一般相対性理論の実験的検証

一般相対性理論は、星の光の湾曲や水星の軌道の歳差運動から、重力赤方偏移、信号の時間遅延、フレーム引きずり、重力波に至るまで、1世紀にわたるますます精密な検証を通過してきました。

Definition

一般相対性理論の実験的検証とは、理論の予測を代替案と比較する観測および測定であり、弱重力場ではパラメトライズド・ポストニュートンパラメータによって、強重力場ではパルサータイミングと重力波観測によって定量化されます。

Scope

このトピックでは、3つの古典的な検証（水星の近日点歳差運動、光の偏向、重力赤方偏移）、シャピロ時間遅延、Gravity Probe Bと月レーザー測距によって測定されたフレーム引きずりおよび測地線歳差運動、連星パルサーのタイミング、および重力理論をデータと比較するために使用されるパラメトライズド・ポストニュートン形式について扱います。

Core questions

• 一般相対性理論を確立した当初の古典的な検証は何でしたか？
• 理論と実験の一致はどのように定量化されますか？
• 最も厳密な現代の検証を提供する強重力場領域は何ですか？

Key concepts

• 近日点歳差運動
• 光の偏向
• 重力赤方偏移
• シャピロ時間遅延
• フレーム引きずり
• パラメトライズド・ポストニュートンパラメータ

Key theories

古典的な検証

一般相対性理論は、水星の異常な近日点歳差運動、1919年の日食で確認された太陽をかすめる星の光の偏向、およびポテンシャル井戸から上昇する光の重力赤方偏移を正確に予測します。

パラメトライズド・ポストニュートン形式

重力の任意の計量理論の弱重力場、低速運動の限界を特徴づける一連の無次元パラメータであり、太陽系での測定によって一般相対性理論からの逸脱を高精度で制約することを可能にします。

Clinical relevance

確認された相対論的効果は単なる学術的なものではありません。GPSやその他の衛星航法システムでは重力赤方偏移と時間の遅れを補正する必要があり、フレーム引きずりや光の湾曲は精密天文学や強重力天体源の解釈に情報を提供します。

History

アインシュタインによる1915年の水星の近日点の説明が最初の成功でした。エディントンの1919年の日食観測隊は光の湾曲を確認し、アインシュタインを有名にしました。パウンド・レブカ実験は1959年に赤方偏移を測定し、シャピロは1964年に時間遅延を提案しました。連星パルサーとGravity Probe Bの結果は、20世紀後半から21世紀初頭にかけて検証を拡大しました。

Key figures

• Albert Einstein
• Arthur Eddington
• Irwin Shapiro
• Clifford Will

Seminal works

• dyson1920
• will2014

Frequently asked questions

1919年の日食観測隊はなぜそれほど重要だったのですか？

太陽の近くでの星の光の偏向を測定するには、日食が提供する太陽のまぶしさを遮る必要がありました。その結果は、ニュートン値の2倍というアインシュタインの予測と一致し、一般相対性理論の最初の劇的な確認となり、アインシュタインを世界的に有名にしました。

一般相対性理論はこれまでに検証に失敗したことがありますか？

確認された逸脱を示す検証はこれまでにありません。この理論は、現在の精度で、すべての太陽系、連星パルサー、重力波の測定と一致していますが、重力を量子力学と統一するためには最終的に修正が必要になる可能性があるため、探求は続けられています。