Книга: Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Релятивистская небесная механика

Когда Ньютон опубликовал свой закон всемирного тяготения, современники тут же задали ему вопрос, а откуда взялось само тяготение? По моему мнению, это верх бестактности. Ньютон сделал бесконечно много. Объяснил тонкие особенности движения Луны, планет, их спутников, комет; окончательно стер грань между земным и небесным, описав единым образом движение брошенного камня и Луны; показал, как запустить ИСЗ и слетать на Луну: надо разогнать аппарат до вычисленных им первой и второй космической скорости. К счастью для сэра Исаака, ограниченные его современники не приставали к нему с вопросами, как достичь таких скоростей. Ньютон объяснил близость формы небесных тел к шарообразной и их сжатие (а сжатие Земли он предсказал); объяснил падение давления и плотности воздуха с высотой и отсутствие атмосферы на Луне; объяснил явление приливов в океане и предсказал прилив в твердой Земле и воздухе.

Я говорю лишь о связанных с гравитацией явлениях. А сколько он сделал в математике, механике, оптике, приборостроении, экономике! И после этого удивляться, почему Ньютон не открыл еще причины гравитации и не подарил им заодно эликсир бессмертия? Не может же один человек сделать все, попробуйте и сами!

Через 230 лет история повторилась: А. Эйнштейн открыл причину тяготения, создав общую теорию относительности. Материя искривляет пространство-время, а мы воспринимаем это как гравитацию. Первое, о чем спросили Эйнштейна, — откуда взялось искривление. Лет через 50 (или раньше) искривление сведут к явлению X. Разумеется, ученого сразу спросят, откуда взялось явление X.

Из общефилософских законов следует, что как всякая созданная человеком модель, ОТО отражает действительность лишь приближенно. Однако в XX в. ни одного отклонения от ОТО (в области, где несущественны квантовые эффекты) в опыте не обнаружено, несмотря на практически ежедневное тестирование ОТО. Это значит, что ошибки теории меньше погрешностей приборов. Сегодня ОТО можно считать абсолютно точной. Хотя, конечно, наступит день, когда мы узнаем пределы применимости ОТО и построим более совершенную теорию гравитации.

Формулы ОТО сложнее ньютоновских, но само явление описывается гораздо проще и нагляднее. Масса вызывает искривление пространства-времени, распространяющееся с конечной скоростью, со скоростью света. Этим устраняется присущее ньютоновоской теории немыслимое свойство мгновенного распространения тяготения. В слабых гравитационных полях при медленных движениях формулы теории относительности переходят в формулы ньютоновской механики.

Какие скорости можно считать малыми? Оказывается, даже космические. Относительная погрешность законов Ньютона — величина порядка µ=?²/с², где ? — скорость частицы, с — скорость света. Скорость Земли относительно Солнца ??30км/с, поэтому µ?10^—8. Скорость спутников еще меньше. Для самой быстрой планеты Меркурия ??50 км/с и µ?3?10^—8.

А какое поле можно считать слабым? Достаточно определить, до какой скорости может разогнаться свободно падающая частица. Таким образом, интенсивность гравитационного поля можно оценить второй космической скоростью ?_II. Для Земли у ее поверхности ?_II?11км/с и µ?10^—9, что свидетельствует о крайней слабости притяжения Земли. (Конечно, лишь для применения ОТО. Свалившийся даже со второго этажа человек вряд ли посчитает земное притяжение слабым). Притяжение Солнца, естественно, значительнее. Но и у орбиты Меркурия параболическая скорость для отрыва от Солнца ?_II?70км/с, µ?6?10^—8. Даже у края Солнца ?_II?600км/с, µ?4?10^—6.

Итак, в Солнечной системе релятивистские эффекты чрезвычайно малы. Их учитывают при построении максимально точных теорий движения планет, спутников, космических аппаратов. Так, погрешность ньютоновской теории движения планет земной группы за 10 лет составляет около 1000 км, а релятивистской — около 5 км. Но в качественное описание движения никаких поправок вводить не надо.

Иная ситуация в окрестности компактных массивных объектов. Типичная нейтронная звезда, например, имеет массу, как у Солнца, и размер, как у Фобоса. У ее поверхности ?_II?130 Мм/с, поэтому µ~0,2. Даже луч света сильно искривляется, проходя рядом с нейтронной звездой. В системе двух близких друг к другу нейтронных звезд последние обращаются вокруг общего центра масс с субсветовыми скоростями. Это приводит к излучению гравитационных волн и потере энергии. В конце концов звезды сталкиваются, происходит взрыв чудовищной мощности, превышающей светимость галактик на много порядков.

Что же до черной дыры, то там вообще творятся чудеса. Пролетающий мимо нее метеорит (не будем говорить о звездолете, чтобы не переживать за космонавтов) обогнул бы ее по гиперболе, будь справедливы законы Ньютона. Но по законам ОТО метеорит при достаточно близком прохождении сделает несколько витков вокруг черной дыры прежде чем снова уйти на бесконечность. Если же он проникнет под так называемый горизонт, то уже никогда не вернется обратно.

Тут надо внести уточнение. По нашим часам (часам внешнего наблюдателя) он никогда не достигнет горизонта. Будет вечно туда падать со все уменьшающейся скоростью. По своим же часам он упадет туда очень быстро! Конечно, на метеорите часов нет, и надо бы говорить о собственном времени, но таковы странные традиции теории относительности.