Одним из косвенных экспериментальных подтверждений ОТО является отклонение луча света в поле Солнца. Известно из эксперимента, что электромагнитное поле взаимодействует с гравитационным полем. Схема эксперимента приведена на рис. 1. Мы точно знаем, когда звезда должна скрываться за Солнцем. Мы засекаем время, когда мы перестаем видеть эту звезду (эти эксперименты проводятся во время полных солнечных затмений). Из этих данных извлекается угол отклонения. Из теории угол отклонения для Солнца равен:
где — гравитационный радиус Солнца (см. 3), — прицельный параметр (в данной постановке эксперимента он примерно равен радиусу Солнца).
Из эксперимента с точность около 0,3% (данные 1984 г.), что полностью соответствует теории.
В принципе, отклонение луча в поле Солнца вытекает также и из ньютоновской корпускулярной теории света (расчет для этой теории был проведен Зольдерном еще в 1804 году), но угол отклонения предсказывается ровно в два раза меньше чем дает эксперимент.
Космический телескоп Хабл сфотографировал объект, который представлял собой диск звезды (не Солнца), на краю которого была выемка. Была высказана гипотеза, что эта выемка появилась из-за того, что вокруг той звезды вращается планета (массой от 0.1 до 10 масс Юпитера) и именно эта планета изменила траекторию лучей так, что в диске появилась выемка. Это не подтверждение ОТО, но показатель того, что взаимодействие луча света с гравитационным полем можно использовать как инструмент для исследований объектов, которых иным способом разглядеть невозможно.
Источник
Отклонение света гравитационным полем солнца
Общая теория относительности является довольно молодой теорией. Так как она работает с самым слабым по силе взаимодействием (гравитационным), то эксперименты для ее подтверждения при существующем уровне экспериментальной техники в лабораторных условиях практически невозможны. Практически все имеющиеся на данный момент косвенные экспериментальные подтверждения теории пришли из астрофизики.
Рисунок 1.: Схема эксперимента по отклонению луча в поле Солнца
Одним из косвенных экспериментальных подтверждений ОТО является отклонение луча света в поле Солнца. Из эксперимента было получено, что электромагнитное поле взаимодействует с гравитационным полем. Схема эксперимента приведена на рис. 1. Мы точно знаем, когда звезда должна скрываться за Солнцем. Мы измеряем время, когда мы перестаем видеть эту звезду (эти эксперименты проводятся во время полных солнечных затмений), и извлекаем угол отклонения луча света от прямой. Из теории угол отклонения для Солнца равен:
где — гравитационный радиус Солнца (см. (3)), — прицельный параметр (в данной постановке эксперимента он примерно равен радиусу Солнца).
Из эксперимента с точность около 0,3% (данные 1984 г.), что полностью соответствует теории.
В принципе, отклонение луча в поле Солнца вытекает также и из ньютоновской корпускулярной теории света, но угол отклонения предсказывается ровно в два раза меньше, чем дает эксперимент.. Расчет для этой теории был проведен Зольдерном еще в 1804 году. Любопытно, что в своих расчетах Зольдерн сделал ошибку и получил «правильный» ответ с экспериментальной точки зрения (расчет был сделан до проведения эксперимента). Позже эту ошибку обнаружили.
Космический телескоп Хаббл (Hubble) сфотографировал объект, который представлял собой диск звезды (не Солнца), на краю которого была выемка. Была высказана гипотеза, что такое изображение возникло из-за того, что вокруг этой звезды вращается планета (массой от 0.1 до 10 масс Юпитера) и именно эта планета изменила траекторию лучей так, что в диске появилась выемка. Это не подтверждение ОТО, но показатель того, что взаимодействие луча света с гравитационным полем можно использовать как инструмент для исследования объектов, которых иным способом разглядеть невозможно.
Теория предсказывает изменение частоты (красное смещение) при распространении между точками 1 и 2, разность гравитационных потенциалов между которыми равна , где — ускорение свободного падения, — перепад высот между точками 1 и 2. Это верно если мы проводим эксперимент в лабораторных условиях, то есть перепад высот мал по сравнению с радиусом Земли ( )
Эксперименты в лаборатории подтвердили эту формулу с точностью 1% (для регистрации изменения частоты использовался эффект Мессбауэра), а с помощью водородного мазера, установленного на ракете, точность доведена до от предсказываемой величины (1980).
Рисунок 2.: Запаздывание сигнала в поле Солнца
Еще один косвенный эксперимент, подтверждающий ОТО — запаздывание сигнала в поле Солнца. Схема эксперимента показана на рис. 2. Сигнал посылается на Венеру и регистрируется время прихода сигнала обратно. Значение времени прохождения сигнала туда и обратно в поле Солнца (гравитационный объект искажает пространство-время) отличается от значения если бы Солнца не было (свободное пространство — нет искажений). Время задержки сигнала из теории примерно равно
где — гравитационный радиус Солнца (см. 3), — радиус орбиты Земли, — радиус орбиты Венеры, — прицельный параметр, — скорость света.
Из эксперимента с с точностью до 0,1%, что полностью соответствует теории.
Эксперименты проводились с помощью радиолокации планет Меркурий и Венера во время их прохождения за диском Солнца, а также с помощью ретрансляции радиолокационных сигналов космическими кораблями, в том числе кораблями, движущимися вокруг планеты Марс.
где — расстояние между взаимодействующими телами массы и , — гравитационная постоянная.
Существует лишь два типа центральных полей, в которых все траектории финитных (тело не уходит на бесконечность) движений замкнуты. Это поля, в которых потенциальная энергия частицы пропорциональна или (для подробного объяснения смотрите [3], параграф 14, «Движение в центральном поле»).
Есть несколько причин смещения перигелия (точка максимального сближения тел), но их суммарный вклад недает совпадения теории с экспериментом. ОТО дает недостающую поправку.
Из-за того, что Солнце массивный объект, пространство искривлено, а так как планеты двигаются по эллипсам (то приближаются, то удаляются), то зависимость потенциальной энергии от радиуса нарушается (она переходит в зависимость ) и орбита планеты перестает быть замкнутой.
Самый удобный объект для исследований — Меркурий — он ближе всех к Солнцу.
Угол смещения перигелия за один оборот равен:
где — масса Солнца, — гравитационная постоянная, и — большая полуось и эксцентриситет эллипса орбиты, — скорость света.
За 100 лет смещение перигелия Меркурия составило , а по теории это смещение равно — потрясающая точность.
Ниже идут теоретические и экспериментальные значения угла смещения перигелия за 100 лет еще для некоторых небесных тел:
Смещение перигелия за 100 лет
Планета
Эксперимент
Теория
Меркурий
Венера
Икарус
Земля
Рисунок 3.: Гравитационная линза
Так как лучи света искривляются в поле Солнца, то, вероятно, массивные объекты можно использовать как линзы. Схема эксперимента приведена на рис. 3. Наблюдатель находится в точке O , в точке A находится источник света (например, галактика). Если в точке C находится массивный гравитационный объект (туманность, галактика или другое массивное тело), то из-за искривления хода луча, нам будет казаться, что наблюдаемый удаленный объект находится в точке B , то есть мы его как бы увеличиваем. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Он наблюдаем только в том случае, если масса гравитационной линзы порядка масс Солнца и больше.
Конечно, гравитационная линза своим поведением сильно отличается от оптической в силу того, что теория гравитации принципиально нелинейна. Если бы удаленный объект находился на линии наблюдатель — линза, то наблюдатель увидел бы кольцо (на рис. 3 справа выделено пунктиром) — кольцо Эйнштейна. Вероятность подобного совпадения мала (мы не имеем возможностей изменять какую либо из базовых точек), точечный источник будет виден как две дуги (на рис. 3 справа) внутри и снаружи относительно кольца Эйнштейна. Впервые подобный объект был обнаружен в 1979 году. Он выглядел как две туманности с абсолютно одинаковым спектром излучения. Сейчас ведется поиск подобных объектов. Серьезно изучается вопрос о наблюдении структуры галактик с помощью этого эффекта.
С помощью подобного эффекта (гравитационного микролинзрования — масса гравитационной линзы очень мала) были обнаружены коричневые карлики. Коричневые карлики — это невидимые объекты не очень большой (по звездным меркам) массы. Если какой-либо коричневый карлик встанет на линию наблюдатель — яркий объект, то наблюдается изменение яркости объекта. Коричневый карлик играет роль линзы. По изменению яркости и расстоянию до наблюдаемого объекта можно грубо оценить массу гравитационной линзы. Эти оценки показывают, что наблюдаемые таким образом объекты являются коричневыми карликами.
На данный момент не существует других способов зарегистрировать темный объект, кроме как использовать эффект гравитационной линзы.
Известно, что электромагнитное взаимодействие квантуется. Существуют частицы — -кванты, которые переносят это взаимодействие. -кванты — это фотоны из которых состоит луч света. Эйнштейн хотел написать общую теорию взаимодействия, которая объединила бы все известные типы взаимодействия в одно. Логично предположить, что существует некая частица, которая переносит гравитационное взаимодействие (следует отметить, что сам Эйнштейн был противником квантовой механики). Если есть кванты взаимодействия, то есть и гравитационное излучение. Очень заманчиво научиться делать приемники, которые улавливают это излучение, так как в этом случае мы получили бы еще один инструмент изучения Вселенной.
Попытки создать подобный приемник предпринимаются в данное время, но гравитационные волны на существующих установках (MAUTIGUS, AURIGA, EXPLORER — название работающих установок) не обнаружены, что не удивительно, слишком уж гравитационное взаимодействие слабое.
Существуют другой, косвенный метод проверки гипотезы о существовании гравитационного излучения. В великолепном учебнике [4], написанном Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицом, в параграфе 110 «Излучение гравитационных волн» была предложена и разобрана задача:
Задача: Два тела, притягивающиеся по закону Ньютона, движутся по круговым орбитам (вокруг их общего центра инерции). Определить среднюю (по периоду обращения) интенсивность излучения гравитационных волн.
Если предположить, что такой объект существует, то из-за потери энергии на гравитационное излучение происходит постепенное (как говорят вековое) сближение тел, а следовательно и увеличение частоты вращения. Скорость изменения частоты вращения двойной звезды со временем равна:
где — угловая частота вращения двойной системы вокруг общего центра масс, — гравитационная постоянная, и — массы вращающихся тел, — расстояние между телами.
Коэффициент перед весьма нетривиален. Если она верна, то это сильный довод в пользу существования гравитационных волн.
Несколько лет назад были опубликованы результаты (Тэйлор и Кол — они получили за это Нобелевскую премию) наблюдения одного астрофизического объекта (изучение движения пульсара PSR 1913+16 в двойной системе). Объект представлял из себя систему двойной звезды. Партнеры в этой системы очень сильно отличались друг от друга (в паре есть пульсар). За этим объектом велись наблюдения в течении 14 лет (1975-89) — он был очень хорошо изучен. Было обнаружено, что со временем период вращения уменьшается. Результаты были обработаны и полностью (с точностью до 1%) совпали с теорией (скорость изменения угловой частоты вращения полностью совпала с результатом формулы (10)). При опубликовании результатов авторы ссылались на задачу в учебнике Ландау — Лифшица. Вся теория была взята именно оттуда. На данный момент ведется очень активный поиск подобных объектов (по крайней мере, найдено еще два таких объекта).
Источник
6.2. Отклонение луча света в поле тяготения Солнца
6.2. Отклонение луча света в поле тяготения Солнца
«Первая проверка эйнштейновских предсказаний была осуществлена главным образом благодаря инициативе английского астронома Эддингтона 29 мая 1919 г. Две английские экспедиции были направлены для наблюдения полного солнечного затмения — одна на западное побережье Африки, другая — в северную часть Бразилии. Обе вернулись с рядом фотографий звезд, окружавших Солнце (рис. 18). Результаты изучения полученных фотографий были объявлены 6 ноября 1919 г. Они провозгласили триумф теории Эйнштейна. Предсказанное Эйнштейном смещение, составляющее величину 1,75 дуговых секунд, было полностью подтверждено» [15, с. 249]. Заметим, что проведение подобных экспериментов представляет большую техническую проблему, поэтому достоверность результатов экспедиций Эддингтона сомнительна [16, с. 131].
Рис. 18
Оставим вопрос об искривлении пространства согласно теории относительности, или о величине массы фотона по иной теории, — это пока не решенная задача и она не входит в круг данного изложения, рассмотрим неоднозначность наблюдений указанных экспедиций. Измерение величины отклонения луча в поле тяготения Солнца возможно при наличии вакуума вблизи него. Но известно, что Солнце окружено горячей атмосферой — короной, искажающей траекторию луча. Наблюдаемое отклонение луча света в окрестностях Солнца обусловлено оптической плотностью короны, которая неизвестна. Величина отклонение луча должна служить в первую очередь показателем плотности короны на соответствующей высоте над поверхностью Солнца. Такие измерения в современных условиях при наличии на орбите Земли телескопов были бы интересны.
Рис. 19
На рис. 19 показана фотография солнечного затмения 31 июля 1981 г., Новосибирская область. На снимке хорошо наблюдается окружающая Солнце корона.
Читайте также
Представление о поле
Представление о поле Во второй половине XIX столетия в физику были введены новые и революционные идеи; они открыли путь к новому философскому взгляду, отличающемуся от механистического. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца привели к развитию современной физики, к
Поле и эфир
Поле и эфир Электромагнитная волна поперечна и распространяется со скоростью света в пустом пространстве. Тот факт, что эти скорости равны, внушает мысль о тесной связи оптических и электромагнитных явлений.Когда мы должны были выбирать между корпускулярной и волновой
Поле и вещество
Поле и вещество Мы видели, как и почему механистическая точка зрения потерпела крах. Невозможно было объяснить все явления, предполагая, что между неизменными частицами действуют простые силы. Первые попытки отойти от механистического взгляда и ввести понятия поля
ЗАКАТ СОЛНЦА
ЗАКАТ СОЛНЦА Вы заметили, конечно, что когда солнце садится или восходит, оно кажется гораздо больших размеров, чем когда оно стоит высоко в небе. То же происходит и с луной. Это — обман зрения. Испытайте, сохраняется ли он, когда вы смотрите на заходящее солнце через
Энергия Солнца
Энергия Солнца Момент количества движения приводит в затруднение, когда мы пытаемся объяснить далекое прошлое Солнечной системы, но в настоящее время нет никаких доказательств, что момент количества движения Солнечной системы не сохраняется. Однако, когда открыли
Модуляция света. Преобразование света
Модуляция света. Преобразование света Об активном отношении человека к природе Могущество разума человека состоит в его активном отношении к природе. Человек не только созерцает, но и преобразует природу. Если бы он только пассивно созерцал свет, как нечто найденное в
37. Магнитное поле
37. Магнитное поле Магнитным полем называют всю материю, посредством которой осуществляется силовое воздействия на движущиеся электрические заряды, помещенные в поле, и другие тела, обладающие магнитным моментом. Для магнитного поля, как и для электростатического,
4.7. Измерение скорости света Солнца
4.7. Измерение скорости света Солнца В конце 40-х гг. ХХ века, во время подготовки в СССР дискуссии о сущности теории относительности, С. И. Вавиловым, президентом АН СССР, было решено поставить лабораторный опыт по проверке достоверности постулата с = const. В качестве
Хиггсовское поле
Хиггсовское поле «Еще один источник массы: Всю Вселенную заполняет невидимое хиггсовское поле. Частицы «цепляются» за него и становятся массивными. На коллайдере LHC изучат, как именно возникает это поле». Тот источник массы, про который я говорил, — масса протона — на
37. Что там, внутри Солнца?
37. Что там, внутри Солнца? Солнце — огромный шар из газа, имеющий 1,4 млн км в поперечнике. В основном оно состоит из водорода (75 %) и гелия (24 %).К центру плотность и температура значительно увеличиваются.Солнце не имеет нейтральных атомов. Атомные ядра (положительный заряд)
42. Зависит ли климат Земли от Солнца?
42. Зависит ли климат Земли от Солнца? Климат Земли управляется Солнечной энергией. Крошечные изменения в излучении солнечной энергии оказали бы драматическое влияние на погоду и климат.В течение своей жизни Солнце, как и все звезды, стало ярче и жарче. В далеком будущем
От Земли до Солнца
От Земли до Солнца Что может быть нежнее и тоньше паутинной нити? Тонкость ее вошла в поговорку, и недаром: нить паутины в десять раз тоньше волоса; поперечник ее равен только 0,005 мм. Этой необычайной тонкостью объясняется легкость паутины, потому что сам по себе материал
