Анатолий Трутнев: Таинственная гравитация

Теория гравитации Ньютона базируется на силах тяготения, которые являются дальнодействующими и распространяются мгновенно. Она получила всеобщее признание с момента опубликования и продержалась до 1916 года, когда была заменена обшей теорией относительности Эйнштейна.

Необходимость такой замены привело осознание противоречий в основных принципах классической механики, несовместимости принципа относительности и закона распространения света. Как считал Эйнштейн, это связано с тем, что классическая механика опирается на неоправданные гипотезы: промежуток времени между двумя событиями не зависит от движения тела отсчета, не зависит также от него и пространственное расстояние между двумя точками твердого тела, а это означает, что время и пространство абсолютны и разделены между собой.

Противоречия классической механики Эйнштейн разрешил в разработанной им в 1905 году специальной теории относительности (СТО).

Главным теоретическим следствием СТО Эйнштейна является новое понимание массы и энергии физических тел и их систем. Масса в ней определяется энергией тела, а не через силу и ускорение как в механике Ньютона, по формуле:

В СТО также раскрывается возможность превращения энергии покоя в другие виды энергии, здесь закон сохранения массы и закон сохранения энергии объединяются в единый закон сохранения массы – энергии.

Специальная теория относительности получила широкое экспериментальное подтверждение. Её многие следствия используются в настоящее время на практике. Она является краеугольным камнем современной физики, занимает свою область применения. Но её выводы применимы лишь для локальных участков пространства —времени, а в масштабах Вселенной они не приемлемы. Для описания Вселенной используются общая теория относительности (ОТО), которую Эйнштейн опубликовал в 1916 году.

Главное различие этих теорий заключается в том, что в СТО связаны воедино пространство и время (пространство – время), а в ОТО установлена триединая связь: пространство – время – масса. В СТО пространство-время рассматривается плоским, имеющим нулевой тензор кривизны, а в ОТО оно искривлено, с тензором кривизны больше нуля. В ОТО гравитационный эффект обусловлен не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве – времени, а деформацией самого пространства – времени, которая связана с присутствием в ней массы, то есть сила взаимодействия гравитирующих тел определяется кривизной окружающего эти тела пространства.

ОТО завершенная физическая теория, предсказания которой подтверждены наблюдениями и экспериментами, включающие в себя гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержание сигнала в гравитационном поле. С помощью ОТО объяснены аномальная прецессия перигелия Меркурия и причины отклонения лучей света в гравитационном поле Солнца. Осенью 2015 года были обнаружены гравитационные волны, возникшие в ходе столкновения двух крупных черных дыр с массами в 29 и 36 раз превышающими массу Солнца, которое произошло более 1,3 млрд лет назад, Волны были обнаружены на усовершенствованных детекторах LIGO и зарегистрированы, как прямое доказательство предсказанного Эйнштейном явления.

Но несмотря на всеобщее признание и ошеломляющий успех, общая теория относительности, как и всякая физическая теория имеет свою область применения и, по мнению многих физиков, имеет существенные недостатки. Основным из них считается нарушение главного закона физики – закона сохранения энергии. Дело в том, что, с точки зрения математической физики, в ОТО из-за неоднородности времени закон сохранения энергии является следствием уравнений Эйнштейна и может быть выражен только локально по формуле:

где точка с запятой обозначает взятие ковариантной производной.

Переход от него к глобальному закону невозможен, потому что так интегрировать тензорные поля в римановом пространстве, чтобы получать тензорные результаты невозможно. Поэтому, чтобы выполнялся закон сохранения энергии необходимо уравнение представить в таком виде:

Но в искривленном пространстве, где второй член не равен нулю, данное выражение не может представлять закон сохранения энергии. В тоже время ряд физиков считает, что в полную энергию, кроме энергии материи, можно включать и энергию гравитационного поля. Тогда соответствующий закон сохранения можно записать в следующем виде: