Forudsigelser af generel relativitetsteori

Generel relativitetsteori forudsiger mange effekter. Først og fremmest, for svage gravitationsfelter og langsomt bevægende legemer, gengiver den forudsigelserne fra den newtonske teori om tyngdekraften , som den burde være ifølge korrespondanceprincippet . Dens specifikke virkninger kommer til udtryk i stærke felter (for eksempel i kompakte astrofysiske objekter) og/eller for relativistisk bevægende kroppe og objekter (for eksempel lysafbøjning). I tilfælde af svage felter forudsiger den generelle relativitetsteori kun svage korrektionseffekter, som dog allerede er målt i solsystemets tilfælde med en nøjagtighed på en brøkdel af en procent og rutinemæssigt tages i betragtning i rummet navigationsprogrammer og rapportering af astronomiske observationer .

Effekter forbundet med accelerationen af ​​referencerammer

For første gang blev accelerationens indflydelse på referencerammer beskrevet af Albert Einstein tilbage i 1907 [1] inden for rammerne af den særlige relativitetsteori . Således er nogle af virkningerne beskrevet nedenfor også til stede i den, og ikke kun i den generelle relativitetsteori. (Men deres fulde beskrivelse, i overensstemmelse med eksperimentet, er kun mulig inden for rammerne af den generelle relativitetsteori; for eksempel giver afbøjningen af ​​en lysstråle i et gravitationsfelt, beregnet inden for rammerne af SRT, et resultat to gange så lille som i generel relativitetsteori og i observationer.) [1]

Den første af disse effekter er gravitationstidsudvidelse , på grund af hvilken ethvert ur vil gå jo langsommere, jo dybere i gravitationsbrønden (tættere på gravitationslegemet) de er. Denne effekt blev direkte bekræftet i Hafele-Keating-eksperimentet [2] og tages i betragtning i satellitnavigationssystemer ( GPS , GLONASS , Galileo ) [3] . Fraværet af sådan regnskab vil føre til en drift på titusvis af mikrosekunder pr. dag (det vil sige et tab af positioneringsnøjagtighed, målt i kilometer pr. dag).

En direkte relateret effekt er den gravitationelle rødforskydning af lys . Denne effekt forstås som et fald i lysets frekvens i forhold til det lokale ur (henholdsvis et skift af spektrallinjerne til den røde ende af spektret i forhold til lokale skalaer), når lys forplanter sig ud af gravitationsbrønden (fra et område) med et lavere gravitationspotentiale til et område med et højere potentiale). Gravitationsrødforskydning blev detekteret i stjernernes og Solens spektre og blev pålideligt bekræftet i eksperimentet med Pound og Rebka [4] [5] [6] .

Gravitationstidsudvidelse medfører en anden effekt kaldet Shapiro-effekten (også kendt som gravitationssignalforsinkelse). På grund af denne effekt rejser elektromagnetiske signaler længere i gravitationsfeltet end i fravær af dette felt. Dette fænomen er blevet opdaget under radaren af ​​solsystemets planeter , når man kommunikerer med rumfartøjer, der passerer bag Solen, og også når man observerer signaler fra binære pulsarer [7] [8] .

Gravitationsafbøjning af lys

Krumning af lysets vej opstår i enhver accelereret referenceramme. Detaljen af ​​den observerede bane og gravitationslinseeffekterne afhænger dog af rumtidens krumning. Einstein beregnede først afbøjningen af ​​en lysstråle i et gravitationsfelt i 1907 , mens han forblev inden for SRT og anvendte det lokale ækvivalensprincip ; krumningen af ​​banerne viste sig at være den samme, som den klassiske mekanik forudsagde for partikler, der bevæger sig med lysets hastighed [1] . Det var først i 1916, at Einstein opdagede, at vinkelforskydningen i lysets udbredelsesretning i den almene relativitetsteori er dobbelt så stor som i den newtonske teori [9] [10] . Således er denne forudsigelse blevet en anden måde at teste generel relativitet på.

Siden 1919 er dette fænomen blevet bekræftet af astronomiske observationer af stjerner under solformørkelser , samt af radiointerferometriske observationer af kvasarer , der passerer nær Solen under dens rejse langs ekliptikken [11] .

Under påvirkning af Solens enorme masse er udsigten til himmelsfæren forvrænget ikke kun i nærheden af ​​den, men også i store vinkelafstande, dog i mindre grad. Nøjagtige astrometriske observationer af stjernernes positioner ved Hipparcos-satellitten bekræftede effekten. Satellitten foretog 3,5 millioner målinger af stjerners position med en typisk fejl på 3 tusindedele af et buesekund (millibuesekunder, mas). Med målinger med en sådan nøjagtighed bliver selv tyngdekraftens afbøjning fra Solen af ​​lyset fra en stjerne, der er 90° væk fra Solen på himmelsfæren, betydelig; i en sådan "kvadratur"-position er denne afvigelse lig med 4,07 mas . På grund af Solens årlige bevægelse i himmelsfæren ændres stjernernes afvigelser, hvilket gør det muligt at studere afvigelsens afhængighed af Solens og stjernens relative position. Grund-middel-kvadrat-fejlen for den målte gravitationsafvigelse, gennemsnittet over alle målinger, var 0,0016 mas , selvom systematiske fejl forringer nøjagtigheden, hvormed målinger er i overensstemmelse med GR-forudsigelser til 0,3 % [12] .

Gravitationslinser [13] opstår, når et fjernt massivt objekt er tæt på eller direkte på linjen, der forbinder observatøren med et andet objekt langt længere væk. I dette tilfælde fører krumningen af ​​lysbanen med en tættere masse til en forvrængning af formen af ​​det fjerne objekt, som ved lav observationsopløsning hovedsageligt fører til en stigning i den samlede lysstyrke af det fjerne objekt, så dette fænomen blev kaldt linse. Det første eksempel på gravitationslinser var erhvervelsen i 1979 af to nærbilleder af den samme kvasar QSO 0957+16 A, B ( z = 1,4 ) af engelske astronomer D. Walsh et al. unisont, astronomer indså, at de faktisk var to billeder af den samme kvasar, på grund af virkningen af ​​en gravitationslinse. Snart fandt de selve linsen, en fjern galakse (z=0,36), der lå mellem Jorden og kvasaren” [14] . Siden da er der fundet mange andre eksempler på fjerne galakser og kvasarer påvirket af gravitationslinser. For eksempel kendes det såkaldte Einstein-kors , når galaksen firdobler billedet af en fjern kvasar i form af et kors.

En særlig type gravitationslinser kaldes en Einstein-ring eller -bue . En Einstein-ring opstår, når et observeret objekt er direkte bag et andet objekt med et sfærisk symmetrisk gravitationsfelt. I dette tilfælde ses lyset fra det fjernere objekt som en ring omkring det tættere objekt. Hvis det fjerne objekt er lidt forskudt til den ene side og/eller tyngdefeltet ikke er sfærisk symmetrisk, vil der i stedet opstå delringe kaldet buer.

Endelig kan enhver stjerne stige i lysstyrke, når en kompakt massiv genstand passerer foran den. I dette tilfælde kan forstørrede og gravitationsmæssigt forvrængede billeder af den fjerne stjerne ikke løses (de er for tæt på hinanden), og stjernen stiger simpelthen i lysstyrke. Denne effekt kaldes mikrolinsing , og den observeres nu regelmæssigt inden for rammerne af projekter, der studerer vores galakse usynlige kroppe ved gravitationel mikrolinsing af lys fra stjerner - MACHO [15] , EROS og andre.

Sorte huller

Et sort hul  er et område begrænset af den såkaldte begivenhedshorisont , som hverken stof eller information kan forlade . Det antages, at sådanne områder kan dannes, især som et resultat af sammenbrud af massive stjerner . Da stof kan komme ind i et sort hul (for eksempel fra det interstellare medium ), men ikke kan forlade det, kan massen af ​​et sort hul kun stige med tiden.

Stephen Hawking viste dog, at sorte huller kan miste masse [16] på grund af stråling, kaldet Hawking-stråling . Hawking-stråling er en kvanteeffekt, der ikke krænker den klassiske generelle relativitetsteori.

Mange kandidater til sorte huller er kendt, især et supermassivt objekt forbundet med Sagittarius A* -radiokilden i midten af ​​vores galakse [17] . De fleste videnskabsmænd er overbevist om, at de observerede astronomiske fænomener forbundet med dette og andre lignende objekter pålideligt bekræfter eksistensen af ​​sorte huller, men der er andre forklaringer: for eksempel foreslås bosoniske stjerner og andre eksotiske objekter i stedet for sorte huller [18] .

Orbitale effekter

Generel relativitet korrigerer forudsigelserne fra den Newtonske teori om himmelmekanik vedrørende dynamikken i gravitationsbundne systemer: solsystemet , binære stjerner osv.

Den første effekt af generel relativitetsteori var, at perihelionerne af alle planetariske baner ville præcessere , da Newtons gravitationspotentiale ville have en lille tilføjelse, hvilket førte til dannelsen af ​​åbne baner . Denne forudsigelse var den første bekræftelse af den generelle relativitetsteori, siden størrelsen af ​​præcessionen, udledt af Einstein i 1916 , faldt fuldstændig sammen med den unormale præcession af Merkurs perihelium [19] . Således var det velkendte problem med himmelmekanik [20] løst på det tidspunkt .

Senere blev relativistisk perihelionpræcession også observeret ved Venus, Jorden og som en stærkere effekt i det binære pulsarsystem . [21] For opdagelsen af ​​den første dobbeltpulsar PSR B1913+16 i 1974 og studiet af udviklingen af ​​dens orbitale bevægelse, hvor relativistiske effekter manifesteres, modtog R. Hulse og D. Taylor Nobelprisen i fysik i 1993 [22] .

En anden effekt er en ændring i kredsløbet forbundet med gravitationsstrålingen fra et binært (og mere multiple) system af kroppe. Denne effekt observeres i systemer med tætsiddende stjerner og består i et fald [23] i omløbsperioden. Det spiller en vigtig rolle i udviklingen af ​​nærliggende binære og multiple stjerner [24] . Effekten blev observeret for første gang i det førnævnte PSR B1913+16 -system og faldt sammen med GR-forudsigelser med en nøjagtighed på 0,2 %.

En anden effekt er geodætisk præcession . Det repræsenterer præcessionen af ​​polerne af et roterende objekt på grund af parallelle translationseffekter i krumlinjet rumtid. Denne effekt er fraværende i den newtonske teori om tyngdekraften. Forudsigelsen af ​​geodætisk præcession blev testet i et eksperiment med NASA 's Gravity Probe B - sonde . Francis Everitt, leder af forskning i data opnået af sonden, på et plenarmøde i American Physical Society den 14. april 2007, udtalte, at analysen af ​​gyroskopdata gjorde det muligt at bekræfte den geodætiske præcession forudsagt af Einstein med en nøjagtighed bedre end 1 % [25] . I maj 2011 blev de endelige resultater af behandlingen af ​​disse data offentliggjort [26] : den geodætiske præcession var -6601,8 ± 18,3 millisekunder bue (mas) pr. år, hvilket inden for den eksperimentelle fejl falder sammen med værdien forudsagt af GR −6606,1 mas/år . Denne effekt blev også tidligere verificeret ved observationer af skift i kredsløbene for LAGEOS og LAGEOS-2 geodætiske satellitter og rotationen af ​​rotationsaksen for pulsaren PSR B1913+16 ; afvigelser fra de teoretiske forudsigelser om generel relativitet blev ikke afsløret inden for fejlgrænserne.

Fascination med inerti referencerammer

Tiltrækningen af ​​inertiale referencerammer af et roterende legeme ligger i det faktum, at et roterende massivt objekt "trækker" rumtiden i sin rotationsretning: en fjernobservatør i hvile i forhold til et roterende legemes massecenter vil finde at det hurtigste ur, dvs. hvilende i forhold til en lokalt inerti referenceramme , i en fast afstand fra objektet er ure, der har en komponent af bevægelse omkring et roterende objekt i rotationsretningen, og ikke dem, der er i hvile i forhold til observatøren, som det sker for et ikke-roterende massivt objekt. På samme måde vil en fjern observatør opdage, at lys bevæger sig hurtigere i retning af et objekts rotation end mod dets rotation. Inddragningen af ​​inertiereferencerammer vil også forårsage en ændring i gyroskopets orientering i tid. For et rumfartøj i polar kredsløb er retningen af ​​denne effekt vinkelret på den ovenfor nævnte geodætiske præcession .

Da trækeffekten af ​​inertielle referencerammer er 170 gange svagere end effekten af ​​geodætisk præcession, har Stanford -forskere udtrukket dets "fingeraftryk" i 5 år fra information opnået på Gravity Probe B -satellitten, specielt opsendt til at måle denne effekt . I maj 2011 blev de endelige resultater af missionen annonceret [26] : den målte modstandsværdi var -37,2 ± 7,2 millisekunder bue (mas) om året, hvilket falder sammen med nøjagtigheden med GR-forudsigelsen: -39,2 mas/år .

Andre forudsigelser

Noter

  1. 1 2 3 Einstein A. Om relativitetsprincippet og dets konsekvenser // Samling af videnskabelige artikler. T. 1. - M. : Nauka, 1965. - S. 65-114.
  2. Hafele J., Keating R. Atomure rundt i verden: forudsagte relativistiske tidsgevinster   // Videnskab . - 14. juli 1972. - Bd. 177 , nr. 4044 . - S. 166-168 . - doi : 10.1126/science.177.4044.166 .
  3. Ashby N. Relativitet i det globale positioneringssystem  //  Living Reviews in Relativity. - 2003. - Bd. 6. Iss. 1 . - doi : 10.12942/lrr-2003-1 .
  4. Pound RV, Rebka Jr. GA Gravitationsrøde skift i kerneresonans  // Physical Review Letters  . - 1959. - Bd. 3 , nr. 9 . - S. 439-441 .
  5. Pound RV, Rebka Jr. GA Tilsyneladende vægt af fotoner  (engelsk)  // Physical Review Letters . - 1960. - Bd. 4 , nr. 7 . - s. 337-341 .
  6. Pound RV, Snider JL Effekt af tyngdekraft på kerneresonans  // Physical Review Letters  . - 1964. - Bd. 13 , nr. 18 . - S. 539-540 .
  7. Shapiro II Fjerde test af generel relativitetsteori  // Physical Review Letters  . - 1964. - Bd. 13 , nr. 26 . - s. 789-791 .
  8. Shapiro II et al. Fjerde test af generel relativitetsteori: foreløbige resultater  // Physical Review Letters  . - 1968. - Bd. 20 , nej. 22 . - S. 1265-1269 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.20.1265 .
  9. Albert Einstein. Grundlaget for den generelle relativitetsteori  // Annalen der Physik. - 1916. Arkiveret 6. februar 2012. (Russisk oversættelse i samlingen: Albert Einstein og tyngdekraftsteorien: Artikelsamling / Redigeret af E. Kuransky. - M . : Mir, 1979. - S. 146-196. - 592 s. ).
  10. Einstein A. Grundlæggende om den generelle relativitetsteori // Samling af videnskabelige artikler i 4 bind. Bind 1. - M .: Nauka, 1965. - S. 503.
  11. Hans C. Ohanian, Remo Ruffini. 4.3 // Gravitation og rumtid. — 2. udg. - W. W. Norton & Company, 1994. - S. 188-196. - ISBN 0-393-96501-5 .
  12. Froeschlé M., Mignard F., Arenou F. Bestemmelse af PPN Parameter gamma med Hipparcos data , Proceedings of the ESA Symposium "Hipparcos - Venice 97", 13-16 maj, Venedig, Italien, ESA SP-402 (juli 1997), s. 49-52.
  13. Schneider P., Ehlers J., Falco EE Gravitational Lenses. — New York: Springer-Verlag, 1992.
  14. Surdin V. G. Gravitationslinse . Astronet . Dato for adgang: 18. december 2013. Arkiveret fra originalen 17. december 2013.
  15. Alcock C. et al. (MAHO-samarbejdet). MACHO-projektet: Mikrolinseresultater fra 5,7 års store magellanske skyobservationer   // Astrophys . J. . - 2000. - Vol. 542 . - S. 281-307 . - doi : 10.1086/309512 . - arXiv : astro-ph/0001272 .
  16. Stephen Hawking . Partikelskabelse ved sorte huller  //  Communications in Mathematical Physics. - 1975. - Bd. 43 , nr. 3 . - S. 199-220 .
  17. Information om stjerner nær galaksens centrum Arkiveret 25. september 2004 på Wayback Machine på webstedet for Max Planck Institute
  18. Se: Physics Beyond the Event Horizon Arkived December 8, 2008 at the Wayback Machine , og også den seneste anmeldelse af bosoniske stjerner:
    Schunck FE, Mielke EW Generelle relativistiske bosonstjerner  //  Classical and Quantum Gravity. - 2003. - Bd. 20 , nej. 20 . - P.R301-R356 .
  19. Rosever N. T. Mercury's Perihelion fra Le Verrier til Einstein . — M .: Mir, 1985. — 244 s.
  20. Bogorodsky A.F. Kapitel II // Universal gravitation. - Kiev: Naukova Dumka, 1971. - 352 s.
  21. Will CM Chapter 2 // General Relativity, an Einstein Century Survey  (Eng.) / Hawking SW og Israel W., eds. — Cambridge: Cambridge University Press, 1979.
  22. 1993 Nobelprismodtagere i fysik . Hentet 1. januar 2009. Arkiveret fra originalen 14. oktober 2013.
  23. Kapitel 2, afsnit 7 // Om nogle af de vigtigste begreber inden for makrofysik og kosmos fysik Arkiveret 25. august 2014 på Wayback Machine
  24. Masevich A. G. , Tutukov A. V. Stjerners udvikling: teori og observationer. - M. : Nauka, 1988. - 280 s. — ISBN 5-02-013861-4 .
  25. Se pressemeddelelse Arkiveret 16. maj 2020 på Wayback Machine 
  26. 1 2 Physical Review Letters - Gravity Probe B: Endelige resultater af et rumeksperiment for at teste generel relativitetsteori  (1. maj 2011). Arkiveret fra originalen den 20. maj 2012. Hentet 6. maj 2011.
  27. Sexl RU Monopol gravitationsstråling // Physics Lett.. - 1966. - V. 20 , nr. 376 . - doi : 10.1016/0031-9163(66)90748-7 .
  28. Vil K. Teori og eksperiment i gravitationsfysik / Pr. fra engelsk. - M . : Energoatomizdat, 1985. - S. 200. - 296 s.

Litteratur