Anexa iii

Anexa III. Experimentarea confirmării teoriei generale a relativității

Din punctul de vedere al teoriei cunoașterii, evoluția științei experimentale poate fi imaginată ca un proces continuu de inducție. Teoriile se dezvoltă și sunt exprimate ca asociații ale unui număr mare de fapte experimentale separate sub forma unor legi empirice, de la care se stabilesc legi generale prin comparație. Din acest punct de vedere, dezvoltarea științei seamănă cu compilarea unui catalog și este pur empirică.

Dar acest punct de vedere nu acoperă în nici un fel întregul proces valid. Acesta reține rolul important al intuiției și al gândirii deductive în dezvoltarea științei exacte. De îndată ce unele științe au ieșit din stadiul inițial al dezvoltării sale, progresul teoriei se realizează nu doar în procesul de ordonare. Cercetătorul, pornind de la faptele experimentale, încearcă să dezvolte un sistem de concepte, care, în general, ar fi logic bazat pe un număr mic de ipoteze de bază, așa-numitele axiome. Un astfel de sistem

concepte numite teorie. Teoria își confirmă faptul că ea leagă un număr mare de fapte empirice individuale și aceasta este "justiția" ei.

Pentru același set de fapte experimentale, pot exista mai multe teorii care diferă semnificativ una de cealaltă. Dar, în ceea ce privește concluziile din teoriile disponibile pentru verificarea experimentală, înțelegerea dintre teorii poate fi atât de completă încât este dificil să se găsească astfel de consecințe în care aceste teorii diferă una de cealaltă. Un exemplu bine cunoscut în domeniul biologiei este teoria darwiniană a dezvoltării speciilor prin selecția naturală în procesul de luptă pentru existență și teoria evoluției, bazată pe ipoteza eredității proprietăților dobândite.

Un alt caz de coincidență profundă a consecințelor celor două teorii se găsește în mecanica newtoniană, pe de o parte, și în teoria generală a relativității, pe de altă parte. Această coincidență este atât de departe încât până acum am putut găsi doar câteva consecințe verificabile experimental ale teoriei generale a relativității, la care fizica prerelativistă nu a condus; și aceasta, în ciuda diferenței profunde dintre premisele de bază ale ambelor teorii. Aici vom lua din nou în considerare aceste consecințe importante și vom discuta, de asemenea, datele experimentale referitoare la ele care au fost obținute.

a. Mișcarea periheliului planetei Mercur

Potrivit mecanicii newtoniene și legea lui Newton a gravitației, unele planete care gravitează în jurul Soarelui, trebuie să descrie o elipsă rundă din urmă, mai precis, în jurul unui centru comun de greutate al Soarelui și a planetelor. În acest caz soare, sau centrul de greutate totală este situat la o focalizare a orbitei eliptice, astfel încât în timpul distanța anului planetar între soare și a planetei crește de la minim la maxim și apoi scade din nou, la un nivel minim. Dacă în loc de legea lui Newton, vom lua o lege oarecum diferită de atracție, constatăm că, în timp ce noua mișcare a legii va continua să aibă loc, astfel încât distanța dintre Soare și planeta va experimenta fluctuații periodice; dar, în acest caz, unghiul descris de o linie care leagă soarele și planeta în această perioadă (de la periheliu - cea mai apropiată poziție la soare - la periheliu) ar fi diferit de unghiul de 360 °. Traiectoria nu ar fi apoi închisă, ci completată

cu trecerea timpului o regiune inelară în planul orbitei, adică între cercuri cu raze egale cu cele mai mici și mai mari distanțe ale planetei de soare.

Conform teoriei generale a relativității, care, desigur, diferă de la teoria newtoniană, ar trebui să aibă, de asemenea, o ușoară deviere de la mișcarea planetei în orbita sa, în conformitate cu legile Kepler-newtoniene, astfel încât unghiul descris de raza care unește soarele si planeta o periheliu la alta trebuie să depășească unghiul corespunzător cifrei de afaceri totale cu o sumă determinată de expresie

(O revoluție completă corespunde unghiului în măsura absolută angulară, așa cum este obișnuit în fizică.) Aici a este axa semimajor a elipsei, excentricitatea ei, c este viteza luminii și T este perioada de revoluție a planetei. Acest rezultat poate fi reprezentat și în următoarea formă: conform teoriei generale a relativității, axa principală a elipsei se rotește în jurul Soarelui în direcția rotației planetei. Potrivit teoriei, această rotație ar trebui să facă 43 de secunde arc pe secol pentru planeta Mercur și pentru alte planete ale sistemului nostru solar ar trebui să fie atât de nesemnificativ încât este inaccesibil observării.

De fapt, astronomii au descoperit că teoria lui Newton nu este suficientă pentru a calcula mișcarea observată de Mercur cu o precizie care poate fi atins atunci când observarea în acest moment. După ce au fost luate în considerare toate influența tulburătoare a celorlalte planete în mișcarea lui Mercur, sa găsit (Le Verrier 1859; Newcomb, 1895), care rămâne mișcarea neexplicată a periheliu a orbitei lui Mercur, viteza care nu diferă semnificativ de la unghiul menționat mai sus secunde pe secol . Eroarea acestui rezultat empiric este de numai câteva secunde.

b. Deflectarea fasciculului luminos de un câmp gravitațional

În § 22 a fost deja menționat că, în conformitate cu teoria generală a relativității, o rază de lumină trecând printr-un câmp gravitațional trebuie

Curba seamănă cu curbura traiectoriei unui corp care se mișcă într-un câmp gravitațional. Conform acestei teorii, se poate aștepta ca o rază de lumină care trece printr-un corp ceresc să se abată în direcția celui din urmă. Pentru o rază de lumină care trece de Soare la o distanță de raza soarelui din centrul său, unghiul de deformare a va fi

Se poate adăuga că jumătate din această abatere este cauzată, conform acestei teorii, de câmpul de gravitație Newtonian al Soarelui, iar cealaltă jumătate de distorsiunea geometrică ("curbura") a spațiului cauzată de Soare.

Acest rezultat permite verificarea experimentală prin fotografierea stelelor în timpul unei eclipse totale a soarelui. Singurul motiv pentru care ar trebui să alegem un astfel de moment este că, în orice moment, atmosfera Pământului luminată de Soare strălucește atât de mult încât invidia stelele situate lângă discul Soarelui. Efectul prezis poate fi văzut clar din Fig. 5. Dacă nu ar exista soare, atunci vom vedea o stea aproape infinit de îndepărtată de pe Pământ în direcția Dar, datorită deviației soarelui de raza de lumină de la stea, vom vedea steaua în direcția la o distanță ceva mai mare de centrul discului Soarelui decât poziția sa reală.

În practică, acest lucru este verificat după cum urmează. Starurile de lângă Soare sunt fotografiate în timpul unei eclipse solare. Apoi se face oa doua fotografie a acelorași stele, când Soarele se află într-o altă parte a cerului, adică cu câteva luni mai devreme sau mai târziu. Atunci când se compară o fotografie făcută în timpul unei eclipse solare, cu această fotografie de control, pozițiile stelelor ar trebui să pară schimbate în direcția radială (din centrul discului solar) cu o valoare corespunzătoare unghiului a.

Investigarea acestei concluzii importante se datorează Societății Regale și Societății Astronomice Regale. În ciuda războiului și a dificultăților materiale și psihologice

caracter, aceste societăți au echipat două expediții - în Sobral (Brazilia) și aproximativ. Principe (în largul coastei Africii de Vest) - și a trimis mai multe renumite astronomi britanici (Eddington, Cottingham, Crommelin și Davidson) pentru a fotografia eclipsa de soare din 29 mai 1919 de așteptat să fie relativ pozițiile stelelor din imaginile eclipsei solare offset, în comparație cu controlul imagini ajunge la doar câteva sutimi fracțiuni de un milimetru. Astfel, atunci când fotografiați și în măsurători ulterioare, a fost necesară o precizie ridicată.

Rezultatele măsurătorilor au confirmat destul de satisfăcător teoria. Două coordonate dreptunghiulare ale abaterilor observate și calculate ale stelelor (în secunde unghiulare) sunt prezentate în tabel.

în. Schimbarea liniilor spectrale la capătul roșu al spectrului

În §23 sa arătat că într-un sistem K care se rotește în raport cu sistemul galilean K, viteza de rulare a aceleiași construcții, care este în repaus relativ la K, depinde de locul lor. Să analizăm acum această dependență cantitativ. Ceasul, situat la o distanță de centrul discului, are un sistem K relativ rapid

unde este viteza unghiulară de rotație a discului față de K.

Dacă există un număr de ore care bifează unitatea de timp ("viteza" ceasului) față de K, în cazul în care ceasul este în staționare, "viteza" ceasului se deplasează în raport cu K cu viteză

care sunt în repaus față de disc, în conformitate cu § 12, este egal cu

sau, cu suficientă precizie,

Această relație poate fi scrisă și în formă

Să notăm cu diferența de potențial dintre forța centrifugă, acasă la de ex., E. ceasul și centrul discului, la locul de muncă negativ, care trebuie să fie comise împotriva forței centrifuge pentru a muta o unitate de masa de locația ceasului pe un disc rotativ, în centrul discului. Atunci avem

Rezultă că

Din această formulă este clar că două ceasuri de același design vin cu diferite "viteze", dacă sunt situate la distanțe diferite față de centrul discului. Această concluzie este valabilă și din punctul de vedere al observatorului care se rotește cu discul.

Acum, din punctul de vedere al observatorului de pe disc, ceasul de pe disc este într-un câmp gravitațional cu potențial, deci rezultatul obținut va fi valabil pentru orice câmp gravitațional. Mai mult decât atât, putem considera un atom care emite radiații corespunzătoare anumitor linii spectrale, ca un ceas, astfel încât următoarea afirmație să fie valabilă.

Atomul absoarbe sau emite lumină, a cărei frecvență depinde de potențialul câmpului gravitațional în care este localizat atomul.

Frecvența emisiei unui atom situat pe suprafața unui corp ceresc va fi oarecum mai mică decât frecvența emisiei unui atom de același tip

un element care este în spațiu liber (sau un atom pe suprafața unui corp ceresc mai mic). Deoarece unde K - constanta gravitațională newtonian, M - masa corp ceresc și raza sa, trebuie sa apara schimbare a liniilor de emisie spectrale ale atomilor pe suprafața stelei, la capătul roșu al spectrului, în comparație cu liniile spectrale ale atomilor de același element situat pe Pământului de suprafață. Mărimea acestei deplasări va fi

Pentru Soare, deplasarea așteptată a liniilor spectrale la capătul roșu al spectrului este de aproximativ două milioane de lungimi de undă. Un calcul fiabil al deplasării stelelor fixe este imposibil, deoarece nici masa M, nici raza nu sunt cunoscute în general.

Problema dacă există acest efect rămâne deschisă; În prezent, astronomii lucrează din greu pentru ao rezolva. Datorită faptului că acest efect, în cazul Soarelui este foarte mic, este dificil de a judeca despre existența sa. In timp ce Grebe și Bachem (Bonn), pe baza măsurătorilor proprii și măsurători ale Evershed și Schwarzschild benzi de cianogen, ia în considerare existența acestui efect este puțin îndoială, alți cercetători, cum ar fi S. John, vin pe baza măsurătorilor lor opuse concluzie.

Deplasările medii ale liniilor spectrale către partea lungă de undă a spectrului au fost cu siguranță detectate în studiile statistice ale stelelor fixe; dar până acum stadiul de prelucrare a materialului disponibil nu ne-a permis să ajungem la o concluzie clară cu privire la faptul dacă aceste deplasări pot fi într-adevăr explicate prin influența gravitației. Rezultatele observațiilor sunt colectate împreună și discutate în detaliu din punctul de vedere al problemei luate în considerare în lucrarea lui E. Freundlich "Testul teoriei generale a relativității".

În orice caz, în următorii ani se va obține o soluție definitivă a problemei. Dacă nu există schimbarea liniilor spectrale către capătul roșu al spectrului sub acțiunea câmpului gravitațional, atunci teoria generală a relativității este incontestabilă. Pe de altă parte, dacă conexiunea schimbării liniilor spectrale este definitiv stabilită

cu potențialul gravitațional, atunci studierea acestei deplasări ne poate oferi informații importante despre masele corpurilor celeste.

Articole similare

Pagina anterioară