Подтверждения релятивисткой теории

Новое подтверждение взгляда Эйнштейна на пространство

ФИЗИКИ ПРОВЕРИЛИ ЭЙНШТЕЙНА С ПОМОЩЬЮ ГРАФИТА

"Космологическая константа" Эйнштейна не была ошибкой?

Новые исследования международной команды астрономов Supernova Legacy Survey (SNLS) показывают, что Эйнштейн, вероятно, зря исключил "космологическую константу" из своей Общей теории относительности. Как выяснили участники команды SNLS, включающей астрономов из Франции, Канады, Великобритании и США, пресловутая "тёмная энергия", сила, способствующая ускоренному расширению Вселенной, ведёт себя практически точно так же, как и космологическая константа Эйнштейна (с погрешностью в 10%).

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 Canada-France-Hawaii Telescope Corporation. Благодаря очень широкому полю зрения, с её помощью удаётся измерять показатели сразу несколько останков сверхновых одновременно, - а именно наблюдения за сверхновыми и являются главным путём изучения "тёмной энергии". Собственно, наблюдения определённого типа сверхновых в 1990-ые годы и заставили учёных предположить само существование "тёмной энергии".

Проверка правильности теории Эйнштейна

Возле черных дыр найдено вещество, движущееся с огромной скоростью

Опыт Майкельсона-Морли в современной версии

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 S. Herrmann et al., Physical Review Letters, 95, 150401 (3 October 2005). Эта работа использовала, в сущности, идею классического опыта Майкельсона-Морли, в котором сравнивалось время распространения света в двух зафиксированных перпендикулярных направлениях. Особенность же опыта немцев заключалась в том, что сравнивались резонансные частоты неподвижного и вращающегося цилиндров-резонаторов, что позволяло улучшить точность измерения.

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: P. L. Stanwix et al., Phys. Rev. Lett. 95, 040404 (2005) и P. Antonini et al., Phys. Rev. A 71, 050101(R) (2005).

Детерминизм

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 теории относительности. У Меркурия, как и у всех остальных планет, орбита эллиптическая (см. Законы Кеплера). Если бы Солнечная система состояла только из Меркурия и Солнца, то Меркурий двигался бы все время по одному и тому же эллипсу. Однако из-за влияния других планет этот эллипс с каждым оборотом планеты вокруг Солнца немного искривляется. По мере движения планеты ближайшая к Солнцу точка орбиты — перигелий — постепенно смещается, причем смещается ненамного: каждые сто лет она сдвигается вокруг Солнца примерно на 1000 угловых секунд, то есть на четверть градуса. Почти все это смещение можно объяснить результатом гравитационного притяжения других планет — за исключением 43 угловых секунд за столетие.

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.

РАДИОАСТРОНОМИЯ ПОДТВЕРЖДАЕТ ТЕОРИЮ ЭЙНШТЕЙНА

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.

Физики проверили на опыте формулу E=mc²

Группа учёных из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) и Массачусетского технологического института (MIT) выполнила самое точное экспериментальное определение соотношения между массой и энергией.

Для проверки самого известного уравнения в мире исследователи воспользовались прибором GAMS4, созданном в NIST, но сейчас находящемся во Франции, в институте Лауэ Ланжевена (Institut Laue-Langevin).

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 практическую проверку теории Эйнштейна, а отвергнутая великим физиком собственная догадка обернулась тёмной материей.

Учёные подтвердили знаменитую формулу Эйнштейна E=mc²

Пульсар подтвердил теорию Эйнштейна

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 двойной пульсар PSR J0737-3039 — единственный, известный современной науке. Работа проведена международным коллективом учёных под руководством профессора Майкла Кремера (Michael Kramer) из университета Манчестера (University of Manchester) и основывается на данных, собранных за три года наблюдений.

Для сбора сведений о периодичности пульсации PSR J0737-3039 использовалась информация, полученная от радиотелескопов Lovell Telescope, Parkes radio telescope и Robert C. Byrd Green Bank Telescope. Оказалось, что результаты наблюдений во многом совпадают с теорией Эйнштейна.

"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 опубликованы в журнале Science.

Ранее мы рассказывали о других исследованиях, которые касались правильности теории относительности, вы найдёте их здесь и здесь, тут и тут.

Обнаружено искажение пространства-времени

Проведена новая проверка специальной теории относительности

Физики снова подтвердили общую теорию относительности

Физики непосредственно измерили замедление времени

Эйнштейновское искривление пространства доказано окончательно