Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор

Математически кривизна определяется так называемым тензором кривизны Римана, величиной, которую нельзя обратить в нуль никакими преобразованиями координат, если пространство-время искривлено. Это понятие исключительно геометрическое. Пространство-время становится искривленным всегда, когда содержит материю в том или ином состоянии, так или иначе расположенную и движущуюся тем или иным образом. Однако оно может быть искривлено и в отсутствии материи! Для плоского пространства-времени тензор кривизны равен нулю.

Необходимо обсудить еще один принцип, который чаще называют сильным принципом эквивалентности. Существуют разные его формулировки, приведем нечто усредненное.

Малая по размерам локальная система отсчета, находящаяся в гравитационном поле, неотличима от такой же системы, но ускоренной относительно инерциальной системы отсчета, связанной с пространством Минковского.

Обычно этот принцип иллюстрируют следующим образом. Находясь в кабине, стоящей на поверхности Земли, наблюдатель ощущает свой обычный вес и замечает, что все предметы совершенно одинаково ускоряются по направлению к полу. Если же кабина, снабженная реактивным двигателем, вместе с наблюдателем переместится в космическое пространство, где будет двигаться с ускорением, в точности равным гравитационному ускорению у поверхности Земли, то наблюдатель снова обнаружит, что все свободные предметы падают на пол с тем же самым ускорением и опять почувствует свой нормальный вес. В такой закрытой кабине невозможны никакие эксперименты, которые позволили бы наблюдателю отличить явления, связанные с тяготением, от явлений, характерных для ускоренного движения.

Часто считают, что этот принцип тоже лежит в основе общей теории относительности. Однако это не так однозначно. Даже сейчас, почти через 100 лет после создания ОТО, в профессиональной литературе время от времени выходят статьи с обсуждением роли этого принципа. Даже его название является предметом дискуссии.

Приведем один из аргументов, который вносит некое сомнение в само представление об эквивалентности в этом случае. Основным отличием пространства-времени ОТО от пространства-времени СТО является его кривизна, которая (как было сказано) определяется тензором кривизны. В пространстве-времени СТО этот тензор тождественно равен нулю, поэтому пространство Минковского называют плоским. Если применить сильный принцип эквивалентности (а понятию «эквивалентность» придать абсолютный смысл) для описания движения в ускоренной системе в пространстве Минковского, то нужно будет сказать, что от плоского пространства-времени мы перешли к искривленному пространству-времени ОТО. Но это невозможно, поскольку невозможно воссоздать из нулевой кривизны ненулевую лишь переходом между системами отсчета. «Малые размеры системы отсчета» в определении принципа не могут быть оправданием, поскольку кривизна – понятие локальное, она определяется в каждой точке.

Хотя в окончательную форму теории Эйнштейна сильный принцип эквивалентности не вошел, исторически он сыграл большую роль в становлении ОТО. Эйнштейн при разработке теории активно его использовал. Также, если в принципиальном плане нельзя из плоского мира сделать искривленный просто переходом в другую систему отсчета, то многие эффекты теории Эйнштейна действительно имеют место в ускоренных системах отсчета.

В качестве принципов построения теории, конечно, необходимы принципы соответствия. В чем они должны состоять? В случае слабых гравитационных полей (малой кривизны пространства-времени) и малых (по сравнению со световой) скоростей уравнения релятивистской теории гравитации должны перейти в уравнения гравитации Ньютона (их полевую форму мы обсудим несколько ниже). То есть предсказания общей теории относительности должны совпасть с результатами применения закона всемирного тяготения Ньютона с небольшими поправками, которые становятся значительными по мере увеличения напряженности поля и увеличения скоростей. В случае отсутствия гравитации (нулевая кривизна) уравнения новой теории тяготения должны перейти в уравнения СТО.

Наконец, иногда в качестве принципов, на основе которых была построена ОТО, упоминают ковариантность – требование, чтобы уравнения теории имели один и тот же вид во всех координатных системах. Это требование в определенном смысле является обобщением лоренц-инвариантности в СТО.

Построение ОТО

Что может сравниться по красоте с… неизменным правилом закономерности, которое управляет самыми, казалось бы, беспорядочными и сложными из ее [природы] проявлений?

Сэмуэль Майкельсон (отец Альберта Майкельсона)