Теория относительности и сверхсветовая скорость (издание второе) - Владимир Иванович Моренко

внимательно рассмотреть данное уравнение инвариантного интервала, можно найти два способа его объяснения – математический и физический. Первый основан на принципе искривления пространства и геометрических методах решения физических задач и полностью реализован в аппарате общей теории относительности и полевых теориях. А вот второй способ (физический), основанный на возможности изменения скорости света в присутствии гравитационных масс, по непонятным причинам полностью исключен из рассмотрения. Однако, именно второй способ имеет четкое физическое обоснование, поскольку в оптике широко известно явление преломления света, вызванное уменьшением скорости распространения электромагнитных волн в физической среде. А присутствие в выражении интервала масштабного фактора a2(t) может трактоваться и как реальное искривление пространства (вакуума) гравитационным полем, и как наличие у вакуума показателя преломления, величина которого в присутствии гравитационных масс отлична от величины этого параметра при отсутствии указанных масс. В принципе, в обоих случаях речь идет об одном и том же: «искривлении» пути движения фотона в пространстве. Но если в первом случае предполагается существование мировых (геодезических) линий в искривленном пространстве, то во втором случае предполагается наличие у вакуума свойств оптической среды.

Для того, чтобы сделать правильный выбор, какая из трактовок является удовлетворительной, необходимо разобраться, что является причиной искривления траектории движения фотона в пространстве – реальное физическое явление или результат математического описания взаимодействия электромагнитного излучения с вакуумом, как средой, находящейся под действием гравитационного поля.

Для этого необходимо, прежде всего, понять, о каком именно пространстве идет речь – о математическом (мысленная сущность), или о физическом (реальная сущность) гравитационном поле. То, что в уравнении поля Эйнштейна объединены физические и геометрические величины, еще не свидетельствует о физической природе искривления пространства, так как физические члены этого уравнения относятся не к собственно пространству, а к включенным в него источникам гравитационного поля. И корректным, с позиции сохранения непрерывности системы координат, на которой базируется формулировка геометрических членов уравнения поля (континуальности пространства), является условие отсутствия размеров у источников поля. Отметим, что данное условие является обязательным для любого физического поля при его математическом описании известными на настоящий момент методами геометрического построения координатного пространства.

Если же источник поля имеет размеры, то начало связанной с ним системы координат оказывается внутри отличной от собственно поля физической сущности, то есть иного пространства. В этом случае возникает проблема исключения из рассмотрения внутреннего пространства при сохранении свойства непрерывности при отображении внешнего пространства на все пространство. В общей теории относительности данная проблема проявляется при возникновении в решениях уравнения поля параметра , указывающего на существование некоторого размера (радиуса), внутри которого уравнения общей теории относительности вряд ли возможно применить. То есть сама же теория содержит внутреннее противоречие с принятыми при ее создании аксиомами о непрерывности геометрического пространства. И для того, чтобы хоть как-то обеспечить соответствие математической модели гравитационного поля физической реальности при сохранении свойства непрерывности пространства, в общей теории относительности введено представление о его «искривлении» гравитацией как способ отображения плоского пространства с «дырками» на непрерывную континуальную сущность. В этом случае искривленное пространство представляет собой некую адекватную реальности математическую модель гравитационного поля, но не физический вакуум. Таким образом, эффект искривления пространства возникает на этапе его математического определения, и, в принципе, этот эффект не предопределен физическими обоснованиями, так как является следствием принятых аксиом, а не свойств реальной физической сущности. Именно это обстоятельство подтверждается экспериментальными данными, свидетельствующими о том, что пространство в его видимой части является плоским [2].

Весьма показательна в этом смысле аналогия с наблюдателем, находящимся в свободно падающем лифте, иллюстрирующая принцип эквивалентности, являющийся одним из базовых для общей теории относительности. Считается, что наблюдатель в падающем лифте не может экспериментально обнаружить, падает ли его лифт, или находится в состоянии покоя. В соответствии с предложенной аналогией, мы имеем дело с двумя замкнутыми системами, ограниченными непрозрачными стенками. Первой является инерциальная (лабораторная) система координат, а второй – свободно падающая система. При этом свободно падающая система находится под воздействием гравитационного поля, но его влияние на внутреннюю неподвижную относительно лифта систему отсутствует, и наблюдатель в ней находится в невесомости. Считается, что в данной ситуации принцип эквивалентности свободно падающей в гравитационном поле системы координат и лабораторной системы координат, не подверженной действию гравитационного поля, может быть справедлив, если мы принимаем во внимание только точки бесконечно малой окрестности начал координат (для самих начал координат обеих систем указанный принцип безоговорочно справедлив). Однако, в указанных окрестностях мы имеем дело с искажениями, вносимыми в координатную сетку свободно падающей системы гравитационным полем, являющимся центральным. Кроме того, из-за эффекта геодезической девиации «две свободно падающие рядом частицы будут находиться в относительном движении, обнаруживающем наличие гравитационного поля с точки зрения наблюдателя, падающего вместе с ними» (с.166 [5]). И, следовательно, каждому положению в пространстве относительно центра гравитационного поля и каждому моменту времени будут соответствовать свои собственные условия эквивалентности свободно падающей и инерциальной систем координат. Поэтому вряд ли можно признать безупречными определения метрического тензора и аффинной связности, а также уравнения свободного падения (движения) в произвольном поле в произвольной системе координат через координаты касательного плоского пространства, определяемого как локально-инерциальное пространство, в виде:

Но, считается, что указанными обстоятельствами можно пренебречь и распространить действие принципа эквивалентности на бесконечно малые окрестности свободно падающей точки в любой момент времени ввиду несоразмерной малости вносимых гравитационным полем искажений по отношению к характерному размеру поля. Обратим внимание, что в привлечении локально-инерциальных координат к описанию свободного падения тела вовсе нет необходимости. Можно просто использовать тот факт, что при свободном падении тела изменение кинетической энергии целиком и полностью определяется изменением его потенциальной энергии – изменением места расположения тела в гравитационном поле.

В то же время существуют такие физические явления, которые, казалось бы, подтверждают существование реального искривления пространства – аномальное смещение периодов орбит небесных тел в гравитационном поле и смещение позиций небесных тел при их наблюдении вблизи Солнца. И с таким выводом можно было бы безоговорочно согласиться, если бы не существовало иных, чем искривление пространства, объяснений указанных явлений.

Указанные явления можно рассматривать как следствие существования некоторого характерного для любого физического объекта, обладающего массой, размера , внутри которого гравитационное поле действует по иным законам, чем вне его. Этот размер, в принципе, можно считать равным радиусу сферы, плотно заполненной только веществом физического объекта без полевой фазы материи. В этом случае при решении физических задач мы имеем различные положения нуля системы координат. Для стандартной модели (непрерывное пространство) ноль базируется в центре масс физического объекта, а для системы координат, базирующейся только на полевой компоненте материи (пространство с исключенными