Коварная гравитация

Каждый раз, когда мы роняем бутерброд или падаем, поскользнувшись на льду, мы проклинаем гравитацию. В самом деле, довольно коварно с ее стороны отбирать бутерброды у растяп. Однако в научных текстах гравитация ведет себя еще более коварно, запутывая и вводя в заблуждение неподготовленных читателей.

Гравитация — это одно из четырех фундаментальных взаимодействий, и с ней связано очень много интересных явлений. Гравитационные волны, гравитационный коллапс массивной звезды, гравитационное красное смещение... Легко заметить, что все эти термины объединяет прилагательное «гравитационный», появившееся из-за того, что в описываемых ими процессах гравитация играет критическую роль.

Неподготовленному читателю довольно сложно сообразить, что скрывается за этими терминами. К счастью, второе, третье, четвертое (сколько потребуется) слово проясняют дело, вызывая к каким-то интуитивным аналогиям и позволяя догадаться о сути явления.

Например, попробуем угадать, что скрывается за понятием «гравитационное красное смещение» . Ну, наверное, это красное смещение, возникающее при изменении гравитации, например, когда свет, испущенный в области с сильным гравитационным полем, попадает в область с более слабым полем. При этом длина волны света изменяется, и объекты кажутся более красными — иначе ученые не назвали бы явление «красным смещением». Это не самое простое рассуждение, но в целом довольно логичное.

Однако иногда все сложнее, чем кажется. Зачастую в разных областях науки одно и то же слово приобретает совершенно разные значения. При этом чем более узкой является область, тем сложнее понять, в чем проблема.

Самый простой пример такой неоднозначности: назовите антоним к слову «параллельно», и я скажу, кто вы. Если вы сказали «перпендикулярно», то вы математик, а если «последовательно», то радиотехник. Самый сложный пример, который я знаю — это понятия «риманова геометрия» и «геометрия Римана», перепутать которые проще, чем открыть банку с пивом.

С прилагательным «гравитационный» происходит примерно то же самое.

Например, взять те же гравитационные волны, которые я упомянул первыми в списке интересных явлений. Сейчас про них слышали почти все, недавно за гравитационные волны даже дали Нобелевскую премию. Однако стоит всегда помнить, что премию дали за экспериментальное обнаружение гравитационных волн, которые связаны с возмущением метрики пространства-времени и возникают в результате движения массивных тел (если уж на то пошло, то для излучения гравитационных волн тело должно иметь квадрупольный момент и двигаться с переменным ускорением). Для обнаружения этих волн необходимо сложное и дорогое оборудование. Например, LIGO и похожие эксперименты регистрируют изменения метрики с помощью специальных интерферометров.

В то же время гравитационные волны можно наблюдать гораздо более простым способом — достаточно пойти к пруду (или речке, или морю) и бросить в него камень. От места его падения будут расходиться характерные круги, которые тоже называются гравитационными волнами. С гравитационными волнами из общей теории относительности они имеют мало общего и называются так из-за того, что сила, которая возвращает деформированную поверхность жидкости к состоянию равновесия, есть сила тяжести, связанная с перепадом высот гребня и впадины волны в гравитационном поле. Наверное, не самое удачное название.

Кроме того, в физике также известны изгибные гравитационные волны. Они возникают в результате изгибных колебаний твердого объекта, например льдины, плывущей по воде, и имеют много общего с волнами на поверхности воды.

Более сложным примером неоднозначности является тройка «гравитационная аномалия в геофизике» — «гравитационная аномалия в космологии» — «гравитационная аномалия в квантовой теории поля».

Первые две аномалии связаны с каким-то необычным поведением, вызываемым гравитационными эффектами: в геофизике так называют изменение ускорения свободного падения рядом с массивными объектами (например, около больших залежей полезных ископаемых с повышенной плотностью), в космологии — необычные скопления масс вещества, которые странно себя ведут (известным примером такой аномалии является «Великий аттрактор»).

В случае квантовой теории поля появление прилагательного «гравитационный» не так очевидно. В сущности, гравитационная аномалия является примером калибровочной аномалии, которая нарушает общую ковариантность теории, то есть делает ее зависимой от преобразования координат (или изменения гравитационного поля). Общая ковариантность очень важна для общей теории относительности, которая является теорией гравитации; отсюда и название аномалии.

Интересно отметить, что в английском языке вместо одного прилагательного «гравитационный» используется целых два слова — «gravitational» и «gravity». Например, гравитационные волны в общей теории относительности переводятся как «gravitational waves», а гравитационные волны на поверхности воды — как «gravity waves». По идее, это помогает избежать недопонимания. Однако на самом деле перепутать два похожих прилагательных ничего не стоит, и авторы текстов обычно напоминают неподготовленным читателям, что есть что.

Так или иначе, хотелось бы, чтобы как можно меньше людей путалось в терминах, тем более что это не так уж сложно.