Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
I. ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТК. М. Уилл 1. ВВЕДЕНИЕУже 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].
|
1 |
Оглавление
|