Вселенная сегодня


Новости космоса и астрономии



Всемирное координированное время (UTC): Понедельник, 27.03.2017, 05:43

Вселенная Сегодня » 2014 » Февраль » 3 » Как мы знаем, гравитация не "просто" сила

03.02.2014
Как мы знаем, гравитация не "просто" сила
Автор: Brian Koberlein



Иллюстрация двойной системы (двойной звезды), излучающей гравитационные волны. Предоставлено: ESO/L. Calçada.

Когда мы думаем о гравитации, мы обычно полагаем, что это сила между массами. Просто представить гравитационную силу Солнца, удерживающую планеты на их орбитах, или гравитационное притяжение черной дыры. Силы просто понять как отталкивающие и притягивающие.

Но теперь мы понимаем, что гравитация как сила - это всего лишь часть более сложного явления, описываемого общей теорией относительности. Хотя общая теория относительности является элегантной теорией, это радикальный уход от представления гравитации как силы. Как однажды сказал Карл Саган (Carl Sagan), "Extraordinary claims require extraordinary evidence" (экстраординарные утверждения требуют экстраординарного доказательства), и теория Эйнштейна - очень экстраординарное утверждение. Но оказывается, есть несколько экстраординарных экспериментов, которые подтверждают кривизну (искривление) пространства и времени.

Ключ к общей теории относительности лежит в том факте, что все в гравитационном поле падает с одной и той же скоростью. Встаньте на Луне и уроните молоток и перо, и они ударятся о поверхность в одно и то же время. То же самое верно для любого объекта независимо от его массы или физического состава, и это известно как принцип эквивалентности сил гравитации и инерции.

Так как все падает одним и тем же способом независимо от массы, это значит, что без некоторой внешней точки отсчета, движущийся без ускорения наблюдатель, далекий от гравитационных источников, и свободно падающий (движущийся с ускорением) наблюдатель в гравитационном поле массивного тела, каждый будет иметь один и тот же опыт. Например, астронавты в космической станции выглядят так, как будто они "плывут" без гравитации. на самом деле, гравитационное притяжение Земли на космическую станцию почти такое же сильное, что и у поверхности Земли. Разница в том, что космическая станция (и все в ней) падает. Космическая станция находится на орбите, что означает, что она буквально падает "вокруг" Земли.


Международная Космическая Станция на орбите вокруг Земли. Предоставлено: NASA.

Эта эквивалентность между плаванием и падением то, что Эйнштейн использовал для развития своей теории. В общей теории относительности, гравитация - не сила между массами. Вместо этого, гравитация - это явление деформации пространства и времени в присутствии масс. Без силы действующей не него, объект будет двигаться по прямой линии. Если вы прочертите линию на листе бумаги, а затем скрутите или изогнете бумагу, линия не будет больше выглядеть прямой. Таким же образом, прямая траектория объекта изгибается, когда изгибаются пространство и время. Это объясняет, почему все объекты падают с одной и той же скоростью. Гравитация деформирует пространство-время особым образом, поэтому прямые траектории всех объектов изгибаются одним и тем же образом около Земли.

Так, какого рода эксперимент мог бы возможно доказать, что гравитация - это деформированное время-пространство? Это вытекает из того факта, что свет может быть преломлен (отражен, отклонен) близлежащей массой. Часто утверждается, что так как свет не имеет массы, он должен отклоняться гравитационной силой тела. Это не вполне правильно. Так как свет имеет энергию, и по специальной теории относительности масса и энергия эквиваленты, гравитационная теория Ньютона прогнозирует, что свет немного бы отклонялся близлежащей массой. Различие в том, что общая теория относительности прогнозирует, что он отклонится в два раза больше.


Описание эксперимента Эддингтона из журнала London News (1919) с иллюстрациями.

Явление впервые наблюдал Артур Эддингтон (Arthur Eddington) в 1919 году. Эддингтон путешествовал к острову Принсипи (Principe) у побережья Западной Африки для того, чтобы сфотографировать полное солнечное затмение. Он сделал несколько снимков той же самой области неба когда-то раньше. Сравнивая фотографии затмения и более ранние снимки того же неба, Эддингтону удалось показать видимое положение звезд, смещенное, когда Солнце было поблизости. Величина отклонения согласовалась с Эйнштейном, а не с Ньютоном. С того времени мы видели подобный эффект там, где свет отдаленных квазаров и галактик отклоняется более близкими массами. Это явление часто называют гравитационным линзированием, и его использовали для измерения масс галактик, и даже для того, чтобы увидеть влияние темной материи.

Еще одно доказательство известно как эксперимент задержки времени. Масса Солнца деформирует пространство около него, поэтому свет, проходя около Солнца не движется по идеально прямой линии. Вместо этого, он движется вдоль немного изогнутой (искривленной) траектории, которая немного длиннее. Это означает, что свет от планеты на другой стороне Солнечной Системы от Земли достигает нас немного позже, чем мы бы ожидали. Первое измерение этой задержки времени было проведено в конце 1960-х Ирвином Шапиро (Irwin Shapiro). Радиосигналы с Земли были отражены от Венеры, когда две планеты находились почти на противоположных сторонах от Солнца. Измеренная задержка путешествия сигналов туда и обратно была около 200 микросекунд, прямо как предсказывала общая теория относительности. Это явление теперь известно как Эффект Шапиро (Shapiro time delay), и он означает, что средняя скорость света (определяемая временем в пути) немного медленнее, чем (всегда постоянная) мгновенная скорость света.

Третье явление - это гравитационные волны. Если звезды деформируют пространство вокруг них, тогда движение звезд в двойной системе создавало бы рябь (неравномерность) в пространстве-времени, подобно тому, что закручивает ваш палец в воде, может создать рябь на поверхности воды. Поскольку гравитационные волны излучаются вдаль от звезд, они уносят некоторую часть энергии от двойной звезды. Это означает, что две звезды постепенно движутся ближе друг к другу, явление, известное как сближение (inspiralling). Когда две звезды сближаются, их орбитальный период становится короче, потому что их орбиты становятся меньше.


Задержка периода пульсара по сравнению с прогнозом (пунктирная кривая). Данные от Hulse и Taylor, график от автора.

Для регулярных двойных звезд это явление настолько мало, что мы не можем наблюдать его. Тем не менее, в 1974 году два астронома (Hulse и Taylor) обнаружили интересный пульсар. Пульсары - это быстро вращающиеся вокруг своей оси нейтронные звезды, которые излучают радиоимпульсы в нашем направлении. Скорость импульсов пульсаров как правило постоянная. Халс и Тейлор (Hulse и Taylor) заметили, что эта специфическая скорость пульсара немного ускорялась, а затем немного замедлялась с постоянной (регулярной) скоростью. Они продемонстрировали, что это изменение происходило из-за движения пульсара, когда тот двигался по орбите вокруг звезды. Они смогли определить орбитальное движение пульсара очень точно, вычислив его орбитальный период до долей секунды. Так как они наблюдали свой пульсар годами, они заметили, что его орбитальный период постепенно становился короче. Пульсар сближался (inspiralling) из-за излучения гравитационных волн, как и прогнозировалось.


Иллюстрация Gravity Probe B. Предоставлено: Gravity Probe B Team, Stanford, NASA.

В конце концов, это явление теперь известно как Увеличение инерциальных систем отсчета, или Эффект Лензе-Тирринга (frame dragging). Мы видели это явление около самой Земли. Так как Земля вращается вокруг своей оси, она не только искривляет пространство-время своей массой, она скручивает пространство-время вокруг себя из-за своего вращения вокруг оси. Это скручивание пространства-времени известно как frame dragging. Эффект не очень большой около Земли, но он может быть измерен через Эффект Лензе-Тирринга. По существу, вы помещаете сферический гироскоп на орбиту, и смотрите, изменяется ли его ось вращения. Если не существует frame dragging, то ориентация гироскопа не изменится. Если frame dragging существует, то спиральное скручивание пространства-времени заставит гироскоп прецессировать, и его ориентация будет медленно изменяться со временем.


Результаты Gravity Probe B. Предоставлено: Gravity Probe B team, NASA.

Мы фактически проделали этот эксперимент со спутником Gravity Probe B, и вы можете увидеть результаты на графике выше. Как вы можете видеть, они очень хорошо согласуются.

Каждый из этих экспериментов показывает, что гравитация - это не просто сила между массами. Гравитация - это эффект пространства и времени. Гравитация заложена в саму форму Вселенной.


Название прочитанной вами статьи "Как мы знаем, гравитация не "просто" сила".

Похожие статьи:
Категория: Астрономические открытия | Просмотров: 3510 | Теги: Исаак Ньютон, Альберт Эйнштейн, гравитационные волны, общая теория относительности, Гравитация | Рейтинг: 0.0/0
Читайте также:
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]