Общая теория относительности (ОТО)

Что же понимается под гравитационным полем в ОТО? Под этим именем здесь сосуществуют понятия полей двух разных типов. Первое - это математическое поле кривизны (или метрического тензора, или символов Кристоффеля) в 4-мерном пространственно-временом многообразии Римана. Это поле задает отклонение от "плоского" 4-мерного пространства-времени Минковского. Второе - это физическое ньютоно-максвелловское силовое поле, сочетающее ньютоновскую идею гравитационной силы с принципом фарадее-максвелловского близкодействия (включая использование пробных тел для измерения).

Физики-теоретики, занимающиеся ОТО, часто отождествляют гравитационное поле с первым. Мы полагаем, что это поле является лишь математическим образом второго, что вытекает из анализа постановки и решения задач, выходящих на эксперимент. В центре внимания такого анализа - границы между теоретической и нетеоретическими частями сх. 1.1, поскольку именно на них выявляется то, что относится к физической модели.

В целом процедура постановки и решения задач в ОТО выглядит следующим образом. Берут "затравочную классическую систему", которая состоит из одного или нескольких выделенных изучаемых тел (или непрерывной среды) и источников гравитационного поля (массивных тел и прочих полей, т.е. энергий и импульсов, распределенных в обычных трехмерном пространстве и одномерном времени. При этом состояние выделенных изучаемых тел (или непрерывной среды) задается как в классической механике (или как в гидродинамике) - их положениями и импульсами в обычном 3-мерном пространстве и обычном времени, а состояние гравитационного поля определяется ускорениями и рядом пространственных производных ускорения пробного тела в различных точках пространства. Т.е. тип системы напоминает электродинамику (ср. [14, с. 143]), что естественно, поскольку модель ОТО складывалась на базе моделей Ньютона, Фарадея-Максвелла (и идеи Минковского, которые, как мы пытаемся показать, относятся не к модельному, а к математическому слою).

Затем составляют для нее соответствующие ОТО математические образы, используя язык 4-мерного пространства-времени Римана и получают нужное уравнение движения. Окончательный же результат в конце концов всегда представляют на языке движения тел в обычных трехмерном пространстве и одномерном времени.

Эту ситуацию очень красиво зафиксировал "наивный" вопрос, заданный астрофизикам на одной из конференций по астрофизике крупным геоботаником и разносторонним ученым С.В.Мейеном: "Почему вы так замечательно рассуждаете в 4-мерном пространстве- времени, но на выходе у вас всегда расстояние в мегапарсеках и время выступают отдельно?" [32].

Действительно, если обратиться к описанию таких специфичных для ОТО явлений как "гравитационный коллапс" и гравитационные волны то мы встретим следующие описания.

Гравитационный коллапс - это "процесс гидродинамического сжатия тела под действием собственных сил тяготения"[6] [59, с.137] в обычных трехмерном пространстве и одномерном времени (приблизительно то же мы найдем в [25, т.2, с. 384-385]).

Гравитационные волны - это "переменное гравитационное поле, которое излучается ускоренно движущимися массами, "отрывается" от своего источника и, подобно электромагнитному излучению, распространяется в пространстве со скоростью света" [59, с.137]. "Гравитационную волну можно рассматривать как гравитационное поле, движущееся в пространстве. Такая волна должна была бы оказывать силовое воздействие на объекты, обладающие массой" - пишет Дж. Вебер [14, с. 179]. Правда, затем он добавляет: "Физик-релятивист говорит о гравитационной волне как о распространении кривизны пространства-времени", но тут же уточняет, что "более точным было бы, по-видимому, такое определение: гравитационная волна - это возмущение гравитационного поля, распространяющегося с конечной скоростью и несущее с собой энергию". В [9], с одной стороны, "гравитационная волна" представляется как "рябь на статической кривизне" (имеется в виду кривизна в 4-мерном пространстве-времени Римана). Но когда говорят о ее источнике и конструировании прибора для регистрации в конкретном эксперименте, то речь уже идет о "распространении" в обычном пространстве и времени "градиента ускорений", источником которого являются вращающиеся (в обычном пространстве и времени) двойные звезды, а приемником - разнесенные в обычном пространстве тела, взаимное смещение, которых "вызвано переменной силой (гравитации - А.Л.)".

Приводимые в оправдание таких описаний ссылки на необходимость все измерения выражать на "классическом" языке, с нашей точки зрения, не выдерживают критики, поскольку существуют описания последовательных процедур измерения величин фигурирующих в геометрии пространства времени Римана. Потенциал человеческого языка и мысли велики и понятие "классического" исторично. Яркий пример - история формирования понятия электромагнитного поля. Неверными нам представляются и ссылки на то, что такие непоследовательные описания являются приближениями и упрощениями, поскольку точность этих описаний ничем не ограничена.

5.3. Современная космология. Пример применения существующих "первичных идеальных объектов"

Продемонстрируем насколько проще воспринимаются результаты использования уже существующих "первичных идеальных объектов", чем создания новых "первичных идеальных объектов". Сделаем это на вроде бы весьма сложной темы -- современной космологии.

Первый акт современной космологии связан со сценарием Большого взрыва. Основная его часть весьма проста, но применяемый подход вызывает непростые вопросы, поэтому мы его отложим до следующего параграфа. А здесь продемонстрируем эволюцию звезд, начиная с фазы существования межзвездного газа.

"Звезды начинают образовываться в результате развития флуктуаций плотности в исходном облаке межзвездного газа. Образовавшиеся комки вещества продолжают сжиматься под действием сил гравитации. Для того, чтобы этот процесс мог привести к образованию звезды, необходимо, чтобы масса комка была достаточно большой... На ранней стадии эволюции звезда представляет собой газовый шар, достаточно большой массы и большого размера, который продолжает сжиматься за счет гравитационных сил. При этом шар излучает энергию за счет энергии гравитации. Звезда сжимается, увеличивая среднюю плотность и температуру в центре.

Это происходит до тех пор, пока температура не поднимется настолько, что в центре звезды начнутся термоядерные реакции с выделением энергии и силы теплового давления не скомпенсируют силу гравитационного сжатия. Звезда вступает на этой стадии в наиболее длительный и спокойный период своей жизни (исходный газ, из которого образуются протозвезды, состоит примерно на три четверти из водорода и на одну четверть из гелия)...

Не очень массивная звезда на конечной стадии эволюции, когда ее ядерное топливо кончилось или почти кончилось, превращается в белого карлика, в котором гравитационные силы уравновешены холодным давлением ферми-газа электронов. Если масса больше некоторого предела, то бедый карлик становится нестабильным... (и превращается в нейтронную звезду)... Если звезда достаточно массивна,... нейтронная звезда становится неустойчивой... Все звезды с массой больше двух солнечных масс после того, как они закончат свою эволюцию, должны начать коллапсировать (сжиматься – А.Л.) и уйти под шварцшильдовский радиус (это граница, на которой 2-я космическая скорость для данной звезды становится равной скорости света, в результате чего от нее не может убежать даже свет и она превращается в «черную дыру», из которой ничего не выходит). Внутри сферы Шварцшильда материя... остановиться не может. Что будет в самой сингулярности, неизвестно.… Во всяком случае снаружи от сколлапсировавшей звезды мы должны продолжать видеть "старое" поле тяготения Шварцшильда.… Описанный объект принято называть черной дырой. Если вблизи нее есть газ (туманность или звезда, являющаяся источником газовых потоков), то этот газ будет втягиваться в дыру, исчезая в ней. В процессе падения (аккреции) газ должен разогреться и стать источником рентгеновского излучения. Именно по такому излучению пытаются искать черные дыры" [5 II, с. 23-27] (в [63] приводится 11 таких объектов).

Не очень массивные звезды, у которых в ходе эволюции (термоядерной реакции "горения" водорода и гелия) сформировалось сверхплотное CO-ядро с массой меньше или порядка 1,4 солнечных масс взрываются, образуя вспышки так называемых "сверхновых звезд" [59, с. 656-657].

5.4. Современный космологический миф о "Большом взрыве"

Эйнштейновская общая теория относительности (ОТО) порождает два глобальных продолжения.

Одно из этих продолжений связано с общей космологией. Физики не избежали искушения применить уравнения ОТО к Вселенной в целом. И здесь их, во всяком случае Эйнштейна, ждал сюрприз. Оказалось, что решения уравнений Эйнштейна в предположении модели однородной и изотропной Вселенной нестационарны (это в 1922 г. открыл молодой советский физик А.А.Фридман) и приводят к модели расширяющейся Вселенной. Соответственно путь в обратном направлении по времени приводит, согласно законам термодинамики, к сверхплотным концентрациям энергии, при которой, согласно теории элементарных частиц, надо обращаться уже к ее моделям. Так возникла модель "Большого взрыва", которая говорит приблизительно следующее:

Вначале был взрыв. Через 0,01 с температура составляла 10^11 градусов K, что отвечает энергиям при которых не могут существовать даже атомные ядра. Это был мир фотонов и лептонов (электронов, позитронов, нейтрино) с небольшой примесью нуклонов (протонов (p) и нейтронов (n)).

Далее температура быстро снижается и через 14 с. достигает 3х10^9 градусов K при которой электроны и позитроны начинают быстро аннигилировать и выходят из игры.

Через 3 минуты температура падает еще в 3 раза и начинают образовываться сложные атомные ядра, начиная с дейтерия (p+n). Затем из дейтерия образуется гелий. Вселенная в основном состоит из фотонов, нейтрино и антинейтрино с небольшой примесью ядерного материала.

Через несколько сот тысяч лет Вселенная остывает настолько, что появляются атомы водорода и гелия, т.е. газ. Последний под воздействием сил гравитации образует сгустки, которые затем превращаются в галактики и звезды нынешней Вселенной. Звезды первого поколения начинают свою эволюцию с теми составными элементами, которые образовались ("были изготовлены") в первые 3 минуты [10].

Такова "стандартная модель" - космологический миф ХХ в.

Возникает вопрос - не является ли это эпическое полотно, по сути, натурфилософским мифом, который вместо древних полубожественных элементов (земля, вода, воздух и огонь) использует другие - фотоны, лептоны, нуклоны..., заимствованные из физики? Основания для подобных подозрений есть. Физика, как и инженерия, предполагает ограниченную "лабораторию". Например II закон термодинамики выведен по отношению к "рабочему телу", находящемуся между холодильником и нагревателем. Подобные черты ограниченности присутствуют и во многих других разделах физики. Поэтому применение лабораторной науки ко всей Вселенной приводит к противоречию в основаниях. Наиболее очевидное проявление этого противоречия - проблема измерений. Без четкого указания процедур измерения не может быть построен ни один раздел физики. Это было специально проакцентировано Эйнштейном при создании теории относительности. Корректное введение подобных процедур для ранней квантовой стадии модели "Большого взрыва", когда нет атомов, никто не сделал. Более того, сомнительно, что к эволюции Вселенной можно подходить как к явлению, без создания новых первичных идеальных объектов.

Эти проблемы наиболее ярко просвечивают в квантовой космологии. С нашей точки зрения в подобных рассуждениях перемешаны два типа проблем, связанных с процессом измерения. Первый - указанная выше особенность Вселенной, ее "нелабораторность". Вторая группа проблем характерна для обсуждений квантовой механики вообще, типа разбираемого в следующем разделе парадокса "редукции волновой функции" и натурфилософских построений типа "многомировой интерпретации".

Современным космогоническим мифом, идущим от элементарных частиц и Большого взрыва через атомы ко всем остальным явлениям Природы кормится физикалистский пафос (лапласовского или платоновско-пифагорейского типа) построения единой теории всей Природы, разделяемый многими физиками.