Доказательство теории относительности

Доказательство теории относительности

Международная группа ученых подтвердила общую теорию относительности Альберта Эйнштейна. Они наблюдали за сверхмассивной черной дырой в созвездии Стрельца.

Выяснилось, что черная дыра искривляет свет, который проходит вблизи от нее. Таким образом, полностью подтвердился один из ключевых выводов теории относительности об искривлении пространства-времени около черной дыры. Подобные эффекты фиксировались и ранее. Однако искривление пространства-времени не удавалось наблюдать около объектов, которые считаются ядрами галактик.

«Нам удалось увеличить количество доказательств, и сделали мы это, наблюдая за звездами. В частности, за моей любимой звездой – S0-2. Она уникальна тем, что мы знаем ее «трехмерную» орбиту. Это позволяет нам использовать ее для проверки общей теории относительности. Наблюдения за тем, как она совершает полный виток вокруг сверхмассивной черной дыры, дало нам первую возможность проверить этот фундаментальный закон мироздания», — рассказала учёный-астроном, профессор кафедры физики и астрономии в Калифорнийском университет Андреа Гез.

Новости культуры

Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) предсказывает, что движущиеся объекты создают тонкую «рябь» на ткани пространства-времени, которую называют гравитационными волнами. Ввиду чрезвычайной малости этой «ряби», непосредственное наблюдение гравитационных волн сильно затруднено, поэтому напрямую они пока не зарегистрированы, хотя ищут их с конца 1960-х. Согласно ОТО, оптимальными объектами для обнаружения гравитационных волн являются двойные звёзды, компоненты которых при движении вокруг общего центра масс теряют энергию за счёт излучения гравитационных волн.

Реклама

Потеря энергии приводит к тому, что звёзды сближаются друг с другом, вращаются вокруг общего центра масс всё быстрее и быстрее и в конечном итоге сливаются.

Темпы сближения звёзд в тесных двойных системах, предсказанные ОТО, совпадают с теми, которые наблюдают астрономы в различных двойных звёздных системах. Такое совпадение является весомым косвенным доказательством существования гравитационных волн.

За первое косвенное свидетельство наличия «ряби» в ткани пространства-времени в 1993 году американским астрономам Расселу Халсу и Джозефу Тейлору-младшему была присуждена Нобелевская премия по физике. Тогда открытие было сделано при изучении радиосигналов, приходящих от двойной системы пульсар — нейтронная звезда.

Теперь же команда американских астрономов обнаружила аналогичный эффект, но уже в оптическом диапазоне.

Результаты вскоре будут опубликованы в научном журнале Astrophysical Journal Letters.

Они изучали затмения, происходящие в системе пары белых карликов — звёзд типа нашего Солнца, находящихся на конечной стадии своей эволюции.

Команда астрономов обнаружила эту удивительную пару белых карликов в прошлом году, их суммарная масса меньше, чем масса нашего Солнца: у одной звезды она составляет половину солнечной, а у другой — четверть. Система, названная SDSS J065133.338 284423,37 (для краткости – J0651), уникальна тем, что её компоненты расположены очень близко друг к другу. Расстояние между звёздами составляет всего треть расстояния между Землёй и Луной, поэтому они делают полный оборот вокруг общего центра масс менее чем за 13 минут.

До недавнего времени астрономы знали всего четыре двойные системы с орбитальными периодами, не превышающими 15 минут, и во всех этих системах происходит передача массы от одной звезды к другой. Такой обмен массой затрудняет наблюдения за изменением орбитального периода звёздной системы и интерпретацию этих изменений с точки зрения гравитационных волн.

В системе J0651 ничего подобного не происходит.

Именно поэтому, как отмечает член команды Уоррен Браун из Смитсоновской астрофизической обсерватории, полученный американскими учёными результат является на сегодняшний день одним из самых веских аргументов в пользу существования гравитационных волн.

При движении по орбите компоненты системы J0651 затмевают друг друга, и это наблюдается с Земли. Такие затмения происходят каждые шесть минут. Согласно теории Эйнштейна, при сближении звёзд вследствие излучения гравитационных волн интервал времени между затмениями должен сокращаться, а орбитальный период этой двойной системы — уменьшаться.
Команда американских учёных оказалась в состоянии обнаружить этот эффект в J0651.

Член команды Мукремин Килич из университета Оклахомы говорит, что по сравнению с апрелем 2011 года, когда были проведены первые наблюдения этого объекта, интервал между затмениями уменьшился на шесть секунд. Этот факт является неоспоримым свидетельством того, что две звезды становятся ближе друг к другу и что орбитальный период системы сокращается в соответствии с ОТО.

Команда американских астрономов надеется, что период обращения двойной системы будет сокращаться с каждым годом всё больше и больше. За два года (к апрелю 2013 г.) интервал между затмениями, предположительно, уменьшится на 20 секунд, а через два миллиона лет звёзды сольются.

Дальнейшие наблюдения и измерения орбитального периода этой системы помогут понять механизм слияния таких звёзд.

Наблюдения (более 200 часов) проводились на нескольких телескопах, самый большой из которых (10,4 м) расположен на Канарских островах в Испании, а самый маленький (2,1 м) и старый — телескоп Отто Струве обсерватории Макдональда («Газета.Ru» в среду рассказывала об этой обсерватории). Отметим, что телескоп, который использован в данной работе, вступил в строй в конце 1930 годов и назван в честь российского астронома Отто Яковлевича Струве, который в разгар гражданской войны эмигрировал из России в США.

«Эти компактные звезды вращаются друг вокруг друга так близко, что мы смогли наблюдать обычно незначительное влияние гравитационных волн с помощью относительно простой камеры на 75-летнем телескопе всего за 13 месяцев», — отметил ведущий автор исследования Джей Джей Гермес.

Для прямого обнаружения гравитационных волн требуется проведение дорогостоящих программ. Например, их можно было бы обнаружить при помощи спутников, расположенных на расстоянии нескольких миллионов километров друг от друга и обстреливающих друг друга из лазерных пушек. Над проектом такого интерферометра (LISA — Laser Interferometer Space Antenna — Лазерная интерферометрическая космическая антенна) совместно работали NASA и ESA (Европейское космическое агентство), однако из-за финансовых проблем он отложен на неопределенный срок. «Зато у нас есть более простой способ обнаружить эффект гравитационных волн, хотя и косвенно», — говорит один из авторов статьи, Карлос Альенде Прието из Института астрофизики Канарских островов.

Наблюдения системы J0651 вносят важный вклад в наше понимание того, как работает гравитация. «Это так захватывающе — подтвердить предсказания Эйнштейна, сделанные почти сто лет назад, наблюдая за двумя звездами, которые покачиваются на волне, созданной их собственными массами», — сказал Гермес.

30 июня 2018, 19:55

Всем известно о самой популярной теории гравитации — об общей теории относительности, на разработку которой Альберту Эйнштейну потребовалось 7 лет. Кратко ее суть можно выразить следующим образом: «Материя и энергия сообщают пространству-времени как изгибаться, а изгиб пространства-времени говори материи как двигаться». В механике существуют 10 уравнений для описания этих процессов, причем все они очень сложны и находятся в тесной связи.
Но не можем же мы так просто во все это поверить, даже если так сказал сам Эйнштейн. Нам нужны неоспоримые доказательства.
Божественный посланник
Из всех особенностей своей теории Эйнштейн особенно гордился возможность описать орбиту Меркурия. Эта ближайшая к Солнцу планета имеет слегка эллиптическую орбиту, и этот эллипс сам по себе медленно вращается. Другими словами, место максимальной удаленности Меркурия от Солнца изменяется со временем. Если применить закон всемирного тяготения Ньютона, то мы не заметим этой особенности — теория не полна. Если добавить еще гравитационное отталкивание и воздействие других планет, то почти все можно объяснить, но не все. В начале 1900-х годов это была известная проблема динамики Солнечной системы, но из-за нее не возникало множества споров. Ее просто добавили в список «странных вещей во Вселенной, которые мы не можем объяснить» с надеждой, что однажды решение найдется.
Однако Эйнштейна не устраивало такое положение вещей, к тому же он думал, что Меркурий дал ему важную зацепку. И вот, через годы, он смог разгадать тайну гравитации.
Гибкий свет
Прежде чем добавить последние штрихи ОТО, Эйнштейн пришел к удивительным выводам о природе гравитации. Если вы изолированы на ракетном корабле, который плавно и постоянно ускоряется с таким же темпом, как позволяет земная гравитация, то все внутри этого судна должно вести себя точно так же, как и на Земле — думал он. Объекты будут падать с той же скоростью, можно будет прочно стоять на ногах и пр.
Эта эквивалентность гравитации (как происходит на Земле) и ускорения (как происходит в ракете) побуждала Эйнштейна и дальше развивать свою теорию. Но в этом варианте было еще кое-что. Представьте, что луч света входит в окно с левой стороны корабля. Куда упадет свет?
С точки зрения стороннего наблюдателя ответ очевиден: свет движется по прямой линии, перпендикулярной траектории ракеты. Пока свет пересекал внутреннюю часть, ракета продвинулась вперед. И тогда свет войдет в одно окно, например, наверху ракеты, а выйдет снизу, ближе к двигателям.
Все происходящее внутри корабля выглядит странно. Чтобы свет проникал в окно около наконечника и выходил рядом с двигателями, путь луча должен быть изогнут. На самом деле, именно это вы и видите. Поскольку гравитация равна ускорению, то свет должен следовать изогнутым путям, огибая массивные объекты.
Трудно воспроизвести все это экспериментально, потому что для заметного результата потребуется очень тяжелый объект и свет, который проходит близко к поверхности. Но солнечное затмение 1919 года дало такую возможность, и экспедиция во главе с сэром Артуром Эддингтоном обнаружила подобный сдвиг дальнего звездного света — как и предполагал Эйнштейн в своей теории.
В красных тонах
Другой интересный результат дали эксперименты, основанные на эффекте Доплера, который применили неожиданным образом. Когда объект движется по направлению от вас, звук, который он создает, растягивается и переходит на более низкие частоты — суть этого эффекта. То же справедливо и для света: по мере удаления автомобиля кажется, что он становится слегка краснее, по сравнению с его цветом в статичном положении (чем краснее цвет, тем ниже частота). Так, сотрудники ГИБДД могут воспользоваться этим: их устройства посылают пучок света, который отскакивает от машины и помогает определить скорость.
Если движение изменяет длину волны света, то ускорение может так же: свет, перемещающийся из верха ракеты в низ, также становится более красным. Согласно ОТО, то что, справедливо для ускорения, справедливо и для гравитации. И правда: свет, излучаемый с поверхности Земли, будет смещаться к красным частотам по мере удаления.
Потребовалось несколько десятилетий для наглядной демонстрации этого эффекта, ведь он почти не заметен. В лаборатории Гарвардского университета в 1959 году Роберт Паунд и Глен Ребка провели эксперимент, который позволил измерить гравитационное красное смещение.
Бесконечные исследования
Даже со всеми доказательствами общая теория относительности постоянно тестируется. Любой изъян в великолепной работе Эйнштейна вызвал бы развитие новой теории гравитации, возможно, проложив путь к раскрытию полной квантовой природы этой силы.
Во всяком случае, ОТО достойно проходит все испытания от чувствительности радаров до гравитационного линзирования, от орбит звезд у черных дыр до ряби гравитационных волн и эволюции Вселенной. Вероятно, наследие Эйнштейна будет жить еще очень долго.

  • Авторы
  • Резюме
  • Файлы

Соколов В.М. Специальная теория относительности (далее по тексту — теория относительности) считается непогрешимой и внедряется в умы не только студентов, но даже школьников. Между тем, ее несостоятельность многим физикам вполне очевидна, поскольку она создавалась на основе надуманного постулата равнозначности всех инерциальных систем отсчета и постулата постоянства скорости света. 166 KB 1. Опыт Майкельсона — Морли

На становление теории относительности повлияли неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды — эфира», существование которого ни у кого не вызывало сомнения. Опыт Майкельсона — Морли специально ставился в целях зафиксировать это движение . Его суть заключается в сравнении времен прохождения светового луча в эфире в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По мнению исследователей, эти времена должны были изменяться при вращении прибора, и должны были наблюдаться вполне измеримые сдвиги интерференционной картины. Однако опыты показали, что никаких изменений в положении интерференционной картины не происходит.

Чтобы спасти положение, Лоренц поспешно выдвинул гипотезу сокращения размеров тел в направлении движения на величину , где , отношение скорости прибора к скорости света. Если принять эту гипотезу, то отрицательный результат опыта Майкельсона — Морли объясняется сразу, и до второго порядка включительно не должно быть никакого влияния. Принцип относительности при этом не выполняется.

Рис. 1. Уточненная схема опыта Майкельсона — Морли

Однако оценка разности времен прохождения света в приборе, приводимая в многочисленных литературных источниках, например , вычислена недостаточно строго. Рассмотрим уточненное описание опыта. Будем считать скорость света величиной постоянной, определяемой только свойствами неподвижного эфира. При распространении луча света (рисунок) от точки P к F сама точка F сместится в точку F*. Причем очевидно, что время распространения сигнала tpf = , откуда tpf = , где L2 — длина плеча интерферометра. Аналогично получим для отраженного луча tf*p* = , и суммарное время распространения луча , совпадает с вычисленным — по общепризнанной методике.

Для определения пути света в поперечном направлении воспользуемся принципом Гюйгенса . Пусть на прибор падает параллельный пучок света. Пока луч света распространяется от точки D до точки G, сама точка переместится в точку G*. Поскольку точка P считается сферическим источником излучения, волновой фронт волны от точки Р будет занимать в это время положение Ф. Направление распространения луча света определится в этом случае отрезком PH*, перпендикулярным к касательной, проведенной из точки G* к волновому фронту волны света.

, (1.1)

и он существенно отличается от приводимого — в литературных источниках, поскольку зависит от направления движения прибора.

Определим время прохождения сигнала до точки встречи лучей А, расположенной на оси продольного луча света, где локализуется интерференционная картина. Время распространения поперечного луча до оси . Разность времен, проходимых лучами до точки встречи А, составляет . Длина отрезка,

.Следовательно, при равенстве длин плеч интерферометра

. (1.2)

Таким образом, никакого сдвига интерференционной картины не должно быть, и опыт Майкельсона — Морли нисколько не противоречит гипотезе существования неподвижного мирового эфира! Для объяснения опыта нет никакой надобности вводить какие-либо гипотезы. Однако в те далекие годы о таком описании опыта не догадывались, и Лоренц нашел преобразования, в которых уже учтено сокращение длины и изменение времени в движущейся системе координат, но ни он, ни А. Пуанкаре не считали их физическими (причем справедливо) а видели в них только формальный математический прием. А. Эйнштейн пытался придать им физический смысл, но как будет показано ниже, сделал это явно неудачно.

2. Построение теории относительности

А. Эйнштейн говорит, что если существует множество систем, движущихся не ускоренно по отношению друг к другу, то во всех системах явления протекают совершенно одинаково и все системы равноправны (первый постулат). При этом отпадает необходимость введения в теорию абсолютной среды — эфира. Однако опыты говорят как раз об обратном. При увеличении скорости движения тела из-за взаимодействия с эфиром его масса увеличивается и изменяется скорость протекания процессов. Как видим, первый постулат является явно надуманным и выполняется только при низких скоростях движения, когда изменением массы тела можно пренебречь.

Из уравнений Максвелла следует конечная скорость распространения электромагнитных возмущений в пустоте и ее независимость от движения источника. Этот простой факт А. Эйнштейн берет в качестве второго постулата, строит свою теорию, и, в конечном счете, получает преобразования Лоренца.

Ключевым моментом теории относительности является метод синхронизации часов. А. Эйнштейн показал, что понятие одновременности не дано нам свыше и синхронность хода часов нуждается в определении. Одновременность — такое же понятие, как длина, как время в данном месте, что это третье понятие, которое должно быть определено, — в этом заслуга А. Эйнштейна.

Он предлагает реальный физический процесс определения одновременности. Пусть часы расположены в точках А и В в пустоте. Из точки А, в момент времени t1, посылается световой сигнал, который приходит в точку В и отражается обратно в момент времени t´ по часам точки В. Когда сигнал приходит в точку А, часы в ней показывают время t2. По его определению часы в точках А и В идут синхронно, если выполняется равенство:

. (2.1)

Иными словами, понятие одновременности тесно связано со скоростью света в вакууме. Таким образом, она в этом методе синхронизации служит эталоном. При таком выборе метода синхронизации часов и указанных выше постулатах, однозначно выводятся формулы теории относительности. Если же метод синхронизации неверен, то неверны и формулы теории относительности! Следует заметить, что законность выбора скорости света в качестве эталона неправомерна. Его, как физической величины, в природе не существует, и его нельзя брать в качестве
постулата.

Определение нельзя выдумать произвольно, иначе в дальнейшем получим хаос и беспредел. Оно должно удовлетворять определенным требованиям, например, однозначности. Ошибочно считается (показано ниже), что прямых опытов, противоречащих этому определению нет. Может показаться, что выполняется требование обратимости для этого определения (т.е., если часы в А и часы в В поставлены синхронно, то не только часы в В должны идти синхронно с часами в А, но и часы в А должны быть синхронными по отношению к часам в В), так как формула (2.1) показывает, что сигналы идут одинаковое время туда и обратно. Однако требование обратимости, справедливое на бумаге, в действительности не имеет места в движущихся системах (для которых и создана теория), так как на операцию синхронизации требуется конечное время, за которое положение точек А и В может существенно измениться в ту или другую сторону. Дальнейшее требование — транзитивности: если имеются часы в трех точках А,В,С и если установлены синхронно часы в А и В, и часы в В и С, то часы в А и С также должны быть синхронны. Более того, если синхронность установлена, и мы измеряем скорость света, то она всегда будет равна с, какие бы точки мы не взяли, т.е., она не зависит не только от скорости источника, но и скорости приемника. Однако указанный метод синхронизации требованию транзитивности не удовлетворяет, об этом говорит не подлежащий сомнению опыт Ремера.

Наблюдения затмений спутника Юпитера показали, что видимый период их обращения уменьшается, когда Земля в своем годовом движении приближается к Юпитеру, и увеличивается, когда она удаляется. Ремер понял, что этот эффект связан с конечной скоростью распространения света, и по результатам наблюдений вычислил эту скорость.

Проведем мысленный эксперимент, так любимый А. Эйнштейном. Расположим трое одинаковых часов на Земле: на полюсе и на противоположных сторонах экватора. Для определенности представим, что ее ось перпендикулярна к плоскости орбиты Земли. Будем измерять время прихода сигнала от спутника, когда все трое часов находятся на равном расстоянии от него. В этом случае из-за вращения Земли одни часы покажут большее время, а другие — меньшее, чем часы на полюсе, так как одни часы удаляются, а другие приближаются к спутнику. Пусть мы будем наивными и не знаем, что Земля вращается. Вычислим скорость сигнала по обычной процедуре: разделим расстояние до спутника, которое известно из астрономических наблюдений, на время. В этом случае получим разную скорость света. Этот вывод не вызывает сомнения, и он бесспорно противоречит теории относительности, в которой скорость света всегда и везде изотропная. Причем, наивность наша относительна, при подобных измерениях на Земле мы также не знаем ее истинной скорости и направления ее движения в пространстве.

Для синхронизации часов по А. Эйнштейну на спутнике, в соответствии с требованием транзитивности, необходимо одновременно устанавливать разное время на одних и тех же часах! Здесь не может быть других мнений, так как синхронизация часов на Земле может быть проведена с точностью в доли наносекунды, а разность прихода сигнала со спутника может составлять минуты. Следовательно, метод синхронизации часов по А. Эйнштейну не отвечает требованию однозначности, обратимости, транзитивности и должен быть отброшен как несостоятельный. Отсюда — можно заключить, что преобразования Лоренца в трактовке А. Эйнштейна также несостоятельны. Фактически этих рассуждений достаточно для опровержения теории относительности.

Ошибочность теории относительности легко понять на основе следующего примера. Зададимся вопросом, можно ли построить математику, например, исходя из принципа 2 · 2 = 5? Разумеется, нельзя при выбранных определениях и правилах проведения математических операций; но — возможно, если вводить собственные определения и правила. Так и поступил А. Эйнштейн введя в физику ложный принцип относительности и постулат с = Сonst. Если в уравнениях Максвелла, с — физическая величина, не являющаяся константой, зависящая от свойств среды (эфира), то в уравнениях Эйнштейна эта величина гипотетическая, неоднозначная, ни с чем не связанная, и которую нельзя получить экспериментально, следуя положениям теории. Тем не менее, отрицая эфир, А. Эйнштейн фактически ввел его в физику, постулируя одно из его локальных свойств (с = Сonst). Поэтому теория относительности действительно иногда предсказывает некоторые явления и факты, но в большинстве своем ее выводы ошибочны, так как она основана на неверных постулатах. Со дня своего создания она подвергалась справедливой критике, тем удивительнее, что она так долго считается в физике непогрешимой, и корни этого явления надо искать не в ней, а в психологии и политике.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Michelson A.A., Morley E.W. Am. J. Sci. Ser. 111 34 333, 1887.
  2. Frish S.E., Timoreva A.B. Course of General Physics. Moscow. 1957, v. 3, p. 212.

Соколов В.М. О НЕСОСТОЯТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ А. ЭЙНШТЕЙНА // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 6. – С. 9-13;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=23914 (дата обращения: 02.10.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания» (Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления) «Современные проблемы науки и образования» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.791 «Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074 «Современные наукоемкие технологии» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.909 «Успехи современного естествознания» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.736 «Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований» ИФ РИНЦ = 0.570 «Международный журнал экспериментального образования» ИФ РИНЦ = 0.431 «Научное Обозрение. Биологические Науки» ИФ РИНЦ = 0.303 «Научное Обозрение. Медицинские Науки» ИФ РИНЦ = 0.380 «Научное Обозрение. Экономические Науки» ИФ РИНЦ = 0.600 «Научное Обозрение. Педагогические Науки» ИФ РИНЦ = 0.308 «European journal of natural history» ИФ РИНЦ = 1.369 Издание научной и учебно-методической литературы ISBN РИНЦ DOI


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *