Поиски эффектов нарушения ОТО вблизи Земли и в галактике - Гравитационные явления и гравитационная неустойчивость

Гравитационное взаимодействие доминирует среди всех остальных взаимодействий на очень больших масштабах пространства-времени, сравнимых с космологичесими. В этих масштабах Общая Теория Относитльности (ОТО) показывает весьма хорошее согласие с астрофизическими наблюдениями [1].

Мониторинг законов гравитации постоянно ведется в экспериментах вблизи Земли. Так, на Рис.1 изображены результаты экспериментальных тестов, выполненных по проверке слабого принципа эквивалентности [2 -5]. Эксперименты показывают весьма высокую точность этого принципа. Так, если тело "1" падает на Землю с ускорением, тело "2" падает с ускорением, то безразмерная относительная разность ускорений падения тел, измеренная в одной точке пространства есть

(1)

Согласно очень точному московскому эксперименту Брагинского и Руденко 1971 года это число составило. Согласно серии Вашингтонских экспериментов 2000 г, эта точность повысилась на порядок и, в настоящее время, составляет.

В темном прямоугольнике расположены прямые эксперименты по свободному палению тел. Косой жирной линией отмечены вашингтонские эксперименты (LLR), в которых использовался лазерный интерферометр с базой порядка расстояния до Луны.

Другую группу экспериментов составляют тесты по проверке локальной Лоренц - инвариантности пространства - времени, которые показывают, насколько измеренная скорость света отличается от константы см/с. В релятивистских единицах принимается. Результатом теста является измеренное в эксперименте число

(2)

тесты по проверке слабого принципа эквивалентности. измерения величины , отложены по оси ординат в зависимости от года проведения эксперимента (ось абсцисс)

Рис1. Тесты по проверке слабого принципа эквивалентности. Измерения величины, отложены по оси ординат в зависимости от года проведения эксперимента (ось абсцисс)

тесты по проверке локальной лоренц - инвариантности пространства - времени

Рис.2 Тесты по проверке локальной Лоренц - инвариантности пространства - времени.

По оси ординат отложен параметр, равенство нулю которого обеспечивает Лоренц - инвариантность теории электромагнетизма. По оси абсцисс отложен год постановки эксперимента. Наихудшее ограничение дает эксперимент Майкельсона - Морли. Наибольшую точность измерений обеспечивают тесты по стабильности уровней энергии атомов в зависимости от их ориентации в пространстве.

В [3,4] показано, что мониторинг справедливости теории гравитации ведется примерно по 20 различным параметрам. Однако, все измеренные значения величин, характеризующих локальные свойства пространства - времени, находятся в хорошем согласии с основными постулатами ОТО [1,5]. В настоящее время, принято считать, что ОТО, наряду с теориями слабого, сильного и электромагнитного взаимодействия, входит в состав стандартной модели физики элементарных частиц [3,4]. Тогда поправки к ОТО можно искать, сформулировав минимальное расширение стандартной модели (SME). Это расширение добавляет к метрике пространства - времени другие тензорные поля удовлетворяющие обобщенным уравнениям теории гравитации, получаемым варьированием действия [3]

(3)

Где u - безразмерный численный параметр

Детерминант тетрады в искривленном пространстве - времени,

Симметричное неэйнштейновское поле.

торсионные поля,

Эйнштейновская константа гравитации,

G - константа гравитации Ньютона,

Бесследовая часть тензора Риччи, тензор кручения Вейля.

Греческие индексы, по умолчанию, пробегают значения ;

Латинские

В постньютоновском приближении ОТО и SME гравитационный потенциал [1,3,6,7] и, естественным образом, возникает разложение ускорения тела, движущегося по орбите, которое для лагранжиана (3)

Принимает вид :

(4)

Где

ньютоновская часть ускорения, радиус орбиты, M - масса центрального тела.

Часть ускорения, соответствующая ньютоновскому квадрупольному моменту движущегося по орбите тела.

часть ускорения, соответствующая лидирующему эффекту от внешних тел при ньютоновской аппроксимации потенциала.

часть ускорения, соответствующая эффекту локального нарушения Лоренц - инвариантности (LV) полями в SME - расширении теории гравитации.

Для измерения неэйнштейновских полей необходимо четко выделить возмущения орбиты, связанные с LV. Поиск именно этих эффектов включен в программу NASA по наблюдению за орбитами искусственных спутников [3] (см. Рис3).

движение спутника по орбите земли в солнечной системе координат

Рис.3. Движение спутника по орбите Земли в солнечной системе координат (XYZ). радиус - вектор спутника, радиус - вектор Земли, радиус - вектор возмущающего орбиту спутника тела. среднее расстояние от Земли до Солнца

Обнаружение этого класса эффектов означало бы открытие полей, ответственных за LV, которое отсутствует в ОТО. Смущает, однако, то, что уровень всех нарушающих теорию Эйнштейна эффектов очень мал. В области параметров, где эти эффекты предполагается обнаружить, могут быть существенные помехи со стороны известных полей материи и элементарных частиц. Например, солнечный ветер[8,9], раскачивая спутники, может на этом уровне внести возмущения в их орбиты, которые будет достаточно трудно отделить от эффектов гравитации. А для уверенного обнаружения новых полей и надо открыть и измерить 28 новых коэффициентов [3].

Поэтому, чрезвычайно ценной была бы информация, полученная с помощью иных экспериментальных агентов, доступных достаточно точным наблюдениям. Таким агентом могут быть, в частности, космические лучи. Однако, прямые эксперименты с космическими лучами по поиску в их спектре гравитационных эффектов, видимо невозможны, из-за их релятивистской природы. Релятивистские эффекты от космических лучей, связанные с ролью гравитации, могли бы наблюдаться там, где они проходят значительные расстояния - в Галактике, скоплениях галактик и во Вселенной. Однако на этих масштабах, необходимо будет сепарировать друг от друга эффекты, связанные с прямым влиянием гравитации на космические лучи от косвенного влияния на них с помощью других видов материи. Учет релятивистской природы космических лучей выдвигает проблему об их описании в физических полях материи с помощью соответствующих кинетических уравнений.

спиральная галактика m 83 в созвездии гидры

Рис.4. Спиральная галактика M 83 в созвездии Гидры

Похожие статьи




Поиски эффектов нарушения ОТО вблизи Земли и в галактике - Гравитационные явления и гравитационная неустойчивость

Предыдущая | Следующая