Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор
Таким образом, эйнштейновское «погружение в галилеевское пространство» и интегрирование по удаленной окрестности элегантно решает проблему определения глобальной энергии (и других сохраняющихся величин) для таких объектов, как черные дыры.
Для определения глобальных сохраняющихся величин удаленное фоновое пространство-время не обязательно должно быть плоским, оно также определяется характером конкретных моделей и задач. Будучи искривленным, оно может иметь симметрии, используя которые можно построить соответствующие сохраняющиеся величины.
В последнее время большое внимание уделяется так называемым квазилокальным характеристикам, например, квазилокальной энергии, которые рассчитываются для конечного объема. Уравнения ОТО устроены так, что позволяют связать динамику гравитационного поля, вещества и материальных полей внутри объема с поведением метрики на границе. Тогда оказывается, что если граничные условия для метрики и ее производных на границе объема заданы (известны), то можно определить сохраняющиеся величины для всего объема.
Рассказывая о законах сохранения, нельзя не упомянуть выдающегося немецкого математика Эмми Нётер (1882–1935).
Рис. 11.2. Эмми Нётер
С ее именем связаны различные разделы математики, она является основателем нового направления – абстрактной алгебры. Но для физиков ее имя прежде всего связано с законами сохранения, построение которых основано на универсальных принципах, сформулированных и опубликованных в 1918 году. Особо важны теоремы Нётер при анализе и развитии теорий, имеющих внутренние группы симметрий, которым соответствуют разного вида сохраняющиеся заряды. Именно эти теории представляют строение материи во всем ее многообразии.
Что касается ОТО, то искривленное пространство-время, как правило, не имеет симметрий. Поэтому нельзя, пользуясь теоремами Нётер, представить глобальные сохраняющиеся величины в общем случае. Однако ОТО инвариантна относительно общего вида координатных преобразований, здесь использование ее принципов вполне продуктивно. Результатом оказываются локальные законы сохранения – обобщенные уравнения непрерывности (см. Дополнение 2).
Энергия замкнутой Вселенной. Рождение из «ничего»
Поскольку существует такая сила как гравитация, Вселенная могла и создала себя из ничего.
Стивен ХокингМы дали представление как посчитать энергию гравитационных волн и изолированных объектов, то есть наиболее востребованных в исследованиях физических систем. Но можно ли посчитать энергию всей Вселенной? Для открытых миров обычно дается ответ, что ее нельзя определить корректно, либо, что она бесконечна. А вот для замкнутых миров есть вполне определенный ответ. Давайте проведем расчет в замкнутом мире с помощью квазилокальной техники. Окружим себя сферой какого-либо радиуса, зададим граничные условия, которые будут регулярными (конечными), и, проинтегрировав соответствующее выражение по сфере, определим полную энергию материи и гравитационного поля внутри. Увеличим радиус и снова определим энергию уже внутри большего объема, и т. д. Чтобы определить энергию всей Вселенной нужно интегрировать по сфере, охватывающей всю Вселенную. А это противоположный полюс (точка), площадь такой сферы нулевая, и, следовательно, интегрирование по ней даст только нуль.
Таким образом, вывод, с которым согласны все или почти все исследователи, состоит в том, что энергия замкнутой Вселенной нулевая. Как это можно объяснить? Вернемся к примеру двойной звезды. Давайте сравним полную энергию системы до разрыва и после разрыва. Во втором случае, очевидно, энергия больше из-за того, что была «впрыснута» энергия извне, именно поэтому звезды разлетелись. Другими словами, сумма масс отдельных звезд больше, чем масса единой системы. Эта разница называется дефектом масс и она возникает из-за гравитационной энергии связи, которая отрицательна. Тогда для замкнутой Вселенной можно сделать вывод, что отрицательная гравитационная энергия связи настолько велика, что она полностью и точно компенсирует положительную энергию всей материи. Почему так получается? Некоторое обсуждение этой проблемы и вопросов, связанных с ней проводится в Дополнении 8.
Тот факт, что замкнутая Вселенная имеет нулевую полную энергию, никак не зависит от величины радиуса кривизны Вселенной. То есть с расширением такой Вселенной полная энергия не изменится, оставаясь нулевой. Что в деталях происходило на самых ранних этапах, трудно сказать. Это период, когда материя (в привычном для нас понимании) рождалась после распада первичных скалярных полей или как результат чрезмерных «напряжений» пространства-времени (поляризации вакуума). Когда Вселенная расширялась, состояние материи, заполняющей ее, менялось. Но, конечно, в любом случае (и в случае замкнутого мира) в ее составе мы должны учитывать, кроме обычной материи, и темную материю, и темную энергию.
Само решение для замкнутого мира появилось как решение уравнений Эйнштейна для однородной плотности энергии ε, которая связана с соответствующей плотностью масс ρ известным соотношением ε = ρc2. А поскольку полный объем замкнутой Вселенной известен, он равен V = 2π2a3(t), то легко посчитать полную массу замкнутой Вселенной: M = 2π2ρa3. Для простых состояний материи (например, для «пыли», когда отсутствует давление) эта величина не изменяется со временем, поскольку при расширении Вселенной (с ростом масштабного фактора a(t)) плотность масс ρ соответственно уменьшается. Но мы уже знаем, что, скорее всего, живем в мире, более чем на 70 % заполненном «темной энергией». А «темная энергия», с одной стороны, должна обладать специальным свойством – отрицательным давлением. С другой стороны, плотность ее энергии не изменяется при расширении
Вселенной. Это сильно отличает ее от обычной материи. Все это означает, что если мы живем в замкнутом мире, то, следуя формуле M = 2π2ρa3, получим, что полная масса Вселенной растет. За счет чего это происходит? Ответ один, во Вселенной, вынужденной расширяться из-за «странных» свойств наполнителя, растет отрицательная энергия гравитационной связи.
Возвратимся к проблеме рождения Вселенной, о которой упоминалось в главе о космологии. Теперь становится ясно, почему именно замкнутые миры фигурируют в моделях «рождения из ничего». Дело в том, что вероятность рождения Вселенной в виде квантовой флуктуации с характеристиками замкнутого мира (нулевой энергией и т. д.) в разных моделях квантования ненулевые, в то время как для открытых миров эта вероятность тождественно равна нулю. Важным также является то, что при последующем расширении полная энергия остается равной нулю, удовлетворяя фундаментальному закону сохранения энергии.
Глава 12
Перспективы развития теории гравитации
То, что мы называем прогрессом, – является заменой одной неприятности на другую.
Генри Хейвлок ЭллисТеории гравитации альтернативные ОТО
Ничто не делает нашу жизнь столь приятной, как ее неизбежная альтернатива.
Народная мудростьВсе течет, все изменяется. Было время, казалось, что лучшей теории гравитации, чем ньютоновская, незачем желать. На протяжении всей книги мы рассказывали, как шаг за шагом общая теория относительности «занимала свое место под солнцем». Осталось всего несколько лет до ее 100-летнего юбилея. Каков же сейчас ее статус? Без сомнения, ОТО является самой востребованной теорией гравитации, прежде всего, в астрофизике и космологии, и мы попытались это показать. Теория строения и эволюции звезд, особенно на заключительных этапах; эффекты на поверхности компактных и сверхплотных объектов; космологические модели в разные эпохи эволюции и многое другое не могут быть удовлетворительно рассчитаны без использования ОТО. На основе эффектов, предсказанных ОТО, создаются целые направления исследований – поиск гравитационных волн, исследование гравитационных линз и т. д. Являясь частью теоретической физики, ОТО используется также во многих фундаментальных исследованиях.
Фактически сразу после подтверждения классическими тестами ОТО завоевала невиданную популярность. Но, конечно, измерениями отклонения луча света далекой звезды в гравитационном поле Солнца, смещения перигелиев планет в Солнечной системе, а также красного гравитационного смещения в поле Земли дело не закончилось и не могло закончиться. В течение всего времени после ее завершения в 1915 году, как основные принципы, так и уравнения непрерывно проверяются и перепроверяются со все возрастающей точностью. Однако результатов, которые бы противоречили ОТО, так и не было получено. Мало того, она давно используется в практических целях, таких как расчет орбит спутников, планет и траекторий межпланетных аппаратов.
