Как проверить правильность теории относительности на практике? Это вообще возможно?

Предыдущий
вопрос Следующий
вопрос

К XXI веку проблемы с проверкой предсказаний специальной теории относительности (СТО) и общей теории относительности (ОТО) на практике можно сказать исчезли. Справедливость СТО доказывает замедление времени рядом с массивными телами (например, звездами или планетами) и продление времени жизни элементарных частиц.

А вот некоторые из важнейших доказательств общей теории относительности:

«Объяснение движения перигелия Меркурия в общей теории относительности» (1915 год) — первое экспериментальное указание на справедливость ОТО. Эйнштейн использовал созданную им теорию для объяснения эффекта, обнаруженного Урбеном Леверрье в 1840-х–1850-х годах. Точка перигелия (ближайшая точка орбиты небесного тела к Солнцу) Меркурия смещалась со скоростью на 40 угловых секунд в столетие большей, чем та, которую можно было бы ожидать исходя из влияния других планет Солнечной системы.

Эксперимент Артура Эддингтона (1919 год) впервые показал, что гравитация Солнца способна отклонять лучи света от прямолинейной траектории. Этот эффект был одним из первых предсказаний в рамках общей теории относительности. Чтобы заметить слабое отклонение лучей света от прямолинейности Эддингтон наблюдал за солнечным затмением на острове Принсипи (Западная Африка). Фотографируя положение звезд рядом с Солнцем в момент полного затмения физик смог обнаружить их отклонение от привычного положения, которое совпало с предсказанным теорией Эйнштейна. Стоит отметить, что условия съемки были далеки от идеальных. Из-за этого результаты эксперимента Эддингтона еще долгое время подвергались сомнению из-за возможных неточностей.

В 1959 году Роберт Паунд и Глен Ребка смогли зафиксировать красное смещение, вызванное земной гравитацией. Этот эффект показывает увеличение длины волны испускаемого изучения в гравитационном поле — чем больше гравитация тела, испускающего свет, тем большим будет смещение его длины волны в красную область. Для горизонта событий черной дыры это смещение становится бесконечным (длинаволны испускаемого света становится бесконечно большой) — поэтому свет не может покидать эту поверхность. Эксперимент Паунда и Ребка отличася огромной точностью — физики исследовали поглощение гамма-квантов, испускаемых железом-57 и добились соответствия с ОТО с ошибкой не больше 10 процентов. Позднее точность подобных экспериментов была доведена до 0,007 процента с помощью суборбитальной ракеты.

В 1974 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили пульсар PSR B1913+16, двойную звездную систему из нейтронных звезд. Согласно предсказаниям ОТО, такая система будет терять энергию в виде гравитационных волн и постепенно сближаться, из-за чего будет изменяться время прихода сигналов от объектов. Физики подтвердили этот эффект — экспериментально измеренное уменьшение периода обращения составило 76 микросекунд в год, что соответствует предсказания теории относительности с точностью 0,2 процента. Кстати, за это Халс и Тейлор получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

К другим проявлениям ОТО можно отнести хорошо известное гравитационное линзирование — увеличение яркости и геометрическое искажение объектов, находящихся на линии взгляда позади массивного тела (галактики или даже скопления галактик). Интересно, что в ряде случаев линзирование приводит к появлению нескольких копий одного и того же линзируемого объекта. Можно вспомнить знаменитый крест Эйнштейна — четырехкратное изображение квазара, линзированного галактикой. В некоторых случаях эти изображения «отстают» друг от друга и показывают линзируемый объект в разные моменты времени. Разброс этих моментов может достигать нескольких лет.

Последнее из подтверждений ОТО — наблюдение гравитационных волн коллаборациями LIGO и Virgo. Это волны колебания метрики пространства-времени, рождающиеся при движении двух тел с ускорением. Например, они возникают при слиянии двух черных дыр или нейтронных звезд, сближающихся по спиральной орбите. В момент слияния амплитуда испускаемых волн оказываются наибольшей и их можно заметить с помощью сверхточных интерферометров.