Принцип эквивалентности - Equivalence principle

В теории из общей теории относительности , то принцип эквивалентности является эквивалентность гравитационной и инертной массы , и Альберта Эйнштейна наблюдения о том , что гравитационное „сила“ , как опытный локально, стоя на массивного тела (например, Земли) такая же , как псевдо-сила , испытываемые наблюдателем в не инерциальной (ускоренной) системе отсчета .

Утверждение Эйнштейна о равенстве инертной и гравитационной масс

Небольшое размышление покажет, что закон равенства инерционной и гравитационной масс эквивалентен утверждению, что ускорение, сообщаемое телу гравитационным полем, не зависит от природы тела. Для уравнения движения Ньютона в гравитационном поле, записанного полностью, это:

(Инерционная масса) (Ускорение) (Напряженность гравитационного поля) (Гравитационная масса).

Только когда существует численное равенство между инерционной и гравитационной массой, ускорение не зависит от природы тела.

Развитие теории гравитации

Во время миссии Apollo 15 в 1971 году астронавт Дэвид Скотт показал, что Галилей был прав: ускорение одинаково для всех тел на Луне, подверженных гравитации, даже для молотка и пера.

Что - то вроде принципа эквивалентности возникла в начале 17 - го века, когда Галилео выразил экспериментально , что ускорение из тестовой массы из - за гравитации не зависит от количества массы ускоряется.

Иоганн Кеплер , используя открытия Галилея, продемонстрировал знание принципа эквивалентности, точно описав, что произойдет, если Луна остановится на своей орбите и упадет к Земле. Это можно сделать, не зная, убывает ли гравитация с расстоянием и каким образом, но это требует предположения об эквивалентности гравитации и инерции.

Если бы два камня были помещены в любую часть мира рядом друг с другом и за пределами сферы влияния третьего родственного тела, эти камни, как две магнитные иглы, соединились бы в промежуточной точке, каждый из которых приблизился бы к другому на расстояние. пропорциональна сравнительной массе другого. Если бы Луна и Земля не удерживались на своих орбитах своей животной силой или каким-либо другим эквивалентом, Земля поднялась бы до Луны на пятьдесят четвертую часть их расстояния, а Луна упала бы к Земле через другие пятьдесят три. части, и они там встретились бы, если предположить, однако, что субстанция обеих имеет одинаковую плотность.

-  Иоганн Кеплер, "Astronomia Nova", 1609 г.

Отношение 1/54 - это оценка Кеплера отношения масс Луны и Земли на основе их диаметров. Точность его утверждения можно вывести с помощью Ньютона закон инерции «s F = ма и гравитационного наблюдения Галилея , что расстояние . Уравнивание этих ускорений для массы является принципом эквивалентности. То, что время до столкновения для каждой массы одинаково, дает утверждение Кеплера о том, что D луна / D Земля = M Земля / M луна , без знания времени до столкновения или того, как или если сила ускорения от силы тяжести является функцией расстояния.

Теория тяготения Ньютона упростила и формализовала идеи Галилея и Кеплера, признав, что «животная сила или какой-либо другой эквивалент» Кеплера за пределами гравитации и инерции не нужны, и из планетарных законов Кеплера выводится, как гравитация уменьшается с расстоянием.

Принцип эквивалентности был должным образом введен Альбертом Эйнштейном в 1907 году, когда он заметил, что ускорение тел по направлению к центру Земли со скоростью 1 g ( g = 9,81 м / с 2 является стандартным эталоном гравитационного ускорения на Земле. поверхность) эквивалентно ускорению движущегося по инерции тела, которое можно было бы наблюдать на ракете в свободном пространстве, ускоряющейся со скоростью 1 g . Эйнштейн сформулировал это так:

мы ... предполагаем полную физическую эквивалентность гравитационного поля и соответствующего ускорения системы отсчета .

-  Эйнштейн, 1907 г.

То есть нахождение на поверхности Земли эквивалентно пребыванию внутри космического корабля (вдали от каких-либо источников гравитации), который ускоряется его двигателями. Направление или вектор эквивалентного ускорения на поверхности Земли находится «вверх» или прямо противоположно центру планеты, в то время как вектор ускорения в космическом корабле прямо противоположен массе, выбрасываемой его двигателями. Из этого принципа Эйнштейн вывел, что свободное падение - это движение по инерции . Объекты в свободном падении испытывают не ускорение вниз (например, к земле или другому массивному телу), а скорее невесомость и отсутствие ускорения. В инерциальной системе отсчета тела (и фотоны, или свет) подчиняются первому закону Ньютона , движутся с постоянной скоростью по прямым линиям. Аналогично, в искривленном пространстве - времени мировая линия инерциальной частицы или импульса света как можно более прямой (в пространстве и времени). Такая мировая линия называется геодезической и с точки зрения инерциальной системы отсчета является прямой линией. Вот почему акселерометр в свободном падении не регистрирует никакого ускорения; между внутренней контрольной массой и корпусом акселерометра ничего нет.

В качестве примера: инерционное тело, движущееся по геодезической в ​​пространстве, может быть захвачено на орбиту вокруг большой гравитационной массы, даже не испытывая ускорения. Это возможно, потому что пространство-время радикально искривлено в непосредственной близости от большой гравитационной массы. В такой ситуации геодезические линии изгибаются внутрь вокруг центра масс, и свободно плавающее (невесомое) инерционное тело будет просто следовать за этими искривленными геодезическими на эллиптическую орбиту. Встроенный акселерометр никогда не зафиксирует ускорение.

В противоположность этому , в механике Ньютона , сила тяжести предполагается быть сила . Эта сила притягивает объекты, имеющие массу, к центру любого массивного тела. На поверхности Земли силе тяжести противодействует механическое (физическое) сопротивление поверхности Земли. Итак, в ньютоновской физике человек, покоящийся на поверхности (невращающегося) массивного объекта, находится в инерциальной системе отсчета. Эти соображения наводят на мысль о следующем следствии принципа эквивалентности, сформулированного Эйнштейном именно в 1911 году:

Когда наблюдатель обнаруживает локальное присутствие силы, которая действует на все объекты прямо пропорционально инерционной массе каждого объекта, этот наблюдатель находится в ускоренной системе отсчета.

Эйнштейн также сослался на две системы отсчета, K и K '. K - однородное гравитационное поле, тогда как K 'не имеет гравитационного поля, но равномерно ускоряется , так что объекты в двух системах отсчета испытывают одинаковые силы:

Мы приходим к очень удовлетворительной интерпретации этого закона опыта, если предположим, что системы K и K 'физически точно эквивалентны, то есть если предположить, что мы можем с таким же успехом рассматривать систему K как находящуюся в пространстве, свободном от от гравитационных полей, если рассматривать K как равномерно ускоренный. Это предположение о точной физической эквивалентности не позволяет нам говорить об абсолютном ускорении системы отсчета, точно так же, как обычная теория относительности запрещает нам говорить об абсолютной скорости системы; и из-за этого равное падение всех тел в гравитационном поле кажется само собой разумеющимся.

-  Эйнштейн, 1911 г.

Это наблюдение стало началом процесса, кульминацией которого стала общая теория относительности . Эйнштейн предложил возвести его в статус общего принципа, который он назвал «принципом эквивалентности» при построении своей теории относительности:

Пока мы ограничиваемся чисто механическими процессами в области, где господствует механика Ньютона, мы уверены в эквивалентности систем K и K '. Но этот наш взгляд не будет иметь более глубокого значения, если системы K и K 'не эквивалентны по отношению ко всем физическим процессам, то есть, если законы природы по отношению к K не будут полностью согласованы с законами относительно K' . Допуская, что это так, мы приходим к принципу, который, если он действительно верен, имеет большое эвристическое значение. Поскольку путем теоретического рассмотрения процессов, которые происходят относительно системы отсчета с равномерным ускорением, мы получаем информацию о развитии процессов в однородном гравитационном поле.

-  Эйнштейн, 1911 г.

Эйнштейн объединил ( постулировал ) принцип эквивалентности со специальной теорией относительности, чтобы предсказать, что часы движутся с разной скоростью в гравитационном потенциале , а световые лучи изгибаются в гравитационном поле еще до того, как он разработал концепцию искривленного пространства-времени.

Таким образом, исходный принцип эквивалентности, описанный Эйнштейном, заключал, что свободное падение и движение по инерции физически эквивалентны. Эту форму принципа эквивалентности можно сформулировать следующим образом. Наблюдатель в комнате без окон не может различить нахождение на поверхности Земли и нахождение в космическом корабле в глубоком космосе, ускоряющемся на 1g. Это не совсем так, потому что массивные тела вызывают приливные эффекты (вызванные изменениями силы и направления гравитационного поля), которые отсутствуют у ускоряющегося космического корабля в глубоком космосе. Поэтому комната должна быть достаточно маленькой, чтобы можно было пренебречь приливными эффектами.

Хотя принцип эквивалентности руководил развитием общей теории относительности , это не основополагающий принцип относительности, а, скорее, простое следствие геометрической природы теории. В общей теории относительности объекты в свободном падении следуют геодезическим пространству-времени, и то, что мы воспринимаем как силу гравитации , вместо этого является результатом нашей неспособности следовать этим геодезическим пространству-времени, потому что механическое сопротивление материи или поверхности Земли мешает нам делать это.

Поскольку Эйнштейн разработал общую теорию относительности, возникла необходимость в разработке основы для проверки этой теории на фоне других возможных теорий гравитации, совместимых со специальной теорией относительности . Это было разработано Робертом Дике как часть его программы по проверке общей теории относительности. Были предложены два новых принципа, так называемый принцип эквивалентности Эйнштейна и принцип строгой эквивалентности, каждый из которых предполагает слабый принцип эквивалентности в качестве отправной точки. Они различаются только тем, применимы ли они к гравитационным экспериментам.

Другое необходимое уточнение заключается в том, что принцип эквивалентности предполагает постоянное ускорение в 1g без учета механики генерации 1g. Если мы действительно рассмотрим механизм этого, то мы должны предположить, что вышеупомянутая комната без окон имеет фиксированную массу. Ускорение его на 1g означает, что к нему прилагается постоянная сила, которая = m * g, где m - масса комнаты без окон вместе с ее содержимым (включая наблюдателя). Теперь, если наблюдатель прыгнет внутри комнаты, объект, свободно лежащий на полу, на мгновение уменьшится в весе, потому что ускорение на мгновение уменьшится из-за того, что наблюдатель отталкивается от пола, чтобы прыгнуть. Затем объект будет набирать вес, пока наблюдатель находится в воздухе, и в результате уменьшенная масса комнаты без окон допускает большее ускорение; он снова похудеет, когда наблюдатель приземлится и снова уперется в пол; и после этого он, наконец, вернется к своему первоначальному весу. Чтобы все эти эффекты были равны тем, которые мы могли бы измерить на планете, производящей 1 г, нужно предположить, что комната без окон имеет ту же массу, что и эта планета. Кроме того, комната без окон не должна создавать собственную гравитацию, иначе сценарий изменится еще больше. Ясно, что это технические детали, но практические, если мы хотим, чтобы эксперимент более или менее точно продемонстрировал эквивалентность силы тяжести 1g и ускорения 1g.

Современное использование

В настоящее время используются три формы принципа эквивалентности: слабая (галилеевская), эйнштейновская и сильная.

Принцип слабой эквивалентности

Принцип слабой эквивалентности , также известный как универсальность свободного падения или принцип эквивалентности Галилея, можно сформулировать по-разному. Сильный EP, обобщение слабого EP, включает астрономические тела с гравитационной энергией самосвязи (например, пульсар PSR J1903 + 0327 массой 1,74 солнечной массы, 15,3% разделенной массы которого отсутствует как энергия гравитационной связи). Вместо этого слабый EP предполагает, что падающие тела связаны только негравитационными силами (например, камень). Так или иначе:

Траектория точечной массы в гравитационном поле зависит только от ее начального положения и скорости и не зависит от ее состава и структуры .
Все пробные частицы в одинаковой точке пространства-времени в заданном гравитационном поле будут испытывать одинаковое ускорение, независимо от их свойств, включая их массу покоя.
Все локальные центры масс свободно падают (в вакууме) по идентичным (смещенным параллельно, с одинаковой скоростью) траекториям минимального действия независимо от всех наблюдаемых свойств.
Мировая линия вакуума тела, погруженного в гравитационное поле, не зависит от всех наблюдаемых свойств.
Локальные эффекты движения в искривленном пространстве-времени (гравитация) неотличимы от эффектов ускоренного наблюдателя в плоском пространстве-времени без исключения.
Масса (измеренная с помощью весов) и вес (измеренная с помощью весов) локально находятся в одинаковом соотношении для всех тел (первая страница книги Ньютона Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , 1687).

Локальность устраняет измеримые приливные силы, возникающие из радиально расходящегося гравитационного поля (например, Земли) на физические тела конечных размеров. Принцип «падающей» эквивалентности охватывает концептуализацию Галилея, Ньютона и Эйнштейна. Принцип эквивалентности не отрицает существования измеримых эффектов, вызванных вращающейся гравитирующей массой ( перетаскивание кадра ), и не влияет на измерения отклонения света и гравитационной временной задержки, сделанные нелокальными наблюдателями.

Активные, пассивные и инертные массы

По определению активной и пассивной гравитационной массы сила гравитационного поля равна:

Точно так же сила, действующая на второй объект произвольной массы 2 из-за гравитационного поля массы 0, равна:

По определению инертной массы:

Если и находятся на одинаковом расстоянии от этого, то по принципу слабой эквивалентности они падают с одинаковой скоростью (т. Е. Их ускорения одинаковы).

Следовательно:

Следовательно:

Другими словами, пассивная гравитационная масса должна быть пропорциональна инертной массе для всех объектов.

Кроме того, по третьему закону движения Ньютона :

должен быть равен и противоположен

Следует, что:

Другими словами, пассивная гравитационная масса должна быть пропорциональна активной гравитационной массе для всех объектов.

Безразмерный параметр Этвёша - это разница отношений гравитационной и инертной масс, деленная на их среднее значение для двух наборов пробных масс «A» и «B».


Тесты слабого принципа эквивалентности

Тесты слабого принципа эквивалентности - это те, которые проверяют эквивалентность гравитационной массы и инертной массы. Очевидным испытанием является падение различных предметов, в идеале в условиях вакуума, например, внутри башни Fallturm Bremen .

Исследователь Год Метод Результат
Иоанн Филопон 6 век Сказал, что по наблюдениям два шара очень разного веса будут падать почти с одинаковой скоростью. нет заметной разницы
Саймон Стевин ~ 1586 Свинцовые шары разной массы упали с церковной башни в Делфте. нет заметной разницы
Галилео Галилей ~ 1610 Катание шариков разного веса по наклонным плоскостям, чтобы замедлить скорость, чтобы ее можно было измерить. нет заметной разницы
Исаак Ньютон ~ 1680 Измерьте период маятников разной массы, но одинаковой длины. разница меньше 1 части из 10 3
Фридрих Вильгельм Бессель 1832 г. Измерьте период маятников разной массы, но одинаковой длины. нет измеримой разницы
Лоранд Этвеш 1908 г. Измерьте кручение на тросе, на котором подвешивается балансир, между двумя почти одинаковыми массами под действием ускорения свободного падения и вращения Земли. разница составляет 10 ± 2 части на 10 9 (H 2 O / Cu)
Ролл , Кротков и Дике 1964 г. Эксперимент с торсионными весами, падение тестовых масс из алюминия и золота
Дэвид Скотт 1971 г. Выронили соколиное перо и молот одновременно на Луне нет заметной разницы (не строгий эксперимент, но очень драматичный, будучи первым лунным)
Брагинский и Панов 1971 г. Торсионные весы, контрольные массы из алюминия и платины , измерение ускорения по направлению к Солнцу разница меньше 1 части из 10 12
Группа Eöt-Wash 1987– Торсионные весы, измеряющие ускорение различных масс по направлению к Земле, Солнцу и центру Галактики, с использованием нескольких различных видов масс.

Видеть:

Год Следователь Чувствительность Метод
500? Филопон "небольшой" Падение башни
1585 Стевин 5 × 10 −2 Падение башни
1590? Галилео 2 × 10 −2 Маятник, башня падения
1686 Ньютон 10 −3 Маятник
1832 г. Бессель 2 × 10 −5 Маятник
1908 (1922) Eötvös 2 × 10 −9 Торсионный баланс
1910 г. Южане 5 × 10 −6 Маятник
1918 г. Zeeman 3 × 10 −8 Торсионный баланс
1923 г. Поттер 3 × 10 −6 Маятник
1935 г. Реннер 2 × 10 −9 Торсионный баланс
1964 г. Дике, Ролл, Кротков 3x10 −11 Торсионный баланс
1972 г. Брагинский, Панов 10 −12 Торсионный баланс
1976 г. Шапиро и др. 10 −12 Лазерная локация Луны
1981 г. Кейзер, Фаллер 4 × 10 −11 Жидкая поддержка
1987 г. Нибауэр и др. 10 −10 Падение башни
1989 г. Стаббс и др. 10 −11 Торсионный баланс
1990 г. Адельбергер, Эрик Дж .; и другие. 10 −12 Торсионный баланс
1999 г. Бесслер и др. 5x10 −14 Торсионный баланс
2017 г. МИКРОСКОП 10 −15 Околоземная орбита

В Вашингтонском университете до сих пор проводятся эксперименты, которые ограничили дифференциальное ускорение объектов по направлению к Земле, Солнцу и темной материи в центре Галактики . Будущие спутниковые эксперименты - STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle) и Galileo Galilei - будут проверять слабый принцип эквивалентности в космосе с гораздо большей точностью.

С первым успешным производством антивещества, в частности антиводорода, был предложен новый подход к проверке принципа слабой эквивалентности. В настоящее время разрабатываются эксперименты по сравнению гравитационного поведения вещества и антивещества.

Предложения, которые могут привести к квантовой теории гравитации, такой как теория струн и петлевая квантовая гравитация, предсказывают нарушения принципа слабой эквивалентности, потому что они содержат множество световых скалярных полей с длинными комптоновскими длинами волн , которые должны генерировать пятые силы и вариации фундаментальных констант. Эвристические аргументы предполагают, что величина этих нарушений принципа эквивалентности может находиться в диапазоне от 10 -13 до 10 -18 . Предполагаемые в настоящее время тесты слабого принципа эквивалентности приближаются к такой степени чувствительности, что необнаружение нарушения будет таким же серьезным результатом, как и обнаружение нарушения. Необнаружение нарушения принципа эквивалентности в этом диапазоне предполагает, что гравитация настолько фундаментально отличается от других сил, что потребует серьезной переоценки текущих попыток объединить гравитацию с другими силами природы. С другой стороны, положительное обнаружение станет важным ориентиром на пути к объединению.

Принцип эквивалентности Эйнштейна

То, что сейчас называется «принципом эквивалентности Эйнштейна», утверждает, что выполняется слабый принцип эквивалентности, и что:

Результат любого локального негравитационного эксперимента в свободно падающей лаборатории не зависит от скорости лаборатории и ее местоположения в пространстве-времени.

Здесь «локальный» имеет особое значение: эксперимент не только не должен выходить за пределы лаборатории, но он также должен быть малым по сравнению с вариациями гравитационного поля, приливных сил , чтобы вся лаборатория свободно падала. Это также подразумевает отсутствие взаимодействия с «внешними» полями, кроме гравитационного .

Принцип относительности предполагает , что исход местных экспериментов должен быть независимым от скорости устройства, так что наиболее важного следствие этого принципа является коперниканской идеей , что безразмерные физические величины , таких как постоянная тонкой структуры и электроны -До- протоны отношение масс не должно зависеть от того, где в пространстве или времени мы их измеряем. Многие физики считают, что любая теория инвариантов Лоренца , удовлетворяющая слабому принципу эквивалентности, также удовлетворяет принципу эквивалентности Эйнштейна.

Гипотеза Шиффа предполагает, что из слабого принципа эквивалентности следует принцип эквивалентности Эйнштейна, но это не было доказано. Тем не менее, эти два принципа проверяются с помощью очень разных экспериментов. Принцип эквивалентности Эйнштейна подвергался критике как неточный, поскольку не существует общепринятого способа отличить гравитационные эксперименты от негравитационных (см., Например, Хэдли и Дюран).

Проверка принципа эквивалентности Эйнштейна

В дополнение к проверке слабого принципа эквивалентности, принцип эквивалентности Эйнштейна можно проверить путем поиска вариаций безразмерных констант и отношений масс . В настоящее время наилучшие ограничения на изменение фундаментальных констант были в основном установлены путем изучения естественного ядерного реактора деления в Окло , где ядерные реакции, подобные тем, которые мы наблюдаем сегодня, как было показано, произошли под землей примерно два миллиарда лет назад. Эти реакции чрезвычайно чувствительны к значениям фундаментальных констант.

Постоянный Год Метод Ограничение на частичное изменение
гиромагнитный фактор протонов 1976 г. астрофизический 10 -1
константа слабого взаимодействия 1976 г. Окло 10 -2
постоянная тонкой структуры 1976 г. Окло 10 −7
электрон - протон соотношение масс 2002 г. квазары 10 −4

Было предпринято несколько спорных попыток ограничить изменение константы сильного взаимодействия . Было высказано несколько предположений, что «константы» действительно различаются в космологических масштабах. Наиболее известным является сообщение об обнаружении вариации (на уровне 10 −5 ) постоянной тонкой структуры по измерениям далеких квазаров , см. Webb et al. Другие исследователи оспаривают эти результаты. Другими проверками принципа эквивалентности Эйнштейна являются эксперименты по гравитационному красному смещению , такие как эксперимент Паунда-Ребки, который проверяет позиционную независимость экспериментов.

Принцип строгой эквивалентности

Принцип строгой эквивалентности предполагает, что законы гравитации не зависят от скорости и местоположения. Особенно,

Гравитационное движение небольшого пробного тела зависит только от его начального положения в пространстве-времени и скорости, а не от его строения.

а также

Результат любого локального эксперимента (гравитационного или нет) в свободно падающей лаборатории не зависит от скорости лаборатории и ее местоположения в пространстве-времени.

Первая часть представляет собой версию принципа слабой эквивалентности, который применяется к объектам, которые оказывают на себя гравитационное воздействие, таким как звезды, планеты, черные дыры или эксперименты Кавендиша . Вторая часть - это принцип эквивалентности Эйнштейна (с тем же определением «локального»), переформулированный, чтобы разрешить гравитационные эксперименты и самогравитирующие тела. Однако свободно падающий объект или лаборатория должны быть небольшими, чтобы приливными силами можно было пренебречь (отсюда «локальный эксперимент»).

Это единственная форма принципа эквивалентности, которая применяется к самогравитирующим объектам (например, звездам), которые имеют существенные внутренние гравитационные взаимодействия. Это требует, чтобы гравитационная постоянная была одинаковой повсюду во Вселенной и несовместима с пятой силой . Он гораздо более строгий, чем принцип эквивалентности Эйнштейна.

Принцип сильной эквивалентности предполагает, что гравитация полностью геометрическа по своей природе (то есть только метрика определяет эффект гравитации) и не имеет никаких дополнительных полей, связанных с ней. Если наблюдатель считает участок пространства плоским, тогда строгий принцип эквивалентности предполагает, что он абсолютно эквивалентен любому другому участку плоского пространства в другом месте Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна (включая космологическую постоянную ) считается единственной теорией гравитации, которая удовлетворяет строгому принципу эквивалентности. Ряд альтернативных теорий, таких как теория Бранса – Дике , удовлетворяет только принципу эквивалентности Эйнштейна.

Тесты строгого принципа эквивалентности

Принцип сильной эквивалентности можно проверить, отыскав изменение гравитационной постоянной G Ньютона за время жизни Вселенной или, что то же самое, изменение масс фундаментальных частиц. Ряд независимых ограничений, связанных с орбитами в Солнечной системе и исследованиями нуклеосинтеза Большого взрыва , показали, что G не может изменяться более чем на 10%.

Таким образом, строгий принцип эквивалентности можно проверить путем поиска пятых сил (отклонений от закона гравитационных сил, предсказываемых общей теорией относительности). Эти эксперименты обычно ищут нарушения закона обратных квадратов (в частности, силы Юкавы или нарушения теоремы Биркгофа ) поведения гравитации в лаборатории. Наиболее точные тесты на коротких дистанциях были выполнены группой Eöt – Wash. Будущий спутниковый эксперимент, SEE (Satellite Energy Exchange), будет искать пятые силы в космосе и должен иметь возможность еще больше ограничить нарушения принципа строгой эквивалентности. Другие ограничения, ищущие силы гораздо более дальнего действия, были установлены путем поиска эффекта Нордтведта , «поляризации» орбит солнечной системы, которая была бы вызвана гравитационной собственной энергией, ускоряющейся с другой скоростью, чем нормальная материя. Этот эффект был тщательно проверен в эксперименте по обнаружению лунного лазера . Другие тесты включают изучение отклонения солнечного излучения от удаленных радиоисточников , которое можно точно измерить с помощью интерферометрии с очень длинной базой . Еще один чувствительный тест проводится при измерениях частотного сдвига сигналов, поступающих на космический корабль Кассини и исходящих от него. Вместе эти измерения наложили жесткие ограничения на теорию Бранса – Дике и другие альтернативные теории гравитации.

В 2014 году астрономы обнаружили звездную тройную систему, содержащую миллисекундный пульсар PSR J0337 + 1715 и два белых карлика, вращающихся вокруг него. Система дала им возможность проверить принцип сильной эквивалентности в сильном гравитационном поле с высокой точностью.

В 2020 году группа астрономов, проанализировав данные из выборки Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) вместе с оценками крупномасштабного внешнего гравитационного поля из каталога галактик всего неба, пришла к выводу, что имеются статистически значимые доказательства нарушений принципа сильной эквивалентности в слабых гравитационных полях в окрестностях галактик с опорой на вращение. Они наблюдали эффект, согласующийся с эффектом внешнего поля Модифицированной ньютоновской динамики (MOND), гипотезой, предлагающей модифицированную теорию гравитации за пределами общей теории относительности , и несовместимой с приливными эффектами в парадигме модели Lambda-CDM , широко известной как Стандартная модель Космология.

Вызовы

Одним из вызовов принципу эквивалентности является теория Бранса – Дике . Космология самотворения - это модификация теории Бранса – Дике.

В августе 2010 года исследователи из Университета Нового Южного Уэльса, Технологического университета Суинберна и Кембриджского университета опубликовали документ под названием «Доказательства пространственного изменения постоянной тонкой структуры », в котором предварительный вывод заключается в том, что «качественно [результаты] предполагают нарушение принципа эквивалентности Эйнштейна и могут сделать вывод об очень большой или бесконечной Вселенной, в которой наш «локальный» объем Хаббла составляет крошечную долю ».

Пояснения

Голландский физик и теоретик струн Эрик Верлинде создал замкнутый, логический вывод принципа эквивалентности, основанный на исходном предположении о голографической вселенной . В этой ситуации гравитация не будет истинной фундаментальной силой, как думают в настоящее время, а скорее « эмерджентным свойством », связанным с энтропией . Теория энтропийной гравитации Верлинде, по- видимому, естественным образом приводит к правильно наблюдаемой силе темной энергии ; предыдущие неудачи в объяснении ее невероятно малой величины были названы такими людьми, как космолог Майкл Тернер (который, как считается, придумал термин «темная энергия»), как «величайшее затруднение в истории теоретической физики». Эти идеи далеки от устоявшихся и по-прежнему очень спорны.

Эксперименты

  • Вашингтонский университет
  • Лунный лазерный дальномер
  • Спутниковый эксперимент Галилео-Галилей
  • Спутниковая проверка принципа эквивалентности (STEP)
  • МИКРОСКОП
  • Спутниковая энергетическая биржа (SEE)
  • «... Физики в Германии использовали атомный интерферометр, чтобы провести наиболее точную проверку принципа эквивалентности на уровне атомов ...»

Смотрите также

Примечания

использованная литература

  • Дике, Роберт Х .; «Новые исследования старой гравитации», Science 129 , 3349 (1959). В этой статье впервые проводится различие между принципами сильной и слабой эквивалентности.
  • Дике, Роберт Х .; «Принцип Маха и эквивалентность», в Доказательства для теорий гравитации: материалы курса 20 Международной школы физики «Энрико Ферми» , изд. К. Мёллер (Academic Press, Нью-Йорк, 1962). В этой статье излагается подход к точной проверке общей теории относительности, который продвигал Дик и продолжал с 1959 года.
  • Эйнштейн, Альберт; "Uber das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogen Folgerungen", Jahrbuch der Radioaktivitaet und Elektronik 4 (1907); перевел "О принципе относительности и сделанных из него выводах" в Сборнике статей Альберта Эйнштейна. Vol. 2: Швейцарские годы: сочинения, 1900–1909 (Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1989), переводчик Анны Бек. Это первое утверждение Эйнштейном принципа эквивалентности.
  • Эйнштейн, Альберт; "Uber den Einfluß der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes" , Annalen der Physik 35 (1911); перевел «О влиянии гравитации на распространение света» в Сборнике статей Альберта Эйнштейна. Vol. 3: Швейцарские годы: труды, 1909–1911 (Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1994), переводчик Анны Бек, и в The Principle of Relativity , (Dover, 1924), pp 99–108, W. Perrett and Переводчики GB Jeffery, ISBN  0-486-60081-5 . Две статьи Эйнштейна обсуждаются в Интернете на сайте The Genesis of General Relativity .
  • Бранс, Карл Х .; «Корни скалярно-тензорной теории: приблизительная история», arXiv : gr-qc / 0506063 . Обсуждается история попыток построения теории гравитации со скалярным полем и связь с принципом эквивалентности и принципом Маха.
  • Миснер, Чарльз У .; Thorne, Kip S .; и Уиллер, Джон А .; Gravitation , New York: WH Freeman and Company, 1973, глава 16 обсуждает принцип эквивалентности.
  • Оганян, Ганс; и Руффини, Ремо; Гравитация и пространство-время, 2-е издание , Нью-Йорк: Нортон, 1994, ISBN  0-393-96501-5 В главе 1 обсуждается принцип эквивалентности, но неверно, согласно современному использованию, утверждается, что принцип строгой эквивалентности неверен.
  • Узан, Жан-Филипп; «Фундаментальные константы и их вариации: статус наблюдений и теоретические мотивы», Reviews of Modern Physics 75 , 403 (2003). arXiv : hep-ph / 0205340 В этой технической статье рассматриваются лучшие ограничения на изменение фундаментальных констант.
  • Уилл, Клиффорд М .; Теория и эксперимент в гравитационной физике , Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press, 1993. Это стандартный технический справочник по тестам общей теории относительности.
  • Уилл, Клиффорд М .; Был ли Эйнштейн прав ?: Проверка общей теории относительности , Basic Books (1993). Это популярный отчет о проверках общей теории относительности.
  • Уилл, Клиффорд М .; Противостояние общей теории относительности и эксперимента, Living Reviews in Relativity (2006). Технический онлайн-обзор, охватывающий большую часть материала по теории и экспериментам в гравитационной физике. Принципы эквивалентности Эйнштейна и сильные варианты обсуждаются в разделах 2.1 и 3.1 соответственно.
  • Фридман, Майкл; Основы теорий пространства-времени , Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press, 1983. В главе V обсуждается принцип эквивалентности.
  • Гинс, Мишель; Будден, Тим (2001), «Принцип эквивалентности», Stud. Hist. Фил. Мод. Phys. , 32 (1): 33-51, Bibcode : 2001SHPMP..32 ... 33G , DOI : 10.1016 / S1355-2198 (00) 00038-1
  • Оганян, Ханс К. (1977), «Что такое принцип эквивалентности?», Американский журнал физики , 45 (10): 903–909, Bibcode : 1977AmJPh..45..903O , doi : 10.1119 / 1.10744
  • Di Casola, E .; Liberati, S .; Сонего, С. (2015), «Неэквивалентность принципов эквивалентности», Американский журнал физики , 83 (1): 39, arXiv : 1310.7426 , Bibcode : 2015AmJPh..83 ... 39D , doi : 10.1119 / 1.4895342 , S2CID  119110646

внешние ссылки