Як перевірити загальну теорію відносності?
Загальна теорія відносності, запропонована Ейнштейном на початку 20-го століття, справила справжню революцію в нашому розумінні простору та часу і стала новою теорією гравітації, яка широко застосовується в наші дні й не має повноцінних альтернатив.
Як і нові ідеї в науці, теорію Ейнштейна довелося перевіряти, порівнюючи її прогнози з експериментальними даними, щоб перевірити її правильність. У статті ми розглянемо ефекти, які доводять істинність загальної теорії відносності.
Коротко про ЗТВ
Загальна теорія відносності пояснює силу тяжіння з урахуванням того, як простір-час “викривляється”, чи, точніше, теорія пов’язує силу тяжіння зі зміною геометрії простору-часу.
Тобто ЗТВ передбачає існування іншого виміру, яке ми не можемо безпосередньо бачити, і будь-який об’єкт, що володіє масою, наприклад, планета, спотворюватиме простір-час під собою в тому, невидимому для нас, вимірі.
Викривлення простір-часу Землею. Джерело: http://light-science.ru
Відповідно до цієї теорії, всі планети рухаються по круговим орбітам під дією сили тяжіння. Насправді нам здається, що вони рухаються по викривлених орбітах, насправді теоретично відносності, їх орбіти є прямими, але лише в 4-х мірному просторі-часі. Фактично орбіти планет в ЗТВ є геодезичними — найкоротшим шляхом між двома точками простору-часу.
Що не так з орбітою Меркурія?
Меркурій є найближчою до Сонця планетою, тому краще відчуває викривлення простору-часу, викликане великою масою Сонця, і різні ефекти ЗТВ для нього є найістотнішими серед усіх планет. Ще Ейнштейн замислювався про те, чи може викривлення простору-часу призвести до помітних особливостей руху Меркурія, які не передбачені законом Ньютона. Виявилось, що може.
Підсилення перигелія Меркурія. Джерело: https://nuancesprog.ru
Орбіта Меркурія має великий ексцентриситет. Його перигелій на третину менше афелію, і що цікаво, становище перигелія завжди змінюється. Підсилення перигелія Меркурія становить близько 43 кутових секунд за 100 років. Вчені довгий час не могли пояснити причини цього ефекту в рамках гравітації Ньютона, тому висували гіпотези про гравітаційний вплив інших поки невідомих планет поблизу Меркурія.
І тут з’явилася ЗТВ, згідно з якою, в 1915 Ейнштейн розрахував цей зсув і отримав практично точне збіг з 43 кутовими секундами, що спостерігаються, на століття. Результат виявився надзвичайно близьким до спостережуваного, і це дало Ейнштейну ще більшу впевненість у правильності його теорії. Пізніше релятивістське зміщення перигелію також спостерігалося для орбіт кількох астероїдів, що наближаються до Сонця та інших планет, щоправда, для планет цей ефект був ледь вловимий через їхню віддаленість від Сонця.
Викривлення світла
Теорія гравітації Ньютона припускає, що на світлові промені гравітація ніяк не впливає, але згідно з прогнозом ЗТВ світло також рухатиметься по геодезичній в просторі-часі і біля масивних об’єктів траєкторія фотонів також буде кривою. І за результатами численних експериментів світло дійсно рухається вигнутою траєкторією поблизу Сонця, ми бачимо це як зміщення положення зірки, коли вона знаходиться поруч із диском Сонця на небесній сфері. І це зміщення ідеально збігається з прогнозами ЗТВ.
Гравітаційне лінзування. Джерело: https://www.eso.org
Так само світло від далеких зірок або галактик може бути спотворене при проходженні біля масивного тіла. Наприклад, галактика діятиме як гравітаційна лінза, викривляючи світло і створюючи кілька зображень об’єктів, що знаходяться позаду неї.
Таким чином, математичні рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна перевірені багато разів. І на сьогодні використання цієї теорії є найточнішим способом прогнозування гравітаційної взаємодії.
