telnov-mechanika-and-TO

Еще один принципиально важный момент. Пусть наблюдатель на вращающемся диске разложил вдоль радиуса и обода короткие одинаковые линейки. Какое он получит отношение длины периметра к радиусу? Ответ на этот вопрос проще всего найти, взглянув на эту картину из неподвижной инерциальной системы отсчета. Линейка, лежащая на диске вдоль радиуса, будет иметь одинаковую длину в системе диска и в неподвижной системе отсчета, т.к. поперечные размеры при движении не изменяются. Однако, линейка, лежащая вдоль обода на вращающемся диске, будет в неподвижной системе отсчета в

рый в неподвижной системе отсчета имеет длину 2pR , можно уложить движущихся линеек в g раз больше, чем в случае покоящегося диска.

Число линеек, лежащее на диске, не зависит от системы отсчета, следовательно, наблюдатель на диске получит отношение длины обода к радиусу равное 2pg . Это означает, что геометрия на вращающемся

диске отличается от евклидовой! Инерциальные силы искривляют пространство. К таким же эффектам приводит и истинная гравитация. Кривизна пространства является неотъемлемой составляющей Общей теории относительности.

Примером искривленного двумерного пространства является поверхность сферы. Говоря о ее кривизне, мы обычно воображаем сферу, помещенную в трехмерное пространство. Реально, наблюдатель, живущий в n-мерном мире, не может выбраться в n+1 –мерное пространство, чтобы увидеть кривизну своего пространства. Однако он может определить геометрию своего пространства, измерив сумму углов в треугольнике. Для окружности на сфере отношение периметра к радиусу будет меньше 2p. На вращающемся диске это отношение было больше 2p. Если вместо вращающегося диска, на котором центробежные силы направлены от центра, рассмотреть пространство вокруг массивного тела, то там отношение периметра к радиусу будем меньше 2p, как на выпуклой сфере.

Математический аппарат Общей теории относительности довольно сложен. ОТО пользуются в основном астрономы и космологи. Ее использование необходимо при рассмотрении эффектов вблизи компактных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры, а так же для описания динамики расширяющейся Вселенной. Имеется ряд эффектов, предсказанных Общей теорией относительности и проверен-

231

ных экспериментально. Пока не найдено ни одного эффекта, противоречащего ОТО.

Хотя закон Кулона для электрических взаимодействий совпадает с законом тяготения Ньютона, хорошо описывающего гравитационные взаимодействия при слабых полях и небольших скоростях ( в обоих

случаях F µ 1 / r2 ), эти два типа взаимодействий принципиально раз-

личные. Они отличаются не только тем, что у них различные константы взаимодействия, у них переносчики взаимодействия имеют разные спины (внутренние моменты импульсов), сила взаимодействия поразному зависит от скорости частиц. Эти непростые вопросы и здесь их обсуждать не будем, рассмотрим только несколько явлений, для объяснения которых достаточно принципа эквивалентности.

§ 93. Инертная и гравитационная масса, принцип эквивалентности

Масса, входящая во второй закон Ньютона, характеризует инертность тела и называется инертной массой

В законе всемирного тяготения сила притяжения пропорциональна произведению гравитационных масс

Оказывается, что с огромной точностью инертные массы пропорциональны гравитационным. Именно поэтому имеет место принцип эквивалентности, о котором мы говорили во Введении. Как это можно проверить? Рассмотрим падение двух тел 1 и 2 в поле тяжести Земли. Ускорения тел находятся из соотношений

где mi, mg – инертная и гравитационная масса пробных тел, М – гравитационная масса Земли. Отсюда находим

232

Галилей первым заметил, что все тела в пустоте падают с одинаковым ускорением: a (2)= a(1) и, следовательно,

Если это отношение одно и то же для всех тел, то путем выбора значения гравитационной постоянной это отношение можно сделать равным единице, т.е. считать гвавитационную массу равной инертной.

В отличие от Галилея Ньютон использовал для проверки этого утверждения маятник, период которого

Из этого опыта следует равенство mi и mg для различных тел с точно-

стью 10-5 .

Большая точность достигается в статических экспериментах. Если на тело действует две силы, одна пропорциональная mi , а другая mg ,

то направление результирующей силы зависит от mi/mg . Такая уста-

новка создана самой природой. Земля вращается вокруг оси и является неинерциальной системой отсчета. На тело, покоящееся относительно Земли, действуют две силы: гравитационное притяжение, пропорцио-

нальное mg , и центробежная сила, пропорциональная mi .

В 1890-1920 годах Этвеш провел основанные на этом принципе эксперименты, используя крутильные весы с подвешенными на коромысле гирями из различных материалов, но с одинаковыми гравитационными массами (коромысло параллельно Земле), рис. 91. Если бы инертные массы были бы не равны у этих гирь, сделанных из разных веществ, то за счет центробежных сил коромысло получило бы крутильный момент. Действительно, коромысло уравновешенно в вертикальной плоскости при

233

будет равен нулю при m1g = m2g . Отсутствие такого момента показа-

m1i m2i

ло, что отношение инертной и гравитационной массы одно и то же для тел, сделанных их различных материалов, с точностью 10-8 . Позже точность была доведена до 10-12 .

север

Рис. 91

Принцип эквивалентности проверялся на различных расстояниях от тел, создающих притяжение. Это важно, поскольку не исключено, что гравитационное поле состоит из нескольких полей с разной длиной взаимодействия. Если переносчик взаимодействия имеет массу m , то из квантовой механики следует, что сила взаимодействия будет иметь следующий вид

при этом для первого члена выполняется принцип эквивалентности, а для второго нет. Например, вторая сила может действовать только на

барионы и не действовать на электроны. Тогда, если l RЗ , то в экс-

перименте Этвеша принцип эквивалентности будет выполняться, а при расстояниях меньше l нет. Сейчас принцип эквивалентности проверен для расстояний от долей миллиметра до размеров Солнечной системы.

Интересно, как проводятся измерения для различных расстояний. Например, для расстояний в несколько километров в качестве источника поля берут гору. Крутильные весы устанавливают на стол, вращающийся с периодом в несколько часов. Угол поворота крутильных

234

весов тщательно измеряют в каждый момент времени и находят j(t) .

Затем в этой зависимости ищут «гармонику» (синусоидальную составляющую), соответствующую периоду обращения стола.

Из подобных экспериментов следует, что энергия связи ядер и энергия гравитационного поля также участвуют в гравитационном взаимодействии с той же константой взаимодействия. Все это доказывает принцип эквивалентности.

§ 94. Падение фотона в гравитационном поле

Фотон имеет нулевую массу покоя. Какая же на него действует гравитационная сила? Попробуем в этом разобраться. Пусть фотон "падает" вниз с высоты L. Для выяснения характера движения воспользуемся лифтом, падающим вниз с ускорением g. В этой системе отсчета сумма гравитационных и инерциальных сил равна нулю, фотон являет-

ся свободным, его энергия постоянна во времени и равна E0 . В первом приближении фотон достигнет пола за время t » L / c . За это время лифт наберет скорость v » gt » gL / c . Тогда энергия фотона в неподвижной лабораторной системе

Отсюда следует, что фотон как бы имеет «эффективную» гравитационную массу m = E0 c2 = h w0 c2 и в поле получает дополнительную

энергию mgh .

Такой эксперимент был поставлен в 1960 году Паундом и Ребка в Стэнфорде. Фотоны падали вниз с башни высотой около 20 м. Изменение частоты совпало с расчетной в пределах ошибок (10 %). Относи-

тельное изменение частоты составило всего 2 10-15 . Такой малый эффект удалось измерить благодаря только что открытому эффекту Мессбауэра (при испускании фотона ядром импульс отдачи передается при некоторых условиях не ядру, а всему кристаллу).

Еще раньше эффект изменения частоты света при прохождении разности гравитационных потенциалов наблюдался в красном смещении спектров излучения звезд. Формулу (94.2) можно переписать в виде

235

где w0 – частота света, испускаемая источником, находящимся в гра-

витационном потенциале Df (относительно наблюдателя), w – часто-

та, регистрируемая наблюдателем. Частота света на большом расстоянии от звезды, испустившей фотоны,

§ 95. Замедление времени в гравитационном поле

Пусть одни часы находятся при гравитационном потенциале f , а

другие при нулевом потенциале. Каждую секунду первые часы испускают световые вспышки. Частота сигналов, принимаемых в районе вторых часов, дается формулой (94.3). Количество зарегистрированных сигналов – это и есть прошедшее время. Отношение показаний часов, находящихся в гравитационном потенциале f , ко времени,

прошедшему по часам при нулевом потенциале, равно

Вблизи тяжелых тел потенциал f ниже, чем на бесконечности, поэтому часы на поверхности звезды будут идти медленнее. Для Солнца

эффект составляет 2 10-6 .

Более точно эффект замедления времени в гравитационном потенциале проверен в 1976 году с помощью атомных часов, установленных на самолете. Самолет летал с малой скоростью на высоте 10 км в тече-

ние 15 часов. Гравитационный эффект составил 50 10-9 сек, а за счет

скорости меньше – минус 7 10-9 сек. Теория была подтверждена с точностью 1.6 %. К настоящему времени эта цифра улучшена до сотых долей процента.

Когда космонавты (астронавты) улетают далеко от Земли, то за счет изменения потенциала их часы начинают идти быстрее:

В то же время ход часов замедляется за счет скорости движения

236

Эти явления дают нулевой результирующий эффект при

т.е. при второй космической скорости, равной 11.2 км/сек.

У космонавтов, летающих по орбите вблизи Земли, часы идут медленнее, чем на Земле, а у космонавтов (астронавтов) путешествующих к Луне со скоростями существенно меньше второй космической скорости, часы будут идти быстрее, чем на Земле.

§ 96. Область применимости классических законов движения в гравитационных полях

В Общей теории относительности есть два параметра, которые определяют величину эффектов ОТО.. Эффекты ОТО малы при

Первый эффект мы рассмотрели выше, второй эффект не обсуждался. Это не просто эффект специальной теории относительности, он зависит также от природы гравитационного взаимодействия. При движе-

нии планет V 2 ~ GMr ~ j, т.е. параметры примерно равны. Для от-

клонения света вблизи звезды, гравитационный потенциал мал, но поправка ОТО достигает 100 % за счет большой скорости фотона.

Важнейшую роль ОТО занимает при рассмотрении проблем астрофизики и космологии. ОТО предсказывает существование черных дыр, которые втягивают в себя окружающее вещество, но ничего не выпускают обратно. Такие объекты обнаружены. Их масса варьируется от нескольких до миллиарда масс Солнца. Движущиеся массы излучают гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Их пока достоверно не зарегистрировали, но косвенно это подтверждается наблюдениями изменения периодов вращения двойных звезд. Как и электромагнитные волны, гравитационные волны состоят из квантов – гравитонов с энергией hw . Возможно, что гравитационные взаимодействия играют важную роль в структуре элементарных частиц. Из фундаментальных констант e,h,c,G можно построить размерность массы, только при использовании гравитационной постоянной G , а именно

237

Г Л А В А XIII

СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ВСЕЛЕННОЙ,

НА ПОРОГЕ ВЕЛИКИХ ОТКРЫТИЙ

§ 97. Введение

Наиболее глубокие знания о законах природы и в целом о нашей Вселенной дают исследования в области элементарных частиц и космологии. В последние годы были сделаны потрясающие открытия, разгадка которых станет настоящей революций в науке. Может, это незаметно со стороны, но именно сейчас микро- и космофизика переживает один из самых захватывающих моментов за многие годы. Ответы на некоторые вопросы, возможно, будут даны уже в ближайшие годы.

На первый взгляд физика элементарных частиц (или физика высоких энергий) и космология изучают совершенно различные масштабы:

первая – микромир (уже достигли 10-17 см), вторая – эволюцию Все-

ленной (масштаб порядка 1028 см). Однако на самом деле задача у них одна: познание природы окружающего нас мира на самом глубоком уровне. Вопросы можно сформулировать так: как возникла и эволюционировала Вселенная; из чего состоит Вселенная, какие есть виды материи; как устроена материя, какие есть виды взаимодействия, каковы законы движения; почему так устроен мир?

Долгое время астрономия была чисто созерцательной наукой, поскольку наблюдения велись только с помощью телескопов в узком оптическом диапазоне. Благодаря развитию техники сейчас есть возможность видеть, что происходит во Вселенной во всех диапазонах электромагнитных волн, а также регистрировать другие виды космических частиц: протоны, электроны, ядра, нейтрино и т. д. В результате открытия следуют одно за другим. При этом исследования ведутся на очень высоком уровне, позволяющем сравнивать полученные результаты с предсказаниями различных моделей и делать соответствующие выводы. Например, исследование движения двойных звезд позволило установить, что изменение периода обращения соответствует излучению гравитационных волн (которые напрямую до сих пор еще не зарегистрированы). Это было получено уже более двадцати лет назад. То,

238

что делается сейчас, вообще потрясает основы наших знаний. Кратко это можно сформулировать так:

удалось получить информацию о первых мгновениях жизни Вселенной;

появились основания утверждать, что все известные сейчас виды материи составляют всего лишь 4,5 % от полной плотности Вселенной. При этом есть невидимая материя, которой раз в 6 больше, чем обычной материи (т. е. 25 % от полной плотности), а больше всего (70 % — мистической темной энергии (возможно «физический» вакуум), которая обладает антигравитационными свойствами;

Вселенная расширяется, и скорость расширения увеличивается со временем (ожидалось замедление).

Нет сомнений, что точность данных будет со временем улучшаться. Возможно даже, что удастся напрямую зарегистрировать частицы темной материи и узнать некоторые ее свойства. Однако для того, чтобы понять, что это такое, требуются дополнительные эксперименты на ускорителях (если хватит энергии), где кроме нейтральных стабильных частиц самой темной материи могут рождаться любые частицы из этого семейства, заряженные и нейтральные, стабильные и нестабильные. Так, например, с помощью ускорителей было установлено, что протоны и нейтроны состоят из кварков, которые взаимодействуют между собой путем обмена глюонами, и, кроме двух типов кварков, составляющих протон (или нейтрон), открыли еще четыре типа кварков. На основании таких исследований была создана теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика. Нечто аналогичное должно быть проделано с темной материей, которая, по-видимому, относится к новому классу частиц, которые до сих пор не рождались на ускорителях ввиду их большой массы.

Другой пример взаимосвязи космологии и физики элементарных частиц. Вселенная родилась примерно 15 млрд. лет назад (Большой взрыв). Что было в самом начале, мы пока не знаем, однако благодаря экспериментам на ускорителях мы можем утверждать, что примерно

понимаем, что происходило с Вселенной, начиная с 10-11 секунды ее

жизни. Тогда у нее была температура порядка 3´1015 K (сейчас 3 К). Начиная с этого момента, во Вселенной остались только частицы, которые уже достаточно хорошо изучены на ускорителях (кроме частиц темной материи).

239

Ниже пойдет речь об основных открытиях и проводимых исследованиях в области космологии и физики элементарных частиц, а также о том, что можно ожидать в последующие два-три десятилетия. Данные исследования ведутся обычно международными коллаборациями, и при желании каждый может принять в этом участие.

§ 98. Физика элементарных частиц

Невозможно охватить все методы изучения свойств материи, поэтому остановимся только на главных направлениях.

Ускорители, детекторы. Основным методом изучения материи являются ускорители частиц. Ускоренные частицы затем сталкиваются с частицами неподвижной мишени или частицами, движущимися навстречу (встречные пучки, или коллайдеры, от «collide» – сталкиваться). Встречные пучки сделать сложнее, но они намного эффективнее, т.к. позволяют достичь существенно более высокой энергии в системе центра инерции (с. ц. и.). Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск) является пионером в этой области, здесь около 40 лет назад бы-

ли построены и проведены эксперименты на первых e-e- и e+e- коллайдерах. В дальнейшем в мире были построены e+e- , pp,pp ( p – антипротон), ep коллайдеры на различную энергию.

Для продвижения в изучении материи требуются все более высокие энергии. Это необходимо по двум причинам:

1)максимальная масса рождающихся частиц пропорциональна энергии сталкивающихся частиц в с. ц. и, для встречных пучков

Mmax = 2E/c2 ;

2)ускоритель является своеобразным микроскопом, в котором пространственное разрешение ограничено де-бройлевской длиной волны частицы l = / p » c / E .

При достаточно большом числе событий можно разглядеть в частице детали порядка 0,1l » 2 10-15 / E [ГэВ] см. Достигнутая энергия

e+e- коллайдеров 2E » 215 ГэВ (LEP-II, ЦЕРН, Женева) и pp коллайдеров 14 ТэВ (LHC, ЦЕРН), таким образом, разрешение составляет по-

рядка 10-18 –10-17 см. Нужно заметить, что электрон, участвует во взаимодействиях как точечная частица, несущая всю энергию, в то время как протон состоит из трех кварков и связывающих их глюонов, каждый из которых несет примерно 1/6 часть энергии протона. В

240