Экспериментальные проверки общей теории относительности

Общая теория относительности выдержала столетие все более точных проверок, от искривления света звезд и прецессии орбиты Меркурия до гравитационного красного смещения, задержки времени сигналов, увлечения инерциальных систем отсчета и гравитационных волн.

Definition

Экспериментальные проверки общей теории относительности — это наблюдения и измерения, которые сравнивают предсказания теории с альтернативными, количественно выраженные в слабом поле параметризованными постньютоновскими параметрами, а в сильном поле — синхронизацией пульсаров и наблюдениями гравитационных волн.

Scope

Эта тема охватывает три классических теста (прецессия перигелия Меркурия, отклонение света, гравитационное красное смещение), задержку времени Шапиро, увлечение инерциальных систем отсчета и геодезическую прецессию, измеренные с помощью Gravity Probe B и лазерной локации Луны, синхронизацию двойных пульсаров и параметризованный постньютоновский формализм, используемый для сравнения теорий гравитации с данными.

Core questions

• Каковы были первоначальные классические тесты, которые установили общую теорию относительности?
• Как количественно оценивается согласие между теорией и экспериментом?
• Какие режимы сильного поля обеспечивают наиболее строгие современные проверки?

Key concepts

• Прецессия перигелия
• Отклонение света
• Гравитационное красное смещение
• Задержка времени Шапиро
• Увлечение инерциальных систем отсчета
• Параметризованные постньютоновские параметры

Key theories

Классические тесты

Общая теория относительности правильно предсказывает аномальную прецессию перигелия Меркурия, отклонение света звезд, проходящих вблизи Солнца, подтвержденное во время затмения 1919 года, и гравитационное красное смещение света, поднимающегося из потенциальной ямы.

Параметризованный постньютоновский формализм

Набор безразмерных параметров характеризует предел слабого поля и медленного движения любой метрической теории гравитации, что позволяет измерениям в Солнечной системе с высокой точностью ограничивать отклонения от общей теории относительности.

Clinical relevance

Подтвержденные релятивистские эффекты не являются чисто академическими: гравитационное красное смещение и замедление времени должны быть скорректированы в GPS и других спутниковых навигационных системах, а увлечение инерциальных систем отсчета и искривление света используются в прецизионной астрометрии и интерпретации астрофизических источников с сильной гравитацией.

History

Объяснение Эйнштейном перигелия Меркурия в 1915 году было первым успехом; экспедиция Эддингтона во время затмения 1919 года подтвердила искривление света и принесла Эйнштейну всемирную известность; эксперимент Паунда-Ребки измерил красное смещение в 1959 году, Шапиро предложил задержку времени в 1964 году, а результаты двойных пульсаров и Gravity Probe B расширили проверки до конца двадцатого и начала двадцать первого веков.

Key figures

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

Seminal works

• dyson1920
• will2014

Frequently asked questions

Почему экспедиция во время затмения 1919 года была так важна?

Измерение отклонения света звезд вблизи Солнца требовало блокировки солнечного света, что обеспечивается затмением; результат соответствовал предсказанию Эйнштейна, вдвое превышающему ньютоновское значение, что дало первое драматическое подтверждение общей теории относительности и всемирную известность Эйнштейну.

Проваливала ли общая теория относительности когда-либо проверку?

Ни один тест не показал подтвержденного отклонения; теория согласуется со всеми измерениями в Солнечной системе, двойных пульсаров и гравитационных волн с текущей точностью, хотя поиски продолжаются, поскольку объединение гравитации с квантовой механикой может в конечном итоге потребовать модификаций.