С.М. Копейкин, доктор физико-математических наук, профессор
Университет Миссури-Колумбия, США
Эдвард Фомалонт, доктор физико-математических наук
Национальная Астрономическая Обсерватория, Шарлотсвилл, США
Согласно современной физической картине мира, наша Вселенная устроена достаточно просто и может быть описана с помощью всего лишь нескольких фундаментальных констант. Фундаментальная константа - это численная характеристика фундаментального закона природы. Она определяет физические свойства того явления, которое входит в рассматриваемый закон. Скорость света, постоянная Планка и гравитационная постоянная - вот главные фундаментальные физические константы теоретической физики, из которых могут быть построены планковские единицы массы (10-5 г), длины (10-33 см) и времени (10-43 с). Свет - это проявление одного из двух наиболее доступных восприятию человека классических фундаментальных полей - электромагнитного. Второе классическое поле - гравитационное - также легко обнаруживается всякий раз, когда мы наблюдаем падение какого-либо предмета на Землю. Фундаментальная константа скорости света связана с распространением электромагнитного поля. Оказывается, что и гравитационное поле может распространяться, предельная скорость его распространения называется скоростью гравитации. Гравитация, вообще говоря, физически никак не связана с электромагнитным полем. Поэтому скорость гравитации могла бы быть в принципе отличной от скорости света.
В теории Ньютона она равна бесконечности, и гравитационное поле распространяется мгновенно от источника, как бы далеко мы от него ни находились. С другой стороны, теория относительности Эйнштейна постулирует, что скорость гравитации должна быть равна скорости света. Так ли это на самом деле? На данный вопрос мы и попытаемся ответить.
Скорость света
В настоящее время мы хорошо знаем, что свет имеет электромагнитную природу. Это предсказание было сделано величайшим физиком XIX в. создателем теории электромагнитного поля Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 - 1879). Согласно его теории, видимый свет представляет собой плоскую электромагнитную волну, распространяющуюся в пустом пространстве (вакууме) с постоянной скоростью около 300 000 км/с. Постоянство этой скорости и её независимость от движения источника света и наблюдателя были проверены в множестве экспериментов, как в лаборатории, так и при наблюдении различных астрономических объектов. Скорость света огромна, и неудивительно, что долгое время она считалась бесконечной.
Первым, кто зародил сомнение в бесконечности скорости света, был Галилео Галилей (1564 - 1642) - знаменитый итальянский физик, живший на два столетия раньше Максвелла. Галилей предложил опыт для измерения скорости света, результат которого оказался отрицательным, так как точность измерительных инструментов, доступных Галилею (главным образом, часов), была совершенно недостаточной, чтобы измерять промежутки времени, за которые свет проходит расстояние между двумя точками на поверхности Земли. Результат эксперимента Галилея убедил подавляющее большинство физиков в неоспоримости того факта, что скорость света бесконечна.
Тем не менее гипотеза Галилея находила и сторонников, которых не смутил отрицательный результат его опыта. Одним из таких исследователей был Олаф Ремер (1644 - 1710) - датский астроном, живший и работавший в Париже. Он систематически наблюдал один из галилеевых спутников Юпитера - Ио - и обнаружил, что его движение не подчиняется в полной мере закону всемирного тяготения Ньютона. Отклонения носили периодический характер с периодом в один год. Ремер, безоговорочно доверяя теории Ньютона, выдвинул гипотезу, что наблюдаемое возмущение в движении Ио обусловлено конечной скоростью света, используемого для его наблюдений. Солнечный свет, отражаемый Ио, требует больше времени, чтобы достичь Земли, когда она движется по своей орбите от Юпитера, и меньше, когда ее движение происходит в сторону планеты-гиганта. Ремер получил скорость света, равную 210 000 км/с. Однако его результат не был поддержан ведущими французскими физиками того времени - Дж. Кассини (1625 - 1712) и Р. Декартом (1596-1650). Лишь много позднее, в 1725 г., Джэймс Брадлей (1693-1762) использовал наблюдения эффекта аберрации света и безоговорочно доказал, что свет распространяется с конечной скоростью.
В начале ХХ столетия Альберт Эйнштейн (1879-1955) создал специальную теорию относительности. Ее главный постулат гласит, что скорость света в вакууме постоянна, не зависит от выбора системы координат и движения наблюдателя. Этот постулат подтвержден результатами многочисленных экспериментов и в настоящее время не вызывает сомнений. Эйнштейн предположил также, что скорость света является предельной скоростью движения физических тел и распространения любых физических взаимодействий.
Скорость гравитации
Возвращаясь к гравитационному полю, мы вправе задать вопрос о предельной скорости его распространения. Соответствует ли она постулату специальной теории относительности?
Представим себе, что Солнце внезапно исчезло из центра нашей Солнечной системы. Через какое время Земля почувствует его исчезновение? Для света вопрос решен, так как досконально известно, что свет распространяется с конечной скоростью и поэтому оптически исчезновение Солнца станет заметно только через 8 мин 20 с - ровно столько свету надо, чтобы преодолеть расстояние в одну астрономическую единицу, отделяющую нас от Солнца.
Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна предсказывает точно такое же время и для исчезновения гравитационного притяжения Солнца на орбите Земли. В этом случае Земля продолжит движение по своей орбите в течении еще 8 мин 20 с, а затем начнет двигаться по прямой линии, так как притяжения Солнца не будет. В отличие от теории относительности Ньютоновская теория дает диаметрально противоположный результат: с исчезновением Солнца Земля мгновенно почувствует его отсутствие. Но как доказать, что права теория относительности? Можем ли мы уже сейчас экспериментально надежно установить скорость распространения гравитационного взаимодействия?
Известно, что основные положения теории относительности были проверены большим количеством высокоточных измерений как внутри Солнечной системы, так и за ее пределами. Основные релятивистские эксперименты внутри Солнечной системы включают измерение аномального смещения перигелия Меркурия, отклонения лучей света и запаздывания радиоволн вследствие влияния гравитационного поля Солнца. В настоящее время точность этих экспериментов достигла рекордной величины - одной десятитысячной от величины измеряемого эффекта. Однако Солнце расположено недалеко от центра масс всей Солнечной системы, и изменения гравитационного поля, вызываемые небольшими долговременными колебаниями положения Солнца относительно этой точки, пренебрежимо малы. Поэтому релятивистские эффекты, порождаемые нестационарностью гравитационного поля Солнца, невозможно измерить. Скорость распространения гравитационного взаимодействия (скорость гравитации) можно измерить только в том случае, если гравитационное поле является переменным и эта переменность достаточно быстрая, чтобы возникли гравитационные релятивистские эффекты, доступные для современной измерительной техники, применяемой в астрономии. При этом возможны два метода один из которых основан на детектировании гравитационных волн и измерения скорости их распространения, а второй - на измерении деформации структуры силовых линий поля, также называемом аберрацией гравитации (по аналогии с аберрацией света).
Двойные пульсары и гравитационные волны
Быстропеременные гравитационные поля создаются, например, двойными пульсарами, состоящими из тесной пары: нейтронная звезда - нейтронная звезда или нейтронная звезда - черная дыра. Один из подобных объектов, PSR B1913+16, был открыт в 1974 г. американскими астрофизиками Расселом Халсом и Джозефом Тэйлором. Несколько лет непрерывных наблюдений показали, что орбитальный период этой системы непрерывно уменьшается. Ученые предположили, что такой эффект - следствие потери орбитальной энергии, уносимой гравитационными волнами, излучаемыми данным космическим объектом. Сравнение теоретических расчетов с экспериментальными результатами подтвердило первоначальное предположение и послужило косвенным указанием на существование гравитационных волн в полном соответствии с ОТО Эйнштейна. Излучение гравитационных волн порождает силу, тормозящую орбитальное движение пульсара и его компаньона (предположительно, нейтронной звезды), - силу реакции гравитационного излучения. Ее существование в общей теории относительности было теоретически доказано в работах Т. Дамура (Франция), Г. Шэфера (Германия), Л.П. Грищука и С.М. Копейкина (Россия) и подтверждено экспериментально Дж. Тэйлором и его сотрудниками.
Но можно ли использовать наблюдения PSR B1913+16 для измерения скорости гравитационных волн? Вероятно, да, но это требует включения дополнительного параметра скорости гравитации в теоретические расчеты переменной силы реакции гравитационного излучения. Такие расчеты, из-за их неимоверной сложности, никогда не проводились, и мы не знаем точного вида формул, которые следовало бы использовать для определения скорости гравитации по наблюдениям двойного пульсара. Единственное четкое утверждение, которое можно сделать, заключается в том, что наблюдения двойного пульсара не противоречат предположению о том, что скорость гравитации равна скорости света. Именно этот постулат и был использован Дж. Тэйлором в его экспериментальной работе.
Развитие новых измерительных методов в радиоастрономии, в первую очередь радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, стимулировало наши исследования в области релятивистской астрометрии и небесной механики, и мы попытались подойти к вопросу об измерении скорости гравитации путем изучения аберрационных свойств гравитационного поля, используя наши новейшие теоретические разработки в области распространения электромагнитных сигналов через переменные гравитационные поля.