Фундаментальні експерименти у теорії відносності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фундаментальні експерименти у теорії відносності

План

зіркова аберація геодезична прецесія

1. Спостереження зіркової аберації Дж. Бредлі

2. Експеримент Майкельсона-Морлі із реєстрації ефірного вітру

3. Дослід А. Едінгтона із відхилення світлових променів у гравітаційному полі Сонця

4. Геодезична прецесія (ефект де Сіттера)

5. Кривизна простору-часу

1. Спостереження зіркової аберації Джеймса Бредлі

Аберацію світла відкрив англійський астроном Джеймс Бредлі у 1725 році і пояснив її 1728 році. Промінь «нерухомої» зірки BS (мал. 1), який спостерігач бачить у певний момент, унаслідок скінченності швидкості світла і руху Землі лежить під кутом до променя AS, який вийшов із зірки у цей момент у напрямку спостерігача. Правильно зрозумівши суть цього явища, Бредлі навіть визначив на основі спостережень наближене значення швидкості світла. Це дослідження започаткувало новий напрям у вивченні властивостей світла - оптику рухомих тіл, яку інколи називають теорією аберації.

Мал. 1. Аберація світла , яке йде від зірки

Аберація світла (в астрономії) -- позірна зміна положення світила на небесній сфері внаслідок скінченності швидкості світла й руху спостерігача, пов'язаного з: обертанням Землі навколо Сонця (річна аберація), обертанням Землі навколо своєї осі (добова аберація) та рухом Сонячної системи в просторі (вікова аберація).

Якби астрономічна труба була нерухомою, то зображення зорі S (на мал.3), на яку наведена труба, збігалося б із перехрестям ниток F окуляра (O'-- центр об'єктива, на мал.2). Але оскільки труба рухається разом із Землею в напрямку апекса A, то за час, протягом якого світло йде від O до F, окуляр пересунеться в точку F'. Для того, щоб зображення зорі потрапило в перехрестя ниток, трубу треба нахилити в бік її руху на кут OFO'= б.

Аберація виникає внаслідок зміни напряму розповсюдження світла при переході від однієї інерціальної системи відліку до іншої. Нехай система К рухається зі швидкістю відносно системи К'. Кути утворені напрямом розповсюдження світла і напрямом руху К' відносно К в К' і К позначимо відповідно '' і '. Тоді, згідно зі спеціальною теорією відносності між і '' буде таке співвідношення:

Ця формула -- наслідок загальної формули перетворення швидкості частинки при переході від однієї системи відліку до іншої для випадку, коли швидкість частинки рівна швидкості світла c. Кут б ='' - називається кутом аберації. Якщо c, то з точністю до членів порядку /c формула записується у вигляді:

Абераційний зсув положення світила накладається на відповідний паралактичний зсув (добовий, річний і віковий). В обох випадках видима траєкторія світила на небосхилі являє собою еліпс. Але розмір абераційного еліпса залежить від кута між напрямком на світило та на апекс, а величина паралаксу залежить від відстані до об'єкта. Таким чином, їх можна розрізнити й визначити окремо.

2. Експеримент Майкельсона-Морлі із реєстрації ефірного вітру

У другій половині XIX століття фізичні погляди на характер поширення світла, дія гравітації та деякі інші феномени все виразніше стали наштовхуватися на труднощі. Пов'язані вони були з ефірною концепцією, що панувала в науці. Ідея проведення досвіду, який дозволив би протиріччя, що називається, носилася в повітрі.

У 1880-х роках була поставлена серія експериментів, дуже складних і тонких на ті часи, - досвід Майкельсона з дослідження залежності швидкості світла від напрямку руху спостерігача. Перш ніж детальніше зупинитися на описі і результатах цих знаменитих дослідів, необхідно згадати, що являла собою концепція ефіру і як розумілася фізика світла.

2.1 Погляди XIX століття на природу світла

На початку століття перемогла хвильова теорія світла, що отримала блискучі експериментальні підтвердження в роботах Юнга і Френеля, а пізніше - і теоретичне обґрунтування праці Максвелла. Світло абсолютно безперечно виявляло хвильові властивості, і корпускулярна теорія виявилася похована під купою фактів, які не могла пояснити (відродиться вона лише на початку XX століття на новій основі).

Однак фізика тієї епохи не могла уявити собі поширення хвилі інакше, ніж через механічні коливання будь-якого середовища. Якщо світло - хвиля, і він здатний поширюватися у вакуумі, то вченим не залишалося нічого іншого, як припустити, що вакуум заповнений якоюсь субстанцією завдяки своїм коливанням проводить світлові хвилі.

2.2 Світлоносний ефір

Загадкова субстанція, невагома, невидима, не реєструється ніякими приладами, називалася ефіром. Досвід Майкельсона якраз і мав підтвердити факт її взаємодії з іншими фізичними об'єктами.

Гіпотези про існування ефірної матерії висловлювали ще Декарт і Гюйгенс в XVII столітті, але вона стала необхідною як повітря саме в XIX столітті, і тоді ж призвела до нерозв'язних парадоксів. Справа в тому, що для того, щоб, взагалі, існувати, ефір повинен був володіти взаємовиключними або взагалі фізично нереальними якостями.

2.3 Протиріччя ефірної концепції

Щоб відповідати картині світу, світлоносний ефір повинен бути абсолютно нерухомим - інакше ця картина постійно спотворювалася б. Але нерухомість його входила в непримиренний конфлікт із рівняннями Максвелла та принципом відносності Галілея. Задля їх збереження доводилося визнавати, що ефір захоплюється тілами, що рухаються.

Крім того, ефірна матерія мислилася абсолютно твердою, безперервною і одночасно жодним чином не перешкоджає руху тіл крізь неї, яка не стискається і при цьому має поперечну пружність, інакше вона не проводила б електромагнітні хвилі. Крім того, ефір мислився як всепроникна субстанція, що, знову-таки, погано в'яжеться з ідеєю про його захоплення.

2.4 Ідея та перша постановка досліду Майкельсона

Американський фізик Альберт Майкельсон зацікавився проблемою ефіру після того, як прочитав у журналі Nature лист Максвелла, опублікований після смерті останнього у 1879 році, з описом невдалої спроби виявити рух Землі стосовно ефіру.

У 1881 році відбувся перший досвід Майкельсона щодо визначення швидкості світла, що розповсюджується в різних напрямках щодо ефіру, що рухається разом із Землею спостерігачем.

Земля, переміщаючись по орбіті, повинна піддаватися дії так званого ефірного вітру - явища, аналогічного потоку повітря, що набігає на тіло, що рухається. Монохроматичний світловий промінь, спрямований паралельно цьому «вітру», назустріч йому рухатиметься, дещо втрачаючи у швидкості, а назад (відбившись від дзеркала) - навпаки. Зміна швидкості у тому й іншому випадку однаково, але досягається воно за різний час: уповільнений «зустрічний» промінь буде довше перебувати в дорозі Таким чином, світловий сигнал, випущений паралельно «ефірного вітру», обов'язково затримається щодо сигналу, що долає ту ж відстань, також із відображенням від дзеркала, але в перпендикулярному напрямку.

Для реєстрації цієї затримки використовувався винайдений самим Майкельсон прилад - інтерферометр, робота якого заснована на явищі накладання когерентних світлових хвиль. При запізнюванні однієї з хвиль інтерференційна картина зміщувалася б через різниці фаз, що виникає.

Перший досвід Майкельсона з дзеркалами та інтерферометром не дав однозначного результату внаслідок недостатньої чутливості приладу та недообліку численних перешкод (вібрацій) та викликав критику. Потрібне суттєве підвищення точності.

2.5 Повторний дослід

У 1887 році вчений повторив експеримент разом зі своїм співвітчизником Едвардом Морлі. Вони використовували вдосконалену установку та особливо подбали про виключення впливу побічних факторів.

Суть досліду не змінилася. Світловий пучок, зібраний за допомогою лінзи, падав на дзеркало напівпрозоре, встановлене під кутом 45°. Тут він ділився: один промінь проникав крізь дільник, другий йшов у перпендикулярному напрямку. Кожен з променів потім відбивався звичайним плоским дзеркалом, повертався на світлодільник, після чого частково потрапляв на інтерферометр Експериментатори були впевнені в існуванні «ефірного вітру» і розраховували отримати зсув, що цілком вимірюється, більш ніж на третину інтерференційної смуги.

Не можна було нехтувати рухом Сонячної системиу просторі, тому ідея досвіду передбачала можливість повертати установку з метою точного настроювання на напрямок «ефірного вітру».

Щоб уникнути вібраційних перешкод та спотворень картини при поворотах приладу, вся конструкція була розміщена на масивній кам'яній плиті з дерев'яним тороїдальним поплавцем, що плаває в чистій ртуті. Фундамент під установкою був заглиблений до скельної породи.

2.6 Результати дослідів

Вчені проводили ретельні спостереження протягом року, обертаючи плиту з приладом за годинниковою стрілкою та проти. фіксувалася за 16 напрямками. І незважаючи на безпрецедентну для своєї епохи точність, досвід Майкельсона, проведений у співпраці з Морлі, дав негативний результат.

Синфазні світлові хвилі, що йдуть зі світлодільника, досягали фінішу без зсуву фаз. Це повторювалося щоразу, при будь-якому положенні інтерферометра і означало, що швидкість світла в досвіді Майкельсона ніколи не змінювалася.

Перевірка результатів експерименту проводилася неодноразово, у тому числі й у XX столітті із застосуванням лазерних інтерферометрів та мікрохвильових резонаторів, що досягають точності в одну десятимільярдну швидкість світла. Результат досвіду залишається непорушним: ця величина незмінна.

2.7 Значення експерименту

З досвідів Майкельсона і Морлі випливає, що «ефірний вітер», а отже, і ця невловима матерія просто не існує. Якщо якийсь фізичний об'єкт принципово не виявляється у жодних процесах, це рівнозначно його відсутності. Фізики, включаючи і самих авторів блискуче поставленого експерименту, далеко не відразу усвідомили аварію концепції ефіру, а разом з ним - і абсолютної системи відліку.

Несуперечливе і при цьому революційно нове пояснення результатів досвіду вдалося уявити лише Альберту Ейнштейну в 1905 році. Розглянувши ці результати так, без спроб притягнути до них умоглядний ефір, Ейнштейн отримав два висновки:

Жодним оптичним експериментом не можна виявити прямолінійний і рівномірний рух Землі (право вважати його таким дає короткочасність акта спостереження).

Щодо будь-якої інерційної системи відліку швидкість світла у вакуумі незмінна.

Ці висновки (перший - у поєднанні з галілеївським принципом відносності) послужили Ейнштейну основою формулювання його знаменитих постулатів. Отже, досвід Майкельсона - Морлі послужив міцною емпіричною базою спеціальної теорії відносності.

3. Дослід А. Едінгтона із відхилення світлових променів у гравітаційному полі Сонця

На відміну від теорії Ньютона викривлення траєкторії тіла, що рухається в полі тяжіння, відбувається не через дії сили, а внаслідок особливих властивостей простору. Рух по інерції відповідно до загальної теорії відносності відбувається в викривленому просторі-часі.

Оскільки всі тіла, включаючи світлові промені, рухаються за відсутності сил по викривлених траєкторіях, можна вважати, що саме простір викривлений.

Фізичні властивості простору поблизу тяжіють мас відрізняються від властивостей простору далеко від них. «Структура ЗТВ така, що рівняння гравітаційного поля сумісні тільки з таким рухом мас, яке задовольняє рівнянням збереження енергії і імпульсу»(Я. Б. Зельдович, І. Д. Новиков Загальна теорія відносності і астрофізика). Це означає, що якщо в класичній теорії рівняння поля існували окремо від рівнянь руху, то в загальній теорії відносності рівняння гравітаційного поля містять в собі рівняння руху.

Ейнштейн у своїй теорії взагалі відмовився від поняття сили тяжіння, замінивши її вплив викривленням світових ліній, викривленням самого простору-часу. Але математичний апарат загальної теорії відносності виявився надзвичайно складним, а поправки до ньютонової теорії тяжіння, отримані в результаті каторжної обчислювальної роботи, зовсім незначні.

Існує не так багато контрольних дослідів, в яких можна розрізнити передбачення теорії Ейнштейна. Експериментальна перевірка загальної теорії відносності була запропонована її автором. Ейнштейн вказав на три ефекту: відхилення променя світла при проходженні поблизу масивного тіла, обертання перигелиев планет, гравітаційне зміщення частоти електромагнітного випромінювання.

Коли промінь світла проходить через гравітаційне поле, його траєкторія повинна викривлятися (на підставі принципу еквівалентності). Вже Ньютон ставив перед собою це питання «Чи не діють чи тіла на світло на відстані і не згинають цим дією його променів?» Тут Ньютон має на увазі пояснює дифракцію відштовхування світла від тіл, що не залежить від їх маси.

Найбільш сенсаційна з усіх перевірок загальної теорії відносності була проведена в 1919 р під час повного затемнення Сонця англійським астрономом А. Еддінгтоном. Згідно ЗТВ тяжіння викривляє світлові промені. Це викривлення настільки мізерно, що його не можна зареєструвати за допомогою будь-якого досвіду, проведеного в лабораторії, але воно може бути виміряна астрономами під час повного затемнення Сонця. Сонячне світло затримується Місяцем і зірки, розташовані поблизу краю Сонця, стають видимими. Світло від них проходить через найсильнішу частину поля тяжіння Сонця. Зрушення в видимих \u200b\u200bположеннях цих зірок повинен вказувати на те, що тяжіння Сонця згинає шлях світла.

Фізика Ньютона також передбачала викривлення світла в поле тяжіння, але рівняння Ейнштейна давали вдвічі більше відхилення. Відхилення світлового променя виявилося близько до прогнозу Ейнштейна, але труднощі при проведенні точних вимірювань положень зірок під час затемнення виявилися значно більшими, ніж припускав Еддінгтон.

Еддінгтон зробив доповідь на спільному засіданні Королівського товариства і Астрономічного товариства в Лондоні. Президент Королівського товариства Дж. Дж. Томсон у вступній промові сказав: «Це відкриття не віддаленого острова, а цілого континенту нових наукових ідей. Це найбільше відкриття з часів Ньютона »( Philipp Frank. Einstein, his life and times. N. Y., 1947, p. 141.). На конференції королівського товариства в 1962 р група вчених прийшла до висновку, що так як труднощі дуже великі, то спостерігає затемнення не варто більше намагатися проводити такі вимірювання.

Промінь світла, що проходить на відстані R від центру Сонця, відхиляється під дією тяжіння на кут

де: , відповідно маса і радіус Сонця.

Максимальне відхилення повинно спостерігатися для променя, що проходить ,біля краю сонячного диска, де =

Спостереження під час затемнення 1952 року дали результат б=

4. Геодезична прецесія (ефект де Сіттера)

Геодезична прецесія (прецесія де-Сіттера) -- ефект зміни напрямку осі обертання тіла, яке рухається в викривленому просторі-часі, передбачена загальною теорією відносності , відноситься до її гравімагнітних ефектів.

ЗТВ передбачає кутову швидкість геодезичної прецесії для орбітального моменту імпульсу системи Земля--Місяць, яка рухається в гравітаційному полі Сонця, рівну 1,9 кутової секунди на рік, і це підтверджується спостереженнями. Також існує додатковий періодичний ефект з певною амплітудою кутових секунд, який називають геодезичною нутацією.

Геодезичний ефект вперше був передбачений Віллем де Сіттер у 1916 р., який здійснив релятивістські корекції руху системи Земля - Місяць. Робота Де Сіттера була продовжена в 1918 році Яном Шутеном а в 1920 р Адріаном Фоккером.

Різниця між прецесією де Сіттера та Сочевицею - нестримна прецесія (перетягування кадру) полягає в тому, що ефект де Сіттера обумовлений просто наявністю центральної маси, тоді як прецесія Lense - Thirring обумовлена обертанням центральної маси. Повна прецесія обчислюється шляхом поєднання прецесії де Сіттера з прецесією Lense - Thirring.

Геодезичний ефект був перевірений з точністю, що перевищує 0,5% відсотків.

Мал. 4. Представлення геодезичного ефекту.

5. Кривизна простору-часу

В теорії відносності Ейнштейна знайшла свій природний науковий розвиток ідея про єдність простору-часу з матерією: простір і час не самостійні субстанції, а спосіб існування єдиної субстанції - матерії, розглянутої з точки зору гравітаційної взаємодії. У той же час в теорії відносності знайшов вираз (на більш високому рівні) і субстанціональні підхід до простору- часу. Коли «чистий» простір-час, тобто геометрія, ототожнюється з гравітацією, воно набуває динамічні властивості, які суть атрибуту матерії. Універсальність гравітаційної взаємодії і його «геометричний» характер одночасно виділяють гравітацію з інших видів матерії, надаючи їй, а значить і простору-часу, ознаки загальної середовища , в яку занурена матерія. Середовище може бути порожнім: може існувати «пустий» простір-час, що ототожнюється з чистою гравітацією, за відсутності іншої матерії. Це повертає нас до поняття про ефір. На ранньому етапі теорії відносності вважалося, що ефір остаточно вигнаний нею з фізичної картини світу (таку думку майже загальновизнано і зараз). Однак сам Ейнштейн був проти: «Відмовитися від ефіру, значить припустити, що порожній простір не володіє ніякими фізичними властивостями». Більш того, Ейнштейн був упевнений, що просторово-часова кривизна не є єдиною властивістю, якою володіє ефір. Загальна теорія відносності дала поштовх розвитку поняття «вакуум» (від лат. Vacuum - порожнеча). В релятивістській квантовій теорії нуля отримала підтримку ідея, що на вакуум можна дивитися як на ефір, що володіє структурою: квантовий вакуум виявляється середовищем, здатним породжувати частинки. Відмінність «порожнього» простору-часу в загальній теорії відносності і квантово-нульового вакууму від попередніх уявлень про порожнечу і абсолютний простір полягає в динамічному характері і «неважливо» де поміщається в матерії. Якби вся (негравітаційна) матерія якимось чином теж з'єдналася з геометрією (до чого прагнув Ейнштейн в своїй програмі єдиної теорії поля , яка, здається, зараз набула нового народження), то можна було б говорити про повне злиття простору, часу і матерії . Таке злиття виявило б нові властивості простору і часу, поки нам невідомі.

Підтвердженням цьому є розбіжність (девіація) геодезичних ліній поблизу масивного тіла. Якщо запустити з двох близьких точок два тіла паралельно одне одному, то гравітаційному полі вони поступово почнуть або зближуватися, або віддалятися друг від друга. Цей ефект називається девіацією геодезичних ліній. Аналогічний ефект можна спостерігати безпосередньо, якщо запустити дві кульки паралельно один одному по гумовій мембрані, яку в центр покладено масивний предмет. Кульки розійдуться: та, яка була ближче до предмета, що продавлює мембрану, буде прагнути до центру сильніше, ніж віддалена кулька. Це розбіжність (девіація) зумовлена кривизною мембрани.

Аналогічно, у просторі-часі девіація геодезичних ліній (розбіжність траєкторій тіл) пов'язана з їх кривизною. Кривизна простору-часу однозначно визначається їх метрико - метричним тензором. Відмінність між загальною теорією відносності та альтернативними теоріями гравітації визначається здебільшого саме способом зв'язку між матерією (тілами та полями негравітаційної природи, що створюють гравітаційне поле) та метричними властивостями простору-часу.

Список використаних джерел

зіркова аберація геодезична прецесія

1. Бескин, В. Гравитация и астрофизика. ЛитРес. (2017). с. 96--98

2. Блажко С. Н. Курс сферической астрономии. М., 1954.

3. Прохоров А. М. Физическая енциклопедия. М., 1998.

4. Андрієвський С. М., Климишин І. А. Курс загальної астрономії : навчальний посібник. -- Астропринт. -- Одеса, 2007. -- 480 с. -- ISBN 978-966-318-773-0.

5. Аберація світла // Велика українська енциклопедія : у 30 т. / проф. А. М. Киридон (відп. ред.) та ін. -- 2016. -- Т. 1 : А -- Акц. -- 592 с. -- ISBN 978-617-7238-39-2.

6. Аберація світла // Астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред. І. А. Климишина та А. О. Корсунь. -- Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України : Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. -- С. 10. -- ISBN 966-613-263-X

Размещено на Allbest.ru