Глава 7: Экспериментальные проверки общей теории относительности

В предыдущих главах мы увидели, как общая теория относительности Эйнштейна радикально изменила наше представление о гравитации, пространстве и времени. Теория делает ряд поразительных предсказаний, отличающихся от ньютоновской гравитации, таких как изгибание звездного света Солнцем, прецессия орбиты Меркурия и гравитационное красное смещение света. В этой главе мы подробно исследуем эти предсказания и проанализируем накопившиеся за последний век наблюдательные данные, подтверждающие общую теорию относительности. Мы начнем с трех "классических тестов", предложенных самим Эйнштейном, а затем перейдем к более современным тестам, связанным с явлениями, такими как гравитационное линзирование, гравитационные волны и черные дыры. Как мы увидим, общая теория относительности прошла все тесты на "отлично", укрепив свою позицию, как нашей лучшей теории гравитации на сегодняшний день.

Три классических теста

Сразу после публикации своей общей теории относительности в 1915 году, Эйнштейн предложил три наблюдательных теста, которые могли бы подтвердить или опровергнуть теорию. Эти тесты, которые стали известны как "классические тесты" общей теории относительности, были:

Прецессия перигелия Меркурия.
Отклонение звездного света Солнцем.
Гравитационное красное смещение света.

Рассмотрим каждый из этих тестов по порядку.

Прецессия перигелия Меркурия

Планета Меркурий имеет сильно эллиптическую орбиту вокруг Солнца, и каждый оборот ближайшей точки (перигелия) прецессирует на небольшой угол. Согласно ньютоновской гравитации, это прецессия должна полностью объясняться гравитационными силами других планет. Однако точные наблюдения в конце 19 века выявили небольшое расхождение: перигелий Меркурия продвигался сильнее, чем предсказывала теория Ньютона.

Это аномалия интересовала астрономов на протяжении десятилетий, и некоторые даже предполагали существование невидимой планеты ("Вулкан") около Солнца, чтобы объяснить это явление. Но в 1915 году Эйнштейн показал, что его общая теория относительности естественным образом объясняет избыточную прецессию Меркурия. Согласно ОТО, искривление пространства-времени вокруг Солнца вызывает прецессию орбиты Меркурия на дополнительные 43 угловых секунды век, что полностью согласуется с наблюдениями.

Это была важная победа для теории Эйнштейна, она объяснила длительную загадку и предоставила убедительные доказательства существования искривления пространства-времени. Сегодня прецессия перигелия Меркурия считается одной из ключевых наблюдательных основ общей теории относительности.

Отклонение звездного света Солнцем

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что свет должен отклоняться гравитационными полями. Согласно теории, луч звездного света, проходящий рядом с Солнцем, должен согнуться на небольшой угол, причем отклонение будет в два раза больше, чем предсказывает ньютоновская гравитация.

Эйнштейн понял, что этот эффект можно проверить во время полного солнечного затмения, когда звезды рядом с Солнцем становятся видимыми на затемненном дневном небе. Сравнивая видимое положение звезд во время затмения с их нормальным положением ночью, астрономы могли измерить отклонение и проверить, совпадает ли оно с предсказанием общей теории относительности.

Первая попытка измерить этот эффект была сделана во время полного солнечного затмения 1919 года двумя экспедициями под руководством британского астронома Артура Эддингтона. Одна группа отправилась на остров Принсипе у побережья Африки, другая - в Собраль, Бразилия. Несмотря на сложности, связанные с погодой и оборудованием, обе группы смогли сфотографировать затмение и измерить положения звезд.

После анализа результатов оказалось, что звездный свет действительно отклоняется Солнцем, и это отклонение практически совпадает с предсказанием Эйнштейна. Новость стала главным событием в мировых СМИ и принесла Эйнштейну международную славу. Изгибание звездного света Солнцем было считано убедительным подтверждением общей теории относительности и существования изогнутого пространства-времени.

С тех пор тест на отклонение света был проделан множество раз с увеличивающейся точностью, используя как радиотелескопы, так и оптические приборы. Самые точные измерения на сегодняшний день, сделанные с помощью межбазовой интерферометрии с очень длинной базой (МБИОД), подтверждают общую теорию относительности с точностью до 0,02%.

Гравитационное красное смещение света

Третий классический тест общей теории относительности связан с гравитационным красным смещением света. Согласно ОТО, свет, испускаемый в гравитационном поле, должен испытывать красное смещение (то есть, его длина волны должна увеличиваться), когда он выбирается из потенциальной ямы. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше красное смещение.

Эйнштейн предложил, что этот эффект можно измерить с помощью спектральных линий из Солнца. Свет, излучаемый атомами в атмосфере Солнца, должен быть слегка смещен в красную сторону по сравнению с теми же линиями, полученными в лаборатории на Земле, из-за сильного гравитационного поля Солнца.

Измерение гравитационного красного смещения оказалось довольно сложной задачей из-за необходимости использования чрезвычайно точной спектроскопии и наличия других эффектов, способных сдвигать спектральные линии (например, доплеровский сдвиг от вращения Солнца). Первое успешное измерение было сделано в 1925 году Уолтером Адамсом с помощью спектрографа на 100-дюймовом телескопе в обсерватории Маунт-Уилсон. Адамс обнаружил гравитационное красное смещение, которое соответствовало предсказанию Эйнштейна, хотя с достаточно большой неопределенностью.

Более точные тесты гравитационного красного смещения были проведены с тех пор с использованием эффекта Мёссбауэра и атомных часов. В 1960-х годах Роберт Паунд и Глен Ребка измерили красное смещение гамма-лучей, проходящих вверх и вниз по 22-метровой башне в Гарвардском университете, подтверждающее ОТО с точностью до 1%. Позднее эксперименты, использующие ракетные гидрогеновые мазерные часы, подтвердили красное смещение с точностью до нескольких долей 10 в степени -5. Одним из ключевых тестов общей теории относительности является гравитационный красный сдвиг, который также представляет практическую проблему для спутников GPS, подверженных значительному красному сдвигу из-за гравитации Земли. Без учета этого эффекта навигация по GPS отклонилась бы на несколько километров в день.

Современные тесты общей теории относительности

После того, как три классических теста впервые предоставили сильные доказательства общей теории относительности, было придумано и проведено множество других тестов в век, прошедший со времени публикации теории Эйнштейна. Эти современные тесты исследуют общую теорию относительности в новых и экстремальных режимах и используют передовые технологии, о которых во времена Эйнштейна и не мечтали.

Гравитационное линзирование

Один из наиболее удивительных прогнозов общей теории относительности - явление гравитационного линзирования. Аналогично тому, как стеклянная линза искривляет проходящие через нее световые лучи, массивный объект (например, галактика или скопление галактик) может искривлять путь света от фонового источника, действуя как "гравитационная линза".

Существуют три основных режима гравитационного линзирования:

Сильное линзирование: это происходит, когда линза достаточно массивна и достаточно хорошо выравнена, чтобы создать несколько изображений, дуг или колец фонового источника. Первая сильная линза была обнаружена в 1979 году в виде собратных квазаров, которые на самом деле были двумя изображениями одного и того же квазара, линзированными передним планом галактики. В настоящее время известно сотни сильных линз, они предоставляют возможность создавать карту распределения темной материи и проверять общую теорию относительности на килопарсековых масштабах.
Слабое линзирование: это более тонкий эффект, проявляющийся при недостаточной силе линзирования, чтобы создать несколько изображений, но все же искажает формы фоновых галактик. После статистического анализа этих искажений формы на больших участках неба, астрономы могут создать карту крупномасштабной структуры вселенной и проверить общую теорию относительности в космических масштабах. Слабое линзирование стало ключевым инструментом исследования космологии в последние годы, при этом крупные обзоры, такие как Dark Energy Survey и Kilo-Degree Survey, обеспечивают все более точные измерения.
Микролинзирование: это происходит, когда компактный объект (например, звезда или планета) проходит перед фоновой звездой и вызывает временное возрастание яркости последней из-за линзирования. Микролинзирование было использовано для обнаружения экзопланет и изучения популяции черных дыр и других темных объектов в нашей галактике. Оно также представляет собой тест общей теории относительности на звездных масштабах.

Гравитационное линзирование предоставило некоторые из самых впечатляющих подтверждений общей теории относительности до настоящего времени. Наблюдаемое количество, распределение и свойства линзированных систем отличаются от прогнозов общей теории относительности и ставят жесткие ограничения на альтернативные теории гравитации.

Гравитационные волны

Возможно, самым захватывающим событием в тестировании общей теории относительности в последние годы стало прямое обнаружение гравитационных волн. Это колебания в самом пространстве-времени, вызванные ускоряющимися массами и распространяющиеся со скоростью света. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году, но сомневался, что их можно будет когда-либо обнаружить из-за их чрезвычайно малой амплитуды.

Сто лет спустя, Лазерный межинтерферометр для обнаружения гравитационных волн (LIGO) смог измерить мельчайшие искажения пространства-времени, вызванные прохождением гравитационных волн. Первое обнаружение, сделанное в сентябре 2015 года, произошло от слияния двух черных дыр в удалении около 1,3 миллиарда световых лет. Наблюдаемая форма волны соответствовала прогнозам общей теории относительности с точностью до нескольких процентов, что представляет собой ошеломляющее подтверждение теории в сильнозависимом, высокоскоростном режиме.

С тех пор ЛИГО и его европейский аналог Вирго обнаружили десятки других событий гравитационных волн. Среди них слияния двойных черных дыр, двойных нейтронных звезд и даже возможного слияния нейтронной звезды с черной дырой. Каждое событие представляет собой новый тест общей теории относительности в экстремальных условиях, и пока что теория успешно прошла все испытания.

Астрономия гравитационных волн открыла новое окно во Вселенную, позволяя нам исследовать регионы и события, невидимые для электромагнитного излучения. Она также предоставила некоторые из самых жестких тестов общей теории относительности до настоящего времени, подтвердив ключевые предсказания, такие как существование черных дыр, распространение гравитационных волн со скоростью света и "теорема о "нет-волосках" (которая утверждает, что черные дыры полностью характеризуются своей массой, зарядом и вращением).

Наблюдательные доказательства существования черных дыр

Черные дыры, пожалуй, являются самыми экстремальными и загадочными предсказаниями общей теории относительности. Это области пространства-времени, где кривизна становится настолько сильной, что ничто, даже свет, не может покинуть их внутренность из-за горизонта событий. Черные дыры являются прямым следствием уравнений Эйнштейна, но на протяжении многих лет они рассматривались как математическая любопытность, а не физическая реальность.

Однако на сегодняшний день имеется неопровержимое наблюдательное подтверждение существования черных дыр. Это подтверждение основано на нескольких различных линиях исследования:

Рентгеновские двойные системы: это системы, в которых черная дыра или нейтронная звезда притягивает вещество от сопутствующей звезды. Поскольку это вещество спиралится и нагревается, оно излучает рентгеновские лучи, которые могут быть обнаружены телескопами. Свойства этих рентгеновских излучений, особенно их быстрая изменчивость и высокие энергии, являются сильным доказательством наличия компактного объекта, наподобие черной дыры.
Сверхмассивные черные дыры: в центрах большинства галактик, включая нашу Млечный Путь, находятся компактные объекты с массами от миллионов до миллиардов солнечных масс. Эти объекты слишком массивны и компактны, чтобы быть объясненными скоплениями звезд или другими известными объектами, и их свойства соответствуют ожиданиям для сверхмассивных черных дыр. Самые лучшие доказательства получены из наблюдений звезд, орбитирующих вокруг Галактического Центра, которые позволили астрономам с большой точностью измерить массу и размер центрального объекта.
Гравитационные волны: Как уже упоминалось, сигналы гравитационных волн, обнаруженные LIGO и Virgo, соответствуют предсказаниям о слиянии черных дыр. Массы, вращения и другие свойства, вычисленные по этим сигналам, согласуются с черными дырами и не согласуются с другими компактными объектами, такими как нейтронные звезды.
Телескоп Событийного горизонта: В 2019 году коллаборация Телескоп Событийного горизонта представила первое непосредственное изображение черной дыры. С помощью объединения радиотелескопов по всему миру, создавшего телескоп виртуального размера Земли, им удалось разрешить границу событий для сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Наблюдаемый размер и форма тени черной дыры совпали с предсказаниями общей теории относительности, предоставляя потрясающее визуальное подтверждение теории.

Наблюдательные данные в настоящее время настолько сильны, что существование черных дыр считается близким к достоверности. Они являются одними из самых экстремальных проверок общей теории относительности, исследуя теорию в областях сильного изгиба и высоких скоростей. До сих пор ОТО успешно прошла все эти проверки, еще более укрепив свое положение как нашей лучшей теории гравитации.

Заключение

Век спустя со своего появления общая теория относительности остается нашей самой точной и хорошо проверенной теорией гравитации. От классических испытаний, предложенных Эйнштейном, до передовых наблюдений гравитационных волн и черных дыр, теория была подвергнута все более точным и строгим проверкам и каждый раз победно выступала.

Подтверждение общей теории относительности - это не только триумф для самой теории, но и для научного метода в целом. ОТО сделала множество смелых и противоречивых предсказаний, которые сильно отличались от ньютоновской гравитации и здравого смысла. Однако, когда эти предсказания были проверены посредством тщательно разработанных экспериментов и наблюдений, они оказались верными. Это сущность науки: формулирование проверяемых предсказаний и допущение природы в качестве окончательного вердикта истины.

Конечно, ни одна научная теория никогда не бывает полностью или окончательно завершенной. Есть еще много открытых вопросов и нерешенных проблем.

Chapter 0 Einstein Theory of Relativity