Об утверждении «согласно ОТО, гравитация — не сила» и ему подобных

lex_kravetski — 28.01.2022 Сразу оговорюсь, данное утверждение — это не «мэйнстримная научная картина мира», а скорее что-то из области «физики сенсаций». Ну, то есть такого процесса, когда популяризатор для привлечения аудитории и повышения своего авторитета, лектор для красного словца или преподаватель для «упрощения темы» выбрасывает все необходимые стопицот оговорок и сводит некое явление к яркому, сенсационному лозунгу.

Такой вариант лежит где-то между реальным научным объяснением явления или теории и новостным заголовком в стиле «учёные доказали»: научное объяснение всё-таки присутствует, но выводы сильно выходят за пределы самой концепции и даже могут заметно дезинформировать читателя по поводу научной картины мира в целом и статуса сабжевой теории в частности.

При этом не надо думать, будто бы «иначе объяснение явления не будет ярким и не запомнится»: удачная инфографика и хорошо выстроенный текст вполне могут сделать ярким и запоминающимся описание любого явления без давления на эмоции.

Напротив, при «добавлении сенсационности» внимание переводится от интереса к структуре явления на интерес к его сенсационности. «Эйнштейн опроверг Ньютона» или «Клиперштейн опроверг Эйнштейна» притягивает внимание заявленной в заголовке состязательностью. За соревнованием многим интересно следить, и в нём проще отождествить себя с одной из сторон, начав за неё «болеть». В результате, вместо стандартных для науки попыток залатать обнаружившиеся дыры разными вариантами уточнения предыдущих теорий, дело предстаёт чем-то вроде турнира по шахматам или даже по Мортал Комбату. «Вот тут наши, а там — не наши: болей за наших!».

Так вот. Хотя Общая Теория Относительности и ставила своей целью объяснить гравитационные эффекты — в том числе, те, которые не объясняла классическая теория гравитации, у Эйнштейна и в мыслях не было её «опровергать». Хотя бы уже по той причине, что она давала очень хорошо сбывающиеся прогнозы на огромном множестве экспериментов и наблюдений. Из чего следовало, что какие бы уточнения мы ни ввели, любая новая теория должна в своём предельном случае сводиться к старой.

Причём этот предельный случай должен наблюдаться почти всегда — почти во всех явлениях, с которыми человечество имеет дело, кроме весьма малой группы явлений, с которыми не справляется текущая теория, либо же справляется, но с заметной ошибкой.

Такими явлениями, в частности, были прецессия (то есть медленный поворот оси эллипса орбиты) Меркурия и гравитационное линзирование света. ОТО дала им объяснение, что сделало её в определённом смысле лучше классической теории гравитации.

В «определённом» — потому что спектр явлений, в которых человечество умеет аналитически решать уравнения ОТО или хотя бы численно аппроксимировать это решение, на данный момент существенно у́же, чем для классической теории, а вычисления в ОТО при этом оказываются радикально сложнее. Но зато несколько ранее не имеющих объяснения явлений получили хоть какое-то объяснение, причём прогнозы, сделанные по этой теории, весьма хорошо совпадают с наблюдениями.

С другой стороны, про ОТО всё ещё неясно, каким образом её примирить с квантовой механикой, да и вне квантовой механики странностей в наблюдениях — то есть их расхождений с прогнозами на основании ОТО — набралось столько, что термины, введённые для обозначения потенциальных объяснений этих расхождений, на данный момент не менее известны, чем словосочетание «теория относительности»: как минимум, «тёмная материя» и «тёмная энергия». Поэтому считать ОТО «окончательным и бесповоротным вариантом» было бы слишком самонадеянно.

Кроме объяснения некоторых ранее не имеющих достаточно хорошего объяснения явлений, в ОТО даётся альтернативный взгляд на вещи: если в классической теории пространство и время идентичны во всех системах отсчёта, а пространство, вдобавок, евклидово, то в теориях относительности они в разных системах отсчёта разные и в общем случае не евклидовы, что в ОТО условно называется «искривлением пространства-времени».

Это опять же часто преподносится как «Эйнштейн опроверг евклидовость пространства» — ведь звучит оно более интригующе. Однако и это тоже не так: Эйнштейн предложил способ описания наблюдений при помощи введения конкретной версии неевклидова пространства. Этот способ даёт сбывающиеся прогнозы, а потому такое описание следует считать верным.

Но у нас нет «универсального измерителя пространства» и скорее всего его вообще не может быть, а потому мы не можем сказать, каким является пространство «на самом деле». Мы только можем сказать, что в таком-то случае наблюдения достаточно хорошо описываются евклидовым пространством, в таком-то — пространством Минковского (случай специальной теории относительности), а в каком-то ещё — каким-то ещё.

Мало того, сама по себе математически введённая геометрия пространства физических явлений не описывает, а потому в физической теории к ней прилагаются ещё определения понятий и физические законы, действующие в пространстве с такой геометрией. Именно вот такая комбинация — геометрия пространства, определения и законы — и составляет теорию, а не что-то одно из них, отдельное.

Из этого следует, что любой набор наблюдений, вообще говоря, может быть описан более чем одной теорией. В том числе, могут быть одновременно верны в смысле сбывающихся прогнозов две теории с разной геометрией пространства и с разными введёнными там физическими законами.

Если можно математически доказать, что все выражения одной теории могут быть получены из выражений другой теории какими-то подстановками и наоборот, то эти теории сводимы друг к другу, и мы в принципе никогда не сможем сказать, какая из них описывает это самое «на самом деле».

Если же хоть где-то можно получить расхождение в прогнозах, то выбор между теориями можно сделать при помощи экспериментов в области этого расхождения. Причём дать неправильные прогнозы могут обе теории — вовсе не обязательно, что их будет давать только одна из них.

Однако там, где их прогнозы совпадают, они обе верны. Та, которая точнее предсказала что-то в отдельной области, как максимум, более подходящая в этой области, чем другая.

Если же у одной теории на фоне другой теории такие области есть, а у второй на фоне первой их нет, то первая теория не «более верная во всех областях», а более общая. То есть при прочих равных удобнее было бы пользоваться ей везде.

Именно при прочих равных — ведь может статься, что, как это происходит в случае с ОТО и классической теорией гравитации, более общей теорией пользоваться значительно сложнее, а потому это осмысленно только там, где более простая в использовании даёт неверные прогнозы.

Иными словами, соревнование в науке идёт несколько не так, как в шахматах или в Мортал Комбате: там совершенно не обязательно всегда есть ровно один «победитель». Новостные заголовки от этого, конечно, сильно проигрывают, да и честному лектору из-за этого тяжелее создавать в аудитории ажиотаж призывами «болеть за наших», но в одних случаях может «выигрывать» много теорий, хотя и в разной степени, а в других — «проигрывать» все сразу.

Например, нет смысла в выяснении того, Земля ли «на самом деле» движется вокруг Солнца или Солнце — вокруг Земли. Все эти варианты имеют соответствующие наблюдениям построения с одинаково хорошо сбывающимися прогнозами, причём, если бы Солнечная система состояла только из двух этих объектов, то даже наблюдаемая из центра любого из этих объектов траектория второго была бы столь же простым эллипсом, сколь траектория первого из центра второго. И ровно таким же простым эллипсом, как траектории их обоих относительно их центра масс.

Траектории остальных планет относительно центра Солнца, конечно, получаются проще, нежели относительно центра Земли, однако относительно него гораздо сложнее выглядит движение Луны, МКС или автомобиля на Ленинском проспекте.

В результате, выбор между возможными точками отсчёта делается не на основании того, что один из них ближе к «на самом деле», а потому, что при одинаково хорошо сбывающихся прогнозах относительно одного из них для конкретного случая некий прогноз заметно проще сделать.

Но ведь «люди думали, будто бы Солнце вращается вокруг Земли, а оказалось, что Земля — вокруг Солнца!» звучит гораздо сенсационнее. Узнав это, ты почти без усилий стал как бы умнее людей прошлого и тех современников, кто о таком не знает. Как бы этим самым определились «наши» — прогрессисты, которые знают, кто вокруг кого вращается. Потому-то эта фраза так востребована.

Аналогично дело обстоит и с несколько менее распространённой фразой про то, что «планеты просто движутся по инерции в искривлённом пространстве-времени». Это как бы «Земля — вокруг Солнца», но уже на ступеньку выше. А то предыдущую фразу уже почти все знают, поэтому возвышаться с её помощью уже почти не над кем.

Так вот, классическая теория гравитации настолько хорошо описывает поведение объектов в гравитационных полях в большинстве случаев, что подавляющее большинство расчётов делалось и делается на её основе. Устойчивость зданий, параметры шин автомобилей, корпуса кораблей, полёты самолётов и спутников, и даже полёты космических аппаратов к планетам в основном рассчитываются без использования ОТО — на базе классической теории гравитации. Причём здания стоя́т, автомобили ездят, корабли плавают, а самолёты и спутники долетают куда надо.

Несколько странно было бы при таком раскладе думать, будто «эта теория — не настоящая: на самом деле, всё не так». Гравитационная сила — в том смысле, в котором понятие «сила» понимается в классической механике — слишком обширно себя проявляет в непосредственных измерениях и расчётах, чтобы считать её несуществующей.

Но в чём же тогда штука? Почему эта фраза столь любима «ознакомившимся и прозревшими»?

Ну, во-первых, конечно, в сабжевой «сенсационности звучания». «Эйнштейн опроверг», «прозревшие прозрели», «дикари не понимают», «наши рулят!», вот это вот всё.

Во-вторых, что более осмысленно, простейший случай движения планет в этой концепции оказывается ещё более простейшим. Ведь одно дело, когда есть какая-то сила, которая поворачивает вектор скорости, в результате чего всё выглядит так, будто бы планета постоянно падает на звезду, но всё время промахивается. И другое дело, когда планета просто движется по прямой в искривлённом пространстве-времени.

Выглядит так, будто бы в первом случае надо вычислять что-то сложное, а во втором вычислять ничего не надо — это ж просто движение по инерции по прямой. Правда, чтобы вычислить это самое искривление пространства, заниматься матаном придётся несравнимо больше, чем для гравитационной силы и вектора скорости, но это ж большинство людей не делают сами — в отличие от гравитационных сил и скоростей, что-то делать с которыми всех заставляют в школах и вузах.

Плюс, конечно, изящество самой идеи: действительно, так вышло, что гравитационная сила всегда пропорциональна массе тела, в результате чего она всем телам в одной и той же точке будет сообщать одно и то же ускорение. Концепция искривлённого пространства–времени объясняет, как же это оно так вышло, добавляя к этому объяснение того, почему в гравитационном поле и свет тоже движется не по прямой, в точности аналогичное объяснению движению тел.

Причём всё это объясняется как бы очень простыми словами: «на самом деле, они движутся по прямой, но в том пространстве, которое само кривое относительно евклидова».

Просто, удобно и изящно же, нет?

Как тут не поддаться искушению и не продолжить: «а значит, не существует гравитационных сил — существует только искривление пространства массами»?

Точнее, не массами, а скорее масс–энергиями, ну да ладно

И, таки да, если бы из всех проявлений гравитации мы бы наблюдали только вращение одного тела вокруг другого и искривление световых лучей, то действительно можно было бы сказать: «гравитационная сила — какая-то лишняя сущность, давайте лучше перейдём к более лаконичной теории».

Однако подавляющее большинство случаев, в которых мы наблюдаем проявление гравитации, не такие. Свободное падение, конечно, тоже бывает, но в основном бывает не оно.

Например, давайте рассмотрим Землю, на которой стоят весы, на которых лежит гиря. Весы показывают некий «вес тела», причём показания явно не случайны: ведь весы самого разного устройства каждый раз показывают одно и то же соотношение для любых двух одних и тех же объектов.

Причём мы можем смотреть на эти весы и с Земли, и с МКС, и из центра масс Солнечной системы, а показания на них всё время будут одними и теми же. Поэтому какие бы преобразования и искривления пространства–времени мы ни ввели в теорию, нам всё время придётся объяснять вот эти вот идентичные при взгляде откуда угодно, наблюдаемые на весах показания.

Явно у такого положения вещей есть объективная причина — ведь не иллюзия же всё это. «На самом деле, гравитационной силы нет», но выглядит всё так, будто бы она однозначно есть.

Ну и как для этого, гораздо более распространённого случая, применить «простое объяснение» с «движением по прямой в искривлённом пространстве»?

Относительно Земли и весов гиря не движется. Относительно Солнца и МКС они все движутся как одно тело. Что же вызывает столь закономерные показания на весах?

Есть очень хорошая визуальная иллюстрация того, как, согласно ОТО, работает искривление пространства–времени в динамике, обязательно посмотрите.

Так вот, по ней становится — безо всякого матана — совершенно понятно, как в этой концепции устроено свободное падение и его частный случай — вращение одного тела вокруг другого.

Но вот так же просто и наглядно объяснить, почему же весы что-то закономерно показывают, уже не получается.

Да, тело «увлекается по инерции» этим «сжимающимся с ходом времени» пространством. В нём оно должно было бы покоиться, если на него не действуют силы, но в той координатной системе, в которой наши глаза видят мир, это выглядит как движение с ускорением.

Но ведь и весы, и поверхность Земли им точно так же увлекаются. Причём, поскольку они ближе к центру Земли, увлекаться они должны с бо́льшим ускорением, чем гиря.

Разумеется, это всё так работало бы только в том случае, если бы поверхность Земли, весы и гиря не испытывали никаких сил, в том числе, не имели бы жёсткости.

Однако жёсткость они имеют, поэтому, видимо, именно жёсткостью они и…

Постойте, они что?.. Сопротивляются искривлению пространства-времени?

Как именно это работает?

Ну ладно, как именно неясно, но они как-то сопротивляются, а потому поверхность Земли уже, в отличие от координатной системы нашего зрения, не покоится в искривляемом массой Земли пространстве–времени, а вместо этого ускоренно движется в нём «против направления искривления». В результате этого она упирается в весы и порождает в адрес весов то, что называется «реакцией опоры». Из-за этого весы тоже начинают двигаться в искривлённом пространстве с ускорением и порождают реакцию опоры в адрес гири. Реакция опоры по третьему закону Ньютона имеет силу противодействия (назовём её «силой Икс»), и именно это как раз и вызывает закономерные показания весов, которые в искривлённом пространстве сжимаются толкающей весы вверх поверхностью Земли и силой Икс, толкающей их верхнюю часть вниз.

С некоторыми натяжками всё сошлось. Но это точно было «более простое и понятное объяснение», чем в классической механике? В случае свободного падения возможно было проще, но тут-то?

Тем более, мы всё равно в результате пришли к «силе Икс», которая чудесным образом при возврате к евклидовому пространству совпадает с ньютоновской гравитационной силой, действующей на гирю, по величине и направлению. И разность сил, действующих на весы со стороны поверхности Земли и со стороны гири, в искривлённом пространстве тоже равна ньютоновской гравитационной силе. Расхождение в прогнозах, конечно имеется, но оно столь мало́, что необнаружимо на фоне всех остальных неидеальностей в физическом мире относительно математического. «Силы нет», но всё равно она как бы есть.

Кроме того, по этому рассуждению видно, что мы в данном случае практически пришли к сводимому к «классическому» объяснению этого явления: да, вместо классических сил тут фигурировало искривлённое пространство–время, однако для описания взаимодействия нам всё равно понадобились силы, причём эти силы в евклидовом пространстве оказались теми же, а в искривлённом той же оказалась их разность. Только лишь стало заметно сложнее — ведь теперь сначала придётся вычислять искривление пространства, а формулы там не чета классическому закону всемирного тяготения.

И ещё у нас вдобавок появились дополнительные вопросы: в частности, вопрос о том, за счёт чего возникают реакции опоры в искривлённом пространстве–времени. Именно такие, что в этом искривлённом пространстве поверхность Земли, весы и гиря движутся «против сжатия пространства» с ускорением, да ещё и с разным, что как раз и вызывает закономерное сжатие весов. В евклидовых системах отсчёта такого не происходит: в стационарном состоянии реакция опоры там всегда уравновешивает вес тела. За счёт чего в искривлённом пространстве–времени это не так?

Что именно в них толкает все эти объекты «вверх» с ускорением?

Вопрос, конечно, интересный, однако интересный он сам по себе, а ситуацию с показаниями весов только усложняет.

Иными словами, в случае, который отличен от тривиального для общей теории относительности, она, возможно, позволяет более детально понять устройство гравитационных сил, но не позволяет отказаться от аналогичных им сил и не упрощает ни рассуждения, ни расчёты. Хотя и делает результат несколько более точным.

Чтобы ещё раз проиллюстрировать, что ОТО не «опровержение» классической теории, а лишь некоторое её уточнение плюс описание явлений другими абстракциями, предложу ещё один вариант взгляда на ситуацию.

Ту же систему с Землёй, весами и гирей наблюдает свободно падающий на Землю наблюдатель. Для его ассистента на поверхности Земли всё это покоится, но для падающего наблюдателя все три части системы движутся вверх с ускорением.

Ввиду того, что он свободно падает, имеющимися у него в руках приборами он не может установить наличие гравитационного поля.

Отвлечёмся от того, что он мог бы его обнаружить по градиенту гравитации — чтобы этого не допустить, мы могли бы рассмотреть гравитационное поле не Земли, а бесконечной пластины, у которого градиент нулевой.

Каким образом он может объяснить показания весов?

Он мог бы предположить, что стрелка просто закреплена в нужном положении, однако ассистент, стоящий на поверхности, мог бы продемонстрировать ему, что это не так, убирая и снова помещая на весы гирю.

Есть ли у наблюдателя выход, кроме как догадаться о гравитационном поле, мысленно переместить себя в систему координат поверхности Земли и в ней всё посчитать? Может ли он это объяснить в своей системе координат, или она для такого в принципе непригодна, что означало бы существование непригодных для определённых расчётов систем координат?

Наблюдатель может вспомнить о тех ощущениях, которые человек испытывает в начинающем движение лифте или в трогающемся поезде. Органы чувств говорят нам о том, что в этот момент определённо возникает какая-то сила — её чувствует наше тело, поскольку органы начинают сильнее давить друг на друга. И возьми мы с собой динамометр, он бы тоже показал наличие этой дополнительной силы. Но тут-то соответствующих ощущений у него нет, и динамометр тоже дополнительных сил не покажет. Что же тогда происходит в его координатной системе?

Если Земля движется на наблюдателя с ускорением, то есть сила, неизвестного происхождения, которая её «толкает». В свою очередь, поверхность упирается в весы и толкает их тоже. А весы упираются в гирю и толкают эту гирю. Гиря противодействует часам по третьему закону Ньютона. Получается, на весы с одной стороны давит гиря, а с другой — поверхность Земли. Именно это и вызывает сжатие чего-то там в весах и закономерные на них показания.

Заметьте, в этом объяснении нигде не фигурировала гравитация. Да, для наблюдателя всё ещё неясно, какого именно происхождения сила толкает навстречу ему всю эту конструкцию, но по наблюдениям он может определить, что такая сила есть, и даже, зная массу Земли вместе с гирей и весами, вычислить её величину.

Кроме того, он может вычислить силу, сжимающую весы, — если знает отдельно массу Земли, весов и гири. И сопоставить её с показаниями весов, чтобы экспериментально убедиться в верности своих построений.

Поскольку всё это вычисляется по классической механике, результаты будут слегка отличаться от вычисления по ОТО, однако симметрия в объяснении тут весьма хорошо прослеживается: ОТО объясняла явление через искривление пространства–времени, а теория падающего наблюдателя — через наличие силы неизвестной природы, однако показания весов после этого объяснялись уже через идентичный набор сил, пусть и с несколько различающейся точностью.

Что же касается оставшихся вопросов, то да, наблюдатель может не знать, откуда возникла толкающая ему навстречу Землю сила, при использовании же ОТО он будет знать, что эта сила в евклидовом пространстве его зрения вызвана искривлением пространства–времени. Однако ему всё ещё будет неизвестно, чем вызывается ускорение поверхности, весов и гири в координатной системе этого искривлённого пространства с точкой отсчёта в центре Земли.

С другой стороны, продолжая рассуждать по классической теории, он в какой-то момент может вспомнить, что в классическом законе всемирного тяготения сила, с которой его притягивает Земля, равна силе, с которой он притягивает Землю, и заключить, что неведомая сила, толкающая Землю ему навстречу — это сила тяготения их с Землёй: фактически, это он притягивает своей массой земную массу, если рассматривать ситуацию относительно него, как от точки отсчёта. И таким образом у него и тут тоже появятся дополнительные сведения об этой неведомой силе.

Все три теории закономерно объясняют процесс. И все три совпадают экспериментом — с поправкой на малые отличия в точности. Во всех трёх остаются дополнительные вопросы — хотя и разные. Есть ли тогда повод считать, что одна из них «настоящая» и «опровергает две другие»?

Да, при переходе от «теории падающего наблюдателя» к теории классической гравитации мы, возможно, получим некоторые дополнительные сведения о происхождении силы, а при переходе от классической гравитации к ОТО — ещё более дополнительные сведения о ней и заодно объяснение этих небольших расхождений между теорией и экспериментом, а также ряд вопросов, ответы на которые пока что неизвестны, однако все три — уточнение и детализация процесса, рассматриваемого с разных точек зрения и с привлечением разных абстракций, а не опровержения друг друга подобно тому, как теория эволюционного абиогенеза опровергала бы гипотезу сотворения жизни Демиургом и наоборот.

Пример с падающим наблюдателем, кстати, неслучаен: изначальным стремлением Эйнштейна было описание гравитации таким образом, чтобы оно не отличалась от описания неинерциальных систем отсчёта. Кое основано на том, что и в гравитационном поле, и в неинерциальных системах на все тела действует некоторая сила, пропорциональная массе каждого из тел, а потому всё выглядит так, будто бы она не пытается двигать их массу, а напрямую сообщает им ускорение, независимо от их массы.

Полная идентичность гравитации и неинерциальных систем в рамках ОТО пока ещё под вопросом, однако сходств несомненно весьма много, то есть через искривление пространства–времени такое описание, видимо, действительно можно дать.

Рассмотрим, наконец, аргумент про то, что наблюдаемое искривление света рядом с массивными телами опровергает классическую теорию гравитации.

Тут тоже нет: классическая теория гравитации вообще никак не описывает взаимодействие гравитации со светом. Хотя бы по той причине, что во времена Ньютона частица «фотон с нулевой массой покоя» ещё не вводилась в рассмотрение (по версии Ньютона фотоны имели массу, а концепции «массы, отличной от массы покоя» тогда ещё не было), а потому, собственно, та теория никак не могла всё это описывать.

Причём тут нельзя даже сказать: «ну, вот тогда ещё не знали, а потом узнали».

Дело в том, что «фотон» в современных теориях лишь в некоторых отношениях подобен частицам вещества, а не во всех. В частности, взвесить его на весах, чтобы узнать его массу покоя, невозможно. Экспериментально можно лишь измерить его импульс, что было сделано уже после появления квантовой механики и специальной теории относительности.

Понятие же «массы покоя» вводится Специальной Теорией Относительности, а концепция «корпускулярного фотона» в текущем его понимании — квантовой механикой (хотя, повторюсь, другие версии «корпускулярных фотонов» предлагались и раньше). И из построений СТО и квантовой механики, на базе некоторых сделанных в них предположений, уже следует, что «масса покоя фотона» равна нулю.

Поскольку, кстати, СТО и квантовая механика на данный момент между собой всё ещё не полностью совместимы, далеко не факт, что концепции фотонов и масс даже в них самих полностью идентичны — вполне может оказаться, что где-то есть различия в этих одноимённых концепциях.

Так вот, все эти определения понятий и сущностей, введённые в рамках других, более поздних теорий с их собственными абстракциями и предположениями, вряд ли можно каким-либо образом механически перенести на более раннюю теорию. Понятие «нулевой массы покоя», относящейся к «квантовому фотону», разве что только чудом могло совпасть по физическому смыслу с той «массой», которая фигурирует в законе всемирного тяготения из классической механики. Особенно если учесть, что «массы» в квантовой механике — это не просто «массы», а частные проявления того, что там называется «энергией».

Экспериментально проверяются, напомню, в основном не предположения теорий, а их следствия, а потому один и тот же набор следствий может в общем случае получаться из разного набора предположений.

Как бы то ни было, классическая теория гравитации попросту никак не объясняет взаимодействие света с гравитационным полем и не претендует на такое объяснение. Более общие теории могут это каким-то образом объяснить и описать, однако это не будет опровержением — это будет дополнением, уточнением и/или до определённой точности сводимым к классической механике описанием более общего случая с помощью альтернативного набора абстракций.

Такое описание, разумеется, должно быть, поскольку искривление света — наблюдаемое явление. Но верно ли, что наблюдаемое искривление света навязывает нам искривление пространства–времени как единственное возможное объяснение того, как «на самом деле»?

Ну, простейшей очевидной альтернативой объяснения было бы доопределение закона всемирного тяготения так, чтобы он учитывал не просто массу, отождествляемую с массой покоя из СТО и квантовой механики, а масс–энергию или какую-то ещё «эффективную массу». Поскольку в классической теории гравитации ускорение, сообщаемое телу гравитационным полем, тоже не зависит от его массы, вообще говоря, фотону можно приписать любую ненулевую «эффективную массу», объясняемую чем угодно, и наблюдаемое искривление света таким образом будет описано ровно тем же способом, что и искривление траекторий частиц вещества: по второму закону Ньютона. И, соответственно, с той же точностью.

Конечно, по классической теории гравитации гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно, а эффектов изменения хода времени ни массы, ни скорости не вызывают. Всё это всё ещё будет давать некоторую ошибку относительно экспериментов, а потому не объяснять некоторые наблюдаемые явления, в которых ошибка будет значительной, однако как приближение такое всё ещё может работать в очень многих случаях, даже если считать, что СТО и ОТО дают безошибочный результат или хотя бы меньшую ошибку.

Как гипотетически может работать и теория, которая объясняет расхождения неким иным способом: на данный момент ОТО лидер по количеству сбывающихся прогнозов, однако есть альтернативы, в прогнозировании некоторых явлений отстающие от ОТО (что-то из объяснимого ОТО они не объясняют вообще или дают заметно меньшую точность), но, тем не менее, прогнозирующие больше явлений, чем классическая теория гравитации, а потому гарантий невозможности построения такой теории на данный момент нет.

Кроме того, само по себе отклонение света может вызываться и ещё чем-то, что тоже связано с гравитацией, но не так, как для частиц вещества.

Например, рассмотрим банку с водой, стоящую на поверхности Земли.

Вполне очевидно, что в этом случае плотность воды у дна и у верхнего края банки разная. И эта разница, разумеется, вызвана гравитацией.

В воду можно даже чего-то такого досыпать или долить, чтобы ещё сильнее увеличить разницу в плотности.

Однако в результате того, что плотность воды переменна, свет уже не будет распространяться по прямой, если его луч упадёт на поверхность воды под углом к вертикали. Вместо этого мы увидим искривление луча.

На него, кстати, даже можно посмотреть непосредственно глазами — хотя в этом примере мы видим уже рассеянные на частицах фотоны, исходное направление пучка оных это довольно хорошо отображает.

Если теперь расширить банку до океана, окружающего всю планету, то практически любой свет, который пройдёт через воду мимо ядра планеты, будет падать на её поверхность под углом и, таким образом, искривляться с точки зрения внешнего наблюдателя.

То есть в этом случае гравитацией планеты вызвано изменение траектории свободно летящих мимо неё тел, ей же вызвана переменная плотность воды, ей же вызвано наличие в океане архимедовой силы, толкающей погружённые в океан тела против направления силы тяжести, и ей же в конечном счёте вызвано искривление света, несмотря на то, что мы тут не рассматриваем никаких иных способов воздействия гравитации на фотоны, кроме как посредством водяной среды.

«Плотность» — то есть напряжённость — гравитационного поля вокруг космических тел убывает с расстоянием от их центра, как и плотность воды в этом примере, а потому гипотетически могут быть варианты объяснения наблюдаемого эффекта искривления света и через такое вот «безмассовое» взаимодействие с полем.

Этими вариантами, разумеется, полный их спектр не ограничивается, но даже их достаточно для того, чтобы понять всю глубину неверности фразы «искривление света само по себе уже с неизбежностью требует наличия искривлённого пространства–времени в любой адекватной наблюдениям теории гравитации».

В общем, неверно считать, будто бы «имеющийся набор наблюдений доказывает абсолютную верность ОТО и однозначно опровергает все остальные теории».

Нет, на данный момент ОТО — лидер по количеству сбывающихся прогнозов, однако это не означает, что абсолютно верен только подход описания при помощи искривлённого пространства–времени, а все остальные варианты описания теперь уже даже в принципе не могут оказаться верными, и любой такой в обязательном порядке будет противоречить ОТО и во всех случаях ей значительно уступать.

На то, что ОТО и СТО придётся на что-то заменить или внести в них заметные модификации, намекает хотя бы уже их неполная совместимость с квантовой механикой и отсутствие единой теории поля.

Но в тех областях, где они дают достаточно точно сбывающиеся прогнозы, ни они, ни классическая механика и теория гравитации никуда не денутся, как никуда не денутся и те их абстракции, типа «гравитационной силы» или «одной и той же фиксируемой скорости света во всех системах отсчёта», которые описывают непосредственно наблюдаемое приборами — любая следующая теория будет вынуждена объяснять и их тоже.

doc-файл
публикация на сайте «XX2 Век»

Сохранено