Tag Archives: opšta teorija relativnosti

Astrofizika, Astronomija, Koncepti u fizici, Konceptualno razumijevanje fizike, Opšta teorija relativnosti, Specijalna teorija relativnosti, Teorija relativnosti

Razumijevanje gravitacije – iskrivljenja i talasanja u prostoru i vremenu

Leave a comment

Newton i zakon gravitacije
Newton je objavio jedno od najslavnijih naučnih djela, Principia, 1687. godine. U njemu je opisao da je sila koja vuče predmete prema zemlji ista sila koja je u osnovi kretanja planeta i zvijezda.

Da bi došao do ovog zaključka, Newton je zamislio da odnese predmet daleko od površine Zemlje i baci ga. Ako ga bacite s premalo zamaha, on će pasti prema Zemlji, zarobljen gravitacijom poput nas samih. Ako ga bacite s previše zamaha, ubrzaće se od planete, započinjući putovanje u svemirske domete. Ali sa tačno pravim zamahom, možete ga baciti tako da neprestano pada oko Zemlje, okolo i okolo u vječnom natezanju konopa. Predmet pokušava nastaviti putem kojim ste ga bacili, ali gravitacija ga neprestano uvlači. Uz pravilan balans, objekt se sada nalazi u orbiti oko Zemlje – baš poput Mjeseca ili poput Zemlje oko Sunca.

Newton je formulisao ovaj uvid u matematičku jednadžbu, danas poznatu kao zakon univerzalne gravitacije. U kombinaciji sa znanjem o geometriji i ostalim Newtonovim jednadžbama kretanja, možemo ga koristiti za predviđanje kretanja planeta ili putanja kometa ili koliko je snage potrebno da se raketa dovede do Mjeseca.

Newtona priznajemo ne samo zbog njegove ideje, već i zato što ju je formulirao u jednačinu koja je predviđala s većom preciznošću nego ikad prije. Ali nije bilo savršeno – Newtonove jednadžbe dale su neka pogrešna predviđanja i, što je još važnije, nije opisao kako gravitacija djeluje na način na koji to radi. Newton je bio dobro svjestan toga kad je rekao,

Gravitaciju mora prouzrokovati agent koji stalno djeluje u skladu s određenim zakonima; ali da li je ovaj agent materijalni ili nematerijalni, ostavio sam na razmatranje svojim čitateljima.
Isaac Newton

Iskrivljenja u prostoru i vremenu
Više od 200 godina nakon što je Principia objavljena, svijet je još uvijek bio bez razumijevanja mehanizma gravitacije. Nakon toga je došao Albert Einstein – čovjek koji je na toliko načina trebao promijeniti svijet. Ali prije nego što pređemo na njegov posao, morat ćemo napraviti digresiju.

Ne možete znati krećete li se (konstantnom brzinom)

  1. godine, čak i prije nego što je Newton objavio svoje danas poznato djelo, Galileo Galilei je pisao o relativnom kretanju objekata poznatih u njegovo vrijeme: brodova.

Ako ste u zatvorenoj sobi na brodu koji plovi konstantnom brzinom, a vožnja je savršeno glatka, predmeti se ponašaju kao na kopnu. Ne postoji fizički eksperiment koji biste mogli provesti da li se krećete ili mirujete (pod pretpostavkom da ne virite iz okna). Ovo je srž ideje koja stoji iza relativnosti i isti je razlog zašto ne osjećamo kretanje naše planete oko Sunca ili kretanje našeg Sunčevog sistema kroz galaksiju.

Prostor i vrijeme su povezani
Gotovo 300 godina nakon Galileja, Einstein je razmišljao o posljedicama relativnosti u kontekstu važnog faktora: brzine svjetlosti. Nije bio jedina osoba koja je razmišljala o tim temama – drugi su fizičari u to vrijeme bili svjesni da na ovom frontu ima neodgovorenih pitanja. Ali Einstein je bio taj koji je formulirao teoriju – svoju teoriju posebne relativnosti – da objasni postojeće pojave i stvori nova predviđanja. U početku se činilo da posebna relativnost nema puno veze s gravitacijom, ali je Einsteinu bila bitan kamen za razumijevanje gravitacije.

POKRETNI SATOVI OTKUCAVAJU SPORIJE
Eksperimenti za vrijeme Einsteina pokazali su da se čini da je brzina svjetlosti konstantna. Bez obzira koliko brzo pokušavali da je sustignete, čini se da vam svjetlost uvijek odmiče brzinom od gotovo 300 000 000 metara u sekundi.

Zašto je ovo važno? Pa, zamislimo da sami konstruiramo sat od same svjetlosti. Dva ogledala postavljena su jedno nasuprot drugog, a „otkucaj“ sata je vrijeme potrebno da čestica svjetlosti putuje s jedne na drugu stranu i natrag.

Sada zamislimo da vaš prijatelj, koji je na svemirskom brodu koji zipa pokraj Zemlje, ima jedan od ovih satova. Čini se da za vašeg prijatelja sat radi normalno – čestice svjetlosti putuju gore-dolje, kako se očekivalo, a vrijeme teče na svoj uobičajeni način. Ali iz vaše perspektive, gledajući brod kako prolazi, svjetlost se pomiče i gore i dolje i u stranu, s brodom. Svjetlost putuje veću udaljenost sa svakim otkucajem.

Dakle, za svemirskog putnika svjetlost putuje brzinom od 300 000 000 m / s i samo gore-dolje; a posmatraču koji je vezan za Zemlju, svjetlost putuje 300 000 000 m / s, ali mora preći veću, dijagonalnu udaljenost; tada promatraču uz Zemlju sat treba duže da “otkuca”.

Taj se efekt naziva vremenska dilatacija. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme.

PERSPEKTIVNA PITANJA
Ali čije je vrijeme zaista usporeno? Je li to osobe na Zemlji, koja gleda svog prijatelja kako prolazi kroz njen svemirski brod? Ili astronaut, koji tvrdi da ostaje miran dok Zemlja prolazi?

Čudno je da su oba gledišta valjana, ali samo dok su oba u stalnom pokretu.

Za ilustraciju, pretpostavimo da su, kada je astronaut napustio Zemlju, on i njegov prijatelj bili istih godina. Kad on ode, svemirski brod ubrzava od Zemlje. Kad se vrati, svemirski brod usporava kako bi izbjegao pad. I prilikom odlaska i povratka svemirski brod mijenja referentni okvir i naš astronaut može osjetiti promjenu kretanja. Eksperimenti izvedeni unutar svemirskog broda za vrijeme ubrzavanja i usporavanja pokazali bi da se nešto mijenja. To ruši simetriju situacije, a kada se svemirski brod spusti natrag na Zemlju, naš astronaut zaista će biti mlađi od svog kolege vezanog za Zemlju.

Efekti su primjetni samo ako su putovali jako, jako brzo – ali još uvijek je istina reći da će današnji astronauti i piloti borbenih aviona koji se vrate iz brze misije, a ostarit će i malo i manje od ostalih tokom te misije.

ČETIRI DIMENZIJE PROSTORNOG VREMENA
Slijedom ovoga, umjesto da razmišljamo o tri dimenzije prostora i jednoj zasebnoj dimenziji vremena, možemo ih smatrati četiri dimenzije „prostora-vremena“. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme i obrnuto.

OBJEKTI PRI KRETANJU SE SAŽIMAJU U PROSTORU
Još jedna posljedica posebne relativnosti je da se čini da se objekti koji se brzo kreću skupljaju u smjeru svog kretanja. (I opet, ovo se preokreće, ovisno iz čije perspektive gledate.)

To proizlazi iz izobličenja vremena – uostalom, možete izmjeriti dužinu nečega prema količini prostora koji nešto putuje kroz vrijeme (npr. Svjetlosne godine, svjetlosne sekunde). I dok je lukavo zamisliti mjerenje dužine predmeta u pokretu iz tuđe perspektive, kontrakcija dužine je stvarni, fizički efekt, a ne samo rezultat nepreciznih mjerenja.

Za razliku od dobnih razlika koje mogu nastati dilatacijom vremena, ne postoje rezidualni efekti zbog kontrakcije dužine nakon što se pokretni objekt i posmatrač ponovo sjedine.

Razumijevanje gravitacije
Einsteinov opis gravitacije dovodi do situacija jednako bizarnih kao i posebna relativnost – uključujući putovanje kroz vrijeme!

UBRZANJE I GRAVITACIJA MOGU DA SE NE MOGU RAZLIKOVATI
Zamislite da se budite u svemirskom brodu, ubrzavajući kroz svemir. Baš kao što ste gurnuti natrag u sjedište automobila koji ubrzava, svemirski brod koji vas ubrzava odgurne vas u stranu nasuprot onoj prema kojoj ubrzavate. Uz određenu brzinu ubrzanja, set vaga mogao bi vam reći da težite potpuno isto kao i kad ste kod kuće na Zemlji.

Postoji li bilo kakav fizički eksperiment koji biste mogli obaviti u granicama svog svemirskog broda da biste utvrdili jeste li zaista ubrzavali kroz svemir (pod pretpostavkom da nije bilo prozora kroz koji ste mogli gledati) ili ste se, umjesto toga, nalazili u svemirskom brodu stacionarnom na površini Zemlja? Einstein je rekao ne – baš kao što je Galileo zamišljao nerazlučivost osobe u jedrenjaku s konstantnim kretanjem (zatvorenim bez prozora) i osobe na kopnu, Einstein je shvatio da se i efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati. To se naziva principom ekvivalencije.

Einstein je shvatio da se efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati.

PROSTOR SE ZAKRIVLJUJE ISPOD UBRZANOG POKRETA
Jednom kada je Einstein formulirao princip ekvivalencije, gravitacija je postala manje misteriozna. Svoje znanje o ubrzanju mogao je primijeniti kako bi bolje razumio gravitaciju.

Možda znate da ubrzanje ne znači uvijek promjenu brzine, kao kad ubrzavate u automobilu, gurajući vas na naslon sjedala. To također može značiti promjenu smjera, na primjer kada zaobiđete kružni tok, zbog čega ćete se nagnuti prema boku automobila.

Da to dalje proširimo, zamislimo cilindričnu karnevalsku vožnju gdje ste vi i vaši suputnici prikovani za vanjsku površinu. Cilindar se okreće sve brže i brže dok ubrzanje ne popusti i kretanje ne ostane konstantno. Ali čak i kad je brzina konstantna, i dalje osjećate ubrzano kretanje – osjećate se prikovanim za vanjski rub vožnje.

Da je ova okretaja bila dovoljno velika i kretala se dovoljno brzo, počeli biste primjećivati ​​neke bizarne efekte u samoj vožnji, ne samo sa stajališta nekoga tko stoji izvan nje.

Svakom rotacijom oni na rubu vožnje prelaze puni opseg cilindra – dok se u samom središtu gotovo uopće ne pomiče. Dakle, ako bi netko stajao u samom središtu vožnje (možda ga drži ograda, sprečavajući ga da padnu na rub), primijetio bi sve one čudne efekte koje smo vidjeli u posebnoj relativnosti – da će se oni na rubu promijeniti u dužini, i njihovi će satovi otkucavati sporije.

GRAVITACIJA JE ZAKRIVLJENJE PROSTOR – VREMENA
Princip ekvivalencije govori nam da se efekti gravitacije i ubrzanja ne mogu razlikovati. Razmišljajući o primjeru cilindrične vožnje, vidimo da ubrzano kretanje može iskriviti prostor i vrijeme. Tu je Einstein spojio tačke sugerirajući da je gravitacija iskrivljenje prostora i vremena. Gravitacija je zakrivljenost svemira uzrokovana masivnim tijelima koja određuje put kojim predmeti putuju. Ta zakrivljenost je dinamična, kreće se kako se ti objekti kreću.

U Einsteinovom pogledu na svijet, gravitacija je zakrivljenost prostor – vremena uzrokovana masivnim objektima. Izvor slike: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

Ova teorija, opća relativnost, predviđa sve, od orbita zvijezda do sudara asteroida do jabuka koje padaju s grane na zemlju – sve što smo očekivali od teorije gravitacije.

Prostor vrijeme zahvaća masu, govori joj kako da se kreće … Masa zahvaća prostor vrijeme, govori mu kako da se zakrivi.
Fizičar John Wheeler

Uspjeh opšte relativnosti
Baš kao što je Newtonova formulacija zakona gravitacije bila dragocjena zbog njihove prediktivne moći, isto vrijedi i za Einsteinove. Do danas su njegova predviđanja – koliko god čudno zvučala – izdržala test vremena.

Dokazi o Einsteinovoj teoriji gravitacije uključuju savijanje zvjezdane svjetlosti (ili, u ovom slučaju, svjetlosti čitavih galaksija) oko masivnih objekata. Izvor slike: ESA / Hubble & NASA / Wikimedia Commons.

Gravitacijski talasi
EHO JAKO UDALJENE KATAKLIZME
Zamislite dva vrlo masivna predmeta, poput crnih rupa. Ako bi se ti objekti sudarili, potencijalno bi mogli stvoriti ekstremne poremećaje u tkivu svemira, krećući se prema van poput mreškanja u jezercu. Ali koliko su se daleko mogli osjećati takvi valovi? Einstein je predvidio da gravitacijski valovi postoje, ali vjerovao je da će biti premali da bi se otkrili dok su stigli do nas ovdje na Zemlji.

Tako je s velikim uzbuđenjem 11. februara 2016. godine znanstvena zajednica bila puna objave da je otkriven gravitacijski val. Bili su nam potrebni instrumenti sposobni za otkrivanje signala promjera jednog desethiljaditog dijela promjera protona (10-19 metara). To je upravo ono što Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), kojom upravljaju Kalifornijski institut za tehnologiju i Massachusetts Institute of Technology, može.

LIGO EKSPERIMENT
U LIGO eksperimentu laser se usmjerava u veliku strukturu tunela. Laserski snop je podijeljen tako da polovina putuje niz jedan od 4 kilometra dugih „krakova“, a druga polovina u isto vrijeme pada niz drugi krak od 4 kilometra. Na kraju svake ruke zrcalo reflektira svjetlost od lasera natrag odakle je došla, a dvije zrake se stapaju u jednu.

Uobičajeno, laserski zraci trebali bi se rekombinirati u isto vrijeme. Ali ako se gravitacijski talas talasa kroz svemir dok su detektori uključeni, to valjanje će ispružiti jedan krak strukture u obliku slova L prije rastezanja drugog. Gravitacijski talas narušava prolazak svjetlosti, što rezultira određenom vrstom interferencijskog svjetlosnog uzorka koji se detektira na kraju.

ASTRONOMIJA GRAVITACIONIH TALASA
Uspješni LIGO eksperiment otvorio je novu eru astronomije. Prije toga, astronomi su se uglavnom fokusirali na proučavanje elektromagnetskog spektra (uključujući svjetlost i radio valove). Kroz taj smo posao uspjeli otkriti ogromnu količinu našeg svemira, ali sada imamo potpuno novi način proučavanja svemira.

Otkriće gravitacijskih valova daje astronomima novi ‘smisao’ s kojim mogu istraživati ​​svemir, pa će tako gotovo sigurno biti iznenađenja pred nama. Ono što znamo je da će nam ova tehnika omogućiti bolje razumijevanje najmasivnijih objekata u svemiru kao što su crne rupe, neutronske zvijezde i supernove; i pružit će nam novi prozor za proučavanje kako je nastao svemir.

Da li je naše razumijevanje potpuno?
Iako je Einsteinova teorija gravitacije potvrđivana eksperimentom za eksperimentom, to ne znači da je naše razumijevanje cjelovito. U stvari, znamo da nešto nije sasvim u redu.

Jedno neodgovoreno pitanje je da li gravitaciju širi graviton – predložena (ali do sada neotkrivena) čestica odgovorna za gravitacijske interakcije. Još važnije, znamo da je opća relativnost u svom sadašnjem obliku nekompatibilna s drugim stubom moderne fizike: kvantnom mehanikom. Ovo je pokazatelj da su jedna ili obje teorije nepotpune ili da nam nedostaje neka druga ključna komponenta.

Hoće li Einsteinova teorija gravitacije ostati nepromijenjena, nije poznato. Ali proizveo je mnoga neočekivana, neintuitivna predviđanja koja su se iznova potvrđivala tokom više od sto godina. To je znak velike naučne teorije – daje predviđanja koja se u to vrijeme možda neće moći dokazati, ali će se suprotstaviti rigoroznim testiranjima. Ovo je bilo jedno od najvećih putovanja u istoriji nauke, uključujući ne samo Newtona i Einsteina, već i mislioce i činioce širom svijeta koji su radili na testiranju ovih teorija.

Uprkos tome, raskol između relativnosti i kvantne mehanike ostaje. Što se tiče sljedećeg, niko sa sigurnošću ne zna. Međutim, postoji nekoliko teorija – teorija struna, teorija petlji, višedimenzionalnih teorija – nedokazanih, ali s obećanjem da će postati sljedeća prekretnica u razumijevanju našeg kosmosa.

Izvor: Understanding gravity—warps and ripples in space and time – Curious (science.org.au)

Astrofizika, Geometrija, Konceptualno razumijevanje fizike, Viša fizika

Koji su neki od dokaza za Opštu teoriju relativnosti?

Leave a comment

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.