Кіріспе
Массивті денелер маңындағы кеңістік-уақыттың бұрмалануынан туындаған уақыт кешігуі – Шапиро уақыт кешігуі эффектісі немесе гравитациялық уақыт кешігуі эффектісі – жалпы салыстырмалылықтың Күн жүйесіндегі төрт классикалық тестінің бірі. Радар сигналдары массивті денеге жақын өтетін кезде, нысанаға жету және кері қайту үшін, егер дене массасы болмағанда, көбірек уақыт кетеді. Уақыт кешігуі уақыттың созылуынан туындайды, ол сыртқы бақылаушының тұрғысынан жарыққа белгілі бір қашықтықты жүріп өтуге қажетті уақытты ұзартады. 1964 жылы «Жалпы салыстырмалылықтың төртінші тесті» деген мақаласында Ирвин Шапиро былай деп жазды:
The Shapiro time delay effect, or gravitational time delay effect, is one of the four classic Solar System tests of general relativity. Radar signals passing near a massive object take slightly longer to travel to a target and longer to return than they would if the mass of the object were not present. The time delay is caused by time dilation, which increases the time it takes light to travel a given distance from the perspective of an outside observer. In a 1964 article entitled Fourth Test of General Relativity, Irwin Shapiro wrote:
Because, according to the general theory, the speed of a light wave depends on the strength of the gravitational potential along its path, these time delays should thereby be increased by almost 2×10−4 sec when the radar pulses pass near the sun. Such a change, equivalent to 60 km in distance, could now be measured over the required path length to within about 5 to 10% with presently obtainable equipment. Throughout this article discussing the time delay, Shapiro uses c as the speed of light and calculates the time delay of the passage of light waves or rays over finite coordinate distance according to a Schwarzschild solution to the Einstein field equations.
Жалпы теорияға сәйкес, жарық толқынының жылдамдығы оның жолындағы гравитациялық потенциалдың күшіне байланысты болғандықтан, бұл уақыт кешігуі радар импульстары Күннің жанынан өтетін кезде шамамен 2×10−4 секундқа артады. Мұндай өзгеріс, 60 км қашықтыққа тең, қазіргі қолданыстағы құралдармен қажетті жол ұзындығы бойынша шамамен 5-10% дәлдікпен өлшенуі мүмкін. Уақыт кешігуі туралы осы мақалада Шапиро жарық жылдамдығы ретінде c символын пайдаланады және Эйнштейннің өріс теңдеулеріне сәйкес Шварцшильд шешімі бойынша жарық толқындарының немесе сәулелерінің шекті координаттық қашықтықта өтуінің уақыт кешігуін есептейді.
The Shapiro time delay effect, or gravitational time delay effect, is one of the four classic Solar System tests of general relativity. Radar signals passing near a massive object take slightly longer to travel to a target and longer to return than they would if the mass of the object were not present. The time delay is caused by time dilation, which increases the time it takes light to travel a given distance from the perspective of an outside observer. In a 1964 article entitled Fourth Test of General Relativity, Irwin Shapiro wrote:
Because, according to the general theory, the speed of a light wave depends on the strength of the gravitational potential along its path, these time delays should thereby be increased by almost 2×10−4 sec when the radar pulses pass near the sun. Such a change, equivalent to 60 km in distance, could now be measured over the required path length to within about 5 to 10% with presently obtainable equipment. Throughout this article discussing the time delay, Shapiro uses c as the speed of light and calculates the time delay of the passage of light waves or rays over finite coordinate distance according to a Schwarzschild solution to the Einstein field equations.
Тарих
Уақыт кешігу эффектісі алғаш рет 1964 жылы Ирвин Шапиро болжады. Шапиро өзінің болжамын бақылау арқылы тексеруге ұсыныс жасады: Венера мен Меркурий планеталарының бетінен радар сәулелерін қайтарып, олардың бар-жоқ саяхат уақытын өлшеу. Жер, Күн және Венера ең қолайлы жағдайда тізілгенде, Шапиро Күннің әсерінен Жерден Венераға және кері жолмен баратын радар сигналының күтілетін уақыт кешігуі шамамен 200 микросекунд болатынын көрсетті. Осы тәжірибелер содан бері көп рет қайталанды, әрі дәлдігі жоғарылады.
Уақыт кідірісін есептеу
Орташа күшті (мысалы, жұлдыздар мен планеталар, бірақ қара тесік немесе нейтрондық жұлдыздардың жақын екі жұлдыздан тұратын жүйесінің емес) дерлік статикалық гравитациялық өрісте бұл әсер гравитациялық уақыттың созылуының ерекше жағдайы ретінде қарастырылуы мүмкін. Гравитациялық өрістегі жарық сигналының өлшенген өткен уақыты, өріс болмағандағы уақыттан ұзақ болады, ал орташа күшті, дерлік статикалық өрістер үшін айырмашылық классикалық гравитациялық потенциалға тікелей пропорционал, дәл стандартты гравитациялық уақыттың созылуы формулаларында көрсетілгендей.
Планетааралық зондтар
"Вояджер" және "Пионер" ғарыш кемелері сияқты планетааралық зондтарға дейінгі қашықтықты дәл анықтау үшін, "Шапиро" кідірісін қашықтық туралы деректермен бірге қарастыру қажет.
Нейтринолар мен гравитациялық толқындардың Шапиро кідірісі
SN 1987A-дан нейтринолар мен фотондарды дерлік бір мезгілде бақылау нәтижесінде жоғары энергиялы нейтринолар үшін Шапиро кідірісі фотондар үшін 10%-ға дейін бірдей болуы керек, бұл нейтрино массасының жақындағы бағалауларымен сәйкес келеді, олар осы нейтринолардың жарық жылдамдығына өте жақын жылдамдықпен қозғалғанын көрсетеді. 2016 жылы гравитациялық толқындарды тікелей анықтағаннан кейін екі топ Шапиро кідірісін бір бағытта есептеп, оның шамамен 1800 күнге тең екенін анықтады. Бірақ жалпы салыстырмалылық теориясында және гравитацияның басқа да метрикалық теорияларында гравитациялық толқындар үшін Шапиро кідірісі жарық пен нейтринолар үшін бірдей болуы күтіледі. Дегенмен, Милгром заңын қайта жасайтын және қараңғы материяға қажеттілікті жолайтын тензор-вектор-скалярлық гравитация және басқа да модификацияланған GR теорияларында, гравитациялық толқындар үшін Шапиро кідірісі нейтринолар мен фотондар үшін одан әлдеқайда кіші. GW170817 нейтрон жұлдызының қосылуынан туған гравитациялық толқын мен гамма-сәулелерінің келу уақытындағы байқалған 1,7 секундтық айырмашылық, шамамен 1000 күндік есептелген Шапиро кідірісінен әлдеқайда аз болды. Бұл қараңғы материяға мұқтаждығы жоқ гравитацияның модификацияланған модельдерінің бір класын жоққа шығарады.