§ 5. Физический принцип Маха и неэйнштейновские теории тяготения

На протяжении XX века в литературе обсуждается принцип Маха.

Суть этого принципа состоит в следующем: инерция тела определяется его взаимодействием (гравитационноинерционным) с другими телами Вселенной. Этот принцип сыграл большую эвристическую роль в создании Эйнштейном общей теории относительности. Но после создания теории относительности выяснилось, что принцип Маха в ней не содержится! Рассмотрим вопрос несколько подробнее.

Что значит утверждение: инерция определяется взаимодействием с другими телами? Прямолинейный ответ на этот вопрос состоит в следующем: инертная масса тела, т. е. мера его сопротивляемости действующей силе, определяется его взаимодействием с другими телами. Если бы этих тел не было, то не было бы инертной массы у пробного тела. С другой стороны, как писал Эйнштейн: "инерция тела должна возрастать по мере скопления весомых масс вблизи него".

Оба последних утверждения не выполняются в теории относительности. Во-первых, в пустом пространстве справедлива специальная теория относительности, где тела обладают инерцией, где во вращающейся системе есть силы Кор полиса и центробежные силы. Во-вторых,одна и та же сила, например, сила сжатой пружины, всегда сообщает данному телу одинаковое ускорение, независимо от близости тяжелых масс или отсутствия их. Значит, инерция тела не возрастает "по мере скопления весомых масс вблизи него". Противоположное утверждение Эйнштейна связано с ошибочной интерпретацией полученной им формулы (на эту ошибку указывали Бранс и Дикке). С этой точки зрения, каждое подтверждение теории относительности есть удар по принципу Маха.

Иначе обстоит дело с некоторыми другими физическими идеями, которые иногда связывают с принципом Маха. Так, Эйнштейн писал, что, с точки зрения Маха, можно ожидать следующего: "тело должно испытывать ускоряющую силу, когда близлежащие массы ускоряются; эта сила по направлению должна совпадать с направлением ускорения.

Вращающееся полое тело должно создавать внутри себя "кориолисово поле сил", стремящееся отклонить движущиеся тела в направлении вращения...".

Оба эффекта имеют место в ОТО. Но они не связаны с изменением инертных свойств тела, а описывают изменение инерциальной (т. е. движущейся свободно) системы отсчета при движении тяготеющих масс. Иначе говоря, масса пробного тела остается неизменной, но инерциальная система отсчета будет разная в зависимости от наличия и движения окружающих тел. Принципиально эти эффекты, указанные Эйнштейном, того же характера, что и изменение инерциальной системы в присутствии неподвижной тяготеющей массы (скажем, вблизи невращающейся планеты).Инерциальная система свободно падает в поле тяготения массы, в то время как в отсутствие массы она совпадала с инерциальной системой на бесконечности. Очевидно, такое изменение инерциальной системы никак не связано с изменением инерциальных свойств тела, которые являются мерой сопротивляемости тела ускоряющим (негравитационным) силам.

Итак, принципа Маха в ОТО нет. Поэтому нельзя согласиться с теми, кто ОТО считает теорией, подтверждающей принцип Маха. Впрочем, поскольку уравнения ОТО считаются верными, "пор становится схоластическим, любые предсказания об исходе того или иного реального или мысленного опыта не меняются от того, какие слова "приговаривают" авторы расчетов.

Другая точка зрения на принцип Маха более радикальна. Придерживающиеся ее авторы считают ОТО неверной или неполной именно потому, что в ОТО не учтено в явном виде (а не только через влияние на геометрию пространства - времени) воздействие далеких масс на инерцию и тяготение. Эти авторы считают существование решения уравнений для пустого пространства недостатком ОТО, который будущая теория сможет преодолеть.

Спор о будущей теории всегда затруднителен, ибо теории еще нет. И все же не для нападения на нерожденные теории, а в защиту ОТО следует отметить факты, неблагоприятные для критиков ОТО.

ОТО не встречается ни с экспериментальными опровержениями, ни с логическими трудностями. Поэтому нет реальных объективных побудительных причин для замены ее "более маховской теорией".

Если же обратиться ко Вселенной, в которой мыживем, то в ней фактически далекие звезды и реликтовое излучение выделяют в каждой точке одну "покоящуюся" (в среднем относительно материи) систему координат. Не только вращение, но и поступательное движение относительно далеких звезд может быть обнаружено и измерено, хотя на локальные законы природы оно и не влияет! В покоящейся системе мы во всех направлениях наблюдаем изотропное красное смещение света далеких галактик, температура радиофона во всех направлениях равна 2,7 К. В равномерно поступательно движущейся системе мы наблюдали бы в аправлении движения анизотропию красного смещения галактик, температура фона была бы выше 2,7 К (а в противоположном направлении - ниже).

Таким образом система, связанная с реликтовым излучением, с общей массой далекого вещества, действительно физически преимущественна и она инерциальна в каждой точке. Может быть, это как-то можно трактовать в духе подтверждения принципа Маха? Мы думаем, что этого делать нельзя. Прямолинейное применение принципа Маха в такой редакции ведет к следующему. Раз выделена преимущественная система, то даже движение по инерции по отношению к ней (а не обязательно с ускорением или вращением) должно вести к отличию в новой системе локальных физических законов от законов в системе преимущественной. Но этого нет - законы физики инвариантны относительно преобразований Лоренца, т. е. относительно перехода к движущейся системе. Таким образом, принцип Маха (если бы он оказался верным) должен был бы вернуть - нас не только к Ньютону, но и, вероятно, к Аристотелю во Вселенной можно было бы определить абсолютный покой. Если опыт показывает лоренц-инвариантность законов природы (а это так!), то он прямо указывает на независимость законов от влияния далеких тел. Тем самым подрывается привлекательность объяснения частной группы явлений влиянием далеких тел.

Приведенные соображения были уже много лет назад изложены Я. Б. Зельдовичем и автором (см. об этом в Предисловии к книге). Можно сказать, что и сейчас нет оснований для пересмотра ОТО в направлении физических идей Маха, хотя сама мысль о том, что силы инерции, как и любые другие, должны иметь конкретный источник, кажется весьма привлекательной. Как пойдет развитие теории, покажет будущее.

Пока еще ни одна попытка создания "новой" теории тяготения и "новой" космологии к успеху не привели. Необходимо упомянуть такие теории, как теория "стационарной" Вселенной (Бонди, Голда и Хойла) и теория тяготения Бранса - Дикке и основанная на ней космология. Первая теория предполагала непрерывное возникновение вещества во Вселенной, рождение новых галактик и т. д. (причем в сегодняшней Вселенной, не в начале расширения!), которое компенсирует уменьшение плотности с расширением Вселенной. Однако астрономические предсказания этой теории опровергнуты прямыми наблюдениями.

В теории Бранса - Дикке помимо гравитационного поля (кривизны пространства - времени) вводится еще и новое гипотетическое скалярное φ-поле, зависящее от распределения обычной материи во всем пространстве. Но и здесь современные наблюдения накладывают все более жесткие ограничения на возможную силу φ-поля, делая его возможное значение все более и более незначительным. Совокупность теоретических и наблюдательных данных все более определенно говорит против указанных теорий. В самое последнее время делаются и другие попытки. Но, как уже сказано, до какого-либо успеха здесь еще очень далеко.

Общая теория относительности была создана более 60 лет назад на основе минимального числа экспериментальных фактов, гениально отобранных Эйнштейном для фундамента теории (см. об этом § 1 гл. 2). В течение многих десятилетий единственным экспериментальным подтверждением правильности теории Эйнштейна были знаменитые три эффекта - отклонение луча света в поле тяготения Солнца, покраснение света, выходящего из области более сильного поля тяготения, и медленное смещение перигелия орбит планет. В наше время количество проверок и их точность существенно возросли, но и сегодня мы не можем сказать, что все важнейшие выводы теории Эйнштейна проверены экспериментами. Неудивительно, что неоднократно предпринимались попытки построения других релятивистских (т. е. справедливых при больших энергиях и сильных полях) теорий тяготения, отличных от эйнштейновской. Все такие попытки, как уже сказано, к успеху не привели. Отметим, что общая теория относительности Эйнштейна является единственной до конца последовательной, лишенной внутренних противоречий и необычайно логически стройной релятивистской теорией тяготения. Анализ ее внутренней структуры и связей с другими разделами физики убеждает большинство специалистов в ее справедливости в дополнение к прямым экспериментальным проверкам.

Читателей, интересующихся более детально этой проблемой, отсылаем к статье Н. П. Коноплевой. УФН, 124, 537-563, 1977.

Мы знаем только одно необходимое обобщение теории тяготения Эйнштейна - это обобщение, связанное с квантовыми эффектами, проявляющимися в сильных и переменных гравитационных полях.

Попытки как-то обобщить ОТО и построить на основе новых теорий новую космологию делались и делаются. Но мы видели, что сейчас для этого нет достаточных оснований. Поэтому в этой книге мы других теорий касаться не будем.

Лстк легкий дом лстк проекты домов www.baltprofile.ru/gotovie-doma/.