1. Ефекти, пов'язані з прискоренням систем відліку

Вперше вплив прискорення на системи відліку було описано Ейнштейном ще в 1907 [1] в рамках спеціальної теорії відносності. Таким чином, описувані нижче ефекти присутні і в ній, а не тільки в ОТО.

Перший з цих ефектів - гравітаційне уповільнення часу, через який будь-які годинники будуть йти тим повільніше, чим глибше в гравітаційної ямі (ближче до гравитирующего тілу) вони знаходяться. Даний ефект був безпосередньо підтверджений в експерименті Хафелі - Кітінга [2] і враховується в системах супутникової навігації ( GPS, ГЛОНАСС, Галілео) [3]. Відсутність такого обліку призвело б до відходу на десятки мікросекунд на добу (тобто втрати точності позиціювання, вимірюваної кілометрами в день).

Безпосередньо пов'язаний з цим ефект - гравітаційне червоне зміщення світла. Під цим ефектом розуміють зменшення частоти світла щодо локальних годин (відповідно, зміщення ліній спектра до червоного кінця спектра щодо локальних масштабів) при поширенні світла з гравітаційної ями назовні (з області з меншим гравітаційним потенціалом в область з великим потенціалом). Гравітаційне червоне зміщення було виявлене в спектрах зірок і Сонця і надійно підтверджено в експерименті Паунда і Ребко. [4] [5] [6]

Гравітаційне уповільнення часу тягне за собою ще один ефект, названий ефектом Шапіро (також відомий як гравітаційна затримка сигналу). Через цього ефекту в полі тяжіння електромагнітні сигнали йдуть довше, ніж у відсутність цього поля. Дане явище було виявлено при радіолокації планет сонячної системи і космічних кораблів, що проходять позаду Сонця, а також при спостереженні сигналів від подвійних пульсарів. [7] [8]


2. Гравітаційне відхилення світла

Найвідоміша рання перевірка ОТО стала можлива завдяки повному сонячному затемненню 1919. Артур Еддінгтон показав, що світло від зірки скривлювався поблизу Сонця в точній відповідності з передбаченнями ОТО

Викривлення шляху світла відбувається в будь прискореної системі відліку. Докладний вид спостережуваної траєкторії і гравітаційні ефекти лінзування залежать, тим не менше, від кривизни простору-часу. Ейнштейн дізнався про це ефекті в 1911, і, коли він евристичним шляхом обчислив величину кривизни траєкторій, вона виявилася такою ж, яка передвіщалася класичною механікою для частинок, що рухаються зі швидкістю світла. В 1916 Ейнштейн виявив, що кутовий зсув напрямку поширення світла в ОТО в два рази більше, ніж у ньютонівської теорії. [9] Таким чином, це передбачення стало ще одним способом перевірки ОТО.

З 1919 дане явище було підтверджено астрономічними спостереженнями зірок в процесі затемнень Сонця, а також радіоінтерферометричної спостереженнями квазарів, що проходять поблизу Сонця під час його шляху по екліптиці. [10]

Під дією величезної маси Сонця вигляд небесної сфери спотворюється не лише поблизу нього, але і на великих кутових віддалях, хоча і в меншій мірі. Точні астрометричні спостереження положень зірок супутником Hipparcos підтвердили ефект. Супутник виконав 3500000 вимірів положення зірок з типовою похибкою трьохтисячний кутової секунди (мілліарксекунди, mas). При вимірах з такою точністю стає істотним навіть гравітаційне відхилення Сонцем світла зірки, віддаленої на небесній сфері на 90 від Сонця; в такому "квадратурної" положенні це відхилення одно 4,07 mas. Внаслідок річного руху Сонця по небесній сфері відхилення зірок змінюються, що дозволяє досліджувати залежність відхилення від взаємного положення Сонця і зірки. Середньоквадратична похибка обчисленого гравітаційного відхилення, усередненого по всіх вимірах, склала 0,0016 mas, хоча систематичні похибки погіршують точність, з якою вимірювання узгоджуються з передбаченнями ОТО, до 0,3% [11].

Гравітаційне лінзування [12] відбувається, коли один віддалений масивний об'єкт знаходиться поблизу або безпосередньо на лінії, що сполучає спостерігача з іншим об'єктом, набагато більш віддаленим. У цьому випадку викривлення траєкторії світла ближчою масою призводить до спотворення форми віддаленого об'єкта, яке при малому дозволі спостереження приводить, в основному, до збільшення сукупної яскравості віддаленого об'єкта, тому дане явище було названо лінзування. Першим прикладом гравітаційного лінзування було отримання в 1979 двох близьких зображень одного і того ж квазара QSO 0957 +16 A, B (z = 1,4) англійськими астрономами Д. Уолшем та ін "Коли з'ясувалося, що обидва квазара змінюють свій блиск в унісон, астрономи зрозуміли, що в Насправді це два зображення одного квазара, зобов'язані ефекту гравітаційної лінзи. Незабаром знайшли і саму лінзу - далеку галактику (z = 0,36), що лежить між Землею і квазаром ". [13] З тих пір було знайдено багато інших прикладів віддалених галактик і квазарів , яких торкається гравітаційного лінзування. Наприклад, відомий так званий Хрест Ейнштейна, коли галактика учетверяется зображення далекого квазара у вигляді хреста.

Спеціальний тип гравітаційного лінзування називається кільцем або дугою Ейнштейна. Кільце Ейнштейна виникає, коли спостережуваний об'єкт знаходиться безпосередньо позаду іншого об'єкта зі сферично-симетричним полем тяжіння. У цьому випадку світло від більш віддаленого об'єкта спостерігається як кільце навколо ближчого об'єкта. Якщо віддалений об'єкт буде трохи зміщений в одну сторону і / або поле тяжіння не сферично-симетричне, то замість цього з'являться часткові кільця, звані дугами.

Нарешті, у будь зірки може збільшуватися яскравість, коли перед нею проходить компактний масивний об'єкт. У цьому випадку збільшені і спотворені через гравітаційного відхилення світла зображення далекої зірки не можуть бути дозволені (вони знаходяться дуже близько один до одного) і спостерігається просто підвищення яскравості зірки. Цей ефект називають мікролінзування, і він спостерігається тепер регулярно в рамках проектів, які вивчають невидимі тіла нашої Галактики по гравітаційного мікролінзування світла від зірок - Масна [14], EROS (англ.) та інші.


3. Чорні діри

Малюнок художника: аккреційний диск гарячої плазми, що обертається навколо чорної діри.

Чорна діра - область, обмежена так званим горизонтом подій, яку не може покинути ні матерія, ні інформація. Передбачається, що такі області можуть утворюватися, зокрема, як результат колапсу масивних зірок. Оскільки матерія може потрапляти в чорну діру (наприклад, з міжзоряного середовища), але не може її покидати, маса чорної діри з часом може тільки зростати.

Стівен Хокінг, тим не менш, показав, що чорні діри можуть втрачати масу [15] за рахунок випромінювання, названого випромінюванням Хокінга. Випромінювання Хокінга являє собою квантовий ефект, який не порушує класичну ОТО.

Відомо багато кандидатів в чорні діри, зокрема надмасивних об'єкт, пов'язаний з радіоджерелом Стрілець A * в центрі нашої Галактики. [16] Більшість вчених переконані, що спостережувані астрономічні явища, пов'язані з цим та іншими подібними об'єктами, надійно підтверджують існування чорних дір, однак існують і інші пояснення: наприклад, замість чорних дір пропонуються бозона зірки та інші екзотичні об'єкти. [17]


4. Орбітальні ефекти

ОТО коригує передбачення ньютонівської теорії небесної механіки щодо динаміки гравітаційно зв'язаних систем: Сонячна система, подвійні зірки і т. д.

Перший ефект ОТО полягав у тому, що перигелії всіх планетних орбіт будуть прецессировать, оскільки гравітаційний потенціал Ньютона буде мати малу добавку, що приводить до формуванню незамкнутих орбіт. Це передбачення було першим підтвердженням ОТО, оскільки величина прецесії, виведена Ейнштейном в 1916, повністю збіглася з аномальною прецесією перигелію Меркурія. [18] Таким чином була вирішена відома в той час проблема небесної механіки. [19]

Пізніше релятивістська прецесія перигелію спостерігалася також у Венери, Землі, і як більш сильний ефект в системі подвійного пульсара. [20] За відкриття першого подвійного пульсара PSR B1913 +16 в 1974 році і дослідження еволюції його орбітального руху, в якій виявляються релятивістські ефекти, Р. Халс і Д. Тейлор отримали Нобелівську премію в 1993. [21]

Інший ефект - зміна орбіти, пов'язане з гравітаційним випромінюванням подвійної і більше кратної системи тіл. Цей ефект спостерігається в системах із близько розташованими зірками і полягає в зменшенні [22] періоду обігу. Він грає важливу роль в еволюції близьких подвійних і кратних зірок. [23] Ефект вперше спостерігався у вищезгаданій системі PSR B1913 +16 і з точністю до 0,2% збігся з прогнозами ОТО.

Ще один ефект - геодезична прецесія. Вона являє собою прецесію полюсів обертового об'єкта в силу ефектів паралельного перенесення в криволінійному просторі-часі. Даний ефект відсутній в ньютонівської теорії тяжіння. Передбачення геодезичної прецесії було перевірено в експерименті з зондом НАСА "Гревіті Проуб Бі" ( Gravity Probe B). Керівник досліджень даних, отриманих зондом, Френсіс Еверітт на пленарному засіданні Американського фізичного товариства 14 квітня 2007 заявив про те, що аналіз даних гіроскопів дозволив підтвердити напророчену Ейнштейном геодезичну прецесію з точністю перевершує 1%. [24] У травні 2011 опубліковані [25] остаточні підсумки обробки цих даних: геодезична прецесія становила -6601,8 18,3 мілісекунди дуги (mas) в рік, що в межах похибки експерименту збігається з передбаченим ОТО значенням -6606,1 mas / рік. Цей ефект раніше був перевірений також спостереженнями зсуву орбіт геодезичних супутників LAGEOS і LAGEOS-2 і повороту осі обертання пульсара PSR B1913 +16; у межах похибок відхилення від теоретичних передбачень ОТО не виявлені.


5. Захоплення інерційних систем відліку

Захоплення інерційних систем відліку обертовим тілом полягає в тому, що обертається масивний об'єкт "тягне" простір-час в напрямку свого обертання: віддалений спостерігач в спокої відносно центру мас тіла, що обертається виявить, що найшвидшими годинами, тобто почилих щодо локально-інерціальної системи відліку , на фіксованій відстані від об'єкта є годинник, що має компоненту руху навколо обертового об'єкта в напрямку обертання, а не ті, які перебувають у спокої відносно спостерігача, як це відбувається для невращающейся масивного об'єкта. Точно так само віддаленим спостерігачем буде встановлено, що світло рухається швидше в напрямку обертання об'єкта, ніж проти його обертання. Захоплення інерційних систем відліку також викличе зміна орієнтації гіроскопа в часі. Для космічного корабля на полярній орбіті напрямок цього ефекту перпендикулярно геодезичної прецесії, згаданої вище.

Оскільки ефект захоплення інерційних систем відліку в 170 разів слабкіше ефекту геодезичної прецесії, Стенфордський вчені протягом 5 років витягували його "відбитки" з інформації, отриманої на спеціально запущеному з метою вимірювання цього ефекту супутнику "Гревіті Проуб Бі" ( Gravity Probe B). У травні 2011 р. були оголошені [25] остаточні підсумки місії: виміряна величина захоплення склала -37,2 7,2 мілісекунди дуги (mas) в рік, що в межах точності збігається з прогнозом ОТО: -39,2 mas / рік .


6. Інші передбачення

  • Еквівалентність інерційної і гравітаційної маси: наслідок того, що вільне падіння - рух за інерцією.
  • Гравітаційне випромінювання : орбітальний рух будь-яких гравітаційно зв'язаних систем (зокрема, тісних пар компактних зірок - білих карликів, нейтронних зірок, чорних дір), а також процеси злиття нейтронних зірок і / або чорних дір, як очікується, повинні супроводжуватися випромінюванням гравітаційних хвиль.
    • Є непрямі докази існування гравітаційного випромінювання у вигляді вимірювань темпу втрати енергії орбітального обертання подвійних пульсарів. Ефект вперше спостерігався у вищезгаданій системі PSR B1913 +16 і з точністю до 0,2% збігся з прогнозами ОТО.
    • Злиття подвійних пульсарів і інших пар компактних зірок може створювати гравітаційні хвилі, достатньо сильні, щоб спостерігатися на Землі. На 2011 існувало (або планувалися найближчим часом до споруди) кілька гравітаційних телескопів для спостереження подібних хвиль.
    • Тільки квадрупольний момент або більш високі мультипольні моменти системи призводять до гравітаційного випромінювання. Дипольне і монопольне [26] гравітаційне випромінювання, заборонені згідно з передбаченнями ОТО, можливі, згідно з деякими альтернативних теорій [27]. Поки не існує навіть непрямих підтверджень наявності такого випромінювання.

Примітки

  1. А. Ейнштейн. Про принципі відносності та його наслідках / / Збори наукових праць. Т. 1. - М .: Наука, 1965.
  2. J. Hafele, R. Keating. Around the world atomic clocks: predicted relativistic time gains - www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/177/4044/166 / / Science. - 14 липня 1972. - Т. 177. - № 4044. - P. 166-168. - DOI : 10.1126/science.177.4044.166 - dx.doi.org/10.1126/science.177.4044.166
  3. Ashby Neil. Relativity in the Global Positioning System - www.livingreviews.org/lrr-2003-1
  4. RV Pound, GA Rebka Jr. Gravitational Red-Shift in Nuclear Resonance - prola.aps.org/abstract/PRL/v3/i9/p439_1 / / Physical Review Letters. - 1 листопада 1959. - Т. 3. - № 9. - P. 439-441.
  5. RV Pound, GA Rebka Jr. Apparent weight of photons - prola.aps.org/abstract/PRL/v4/i7/p337_1 / / Physical Review Letters. - 1 квітня 1960. - Т. 4. - № 7. - P. 337-341.
  6. RV Pound, JL Snider. Effect of Gravity on Nuclear Resonance - prola.aps.org/abstract/PRL/v13/i18/p539_1 / / Physical Review Letters. - 2 листопада 1964. - Т. 13. - № 18. - P. 539-540.
  7. II Shapiro. Fourth test of general relativity / / Physical Review Letters. - 28 грудня 1964. - Т. 13. - № 26. - P. 789-791.
  8. II Shapiro, Gordon H. Pettengill, Michael E. Ash, Melvin L. Stone, William B. Smith, Richard P. Ingalls, Richard A. Brockelman. Fourth test of general relativity: preliminary results - prola.aps.org/abstract/PRL/v20/i22/p1265_1 / / Physical Review Letters. - 27 травня 1968. - Т. 20. - № 22. - P. 1265-1269. - DOI : 10.1103/PhysRevLett.20.1265 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.20.1265
  9. Albert Einstein. The Foundation of the General Theory of Relativity - www.alberteinstein.info/gallery/gtext3.html / / Annalen der Physik. - 1916. (Російський переклад у збірнику: Альберт Ейнштейн і теорія гравітації: Збірник статей / За ред. Є. Куранского. - М .: Світ, 1979. - С. 146-196. - 592 с. ).
  10. Hans C. Ohanian, Remo Ruffini. 4.3 / / Gravitation and Spacetime. - 2nd ed. - WW Norton & Company, 1994. - P. 188-196. - ISBN 0-393-96501-5
  11. Froeschl M., Mignard F., Arenou F. Determination Of The PPN Parameter Gamma With The Hipparcos Data - cdsads.u-strasbg.fr/abs/1997ESASP.402...49F, Proceedings of the ESA Symposium "Hipparcos - Venice 97 ", 13-16 May, Venice, Italy, ESA SP-402 (July 1997), p. 49-52.
  12. P. Schneider, J. Ehlers, EE Falco. Gravitational Lenses. - New York: Springer-Verlag, 1992.
  13. Сурдін В. Г. Гравітаційна лінза - www.astronet.ru/db/msg/1162190. ??? (?). Читальний - www.webcitation.org/66NFjui0s з першоджерела 23 березня 2012.
  14. C. Alcock та ін The MACHO Project: Microlensing Results from 5.7 Years of LMC Observations - arxiv.org/abs/astro-ph/0001272 / / Astrophys. - 2000. - № 542. - P. 281-307.
  15. Stephen Hawking. Particle creation by black holes - projecteuclid.org/Dienst/UI/1.0/Summarize/euclid.cmp/1103899181 / / Communications in Mathematical Physics. - 1975. - Т. 43. - № 3. - P. 199-220.
  16. Інформація про зірки поблизу центру Галактики - www.mpe.mpg.de / ir / GC / index.php на сайті інституту Макса Планка
  17. Див: Фізика за горизонтом подій - www.ng.ru/science/2002-11-13/11_blackhole.html, а також останній огляд по бозона зіркам:
    Franz E. Schunck, Eckehard W. Mielke. General relativistic boson stars - stacks.iop.org/cq/20/R301 / / Classical and Quantum Gravity. - 2003. - Т. 20. - № 20. - P. R301-R356.
  18. Роузвера Н. Т. Перигелій Меркурія від Левер'є до Ейнштейна - bourabai.kz / articles / roseveare / index.htm. - М .: Світ, 1985. - 244 с.
  19. Богородський А. Ф. Глава II / / Всесвітнє тяжіння. - Київ: Наукова думка, 1971. - 352 с.
  20. CM Will. Chapter 2 / / General Relativity, an Einstein Century Survey / SW Hawking and W Israel, eds. - Cambridge: Cambridge University Press, 1979.
  21. Нобелівські лауреати по фізиці за 1993 рік - nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993/index.html
  22. Глава 2, розділ 7 / / Про деякі найважливіших уявленнях макрофізики і фізики Космосу - www.imp.uran.ru/ktm_lab/irkhin/sv2/Von_2_7.pdf
  23. Масевич А. Г., Тутуков А. В. Еволюція зірок: теорія і спостереження. - М .: Наука, 1988. - 280 с. - ISBN 5-02-013861-4
  24. Див прес-реліз - einstein.stanford.edu/content/press_releases/SU/pr-aps-041807.pdf (Англ.)
  25. 1 2 Physical Review Letters - Gravity Probe B: Final results of a space experiment to test general relativity - prl.aps.org/accepted/L/ea070Y8dQ491d22a28828c95f660a57ac82e7d8c0 (1 мая 2011).
  26. Sexl RU Monopole gravitational radiation // Physics Lett.. - 1966. - Т. 20. - № 376. - DOI : 10.1016/0031-9163(66)90748-7 - dx.doi.org/10.1016/0031-9163(66)90748-7
  27. Уилл К. Теория и эксперимент в гравитационной физике / Пер. з англ. - М .: Энергоатомиздат, 1985. - С. 200. - 296 с.