100 фундаментальных экспериментов,
на которые опирается современная физика:
от Галилея до наших дней.
Щелкая на названиях экспериментов левой клавишей мыши, вы попадете в раздел, посвященный конкретному эксперименту. Для того, чтобы посмотреть краткое описание эксперимента, не переходя к посвященной ему страничке, щелкните на надписи «Краткое описание...» справа от его названия.
-
Эйнштейновское описание гравитации через искривление пространства-времени существенным образом
основывается на локальной эквивалентности (неразличимости) явлений инерции и гравитации. Эйнштейн
рассматривает относительность этих явлений на примере воображаемого лифта, равноускоренно движущегося в космосе,
обобщая мысленный эксперимент Галилея с кораблем. В опыте Этвёша силы инерции и гравитации,
действующие на два тела на крутильных весах, уравновешивают друг друга, что говорит о равенстве инертной
и гравитационной масс. Данное равенство есть количественное выражение принципа эквивалентности.
-
Пожалуй, единственной экспериментальной предпосылкой общей теории относительности было наличие не укладывавшейся в ньютоновскую физику
поправки к скорости прецессии перигелия Меркурия (т.е. передвижения точки, где Меркурий максимально приближается к Солнцу, вдоль его орбиты).
Эта ничтожная аномальная прецессия составляла примерно 43 угловых секунды за столетие и была обнаружена в 1859 году астрономом Урбеном Леверье.
Кроме того, простое обобщение ньютоновской теории гравитации на случай релятивистских скоростей движения масс встречало и чисто теоретические проблемы.
-
Наблюдение отклонения видимых положений звезд вблизи солнечного диска во время полного солнечного
затмения 1919 года, осуществленное Артуром Эддингтоном, окончательно отдало
общей теории относительности Эйнштейна пальму первенства в конкуренции с альтернативными теориями
гравитации (например, теорией Нордстрема). Важно отметить, что ни максвелловский подход к описанию света,
ни подход специальной теории относительности не приводят к наличию отклонения световых лучей, проходящих близко к Солнцу.
-
Двойные пульсары и двойные системы, состоящие из пульсара и нейтронной звезды, замечательны тем,
что допускают измерение своего орбитального периода с высокой точностью. У двойной системы PSR B1913+16, открытой
Халсом и Тейлором в 1974 году, период обращения уменьшался на 75 микросекунд в год,
что говорило о постепенном сближении двух звезд. Но именно такая величина уменьшения периода получается в рамках
теории Эйнштейна в силу потерь кинетической энергии ускоренно движущихся звезд на гравитационное излучение.
-
В теории относительности Эйнштейна время течет медленнее в точках пространства
с большим гравитационным потенциалом, поэтому частота электромагнитных волн,
летящих от пола к потолку, уменьшается с набором высоты.
Данный эффект называется гравитационным красным смещением.
В опыте Паунда–Ребка гравитационное красное смещение фотонов складывалось с доплеровским сдвигом;
когда достигалась взаимная нейтрализация двух эффектов, наступал резонанс источника и приемника фотонов.
Так было впервые измерено гравитационное красное смещение в земных условиях.
-
Для искусственных спутников и даже самолетов гравитационное замедление времени соперничает с кинематическим
(лоренцевским) его аналогом. Оба эти явления наблюдались на рейсовом самолете с помощью цезиевых часов в 1971 году.
Из-за сложения скорости самолета относительно земной поверхности со скоростью осевого вращения Земли в самолетах восточного
и западного направления кинематическое замедление времени имело различную величину. Гравитационный же эффект находился
в великолепном согласии с общей теорией относительности.
-
Ключевым свойством искривленного пространства является невозможность «расчертить»
конечный его объем параллельными линиями. Результат параллельного переноса вектора
зависит от траектории переноса. Из данного геометрического свойства следует физический
эффект: ось вращения гироскопа, свободно летящего по орбите вокруг Земли, немного
меняет свое направление за один оборот вокруг планеты. Измерения этого эффекта на специально запущенном в
2007 году космическом зонде Gravity Probe B подтвердили предсказания теории Эйнштейна.
-
Наличие красного смещения у далеких галактик и пропорциональность его расстоянию до них
обнаружил астроном Эдвин Хаббл в 1929 году. Данный факт говорил либо об
убегании галактик со скоростью, пропорциональной расстоянию, либо о другом темпе
течения времени/других пространственных масштабах в ранней Вселенной
(ведь далекие галактики мы видим такими, какими они были миллионы и миллиарды лет назад!).
Эти наблюдения, а также теоретические результаты Александра Фридмана по расширяющимся вселенным,
составили основу для теории Большого Взрыва и однозначно констатировали необходимость изучения Вселенной
в ее юности, когда она была очень сжатой.
-
Из космологических моделей Фридмана следовало, что Вселенная на ранних стадиях своей эволюции должна была иметь малые размеры, а
поэтому большую плотность и высокую температуру. На основании этих результатов Георгий Гамов предложил теорию горячей вселенной, описывающую
каскад превращений частиц, происходивших в процессе ее расширения и охлаждения. Из теории Гамова следовало, что современную Вселенную должно
равномерно заполнять излучение, оставшееся от ранних эпох и охладившееся за миллиарды лет до нескольких кельвин.
Это излучение было обнаружено многими учеными в 1950-60-х годах, в частности, Пензиасом и Уилсоном с помощью методов радиоспектроскопии.
Данное открытие однозначно говорило о существовании у Вселенной «горячего прошлого».
-
Реликтовое излучение имеет примерно одинаковую температуру по всем направлениям в пространстве, т.е. изотропно.
С другой стороны, регистрация температурной и поляризационной анизотропии фонового излучения дает уникальную возможность заглянуть
в конец эпохи рекомбинации (380 тысяч лет после Большого Взрыва) и даже в более ранние эпохи. С учетом того, что первые звезды
начали светить через полмиллиарда лет после этого, реликтовое излучение было единственным светом, заполнявшим Вселенную в дозвездные,
Темные века. Анизотропия этого излучения дает сведения о кривизне ранней Вселенной, распределении в ней вещества, плотности
межгалактической среды и даже об инфляции, возможно, имевшей место сразу после Большого Взрыва.
-
Космологическая кривизна, согласно моделям Фридмана, зависит от средней плотности материи во Вселенной: если эта плотность
больше критической, кривизна положительна, если меньше — отрицательна. Более того, в процессе расширения Вселенной кривизна
быстро удаляется от равновесного, нулевого значения. Несмотря на это, наблюдения анизотропии реликтового излучения говорят, что
кривизна была равна нулю и в ранние эпохи эволюции Вселенной, а тем более сейчас. Это, с одной стороны, создает проблему тонкой
подстройки: чтобы реализовался сценарий нулевой кривизны, плотность в момент Большого Взрыва должна быть равна критической
с точностью до 60 значащих цифр. С другой стороны, наблюдаемое современными астрономами вещество дает всего 4% критической
плотности (а вместе с темной материей — всего 25%). Этому несоответствию, в частности, обязана своим появлением гипотетическая темная энергия.
-
Наблюдения вращения звезд в галактиках и галактик в скоплениях, а также гравитационного линзирования света массивными кластерами выявляют существенное превосходство гравитационной массы галактик над массой их видимого вещества. В связи с этим в астрофизику было введено понятие темной материи — материи, из четырех фундаментальных взаимодействий участвующей только в гравитационном. Для света и обычного вещества темная материя неотличима от пустоты. Этот вид материи окружает все галактики так называемым темным гало и принимает существенное участие в их зарождении и развитии. С другой стороны, даже массы темной материи не хватает, чтобы обеспечить нулевую космологическую кривизну пространства-времени. По этой причине ученые предполагают также существование темной энергии, восполняющей недостаток космологической плотности. Последнему виду материи также приписывается свойство эффективного отталкивания, поскольку недавно было обнаружено ускорение расширения Вселенной, отсутствующее в моделях без темной энергии.
|
|
