6. ГРАВИТАЦИЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ: ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ НА ЛОКАЛЬНУЮ ФИЗИКУ

Поскольку гравитация проявляет себя через медленно спадающую с расстоянием силу чистого притяжения, можно ожидать, что глобальное распределение вещества во Вселенной влияет на локальную гравитационную физику. Действительно, с этой «махианской» точки зрения поистине удивительно, каким образом хоть какая-нибудь метрическая теория гравитации может избежать такого влияния. Однако общая теория относительности, очевидно, избегает этого влияния, вследствие чего о ней можно сказать, что она удовлетворяет сильному принципу эквивалентности (Сильн. ПЭ), который гласит:

1) СПЭ и УГКС справедливы и 2) результат любого гравитационного или негравитационного эксперимента, проводимого в локальной свободно падающей системе отсчета, не зависит от того, где и когда во Вселенной этот эксперимент проводится, и не зависит от скорости этой системы отсчета [ср. с ЭПЭ (п. 2.4), в котором речь идет только о негравитационных экспериментах].

Чтобы понять, почему общая теория относительности включает в себя Сильн. ПЭ, а большинство альтернативных теорий его не включают, необходимо рассмотреть, как решается локальная гравитационная проблема, например задача определения метрики пространства-времен и в Солнечной системе, если локальная система погружена в реальную Вселенную, а не в асимптотически плоское пространство-время. Расчет метрики разбивается на две части: космологическое решение и «локальное» решение. С этой точки зрения Вселенная влияет на локальную гравитационную физику системы за счет «сшивки», т. е. за счет граничных условий (на границе «вдали» от вещества) для различных полей, создаваемых локальной системой. Из этого можно сделать ряд выводов.

1. В теории, включающей в себя исключительно метрические поля, локальная гравитационная физика одинакова во всех асимптотических лоренцевых системах отсчета и не зависит от структуры или эволюции Вселенной, т. е. такая теория включает в себя Сильн. ПЭ. Все это следует из свойств инвариантности метрики Минковского (являющейся асимптотикой метрики — единственного поля, асимптотически связывающего локальную систему с Вселенной, а также из общей ковариантности, которая всегда позволяет

нам найти такую систему координат, в которой метрики на границе между Вселенной и локальной системой принимают вид метрики Минковского. Кроме того, были сделаны утверждения, что любая теория, включающая в себя Сильн. ПЭ, предсказывает полное отсутствие эффекта Нордтвердта (МТУ [1], § 20.6, 40.9), полное отсутствие вариаций в локально измеряемой гравитационной постоянной из-за окружающего вещества [12] и полное отсутствие дипольного гравитационного излучения [182, 183]. Общая теория относительности относится к классу именно таких теорий.

2. В теории, содержащей наряду с метрическим полем некоторое скалярное поле Ф, локальная физика одинакова во всех асимптотически лоренцевых системах отсчета, но может зависеть от структуры и эволюции Вселенной. Эти выводы следуют из инвариантности как так и относительно преобразований Лоренца, но теперь Ф может зависеть от структуры и эволюции Вселенной. Скалярнотензорные теории относятся именно к этому типу, и, следовательно, Сильн. ПЭ в них может нарушаться.

3. В теориях, включающих в себя кроме метрических векторные поля К, или тензорные поля С, или нединамические поля или их комбинацию, локальная гравитационная физика может зависеть от движения относительно выделенной универсальной системы покоя, а также от структуры и эволюции Вселенной. Это обусловлено тем, что асимптотические величины дополнительных полей не обязательно инвариантны относительно преобразований Лоренца и принимают значения, определяемые космологической структурой. Это справедливо даже для плоской фоновой метрики как и в биметрических теориях (п. 3.2, б [105, 106]).

Из этого, по-видимому, следует, что любая теория, отличная от общей теории относительности, в которой вводятся дополнительные поля, динамические или нединамические, может предсказывать нарушения Сильн. ПЭ. Следовательно, влияние глобальной структуры на локальную гравитационную физику может приводить к наблюдаемым следствиям, которые включают в себя вековые вариации ньютоновской гравитационной постоянной (п. 6.1) и определяемые космологией значения ППН-параметров (п. 6.2). В последнем случае ограничения, налагаемые на ППН-параметры проверками в Солнечной системе, могут быть использованы для ограничения космологических моделей в теориях этого типа. Космологические модели, совместимые с локальной гравитационной физикой, могут после этого противоречить глобальным наблюдательным ограничениям, таким, как существование микроволнового фонового излучения.