Testy doświadczalne ogólnej teorii względności: Różnice pomiędzy wersjami

W lutym 2016 grupa badaczy z detektora [[LIGO]] doniosła o [[astronomia fal grawitacyjnych|bezpośrednim wykryciu fal grawitacyjnych]] pochodzących ze zderzenia czarnych dziur <ref name="Discovery 2016">{{Cytuj czasopismopismo |tytuł=Einstein's gravitational waves found at last |czasopismo=Nature News|url=http://www.nature.com/news/einstein-s-gravitational-waves-found-at-last-1.19361 |data=February 11, 2016 |nazwisko=Castelvecchi |imię=Davide |nazwisko2=Witze |imię2=Witze |doi=10.1038/nature.2016.19361 |data dostępu=2016-02-11 }}</ref>. To odkrycie w połączeniu z dodatkowymi wynikami opublikowanymi w czerwcu 2016 i czerwcu 2017 <ref name="conover2017">Conover, Emily, [https://www.sciencenews.org/article/ligo-snags-another-set-gravitational-waves LIGO snags another set of gravitational waves], ''Science News'', June 1, 2017. Retrieved 8 June 2017.</ref> weryfikuje przewidywania ogólnej teorie względności w granicy bardzo silnego pola, nie znajdując jak do tej pory żadnych odchyleń od przewidywań teorii.

W 1916 Albert Einstein zaproponował<ref name=Ein1916>{{Cytuj czasopismopismo |nazwisko=Einstein |imię=Albert |tytuł=The Foundation of the General Theory of Relativity |czasopismo=Annalen der Physik |wolumin=49 |wydanie=7 |strony=769–822 |data=1916 |url=https://en.wikisource.org/wiki/The_Foundation_of_the_Generalised_Theory_of_Relativity |format=PDF |data dostępu=2006-09-03 |doi=10.1002/andp.19163540702 |bibcode=1916AnP...354..769E}}</ref><ref name=Ein1916eng>{{Cytuj czasopismopismo |nazwisko=Einstein |imię=Albert |tytuł=The Foundation of the General Theory of Relativity |czasopismo=Annalen der Physik |wolumin=49 |wydanie=7 |strony=769–822 |data=1916 |url=https://en.wikisource.org/wiki/The_Foundation_of_the_Generalised_Theory_of_Relativity |format=English HTML, contains link to German PDF|doi=10.1002/andp.19163540702 |bibcode=1916AnP...354..769E}}</ref> trzy testy ogólnej teorii względności, w następnych latach nazwane '''klasycznymi testami ogólnej teorii względności''':

Brakująca wartość w prędkości [[precesja|precesji]] została ostatecznie wyjaśniona na bazie ogólnej teorii względności. Einstein pokazał, ze ogólna teoria względności daje przewidywania dokładnie zgodne z obserwowaną wartością przesunięcia peryhelium <ref name=Ein1916 />. Wyjaśnienie prędkości precesji Merkurego odegrało bardzo ważną role w procesie akceptacji ogólnej teorii względności. W ostatnich latach Friedman i Steiner <ref name="Merc">{{Cytuj czasopismopismo |nazwisko=Friedman |imię=Y. |nazwisko2=Steiner |imię2=J. M.|data=2016 |tytuł= Predicting Mercury's Precession using Simple Relativistic Newtonian Dynamics |czasopismo=Europhysics Letters (EPL) |wolumin=113|strony=39001 |doi=10.1209/0295-5075/113/39001|arxiv=1603.02560|bibcode=2016EL....11339001F}}</ref> wyjaśnili obserwowaną wielkość przesunięcia peryhelium bez pełnej ogólnej teorii względności, jedynie w ramach modelu [[relatywistyczna dynamika newtonowska|relatywistycznej dynamiki newtonowskiej]] (RND).

Wcześniejsze pomiary ruchu planet były wykonywane przy pomocy tradycyjnych teleskopów, natomiast współcześnie przeprowadzono bardziej dokładne pomiary wykorzystując metody radarowe. Całkowita zmierzona precesja wynosi 574.10″±0.65 na wiek <ref name="Clemence">{{Cytuj czasopismopismo |imię=G. M. |nazwisko=Clemence |tytuł=The Relativity Effect in Planetary Motions |czasopismo=Reviews of Modern Physics |wolumin=19 |wydanie=4 |strony=361–364 |data=1947 |doi=10.1103/RevModPhys.19.361 |bibcode=1947RvMP...19..361C}}</ref> względem [[ICRF|Międzynarodowego Niebieskiego Układu Odniesienia]] (ICRF). Taka wartość precesji jest uważana za wypadkowy efekt następujących przyczyn:

gdzie ''L'' jest [[półoś wielka|półosią wielką]], ''T'' jest [[okres orbitalny|okresem orbitalnym]], ''c'' jest [[prędkość światła|prędkością światła]] i ''e'' jest [[mimośród orbity|mimośrodem orbity]] (zobacz: [[problem dwóch ciał w ogólnej teorii względności]]). Co więcej powyższy wzór jest dokładnym wyrażeniem na prędkość precesji peryhelium w ramach [[relatywistyczna dynamika newtonowska|relatywistycznej dynamiki newtonowskiej]] <ref name="Bin">{{Cytuj czasopismopismo |nazwisko=Friedman |imię=Y. |nazwisko2=Livshitz |imię2=S.|nazwisko3=Steiner |imię3=J. M.|data=2016 |tytuł= Predicting the relativistic periastron advance of a binary star without curving spacetime |czasopismo=Europhysics Letters (EPL) |wolumin=116|strony=59001|doi=10.1209/0295-5075/116/59001|arxiv=1705.05705|bibcode=2016EL....11659001F}}</ref>.

Ruch innych planet również wykazuje precesje perihelium orbity, jednak z uwagi na odległość od Słońca w jakiej się znajdują jak również ich okresy orbitalne, precesja jest mniejsza i została zaobserwowana na długo po odkryciu precesji peryhelium Merkurego. Na przykład precesja peryhelium Wenus i Ziemi zgodnie z ogólną teorią względności wynosi odpowiednio 8.62″ i 3.84″ (sekund łukowych) na wiek. Obie wartości zostały zmierzone z wynikiem zgodnym z teorią <ref name="Biswas">{{Cytuj czasopismopismo|wersja=v1|tytuł=Relativistic perihelion precession of orbits of Venus and the Earth|imię1=Abhijit|nazwisko1=Biswas|imię2=Krishnan R. S.|nazwisko2=Mani|data=2008|doi=10.2478/s11534-008-0081-6|czasopismo=Central European Journal of Physics|wolumin=6|wydanie=3|strony=754–758|bibcode=2008CEJPh...6..754B }}</ref>. Wykonano również pomiary ruchu [[Apsyda (astronomia)|perycentrum]] w układzie pulsarów podwójnych [[PSR B1913+16|PSR 1913+16]] z wartością 4.2º na rok <ref name="Matzner">{{Cytuj książkę |tytuł=Dictionary of geophysics, astrophysics, and astronomy|imię1=Richard Alfred|nazwisko1=Matzner|wydawca=CRC Press|data=2001|isbn=0-8493-2891-8|strona=356|url=https://books.google.com/books?id=eez38xjCYGkC&pg=PA356}}</ref>. Jest to wynik spójny z przewidywaniami ogólnej teorii względności <ref>Weisberg, J.M.; Taylor, J.H. (July 2005). [http://aspbooks.org/custom/publications/paper/328-0025.html|"The Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis"].</ref>. Istnieje także możliwość wykonania pomiarów dla układów gwiazd podwójnych, które nie zawierają ultra gęstych gwiazd (takich jak pulsary), jednakże w przypadku takich obserwacji pozostaje problem dokładnego modelowania klasycznych zjawisk - na przykład prawidłowa interpretacja pomiaru wymaga dokładnej znajomości momentów pędu gwiazd względem ich płaszczymy orbitalnej. Dla kilku układów gwiazd np. [[DI Herculis]] <ref name="skyandtelescope2009">Naeye, Robert, [http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/stellar-mystery-solved-einstein-safe/ "Stellar Mystery Solved, Einstein Safe"],

[[Henry Cavendish]] w 1784 (w nieopublikowanej pracy) i [[Johann Georg von Soldner]] w 1801 (w pracy opublikowanej w 1804) zwrócili uwagę, że z newtonowskiej teorii grawitacji wynika ze światło zakrzywi się w polu grawitacyjnym <ref>{{Cytuj czasopismopismo |autor=Soldner, J. G. V. |data=1804 |tytuł=[[s:Translation:On the Deflection of a Light Ray from its Rectilinear Motion|On the deflection of a light ray from its rectilinear motion, by the attraction of a celestial body at which it nearly passes by]] |czasopismo=Berliner Astronomisches Jahrbuch |strony =161–172}}</ref><ref>{{Cytuj pismo|arxiv=physics/0508030|tytuł=Newtonian gravitational deflection of light revisited|autor=Soares, Domingos S. L.|rok=2009}}</ref>. W 1911 Einstein powtórzył obliczenia Solder'a z takim samym wynikiem bazując jedynie na zasadzie równoważności. Natomiast w 1915 w trakcie pracy nad ogólną teorią względności Einstein zauważył, że jego wynik (a tym samym również Solder'a) stanowi zaledwie połowę poprawnej wartości. Einstein jako pierwszy wykonał prawidłowe obliczenie w oparciu o ogólną teorie względności <ref>{{Cytuj czasopismopismo |autor=Will, C.M.|data=December 2014 |tytuł=The Confrontation between General Relativity and Experiment |czasopismo=Living Rev. Relativ. |wolumin =17 |url=https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2014-4 |strona= 4 |doi=10.12942/lrr-2014-4|arxiv = gr-qc/0510072 |bibcode = 2006LRR.....9....3W }} (ArXiv version here: [https://arxiv.org/abs/1403.7377 arxiv.org/abs/1403.7377].)</ref>.

Pierwsze testy ugięcia światła w polu grawitacyjnym polegały na obserwacji zmian położenia [[gwiazda|gwiazd]] na [[Sfera niebieska|sferze niebieskiej]] w pobliżu Słońca. Obserwacje zostały wykonane przez [[Arthur Stanley Eddington|Arthura Eddingtona]] i jego współpracowników podczas całkowitego zaćmienia Słońca 29 maja 1919 roku <ref name="Eddington1920">{{Cytuj czasopismopismo|nazwisko=Dyson|imię=F. W.|tytuł=A determination of the deflection of light by the Sun's gravitational field, from observations made at the total eclipse of 29 May 1919|czasopismo=Philosophical Transactions of the Royal Society |wolumen=220A |strony=291–333|data=1920|autor2=Eddington, A. S. |autor3=Davidson C. |doi=10.1098/rsta.1920.0009|bibcode=1920RSPTA.220..291D}}</ref>, które pozwoliło zaobserwować położenie gwiazd w pobliżu Słońca ([[Gwiazdozbiór Byka|konstelacja Byka]]) <ref name="Eddington1920"/>. Obserwacje zostały wykonane jednocześnie w miastach [[Sobral, Ceará]], Brazil i w [[Sao Tomé i Príncipe]] na zachodnim wybrzeżu Afryki <ref>{{Cytuj czasopismopismo|nazwisko=Stanley|imię=Matthew|tytuł='An Expedition to Heal the Wounds of War': The 1919 Eclipse and Eddington as Quaker Adventurer|czasopismo=Isis |wolumen=94|wydanie=1|strony=57–89|data=2003|doi=10.1086/376099|pmid=12725104}}</ref>. Ich pozytywny rezultat został uznany za spektakularny, a informacja o nim pojawiła się na pierwszych stronach większości ówczesnych gazet. W skutego tego Einstein wraz ze swoją teorią stał się sławny na skale światową. Kiedy został zapytany przez swojego asystenta jak zareagowałby na wieść, że obserwacje Eddigntona i Dysona z 1919 nie potwierdziły jego teorii, Einstein zażartował: "Byłoby mi naprawdę przykro drogi panie. Teoria byłaby mimo wszystko prawdziwa." <ref>Rosenthal-Schneider, Ilse: ''Reality and Scientific Truth''. Detroit: Wayne State University Press, 1980. p 74. See also Calaprice, Alice: The New Quotable Einstein. Princeton: Princeton University Press, 2005. p 227.</ref>

Jednakże dokładność wczesnych pomiarów była niewielka. Niektórzy twierdzili <ref>Harry Collins and Trevor Pinch, ''The Golem'', {{ISBN|0-521-47736-0}}</ref>, że obserwacje Eddinghtona mogły być [[Efekt potwierdzenia|stronnicze]] i obciążone [[Błąd pomiaru|błędami systematycznymi]]. Natomiast współczesne analizy danych Eddingtona <ref>{{Cytuj czasopismopismo|arxiv=0709.0685|autor1=Daniel Kennefick|tytuł=Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition|data=2007|doi=10.1016/j.shpsa.2012.07.010|wolumen=44|czasopismo=Studies in History and Philosophy of Science Part A|strony=89–101}}</ref> sugerują, że pomiary były dokładne <ref>{{Cytuj czasopismopismo|doi=10.1038/news070903-20|url=http://philipball.blogspot.com/2007/09/arthur-eddington-was-innocent-this-is.html|tytuł=Arthur Eddington was innocent!|data=2007|nazwisko1=Ball|imię1=Philip|czasopismo=News@nature}}</ref><ref name="PhysToday">D. Kennefick, "Testing relativity from the 1919 eclipse- a question of bias", ''Physics Today'', March 2009, pp. 37–42.</ref>. Obserwacje zostały powtórzone przez badaczy z [[Obserwatorium Licka|Lick Obserwavtory]] podczas zaćmienia w 1922 z rezultatem zgodnym z tym który otrzymano w 1919 <ref name="PhysToday" />. W następnych latach tego rodzaju obserwacje były powtarzane kilkukrotnie, na przykład w 1953 przez astronomów z [[Obserwatorium Yerkes|Yerkes Obserwavtory]] <ref>van Biesbroeck, G.: The relativity shift at the 1952 February 25 eclipse of the Sun., ''Astronomical Journal'', vol. 58, page 87, 1953.</ref> i w 1973 przez grupę z [[University of Texas at Austin|Univesity of Texas]] <ref>Texas Mauritanian Eclipse Team: Gravitational deflection of-light: solar eclipse of 30 June 1973 I. Description of procedures and final results., ''Astronomical Journal'', vol. 81, page 452, 1976.</ref>. Tego rodzaju pomiary byłby obciążone znaczną niepewnością przez blisko pięćdziesiąt lat do czasu kiedy zaczęto przeprowadzać pomiary w [[Radioastronomia|częstotliwościach radiowych]] <ref>Titov, O.; Girdiuk, A. (2015). Z. Malkin & N. Capitaine, ed. The deflection of light induced by the Sun's gravitational field and measured with geodetic VLBI. [[http://www.gaoran.ru/english/as/j2014/home.htm|Proceedings of the Journées 2014 "Systèmes de référence spatio-temporels": Recent developments and prospects in ground-based and space astrometry.]]</ref>. [[Pierścień Eisensteina]] jest przykładem ugięcia światła pochodzącego z odległych galaktyk w polu grawitacyjnym bliższych obiektów <ref>{{Cytuj stronę|url=http://news.nationalgeographic.com/2017/06/hubble-telescope-einstein-impossible-genius-space-science/ |tytuł=Einstein's 'Impossible' Experiment Finally Performed |imię=Nadia |nazwisko=Drake |data=7 June 2017|data dostępu=9 June 2017}}</ref>.