I. ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТ

К. М. Уилл

1. ВВЕДЕНИЕ

Уже более полувека общая теория относительности — поистине монумент в память Альберта Эйнштейна. Она навсегда изменила наши представления о пространстве и времени, заставив нас вплотную подойти к проблемам рождения и конечной судьбы Вселенной. И все же, несмотря на свое огромное влияние на научную мысль, общая теория относительности первоначально опиралась на крайне скудные эмпирические данные. Почти сорок пять лет справедливость этой теории подтверждалась совокупностью экспериментов, которые по современным критериям в лучшем случае можно считать лишь качественными. Три «классических теста» составили эмпирический базис общей теории относительности: дополнительное смещение перигелия Меркурия, согласующееся с предсказанием теории, но допускающее, по крайней мере частично, объяснение другими причинами; отклонение светового луча Солнцем, для которого измерения давали значения в интервале от половины до удвоенной величины, предсказываемой теорией; и, наконец, гравитационное красное смещение, наблюдавшееся в спектральных линиях белых карликов с той же низкой точностью, что и отклонение света Солнцем, и которое, более того, едва ли можно вообще рассматривать как истинную проверку теории относительности.

Однако благодаря революции в астрономии и технике, относящейся к 60-м - 70-м годам нашего столетия, сопоставление теории относительности с экспериментом достигло беспрецедентного уровня точности. Такие технические достижения, как создание атомных часов, измерения расстояний до планет и искусственных спутников Земли с помощью радиолокаторов и лазеров, радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами, высокочувствительные датчики смещений — вот неполный список арсенала средств, благодаря которым систематические проверки теории гравитации с высокой точностью стали делом почти привычным. Измерения ничтожно малых эффектов, предсказываемых общей теорией относительности для Солнечной

системы, с точностями, составляющими доли процента, стали реальностью.

Стремление к осуществлению столь точных проверок гравитационных теорий усилилось в последние два десятилетия, когда были открыты экзотические астрономические объекты, в которых релятивистские гравитационные эффекты играют, по-видимому, первостепенную роль. В результате открытия таких объектов, как квазары, пульсары, компактные рентгеновские источники и космическое микроволновое фоновое излучение, для теоретиков-астрофизиков стало необходимым иметь полную уверенность в справедливости той единственной теории гравитации, которую они используют в построении моделей указанных выше явлений. Эта необходимость стала еще более настоятельной, когда был предложен ряд конкурирующих теорий гравитации, главным образом теория Бранса — Дикки, которые претендуют на то, чтобы их рассматривали как жизнеспособные альтернативы общей теории относительности. На протяжении 60-х и 70-х годов активность и степень изощренности при построении альтернативных теорий гравитации были столь велики, что какое-то время общая теория относительности казалась всего лишь одной из множества ничем не уступающих друг другу теорий. Дело дошло до того, что в течение 60-х и начале 70-х годов была разработана «теория гравитационных теорий», предназначенная для предельно объективного исследования и классификации всех теорий гравитации. Начатая Робертом Г. Дикки и Кеннетом Нордтведтом, эта «теория теорий» могла быть очень полезной также и при анализе новых очень точных измерений и при планировании экспериментов в будущем, возможных благодаря дальнейшему техническому прогрессу.

К сегодняшнему дню общая теория относительности выдержала все экспериментальные проверки, которым была подвергнута, а многие ее конкуренты остались за бортом, однако программа сопоставления теории гравитации с экспериментом еще далека от завершения. Точность тестов в Солнечной системе будет непрерывно возрастать, причем наибольшее продвижение планируется на 80-е годы. Однако не обязательно ограничивать проверки теории гравитации рамками Солнечной системы. Возможно, вскоре удастся проводить эксперименты в совершенно новых областях явлений, затронув при этом такие аспекты теории гравитации, которые недоступны обычным тестам в Солнечной системе. Речь идет о гравитационноволновом эксперименте, о тестах по звездным системам (двойной пульсар), о космических тестах и лабораторных экспериментах. Можно только строить догадки, будет ли впредь общая теория относительности выживать при каждом новом ее сопоставлении с экспериментом, но так или иначе благодаря общей теории относительности мы уже достигли той глубины понимания природы гравитации и эффектов, связанных с ней, что уже это само по себе говорит о непреходящей ценности предвидения Альберта Эйнштейна.

Мы начнем обзор (разд. 2) с анализа основ теории гравитации — принципов эквивалентности, фундаментальных критериев жизнеспособности гравитационной теории и экспериментов, лежащих в основе этих критериев. Один из центральных выводов разд. 2 состоит в том, что правильная, жизнеспособная теория гравитации, по всей вероятности, должна быть «метрической» теорией. В разд. 3 мы обращаемся к проверкам в Солнечной системе, используя «теорию теорий», известную под названием параметризованного постньютоновского (ППН) формализма, который охватывает большинство метрических теорий гравитации и наилучшим образом приспособлен к анализу явлений в Солнечной системе. В разд. 4 обсуждается гравитационное излучение как возможное средство проверки гравитационной теории. Двойной пульсар — новое поле деятельности по проверке теории с помощью «звездных систем» — исследуется в разд. 5. В разд. 6 описаны космологические тесты гравитационной теории, в разд. 7 даны выводы.

В этом обзоре мы придерживаемся единиц и условных обозначений, принятых в книге Мизнера, Торна и Уилера [1] (в дальнейших ссылках сокращенно МТУ). Некоторые части обзора основаны на лекциях автора, прочитанных в 1972 г. в Варение, «Теоретические методы экспериментальной гравитации» [2] (в дальнейших ссылках сокращенно ТМЭГ). Читателя, который захочет подробнее ознакомиться с математическими методами и вычислительными приемами, упомянутыми в этом обзоре, мы отсылаем к ТМЭГ [2] и МТУ [1], гл. 38—40. Имеется ряд других полезных работ [3—9]. В качестве полного обзора ситуации в эксперименте на 1961 г. см. работу Бертотти и др. [10].