Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
Прецессия перигелия, представляющая собой один из трех знаменитых эффектов Эйнштейна, является следствием того факта, что теория Ньютона справедлива только как первое приближение. Остальные эффекты имеют другой характер, так как вовсе не имеют аналогов в теории Ньютона. Наиболее простым, а в настоящее время также наиболее подтвержденным экспериментально эффектом является гравитационное смещение спектральных линий. Это следует из того обстоятельства, что g44 есть не только гравитационный потенциал, как определено в (8), но главным образом метрическая величина, как в (6), которая определяет скорость хода стандартных покоящихся часов в различных точках гравитационного поля. Поскольку атомы, испускающие свет определенной частоты, можно рассматривать как хорошие стандартные часы, теория предсказывает смещение спектральных линий, испускаемых в одном месте гравитационного поля и наблюдаемых в другом, причем относительное смещение пропорционально разности гравитационных потенциалов в обоих этих местах.
Этот эффект наблюдался много лет назад в спектре света, испускаемого поверхностью Солнца, но поскольку при этом имели место также другие трудно контролируемые эффекты, такие, как эффект Доплера, который также приводит к смещению линий, эти ранние наблюдения не привели к количественному подтверждению эффекта Эйнштейна. Поэтому, когда Паунду и др. (1960, 1964 гг.) удалось измерить данный эффект в гравитационном поле Земли, это явилось большим шагом вперед. В наземных опытах легче получить надлежащим образом определенные экспериментальные условия, и хотя эффект здесь проявляется существенно слабее, формулу Эйнштейна удалось подтвердить с точностью порядка 1%.
Если стандартные часы движутся в гравитационном поле, то скорость их хода зависит как от гравитационного потенциала, так и от скорости, т. е. только что упомянутый гравитационный эффект накладывается на скоростной эффект специальной
38
К. Мёллер
теории относительности, рассмотренный в разд. 13. Теория предсказывает, что атомные часы, летящие в самолете на большой высоте, будут идти быстрее, чем часы, находящиеся на меньшей высоте. Эксперимент такого рода был выполнен Алли и др. (1975, 1976 гг.), причем был получен следующий результат: отношение измеренной разности значений времени к предсказанной на основе общей теории относительности составило
0,987 ± 0,016.
Как упоминалось в разд. 19, величины git(x) входят во все общековариантные законы природы, из чего следует, что гравитационное поле влияет на все физические явления. Обычно это влияние неизмеримо мало. Исключение представляет влияние на электромагнитные и оптические явления, что до настоящего времени привело к двум измеримым эффектам. Первый из них — известный третий эффект Эйнштейна: отклонение световых лучей гравитационным полем Солнца. Теория предсказывает в этом случае отклонение, равное 1,75", что хорошо согласуется с недавними наблюдениями. Прежде для наблюдения этого эффекта приходилось ждать редко происходящих полных солнечных затмений. Однако с развитием радиоастрономии этот эффект стало возможно измерять для соответствующих взаимных расположений Земли, Солнца и источника радиоизлучения, которые осуществляются ежегодно. Этот эффект теперь подтвержден с точностью до нескольких процентов.
Второй из двух упомянутых эффектов связан с гравитационным запаздыванием радиосигнала, который посылается с Земли к какой-либо планете и отражается назад, когда его путь проходит вблизи Солнца. Этот эффект также очень мал, порядка IO-6 с. Тем не менее Шапиро и др. (1964, 1968 и 1971 гг.) удалось его измерить, причем результат оказался в хорошем согласии с рассчитанным значением.
Имеется еще несколько общерелятивистских эффектов, которые, по-видимому, можно будет измерить в недалеком будущем, но по сравнению с огромным количеством экспериментальных данных, подтверждающих квантовую теорию или даже специальную теорию относительности, экспериментальное подтверждение общей теории относительности не является слишком впечатляющим. С другой стороны, современные проверки уже позволяют с уверенностью сказать, что теория Эйнштейна дает наиболее точное описание гравитационных явлений, по крайней мере в пределах Солнечной системы, где поля сравни тельно слабы.
22. Убедительность теории Эйнштейна
Несмотря на ограниченность экспериментальных подтверждений, большинство физиков были убеждены в справедливости
І. Успехи и ограниченность эйнштейновской теории
39
общей теории относительности еще задолго до осуществления более поздних точных проверок. В настоящем разделе мы перечислим те фундаментальные свойства этой теории, которые придают ей замечательную убедительность.
A. Все физические законы выражаются посредством уравнений, инвариантных по форме относительно произвольных преобразований пространственно-временных координат.
Инвариантность формы уравнений есть математическое выражение общего принципа относительности, согласно которому фундаментальные законы природы, полученные путем эксперимента, имеют одинаковый вид независимо от состояния движения наблюдателей. Таким образом, впервые в истории физики заданное множество явлений описывается посредством однозначно определенной совокупности уравнений. Это неотъемлемое свойство можно рассматривать как вершину долгого развития физики от Аристотеля через Галилея и Ньютона до Эйнштейна, развития, которое характеризуется постоянно возрастающей симметрией или инвариантностью формы законов природы относительно все более широких групп преобразований.
