การทดสอบเชิงทดลองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ผ่านการทดสอบที่แม่นยำขึ้นเรื่อยๆ มานานนับศตวรรษ ตั้งแต่การเบี่ยงเบนของแสงดาวและการเคลื่อนที่ของจุดใกล้ดวงอาทิตย์ของวงโคจรดาวพุธ ไปจนถึงการเคลื่อนแดงเชิงความโน้มถ่วง การหน่วงเวลาของสัญญาณ การลากกรอบอ้างอิง และคลื่นความโน้มถ่วง

Definition

การทดสอบเชิงทดลองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือการสังเกตและการวัดที่เปรียบเทียบการทำนายของทฤษฎีกับทางเลือกอื่น ซึ่งวัดปริมาณในสภาวะสนามอ่อนด้วยพารามิเตอร์โพสต์-นิวตันแบบพารามิเตอร์ และในสภาวะสนามแรงด้วยการจับเวลาพัลซาร์และการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการทดสอบแบบดั้งเดิมสามประการ (การเคลื่อนที่ของจุดใกล้ดวงอาทิตย์ของดาวพุธ การเบี่ยงเบนของแสง การเคลื่อนแดงเชิงความโน้มถ่วง) การหน่วงเวลาของชาปิโร การลากกรอบอ้างอิงและการเคลื่อนที่เชิงธรณีที่วัดโดย Gravity Probe B และการวัดระยะด้วยเลเซอร์จากดวงจันทร์ การจับเวลาพัลซาร์คู่ และกรอบการทำงานแบบพารามิเตอร์โพสต์-นิวตันที่ใช้ในการเปรียบเทียบทฤษฎีความโน้มถ่วงกับข้อมูล

Core questions

• การทดสอบแบบดั้งเดิมดั้งเดิมที่สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคืออะไร?
• ความสอดคล้องระหว่างทฤษฎีและการทดลองถูกวัดปริมาณอย่างไร?
• ระบอบสนามแรงใดที่ให้การทดสอบที่เข้มงวดที่สุดในปัจจุบัน?

Key concepts

• การเคลื่อนที่ของจุดใกล้ดวงอาทิตย์
• การเบี่ยงเบนของแสง
• การเคลื่อนแดงเชิงความโน้มถ่วง
• การหน่วงเวลาของชาปิโร
• การลากกรอบอ้างอิง
• พารามิเตอร์โพสต์-นิวตันแบบพารามิเตอร์

Key theories

การทดสอบแบบดั้งเดิม

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายได้อย่างถูกต้องถึงการเคลื่อนที่ของจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่ผิดปกติของดาวพุธ การเบี่ยงเบนของแสงดาวที่เฉียดดวงอาทิตย์ซึ่งได้รับการยืนยันในการเกิดสุริยุปราคาปี 1919 และการเคลื่อนแดงเชิงความโน้มถ่วงของแสงที่เคลื่อนออกจากบ่อศักย์

กรอบการทำงานแบบพารามิเตอร์โพสต์-นิวตัน

ชุดของพารามิเตอร์ไร้มิติจะบ่งชี้ถึงขีดจำกัดของสนามอ่อนและการเคลื่อนที่ช้าของทฤษฎีเมตริกใดๆ ของความโน้มถ่วง ทำให้การวัดในระบบสุริยะสามารถจำกัดความเบี่ยงเบนจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้อย่างแม่นยำสูง

Clinical relevance

ผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพที่ได้รับการยืนยันไม่ได้เป็นเพียงเรื่องทางวิชาการเท่านั้น: การเคลื่อนแดงเชิงความโน้มถ่วงและการยืดหดของเวลาจะต้องได้รับการแก้ไขในระบบ GPS และระบบนำทางด้วยดาวเทียมอื่นๆ และการลากกรอบอ้างอิงและการเบี่ยงเบนของแสงให้ข้อมูลสำหรับการวัดตำแหน่งดาวที่แม่นยำและการตีความแหล่งกำเนิดทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่มีความโน้มถ่วงสูง

History

คำอธิบายของไอน์สไตน์เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของจุดใกล้ดวงอาทิตย์ของดาวพุธในปี 1915 เป็นความสำเร็จครั้งแรก; การสำรวจสุริยุปราคาของเอดดิงตันในปี 1919 ยืนยันการเบี่ยงเบนของแสงและทำให้ไอน์สไตน์มีชื่อเสียง; การทดลองของพาวด์-เร็บกาได้วัดการเคลื่อนแดงในปี 1959 ชาปิโรเสนอการหน่วงเวลาในปี 1964 และผลลัพธ์จากพัลซาร์คู่และ Gravity Probe B ได้ขยายการทดสอบไปจนถึงปลายศตวรรษที่ยี่สิบและต้นศตวรรษที่ยี่สิบเอ็ด

Key figures

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

Seminal works

• dyson1920
• will2014

Frequently asked questions

เหตุใดการสำรวจสุริยุปราคาปี 1919 จึงมีความสำคัญมาก?

การวัดการเบี่ยงเบนของแสงดาวใกล้ดวงอาทิตย์จำเป็นต้องบดบังแสงจ้าของดวงอาทิตย์ ซึ่งสุริยุปราคาช่วยให้ทำได้ ผลลัพธ์ตรงกับการทำนายของไอน์สไตน์ที่ว่ามีค่าเป็นสองเท่าของค่าตามหลักนิวตัน ซึ่งเป็นการยืนยันครั้งแรกที่น่าทึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและทำให้ไอน์สไตน์มีชื่อเสียงไปทั่วโลก

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเคยล้มเหลวในการทดสอบหรือไม่?

ไม่มีการทดสอบใดที่แสดงความเบี่ยงเบนที่ได้รับการยืนยัน; ทฤษฎีนี้สอดคล้องกับการวัดทั้งหมดในระบบสุริยะ พัลซาร์คู่ และคลื่นความโน้มถ่วงด้วยความแม่นยำในปัจจุบัน แม้ว่าการค้นคว้าจะยังคงดำเนินต่อไปเนื่องจากการรวมความโน้มถ่วงเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัมอาจต้องมีการปรับเปลี่ยนในที่สุด