В.М. Антонов

3.1. Общая теория относительности и вопрос о природе гравитации

 

 

Аннотация

 

 

Эйнштейн не опубликовал никаких соображений по поводу природы сил тяготения. Учитывая методологический подход Эйнштейна при построении специальной теории относительности, можно предположить почти с уверенностью, что он и не ставил перед собой задачи раскрыть сущность природы сил тяготения.

            В результате создания ОТО человечество получило более совершенную теорию гравитации, сумевшую предсказать или объяснить явления, не следовавшие из Ньютоновской теории тяготения  (гравитационное смещение частоты фотона при его движении в поле гравитации, отклонение луча света вблизи масс, смещение перигелия планет).

            ОТО предсказывает ещё несколько явлений, которые, однако, пока не проверены экспериментом или наблюдениями (существование гравитационных волн, существование чёрных дыр, нестационарность Вселенной и др.). Началась несправедливая экстраполяция выводов ОТО на условия, отличающиеся на много порядков от условий, при которых наблюдались свойства сил тяготения, положенные в основу создания ОТО.

            Результатом такой экстраполяции явилась новейшая космология в виде теории Большого Взрыва. Однако возможность экстраполировать выводы теории, установленной для плотностей вещества в пределах 1 ≤ ρ ≤ 13 , до плотностей ρ = 1094 г/см3 , вызывает сомнение.

            Ещё раз напомним, что Эйнштейн не занимался вопросом природы тяготения. Он создал феноменологическую, а  не физическую теорию. Правда, её часто называют физической, но только потому, что она рассматривает вопрос, относящийся к физике. В физической теории должны быть понятны её основы. К примеру, физической является молекулярно-кинетическая теория газов.

            В основу феноменологической теории берутся постулаты, физический смысл которых остается непонятным.

            Именно такими теориями являются общая и специальная теории относительности, что ни в коей мере не умаляет их значения.

            Из всего вышесказанного следует, что поиск природы тяготения следует упорно продолжать.

 

--   Оглавление  --

 

До создания общей теории относительности были известны следующие свойства сил тяготения:

1)                 независимость от электрического заряда;

2)                 бесконечность радиуса действия сил тяготения;

3)                 закон взаимодействия двух тел  с массами m1 и m2 на расстоянии r между их центрами в виде

,

где Gпостоянная тяготения;

4)                 постоянство гравитационной постоянной во времени;

5)                 независимость постоянной тяготения от массы и плотности тел (в пределах масс 103    m ≤ 105  г  и величин плотностей 1 ≤ ρ  ≤13  г/см3);

6)                 пропорциональность (равенство) гравитационной и инертной масс (с точностью до 10-8  г).

При создании ОТО кроме перечисленных свойств сил тяготения, которым был придан абсолютный характер, Эйнштейн принял свойство:

7)                 скорость распространения поля тяготения равна скорости света.

В настоящее время наилучшим образом отражает свойства сил гравитации общая теория относительности.

При построении общей теории относительности Эйнштейн исходил из  опытного факта о равенстве тяжелой и инертной масс [1], известного ещё Ньютону с точностью до 10-3. В начале ХХ века Этвеш [2,3] повысил точность эксперимента по проверке равенства масс до 10-8, а затем Дукке [23] в 1961г. повысил точность до 10-11 и, наконец, Брагинский и Панов довели точность до 10-12.

            Ход мысли Эйнштейна был примерно следующим:

            Равенство тяжелой и инертной масс проверено с точностью до 10-8. В поле тяготения все тела ускоряются одинаково. Одинаковые ускорения телам придают и фиктивные силы: центробежная и сила инерции. Эйнштейн предположил, что сила тяготения тоже фиктивная сила. Тогда равенство инертной и тяжелой масс для всех тел  является следствием того, что тяготение есть фиктивная сила. Движение тел при этом происходит по инерции по «прямым»  траекториям в искривлённом пространстве. Пространство же искривляется под действием масс тел. Развивая идею дальше, Эйнштейн пришел к принципу общей ковариантности, согласно которому законы физики должны иметь одинаковый вид для произвольно движущихся координатных систем.

            В окончательном варианте общей теории относительности последовательность аргументации дана в обратном порядке: в основу был взят принцип общей ковариантности, из которого следовала пропорциональность (равенство при соответствующем выборе коэффициентов) гравитационнной и инертной масс.

            За 35 лет, прошедших от момента создания общей теории относительности, не было ни одной попытки построить в её рамках какую-либо гипотезу с целью выяснения природы тяготения. В то же время за 50-60 лет после открытия Ньютона таких попыток было около десятка, а за всё время их было, по утверждению Эддингтона [4], около 200. Причём, попытки объяснить тяготение с нерелятивистских позиций продолжаются до настоящего времени  (Станюкович [5,6], Радзиевский и Кагальникова [7], Сулейман [8] и др.).

            По-видимому это говорит о том, что многих учёных смущает в общей теории относительности трудность её физического осмысления.

            Существует мнение, что общая теория относительности оторвала гравитационное поле от вещества (см., например, Иваненко [9]). По-видимому, Эйнштейн придерживался такого же взгляда. Однако, это не так.

            Поскольку тела искривляют пространство, то в теории Эйнштейна пространство нельзя считать пустым, так как искривление пустого пространства – физическая бессмыслица. Будем называть это пространство пространством Эйнштейна.

            Можно представить пространство Эйнштейна в виде некоей среды (киселя), меняющей плотность под влиянием масс (искривление пространства), что будет проявляться в возникновении тяготения между телами. Такое представление о природе сил тяготения дали ещё Ньютон [10], Фарадей [11], Ярковский [12].

            Пространство Эйнштейна можно представить также в виде некоего газа из лёгких частиц, беспорядочно движущихся в пространстве и пронизывающих материальные тела. При взаимодействии этих частиц с частицами тела свойства частиц пространства как-то меняются.  Это изменение (искривление пространства по терминологии Эйнштейна) каким-то образом проявляется в притяжении тел.

Примерно такое же представление о природе тяготения дают гипотезы Ломоносова [13], Лесажа [14] и их усовершенствования в работах Лера [15], Шрамма [16,17], В.Томпсона [18], Изенкраге [19], Ризанека [20], Престона [21], Яролимека [21], Станюковича [5,6], Радзиевского и Кагальниковой [7] и др.

            Введение пространства Эйнштейна в любом виде приводит к выводу о возможности построения абсолютной системы отсчета относительно этого пространства.

            Логика рассуждений проста: пространство искривляется – значит оно не пустое; относительно пространства, заполненного материей, можно построить систему отсчета.

            Возможность построения абсолютной системы отсчета является только мысленной. Возможно, что обнаружить её нельзя опытами внутри лаборатории. В этом смысле вывод, полученный из общей теории относительности, не противоречит специальному принципу относительности.

            Таким образом, пытаясь понять физический смысл искривления пространства Эйнштейна, мы обнаруживаем, что представления о природе гравитации не только не противоречат представлениям общей теории относительности, а существенным образом могут помочь понять её физическую сущность.

            Следовательно, с точки зрения представимости физической сущности общей теории относительности ей не следует делать упрёка.

Однако, следует с полной определенностью отметить, что сам Эйнштейн не опубликовал никаких соображений по поводу природы сил тяготения. Учитывая методологический подход Эйнштейна при построении специальной теории относительности, можно предположить почти с уверенностью, что он и не ставил перед собой задачи раскрыть сущность природы сил тяготения.

            В результате создания ОТО человечество получило более совершенную теорию гравитации, сумевшую предсказать или объяснить явления, не следовавшие из Ньютоновской теории тяготения  (гравитационное смещение частоты фотона при его движении в поле гравитации, отклонение луча света вблизи масс, смещение перигелия планет).

            ОТО предсказывает ещё несколько явлений, которые, однако, пока не проверены экспериментом или наблюдениями (существование гравитационных волн, существование чёрных дыр, нестационарность Вселенной и др.). Началась несправедливая экстраполяция выводов ОТО на условия, отличающиеся на много порядков от условий, при которых наблюдались свойства сил тяготения, положенные в основу создания ОТО.

            Результатом такой экстраполяции явилась новейшая космология в виде теории Большого Взрыва. Однако возможность экстраполировать выводы теории, установленной для плотностей вещества в пределах 1 ≤ ρ ≤ 13, до плотностей ρ = 1094 г/см3 , вызывает сомнение.

            Ещё раз напомним, что Эйнштейн не занимался вопросом природы тяготения. Он создал феноменологическую, а  не физическую теорию. Правда, её часто называют физической, но только потому, что она рассматривает вопрос, относящийся к физике. В физической теории должны быть понятны её основы. К примеру, физической является молекулярно-кинетическая теория газов.

            В основу феноменологической теории берутся постулаты, физический смысл которых остается непонятным.

            Именно такими теориями являются общая и специальная теории относительности, что ни в коей мере не умаляет их значения.

            Из всего вышесказанного следует, что поиск природы тяготения следует упорно продолжать. Можно с уверенностью ожидать, что раскрыв природу сил гравитации, мы узнаем много неизвестных для нас свойств этих загадочных сил. Такую надежду постоянно подогревает обилие необъяснённых явлений в астрономии и в мире субэлементарных частиц.

 

Литература

 

1.                  Эйнштейн А.  Сборник научных трудов. – Т.1,2.- М.-1965.

2.                  Eötvös R. Math.u. naturw. Ber. Aus Ungarn, 8, 66. – 1960.

3.                  Eötvös R., Pekar D., Fekete E. Abh. Der XVI allgemeinen konferenz der internat. Erdwessung. – 1903.

4.                  Эддингтон А. Пространство, время и тяготение. – Одесса, 65,  1923.

5.                  Станюкович К.П. //Вестник МГУ – Сер.физ.астрон. -  №5, 71. -  1961.

6.                  Станюкович К.П. //Вестник МГУ – Сер.физ.астрон. -  №1. -  1962.

7.                  Радзиевский В.В., Кагальникова И.И. //Бюл.Всес.Астрон. – геод. о-ва. – 1960. - №26(33), 3.

8.                  Sulaiman S.M. //Proc.Acad.Sci. of India, 4, 1934; 4, 1935; 6, 1935.

9.                  Иваненко Д.Д..Основные идеи общей теории относительности. //очерки развития основных физических идей. –  1959. – С.290.

10.              Ньютон И. Оптика. Вопр. 31. – М.:Гостехтеориздат. – 1954. – 219.

11.              Фарадей М.Экспериментальные исследования по электричеству. – М.:Изд-во АН СССР, 1947.

12.               Ярковский И.О. Всемирное тяготение как следствие образования весомой материи внутри небесных тел. – С-Петербург, 1912.

13.              Ломоносов М.В. О тяжести тел и об изменчивости первичного движения // Полное собр. соч. М. Т. 2, 1951.

14.              Lesage G.L., Lucrece Newtonian, Nouv //Memoires de l′Academie Rouale des Science, – Berlin, 1782.

15.              Leray, Compt. Rend., 69, 615, 1869.

16.              Schramm H. Die allgemeine Bewegung der Materie als Grundursache der Erscheinungen, Wien, 1872.

17.              Schramm H. Ansiehungskraft als Wirkung der Bewegung, Craz, 1872.

18.              Tompson W. Proc, Roy. Soc. Edinbourgh, A, 7, 577, 1872.

19.              Изенкраге. Научное обозрение, №5, 1984.

20.              Rysänek A. Rep. d. Phys., 24, 90, 1887.

21.              Preston T. Philos. Mag., 4, 200, 364, 1877; 15, 391, 1881.

22.              Jarolimek, Sitzungber. Wien. Acad., 87, 2, 795, 1883.

23.              Dukke R.H., Sci., Am., 205, 84, 1961.

24.              Брагинский В.В., Панов В.И. Эквивалентность инертной и гравитационной масс//УФР. – 1971. – 105. – 4.