По ту сторону звезд. Глава 3. 5

Больше информации на эту тему на сайте http://top-formula.net

ГЛАВА 3.
КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ

3.5 Релятивистские гравитационные эффекты
Есть некоторые явления, вызываемые гравитацией, которые теория Ньютона объяснить не в состоянии. Например, релятивистские гравитационные эффекты.
Общая теория относительности и квантовая теория гравитации объясняют эти эффекты. Но иногда эти объяснения отличаются.
Эффект первый. Движение перигелия Меркурия. Все планеты Солнечной системы движутся по эллиптическим орбитам. Если круг имеет один центр, то эллипс два, которые называются фокусами. Любая планета движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце. Именно благодаря притяжению светила ближние к нему небесные тела не улетают прочь в далёкий космос.
Но планеты притягиваются не только к Солнцу, а ещё и друг к другу. Это притяжение гораздо слабее, чем солнечное, но оно есть. Именно из-за притяжения планет друг к другу перигелии их орбит со временем смещаются (рисунок 23).
Перигелий – самая ближняя к Солнцу точка эллиптической орбиты. Эффект его смещения незначительный: за столетие он сдвигается лишь на несколько угловых минут.
Используя теорию тяготения Ньютона, рассчитали и объяснили смещение перигелиев всех планет Солнечной системы, кроме Меркурия, перигелий которого за столетие смещается на 575 угловых секунд. Из них 532 вызваны притяжением остальных планет, а оставшиеся 42 секунды теория Ньютона объяснить не может.
Объяснение предлагается следующее. Меркурий, самая близкая к Солнцу планета, по сравнению с другими телами испытывает самое сильное гравитационное притяжение. А согласно общей теории относительности это говорит о наиболее сильном искривлении прилегающего пространства. То есть, Меркурий находится в одной из самых “искривлённых” областей Солнечной системы. Именно из-за этого перигелий Меркурия дополнительно поворачивается на 42 угловые секунды в столетие. Этот эффект чрезвычайно маленький, но он есть. И общая теория относительности, и квантовая теория гравитации объясняют этот эффект одинаково, то есть дают одну и ту же величину для наблюдаемого эффекта.
Эффект второй. Гравитационное смещение спектральных линий. Сначала вспомним, что такое спектр. Если атомам передать энергию, например, с помощью света, то они перейдут в возбуждённое состояние. Это означает, что электроны в них из своих обычных орбит вращения перелетят на те, что дальше от ядра.
Но атомы не могут находиться на возбуждённых орбитах долго. Через некоторое время они “скидывают” лишнюю энергию и возвращаются в нормальное состояние. Сброс энергии происходит порциями, в виде фотонов, частичек света. Причём, каждый атом испускает не случайный набор фотонов, а вполне определённый, характерный только для него. Эти кванты отличаются друг от друга частотой, с которой они колеблются, или, что по сути то же самое, длиной волны. Чем выше частота фотона, тем он “более фиолетовый”. А чем ниже его частота, тем он краснее.
Набор фотонов, испускаемых атомом при переходе из возбуждённого состояния в обычное, называется спектром излучения этого атома. Причём, одни фотоны, или частоты, атом испускает чаще, другие – реже. То есть, интенсивность излучения одних частот выше, других – ниже.
Спектр излучения изображают в виде набора линий. Каждая линия соответствует определённому фотону, точнее, его частоте. Одни линии изображают “густо чёрными”, что говорит о высокой интенсивности излучения данных частот. Другие – более тусклыми, что означает низкую интенсивность излучения. Линии находятся на разных расстояниях друг от друга. Кроме того, все они – не сверхтонкие, а имеют некую ширину: одни линии достаточно широкие, другие очень узкие. Ширина линий показывает, что излучение данной частоты происходит с некоторым “разбросом”: испускается не одна определённая частота, а ещё и частоты, близкие к ней. Любой спектр напоминает штрих-код товара.
Перейдём теперь к гравитационному смещению линий в спектрах излучения атомов.
Если мы рассмотрим какие-то атомы на Земле и точно такие же на Солнце, то спектры их излучения нам покажутся совершенно одинаковыми. Здесь есть некоторые тонкости. Если мы будем изучать атомы Солнца из Земли, то их спектр окажется несколько иным, чем если бы мы изучали их, сидя прямо в пекле светила. Но мы исследуем фотоны, находясь всё же на родной планете. Именно из-за этого спектр излучения несколько искажается, смещается в сторону красной части спектра. Но почему в принципе имеет место такой эффект? Общая теория относительности объясняет это явление следующим образом.
Гравитационное поле искривляет пространство-время. В результате течение времени в разных точках пространства отличается. На Солнце гравитационный потенциал ниже, чем на Земле. Из-за этого, согласно общей теории относительности, время на Солнце должно течь медленнее, чем на Земле. То есть, для нас, землян, все процессы на Солнце протекают медленнее, чем точно такие же процессы на Земле. Но если бы мы переместились в центр нашей планетной системы (скажем, на каком-нибудь фантастическом космическом корабле) и посмотрели бы на эти самые процессы, но, уже находясь на самом Солнце, то ничего необычного не заметили бы. Мы бы обнаружили, что процессы на нём протекают с той же скоростью, что и на Земле.
С точки зрения общей теории относительности разница в скорости процессов возникает из-за того, что мы изучаем процессы, происходящие в той области, где абсолютное значение гравитационного потенциала выше (на Солнце), находясь в области, где абсолютное значение гравитационного потенциала ниже (на Земле). Из-за этого и происходит смещение линий спектра в красную (менее энергетичную) сторону.
А как же объясняет этот эффект квантовая теория гравитации? А объясняет она так. Все процессы на Солнце протекают быстрее, чем на Земле. Поэтому частота излучения какого-либо атома на Солнце выше, чем на Земле. Но пока фотон летит от Солнца к Земле, он теряет свою энергию на преодоление гравитационного притяжения и приходит в результате на Землю, обеднев энергетически. Таким образом, в данном случае совершенно разные подходы к одному и тому же явлению приводят к одинаковому результату.
Эффект третий. Отклонение световых лучей, пролетающих вблизи Солнца. Лучи света, которые проходят вблизи Солнца, отклоняются в его сторону на некоторый угол (рисунок 24).
Теория тяготения Ньютона объясняет это так. Свет состоит из частиц – фотонов. Каждый из них притягивается к Солнцу, поэтому луч и отклоняется в сторону светила (движется по кривой AC). То есть, вблизи Солнца луч света перестаёт быть прямым из-за того, что он притягивается к очень тяжёлому объекту. С помощью теории Ньютона вычислили этот угол отклонения. Он оказался равным 0,87 угловой секунды. То есть, визуально такое отклонение невозможно заметить.
На самом деле, экспериментально было обнаружено, что луч вблизи Солнца отклоняется на угол, в два раза больший, чем предсказывает теория Ньютона. И такой, в два раза больший, угол отклонения луча следует как из общей теории относительности, так из квантовой теории гравитации.
Эффект четвёртый. Эффект Шапиро. Если фотон будет двигаться по направлению к Солнцу, то, согласно квантовой теории гравитации, его скорость будет возрастать, но частота станет возрастать в процентном отношении ещё сильнее. Это происходит потому, что частота фотона пропорциональна его энергии, а энергия пропорциональна квадрату скорости. Это означает, что фотон (или электромагнитная волна), пролетая вблизи большой массы, совершит большее число колебаний, чем если бы он летел в пустом пространстве.
В пятидесятых годах двадцатого века был проведён эксперимент, в котором радиосигнал от Земли летел до Меркурия, затем возвращался. Эксперимент проводился как раз в тот период, когда Земля, Меркурий и Солнце находились на одной линии. Причём, Солнце располагалось между Землёй и Меркурием (рисунок 25).
Как оказалось, фотоны (из которых состоит радиосигнал), пролетая вблизи Солнца, совершали  большее число колебаний. Выходит, этот эксперимент также подтверждает квантовую теорию гравитацию.
Однако с позиции общей теории относительности этот эксперимент был объяснён по-другому. Частоты фотонов не меняются, когда они движутся от Земли к Солнцу, то есть длительность одного колебания фотона (а, значит, и всего радиосигнала) вблизи Солнца точно такая же, что и вблизи Земли. Поэтому был сделан ошибочный вывод, что вблизи Солнца сигнал движется медленнее.
Ошибка общей теории относительности здесь в том, что она не учитывает квантовую природу фотона и поэтому не делает различия между классической и квантовой частотами фотона. Классическая частота – это, например, частота звука, и она при движении сигнала в гравитационном поле, действительно, не меняется. Но частота фотона – это частота его внутренних колебаний, она определяется энергией кванта и поэтому изменяется при его движении в гравитационном поле.