Экспериментальное подтверждение общей теории относительности
Создав общую теорию относительности, Эйнштейн указал на три явления, в которых его теория и теория Ньютона приводили к разным предсказаниям, и которые в случае их подтверждения, могли служить обоснованием его теории.
Это были поворот орбиты Меркурия, отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца и красное смещение спектральных линий света, излученного с поверхности массивных тел.
Орбита Меркурия представляет собой эллипс, но сам эллипс медленно вращается. Поворот орбиты Меркурия был открыт еще в XIX в. французским астрономом У. Леверье (1811–1877) и долгое время оставался загадочным явлением, необъяснимым в рамках классической механики Ньютона.
Гравитационные уравнения Эйнштейна предсказывают вращение эллиптических орбит планет. Этот эффект, объяснимый в рамках общей теории относительности, был предложен Эйнштейном для подтверждения его теории. Расчеты, проведенные для Меркурия, который, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самое сильное действие гравитации, показали, что большая ось эллиптической орбиты должна поворачиваться вокруг Солнца примерно на один градус в десять тысяч лет. Несмотря на его малость, эффект был измерен, а расчетные результаты дали хорошее совпадение с данными измерений (1916). В наше время радиолокационным методом были измерены еще меньшие, чем у Меркурия, отклонения орбит других планет, и они согласуются с предсказаниями общей теории относительности.
Экспериментальная проверка гравитационных эффектов, указанных Эйнштейном, включает в себя также проверку отклонения световых лучей, проходящих вблизи Солнца.
Согласно общей теории относительности, луч света должен искривляться в гравитационных полях. Для полей тяготения, доступных нашему наблюдению, такое искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить его экспериментально, но если такой луч будет проходить, например, вблизи Солнца, то его можно измерить. Например, луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, отклоняется на небольшой угол и наблюдатель, находящийся на Земле, видит эту звезду в другой точке. Вследствие обращения Земли, все новые звезды заходят за солнечный диск, и их свет отклоняется. В нормальных условиях этот эффект очень труден для наблюдения, так как яркий солнечный свет не позволяет видеть звезды, находящиеся рядом с Солнцем. Но такая возможность появляется во время солнечных затмений. В 1919 г. английская экспедиция в западной Африке, наблюдавшая солнечное затмение, показала, что свет, действительно, отклоняется Солнцем так, как предсказывает теория. Впоследствии отклонение света Солнцем было точно подтверждено целым рядом наблюдений. Искривление светового луча в поле тяготения свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной, а изменяется от одного места к другому (рис.3.1).
Рис.3.1. Искривление луча света в гравитационном поле Солнца.
В 1923 г. был подтвержден третий эффект, указанный Эйнштейном, – наличие красного смещения в спектре Солнца. Согласно уравнениям общей теории относительности, сильные поля тяготения оказывают замедляющее действие на время. Это означает, что любой периодический процесс, такой как колебание атома или тиканье часов, на Солнце будет идти с меньшей скоростью, чем на Земле. Это должно привести к сдвигу спектра Солнца в сторону более длинных волн, что даст покраснение спектра. Это явление было впервые подтверждено в работах Сент-Джона в 1923–1926 гг. при наблюдении спектра Солнца. Затем, в 1925 г. этот эффект был подтвержден Адамсом при наблюдении спектра Сириуса, обладающего чрезвычайно большим полем тяготения.
В настоящее время имеются точные измерения величины красного смещения в спектре Солнца (Бламонт, Родье, 1962), настолько близкие к данным, предсказываемым общей теорией относительности, что можно говорить о действительно хорошем подтверждении теории.