Новые исследования международной команды астрономов Supernova Legacy Survey
(SNLS)
Космологической константой (космологической постоянной) Эйнштейна называют "энергию пустого пространства". Эйнштейн ввёл это понятие в свою общую Теорию относительности, поскольку предполагал, что Вселенная является устойчивой и равновесной, а его собственные уравнения в рамках общей теории относительности демонстрировали обратное: если Вселенная изначально пребывала в динамическом равновесии, гравитация должна была бы заставить её начать сжиматься. Соответственно, космологическая константа, противодействующая гравитации, как предполагал Эйнштейн, должна была восстановить баланс сил.
Однако примерно в то же время наблюдения астронома Эдвина Хаббла показали, что Вселенная не пребывает в состоянии равновесия, но расширяется. Более того, введение самой космологической константы в формулы Общей теории относительности не позволяет говорить о постоянном равновесии Вселенной; незначительное расширение или сжатие спровоцирует ещё большее расширение или сжатие в силу высвобождения вакуумной энергии; а колебания подобного рода неизбежны в силу неравномерного распределения вещества во Вселенной.
После этого Эйнштейн отказался от космологической константы, назвав её самой крупной ошибкой в своей жизни.
С чем, впрочем, далеко не все до сих пор согласны. Особый интерес "ошибка" Эйнштейна стала вызывать в 1990-ые годы, когда обнаружилось, что Вселенная расширяется с ускорением.
Как заявил один из участников SNLS, профессор Рэй Карлберг, результаты их работы расходятся с многочисленными теориями о природе "тёмной энергии", предполагающими, что она со временем должна изменяться. "Из всего, что нам удалось выяснить, получается, что характеристики тёмной энергии остаются неизменными", - заявил Карлберг.
Основным инструментом исследователей оказалась 340-мегапиксельная камера
MegaCam, построенная при участии французского министерства атомной энергии и
специалистов международной астрономической корпорации
Изотропия пространства, то есть предположение о
том, все направления в пространстве равноправны, — один из основных
постулатов, на которые опираются современные физические теории.
Разумеется, столь важные предположения должны тщательно проверяться,
как с помощью астрономических наблюдений (о которых мы писали в
заметке Астрофизики в недоумении: у Вселенной, похоже, есть
выделенная ось), так и в лаборатории. Исследование свойств самого по
себе пространства — задача непростая, однако в рамках теории
относительности изотропия пространства приводит и к изотропии
скорости распространения света, а это уже можно проверить в
эксперименте.
О результатах одного такого эксперимента
докладывается в недавней статье немецких физиков
Для устранения всех возможных внешних источников
погрешностей авторы работы погрузили всю установку в термостат,
обеспечив постоянство температуры, а также контролировали ось
вращения цилиндра с поразительной точностью в десятые доли угловой
секунды! Более того, в эксперименте учитывалось и компенсировалось
даже медленное «шатание» самого здания лаборатории, поскольку
типичная скорость этого «шатания» составляла несколько угловых
секунд в сутки.
Все эти усовершенствования позволили немецким
физикам на порядок улучшить чувствительность опыта по сравнению со
старыми экспериментами и достичь относительной точности измерений
10–16. Авторы работы заявляют, что даже при такой чувствительности
никаких отклонений от изотропии не обнаружено. Этот результат
приводит к более строгим ограничениям на многие теории с нарушением
локальной лоренц-инвариантности, разрабатываемые сейчас
теоретиками.
В планы авторов входит дальнейшее повышение
чувствительности эксперимента в ближайшем будущем, в частности за
счет улучшения свойств резонаторов. Справедливости ради, авторы
упоминают и похожие эксперименты (давшие аналогичные по точности
результаты) других исследовательских групп, опубликованные в этом
году:
В XIX веке было обещано вознаграждение тому, кто первым сможет ответить, стабильна ли Солнечная система. Вопрос о стабильности можно переформулировать так: если бы вы могли оказаться в далеком будущем, увидели ли бы вы все планеты точно там, где они находятся сегодня, так же расположенными друг относительно друга и движущимися с той же скоростью? Это — чрезвычайно трудный вопрос. На него нельзя ответить однозначно, поскольку в Солнечной системе девять планет, не считая их спутников, астероидов и комет, у которых есть свои собственные маленькие спутники с неизвестными нам орбитами. Хотя Солнечная система и приводится как показательный пример часового механизма Вселенной и принципа детерминизма, но ее будущее не всегда можно точно предсказать.
Это наличие большого количества разнообразных факторов, влияющих
на движение планет, в первой половине XX века сыграло важную
роль в экспериментальном подтверждении общей
До того, как Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности, феномен с перигелием Меркурия был всего-навсего очередной необъяснимой загадкой Вселенной — никто не знал, чем вызвано это смещение, хотя, честно говоря, немногие астрономы вообще обращали на это внимание. Но когда орбиту Меркурия рассчитали исходя из уравнений общей теории относительности, к ньютоновскому закону всемирному тяготению применили маленькую поправку, которой оказалось достаточно для объяснения этого смещения перигелия планеты. Орбиты всех планет, включая Землю, тоже испытывают смещение перигелия, как и Меркурий, просто у Меркурия оно наиболее выражено и его проще измерить, поскольку Меркурий расположен ближе всех к Солнцу и поэтому имеет самую высокую орбитальную скорость (в соответствии с законами Кеплера). В настоящее время измерены смещения перигелиев всех внутренних планет с использованием современных радиолокационных методов определения дальности, и они подтвердили предсказания общей теории относительности.
В наиболее точном эксперименте астрофизики, когда-либо сделанном, астрономы Австралии и США использовали радиотелескоп CSIRO, чтобы оценить искривление пространства-времени около звезды, находящейся в 450 световых годах от Земли. Их результаты, подтверждающие общую теорию относительности Эйнштейна, изданы 12 июля в выпуске журнала "Природа".
Исследование опирается на свойства одного из наиболее причудливых космических объектов - пульсара по имени J0437-4715. Это звезда, состоящая из сильно сжатого вещества. Она вращается, и при вращении выделяет поток радиоимпульсов. J0437-4715 - один из самых ярких и самых близких пульсаров своего вида и производит больше чем 170 импульсов в секунду. Эти импульсные "вальсы" идут по направлению к Земле через другую звезду - белый карлик.
Астрономы были способны точно оценить, когда пульс J0437-4715's достигают Земли в пределах десятой части миллионных долей секунды [100 наносекунд], благодаря сложным приборам "Caltech", которые проводят вычисления в Swinburne University и районе сбора данных с больших телескопов CSIRO'S.
Эта точная синхронизация, и сильная импульсная активность пульсара, позволили астрономам определить очень точно первоначальное исходное положение пульсара, которое приняли за точку отсчета.
Наш правый и левый глаз видят слегка различные картины окружающего мира, поскольку они отделены друг от друга несколькими сантиметрами. Таким же образом, два изображения системы пульсара выглядят различно в разные времена года, когда Земля находится то с одной стороны от Солнца, то с другой. Этот эффект называется параллаксом.
В случае пульсара J0437-4715, разность картин от параллакса крохотная - приблизительно четыре миллионных градуса или 0,014 секунд дуги. Но этого вполне достаточно, чтобы создать трехмерную модель положения пульсара в пространстве.
Чтобы это сделать, нужно было обработать больше чем 50000 Гигабайтов данных - столько, сколько находится на 77000 CD-ROMах.
Выработав модель, астрономы смогли проверить слабовыраженный эффект, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна. Массивный объект искривляет пространство вокруг себя. В системе пульсара, радиоволны путешествуют через искривленное пространство вблизи белого компаньона карлика, и приходят к Земле немного позже чем, если бы они путешествовали напрямую через открытый Космос. Этот эффект, называемый задержкой Шапиро или релятивистской временной задержкой сигнала, был сначала предложен в 1964 Ирвином И. Шапиро, который теперь является Директором Астрофизической Обсерватории Шмидта.
Данные ясно выявили предсказанную задержку, которая стала первой практической проверкой релятивистского эффекта вне Солнечной системы, причем с использованием геометрических методов параллакса.
В пределах Солнечной системы эти испытания уже проводились в 70ых годах, когда выявлялась релятивистская задержка при радиолокации внутренних планет - Меркурия и Венеры.
Более раннее испытание бинарной системы пульсара, проделанной Профессорами Джозефом Хом. Тейлором (Princeton University) и Джоулом М. Вайсбергом (now Carleton College), использующим два общих релятивистских эффекта, чтобы предсказать величину третьего, и тем самым проверить правильность Теории Относительности.
Группа учёных из американского Национального института стандартов
и технологий (
Для проверки самого известного уравнения в мире исследователи
воспользовались прибором GAMS4, созданном в NIST, но сейчас
находящемся во Франции, в институте Лауэ Ланжевена (
В основе опыта — точное измерение угла дифракции гамма-лучей двумя идентичными кристаллами, шаг решётки которых точно известен. С помощью этого прибора учёные получили очень точные значения энергии, испускаемой единственным атомом кремния или серы при захвате нейтрона, а также воспользовались необычайно точными измерениями массы этих же атомов, выполненными ранее в MIT.
Всё вместе это позволило соотнести дефект массы, возникающий при захвате нейтрона атомом, с энергией испускаемого в момент этого захвата гамма-кванта. Так авторы опыта установили, что E отличается от mc2 не более, чем на 4 части на 10 миллионов.
Данное "взвешивание" соотношения массы и энергии — в 55 раз точнее, чем лучший предыдущий прямой тест знаменитой формулы Эйнштейна.
Кстати, недавно спутник Gravity Probe B завершил
Сентябрь 2006г. Общую теорию относительности, споры вокруг которой не утихают по
сей день, удалось подтвердить с высокой точностью. Интересно, что в
качестве основного "инструмента исследования" был использован
Для сбора сведений о периодичности пульсации PSR J0737-3039
использовалась информация, полученная от радиотелескопов
"Это самая точная проверка общей теории относительности, касающаяся влияния гравитационных полей. Только чёрные дыры могут оказывать больший гравитационный эффект, но их гораздо сложнее наблюдать", — сказал Кремер.
В данном случае учёные исследовали так называемый эффект Шапиро — задержку сигнала при распространении в пространстве-времени, искривлённом гравитационным полем пульсаров.
Пульсары идеально подходят для проведения такого рода исследований: их гравитационное поле очень сильное (примерно в 100 тысяч раз больше, чем у Солнца), и они излучают радиоволны с очень строгой периодичностью, поэтому любые отклонения легко зафиксировать и измерить.
Кроме того, диаметр пульсаров системы PSR J0737-3039 — всего около двадцати километров, из-за чего их можно считать не сферами, а материальными точками, что существенно упрощает расчёты.
Как показали вычисления, сделанные группой Кремера, общая теория относительности верна, а все возможные отклонения от неё составляют не более 0,05%. То есть можно сказать, что теория соответствует действительности как минимум на 99,95%.
Результаты исследования
Ранее мы рассказывали о других исследованиях, которые касались
правильности теории относительности, вы найдёте их
| ||||||||||||