Субота, листопада 18, 2017

Загальноуніверситетська
газета
№ 7 (4016)
вівторок 8 квітня
2014 р.

З 1 січня 1817 р. Харківський університет видавав "Харьковские известия", з 8 квітня 1927 р. - "Робітник освіти", з 15 грудня 1928 р. - "Іновець", з 1 січня 1930 р. - "За нові кадри", з 1 січня 1936 р. - "За більшовицькі кадри", з 1 січня 1947 р. - "Сталінські кадри", з 1 січня 1957 р. - "Харківський університет" (вперше номер з такою назвою з'явився 19 грудня 1945 р.).

Газета нагороджена Почесною грамотою Державного комітету у справах преси, телебачення та радіомовлення України.

100 років ЗТВ

Хрест Ейнштейна

Рівно 100 років тому, в грудні 1915-ого Альберт Ейнштейн опублікував основні рівняння загальної теорії відносності (ЗТВ). У ті часи лише поодинокі представники світової фізико-математичної еліти розуміли, яка важлива подія відбулася в історії нашої цивілізації. Ейнштейну вдалося істотно і красиво узагальнити теорію тяжіння Ньютона. Рівняння Ейнштейна (система диференціальних рівнянь в частинних похідних) пов'язують внутрішню геометрію нашого чотиривимірного Світу (час плюс простір) із властивостями матерії. Якщо сильно звульгаризувати суть ейнштейнівського результату, то він зводиться до наступного. Виявляється, міра справедливості шкільної теореми про те, що сума кутів будь-якого плаского трикутника дорівнює 180 градусам, залежить (хоча дуже і дуже слабо!) від маси учня, що доводить її на уроці математики.

У випадку епохальних відкриттів такого рівня, завжди виникає дещо дивне питання: а хто автор відкриття? Чи побудували б ЗТВ без Ейнштейна? Скоріш за все, так би і сталося, хоча сам учений вважав, що на це пішло б ще кілька десятиліть. Ще до публікації ейнштейнівської роботи, можливості правильного запису гравітаційних рівнянь обговорював з Ейнштейном визначний німецький математик Давид Гільберт. Дотепер дискутують про те, хто з цих двох геніальних людей записав рівняння гравітації раніше. Однак на практиці авторство відкриття часто визначається не тільки тим, що хтось здійснив його раніше за інших, а й тим, що цей «хтось» прийняв на себе всі тяготи (свій тяжкий хрест!), пов'язані із захистом відкриття від наукової критики, доказом його спроможності та впровадженням своїх незвичайних ідей у свідомість колег та наукової громадськості. З цієї точки зору не варто сумніватися в тому, що гравітаційні рівняння Ейнштейна по праву називаються його іменем.

Яке значення має ЗТВ для життя більшості сучасних людей? Для тих, хто вважає, що «держава не повинна витрачати мільярди гривень на виробництво наукової макулатури», ЗТВ не має ані найменшого сенсу. Для всіх інших, наприклад, для нас з Вами, значення цього відкриття неймовірно велике. Перш за все, ЗТВ − це новий інструмент дослідження нашого Всесвіту, це новий рівень самоусвідомлення людства, це новий стрибок цивілізаційної культури, це стимул для появи свіжих поглядів на науку в цілому.

Не минуло й ста років, як теорія Ейнштейна почала нарощувати і практичне застосування. Наприклад, без урахування релятивістських ефектів неможлива робота GPS − супутникової системи точного позиціонування на земній поверхні, яка дуже важлива для багатьох програм, у тому числі й військових. Варто додати, що коли Альберт Ейнштейн здійснював свої чудові відкриття, в Німеччині не було чиновників, які вимагають негайного впровадження результатів; тоді ще ніхто не оцінював вчених за індексом Гірша і кількістю публікацій у рейтингових журналах. Можливо, з цієї причини у Ейнштейна було достатньо часу для роздумів над тією чи іншою проблемою фізики, що й привело його до чудових відкриттів, включаючи ЗТВ.

Я захопився вивченням ЗТВ коли навчався у нашому університеті (це було в першій половині 70-х років минулого століття). У такому ніжному віці багато студентів (і я в тому числі), які усвідомлюють, навіщо вступили до університету, часто бажають взятися за  серйозну фізичну задачу і досягти немислимих успіхів у її вирішенні. Звичайно, всіх манить астрофізика, космологія, в крайньому випадку − єдина теорія фізичних полів. Гіпнотично заманливо і навіть романтично звучать слова на кшталт «коваріантна похідна», «символи Крістофеля», «тензор Рімана», «тотожності Б’янкі», «абсолютно антисиметричний одиничний тензор Леві-Чивіти». Ох, як хочеться дізнатися про це більше! Як хочеться кожному юнакові/дівчині здивувати світ своїм власним поглядом на Світ.

На жаль, переважна більшість таких людей з’ясовує, що реальність чомусь не надто любить наукову романтику. Доводиться заробляти на життя там, де є робота, а Ваше бажання пізнавати Всесвіт, як правило, не викликає захоплення у роботодавців. Так сталося і зі мною у 1975-ому році. На щастя, я став не ресторанним офіціантом, а астрономом і все своє життя вивчав Місяць. Таким чином, я можу розповісти лишень про свої юнацькі враження від ЗТВ, яку я ретельно вивчав протягом декількох років за допомогою статей, знайдених у «Реферативному журналі». У мене вистачило терпіння «прочесати» всі його номери, починаючи з 1954 року − дати, коли з’явився на світ перший випуск видання. Тоді я дійсно дуже багато дізнався про фізику і теорію тяжіння.

Традиційно вважають, що загальну теорію відносності важко осягнути навіть фізику, що вона є предметом вивчення «особливих» людей, які здатні розібратися в її хитросплетіннях. На цю тему навіть існують відомі вірші:

Был этот мир глубокой тьмой окутан.
Да будет свет! И вот явился Ньютон.
Но Сатана недолго ждал реванша.
Пришёл Эйнштейн − и стало всё, как раньше.

Перші два рядки написав Олександр Поуп (1688-1744), другі − Джон Сквайр (1884-1958); загальний переклад С. Маршака. На щастя, ці вірші далекі від істини. Зрозуміти основні принципи ЗТВ і освоїти її математичний апарат − геометрію Рімана − зовсім не складно. Треба просто проявити певну наполегливість. Проблеми починаються потім, коли Ви намагаєтеся робити щось самостійно.

По-перше, Ви з’ясовуєте, що «вершки» давно зняті іншими; багато що з «простого і красивого» вже зроблено. А те, що залишилося Вам, вимагає величезної працездатності і повної самовіддачі. По-друге, також виявляється, що в цій галузі теоретичної фізики працює величезна кількість людей, рівень яких, безсумнівно, набагато вищий за Ваш, а це сильно «розхолоджує». По-третє, існує велика кількість робіт, присвячених основам ЗТВ, у яких вчені намагаються «підправити» Ейнштейна або запропонувати натомість щось своє. Вам починає здаватися, що ЗТВ не така вже й «остаточна».

Можливо, в деяких із альтернативних робіт містяться натяки на те, як доробок Ейнштейна узагальнюватиметься в майбутньому, коли під тиском нових експериментальних фактів та/або нових ідей, які захоплять уми більшості фахівців, виникне необхідність узагальнень. У момент, коли Ви виявляєте, що деякі альтернативні моделі ЗТВ також цікаві, потрібно буде приймати рішення: чи залишитеся Ви нормальним «ортодоксом» і нічого крім ейнштейнівської версії теорії тяжіння не визнаєте, або Ви починаєте, так само, як деякі «інші маргінали», винаходити своє «Щось». Свого часу я не забажав робити ні того, ні іншого і почав займатися проблемами, які були мені під силу. З роками я зрозумів, що вчинив абсолютно правильно: не так важливо, якою фізичною проблемою Ви займаєтеся, важливо те, як Ви це робите. Не вибір модної теми повинен робити людину ученим. На жаль, в житті часто буває так, що саме «гаряча» тема надає вагу тим, хто нею займається.

Слід зазначити, що в ЗТВ дійсно присутні фундаментальні невирішені проблеми. До них відноситься, наприклад, нетензорність енергії-імпульсу гравітаційного поля. Ця величина є псевдотензором: вона залежить від вибору системи координат (не плутати з системою відліку), тобто вона залежить від способу уявної нумерації точок простору, а це, погодьтеся, для фізичної (вимірюваної) величини властивість нехороша. Щоб вирішити проблему псевдотензорності, у деяких дослідників виникає бажання побудувати теорію гравітації за типом інших фізичних полів, тобто відмовитися від найкрасивішого в теорії Ейнштена − зв'язку геометрії простору з матерією. Крім того, моделі фізичного поля дозволяють відомим чином провести квантування гравітації, що також важливо для сучасної фізики. Однак, всі ці підходи поки не мають достатнього рівня визнання, щоб змагатися із ЗТВ, тому значущість роботи Ейнштейна, оприлюдненої 1915-ого року, аніскільки не змарніла і дотепер.

Хтось із великих сказав, що математика зближує людину з Богом. Це правда: математика незбагненним чином дозволяє нам вивчати Світ. Але справжньому фізику ніколи не слід захоплюватися математичною еквілібристикою: за всіма формулами учений  повинен бачити фізичну суть. Коли астрофізика зіткнулася з фактом, що Всесвіт розширюється з прискоренням, до рівнянь Ейнштейна додали так званий «лямбда-член», який допоміг описати нову реальність. Власне, на можливість такої модифікації рівнянь гравітації вказував і сам Альберт Ейнштейн, коли намагався побудувати статичну модель Всесвіту, але відмовився від цього варіанту рівнянь, оскільки вони не були затребувані експериментом. Зараз використання лямбда-члена дозволяє описувати так звану «темну енергію» у Всесвіті, про властивості якої поки що відомо дуже мало.

Співробітники нашого Інституту астрономії і кафедри Астрономії та космічної інформатики також стикаються із ЗТВ у своїх дослідженнях. Вони вивчають так звані гравітаційні лінзи (О.П. Железняк, Є.Ю. Баннікова). Відомо, що масивні тіла відхиляють промені світла в просторі, а ЗТВ дозволяє правильно розраховувати ці відхилення. Таким чином, якщо на шляху світлових променів, що йдуть від дуже віддаленого джерела світла (наприклад, квазара), знаходиться велика маса (наприклад, порівняно близька галактика), то остання діє як не дуже гарна лінза, що фокусує на нас (спостерігачах) світло квазара. Прояви такого фокусування виглядають, як структури, схожі на відрізки кілець що світяться. Часто виявляється кілька зображень одного і того ж джерела. Наприклад, на малюнку показані фотографії віддаленого квазара, отримані нашими співробітниками в різний час. Видно, що його зображення розпалося на чотири. Цей астрофізичний об'єкт за виглядом нагадує хрест. У науковій літературі він так і називається − «Хрест Ейнштейна». За допомогою фотометричних спостережень подібних об'єктів, які вже два десятиліття проводяться нашими співробітниками (біля витоків стояли В.Н. Дудінов, В.Г. Вакулик та ін.) на обсерваторії Майданак (Узбекистан), вдається оцінювати швидкість розширення Всесвіту. Якби серед астрономів було заведено вручати державні нагороди, то «Хрест Ейнштейна», безсумнівно, міг би служити важливим визнанням заслуг того чи іншого астрофізика, який несе у нашому недосконалому світі свій тяжкий хрест науковця…

Проф. Ю. ШКУРАТОВ,
завідувач кафедри Астрономії та космічної інформатики,
член-кореспондент НАН України.