Когда мы думаем о гравитации, мы обычно думаем о ней как о силе между массами. Например, когда вы встаете на весы, число на шкале представляет собой силу тяжести Земли на вашу массу, что дает вам вес. Легко представить себе гравитационную силу Солнца, удерживающего планеты на их орбитах, или гравитационное притяжение черной дыры. Силы легко понять как толчки и толчки.
Но теперь мы понимаем, что гравитация как сила - лишь часть более сложного явления, описанного общей теорией относительности. Хотя общая теория относительности - изящная теория, она радикально отличается от идеи гравитации как силы. Как однажды сказал Карл Саган, «экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств», а теория Эйнштейна - очень необычное утверждение. Но оказалось, что есть несколько необычных экспериментов, подтверждающих искривление пространства и времени.
Ключ к общей теории относительности заключается в том, что все в гравитационном поле падает с одинаковой скоростью. Встаньте на Луну и уроните молоток и перо, и они одновременно удариться о поверхность . То же самое верно для любого объекта, независимо от его массы или физического состава, и это известно как принцип эквивалентности.
Поскольку все падает одинаково, независимо от его массы, это означает, что без какой-либо внешней точки отсчета свободно плавающий наблюдатель вдали от гравитационных источников и свободно падающий наблюдатель в гравитационном поле массивного тела имеют одинаковый опыт. . Например, астронавты на космической станции выглядят так, как будто они плывут без гравитации. На самом деле гравитационное притяжение Земли на космической станции почти такое же сильное, как и на поверхности. Разница в том, что космическая станция (и все в ней) падает. Космическая станция находится на орбите, а значит, буквально падает вокруг Земли.
Международная космическая станция на орбите Земли. Предоставлено: НАСА.
Эту эквивалентность между плаванием и падением Эйнштейн использовал при разработке своей теории. В общей теории относительности гравитация - это не сила между массами. Напротив, гравитация - это эффект искривления пространства и времени в присутствии массы. Без силы, действующей на него, объект будет двигаться по прямой линии. Если вы проведете линию на листе бумаги, а затем скрутите или согнете бумагу, линия больше не будет выглядеть прямой. Точно так же прямой путь объекта искривляется, когда искривляются пространство и время. Это объясняет, почему все объекты падают с одинаковой скоростью. Гравитация определенным образом искривляет пространство-время, поэтому прямые пути всех объектов одинаково искривляются у Земли.
Так какой же эксперимент может доказать, что гравитация - это искривленное пространство-время? Один из них связан с тем, что свет может отклоняться ближайшей массой. Часто утверждают, что, поскольку свет не имеет массы, он не должен отклоняться гравитационной силой тела. Это не совсем так. Поскольку у света есть энергия, а согласно специальной теории относительности масса и энергия эквивалентны, теория тяготения Ньютона предсказывает, что свет будет слегка отклоняться ближайшей массой. Разница в том, что общая теория относительности предсказывает, что он будет отклонен вдвое больше.
Описание эксперимента Эддингтона из Illustrated London News (1919).
Эффект впервые наблюдал Артур Эддингтон в 1919 году. Эддингтон отправился на остров Принсипи у побережья Западной Африки, чтобы сфотографировать полное затмение. Некоторое время назад он сфотографировал тот же участок неба. Сравнивая фотографии затмения и более ранние фотографии того же неба, Эддингтон смог показать видимое положение звезд, смещенных, когда Солнце было близко. Величина отклонения согласовывалась с Эйнштейном, а не с Ньютоном. С тех пор мы наблюдаем аналогичный эффект, когда свет далеких квазаров и галактик отклоняется более близкими массами. Его часто называют гравитационным линзированием, и его использовали для измерения массы галактик и даже наблюдения за эффектами темной материи.
Еще одно свидетельство известно как эксперимент с временной задержкой. Масса Солнца искривляет пространство около себя, поэтому свет, проходящий около Солнца, не движется по идеально прямой линии. Вместо этого он движется по слегка изогнутой дорожке, которая немного длиннее. Это означает, что свет с планеты по другую сторону солнечной системы от Земли достигает нас немного позже, чем мы могли бы ожидать. Первое измерение этой задержки было в конце 1960-х годов Ирвином Шапиро. Радиосигналы от Венеры отражались от Земли, когда две планеты находились почти на противоположных сторонах Солнца. Измеренная задержка прохождения сигналов туда и обратно составила около 200 микросекунд, как и предсказывается общей теорией относительности. Этот эффект теперь известен как временная задержка Шапиро, и это означает, что средняя скорость света (определяемая временем прохождения) немного ниже, чем (всегда постоянная) мгновенная скорость света.
Третий эффект - гравитационные волны. Если звезды искажают пространство вокруг себя, то движение звезд в двойной системе должно вызывать рябь в пространстве-времени, подобно тому, как вращение пальца в воде может создавать рябь на поверхности воды. Когда гравитационные волны излучаются от звезд, они забирают часть энергии у двойной системы. Это означает, что две звезды постепенно сближаются, и этот эффект называется вдохновляющим. По мере того как две звезды движутся по спирали, их орбитальный период становится короче, потому что их орбиты становятся меньше.
Спад периода пульсара по сравнению с прогнозом (пунктирная кривая). Данные Халса и Тейлора, график автора.
Для обычных двойных звезд этот эффект настолько мал, что мы не можем его наблюдать. Однако в 1974 году два астронома (Халс и Тейлор) обнаружили интересный пульсар. Пульсары - это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые излучают радиоимпульсы в нашем направлении. Частота пульса пульсаров обычно очень и очень регулярна. Халс и Тейлор заметили, что частота этого конкретного пульсара будет немного увеличиваться, а затем немного замедляться с регулярной скоростью. Они показали, что это изменение связано с движением пульсара, вращающегося вокруг звезды. Они смогли очень точно определить орбитальное движение пульсара, вычислив его орбитальный период с точностью до долей секунды. Наблюдая за пульсаром на протяжении многих лет, они заметили, что его орбитальный период постепенно сокращается. Как и предполагалось, пульсар вдохновляет излучением гравитационных волн.
Иллюстрация гравитационного зонда B. Авторы и права: Команда Gravity Probe B, Стэнфорд, НАСА
Наконец, есть эффект, известный как перетаскивание рамки. Мы наблюдали этот эффект у самой Земли. Поскольку Земля вращается, она не только искривляет пространство-время своей массой, но и вращает пространство-время вокруг себя из-за своего вращения. Это скручивание пространства-времени известно как перетаскивание кадра. Вблизи Земли эффект невелик, но его можно измерить с помощью эффекта Ленз-Тирринга. Обычно вы выводите сферический гироскоп на орбиту и смотрите, изменится ли его ось вращения. Если нет перетаскивания кадра, ориентация гироскопа не должна измениться. Если есть перетаскивание кадра, то спиральное закручивание пространства и времени вызовет прецессию гироскопа, и его ориентация будет медленно меняться с течением времени.
Результаты Gravity Probe B. Предоставлено: команда Gravity Probe B, НАСА.
Мы действительно провели этот эксперимент со спутником, известным как Gravity Probe B, и вы можете увидеть результаты на рисунке здесь. Как видите, они очень хорошо согласны.
Каждый из этих экспериментов показывает, что гравитация - это не просто сила между массами. Гравитация - это эффект пространства и времени. Гравитация заложена в самой форме Вселенной.
Подумайте об этом, когда в следующий раз встанете на весы.