Heute erzählen wir Ihnen etwas über den schwachen Gravitationslinseneffekt. Anlass dafür war Professor Matthias Bartelmann von der Universität für Theoretische Physik Heidelberg, den er eigens für das Bildungsprojekt Scholarpedia geschrieben hat.

Zunächst ein bisschen Geschichte: Die Idee, dass massive Körper Licht ablenken können, geht auf Isaac Newton zurück. 1704 schrieb er in seinem Buch „Optik“: „... beeinflussen Körper das Licht in der Ferne und lenken seine Strahlen durch diesen Einfluss ab; und ist dieser Einfluss nicht um so stärker, je geringer der Abstand [zwischen dem Körper und dem Lichtstrahl] ist? Schon die Formulierung einer solchen Frage war lange Zeit umstritten, weil die Newtonsche Physik nur mit Körpern arbeitet, die eine Masse haben, und die Debatte über die Natur des Lichts, die Eigenschaften und das Vorhandensein von Masse in seinen Teilchen noch zwei weitere Jahre andauerte gute Jahrhunderte.

Dennoch konnte der deutsche Astronom Johann von Soldner im Jahr 1804 unter der Annahme von Masse in Photonen, die bis dahin noch nicht entdeckt worden waren, den Winkel berechnen, um den Licht von einer entfernten Quelle abweichen würde, wenn es auf sie „auftrifft“. die Oberfläche der Sonne erreicht und die Erde erreicht - der Strahl musste um 0,83 Bogensekunden abweichen (dies entspricht etwa der Größe einer Penny-Münze aus 4 Kilometern Entfernung).

Der nächste große Schritt in der Erforschung der Wechselwirkung von Licht und Schwerkraft wurde von Albert Einstein gemacht. Seine Arbeiten zur Relativitätstheorie ersetzten Newtons klassische Gravitationstheorie, in der Kräfte wirken, durch eine geometrische. In diesem Fall spielt die Masse der Photonen keine Rolle mehr – das Licht wird einfach abgelenkt, weil der Raum selbst in der Nähe des massiven Objekts gekrümmt ist. Bevor er seine Arbeit zur allgemeinen Relativitätstheorie beendete, berechnete Einstein den Ablenkwinkel eines Lichtstrahls, der in der Nähe der Sonne vorbeiflog, und erhielt ... genau die gleichen 0,83 Bogensekunden wie von Soldner hundert Jahre vor ihm. Nur fünf Jahre später, nachdem er seine Arbeiten zur Allgemeinen Relativitätstheorie abgeschlossen hatte, erkannte Einstein, dass es notwendig war, nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich zu berücksichtigen beim te Komponente der Krümmung unserer vierdimensionalen Raumzeit. Dadurch verdoppelte sich der berechnete Ablenkwinkel.

Versuchen wir, den gleichen Winkel zu bekommen. Vorbei an einem massiven Körper wird ein Lichtstrahl abgelenkt, weil er sich gerade, aber in einem gekrümmten Raum bewegt. Aus Einsteins Sicht sind Raum und Zeit gleich, was bedeutet, dass sich auch die Zeit ändert, die das Licht braucht, um uns zu erreichen. Daher ändert sich die Lichtgeschwindigkeit.

Die Lichtgeschwindigkeit, die das Gravitationsfeld der Linse passiert, hängt vom Gravitationspotential der Linse ab und ist kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

Dies verstößt gegen keine Gesetze - die Lichtgeschwindigkeit kann sich tatsächlich ändern, wenn das Licht durch eine Substanz wandert. Das heißt, nach Einstein ist die Ablenkung von Licht durch ein massives Objekt gleichbedeutend mit seinem Durchgang durch ein bestimmtes transparentes Medium. Moment, das erinnert an den Brechungsindex einer Linse, den wir alle in der Schule gelernt haben!

Das Verhältnis der beiden Lichtgeschwindigkeiten ist der uns aus der Schule bekannte Brechungsindex

Wenn Sie nun die Lichtgeschwindigkeit in der Linse kennen, können Sie etwas erhalten, das in der Praxis gemessen werden kann - zum Beispiel den Ablenkwinkel. Dazu müssen Sie eines der grundlegenden Postulate der Natur anwenden – das Fermatsche Prinzip, nach dem sich ein Lichtstrahl so bewegt, dass die optische Weglänge minimiert wird. Wenn wir es in der Sprache der Mathematik schreiben, erhalten wir das Integral:

Der Ablenkwinkel ist gleich dem Integral des Gradienten des Gravitationspotentials

Es ist nicht notwendig, es zu lösen (und es ist sehr schwierig), die Hauptsache hier ist, die Zwei vor dem Integralzeichen zu sehen. Dies ist die gleiche Zwei, die Einstein unter Berücksichtigung des Räumlichen und Zeitlichen erschien Über te Komponente und die den Ablenkwinkel verdoppelt.

Um das Integral zu nehmen, wird eine Näherung verwendet (dh eine vereinfachte und ungefähre Berechnung). Für diesen speziellen Fall ist es bequemer, die Born-Näherung zu verwenden, die aus der Quantenmechanik stammt und Einstein gut bekannt war:

Dieselbe Bornsche Näherung für eine vereinfachte Berechnung des Ablenkwinkels

Setzen wir die für die Sonne bekannten Werte in die obige Formel ein und wandeln Bogenmaß in Bogensekunden um, erhalten wir die gewünschte Antwort

Die berühmte Expedition unter der Leitung von Eddington beobachtete die Sonnenfinsternis von 1919 in Afrika, und die Sterne, die sich während der Sonnenfinsternis in der Nähe der Sonnenscheibe befanden, wichen um einen Winkel von 0,9 bis 1,8 Bogensekunden ab. Dies war die erste experimentelle Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Dennoch dachten weder Einstein noch seine Kollegen über die praktische Nutzung dieser Tatsache nach. Tatsächlich ist die Sonne zu hell, und Abweichungen sind nur bei Sternen in der Nähe ihrer Scheibe erkennbar. Das bedeutet, dass der Effekt nur während Sonnenfinsternissen zu beobachten ist und den Astronomen weder über die Sonne noch über andere Sterne neue Daten liefert. 1936 besuchte der tschechische Ingenieur Rudi Mandl einen Wissenschaftler in Princeton und bat ihn, den Ablenkungswinkel eines Sterns zu berechnen, dessen Licht neben einem anderen Stern (d. h. jedem anderen Stern als der Sonne) vorbeigehen würde. Einstein führte die notwendigen Berechnungen durch und veröffentlichte sogar einen Artikel, in dem er jedoch feststellte, dass er diese Effekte für vernachlässigbar und nicht beobachtbar hielt. Die Idee wurde jedoch vom Astronomen Fritz Zwicky aufgegriffen, der sich zu diesem Zeitpunkt intensiv mit der Erforschung von Galaxien befasste (dass es neben der Milchstraße noch weitere Galaxien gibt, war acht Jahre zuvor bekannt). Er verstand als Erster, dass nicht nur ein Stern, sondern auch eine ganze Galaxie und sogar deren Haufen als Linse fungieren kann. Solch eine gigantische Masse (Milliarden und Billionen Sonnenmassen) lenkt Licht stark genug ab, um registriert zu werden, und leider wurde 1979, fünf Jahre nach Zwickys Tod, die erste Gravitationslinse entdeckt – eine massereiche Galaxie, die das Licht eines fernen Quasars ablenkte durch sie hindurch. Nun, entgegen Einsteins Vorhersagen, werden Linsen überhaupt nicht zum Testen der allgemeinen Relativitätstheorie verwendet, sondern für eine große Anzahl von Studien der größten Objekte im Universum.

Es gibt starke, schwache und Mikrolinsen. Der Unterschied zwischen ihnen liegt in der Position von Quelle, Beobachter und Linse sowie in der Masse und Form der Linse.

Starker Gravitationslinseneffekt ist charakteristisch für Systeme, bei denen sich die Lichtquelle in der Nähe einer massiven und kompakten Linse befindet. Infolgedessen biegt sich das Licht, das auf verschiedenen Seiten der Linse von der Quelle ausgeht, um sie herum, biegt sich und erreicht uns in Form mehrerer Bilder desselben Objekts. Befinden sich Quelle, Linse und Beobachter (also wir) auf der gleichen optischen Achse, dann sind mehrere Bilder gleichzeitig zu sehen. Das Einsteinkreuz ist ein klassisches Beispiel für starke Gravitationslinsen. In einem allgemeineren Fall verzerrt die Linse die Form des Objekts stark, sodass es wie ein Bogen aussieht.

Ein Beispiel für starkes Lensing einer entfernten Galaxie (weißes Objekt) durch eine massereiche Galaxie näher bei uns (türkises Objekt)

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Schwache Gravitationslinsen, die in unserem Material die Hauptgeschichte sein werden, können weder ein klares Bild noch einen hellen, schönen Bogen erzeugen - die Linse ist dafür zu schwach. Das Bild ist jedoch immer noch deformiert, und dies gibt Wissenschaftlern ein sehr mächtiges Werkzeug in die Hand: Es sind uns nur wenige Beispiele für starke Linsen bekannt, aber eine schwache, für die es ausreicht, dass zwei große Galaxien oder zwei Haufen vorhanden sind in einem Winkelabstand von etwa einer Bogensekunde, reicht völlig aus, um Galaxien, Haufen, Dunkle Materie, Reliktstrahlung und die gesamte Geschichte des Universums vom Urknall statistisch zu untersuchen.

Und schließlich ist Gravitationsmikrolinsen eine vorübergehende Erhöhung der Helligkeit einer Quelle durch eine Linse, die sich auf der optischen Achse zwischen ihr und uns befindet. Normalerweise ist diese Linse nicht massiv genug, um ein scharfes Bild oder sogar einen Bogen zu bilden. Es bündelt jedoch immer noch einen Teil des Lichts, das uns sonst nicht erreicht hätte, und dies macht das entfernte Objekt heller. Mit dieser Methode werden Exoplaneten gesucht (oder besser gesagt zufällig entdeckt).

Erinnern Sie sich daran, dass wir uns in dieser Übersicht im Anschluss an Professor Bartelmanns Artikel auf die Erörterung der nominellen schwachen Linsenwirkung beschränken. Es ist sehr wichtig, dass eine schwache Linse im Gegensatz zu einer starken Linse weder Bögen noch mehrere Bilder derselben Quelle erzeugen kann. Es kann nicht einmal die Helligkeit signifikant erhöhen. Alles, was es tun kann, ist, die Form einer fernen Galaxie leicht zu verändern. Auf den ersten Blick erscheint das wie eine Kleinigkeit – gibt es viele Effekte im Raum, die Objekte verzerren? Staub absorbiert Licht, die Ausdehnung des Universums verschiebt alle Wellenlängen, Licht erreicht die Erde, wird in der Atmosphäre gestreut und passiert dann immer noch die unvollkommene Optik von Teleskopen - wo können wir feststellen, dass die Galaxie etwas länger geworden ist ( wenn man bedenkt, dass wir nicht wussten, was es ursprünglich war? Hier helfen jedoch Statistiken - wenn Galaxien in einem kleinen Bereich des Himmels eine bevorzugte Ausdehnungsrichtung haben, sehen wir sie vielleicht durch eine schwache Linse. Trotz der Tatsache, dass moderne Teleskope etwa 40 Galaxien in einem Quadrat mit einer Seitenlänge von einer Bogenminute sehen können (das ist die Größe der ISS, wie wir sie von der Erde aus sehen), ist die Verzerrung, die durch Linsen in die Form der Galaxie eingeführt wird, so unbedeutend ( einige Prozent nicht überschreitet), dass wir sehr große und sehr leistungsstarke Teleskope brauchen. Wie zum Beispiel die vier Acht-Meter-Teleskope des VLT-Komplexes in Chile oder das 3,6-Meter-CFHT-Teleskop auf Hawaii. Dies sind nicht nur sehr große Teleskope – sie können auch einen großen Bereich des Himmels auf einmal abbilden, bis zu einem Quadratgrad (anders als beispielsweise das sehr leistungsstarke Hubble-Teleskop, dessen ein Rahmen ein Quadrat mit einem Quadratgrad bedeckt). Seite von nur 2,5 Bogenminuten ). Bis heute wurden bereits mehrere Durchmusterungen mit einer Fläche von knapp über 10 Prozent des Himmels veröffentlicht, die genügend Daten geliefert haben, um nach schwach gelinsten Galaxien zu suchen.

Materieverteilungskarte, rekonstruiert nach Berechnungen der Auswirkungen schwacher Gravialisierung; weiße Punkte stellen Galaxien oder Galaxienhaufen dar

Es muss gesagt werden, dass die Methode der Suche nach Gravitationslinsen durch die Orientierung von Galaxien mehrere Annahmen hat. Zum Beispiel, dass Galaxien im Universum zufällig ausgerichtet sind, was nicht unbedingt der Fall sein muss – seit den 1970er Jahren streiten Astrophysiker darüber, ob Haufen eine Art geordnete Ausrichtung haben sollten oder nicht. Neuere Studien zeigen, dass dies höchstwahrscheinlich nicht der Fall ist - selbst in den nächsten und massereichsten Galaxienhaufen sind sie zufällig orientiert, aber diese Frage ist noch nicht endgültig geklärt. Manchmal ist die Physik jedoch auf der Seite der Wissenschaftler – Gravitationslinsen sind achromatisch, das heißt, sie lenken Licht aller Farben im Gegensatz zu gewöhnlichen Linsen auf genau die gleiche Weise ab und wir müssen nicht raten: Die Galaxie sieht rot aus, weil sie es tatsächlich ist Rot, oder nur weil alle anderen Farben an unserem Planeten vorbeigeflogen sind?

Veranschaulichung der Auswirkungen eines schwachen Gravitationslinseneffekts. Auf der linken Seite werden die auffälligsten Effekte gezeigt - das Auftreten von Dehnung. In der Mitte und rechts - der Einfluss von Parametern zweiter und dritter Ordnung - Verschiebung des Quellzentrums und Dreiecksverformung

Matthias Bartelmannet al. 2016

Gibt es eine praktische Anwendung für diese komplexe Methode? Es gibt und mehr als eine Sache – schwache Gravitationslinsen helfen uns bei der Untersuchung der Verteilung dunkler Materie sowie der großräumigen Struktur des Universums. Die Ausdehnung von Galaxien entlang einer Achse kann die Masse der Linse und ihre Konzentration im Weltraum ziemlich genau vorhersagen. Vergleicht man die resultierende theoretische Masse mit der Masse sichtbarer Galaxien, die wir zuverlässig aus den Daten optischer und infraroter Teleskope bestimmen können, ist es möglich, die Masse der Dunklen Materie und ihre Verteilung in der Galaxie oder dem Galaxienhaufen zu messen, die als a fungiert Linse. Wir wissen zum Beispiel bereits, dass der Halo (also eine Wolke) aus dunkler Materie um einzelne Galaxien irgendwie flacher ist, als wir bisher dachten. Eine weitere Anwendung des Linseneffekts könnte die Entdeckung neuer Galaxienhaufen sein – es wird noch diskutiert, ob mehrere Galaxien überhaupt einen Halo aus dunkler Materie haben können, aber es scheint, dass dies in einigen Fällen tatsächlich der Fall ist. Und dann wird dieser Halo als Linse dienen und anzeigen, dass diese Galaxien nicht einfach nebeneinander stehen, sondern Teil eines Clusters sind, also eines gravitativ gebundenen Systems, in dem die Bewegung jeder von ihnen durch den Einfluss von bestimmt wird alle Mitglieder des Clusters.

Galaxien sind sehr gut, aber kann man mit Hilfe von Gravitationslinsen noch weiter blicken - in die Vergangenheit, als es noch keine Galaxien und Sterne gab? Es stellt sich heraus, dass Sie es können. CMB-Strahlung – elektromagnetische Strahlung, die nur 400.000 Jahre nach dem Urknall im Universum auftauchte – ist seit 13,6 Milliarden Jahren in jedem Kubikzentimeter des Weltraums vorhanden. Während dieser ganzen Zeit breitet es sich in verschiedene Richtungen aus und trägt den "Abdruck" des frühen Universums. Einer der Schlüsselbereiche der Astrophysik in den letzten Jahrzehnten war die Untersuchung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, um darin Inhomogenitäten zu finden, die erklären könnten, wie eine solche inhomogene und ungeordnete Struktur aus einem so symmetrischen und anisotropen (theoretisch) Uruniversum erscheinen könnte , wo an einer Stelle ein Haufen von Tausenden von Galaxien und an der anderen - Leere für viele kubische Megaparsec.

Die Satelliten RELIKT-1, COBE, WMAP, Planck maßen die Homogenität des CMB mit zunehmender Genauigkeit. Jetzt sehen wir es so detailliert, dass es wichtig wird, es von verschiedenen Geräuschen zu „reinigen“, die von Quellen stammen, die nicht mit der anfänglichen Verteilung der Materie im Universum zusammenhängen – zum Beispiel aufgrund des Sunyaev-Zeldovich-Effekts oder so sehr schwach Gravitationslinsen. Dies ist der Fall, wenn sie aufgenommen wird, um sie dann möglichst genau von der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu trennen und weiter zu überlegen, ob ihre Verteilung am Himmel in das kosmologische Standardmodell passt. Außerdem können uns selbst die genauesten Bilder des CMB nicht alles über das Universum sagen – es ist wie ein Problem, bei dem wir nur eine Gleichung haben, in der es mehrere Unbekannte gibt (zum Beispiel die Dichte baryonischer Materie und die spektrale Dichte von Dunkel Angelegenheit). Schwacher Gravitationslinseneffekt, auch wenn er jetzt nicht so genaue Ergebnisse liefert (und manchmal nicht gut mit den Daten anderer Studien übereinstimmt - siehe das Bild unten), aber dies ist die zweite unabhängige Gleichung, die hilft, den Beitrag von jedem zu bestimmen der allgemeinen Formel des Universums unbekannt.

Brechungsindex

Erfahrungen 1919 über die Beobachtung der Ablenkung von Lichtstrahlen im Gravitationsfeld der Sonne. Gravitationslinsen

Alle materiellen Teilchen müssen aufgrund der Newtonschen Gravitationstheorie von der Sonne angezogen werden. Auf der anderen Seite ist Licht vom Standpunkt der klassischen Physik aus Welle, und kein Teilchen - daher unterscheiden sich die Gleichungen für die Ausbreitung einer Lichtwelle in einem Gravitationsfeld nicht von den Gleichungen in dessen Abwesenheit. Dadurch werden Lichtstrahlen in der klassischen Physik im Gravitationsfeld der Sonne nicht abgelenkt. Bei der Beobachtung von Sternen in der Nähe der Sonnenscheibe können Beugungseffekte vernachlässigt werden, da der Radius der ersten Fresnel-Zone (siehe Arago-Poisson-Beugungsexperiment) kleiner ist

Wo ist die Wellenlänge des Lichts, ist die Entfernung von der Erde zur Sonne, ist der Radius der Sonne.

Beachten Sie, dass die Gleichungen für die Ausbreitung einer Lichtwelle sind relativistisch, so dass die fehlende Ablenkung von Strahlen im Newtonschen Gravitationsfeld nicht das Ergebnis der Anwendung eines nichtrelativistischen Apparats auf Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit ist. In der Tat, wenn wir bedenken relativistisches Teilchen mit Masse im gleichen Gravitationsfeld, dann haben wir nach der speziellen Relativitätstheorie die Bewegungsgleichungen:

jene. Die Schwerkraft biegt im Allgemeinen die Bewegungsbahn. Die Masse des Testteilchens wird reduziert, und dann erhalten wir im ultrarelativistischen Grenzfall:

wo ist der Einheitsvektor in Geschwindigkeitsrichtung. Für Licht , und wir erhalten das Fehlen einer Krümmung der Flugbahn!

Ein solch interessantes Ergebnis führt zu einer konsequenten Betrachtung des Problems der Ablenkung von Lichtstrahlen im Fachwerk Besondere Relativitätstheorie. Wenn wir eine Verallgemeinerung der Newtonschen Gravitationstheorie aufstellen wollen, die das Äquivalenzprinzip nicht verletzt, müssen wir eine von zwei Alternativen wählen:

1. Weder Lichtwellen noch ultrarelativistische Teilchen biegen ihren Weg in einem Gravitationsfeld (ein Beispiel ist die spezielle Relativitätstheorie);
2. Ultrarelativistische Teilchen werden vom Gravitationsfeld abgelenkt – letzteres lenkt aber auch Wellen ab. Das Vorhandensein einer Wellenablenkung sollte bedeuten, dass das Gravitationsfeld im Vakuum einen effektiven Brechungsindex erzeugt, aufgrund dessen Inhomogenität die Strahlen gebogen werden.

Insbesondere wenn wir einfach einen Faktor zur Newtonschen Gravitationskraft hinzufügen, beginnen ultrarelativistische Teilchen abzuweichen, wenn sie sich der Sonne nähern – das durch Maxwells Gleichungen beschriebene Licht bewegt sich jedoch weiterhin in einer geraden Linie. Einerseits verstößt dies gegen die De-Broglie-Hypothese – Licht, als Teilchen und als Welle betrachtet, muss sich auf unterschiedlichen Trajektorien ausbreiten. Andererseits kann der Unterschied in den Bahnen eines Lichtstrahls und eines fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Elektrons dazu verwendet werden, die Wirkung der Schwerkraft von der Wirkung der Trägheitskräfte zu unterscheiden - mit anderen Worten, das Äquivalenzprinzip verletzt wird.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie geht den zweiten von zwei Wegen: Licht krümmt sich tatsächlich in einem Gravitationsfeld, egal ob die Wellen- oder die Teilchenbeschreibung verwendet wird. Dieses Ergebnis wird automatisch erreicht, da Einsteins Theorie - Metrische Theorie der Schwerkraft. Mit anderen Worten, die Schwerkraft wird als Krümmung der Raumzeit wahrgenommen, und die Krümmung selbst wird durch Festlegen der Abstände zwischen ihren unendlich nahen Punkten bestimmt:

Materielle Punkte (auch masselose Photonen) bewegen sich in gekrümmter Raumzeit auf Bahnen kleinster Länge – Geodäten. Es lässt sich auch zeigen, dass sich an ihnen auch Wellenpakete entlang bewegen – der Welle-Teilchen-Dualismus wird also nicht zerstört. Die Krümmung selbst ist proportional zur Differenz der Winkelsumme eines kleinen Dreiecks, das aus geodätischen Segmenten aufgebaut ist, von 180 Grad. Unten sind Scheiben von zweidimensionalen Räumen mit konstanter Krümmung: Lobachevsky-Raum (Hyperboloid, negative Krümmung) und Riemann-Raum (Kugel, positive Krümmung).

Beispiele für Lobatschewski-Raum sind ein Sattel auf einem Pferd sowie Chips Pringles(siehe unten).

Bereits die ersten Astronomen konnten im Gravitationsfeld der Sonne das Vorhandensein einer Strahlenablenkung überprüfen, wenn dies erforderlich war. Da sich die Konkurrenz zwischen verschiedenen Gravitationstheorien (Newtonsche, Einsteinsche, Nordströmsche Theorie etc.) erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts verschärfte, reichen die ersten Beobachtungen dieses Effekts erst 1919 zurück. Auch diese Datierung ist experimentellen und historischen Umständen geschuldet. Erstens ist es realistisch, Sterne in der Nähe der Sonnenscheibe (also tagsüber!) nur während einer totalen Sonnenfinsternis zu beobachten. Zweitens setzte der Ausbruch des Ersten Weltkriegs jegliche Forschung aus.

Es ist interessant festzustellen, dass sogar Henry Cavendish auf der Grundlage zeitgenössischer Physik die Ablenkung von Strahlen in der Nähe der Sonne vorhergesagt hat. Die Größe dieses Effekts wurde 1801 von Johann von Soldner (1776–1833) berechnet. Das ist nicht verwunderlich – schließlich müssen Strahlen in der nicht-relativistischen Mechanik wie alle anderen Körper abweichen. Albert Einstein führte jedoch bereits nach der Erstellung der speziellen Relativitätstheorie dieselbe Berechnung durch und erhielt ein Ergebnis ungleich Null (1907). Erst 1915, nach einer tiefen Analyse der Konsequenzen des Äquivalenzprinzips, die ihn zur Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie führte, berechnete Einstein die Ablenkung der Strahlen neu – und es stellte sich heraus, dass sie doppelt so hoch war Über groß. Wir haben also die folgenden Vorhersagen des Ablenkwinkels verschiedener Theorien:

So ist in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie der Ablenkwinkel der Strahlen doppelt so groß wie der nichtrelativistische Wert. Dieser Effekt führt während einer Sonnenfinsternis zu einer Verschiebung der scheinbaren Positionen von Sternen in der Nähe der Sonnenscheibe. Das Bild unten ist ein Sternenlicht B Beobachter EIN scheint von einem Punkt zu kommen B` , abgesondert von B pro Winkelabstand auf der Himmelskugel.

Es war dieser Effekt, den Arthur Stanley Eddington (1882–1944) während der Sonnenfinsternis von 1919 untersuchte: Himmelsaufnahmen während einer Sonnenfinsternis wurden mit Aufnahmen verglichen, die ein halbes Jahr zuvor in der Nacht aufgenommen worden waren (damals stand die Erde der Himmelskugel genau in der gleichen Richtung gegenüber). gleicher Weg). Die Beobachtungen wurden unabhängig voneinander an verschiedenen Punkten der Erde durchgeführt, an denen eine totale Sonnenfinsternis beobachtet wurde. Die Ergebnisse der Experimente stimmten mit Einsteins Vorhersagen innerhalb von 25% überein. Auch weitere Versuche bestätigten dieses Ergebnis.

Inzwischen ist der Effekt der Ablenkung von Strahlen in einem Gravitationsfeld in der Astronomie recht bekannt geworden: Massive Galaxienhaufen erzeugen um sich herum ein Gravitationsfeld, das wie eine Sammlung wirkt Gravitationslinse. Gleichzeitig ist diese Linse keineswegs dünn, sodass die Bilder von Galaxien hinter dem Haufen verzerrt sind. Nach dem Linseneffekt kann sich eine Lichtquelle bilden Einstein-Kreis(Abb. 1), sowie mehrere Kopien desselben Bildes, z. B. einstein kreuz(Abb. 2). Abschließend Abb. 3 zeigt in einer Animation die Struktur von Einsteins Kreisen in der Nähe eines Schwarzen Lochs.

Jede Theorie ist gültig, wenn ihre Konsequenzen durch Erfahrung bestätigt werden. Dies war bei vielen bekannten Theorien der Fall, einschließlich Einsteins GR-Theorie. Es war ein zeitgemäßer und notwendiger Schritt in der Physik und wurde durch zahlreiche Experimente bestätigt. Ihr wesentliches Element war die Darstellung der Schwerkraft als Krümmung des Raumes, die durch verschiedene Metriken (Geometrie des Raumes) beschrieben werden kann. Entsprechend der Krümmung des Weltraums durch Sterne lenken Galaxien Lichtstrahlen durch die Schwerkraft ab. Astronomische Beobachtungen haben dieses geometrische Konzept glänzend bestätigt. Die Künstlichkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie ist bei einigen Physikern immer noch zweifelhaft und unzufrieden. Es ist notwendig, eine physikalische Rechtfertigung für die beobachteten Phänomene und die Natur der Schwerkraft im Allgemeinen zu finden. Der Autor stellte eine Hypothese über die Natur der Schwerkraft auf. Es basiert auf der Untersuchung der elektrischen Komponente der Vakuumstruktur und wird weiter durch die magnetische Kontinuumskomponente ergänzt. In dieser Form ist das physikalische Vakuum ein Medium zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen (EMW); die Geburt einer Substanz, wenn ihr die notwendige Energie zugeführt wird; das Medium für die Bildung "erlaubter Bahnen" von Elektronen in Atomen, die Welleneigenschaften von Teilchen usw.

Die Lichtgeschwindigkeit ist im Weltraum nicht konstant. Dies ist der Hauptunterschied zwischen der Vakuumtheorie und den Theorien von A. Einstein. Basierend auf astronomischen Beobachtungen und der Theorie des Vakuumaufbaus wird für die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Erdbeschleunigung folgende Formel vorgeschlagen:

(1)

α –1 = 137,0359895 ist der Kehrwert der Strahlungsfeinstrukturkonstante;

r= 1,39876 · 10 –15 m ist der Dipolabstand der elektrischen Komponente der Vakuumstruktur;

g[m/s 2 ] – lokale Erdbeschleunigung;

Eσ = 0,77440463 [ a –1 m 3 c–3] ist die spezifische elektrische Polarisation des Vakuums;

S= 6,25450914 10 43 [ a· s· m–4] ist die Deformationspolarisation des Vakuums.

Da wir die unter Erdbedingungen gemessene Lichtgeschwindigkeit von 2,99792458(000000) 10 8 m/s kennen, bestimmen wir die Geschwindigkeit nach Formel (1) im offenen Raum mit 0 = 2,997924580114694 10 8 m/s. Sie unterscheidet sich kaum von der Lichtgeschwindigkeit der Erde und wird mit einer Genauigkeit von 9 Nachkommastellen bestimmt. Bei weiterer Verfeinerung der terrestrischen Lichtgeschwindigkeit ändert sich der angegebene Wert für den Freiraum. Aus der Wellentheorie des Lichts von Fresnel und Huygens ist bekannt, dass der Brechungsindex beim Übergang von einem Medium zu einer Geschwindigkeit mit 0 bis Mittwoch mit Tempo c e gleich

In unserem Fall ist der Einfallswinkel des Strahls zur Normalen der Sonnenoberfläche gleich ich 0 =90°. Um die Menge der Lichtablenkung durch die Sonne abzuschätzen, können zwei Modelle der Lichtausbreitung angegeben werden.

1. Modell der Lichtbrechung beim Übergang vom "leeren" Halbraum in den Halbraum mit Sonnenbeschleunigung 273,4 m/s 2 . Natürlich wird dieses einfachste Modell ein absichtlich falsches Ergebnis liefern, nämlich: nach dem reduzierten Brechungsindex wird der Winkel als bestimmt

13,53" (Bogensekunden).

2. Ein genaueres Modell muss nach der Differential-Integral-Methode berechnet werden, basierend auf der Strahlfortpflanzungsfunktion, im Bereich der Zunahme und Abnahme nach dem Gesetz 1/ R 2 Gravitationspotential der Sonne. Hilfe kam von völlig unerwarteter Seite – aus der Seismologie. In der Seismologie wurde das Problem gelöst, den Verlauf eines Strahls elastischer Wellen in der Erde von einer Quelle (Erdbeben, unterirdische Atomexplosion) an der Oberfläche und seinen Austrittswinkel bis zur gegenüberliegenden Seite der Erde zu bestimmen. Der Austrittswinkel ist die gewünschte Analogie der Ablenkung des Strahls durch die Sonne von der Quelle entweder auf einer Kugel, die die Erdumlaufbahn einschließt, oder in großer Entfernung von der Sonne. In der Seismologie gibt es eine einfache Formel zur Bestimmung des Austrittswinkels einer seismischen Welle durch einen konstanten Strahlparameter

p = [R 0 / v(R)] cos( ich) = konst, wo:

R 0 ist der Radius der Erde; v(R) ist eine Funktion der Geschwindigkeit elastischer Wellen als Funktion der Entfernung (Radius vom Erdmittelpunkt); ich- Austrittswinkel.

Lassen Sie uns die seismologische Formel für kosmische Entfernungen und die Lichtgeschwindigkeit umwandeln:

MS ist die Masse der Sonne. R ist der variable Radius der Kugel, in deren Zentrum sich die Sonne befindet, bestimmt durch eine lange ein Strahl zu einer Lichtquelle, die in unmittelbarer Nähe der Sonne vorbeigeht; 2.062648 10 5 ist die Umrechnung von Bogenmaß in Sekunden.

Es stellt sich die Frage nach der Konstante in dieser Formel. Es kann auf der Grundlage von Weltfundamentalkonstanten aufgelöst werden, die der Wissenschaft gut bekannt sind. Der experimentelle Wert des Ablenkwinkels beträgt 1,75 Zoll.

Anhand dieses Wertes ermitteln wir das

konst = Δ t konst (MxR 2 Sonne / M Sonne R x 2) / (π 137,0359) 2 .

Die Zahl π und der Kehrwert der Feinstrukturkonstante sind die fundamentalen Konstanten unserer modernen Welt. Zahl Δ t konst = 1[s] ist erforderlich, um die Dimension einzugeben. Verhältnis ( MxR 2 Sonne / M Sonne R x 2) - eingeführt für alle möglichen Massen im Universum und deren Größen, wie es in der Astronomie üblich ist: um alle Massen und Größen auf Sonnenparameter zu bringen.

Auf Abb. 1 zeigt die Abhängigkeit des Ablenkwinkels eines Lichtstrahls durch die Sonne in Abhängigkeit von der Entfernung zu seiner Quelle.

Reis. ein. Abhängigkeit des Ablenkungswinkels eines Lichtstrahls durch die Sonne von der Entfernung zur Quelle entlang des sonnennahen Weges

Wir haben volle Zustimmung zu den exakten experimentellen Daten erhalten. Es ist merkwürdig, dass, wenn sich die Quelle innerhalb der Kugel bewegt, die der Bahn der Erde entspricht, der Ablenkungswinkel des Strahls durch die Sonne gemäß dem Diagramm der Abbildung abnimmt. Die Vorhersage dieser Theorie kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass ein Lichtstrahl von einer Quelle auf der Oberfläche der Sonne oder in deren Nähe nur um 1,25 Zoll abweicht.

Schwarzschild-Lösung:

Hier Rg = 2MG / c 2 - Schwarzschild-Radius oder Gravitationsradius.

Strahlablenkung ich = 4MG / c 2 R= 1,746085", wobei R ist die Aufprallentfernung, die in unserem Fall gleich dem Radius der Sonne ist.

Formel (1) ergibt: ich= 1,746054". Der Unterschied liegt nur in der 5. Stelle.

1. Die erzielten Ergebnisse weisen zumindest auf die Konsistenz des vorgeschlagenen Konzepts hin. Auch die Entstehung sogenannter „Gravitationslinsen“ im Weltraum erklärt sich aus der Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Schwerkraft.
2. In der Allgemeinen Relativitätstheorie und in der Vakuumtheorie gibt es identische experimentelle Bestätigungen.
3. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist vielmehr eine geometrische Theorie, ergänzt durch das Newtonsche Gravitationsgesetz.
4. Die Theorie des Vakuums basiert nur auf physikalischen Zusammenhängen, die es ermöglichten, die Schwerkraft in Form von Vakuumpolarisation in Anwesenheit von Massen zu entdecken, die gemäß den Faradayschen Induktionsgesetzen von der Vakuumstruktur angezogen werden.
5. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat sich in der Entwicklung der Physik erschöpft, die Theorie des Vakuums hat die Möglichkeit eröffnet, das Vakuum als natürliche Umgebung zu untersuchen, und ebnet den Weg für den Fortschritt der Physik und Technologie in Bezug auf die Eigenschaften des Vakuums.

Abschließend möchte ich dem Astrophysiker P.A. Tarakanov für eine sehr nützliche Bemerkung bezüglich der variablen Masse in der Formel für den Ablenkungsstrahl, wo die Masse der Sonne durch jede andere der Wissenschaft bekannte Masse ersetzt werden kann.

Literatur

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2. Savarinsky E.F., Kirnos D.P. Elemente der Seismologie und Seismometrie // Gos. tech.-theor. Veröffentlicht, M.: 1955, p. 543.
3. Clifford M. Will. The Confrontation between General Relativity and Experiment // Preprint of Physical Reviewer (arXiv: gr-qc/ 0103036 v1 12. März 2001).