Koji su neki od dokaza za Opštu teoriju relativnosti?

Testovi opšte relativnosti služe za uspostavljanje opservacionih dokaza za teoriju opšteg relativiteta. Prva tri testa, koje je predložio Ajnštajn 1915. godine, odnosila su se na “anomalnu” precesiju Merkura, savijanje svjetlosti u gravitacionim poljima i gravitaciono crveno pomjeranje. Precesija Merkura je već poznata; eksperimenti koji pokazuju savijanje svjetlosti u skladu sa predviđanjima opšte relativnosti pronađeni su 1919. godine, sa povećanjem preciznih mjerenja u narednim testovima, a astrofizičko mjerenje gravitacionog crvenog pomjeranja tvrdilo se da je izmjereno 1925. godine, iako mjerenja dovoljno osjetljiva da stvarno potvrde teoriju nisu radila do 1954. Program tačnijih ispitivanja počevši od 1959. godine testirao je razna predviđanja opšte relativnosti sa još jednakim stepenom tačnosti u granici slabog gravitacionog polja, teško ograničavajući moguća odstupanja od teorije.

Tokom sedamdesetih godina prošlog vijeka, počeli su da se izvode dodatni testovi, počevši od mjerenja Irvina Shapira relativističkog vremenskog kašnjenja u vremenu putovanja radarskog signala u blizini Sunca. Počevši od 1974. godine, Hulse, Taylor i ostali su proučavali ponašanje binarnih pulsara koji su imali mnogo jača gravitacijska polja od onih pronađenih u Solarnom sistemu. U granicama slabog polja (kao u Solarnom sistemu) i sa jačim poljima prisutnim u sistemima binarnih pulsara, predviđanja opšte relativnosti su izuzetno dobro testirana lokalno.



U februaru 2016. godine, napredni LIGO tim je objavio da su direktno otkrili gravitacione talase iz spoja crne rupe. Ovo otkriće, zajedno sa dodatnim otkrivanjima objavljenim u junu 2016. i juna 2017. godine, testirali su opštu relativnost u veoma jakom graničnom polju, posmatrajući do danas odstupanja od teorije.

Moderna era ispitivanja opšte relativnosti uslijedila je u velikoj mjeri na potezu Dickea i Schiffa koji su postavili okvir za testiranje opšte relativnosti. Naglasili su značaj ne samo klasičnih testova već i nultih eksperimenata, testiranja efekata koji se u principu mogu javiti u teoriji gravitacije, ali se ne javljaju u opštoj relativnosti. Drugi važni teorijski događaji uključivali su početak alternativnih teorija opštoj relativnosti, naročito skalar-tenzorske teorije kao što je teorija Brans-Dickea, parametrizovani post-Newtonov formalizam u kome se odstupanja od opšte relativnosti mogu kvantifikovati; i okvir principa ekvivalentnosti.

Eksperimentalno, novi razvoj u istraživanju svemira, elektronike i kondenzovane materije omogućili su dodatne precizne eksperimente, kao što su eksperimenti Pound-Rebka, laserska interferometrija i lunarni opseg vezivanja.

Gravitaciono zakrivljivanje

Jedan od najvažnijih testova je gravitaciono zakrivljivanje. Zapaženo je u udaljenim astrofizičkim izvorima, ali su oni loše kontrolisani i nije sigurno kako oni ograničavaju opću relativnost. Najprecizniji testovi su analogni Eddingtonovom eksperimentu iz 1919. godine. Oni mjere zakrivljenje zračenja od udaljenog izvora pored Sunca. Izvori koji se mogu precizno analizirati su udaljeni radio izvori. Posebno, neki kvazari su veoma jaki radio-izvori. Usmjerena rezolucija bilo kog teleskopa je u principu ograničena difrakcijom; za radio-teleskope to je i praktična granica. Važno poboljšanje u dobijanju pozicijske visoke preciznosti (od milli-arcsecond do micro-arcsecond) dobijeno je kombinovanjem radio-teleskopa sa Zemlje. Tehnika se zove veoma duga bazna interferometrija (VLBI). Sa ovom tehnikom, radio-opservacije upućuju fazne informacije radio signala uperene u teleskopima odvojenim na velike udaljenosti.

Nedavno su ovi teleskopi izmjerili odklanjane radio talasa od Sunca do izuzetno visoke preciznosti, potvrđujući količinu deformacije predviđenu opštom relativnosti na nivo od 0,03%. Na ovom nivou preciznosti sistematski efekti moraju biti pažljivo uzeti u obzir kako bi se utvrdila tačna lokacija teleskopa na Zemlji. Neki od važnih efekata su nulta zemlja, rotacija, atmosferska refrakcija, tektonska pomjeranja i plimni talasi. Još jedan važan efekat je refrakcija radio talasa od strane solarne korone. Na sreću, ovaj efekat ima karakterističan spektar, a gravitaciono izobličenje nezavisno od talasne dužine. Stoga, pažljiva analiza, koristeći mjerenja na nekoliko frekvencija, može oduzeti ovaj izvor greške.

Cjelokupno nebo je blago iskrivljeno zbog gravitacionog proklizavanja svjetlosti prouzrokovanog Suncem (izuzev smjera protiv Sunca). Ovaj efekat je posmatrao astrometrički satelit Europske svemirske agencije Hipparcos. Izmjerio je položaj od oko 105 zvijezda. Tokom cjelokupne misije utvrđene su relativne pozicije 3,5 × 106, svaka sa tačnošću od 3 milijarde sekunde (tačnost za zvezde 8-9 magnitude). S obzirom da je gravitaciono deformacija pravolinijska na smer Zemlje-Sun već 4,07 milisekundi, potrebne su korekcije za praktično sve zvezde. Bez sistematskih efekata, greška u pojedinačnom posmatranju od 3 milijar sekundi mogla bi se smanjiti kvadratnim korenom broja pozicija, što dovodi do preciznosti od 0,0016 milijarsekunde. Međutim, sistematski efekti ograničavaju tačnost određivanja na 0,3% (Froeschlé, 1997).



Testiranje vremenskog kašnjenja u putovanju svjetla

Irwin I. Shapiro predložio je još jedan test, izvan klasičnih testova, koji se mogu obaviti unutar Solarnog sistema. Ponekad se zove četvrti “klasični” test opšte relativnosti. Predviđao je relativističko vremensko kašnjenje (zakašnjenje Shapiro) u vremenu putovanja u kružnom putovanju za radarske signale koji se odražavaju na drugim planetama. Jedina krivina puta fotona koja prolazi blizu Sunca je suviše mala da bi se mogao vidjeti odlagajući efekat (kada se vrijeme kružnog puta upoređuje sa vremenom koje je snimljeno ako je foton pratio pravu stazu), ali opća relativnost predviđa vremensko kašnjenje koje postaje progresivno veće kada foton prođe bliže Suncu zbog vremenske dilatacije gravitacionog potencijala Sunca. Posmatranje radarskih refleksija iz Merkura i Venere neposredno prije i nakon sunčanja sunca slaže se sa opštom teorijom relativnosti na nivou od 5%.

Nedavno je Cassini sonda preduzela sličan eksperiment koji je davao saglasnost sa opštom relativnošću na nivou od 0,002%. Međutim, sljedeće detaljne studije su otkrile da na izmjerenu vrijednost gama parametra PPN utječe gravitomagnetni efekat prouzrokovan oboţnim kretanjem Sunca oko barecentra Sunčevog sistema. Gravitomagnetski efekat eksperimenta Cassini je implicitno postulirao B. Berotti kao da ima čisto opšte relativističko porjeklo, ali njegova teorijska vrijednost nikada nije testirana u eksperimentu, što efektivno dovodi do eksperimentalne neizvjesnosti prema gama faktoru od 10) od 0,002% koje je tvrdio B. Berotti i koautori u časopisu Nature.

Princip ekvivalencije

Princip jednakosti, u najjednostavnijem obliku, tvrdi da trajektorije padajućih tijela u gravitacionom polju treba da budu nezavisne od njihove mase i unutrašnje strukture, pod uslovom da su dovoljno male da ne narušavaju životnu sredinu ili da utiču na plimske sile. Ova ideja je testirana na izuzetno visoku preciznost eksperimenata Eötvös torzionih balansa, koji traže diferencijalno ubrzanje između dvije testne mase. Ograničenja na ovome i na postojanje pete sile ili gravitacione interakcije Yukawa su veoma jake i diskutovane su po petom principu sile i slabe ekvivalentnosti.

Verzija principa ekvivalentnosti, koja se zove princip jake ekvivalentnosti, tvrdi da sva gravitaciono padajuća tijela, kao što su zvijezde, planete ili crne rupe (koje se sve drže zajedno gravitacionom privlačnošću), treba da prate iste trajektorije u gravitacionom polju, pod uslovom da su isti uslovi ispunjeni. Ovo se zove Nordtvedt efekat i najpreciznije je testiran eksperimentom Lunar Laser Ranging od 1969. godine je kontinuirano mjerilo rastojanje od nekoliko centrifugalnih stanica na Zemlji do reflektora na Mjesecu do približno centimetarske tačnosti. Ove su obezbjedile snažno ograničenje na nekoliko drugih post-Newtonovih parametara.

Drugi dio principa jake ekvivalentnosti je zahtjev da je gravitaciona konstanta Newtona konstantna u vremenu i da ima istu vrijednost svuda u svemiru. Postoji mnogo nezavisnih opservacija koje ograničavaju moguću varijaciju Newtonove gravitacione konstante, ali jedan od najboljih dolazi iz lunarnog opsega koji ukazuje na to da se gravitaciona konstanta ne mijenja za više od jednog dijela u 10^11 godišnje. Konstantnost ostalih konstanti govori se u poglavlju principa ekvivalencije Einsteina u članku principa ekvivalentnosti.



Gravitacioni crveni pomak

Prvi od klasičnih testova o kojima smo govorili gore, gravitaciono crveno pomicanje, predstavlja jednostavnu posljedicu principa Einsteinove ekvivalencije i predviđao ga je Einstein 1907. godine. Kao takav, to nije test generalne relativnosti na isti način kao post-Newtonov testovi, jer bilo koja teorija gravitacije koja poštuje princip ekvivalencije treba da uključi i gravitaciono crveno pomjeranje. Bez obzira na to, potvrđivanje postojanja efekta bilo je važno objašnjenje relativističke gravitacije. Prvo posmatranje gravitacionog crvenog pomjeranja bilo je mjerenje promjene u spektralnim linijama od bijelog patuljka Sirius B od Adamsa 1925. godine kao i naknadnih mjerenja drugih bijelih patuljaka. Međutim, zbog teškoće astrofizičkog mjerenja, poželjna je eksperimentalna verifikacija korišćenjem poznatog kopnenog izvora.

Eksperimentalna verifikacija gravitacionog crvenog pomjeranja pomoću kopnenih izvora trajala je nekoliko desetljeća, jer je teško pronaći satove (za mjerenje proširenja vremena) ili izvore elektromagnetnog zračenja (za mjerenje crvenog pomaka) sa učestalošću koja je dovoljno poznata da se efekat može tačno izmjeriti . Potvrđeno je eksperimentalno po prvi put 1959. godine korišćenjem mjerenja promjene talasne dužine gama zraka fotona generisanih efektom Mössbauer-a, koji generiše zračenje sa vrlo uskom širinom linije. Eksperiment Pound-Rebka mjerio je relativno crveni pomak dva izvora smještena na vrhu i dnu tornjeva Jefferson Univerziteta Harvard. Rezultat je bio u odličnoj saglasnosti sa opštom relativnošću. Ovo je bio jedan od prvih preciznih eksperimenata koji testiraju opću relativnost. Eksperiment je kasnije poboljšan na bolje od nivoa od 1% Pound i Snider.

Plavo pomjeranje padajućeg fotona može se pronaći pod pretpostavkom da ima ekvivalentnu masu zasnovanu na svojoj frekvenciji E = hf gdje je h Planckova konstanta zajedno sa E = mc ^ {2}, što je rezultat posebne relativnosti. Takvi jednostavni izvodi ignorišu činjenicu da u općoj relativnosti eksperiment upoređuje satove, a ne energije. Drugim riječima, “viša energija” fotona nakon pada može se ekvivalentno pripisati sporijim trčanju satova dubljih u granici gravitacionog potencijala. Da bi se u potpunosti potvrdila opšta relativnost, važno je takođe pokazati da je stopa dolaska fotona veća od brzine kojom se emituju. Veoma precizan gravitacijski eksperiment sa crvenim pomicanjem, koji se bavi ovim problemom, izveden je 1976. godine, gde je sat vodonika na raketi lansiran na visinu od 10.000 km, a njegova brzina upoređena sa identičnim satom na tlu. Testirao je gravitaciono crveno pomeranje na 0,007%.



Iako Globalni sistem pozicioniranja (GPS) nije dizajniran kao test osnovne fizike, on mora računati na gravitaciono crveno pomjeranje u svom vremenskom sistemu, a fizičari su analizirali vremenske podatke iz GPS-a kako bi potvrdili druge testove. Kada je lansiran prvi satelit, neki inženjeri se nisu slagali sa predviđanjem da će doći do značajne dilatacije gravitacije, tako da je prvi satelit lansiran bez podešavanja sata koji je kasnije ugrađen na sljedeće satelite. Prikazan je predviđeni pomak od 38 mikrosekundi dnevno. Ova stopa neusklađenosti je dovoljna da značajno ošteti funkciju GPS-a u roku od sat vremena, ako to nije obračunato.

 1,947 total views,  2 views today

Arnes K.

Ja sam nastavnik i profesor fizike koji nastoji da ispuni rupe u svom i svačijem znanju kako bi svi bili bolje informisani i mogli da donosimo bolje odluke i živimo bolji život.

Šta vi mislite o ovom? Ostavite vaš komentar i podijelite mišljenje sa svima.

Sva Fizika
%d bloggers like this: