Перше підтвердження теорії відносності. Як це було:
У 1919 році, як раз в період затемнення, військові дії на всіх фронтах світової війни були припинені, але вона ще не скінчилася, і ненависть воюючих сторін одна до одної була ще дуже сильна. Саме в цей час одна експедиція вирушила до бразильського міста Собраль, а друга, очолювана Еддінгтоном, - на острів Прінсіпі поблизу берегів Західної Африки. За кілька хвилин повного сонячного затемнення за допомогою телескопів були зроблені фотографії зірок, що спостерігалися тоді поблизу прикритого місяцем сонячного диска. Еддінгтон з величезним нетерпінням чекав результатів вимірювань зсувів зображень зірок по відношенню до положень їх зображень на фотографіях того ж ділянки зоряного неба, коли там не було Сонця. Наявність таких зсувів вказувало б як раз на існування відхилення променів світла, що проходять на своєму шляху від зірки до Землі в безпосередній близькості від Сонця. Неважко уявити його радість, коли з'ясувалося, що результати попередніх вимірювань говорять на користь теорії Ейнштейна.
Пізніше, вже в Англії, результати обох експериментів були ретельно вивчені і проаналізовані. Наступну висновок був знову сприятливим. У зв'язку з цим Лондонське королівське товариство, де за два століття до цього головував Ньютон, запросило на загальні збори всіх членів Королівського астрономічного товариства. На цих зборах, влаштованому за всіма правилами англійської церемоніалу, було зроблено офіційне повідомлення про сприятливі результати експедицій, а Ейнштейн був названий генієм, теорія якого успішно конкурує з творіннями великого Ісаака Ньютона. Газети були сповнені повідомлень про цю історичну подію, і Ейнштейн відразу ж здобув світову популярність.
Коли результати спостережень затемнення 1919 року підтвердили передбачене Ейнштейном відхилення променів світла гравітаційним полем, він був по-справжньому зрадів. Цікаво, що в воювала Німеччини досягнення теорії Ейнштейна стали надбанням обивателя задовго до того, як з'явилися повідомлення про результати експедицій, які спостерігали за сонячним затемненням. У 1916 році Ейнштейн написав на замовлення німецького видавця популярну книгу, в якій виклав основні положення спеціальної та загальної теорії відносності. У той час ще не отримали експериментального підтвердження ні гравітаційне червоне зміщення, ні відхилення променів світла. Однак Ейнштейн у своїй книзі після розповіді про успішне розрахунку руху перигелію Меркурія написав, маючи на увазі червоне зміщення і відхилення світла: «Я не сумніваюся, що ці передбачення теорії будуть теж підтверджені».
Одним з найвидатніших відкриттів у фізиці, поза всяким сумнівом, є загальна теорія відносності А. Ейнштейна. Десять років, з 1905 по 1915 рік знадобилося Ейнштейну, щоб пройти шлях від спеціальної теорії відносності до такого геніального творіння, як загальна теорія відносності. У 1912 році, коли робота над загальною теорією була в самому розпалі, він писав своєму другові: "Ще ніколи в житті на мою долю не випадав такий каторжну працю. У порівнянні з цим завданням первісна теорія відносності - це просто дитяча забава". Основний спонукальною причиною створення загальної теорії відносності була естетична незадоволеність Ейнштейна склалася на той час фізичної картиною світу. Теорія справила воістину революційний науковий переворот. І разом з тим вона викликала і продовжує викликати безліч суперечок. У даній статті ми познайомимося не з самою теорією (знайомству з теорією ми присвятимо окрему роботу), а з її експериментальним підтвердженням, що, як мені здається, не менш цікаво. В. каланамі. Знання-сила.
Навіть після того, як теорія тяжіння Ейнштейна отримала визнання в науковому світі, робилися спроби побудови теорії гравітації, заснованої на інших принципах. Однак кожного разу виявлялося, що саме теорія Ейнштейна підтверджується експериментальними перевірками і астрономічними спостереженнями.
Теорія тестувалася як прямими, так і непрямими методами. До непрямих відносяться досліди, що підтверджують евристичні (від грец. «Евріско» - «знаходжу») принципи, прийняті Ейнштейном за основу теорії. Це, наприклад, уточнення рівності інертної і гравітаційної мас (тобто принципу еквівалентності), виконані угорським фізиком Лоранд фон Етвеша в 1889-1908 рр. і американським дослідником Робертом Дікке в 1964 р До числа непрямих підтверджень теорії Ейнштейна можна зарахувати і відкрите американським астрономом Едвіном Хабблом розширення Всесвіту, і виявлене його співвітчизниками Арно Пензиасом і Робертом Вілсоном реліктове випромінювання, що заповнює Всесвіт. І все ж це лише непрямі аргументи на користь теорії Ейнштейна Так, з принципу еквівалентності не випливають рівняння Ейнштейна, - навпаки, сам принцип є наслідком рівнянь. Прямі спостереження підтвердили ефекти, безпосередньо пов'язані з рівняннями поля Ейнштейна.
РУХ Перигелій Меркурія.
Як тільки Ейнштейн побудував тензорні рівняння гравітаційного поля, причому не остаточний, а якийсь проміжний варіант, який опинився цілком придатним для вирішення ряду приватних завдань, він тут же вирахував з їх допомогою кривизну простору-часу, створювану Сонцем. Потім за допомогою рівнянь так званої геодезичної показав, що, в той час як більшість планет повинно рухатися практично в повній відповідності з передбаченнями теорії Ньютона, в разі Меркурія має бути цілком піддається спостереженню відхилення від цих прогнозів.
Вченим давно було відомо, що через вплив полів тяжіння інших планет і по ряду інших причин Меркурій рухається не просто по еліпсу, а по еліпсу, який сам повільно повертається. Це явище називається прецесією перигелію Меркурія. Однак облік всіляких поправок до ньютонову закону всесвітнього тяжіння не дозволив пояснити весь ефект повністю. Виявилося, що еліпс повертається приблизно на 43 кутові секунди в сторіччя швидше, ніж йому слід було б виходячи з прогнозів відкоригованої ньютоновой теорії. Так ось, Ейнштейн показав, що з його рівнянь слід саме така відмінність від передбачень теорії Ньютона.
Обчислення, виконані на основі закону тяжіння Ньютона, показують, що сумарний вплив всіх відомих планет повинно приводити до повороту перигелію орбіти Меркурія за століття на 532 "(кутових секунди). Але ще в 1859 р французький астроном Урбен Жан Жозеф Левер'є (1811 -1877 ), спостерігаючи за рухом Меркурія, виявив, що фактично цей поворот становить 575 ", т. е. перигелій орбіти Меркурія зміщується не так, як передбачала теорія Ньютона.
Хоча розбіжність в 43 "і дуже маленька величина, але тим не менше вона значно перевершує можливі похибки спостережень. Спочатку астрономи, в тому числі і Левер'є, намагалися пояснити це тими ж причинами, що і відхилення руху планети Уран від розрахункової орбіти.
Леверье припустив, що між Сонцем і Меркурієм теж існує невідома планета. Саме вона своїм тяжінням викликає аномалію в поведінці орбіти Меркурія. Планеті дали назву Вулкан (у римській міфології бог полум'я). Дійсність виявилася зовсім не такою, як думав Леверье. Ніякої планети Вулкан ніхто так і не виявив, тому що насправді її просто не існує. Чи не врятували становища і спроби математичного уточнення закону тяжіння Ньютона. Наприклад, П. Лаплас висунув гіпотезу про поглинання тяжіння в міжпланетному середовищі, ввівши поправочний коефіцієнт до закону всесвітнього тяжіння, але відразу ж виникали труднощі з поясненням руху інших планет.
Перигелій орбіти Меркурія зміщується не під впливом невидимого Вулкана - рух найближчої до Сонця планети підпорядковується більш точному закону тяжіння: чи не ньютонову, а ейнштейнівському.
У Ейнштейна вийшло обчислити не тільки правильне значення прецесії перигелію Меркурія, але й відповідне спостереженнями напрямок прецесії. До того ж цей ефект в загальній теорії відносності виникає цілком природно, без будь-яких хитрощів і підгонки числових даних для приведення теоретичних результатів у відповідність з результатами спостережень.
Згідно Ейнштейну, наявність великих мас матерії призводить до зміни властивостей простору. Опис явища тяжіння принципово змінюється. За Ньютону, це рух під дією сили тяжіння, за Ейнштейном, це вільний рух тіл в викривленому просторі-часі. Загадка руху Меркурія знаходить при цьому природне пояснення - адже Меркурій, перебуваючи ближче до Сонця, ніж інші планети, рухається в набагато більш сильному гравітаційному полі.
Але Ейнштейн на цьому не зупинився. Він вирахував ще й величину гравітаційного червоного зсуву, яке відчуває світлом на шляху від Сонця до Землі, а також величину відхилення променів світла, що проходять поблизу поверхні Сонця, викликаного його гравітаційним полем.
ВИКРИВЛЕННЯ СВІТОВОГО ПРОМЕНЯ ПОБЛИЗУ ВЕЛИКИХ МАС.
Якщо дивитися на зірку за допомогою дзеркала, як показано на малюнку (А). то зображення зірки буде зміщено в напрямі, вказаному пунктирною лінією. Щось схоже має місце і на малюнку (Б). через відхилення Сонцем променя світла, що йде від зірки, вона здається зміщеною в напрямі, вказаному пунктирною лінією. Спостерігач в точці Р знаходиться в відкидаємо Місяцем тіні. Для нього Сонце повністю закрите Місяцем, тобто він спостерігає повне сонячне затемнення (В). Оскільки прямі сонячні промені не потрапляють в Р. то небо стає темнішим і спостерігач здатний побачити зірки, включаючи і ті, що знаходяться поблизу затіненій Місяцем області небосхилу і які він в іншому випадку не побачив би. Ось чому для виявлення відхилення променя світла знадобилося повне сонячне затемнення. В наші дні завдяки квазарам обходяться без затемнень.
Ще Ньютон допускав, що світло схильний до впливу тяжіння. Зараз достовірно відомо: світло, що падає на предмет, чинить на нього тиск, т. Е. Несе енергію. Це рівносильно твердженням, що світло має масу (підраховано, що на Землю за добу падає близько 160 т сонячного світла в перерахунку на масу). Але тоді промінь від далекої зірки, проходячи поблизу Сонця, подібно до планет або комет, повинен рухатися по криволінійній траєкторії. А видиме положення самої зірки на небі буде зміщено.
Видиме зміщення зірки можна обчислити, однак теорії Ейнштейна і Ньютона приводять до різних відповідей. У першому випадку це приблизно 1,75 ", у другому - в два рази менше. Теорія Ейнштейна вносить релятивістську поправку, обумовлену викривленням простору поблизу Сонця. Встановити істину допомогли прямі астрономічні спостереження.
А вже через 50 років з 1969 р з'явилася технічна можливість визначати зміщення зірок незалежно від затемнень - вимірюючи відхилення радіохвиль, що йдуть від квазарів. Завдяки прямим астрономічними спостереженнями були отримані значення, близькі до передбачення Альберта Ейнштейна, - їхня помилка не перевищувала 10%.
>>> Читайте далі: Експериментальні підтвердження ОТО Ейнштейна (ч 2).