитер перейдет из точки А в точку В, то есть сместится из центра этой поверхности, и т. д.

Рис. 10.6. Отклонение радиоволны в переменном поле Юпитера

Теперь ясно, что для оценки скорости гравитационного взаимодействия, нужно оценить степень запаздывания. А для этого необходимо «поэкспериментировать» с переменным гравитационным полем Юпитера, анализируя излучение, проходящее рядом с ним. В качестве источника излучения был выбран радиоквазар за Юпитером, радиоволны от которого детектировались на Земле. Наблюдалось положение на небе квазара К' во время прохождения Юпитера и сравнивалось с его же положением К на «чистом» небе. Таким образом определялся угол отклонения радиоволн переменным гравитационным полем Юпитера.