Отклонение светового луча массивными телами

ОТО объясняет вдвое большее отклонение светового луча вблизи массивных тел, чем это предсказывала теория Ньютона (рис. 10.4). Эксперимент был проведен ещё в 1919 г. Световой луч вблизи одной из планет отклонился на 1,75″, тогда как по теории Ньютона искривление должно было произойти на 0,87″, т. е. на вдвое меньшую величину.

Рис. 10.4.

Объяснение смещения орбиты Меркурия

Известно, что за 100 лет орбита Меркурия сместилась на 1° 33' 20″. Из теории Ньютона следует, что смещение, за счет влияния планет, должно быть на 1° 32' 37″, т. е. на 43″ меньше. Подставив в формулы ОТО параметры Солнца и Меркурия, Эйнштейн получил скорость прецессии орбиты равной 43″ за 100 лет.

Черные дыры

ОТО предполагает наличие во Вселенной черных дыр — космических объектов, поглощающих все частицы, в том числе фотоны, подходящие к их поверхности (к горизонту событий) (рис. 10.5).

Рис. 10.5.

Допуская, что фотон обладает гравитационной массой, можно оценить размеры r_s и массу М космического объекта, способного стать черной дырой. Для этого необходимо, чтобы кинетическая энергия фотона была меньше или равна его потенциальной энергии на бесконечности:

Отсюда критический радиус, при котором массивное тело под влиянием своего собственного притяжения становится черной дырой (радиус Шварцшильда, или гравитационный радиус):

При этих условиях свет не сможет покинуть данный космический объект.

В качестве примера вычислим гравитационный радиус Земли, масса которой М = 6 • 10 ²⁴ кг:

Это число означает, что для того, чтобы гравитационная энергия массы Земли была равна энергии массы покоя, необходимо было бы всю ее массу сжать в шарик диаметром примерно 1 см. Фактически же диаметр Земли имеет порядок 10⁹см.

Наиболее важным физическим содержанием понятия гравитационного радиуса является представление о том, что область внутри сферы такого радиуса как бы теряет всякую связь с областью вне этой сферы, за исключением гравитационной связи. Это означает, что свет не смог бы выйти из внутренней области. Во внешнем пространстве эта область проявляется лишь громадными силами тяготения. Пролетающие вблизи частицы и кванты излучения будут втягиваться внутрь сферы гравитационного радиуса и там исчезать. Поэтому такая область называется «черной дырой».

Уже есть достаточно веские доказательства существования черных дыр. Основная трудность состоит в том, что они поглощают все и почти ничего не излучают. Поэтому об их существовании можно судить по косвенным данным — поглощению вещества и испусканию в этом процессе излучения (рис. 10.5). Подобное явление можно наблюдать в системе двойных звезд, в частности, обычно называют двойную систему SyjXI (Лебедь XI). Пространство внутри черных дыр сворачивается, время останавливается.

Теория показывает, что при столкновении двух черных дыр, при взрыве сверхновой звезды или слиянии двойной нейтронной звезды происходит возмущение кривизны пространства-времени и возникают гравитационные волны, сжимающие и растягивающие вещество и пространство. Возможно, существует фон гравитационного излучения реликтового происхождения.

Предсказанные ОТО гравитационные волны в прямых экспериментах еще не наблюдались, но последствия их излучения системами небесных тел обнаружены. Согласно ОТО, период орбитального движения двойной звездной системы должен уменьшиться из-за излучения гравитационных волн. Это уменьшение открыто в системе, одним из компонентов которой является пульсар PSR_m + _]6. По расчетам ОТО относительное уменьшение периода в этой системе за один оборот должно составлять 2,4−10 ^|2, а наблюдения дают значение (2,3 ± 0,2) — 1(Г¹².

Все вышеизложенное говорит о правильности принципов, положенных в основу ОТО, о непротиворечивости ее выводов и фундаментальности предсказанных сю физических эффектов.

Глубокие идеи, заложенные в общей теории относительности, являются основой для построения квантовой теории тяготения, которая позволит объяснить эволюцию Вселенной.

Новые знания порождают новые вопросы, поскольку они расширяют область нашего соприкосновения с неизвестным.

Рене Декарт