დღეს სუსტი გრავიტაციული ლინზირების შესახებ მოგიყვებით. ამის მიზეზი იყო ჰაიდელბერგის თეორიული ფიზიკის უნივერსიტეტის პროფესორი მათიას ბარტელმანი, რომელიც მან დაწერა სპეციალურად საგანმანათლებლო პროექტის Scholarpedia-სთვის.

პირველი, ცოტა ისტორია: იდეა, რომ მასიურ სხეულებს შეუძლიათ სინათლის გადახტომა, ბრუნდება ისააკ ნიუტონში. 1704 წელს მან თავის წიგნში „ოპტიკა“ დაწერა: „... ზემოქმედებენ თუ არა სხეულები სინათლეზე შორ მანძილზე და ამ ზემოქმედებით ახდენენ მის სხივებს; და განა ეს გავლენა არ არის რაც უფრო ძლიერია, რაც უფრო მცირეა მანძილი [სხეულსა და სინათლის სხივს შორის]? დიდი ხნის განმავლობაში, ამგვარი კითხვის ფორმულირება საკამათო იყო, რადგან ნიუტონის ფიზიკა მუშაობს მხოლოდ სხეულებთან, რომლებსაც აქვთ მასა, და კამათი სინათლის ბუნებაზე, თვისებებზე და მის ნაწილაკებში მასის არსებობაზე გაგრძელდა კიდევ ორი. კარგი საუკუნეები.

მიუხედავად ამისა, 1804 წელს გერმანელმა ასტრონომმა იოჰან ფონ სოლდნერმა, იმ დროისთვის ჯერ კიდევ არ აღმოჩენილ ფოტონებში მასის არსებობის ვარაუდით, შეძლო გამოეთვალა კუთხე, რომლითაც შორეული წყაროდან გამოსული სინათლე გადაიხრება, თუ ის "დაერტყმის". მზის ზედაპირს და აღწევს დედამიწას - სხივი უნდა გადახრილიყო 0,83 რკალის წამით (ეს არის დაახლოებით პენის მონეტის ზომა 4 კილომეტრის მანძილიდან).

შემდეგი დიდი ნაბიჯი სინათლისა და გრავიტაციის ურთიერთქმედების შესწავლაში გადადგა ალბერტ აინშტაინმა. მისმა ნაშრომმა ფარდობითობის თეორიაზე შეცვალა ნიუტონის სიმძიმის კლასიკური თეორია, სადაც ძალები არსებობს, გეომეტრიული თეორიით. ამ შემთხვევაში, ფოტონების მასა აღარ არის მნიშვნელოვანი - სინათლე გადაიხრება მხოლოდ იმიტომ, რომ თავად სივრცე მასიური ობიექტის მახლობლად არის მრუდი. ფარდობითობის ზოგად თეორიაზე მუშაობის დასრულებამდე აინშტაინმა გამოთვალა მზის მახლობლად გამავალი სინათლის სხივის გადახრის კუთხე და მიიღო... ზუსტად იგივე 0,83 რკალი წამი, როგორც ფონ სოლდნერი მასზე ასი წლით ადრე. მხოლოდ ხუთი წლის შემდეგ, ზოგად ფარდობითობაზე მუშაობის დასრულების შემდეგ, აინშტაინმა გააცნობიერა, რომ საჭირო იყო არა მხოლოდ სივრცის, არამედ დროითი ზეჩვენი ოთხგანზომილებიანი სივრცე-დროის გამრუდების ნაწილი. ამან გააორმაგა გამოთვლილი გადახრის კუთხე.

შევეცადოთ მივიღოთ იგივე კუთხე. მასიურ სხეულთან გავლისას სინათლის სხივი გადახრილია, რადგან ის მოძრაობს პირდაპირ, მაგრამ მოხრილ სივრცეში. აინშტაინის გადმოსახედიდან სივრცე და დრო თანაბარია, რაც იმას ნიშნავს, რომ სინათლეს ჩვენამდე მოღწევის დროც იცვლება. ამიტომ იცვლება სინათლის სიჩქარე.

ლინზის გრავიტაციულ ველში გამავალი სინათლის სიჩქარე დამოკიდებული იქნება ლინზის გრავიტაციულ პოტენციალზე და იქნება ვაკუუმში სინათლის სიჩქარეზე ნაკლები.

ეს არ არღვევს არცერთ კანონს - სინათლის სიჩქარე მართლაც შეიძლება შეიცვალოს, თუ სინათლე მიემგზავრება რაიმე ნივთიერებით. ანუ, აინშტაინის მიხედვით, მასიური ობიექტის მიერ სინათლის გადახრა უდრის მის გავლას გარკვეულ გამჭვირვალე გარემოში. მოიცადეთ, ეს მოგვაგონებს ლინზის რეფრაქციულ ინდექსს, რომელიც ჩვენ ყველამ სკოლაში ვისწავლეთ!

სინათლის ორი სიჩქარის თანაფარდობა არის სკოლიდან ჩვენთვის ნაცნობი გარდატეხის მაჩვენებელი

ახლა, ლინზაში სინათლის სიჩქარის ცოდნით, შეგიძლიათ მიიღოთ ისეთი რამ, რისი გაზომვაც შესაძლებელია პრაქტიკაში - მაგალითად, გადახრის კუთხე. ამისათვის თქვენ უნდა გამოიყენოთ ბუნების ერთ-ერთი ფუნდამენტური პოსტულატი - ფერმას პრინციპი, რომლის მიხედვითაც სინათლის სხივი მოძრაობს ისე, რომ მინიმუმამდე დაიყვანოს ოპტიკური ბილიკის სიგრძე. მათემატიკის ენაზე რომ დავწეროთ, მივიღებთ ინტეგრალს:

გადახრის კუთხე ტოლი იქნება გრავიტაციული პოტენციალის გრადიენტის ინტეგრალის

არ არის საჭირო მისი ამოხსნა (და ეს ძალიან რთულია), აქ მთავარია დუისი დანახვა ინტეგრალური ნიშნის წინ. ეს არის იგივე დუეტი, რომელიც აინშტაინი გამოჩნდა სივრცითი და დროითი გათვალისწინებისას შესახებ th კომპონენტი და რომელმაც გააორმაგა გადახრის კუთხე.

ინტეგრალის ასაღებად გამოიყენება მიახლოება (ანუ გამარტივებული და მიახლოებითი გამოთვლა). ამ კონკრეტული შემთხვევისთვის უფრო მოსახერხებელია Born მიახლოების გამოყენება, რომელიც მოვიდა კვანტური მექანიკიდან და კარგად იყო ცნობილი აინშტაინისთვის:

იგივე Born მიახლოება გადახრის კუთხის გამარტივებული გაანგარიშებისთვის

მზისთვის ცნობილი მნიშვნელობების ზემოთ მოცემულ ფორმულაში ჩანაცვლებით და რადიანების რკალის წამებად გადაქცევით, მივიღებთ სასურველ პასუხს

ცნობილმა ექსპედიციამ ედინგტონის ხელმძღვანელობით დააკვირდა 1919 წლის მზის დაბნელებას აფრიკაში და ვარსკვლავები, რომლებიც მზის დისკთან ახლოს იმყოფებოდნენ დაბნელების დროს, გადახრილი იყვნენ 0,9-დან 1,8 რკალი წამის კუთხით. ეს იყო ფარდობითობის ზოგადი თეორიის პირველი ექსპერიმენტული დადასტურება.

მიუხედავად ამისა, არც აინშტაინი და არც მისი კოლეგები არ ფიქრობდნენ ამ ფაქტის პრაქტიკულ გამოყენებაზე. მართლაც, მზე ძალიან კაშკაშაა და გადახრები შესამჩნევია მხოლოდ მის დისკთან მდებარე ვარსკვლავებში. ეს ნიშნავს, რომ ეფექტის დაკვირვება შესაძლებელია მხოლოდ დაბნელების დროს და ის ასტრონომებს არ აძლევს ახალ მონაცემებს არც მზის და არც სხვა ვარსკვლავების შესახებ. 1936 წელს ჩეხი ინჟინერი რუდი მანდლი ეწვია მეცნიერს პრინსტონში და სთხოვა გამოეთვალა ვარსკვლავის გადახრის კუთხე, რომლის შუქი სხვა ვარსკვლავის გვერდით გაივლიდა (ანუ ნებისმიერი ვარსკვლავი, მზის გარდა). აინშტაინმა გააკეთა საჭირო გამოთვლები და სტატიაც კი გამოაქვეყნა, მაგრამ მასში აღნიშნა, რომ ამ ეფექტებს უმნიშვნელოდ და დაუკვირვებლად თვლიდა. თუმცა, იდეა ასტრონომმა ფრიც ცვიკიმ აითვისა, რომელიც ამ დროისთვის მჭიდროდ იყო დაკავებული გალაქტიკების შესწავლით (ის ფაქტი, რომ ირმის ნახტომის გარდა სხვა გალაქტიკებიც არსებობს, ცნობილი გახდა რვა წლის წინ). მან პირველმა გაიგო, რომ არა მხოლოდ ვარსკვლავს, არამედ მთელ გალაქტიკას და მათ გროვსაც კი შეუძლია ლინზის როლი იმოქმედოს. ასეთი გიგანტური მასა (მილიარდობით და ტრილიონობით მზის მასა) არღვევს სინათლეს საკმარისად ძლიერად, რომ დარეგისტრირდეს, და 1979 წელს, სამწუხაროდ, ცვიკის გარდაცვალებიდან ხუთი წლის შემდეგ, აღმოაჩინეს პირველი გრავიტაციული ლინზა - მასიური გალაქტიკა, რომელმაც აარიდა შორეული კვაზარის შუქი. მის გავლით. ახლა, აინშტაინის პროგნოზების საწინააღმდეგოდ, ლინზები გამოიყენება არა ზოგადი ფარდობითობის შესამოწმებლად, არამედ სამყაროს უდიდესი ობიექტების დიდი რაოდენობით კვლევებისთვის.

არსებობს ძლიერი, სუსტი და მიკროლინზირება. მათ შორის განსხვავება მდგომარეობს წყაროს, დამკვირვებლისა და ლინზის მდებარეობაში, ასევე ლინზის მასასა და ფორმაში.

ძლიერი გრავიტაციული ლინზირება დამახასიათებელია სისტემებისთვის, სადაც სინათლის წყარო ახლოსაა მასიურ და კომპაქტურ ლინზებთან. შედეგად, სინათლე, რომელიც ლინზების სხვადასხვა მხარეს შორდება წყაროდან, იხრება მის გარშემო, იხრება და აღწევს ჩვენამდე ერთი და იგივე ობიექტის რამდენიმე გამოსახულების სახით. თუ წყარო, ობიექტივი და დამკვირვებელი (ანუ ჩვენ) ერთსა და იმავე ოპტიკურ ღერძზეა, მაშინ რამდენიმე გამოსახულების ნახვა შესაძლებელია ერთდროულად. აინშტაინის ჯვარი ძლიერი გრავიტაციული ლინზირების კლასიკური მაგალითია. უფრო ზოგად შემთხვევაში, ობიექტივი ძლიერ ამახინჯებს ობიექტის ფორმას, რაც მას თაღს ჰგავს.

შორეული გალაქტიკის (თეთრი ობიექტი) ძლიერი ლინზირების მაგალითი ჩვენთან უფრო ახლოს მასიური გალაქტიკით (ფირუზისფერი ობიექტი)

Wikimedia Commons

სუსტი გრავიტაციული ლინზირება, რომელიც იქნება მთავარი ამბავი ჩვენს მასალაში, არ შეუძლია შექმნას არც მკაფიო გამოსახულება და არც ნათელი ლამაზი თაღი - ლინზა ამისთვის ძალიან სუსტია. თუმცა გამოსახულება მაინც დეფორმირებულია და ეს მეცნიერებს ძალიან მძლავრ ინსტრუმენტს აძლევს ხელში: ჩვენთვის ცნობილია ძლიერი ლინზირების რამდენიმე მაგალითი, მაგრამ სუსტი, რისთვისაც საკმარისია ორი დიდი გალაქტიკა ან ორი გროვა. რკალის დაახლოებით ერთი წამის კუთხური მანძილით, სავსებით საკმარისია გალაქტიკების, გროვების, ბნელი მატერიის, რელიქტური გამოსხივებისა და დიდი აფეთქებიდან სამყაროს მთელი ისტორიის სტატისტიკური შესწავლისთვის.

და ბოლოს, გრავიტაციული მიკროლინზირება არის წყაროს სიკაშკაშის დროებითი ზრდა ლინზის მიერ, რომელიც ოპტიკურ ღერძზეა მასსა და ჩვენს შორის. როგორც წესი, ეს ობიექტივი არ არის საკმარისად მასიური, რომ შექმნას მკვეთრი გამოსახულება ან თუნდაც თაღი. თუმცა, ის მაინც ამახვილებს იმ შუქის ნაწილს, რომელიც სხვაგვარად ჩვენამდე არ მოვიდოდა და ეს შორეულ ობიექტს უფრო კაშკაშას ხდის. ეს მეთოდი გამოიყენება ეგზოპლანეტების მოსაძებნად (უფრო სწორად რომ ვთქვათ - შემთხვევითი აღმოჩენისთვის).

შეგახსენებთ, რომ ამ მიმოხილვაში, პროფესორ ბარტელმანის სტატიის შემდეგ, ჩვენ შემოვიფარგლებით ნომინალური სუსტი ლინზირების განხილვით. ძალიან მნიშვნელოვანია, რომ სუსტ ლინზირებას, ძლიერი ლინზირებისგან განსხვავებით, არ შეუძლია შექმნას ერთი და იგივე წყაროს არც თაღები და არც რამდენიმე გამოსახულება. მას არ შეუძლია მნიშვნელოვნად გაზარდოს სიკაშკაშე. მას შეუძლია მხოლოდ ოდნავ შეცვალოს შორეული გალაქტიკის ფორმა. ერთი შეხედვით, ეს წვრილმანი ჩანს - არის თუ არა სივრცეში ბევრი ეფექტი, რომელიც ამახინჯებს ობიექტებს? მტვერი შთანთქავს სინათლეს, სამყაროს გაფართოება ანაცვლებს ყველა ტალღის სიგრძეს, სინათლე, რომელიც აღწევს დედამიწას, იფანტება ატმოსფეროში და შემდეგ კვლავ გადის ტელესკოპების არასრულყოფილ ოპტიკაში - სად შეგვიძლია შევამჩნიოთ, რომ გალაქტიკა ოდნავ წაგრძელებული გახდა ( იმის გათვალისწინებით, რომ ჩვენ არ ვიცოდით, რა იყო თავდაპირველად? თუმცა, აქ სტატისტიკა სამაშველოში მოდის - თუ გალაქტიკებს ცის მცირე ფართობზე დრეკადობის სასურველი მიმართულება აქვთ, მაშინ შესაძლოა ჩვენ მათ სუსტი ლინზებით ვხედავთ. იმისდა მიუხედავად, რომ თანამედროვე ტელესკოპებს შეუძლიათ დაინახონ დაახლოებით 40 გალაქტიკა კვადრატში ერთი რკალის გვერდით (ეს არის ISS-ის ზომა, როგორც ამას დედამიწიდან ვხედავთ), გალაქტიკის ფორმაში ლინზებით გამოწვეული დამახინჯება იმდენად უმნიშვნელოა ( არ აღემატება რამდენიმე პროცენტს), რომ ჩვენ გვჭირდება ძალიან დიდი და ძალიან ძლიერი ტელესკოპები. როგორიცაა, მაგალითად, VLT კომპლექსის ოთხი რვამეტრიანი ტელესკოპი ჩილეში, ან 3.6 მეტრიანი CFHT ტელესკოპი, რომელიც მდებარეობს ჰავაიში. ეს არ არის მხოლოდ ძალიან დიდი ტელესკოპები - მათ ასევე შეუძლიათ ცის დიდი ფართობის გადაღება ერთ კადრში, ერთ კვადრატულ გრადუსამდე (განსხვავებით, მაგალითად, ძალიან ძლიერი ჰაბლის ტელესკოპისგან, რომლის ერთი ჩარჩო ფარავს კვადრატს. მხარე მხოლოდ 2,5 რკალის წუთში). დღეისათვის უკვე გამოქვეყნებულია რამდენიმე კვლევა ცის 10 პროცენტზე მეტ ფართობზე, რამაც საკმარისი მონაცემები მოგვცა სუსტი ლინზიანი გალაქტიკების მოსაძებნად.

მატერიის განაწილების რუკა, რეკონსტრუირებული სუსტი გრავილიზაციის ეფექტის გამოთვლის შემდეგ; თეთრი წერტილები წარმოადგენს გალაქტიკებს ან გალაქტიკათა გროვებს

უნდა ითქვას, რომ გრავიტაციული ლინზების ძიების მეთოდს გალაქტიკების ორიენტაციის მიხედვით აქვს რამდენიმე ვარაუდი. მაგალითად, რომ სამყაროში გალაქტიკები თვითნებურად არის ორიენტირებული, რაც სულაც არ არის ასე - 1970-იანი წლებიდან ასტროფიზიკოსები კამათობენ იმაზე, უნდა ჰქონდეთ თუ არა გროვას რაიმე სახის მოწესრიგებული ორიენტაცია. ბოლო კვლევებმა აჩვენა, რომ დიდი ალბათობით არა - გალაქტიკების უახლოეს და ყველაზე მასიურ გროვებშიც კი შემთხვევით ორიენტირებულია, მაგრამ ეს კითხვა საბოლოოდ არ დახურულა. თუმცა, ზოგჯერ ფიზიკა მეცნიერთა მხარეზეა - გრავიტაციული ლინზები აქრომატულია, ანუ ჩვეულებრივი ლინზებისგან განსხვავებით, ისინი ყველა ფერის სინათლეს ზუსტად ერთნაირად ახდენენ და ჩვენ არ უნდა გამოვიცნოთ: გალაქტიკა წითლად გამოიყურება, რადგან სინამდვილეში ასეა. წითელი, თუ მხოლოდ იმიტომ, რომ ყველა სხვა ფერი გაფრინდა ჩვენს პლანეტაზე?

სუსტი გრავიტაციული ლინზირების ეფექტის ილუსტრაცია. მარცხნივ ნაჩვენებია ყველაზე შესამჩნევი ეფექტები - დრეკადობის გამოჩენა. ცენტრში და მარჯვნივ - მეორე და მესამე რიგის პარამეტრების გავლენა - წყაროს ცენტრის გადაადგილება და სამკუთხა დეფორმაცია

მათიას ბარტელმანი და სხვ. 2016 წელი

არსებობს რაიმე პრაქტიკული გამოყენება ამ რთული მეთოდისთვის? არსებობს და ერთზე მეტი რამ - სუსტი გრავიტაციული ლინზირება გვეხმარება ბნელი მატერიის განაწილების, ისევე როგორც სამყაროს ფართომასშტაბიანი სტრუქტურის შესწავლაში. გალაქტიკების გახანგრძლივებამ გარკვეული ღერძის გასწვრივ შეიძლება საკმაოდ ზუსტად განსაზღვროს ლინზის მასა და მისი კონცენტრაცია სივრცეში. მიღებული თეორიული მასის შედარება ხილული გალაქტიკების მასასთან, რომელიც ჩვენ შეგვიძლია საიმედოდ განვსაზღვროთ ოპტიკური და ინფრაწითელი ტელესკოპების მონაცემებით, შესაძლებელია ბნელი მატერიის მასის გაზომვა და მისი განაწილება გალაქტიკაში ან გალაქტიკათა გროვაში, რომელიც მოქმედებს როგორც გალაქტიკა. ობიექტივი. მაგალითად, ჩვენ უკვე ვიცით, რომ ბნელი მატერიის ჰალო (ანუ ღრუბელი) ცალკეული გალაქტიკების ირგვლივ უფრო ბრტყელია, ვიდრე ადრე გვეგონა. ლინზირების კიდევ ერთი გამოყენება შეიძლება იყოს გალაქტიკათა ახალი გროვების აღმოჩენა - ჯერ კიდევ არსებობს კამათი, შეიძლება თუ არა რამდენიმე გალაქტიკას ჰქონდეს ერთი ბნელი მატერიის ჰალო, მაგრამ, როგორც ჩანს, ზოგიერთ შემთხვევაში ეს მართლაც ასეა. და შემდეგ ეს ჰალო იქნება ობიექტივის ფუნქცია და მიუთითებს იმაზე, რომ ეს გალაქტიკები არა მხოლოდ ერთმანეთის გვერდით არიან, არამედ არიან გროვის ნაწილი, ანუ გრავიტაციულად შეკრული სისტემა, რომელშიც თითოეული მათგანის მოძრაობა განისაზღვრება გავლენით. კლასტერის ყველა წევრი.

გალაქტიკები ძალიან კარგია, მაგრამ შესაძლებელია თუ არა გრავიტაციული ლინზირების დახმარებით კიდევ უფრო შორს გამოიყურებოდეს - წარსულში, როცა ჯერ არ არსებობდა გალაქტიკები და ვარსკვლავები? თურმე შეგიძლია. CMB გამოსხივება - ელექტრომაგნიტური გამოსხივება, რომელიც სამყაროში გამოჩნდა დიდი აფეთქებიდან სულ რაღაც 400 000 წლის შემდეგ - წარმოდგენილია სივრცის ყველა კუბურ სანტიმეტრში ბოლო 13,6 მილიარდი წლის განმავლობაში. მთელი ამ ხნის განმავლობაში ის სხვადასხვა მიმართულებით ვრცელდება და ადრეული სამყაროს „ანაბეჭდს“ ატარებს. ბოლო ათწლეულების განმავლობაში ასტროფიზიკის ერთ-ერთი მთავარი სფერო იყო კოსმოსური მიკროტალღური ფონური გამოსხივების შესწავლა, რათა მასში არაერთგვაროვნების პოვნა, რამაც შეიძლება ახსნას, როგორ შეიძლება წარმოიშვას ასეთი არაჰომოგენური და მოუწესრიგებელი სტრუქტურა ასეთი სიმეტრიული და ანისოტროპული (თეორიულად) პირველყოფილი სამყაროდან. , სადაც ერთ ადგილას არის ათასობით გალაქტიკის გროვა, ხოლო მეორეში - სიცარიელე მრავალი კუბური მეგაპარსეკისთვის.

თანამგზავრებმა RELIKT-1, COBE, WMAP, Planck გაზომეს CMB-ის ერთგვაროვნება მზარდი სიზუსტით. ახლა ჩვენ ვხედავთ მას ისე დეტალურად, რომ მნიშვნელოვანი ხდება მისი "გაწმენდა" სხვადასხვა ხმებისგან, რომლებიც შემოტანილია წყაროებით, რომლებიც არ არის დაკავშირებული სამყაროში მატერიის საწყის განაწილებასთან - მაგალითად, სუნიაევ-ზელდოვიჩის ეფექტის გამო ან ძალიან სუსტი. გრავიტაციული ლინზირება. ეს ის შემთხვევაა, როდესაც ის ჩაიწერება, რათა შემდეგ რაც შეიძლება ზუსტად ამოიღონ კოსმოსური მიკროტალღური ფონის რადიაციისგან და განიხილონ, ჯდება თუ არა მისი განაწილება ცაში სტანდარტულ კოსმოლოგიურ მოდელში. გარდა ამისა, CMB-ის ყველაზე ზუსტი სურათებიც კი ვერ გვეტყვის ყველაფერს სამყაროს შესახებ - ეს ჰგავს პრობლემას, სადაც გვაქვს მხოლოდ ერთი განტოლება, რომელშიც რამდენიმე უცნობია (მაგალითად, ბარიონული მატერიის სიმკვრივე და სიბნელის სპექტრული სიმკვრივე. საკითხი). სუსტი გრავიტაციული ლინზირება, მაშინაც კი, თუ ის ახლა არ იძლევა ასეთ ზუსტ შედეგებს (და ზოგჯერ ის კარგად არ ეთანხმება სხვა კვლევების მონაცემებს - იხილეთ სურათი ქვემოთ), მაგრამ ეს არის მეორე დამოუკიდებელი განტოლება, რომელიც დაგეხმარებათ განსაზღვროთ თითოეულის წვლილი. უცნობია სამყაროს ზოგადი ფორმულისთვის.

რეფრაქციული ინდექსი

გამოცდილება 1919 წელს მზის გრავიტაციულ ველში სინათლის სხივების გადახრის დაკვირვებაზე. გრავიტაციული ლინზები

ყველა მატერიალური ნაწილაკი, ნიუტონის გრავიტაციის თეორიის ძალით, მზეს უნდა მიიზიდოს. მეორეს მხრივ, კლასიკური ფიზიკის თვალსაზრისით, სინათლე არის ტალღა, და არა ნაწილაკი - მაშასადამე, გრავიტაციულ ველში სინათლის ტალღის გავრცელების განტოლებები არ განსხვავდება განტოლებისგან მისი არარსებობით. შედეგად, კლასიკურ ფიზიკაში სინათლის სხივები არ იხრება მზის გრავიტაციულ ველში. მზის დისკოს მახლობლად ვარსკვლავებზე დაკვირვებისას, დიფრაქციული ეფექტები შეიძლება უგულებელვყოთ, რადგან პირველი ფრენელის ზონის რადიუსი (იხ. არაგო-პუასონის დიფრაქციის ექსპერიმენტი) არის

სად არის სინათლის ტალღის სიგრძე, არის მანძილი დედამიწიდან მზემდე, არის მზის რადიუსი.

გაითვალისწინეთ, რომ სინათლის ტალღის გავრცელების განტოლებები არის რელატივისტურიასე რომ, ნიუტონის გრავიტაციულ ველში სხივების გადახრის არარსებობა არ არის სინათლის სიჩქარით მოძრაობისთვის არარელატივისტური აპარატის გამოყენების შედეგი. მართლაც, თუ გავითვალისწინებთ რელატივისტური ნაწილაკიმასით იმავე გრავიტაციულ ველში, მაშინ, ფარდობითობის სპეციალური თეორიის მიხედვით, გვაქვს მოძრაობის განტოლებები:

იმათ. გრავიტაცია, ზოგადად რომ ვთქვათ, ახვევს მოძრაობის ტრაექტორიას. ტესტის ნაწილაკების მასა მცირდება და შემდეგ ულტრარელატივისტურ ზღვარში ვიღებთ:

სად არის ერთეული ვექტორი სიჩქარის მიმართულებით. სინათლისთვის და ვიღებთ ტრაექტორიის გამრუდების არარსებობას!

ასეთი საინტერესო შედეგი იწვევს ჩარჩოში სინათლის სხივების გადახრის პრობლემის თანმიმდევრულ განხილვას. განსაკუთრებულიფარდობითობის თეორია. თუ გვსურს წარმოვადგინოთ ნიუტონის გრავიტაციის თეორიის განზოგადება, რომელიც არ არღვევს ეკვივალენტურობის პრინციპს, უნდა ავირჩიოთ ორი ალტერნატივიდან ერთი:

1. არც სინათლის ტალღები და არც ულტრარელატივისტური ნაწილაკები არ უხვევენ გზას გრავიტაციულ ველში (მაგალითად არის ფარდობითობის განსაკუთრებული თეორია);
2. ულტრარელატივისტური ნაწილაკები გადახრილია გრავიტაციული ველის მიერ - მაგრამ ეს უკანასკნელი ასევე აფერხებს ტალღებს. ტალღის გადახრის არსებობა უნდა ნიშნავდეს, რომ გრავიტაციული ველი ქმნის ეფექტურ რეფრაქციულ ინდექსს ვაკუუმში, რომლის არაერთგვაროვნების გამო სხივები მოხრილია.

კერძოდ, თუ ნიუტონის გრავიტაციულ ძალას უბრალოდ დავუმატებთ ფაქტორს, ულტრარელატივისტური ნაწილაკები დაიწყებენ გადახრას მზის მახლობლად ფრენისას - თუმცა, მაქსველის განტოლებებით აღწერილი სინათლე გააგრძელებს მოძრაობას სწორი ხაზით. ერთის მხრივ, ეს არღვევს დე ბროლის ჰიპოთეზას - სინათლე, განხილული როგორც ნაწილაკი და როგორც ტალღა, უნდა გავრცელდეს სხვადასხვა ტრაექტორიებზე. მეორეს მხრივ, სინათლის სხივისა და თითქმის სინათლის სიჩქარემდე აჩქარებული ელექტრონის ტრაექტორიათა სხვაობა შეიძლება გამოყენებულ იქნას სიმძიმის მოქმედების ინერციული ძალების მოქმედებისგან განასხვავებლად - სხვა სიტყვებით, ირღვევა ეკვივალენტობის პრინციპი.

აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორია ორი გზიდან მეორეს იღებს: სინათლე რეალურად იხრება გრავიტაციულ ველში, მიუხედავად იმისა, გამოყენებულია თუ არა ტალღის ან ნაწილაკების აღწერა. ეს შედეგი მიიღწევა ავტომატურად, ვინაიდან აინშტაინის თეორია - სიმძიმის მეტრიკული თეორია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, გრავიტაცია აღიქმება, როგორც სივრცე-დროის გამრუდება, ხოლო თავად მრუდი განისაზღვრება მის უსასრულოდ ახლო წერტილებს შორის მანძილების დაყენებით:

მატერიალური წერტილები (მასობრივი ფოტონების ჩათვლით) მრუდე სივრცე-დროში მოძრაობენ უმცირესი სიგრძის ტრაექტორიების გასწვრივ - გეოდეზიკა. ასევე შეიძლება აჩვენოს, რომ ტალღის პაკეტებიც მოძრაობენ მათ გასწვრივ - ამგვარად, ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა არ განადგურებულია. თავად გამრუდება პროპორციულია გეოდეზიური სეგმენტებისგან აგებული პატარა სამკუთხედის კუთხეების ჯამს შორის 180 გრადუსიდან. ქვემოთ მოცემულია ორგანზომილებიანი სივრცეების ნაჭრები მუდმივი გამრუდებით: ლობაჩევსკის სივრცე (ჰიპერბოლოიდი, უარყოფითი გამრუდება) და რიმანის სივრცე (სფერო, დადებითი გამრუდება).

ლობაჩევსკის სივრცის მაგალითებია უნაგირი ცხენზე, ასევე ჩიპები პრინგლები(იხილეთ ქვემოთ).

პირველ ასტრონომებსაც კი შეეძლოთ შეემოწმებინათ მზის გრავიტაციულ ველში სხივების გადახრის არსებობა, საჭიროების შემთხვევაში. ვინაიდან კონკურენცია გრავიტაციის სხვადასხვა თეორიებს შორის (ნიუტონის, აინშტაინის, ნორდსტრომის თეორია და ა.შ.) მხოლოდ მე-20 საუკუნის დასაწყისში გაძლიერდა, ამ ეფექტის პირველი დაკვირვებები მხოლოდ 1919 წლით თარიღდება. ეს თარიღი ასევე განპირობებულია ექსპერიმენტული და ისტორიული გარემოებებით. პირველი, რეალისტურია ვარსკვლავების დაკვირვება მზის დისკთან (ანუ დღის განმავლობაში!) მხოლოდ მზის სრული დაბნელების დროს. მეორეც, პირველი მსოფლიო ომის დაწყებამ შეაჩერა ყველა კვლევა.

საინტერესოა აღინიშნოს, რომ ჰენრი კავენდიშმაც კი, თანამედროვე ფიზიკაზე დაყრდნობით, იწინასწარმეტყველა სხივების გადახრა მზის მახლობლად. 1801 წელს ამ ეფექტის სიდიდე გამოითვალა იოჰან ფონ სოლდნერმა (1776–1833). ეს გასაკვირი არ არის - ბოლოს და ბოლოს, არარელატივისტურ მექანიკაში სხივები უნდა გადახრილი იყოს, ისევე როგორც ნებისმიერი სხვა სხეული. თუმცა, ალბერტ აინშტაინმა, უკვე ფარდობითობის სპეციალური თეორიის შექმნის შემდეგ, ჩაატარა იგივე გამოთვლა, მიიღო არანულოვანი შედეგი (1907 წ.). მხოლოდ 1915 წელს, ეკვივალენტობის პრინციპის შედეგების ღრმა ანალიზის შემდეგ, რამაც მიიყვანა ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ფორმულირებამდე, აინშტაინმა ხელახლა გამოთვალა სხივების გადახრა - და ეს ორჯერ აღმოჩნდა. შესახებ დიდი. ასე რომ, ჩვენ გვაქვს შემდეგი პროგნოზები სხვადასხვა თეორიის გადახრის კუთხის შესახებ:

ამრიგად, აინშტაინის ფარდობითობის ზოგად თეორიაში, სხივების გადახრის კუთხე ორჯერ აღემატება არარელატივისტურ მნიშვნელობას. ეს ეფექტი იწვევს ვარსკვლავების აშკარა პოზიციების ცვლილებას მზის დისკთან დაბნელების დროს. ქვემოთ მოყვანილი სურათი არის ვარსკვლავის შუქი ბდამკვირვებელი აროგორც ჩანს, წერტილიდან მოდის ბ` , გამოყოფილი ბციურ სფეროზე კუთხოვანი მანძილზე.

სწორედ ეს ეფექტი შეისწავლა არტურ სტენლი ედინგტონმა (1882–1944) 1919 წლის დაბნელების დროს: მზის დაბნელების დროს ცის ფოტოები შედარებული იყო ექვსი თვის წინ ღამით გადაღებულ ფოტოებთან (მაშინ დედამიწა ციური სფეროსკენ იყო ზუსტად ანალოგიურად). დაკვირვებები დამოუკიდებლად განხორციელდა დედამიწის სხვადასხვა წერტილში, სადაც დაფიქსირდა მზის სრული დაბნელება. ექსპერიმენტების შედეგები დაემთხვა აინშტაინის პროგნოზებს 25%-ის ფარგლებში. შემდგომმა ექსპერიმენტებმაც დაადასტურა ეს შედეგი.

ახლა გრავიტაციულ ველში სხივების გადახრის ეფექტი ასტრონომიაში საკმაოდ ცნობილი გახდა: გალაქტიკების მასიური გროვები ქმნიან გრავიტაციულ ველს მათ გარშემო, რომელიც მოქმედებს როგორც შეგროვება. გრავიტაციული ლინზა. ამავდროულად, ეს ობიექტივი არავითარ შემთხვევაში არ არის თხელი, ამიტომ გროვის უკან გალაქტიკების გამოსახულებები დამახინჯებულია. ერთი სინათლის წყარო შეიძლება ჩამოყალიბდეს ლინზირების შემდეგ აინშტაინის წრე(ნახ. 1), ისევე როგორც ერთი და იმავე სურათის რამდენიმე ასლი, მაგალითად, აინშტაინის ჯვარი(ნახ. 2). ბოლოს, ნახ. 3 ანიმაციაში გვიჩვენებს აინშტაინის წრეების სტრუქტურას შავ ხვრელთან.

ნებისმიერი თეორია მართებულია, თუ მისი შედეგები დადასტურებულია გამოცდილებით. ასე იყო მრავალი ცნობილი თეორიის შემთხვევაში, მათ შორის აინშტაინის GR თეორია. ეს იყო დროული და აუცილებელი ეტაპი ფიზიკაში და დადასტურდა მრავალი ექსპერიმენტით. მისი არსებითი ელემენტი იყო გრავიტაციის წარმოდგენა, როგორც სივრცის გამრუდება, რომელიც შეიძლება აღიწეროს სხვადასხვა მეტრიკით (სივრცის გეომეტრია). ვარსკვლავების მიერ სივრცის გამრუდების მიხედვით, გალაქტიკები სინათლის სხივებს გრავიტაციით ახდენენ. ასტრონომიულმა დაკვირვებებმა ბრწყინვალედ დაადასტურა ეს გეომეტრიული კონცეფცია. ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ხელოვნურობა ჯერ კიდევ საეჭვო და უკმაყოფილებაა ზოგიერთ ფიზიკოსში. აუცილებელია დაკვირვებული ფენომენებისა და ზოგადად გრავიტაციის ხასიათის ფიზიკური დასაბუთების პოვნა. ავტორმა წამოაყენა ჰიპოთეზა გრავიტაციის ბუნების შესახებ. იგი ეფუძნება ვაკუუმის სტრუქტურის ელექტრული კომპონენტის შესწავლას და შემდგომში დამატებულია მაგნიტური კონტინუუმის კომპონენტით. ამ ფორმით, ფიზიკური ვაკუუმი არის ელექტრომაგნიტური ტალღების (EMW) გავრცელების საშუალება; ნივთიერების დაბადება, როდესაც მასში შედის საჭირო ენერგია; ატომებში ელექტრონების „ნებადართული ორბიტების“ ფორმირების საშუალება, ნაწილაკების ტალღური თვისებები და ა.შ.

სინათლის სიჩქარე არ არის მუდმივი გარე სივრცეში. ეს არის მთავარი განსხვავება ა.აინშტაინის თეორიების ვაკუუმის თეორიას შორის. ასტრონომიულ დაკვირვებებზე და ვაკუუმის სტრუქტურის თეორიაზე დაყრდნობით, შემოთავაზებულია შემდეგი ფორმულა სინათლის სიჩქარის დამოკიდებულების შესახებ გრავიტაციის აჩქარებაზე:

(1)

α –1 = 137,0359895 არის რადიაციული წვრილი სტრუქტურის მუდმივის ურთიერთმიმართება;

რ= 1,39876 10 –15 მ არის ვაკუუმური სტრუქტურის ელექტრული კომპონენტის დიპოლური მანძილი;

გ[მ/წმ 2] – სიმძიმის ლოკალური აჩქარება;

ES = 0.77440463 [ ა –1 მ 3 გ–3] არის ვაკუუმის სპეციფიკური ელექტრული პოლარიზაცია;

ს= 6.25450914 10 43 [ ა· ს· მ–4] არის ვაკუუმის დეფორმაციული პოლარიზაცია.

დედამიწის პირობებში გაზომილი სინათლის სიჩქარე ვიცით, როგორც 2.99792458(000000) 10 8 მ/წმ, ჩვენ განვსაზღვრავთ სიჩქარეს ფორმულით (1) ღია სივრცეში. თან 0 = 2.997924580114694 10 8 მ/წმ. იგი ოდნავ განსხვავდება დედამიწის სინათლის სიჩქარისგან და განისაზღვრება 9 ათობითი ადგილის სიზუსტით. დედამიწის სინათლის სიჩქარის შემდგომი დახვეწით, ღია სივრცისთვის მითითებული მნიშვნელობა შეიცვლება. ფრენელისა და ჰიუგენსის სინათლის ტალღური თეორიიდან ცნობილია, რომ რეფრაქციული ინდექსი სიჩქარის მქონე გარემოდან გადასვლისას თან 0-დან ოთხშაბათამდე სიჩქარით გ ეუდრის

ჩვენს შემთხვევაში, სხივის დაცემის კუთხე მზის ზედაპირის ნორმასთან ტოლია მე 0 =90°. მზის მიერ სინათლის გადახრის რაოდენობის შესაფასებლად, სინათლის გავრცელების ორი მოდელი შეიძლება მოგვცეს.

1. სინათლის გარდატეხის მოდელი „ცარიელი“ ნახევარსივრციდან ნახევარსივრცეში გადასვლისას მზის სიმძიმის აჩქარებით 273,4 მ/წმ 2 . ბუნებრივია, ეს უმარტივესი მოდელი მისცემს მიზანმიმართულად არასწორ შედეგს, კერძოდ: შემცირებული რეფრაქციული ინდექსის მიხედვით, კუთხე განისაზღვრება როგორც

13.53" (რკალი წამი).

2. უფრო ზუსტი მოდელი უნდა გამოითვალოს დიფერენციალურ-ინტეგრალურ მეთოდით, სხივის გავრცელების ფუნქციის საფუძველზე, გაზრდის და კლების სფეროში კანონის 1/ რ 2 მზის გრავიტაციული პოტენციალი. დახმარება სრულიად მოულოდნელი კვარტალიდან მოვიდა - სეისმოლოგიიდან. სეისმოლოგიაში მოგვარებულია ზედაპირზე მდებარე წყაროდან (მიწისძვრა, მიწისქვეშა ატომური აფეთქება) დედამიწაზე დრეკადი ტალღების სხივის კურსის და დედამიწის მოპირდაპირე მხარეს გასასვლელი კუთხის განსაზღვრის პრობლემა. გამოსასვლელი კუთხე იქნება მზის მიერ სხივის წყაროდან გადახრის სასურველი ანალოგია სფეროზე, რომელიც მოიცავს დედამიწის ორბიტას, ან მზიდან დიდ მანძილზე. სეისმოლოგიაში არსებობს სეისმური ტალღის გამოსვლის კუთხის განსაზღვრის მარტივი ფორმულა მუდმივი სხივის პარამეტრით.

გვ = [რ 0 / ვ(რ)] cos( მე) = კონსტ, სადაც:

რ 0 არის დედამიწის რადიუსი; ვ(რ) არის დრეკადი ტალღის სიჩქარის ფუნქცია, როგორც მანძილის ფუნქცია (რადიუსი დედამიწის ცენტრიდან); მე- გასასვლელი კუთხე.

მოდით გარდავქმნათ სეისმოლოგიური ფორმულა კოსმოსური მანძილებისა და სინათლის სიჩქარისთვის:

ქალბატონიარის მზის მასა. რარის სფეროს ცვლადი რადიუსი, რომლის ცენტრში მზე მდებარეობს, განსაზღვრული გასწვრივსხივი სინათლის წყაროსკენ, რომელიც გადის მზესთან ახლოს; 2.062648 10 5 არის კუთხის რადიანების გადაქცევა წამებად.

ჩნდება კითხვა ამ ფორმულაში მუდმივობის შესახებ. ის შეიძლება გადაწყდეს მეცნიერებისთვის კარგად ცნობილი მსოფლიო ფუნდამენტური მუდმივების საფუძველზე. გადახრის კუთხის ექსპერიმენტული მნიშვნელობა არის 1,75 ინჩი.

ამ მნიშვნელობიდან გამომდინარე, ჩვენ განვსაზღვრავთ ამას

კონსტ = Δ t კონსტ (MxR 2 მზე / M მზე R x 2) / (π 137.0359) 2 .

რიცხვი π და წვრილი სტრუქტურის მუდმივი რეციპროკული არის ჩვენი თანამედროვე სამყაროს ფუნდამენტური მუდმივები. ნომერი Δ t კონსტ = 1[ს] საჭიროა განზომილების შესაყვანად. თანაფარდობა ( MxR 2 მზე / M მზე R x 2) - დაინერგა სამყაროში ყველა შესაძლო მასისთვის და მათი ზომებისთვის, როგორც ეს ჩვეულებრივ ასტრონომიაშია: ყველა მასა და ზომა მზის პარამეტრებამდე მიყვანა.

ნახ. 1 გვიჩვენებს მზის მიერ სინათლის სხივის გადახრის კუთხის დამოკიდებულებას მის წყარომდე მანძილის მიხედვით.

ბრინჯი. ერთი.მზის მიერ სინათლის სხივის გადახრის კუთხის დამოკიდებულება მზის მახლობლად გამავალი ბილიკის გასწვრივ წყარომდე

ჩვენ სრული თანხმობა მივიღეთ ზუსტ ექსპერიმენტულ მონაცემებთან. საინტერესოა, რომ როდესაც წყარო დედამიწის ტრაექტორიის შესაბამისი სფეროს შიგნით მოძრაობს, მზის მიერ სხივის გადახრის კუთხე მცირდება ფიგურის გრაფიკის მიხედვით. ამ თეორიის წინასწარმეტყველება შეიძლება მივაწეროთ იმ ფაქტს, რომ მზის ზედაპირზე ან მის მახლობლად მდებარე წყაროდან სინათლის სხივი გადაიხრება მხოლოდ 1,25 "-ით.

შვარცშილდის გამოსავალი:

Აქ რგ = 2MG / გ 2 - შვარცშილდის რადიუსი ან გრავიტაციული რადიუსი.

სხივის გადახრა მე = 4MG / გ 2 რ= 1.746085", სადაც რარის დარტყმის მანძილი, რომელიც ჩვენს შემთხვევაში უდრის მზის რადიუსს.

ფორმულა (1) იძლევა: მე= 1.746054". განსხვავება მხოლოდ მე-5 ციფრშია.

1. მიღებული შედეგები მიუთითებს მინიმუმ შემოთავაზებული კონცეფციის თანმიმდევრულობაზე. კოსმოსში ეგრეთ წოდებული „გრავიტაციული ლინზების“ წარმოქმნა ასევე აიხსნება სინათლის სიჩქარის გრავიტაციაზე დამოკიდებულებით.
2. ფარდობითობის ზოგად და ვაკუუმის თეორიაში არის იდენტური ექსპერიმენტული დადასტურებები.
3. ფარდობითობის ზოგადი თეორია არის გეომეტრიული თეორია, რომელსაც ავსებს ნიუტონის გრავიტაციის კანონი.
4. ვაკუუმის თეორია ემყარება მხოლოდ ფიზიკურ ურთიერთობებს, რამაც შესაძლებელი გახადა სიმძიმის აღმოჩენა ვაკუუმური პოლარიზაციის სახით მასების არსებობისას, რომლებიც იზიდავს ვაკუუმის სტრუქტურას ფარადეის ინდუქციის კანონების მიხედვით.
5. ფარდობითობის ზოგადმა თეორიამ ამოწურა თავი ფიზიკის განვითარებაში, ვაკუუმის თეორიამ გახსნა ვაკუუმის, როგორც ბუნებრივი გარემოს შესწავლის შესაძლებლობა და ხსნის გზას ვაკუუმის თვისებებთან დაკავშირებული ფიზიკისა და ტექნოლოგიების პროგრესისთვის.

დასასრულს, ღრმა მადლიერებას გამოვხატავ ასტროფიზიკოს P.A. ტარაკანოვს ძალიან სასარგებლო შენიშვნისთვის ცვლადი მასის შესახებ გადახრის სხივის ფორმულაში, სადაც მზის მასა შეიძლება შეიცვალოს მეცნიერებისთვის ცნობილი ნებისმიერი სხვა მასით.

ლიტერატურა

1. რიკოვი A.V. სრულმასშტაბიანი ფიზიკის დასაწყისი // OIPH RAS, 2001, გვ. 54.
2. Savarinsky E.F., Kirnos D.P. სეისმოლოგიისა და სეისმომეტრიის ელემენტები // გოს. ტექ.-თეორ. გამოქვეყნებულია, მ.: 1955, გვ. 543.
3. კლიფორდ მ. უილი. ზოგადი ფარდობითობისა და ექსპერიმენტის დაპირისპირება // Physical Reviewer-ის წინასწარი ბეჭდვა (arXiv: gr-qc/ 0103036 v1 12 Mar 2001).