Întrebare: Ce experimente urmează teoria generală a relativității?
Teoria generală a relativității este o teorie destul de tânără. Deoarece funcționează cu cea mai slabă interacțiune (gravitațională), experimentele care o confirmă la nivelul actual al tehnologiei experimentale în laborator sunt practic imposibile. Practic toate confirmările experimentale indirecte ale teoriei disponibile în acest moment au provenit din astrofizică.
Deoarece teoria gravitației Einstein se bazează pe principiul echivalenței, verificarea ei cu cea mai mare precizie posibilă este cea mai importantă sarcină experimentală. L. Eotvos, cu ajutorul unor scale de torsiune, a dovedit validitatea principiului echivalenței în interior, R. Dicke și colegii săi au îmbunătățit acuratețea și V.B. Braginsky cu colegii - până la.
În teoria lui Einstein constanta gravitațională: m / kg s, nu se schimbă odată cu timpul. Observațiile confirmă invarianța cu exactitatea anilor c.
Figura 1. Schema experimentului privind abaterea razei în câmpul soarelui
Una dintre confirmările experimentale indirecte ale relativității generale este abaterea fasciculului de lumină în câmpul soarelui. Din experiment sa obținut că câmpul electromagnetic interacționează cu câmpul gravitațional. Schema experimentului este prezentată în Fig. 1. Știm exact când steaua trebuie să se ascundă în spatele Soarelui. Măsurăm timpul când nu mai vedem această stea (aceste experimente sunt efectuate în timpul eclipselor totale de soare) și extragem unghiul de deformare a fasciculului luminii de la linia dreaptă. Din teorie, unghiul de abatere pentru Soare este:
unde este raza gravitațională a Soarelui (vezi (3)), este parametrul de impact (în această formulare a experimentului este aproximativ egal cu raza Soarelui).
Din experimentul cu o precizie de aproximativ 0,3% (date din 1984), care corespunde pe deplin teoriei.
În principiu, deflectarea razei în câmpul Soare, de asemenea, rezultă din teoria corpusculară a luminii newtoniene, dar unghiul de deformare este prevăzut a fi exact jumătate din cel al experimentului. Calculul acestei teorii a fost realizat de Soldern în 1804. Este curios că în calculele sale Zoldern a făcut o greșeală și a primit un răspuns "corect" din punct de vedere experimental (calculul a fost făcut înainte de experiment). Mai târziu, această eroare a fost descoperită.
Telescopul spațial Hubble a fotografiat un obiect care era un disc de o stea (nu soarele), pe marginea căruia era o crestătură. S-a emis ipoteza că o astfel de imagine a apărut deoarece planeta (o masă de 0,1 până la 10 mase Jupiter) se rotește în jurul acestei stele și această planetă a schimbat traiectoria razelor astfel încât să apară o crestătură în disc. Aceasta nu este o confirmare a relativității generale, ci un indicator că interacțiunea unui fascicul de lumină cu un câmp gravitațional poate fi folosită ca un instrument pentru studierea obiectelor care nu pot fi discutate în alt mod.
Teoria prezice o schimbare de frecvență (redshift) în timpul înmulțirii între punctele 1 și 2, o diferență de potențial gravitațională dintre ele este în cazul în care - gravitațională de accelerație - diferența de înălțime între punctele 1 și 2. Acest lucru este valabil și în cazul în care ne desfășurăm un experiment în laborator, adică diferența de altitudine este mică în comparație cu raza Pământului ()
Experimentele din laborator au confirmat această formulă cu o precizie de 1% (pentru înregistrarea schimbării frecvenței, a fost utilizat efectul Mossbauer), iar cu ajutorul unui maser de hidrogen montat pe o rachetă, precizia a fost adusă la valoarea estimată (1980).
Figura 2.: Defect de semnal în câmpul Soare
Un alt experiment indirect care confirmă GRT este decalajul semnalului în câmpul Soare. Schema experimentului este prezentată în Fig. 2. Semnalul este trimis către Venus, iar ora sosirii semnalului este înregistrată înapoi. Valoarea timpului de trecere a semnalului înainte și înapoi în câmpul Soarelui (obiectul gravitațional distorsionează spațiul și timpul) diferă de valoare dacă nu există soare (spațiu liber - nu există distorsiuni). Timpul de întârziere al semnalului din teorie este aproximativ egal cu
unde - raza gravitațională a Soarelui (a se vedea 3); - raza orbitei Pământului; - raza orbitei Venus; - parametrul de impact; - viteza luminii.
Din experimentul cu o precizie de 0,1%, care corespunde pe deplin teoriei.
Experimentele au fost efectuate folosind planete radar Mercur și Venus, deoarece acestea trec peste discul solar, precum și prin intermediul semnalelor de releu nave spațiale radar, inclusiv vehiculele care se deplasează în jurul planetei Marte.
Din ciclul școlar al fizicii, se știe că planetele se mișcă în jurul Soarelui într-o orbită eliptică închisă (dacă nu luăm în calcul influența altor corpuri - de exemplu, Jupiter afectează puternic vecinii săi). Propunerea pe o orbită închisă este o consecință a faptului că interacțiunea gravitațională este dispusă în așa fel încât energia potențială este determinată de formula:
unde este distanța dintre corpurile de interacțiune ale masei și, este constanta gravitațională.
Există doar două tipuri de câmpuri centrale în care toate traiectoriile finite (corpul nu merge la infinit) sunt închise. Acestea sunt câmpurile în care energia potențială a particulelor este proporțională sau (pentru o explicație detaliată a se vedea [3], paragraful 14, "Mișcarea în câmpul central").
Există mai multe motive pentru deplasarea periheliului (punctul de abordare maximă a corpurilor), dar contribuția lor totală nu coincide cu teoria. GR furnizează corecția lipsă.
Datorită faptului că soarele obiect masiv, spatiul este curbat, precum și planetele se mișcă în elipse (adică se apropie, apoi îndepărtat), apoi energia potențială a razei este rupt (merge în dependență) și orbita planetei încetează să mai fie închis.
Cel mai convenabil obiect de cercetare - Mercur - el este cel mai aproape de Soare.
Unghiul deplasării periheliului pe revoluție este:
unde - masa Soarelui - constanta gravitațională și - axa semimajor și excentricitatea elipsei orbitei - viteza luminii.
Timp de 100 de ani, deplasarea periheliului lui Mercur a fost și, conform teoriei, această deplasare este egală cu - o precizie extraordinară.
Mai jos sunt valorile teoretice și experimentale ale unghiului deplasării periheliilor la 100 de ani pentru unele corpuri celeste:
Offset de periheliu timp de 100 de ani
Deoarece razele de lumină sunt îndoite în câmpul soarelui, probabil obiecte masive pot fi folosite ca lentile. Schema experimentului este prezentată în Fig. 3. Observatorul este la punctul O. la punctul A există o sursă de lumină (de exemplu, o galaxie). Dacă punctul C este masiv obiectele gravitaționale (nebuloase, galaxii sau un alt corp masiv), apoi din cauza curburii căii de raze, vom părea a fi un obiect îndepărtat observat la punctul B. Asta este, ne-am dori să crească. Acest efect se numește lentis gravitațional. Se observă numai dacă masa lentilei gravitaționale este de ordinul masei Soarelui și mai mare.
Desigur, lentila gravitațională este foarte diferită de comportamentul optic datorită faptului că teoria gravitației este fundamental neliniară. Dacă obiectul de la distanță se afla pe linia obiectivului observatorului, atunci observatorul va vedea inelul (în figura 3 din dreapta este marcat cu o linie punctată) - inelul Einstein. Probabilitatea unei astfel de coincidențe este mică (nu avem capacitatea de a schimba oricare dintre punctele de bază), sursa punctului va fi văzută ca două arce (în Figura 3 din dreapta) în interiorul și în exteriorul inelului Einstein. Primul obiect a fost descoperit în 1979. Arăta ca două nebuloase cu un spectru absolut identic de radiații. Acum căutăm obiecte similare. Problema observării structurii galaxiilor cu ajutorul acestui efect este studiată serios.
Cu ajutorul unui efect similar (microlensing gravitațional - masa lentilei gravitaționale este foarte mică), s-au găsit pitici maro. Piticii pitici sunt obiecte invizibile care nu sunt foarte mari (de standarde de star) maselor. Dacă vreun pitic maro stă pe linia observatorului - un obiect luminos, atunci luminozitatea obiectului se schimbă. Un pitic brun joacă rolul unei lentile. Prin schimbarea luminozității și a distanței față de obiectul observat, se poate estima aproximativ masa de lentila gravitațională. Aceste estimări arată că obiectele observate în acest mod sunt pitici maro.
În momentul de față nu există alte modalități de a înregistra un obiect întunecat, cu excepția folosirii efectului unei lentile gravitaționale.
Se știe că interacțiunea electromagnetică este cuantizată. Există particule - γ-quanta, care poartă această interacțiune. -Quantes sunt fotonii din care consta raza de lumina. Einstein dorea să scrie o teorie generală a interacțiunii, care să combine toate tipurile de interacțiuni cunoscute într-una. Este logic să presupunem că există o particulă care poartă interacțiunea gravitațională (trebuie remarcat că Einstein însuși a fost un adversar al mecanicii cuantice). Dacă există canale de interacțiune, adică radiații gravitaționale. Este foarte tentant să învățăm cum să facem receptoare care captează această radiație, deoarece în acest caz vom primi un alt instrument pentru studierea universului.
Încercările de a crea un astfel de receptor este luată în acest moment, dar undele gravitaționale în instalațiile existente (MAUTIGUS, Auriga, EXPLORER - numele sistemelor de operare) nu se găsesc, nu în mod surprinzător, este interacțiunea gravitațională prea slab.
Există o altă metodă indirectă de testare a ipotezei existenței radiației gravitaționale. În manualul excelent [4], scris de LD. Landau și E.M. Lifshitz, la punctul 110, "Radiația de undele gravitaționale", a propus și rezolvat problema:
Problema: Două corpuri atrase de legea lui Newton se mișcă în orbite circulare (în jurul centrului inerțial comun al acestora). Determinați intensitatea medie (pe perioada de circulație) a radiației de unde gravitaționale.
Dacă presupunem că există un astfel de obiect, atunci din cauza pierderii energiei la radiația gravitațională, apare o abordare treptată (ca vârstă) a corpurilor și, prin urmare, o creștere a vitezei de rotație. Rata de schimbare a vitezei unei stele duble cu timpul este egală cu:
unde este frecvența unghiulară de rotație a sistemului binar în jurul centrului comun al masei, constanța gravitațională și masele corpurilor rotative, distanța dintre corpuri.
Coeficientul anterior este foarte non-trivial. Dacă este corect, atunci acesta este un argument puternic în favoarea existenței undelor gravitaționale.