И оказывается, что в такой Вселенной материальная положительная энерг
ия компенсируется отрицательной энергией связи гравитационного поля.

В общем, ситуация такая, что энергия гравитационного поля проявляет себя
в различных случаях. Только вопрос: в чём же отличие энергии гравитацион
ного поля от другой энергии?
Оказывается, что энергия гравитационного поля проявляет себя только в г
лобальных эффектах. Если мы можем плотность энергии, скажем, электромагн
итного поля определить в каждой точке однозначно, то для гравитационног
о поля это не пройдёт.
И всё дело в принципе эквивалентности. Принцип эквивалентности это один
из основных принципов, на основании которого была построена общая теори
я относительности, можно сформулировать кратко так. Пусть в гравитацион
ном поле падает наблюдатель свободно, ничто на него не действует. И разме
ры этого наблюдателя малы по сравнению с характерными размерами измене
ния гравитационного поля. Тогда утверждается: наблюдатель не почувству
ет никакого гравитационного поля. Но это означает, что локально энергия
гравитационного поля в точке наблюдателя, в его системе отсчёта равняет
ся нулю.
С другой стороны, если мы запустим какую-то ракету с двигателем, который с
опротивляется этому падению, то в системе отсчёта этой ракеты мы можем в
вести некоторые величины, которые будут определять плотность энергии г
равитационного поля. Ситуация такая, что с помощью координатных преобра
зований мы можем превратить плотность энергии гравитационного поля в н
оль, а можем сделать какой угодно величиной. Вот это сложность в определе
нии энергии гравитационного поля. Эта сложность, она заключается в принц
ипе эквивалентности.
В.Л. Кстати, исторический принцип эквивалентности был открыт
более гуманным путём, там не бросали никаких наблюдателей. Как известно,
Галилео Галилей бросал камни с Пизанской башни. Но он первым обнаружил т
у очень странную вещь, что тяжёлые и лёгкие предметы падают с одинаковым
ускорением. И фактически это было первое открытие эквивалентности инер
ции и гравитации, на самом деле. Вернёмся к тому принципу общей теории отн
осительности, что инерция, в сущности, Ц это некая инертная масса тела, о
на всегда привязана к пространству. Потому что мы всегда привязаны к дви
жению. Это характеристика движения тел. А в то же время оказывается, что гр
авитационное поле так устроено, что каждое тело притягивает другое тело
в точности так, как будто бы оно знает о его инерционных свойствах, о его с
войствах чисто геометрических, в глобальном смысле геометрических.
Надо сказать, что принцип эквивалентности проверялся неоднократно и в н
аше время, и в последние годы; на нашей памяти несколько десятилетий. И до
сих пор он остаётся абсолютно незыблемым.
И я хочу сказать, что это не только причина трудностей, на самом деле. Може
т быть, слава богу, что есть эта трудность в отыскании энергии. Гравитация
действительно глобальна. Но раз мы согласились, что гравитационная масс
а связана с инертной и она фактически тоже является геометрическим мери
лом, некой сущностью, то ясно, что и глобальное пространство Ц тут опять,
боюсь, я вернусь к принципу Маха, Ц и глобальное наше пространство-время
, оно обязано быть образовано какой-то массой, то есть гравитационным пол
ем.
А.П. Да, конечно, правильнее назвать это не трудностью, а особен
ностью гравитационной теории.
В.Л. Да, это может быть какая-то поразительная загадка, которую
использовал Эйнштейн, но которая на самом деле до конца ещё и не разгадан
а.
А.Г. А как это согласуется Ц простите, что я вмешиваюсь, с набл
юдаемым в последние годы фактом, что Вселенная не просто расширяется, не
представляет из себя сферу, а расширяется с ускорением?
А.П. Мы к этому перейдём.
В.Л. Вот мы как раз хотели, вообще говоря, потихонечку идти к эт
ому. Если вы не против, чуть попозже вернёмся к этому вопросу. Просто чтобы
не запутывать наших зрителей. Этот вопрос неизбежно всплывёт.
А.П. А пока мы попытаемся вернуться к проблемам определения э
нергии в общей теории относительности. Потому что всё-таки во многих зад
ачах её необходимо определять. Нужно сказать, что для любой теории всё-та
ки основными являются уравнения, а уже из уравнения можно построить каки
е-то законы сохранения, можно сказать, что уравнения выводятся из действ
ия. Главное в теории Ц уравнение. Вот в общей теории относительности ест
ь уравнения и будем на них опираться.
Итак, многие задачи всё-таки требуют определения энергии. Поскольку она
как-то себя проявляет, то этот момент мы должны как-то развивать. Я эту осо
бенность назвал трудностью. Так вот, из чего проистекает эта особенность
? Вернёмся к этому. Математически она проистекает из того, что в общей теор
ии относительности нет той самой решётки, относительно которой мы можем
построить некий математический комплекс, который мы назовём энергией, и
ли импульсом.
Давайте введём эту решётку: можно пространство Минковского, а можно любо
е другое фиксированное, известное пространство-время, относительно кот
орого мы всё будем измерять. Оказывается, что если мы рассматриваем общи
й случай, то мы можем различным образом ввести вот такие фоновые простра
нство-время. Это не очень хорошо. Однако спасает то, что многие задачи, в ко
торых используется общая теория относительности, они как бы сами по себе
предполагают, что какое-то фоновое пространство-время существует. Прич
ём реально, физически. В том же самом эксперименте по детектированию гра
витационных волн что предполагается? Предполагается, что будут измерят
ься возмущения гравитационного поля, возмущения метрических потенциал
ов относительно плоского пространства-времени, поскольку эти гравитац
ионные волны очень слабы, а пространство в земных лабораториях, где и буд
ут детектироваться эти волны, вполне можно физически аппроксимировать
пространством Минковского. Поэтому всё рассчитывается относительно эт
ого фиксированного пространства-времени.
Другой пример, где уже физически задаётся фоновое пространство-время Ц
это космологические задачи. В очень большом их числе рассматривается во
змущение на фоне космологических решений Фридмана, Де Ситтера, каких-то
их вариаций. А что такое космологическое решение? Это тоже физическая ре
альность. Это некое усреднение, которое получается из астрофизических н
аблюдений.
Третий пример, в котором можно использовать фон, это решение вокруг реля
тивистских объектов типа нейтронной звезды или «чёрной дыры». В данном с
лучае тоже сам центр определяет ту геометрию, на которой рассматриваетс
я возмущение. Тоже физическая реальность, и вполне разумно рассматриват
ь возмущение относительно этой физической реальности, этой геометрии.

Одна из моделей, которая очень хорошо изучена, Ц это модель островной си
стемы. Что такое островная система? Можно представить звезду, тяготеющий
центр, и далеко-далеко от этой звезды ничего нет. То есть где-то на бесконе
чности можно пространство аппроксимировать Минковским. То есть в центр
е звезда «продавливает», будем так говорить, пространство сильно, а чем д
альше мы удаляемся, тем этот прогиб становится меньше, и дальше можно счи
тать, что уже есть пространство Минковского и что есть на фоне пространс
тва Минковского только некоторые возмущения.
Такая простая модель исследовалась очень долго, всякие тонкие структур
ы этой модели исследуется до сих пор. И не так давно была доказана теорема
не так давно, по сравнению с возрастом общей теории относительности Ц в
начале 80-х. Доказана, казалось бы, простая теорема, что такая система вся вм
есте имеет положительную энергию. Вот мы её окружим какой-то сферой очен
ь удалённой Ц такая энергия положительна. А если тяготеющий центр исчез
нет, то энергия превратится в ноль. Но это оказалось очень сложной задаче
й математической физики. Так называемая теорема положительности энерг
ии.
В.Л. Кстати, я хочу вернуться к гравитационным волнам, я немнож
ко тоже этим увлекался в своих научных исследованиях.
Большой класс теорий, которые развиваются оппонентами общей теории отн
осительности, предсказывают отсутствие гравитационных волн. И как Алек
сандр Николаевич в начале уже сказал, мы косвенно уже видим излучение гр
авитационных волн, но, как говорится, оппоненты могут всегда что-то такое
придумать в этом случае, так что все ждут прямого детектирования.
Такое детектирование ожидалось несколько лет назад, когда вступили в ст
рой, буквально год назад, в Соединённых Штатах два гигантских интерфером
етра, где-то размером 4 на 4 километра.
Вообще, история удивительным образом замыкается. Когда-то специальная т
еория относительности связывалась с опытом Майкельсона-Морли, с интерф
ерометром Майкельсона, и сейчас этот же интерферометр пытаются использ
овать для открытия гравитационных волн. Его плечи в поле гравитационной
волны начинают смещаться друг относительно друга; и там ещё есть луч, бег
ающий между зеркалами, соответственно, будет меняться интерференционн
ая картинка.
И мы, собственно говоря, последние год-два уже ждали открытия; мы, астрофи
зики, например, предсказывали, что такое открытие должно было быть на том
определённом уровне чувствительности, которого обещали.
Я напомню, что это один из самых дорогих физических экспериментов ХХ и те
перь уже ХХI века Ц около полмиллиарда долларов было, как говорится, зары
то в землю.
И, к сожалению, вот этот момент никак не наступит. Дело в том, что техническ
и удержать зеркала очень сложно. Идея состоит в том, чтобы заметить смеще
ние на одну тысячную размера ядра атома, смещение зеркал, расположенных
на расстоянии 4-х километров. Это совершенно новая технология. Это повыше
ние точности на два-три порядка, такой скачок сделать оказалось очень тр
удно. Вот сейчас стоит именно проблема удержания зеркал с точностью до т
акого размера. Мы должны удерживать каждое зеркало, грубо говоря, с точно
стью до одной тысячной ядра атома, а там в каждом зеркале миллиарды этих а
томов. И они тёплые, они греются, двигаются и так далее.
Но тем не менее, я думаю, что этот вопрос будет рано или поздно решён, я не со
мневаюсь, что гравитационные волны будут открыты всё-таки в ближайшие н
есколько лет.
А.П. Это будет ещё один аргумент в пользу общей теории относит
ельности.
В.Л. Ещё один удар, да.
А.Г. Но, если применяется настолько уникальный инструмент с т
акой точностью измерения, как проверить результаты, полученные на таком
инструменте? Ведь второго такого нет.
В.Л. Во-первых, я хочу сказать, что таких инструментов строится
несколько. Такие инструменты построены в Японии, в Италии, в Германии, и в
Соединённых Штатах два инструмента сразу строятся. И физики, особенно се
йчас, когда они столкнулись с проблемой удержания стабильности этого ин
терферометра, они пошли на сотрудничество. Перед этим была некая конкуре
нция в надежде на выигрыш Нобелевской премии, но вот сейчас через нескол
ько лет довольно трудных и тяжёлых, это действительно очень сложная техн
ическая задача, люди пошли на кооперацию. Ясно, что только независимое де
тектирование на нескольких интерферометрах позволит подтвердить откр
ытие гравитационных волн.
Более того, я думаю, что это одновременно будет открытие и «чёрных дыр», на
стоящее открытие. Потому что по расчётам, которые мы проводим в институт
е долгое время, оказывается, что в первую очередь такие интерферометры д
олжны регистрировать именно столкновение «чёрных дыр» или «чёрных дыр
» с нейтронными звёздами Ц это не столь важно. Это самые мощные сигналы и
самые вероятные сигналы, которые будут обнаружены. И одновременно, вообщ
е говоря, я немножко в сторону увлекаюсь я хочу сказать, что никогда в физи
ке не было такого события, когда в одном эксперименте сразу было открыто
или подтверждено существование двух сущностей Ц «чёрных дыр» и гравит
ационных волн.
И я думаю, что для победы, окончательной победы геометрической теории гр
авитации и теории Эйнштейна, конечно, это будет очень важным событием.
А.П. Нужно завершить, наверное, вопрос об определении энергии
в общей теории относительности? Поскольку число задач, в которых этот фи
ксированный фон может участвовать, возрастает, и точность очень сильно в
озрастает, то возникает необходимость в построении единого подхода для
таких задач. И такой подход был разработан, это так называемая «полевая ф
ормулировка общей теории относительности».
Это совершенно та же самая общая теория относительности, только перефор
мулированная в удобном виде, чтобы решать какие-то определённые задачи.
Её преимущество ещё и в том, что решение задач с её использованием может б
ыть доведено до любой точности, которая необходима. Обычно исследовател
и ограничиваются линейным приближением, а в космологии возникает необх
одимость исследовать и квадратичное, и кубическое…
В.Л. Но всё-таки, это приёмы или это реальная физическая теория
?
А.П. Нет, это общая теория относительности.
В.Л. По содержанию?
А.П. По содержанию Ц общая теория относительности. А как форм
улировка это некий приём, который позволяет решать некоторые задачи.
В.Л. Кстати, первый полевой теорией гравитации была теория Нь
ютона. До Эйнштейна, до ХХ века все силы были равноправны: гравитация, элек
тромагнтизим. Потом мы узнали о ядерных силах и так далее. Но в принципе, о
ни все выступали одинаково на поле некоего плоского пространства-време
ни. Что сделал фактически Эйнштейн… Кстати, нельзя сказать, что он был пер
вым, кто говорил о геометрической теории гравитации. Я бы здесь упомянул
в первую очередь, конечно, Лобачевского, которого мы часто помним как вел
икого математика и геометра, но, если почитать внимательно его работы, он
всегда понимал, что речь пойдёт о физике, что его новая геометрия обязате
льно приведёт к перевороту в физике.
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