Кіріспе

Ғылыми эксперименттер Жалпы салыстырмалылық теориясының сынақтары жалпы салыстырмалылық теориясының байқаулық дәлелдерін анықтауға қызмет етеді. Алғашқы үш сынақты 1915 жылы Альберт Эйнштейн ұсынды, олар Меркурий планетасының перигелиясының "аномальды" прецессиясына, гравитациялық өрістердегі жарықтың бұрылуына және гравитациялық қызыл жылжуға қатысты. Меркурийдің прецессиясы бұрыннан белгілі еді; жалпы салыстырмалылық теориясының болжамына сәйкес жарықтың бұрылуын көрсететін эксперименттер 1919 жылы жүргізілді, ал кейінгі сынақтарда одан да дәл өлшемдер жасалды; ғалымдар 1925 жылы гравитациялық қызыл жылжуды өлшегендерін мәлімдеді, бірақ теорияны нақты растайтын жеткілікті сезімтал өлшемдер 1954 жылға дейін жасалмады. 1959 жылы басталған, әлдеқайда дәл бағдарлама жалпы салыстырмалылықты әлсіз гравитациялық өрістің шегінде сынады, бұл теориядан кез келген ауытқуларды қатты шектеді. 1970 жылдары ғалымдар қосымша сынақтар жасауды бастады, Ирвин Шапироның Күнге жақын радиолокациялық сигналдың саяхат уақытындағы релятивистік кешігуді өлшеуімен басталды. 1974 жылдан бастап Хулс, Тейлор және басқалар Күн жүйесіндегідей күшті емес, бірақ одан әлдеқайда күшті гравитациялық өрістерге тап болған екілік пульсарлардың мінез-құлқын зерттеді. Әлсіз өріс шегінде де (күн жүйесіндегідей) және екілік пульсарлар жүйелеріндегі күшті өрістерде де жалпы салыстырмалылық теориясының болжамдары өте жақсы тексерілді. 2016 жылдың ақпан айында Advanced LIGO тобы қара тесіктердің бірігуінен туған гравитациялық толқындарды тікелей анықтағанын жариялады, бұл жалпы салыстырмалылықты өте күшті өріс шегінде сынақтан өткізді және бүгінгі күнге дейін теориядан ешқандай ауытқулар байқалған жоқ.

Күннің жарықты бұрмалауы

Генри Кавендиш 1784 жылы (жарияланбаған қолжазбада) және Иоганн Георг фон Солднер 1801 жылы (1804 жылы жарияланған) Ньютонның гравитациялық теориясы жұлдыз жарығының массивті объектінің маңынан иілуін болжайтынын көрсеткен. Эйнштейн 1911 жылы теңдестік принципіне ғана сүйене отырып, Солднердің есептеген мәнімен бірдей нәтижеге келді. Алайда, Эйнштейн 1915 жылы жалпы салыстырмалылық теориясын аяқтау процесінде, оның 1911 жылғы нәтижесінің (сонымен қатар Солднердің 1801 жылғы нәтижесінің) нақты мәннің жартысы ғана екенін атап өтті. Эйнштейн жарықтың иілуінің дұрыс мәнін бірінші болып есептеді: Күнді жанап өтетін жарық үшін 1,75 доғалық секунд. Жарықтың бұрылуын алғаш рет байқау үшін, жұлдыздардың Күнге жақын өтетін кездегі аспан сферасындағы орнының өзгеруі тіркелді. Байқаулар Артур Эддингтон және оның әріптестері 1919 жылғы 29 мамырдағы толық күн тұтылуы кезінде (сол кезде бұқа шоқжұлдызында) жүргізілді. Нәтиже сенсациялық жаңалық ретінде қабылданып, көптеген басылымдардың бірінші бетіне шықты. Бұл Эйнштейннің және оның жалпы салыстырмалылық теориясының әлемдік деңгейде танылуына әкелді. Егер Эддингтон мен Дайсон 1919 жылы жалпы салыстырмалылық теориясын растамаса, сіздің реакцияңыз қандай болар еді деген сұраққа Эйнштейн әйгілі түрде: "Онда мен Құдайды жаны ашып қалар едім. Себебі теория бәрібір дұрыс" деді. Алайда, бастапқы дәлдік төмен болды және өлшенген жұлдыздардың орналасуының және аспаптарға қатысты туындаған сұрақтардың аз саны сенімді нәтиже беруі мүмкін емес еді. Кейбір ғалымдар нәтижелер жүйелі қателіктерге және ықтимал растауға ұшыраған деп санайды, бірақ деректердің қазіргі заманғы қайта талдауы Эддингтонның талдауының дұрыс екенін көрсетеді. Өлшеу 1922 жылы Лик обсерваториясының директоры В.В. Кэмпбелл басқарылған командасы тарапынан Австралиядағы алыс орналасқан Уолл станциясында байқалған күн тұтылуы кезінде қайталанды, нәтижелері 1919 жылғы нәтижелермен сәйкес келетін жүздеген жұлдыздың орналасуына негізделді, ал 1973 жылы Техас университетінің тобы да осылай нәтижеге келді. Бұл өлшемдердегі маңызды белгісіздік радиожиіліктерде бақылаулар жүргізіле бастағанға дейін шамамен елу жыл бойы сақталды. Жақын орналасқан Stein 2051 B ақ ергешқұмының жұлдыз жарығының иілуі де өлшенді.

Жарықтың гравитациялық қызылға ауытқуы

Эйнштейн 1907 жылы баламалық принцип негізінде жарықтың гравитациялық қызыл жылжуын болжады, және бұл әсер өте жоғары гравитациялық өрісі бар ақ ергеш жұлдызының спектрлік сызықтарында өлшенуі мүмкін деген болжам жасалды. Сириус В жұлдызының спектрінің гравитациялық қызыл жылжуын өлшеуге алғашқы тыйырықтар 1925 жылы Уолтер Сидней Адамс жасады, бірақ нәтиже (әлдеқайда жарқыраған) негізгі жұлдыз Сириустан келген жарықпен ластануына байланысты пайдасыз деп сынға түсті. Ақ ергеш жұлдызының гравитациялық қызыл жылжуын алғашқы дәл өлшемін Поппер 1954 жылы жасады, ол 40 Эридани В жұлдызының 21 км/с қызыл жылжуын өлшеді.

Арнайы салыстырмалылық теориясының сынақтары

Жалпы салыстырмалылық теориясы Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясын қамтиды, демек арнайы салыстырмалылық теориясының тексерулері жалпы салыстырмалылық теориясының да кейбір аспектілерін тексереді. Теңдестік принципінің салдары ретінде, Лоренц инварианттылығы бұрылмастан, еркін түсетін есептеу жүйелерінде жергілікті түрде сақталады. Лоренц инварианттығына және арнайы салыстырмалылық теориясына қатысты эксперименттер (яғни, гравитациялық әсерлерді ескермеуге болатын жағдайда) арнайы салыстырмалылық теориясын тексерулерде сипатталған.

Қазіргі заманғы сынақтар

Жалпы салыстырмалылықты сынаудың қазіргі дәуірі негізінен Дикке мен Шифтің бастамасымен ашылды, олар жалпы салыстырмалылықты сынау үшін құрылымдық негізді қалады. Олар классикалық сынақтардың ғана емес, сонымен қатар нөлдік эксперименттердің маңыздылығын атап өтті – бұл гравитация теориясында принцип бойынша болуы мүмкін, бірақ жалпы салыстырмалылықта байқалмайтын әсерлерді тексеру. Басқа маңызды теориялық жетістіктерге жалпы салыстырмалылыққа балама теориялардың пайда болуы, әсіресе Бранс-Дик теориясы сияқты скалярлық-тензорлық теориялар; жалпы салыстырмалылықтан ауытқуларды сандық тұрғыда бағалауға мүмкіндік беретін Ньютоннан кейінгі параметрленген формализм; және эквиваленттілік принципінің негізін салу кірді. Эксперименттік жағынан алғанда, ғарыш зерттеулеріндегі, электроникадағы және конденсирленген заттар физикасындағы жаңа жетістіктер Pound-Rebka эксперименті, лазерлік интерферометрия және айдың қашықтығын өлшеу сияқты қосымша дәл эксперименттерді жүргізуге мүмкіндік берді.

Ньютоннан кейінгі ауырлық сынақтары

Жалпы салыстырмалылық теориясының алғашқы сынақтары теорияға лайықты бәсекелес теориялардың болмауынан қиындыққа тап болды: оны бәсекелестерден ажырататын сынақтар қандай болатыны белгісіз еді. Жалпы салыстырмалылық теориясы – арнайы салыстырмалылық теориясымен және байқаулармен үйлесімді гравитацияның жалғыз белгілі салыстырмалылық теориясы болды. Сонымен қатар, бұл өте қарапайым және әдемі теория. Бұл 1960 жылы Бранс-Дик теориясының енгізілуімен өзгерді. Бұл теория, мүмкін, тіпті қарапайым, себебі ол өлшемді тұрақтыларды қамтымайды және Мах принципінің, сондай-ақ Дирактың үлкен сандар гипотезасының нұсқасымен үйлесімді, бұл екі философиялық идея салыстырмалылық теориясының тарихында маңызды рөл атқарды. Нәтижесінде, Нордтведт пен Уилл Ньютоннан кейінгі параметрленген формализмді жасады, ол қозғалмалы денелердің жылдамдығының бірінші ретінде (яғни, v – дененің жылдамдығы және c – жарық жылдамдығы, мұндағы v/c) Ньютонның әмбебап тартылыс заңынан барлық мүмкін ауытқуларды он реттелетін параметрлер арқылы көрсетеді. Бұл жуықтау әлсіз гравитациялық өрістерде баяу қозғалатын денелер үшін жалпы салыстырмалылық теориясынан болатын ықтимал ауытқуларды жүйелі түрде талдауға мүмкіндік береді. Ньютоннан кейінгі параметрлерді шектеуге көп күш жұмсалды, және жалпы салыстырмалылық теориясынан ауытқулар қазіргі таңда өте шектеулі. Гравитациялық линзалауды және жарық уақытының кешігуін зерттеу эксперименттері сол Ньютоннан кейінгі параметрді – Эддингтонның γ параметрін шектейді, ол гравитациялық көздің жарықтың бұрылу мөлшерінің тікелей параметрленуі болып табылады. Ол жалпы салыстырмалылық теориясы үшін бірге тең, ал басқа теорияларда (мысалы, Бранс-Дик теориясында) әртүрлі мәндерге ие. Бұл Ньютоннан кейінгі он параметрдің ең жақсы шектелгені, бірақ қалғандарын шектеуге бағытталған басқа да эксперименттер бар. Меркурий планетасының перигелийінің жылжуын дәл бақылау басқа параметрлерді, сондай-ақ күшті эквиваленттілік принципін тексеруге мүмкіндік береді. Меркурийге арналған BepiColombo миссиясының мақсаттарының бірі – жоғары дәлдікпен параметрленген пост-Ньютон формализмінің гамма және бета параметрлерін өлшеу арқылы жалпы салыстырмалылық теориясын тексеру. Бұл эксперимент Меркурий орбиталық радиологиялық экспериментінің (MORE) құрамына кіреді. Ғарыш аппараты 2018 жылдың қазан айында ұшырылды және 2025 жылдың желтоқсан айында Меркурий орбитасына енуі күтілуде.

Гравитациялық линзалау

Ең маңызды сынақтардың бірі – гравитациялық линзалау. Ол алыстағы астрофизикалық көздерде байқалды, бірақ олар жеткілікті бақыланбайды және жалпы салыстырмалылықты қаншалықты шектейтіні белгісіз. Ең дәл сынақтар 1919 жылғы Эддингтонның тәжірибесіне ұқсас: олар алыс көзден шығатын сәулеленудің Күннің тартылысынан бұрылуын өлшейді. Ең дәл талдауға болатын көздер – алыс радио көздер. Әсіресе, кейбір квазарлар өте күшті радио көздері болып табылады. Кез келген телескоптың бағыттық ажыратымдылығы қағида бойынша дифракциямен шектеледі; радиотелескоптар үшін бұл сондай-ақ практикалық шек. Жер шарындағы радиотелескоптарды біріктіру арқылы миллисекундтан микросекундқа дейінгі позициялық жоғары дәлдіктерге қол жеткізілді. Бұл әдіс өте ұзақ базалық интерферометрия (VLBI) деп аталады. Осы әдіспен радиобайқаулар үлкен қашықтықта орналасқан телескоптарда байқалған радиосигналдың фазалық ақпаратын үйлестіреді. Жақында осы телескоптар радио толқындарының Күннің тартылысынан бұрылуын өте жоғары дәлдікпен өлшеді, бұл жалпы салыстырмалылықпен болжанған бұрылу мөлшерін 0,03% деңгейінде растады. Осы дәлдік деңгейінде телескоптардың Жердегі нақты орнын анықтау үшін жүйелі қателерді мұқият ескеру қажет. Кейбір маңызды қателер – Жердің нутациясы, айналуы, атмосфералық сындыру, тектоникалық орын ауыстыру және толқындар. Тағы бір маңызды қате – радио толқындарының күн коронасынан сындырылуы. Бақытымызға орай, бұл қатеге тән спектр бар, ал гравитациялық бұрмалау толқын ұзындығына тәуелсіз. Осылайша, бірнеше жиіліктегі өлшеулерді қолдана отырып, мұқият талдау жасау осы қате көзін жоюға мүмкіндік береді. Бүкіл аспан Күннің тартылысынан туындаған жарықтың гравитациялық бұрылуынан (күнге қарсы бағыттан басқа) сәл бұрмаланған. Бұл әсерді Еуропалық ғарыш агенттігінің Hipparcos астрометриялық спутнигі байқады. Ол шамамен 105 жұлдыздың орналасуын өлшеді. Миссия барысында шамамен 3,5 миллион салыстырмалы орын анықталды, олардың әрқайсысы әдетте 3 миллисекундтық дәлдікпен (8-9 шамасындағы жұлдыз үшін дәлдік). Жер-Күн бағытына перпендикуляр гравитациялық бұрылу 4,07 миллисекундқа тең болғандықтан, іс жүзінде барлық жұлдыздар үшін түзетулер қажет. Жүйелі қателер болмаса, жеке байқаудағы 3 миллисекундтық қателік позициялар санының квадрат түбірімен азайтылуы мүмкін, бұл 0,0016 миллисекундтық дәлдікке әкеледі. Алайда, жүйелі қателер анықтаудың дәлдігін 0,3% дейін шектейді (Froeschlé, 1997). 2013 жылы ұшырылған Gaia ғарыш кемесі Құс жолындағы миллиард жұлдызды санақтап, олардың орналасуын 24 микросекундтық дәлдікпен өлшейді. Осылайша, ол Күннің тартылысынан туындаған жарықтың гравитациялық бұрылуының жаңа, қатаң сынақтарын да жүргізеді, бұл жалпы салыстырмалылықпен болжанған.

Жарықтың қозғалу уақытының кезігуін тексеру

Ирвин И. Шапиро классикалық сынақтардан өзге, Күн жүйесі шегінде жүргізілуі мүмкін тағы бір сынақ ұсынды. Оны кейде жалпы салыстырмалылық теориясының төртінші "классикалық" сынағы деп атайды. Ол басқа планеталардан кері шағылысқан радар сигналдарының баратын-қайтатын уақытында релятивистік уақыт кешігуін (Шапиро кешігуі) болжады. Күнге жақын өтетін фотонның траекториясының қисықтығы байқалатын кешігу әсерін тудыру үшін тым шағын (егер фотон тура жолмен өтетін болса, уақыттың айырмасы байқалмайды), бірақ жалпы салыстырмалылық теориясы фотон Күнге жақындаған сайын, Күннің гравитациялық потенциалындағы уақыттың өзгеруіне байланысты кешігудің үнемі артатынын болжайды. Меркурий мен Венера Күннің тұтылуына дейін және кейін радарлық сәулелену арқылы бақыланғанда, жалпы салыстырмалылық теориясымен 5% дәлдікпен сәйкес келеді. Соңғы кезде "Кассини" ғарыш зонды да осыған ұқсас эксперимент жүргізіп, жалпы салыстырмалылық теориясымен 0,002% дәлдікпен келісім тапты. Алайда, кейінгі егжей-тегжейлі зерттеулер көрсетті, PPN гамма параметрінің өлшенген мәні Күннің Күн жүйесінің барицентрінің айналасындағы орбиталық қозғалысынан туындаған гравитомагниттік әсерге ұшырайды. "Кассини" радиоғылымдық экспериментіндегі гравитомагниттік әсер Б. Бертоти тарапынан таза жалпы салыстырмалылық теориясының нәтижесі ретінде қарастырылған, бірақ оның теориялық мәні экспериментте тексерілген жоқ, бұл гамманың өлшенген мәніндегі эксперименталдық қателік 0,002% көрсетілгеннен (10 есеге) жоғары екенін көрсетеді. Өте ұзын базалық интерферометрия жылдамдыққа тәуелді (гравитомагниттік) түзетулерді, қозғалмалы Юпитер мен Сатурнның гравитациялық өрісіндегі Шапиро уақыт кешігуіне өлшеді.

Теңдестік қағидаты

Эквиваленттік принцип, ең қарапайым түрінде, гравитациялық өрісте құлайтын денелердің траекториялары олардың массасы мен ішкі құрылымына тәуелді болмауы керек, егер олар қоршаған ортаға әсер етпейтін немесе тасқын күштеріне ұшырамайтын жеткілікті кішкентай болса. Бұл идея Этвёс бұрылу тепе-теңдік эксперименттерімен өте жоғары дәлдікпен тексерілді, олар екі сынақ массасы арасындағы айырмашылықты жылдамдатуды іздейді. Осыған және құрамына байланысты бесінші күштің немесе гравитациялық Юкава өзара әрекеттесуінің болуына қатысты шектеулер өте күшті және бесінші күш және әлсіз эквиваленттік принцип тақырыптарында талқыланады. Эквиваленттік принциптің бір түрі, мықты эквиваленттік принцип деп аталады, өзіндік гравитацияға ие құлайтын денелер, мысалы жұлдыздар, планеталар немесе қара тесіктер (барлығы өз гравитациялық тартылысымен бірге ұсталады) гравитациялық өрісте бірдей шарттар орындалса, бірдей траекторияларды ұстанған жөн. Бұл Нордтведт эффектісі деп аталады және Айдың лазерлік қашықтық өлшеу экспериментімен ең дәл тексеріледі. 1969 жылдан бері Жердегі бірнеше қашықтық өлшеу стансаларынан Айға орналастырылған рефлекторларға дейінгі қашықтық сантиметрлік дәлдікпен үздіксіз өлшеніп келеді. Бұл Ньютоннан кейінгі басқа параметрлерге де күшті шектеулер қойды. Мықты эквиваленттік принциптің тағы бір бөлігі – Ньютонның гравитациялық тұрақтысының уақыт бойынша өзгермейтін және ғаламның кез келген жерінде бірдей мәнге ие болуы. Ньютонның гравитациялық тұрақтысының мүмкін болатын өзгеруін шектейтін көптеген тәуелсіз байқаулар бар, бірақ ең жақсы нәтижелердің бірі Айдың қашықтығын өлшеуден алынған, ол гравитациялық тұрақты жыл сайын 1011-дің бір бөлігінен артық өзгеретінін көрсетпейді. Басқа тұрақтылардың тұрақтылығы эквиваленттік принцип мақаласының Эйнштейннің эквиваленттік принципі бөлімінде талқыланады.

Гравитациялық қызыл ауытқу және уақыт дилатациясы

Жоғарыда талқыланған классикалық сынақтардың біріншісі – гравитациялық қызыл жылжу, Эйнштейннің эквиваленттілік принципінің тікелей салдары болып табылады және ол 1907 жылы Эйнштейн тарапынан болжалды. Осы себепті, ол Ньютоннан кейінгі сынақтар сияқты жалпы салыстырмалылық теориясын сынаудың толыққанды тәсілі емес, өйткені эквиваленттілік принципіне бағынатын кез келген гравитация теориясы гравитациялық қызыл жылжуды де қамтуға тиіс. Дегенмен, осы құбылыстың болуын растау релятивистік гравитацияны негіздеуде маңызды қадам болды, себебі гравитациялық қызыл жылжудың жоқтығы релятивистік теориямен қатысты үлкен қайшылықты білдіретін еді. Гравитациялық қызыл жылжуды алғаш рет Адамс 1925 жылы ақ жұлдыз Сириус В-дан шығатын спектрлік сызықтардың жылжуын өлшеу арқылы байқады, бұл жоғарыда талқыланды, содан кейін басқа ақ жұлдыздардың да өлшеулері жасалды. Астрофизикалық өлшеулердің қиындығына байланысты, тәжірибелік растау үшін белгілі бір жердегі көзді пайдалану тиімдірек болды. Жердегі көздерді пайдалану арқылы гравитациялық қызыл жылжуды тәжірибелік түрде тексеруге бірнеше онжылдықтар кетті, себебі уақыттың өзгеруін (уақыттың созылуын) өлшеуге қажетті сағаттарды немесе қызыл жылжуды өлшеуге қажетті электромагниттік сәулелену көздерін табу қиын болды, олардың жиілігі эффектті дәл өлшеу үшін жеткілікті жақсы белгілі болуы керек еді. Бұл эффект 1959 жылы алғаш рет Мёссбауэр эффектісі арқылы туындаған, өте тар сызық енімен сәулелену шығаратын гамма-сәулелік фотондардың толқын ұзындығындағы өзгерісті өлшеу арқылы тәжірибелік түрде расталды. Паунд-Ребка тәжірибесі Гарвард университетінің Джефферсон мұнарасының жоғарғы және төменгі бөліктерінде орналасқан екі көздің салыстырмалы қызыл жылжуын өлшеді. Нәтижелер жалпы салыстырмалылық теориясымен өте жақсы сәйкес келді. Бұл жалпы салыстырмалылық теориясын сынаған алғашқы дәлдік тәжірибелерінің бірі болды. Кейіннен Паунд пен Снайдер бұл тәжірибені 1%-дан да жақсы дәлдікке жеткізді. Төмен түсетін фотонның көк жылжуын оның жиілігіне (E = hf, мұнда h – Планк тұрақтысы) сәйкес эквиваленттік массасы бар деп есептеу арқылы табуға болады, сондай-ақ E = mc2 формуласы арқылы, бұл арнайы релятивистік теорияның салдары. Мұндай қарапайым есептеулер жалпы салыстырмалылық теориясында тәжірибе энергияны емес, сағаттардың жылдамдығын салыстыратынын ескермейді. Яғни, фотонның төмен түскеннен кейінгі "жоғары энергиясы" гравитациялық потенциалдың ең терең бөлігінде сағаттардың баяу жүруімен түсіндірілуі мүмкін. Жалпы салыстырмалылық теориясын толық растау үшін фотондардың келу жылдамдығы олардың шығарылу жылдамдығынан жоғары екенін көрсету маңызды. Бұл мәселені шешетін өте дәл гравитациялық қызыл жылжу тәжірибесі 1976 жылы жүргізілді, онда ракетаға орнатылған сутегі мазерлік сағат 10 000 км биіктікке көтерілді және оның жылдамдығы жердегі бірдей сағатпен салыстырылды. Бұл тәжірибе гравитациялық қызыл жылжуды 0,007% дәлдікпен тексерді. Глобалды позициялау жүйесі (GPS) негізгі физиканы сынау мақсатымен жасалмағанымен, ол уақыт санау жүйесінде гравитациялық қызыл жылжуды ескереді, және физиктер GPS деректерін басқа сынақтарды растау үшін талдады. Бірінші спутник іске қосылғанда, кейбір инженерлер байқалатын гравитациялық уақыттың созылуын болжағанға қарсылық көрсетті, сондықтан бірінші спутник кейінірек спутниктерге енгізілген сағаттық түзетусіз іске қосылды. Ол күніне 38 микросекундтық болжамдалған жылжуды көрсетті. Егер осы айырмашылық ескерілмесе, GPS функциясы бірнеше сағат ішінде айтарлықтай бұзылуы мүмкін. GPS дизайнында жалпы салыстырмалылық теориясының атқаратын рөлі туралы толық мәліметтерді Ashby 2003 жұмысынан табуға болады. Жалпы салыстырмалылық теориясын сынаған басқа да дәлдік тәжірибелеріне 1976 жылы іске қосылған Gravity Probe A спутнигі жатады, ол гравитация мен жылдамдықтың орталық массаның айналысындағы сағаттардың жылдамдықтарын синхрондау қабілетіне әсер ететінін көрсетті, сондай-ақ Хафеле-Китинг тәжірибесі, ол жалпы және арнайы релятивистік теорияларды бірге сынау үшін айналып ұшатын ұшақтарда атомдық сағаттарды пайдаланды.

Кестелерді сүйрейтін сынақтар

Lense–Thirring прецессиясының сынақтары, яғни планета немесе жұлдыз сияқты орталық айналатын массаның маңында қозғалатын сынақ бөлшегінің орбитасының шағын секулярлық прецессиялары, LAGEOS спутниктері арқылы жүзеге асырылды, бірақ олардың көптеген аспектілері әлі де даулы. Сол эффект Марстың айналысындағы орбитада болған бұрынғы ғарыш зонды Mars Global Surveyor (MGS) ғарыш кемесінің деректерінде де анықталған болуы мүмкін; сондай-ақ, мұндай сынақ пікір-таласты тудырды. Жақында ішкі планеталардың перигелиясындағы Күннің Lense–Thirring эффектын анықтауға жасалған алғашқы әрекеттер туралы хабарланды. Фреймді сүйреу, аса массивті қара тесікке жақын орбитамен айналатын жұлдыздардың орбиталық жазықтығын қара тесіктің айналу осіне қатысты прецессияға ұшыратады. Бұл эффект алдағы бірнеше жылда Құс жолы галактикасының ортасындағы жұлдыздардың астрометриялық мониторингі арқылы анықталуы мүмкін. Екі жұлдыздың әртүрлі орбиталардағы орбиталық прецессиясының жылдамдығын салыстыру арқылы жалпы салыстырмалылық теориясының «шаш жоқ» теоремаларын тексеру қағидасы бойынша мүмкін. 2004 жылы ұшырылып, 2005 жылға дейін жұмыс істеген Gravity Probe B спутнигі фреймді сүйреу және геодезиялық эффектті анықтады. Экспериментте пинг-понг доптарының мөлшеріндегі төрт кварц сферасы қолданылды, олардың беті өткізгішпен қапталған. Деректерді талдау жоғары шу деңгейі және шуды дәл модельдеудегі қиындықтарға байланысты 2011 жылға дейін жалғасты. Стенфорд университетінің жетекші зерттеушілері 2011 жылдың 4 мамырында алыс жұлдыз IM Pegasi-ға қатысты фреймді сүйреу эффектын дәл өлшегендерін және есептеулер Эйнштейннің теориясының болжамдарымен сәйкес келгенін мәлімдеді. Physical Review Letters журналында жарияланған нәтижелер геодезиялық эффектті шамамен 0,2% қателікпен өлшеді. Нәтижелерге сәйкес, Жердің айналуынан туындаған фреймді сүйреу эффекты шамамен 19% қателікпен 37 миллиарксекундқа тең болды. Зерттеуші Фрэнсис Эверитт миллиарксекундты "10 миль қашықтықтағы адам шашының енімен" салыстырды. 2012 жылдың қаңтар айында LARES спутнигі Lense–Thirring эффектын шамамен 1% дәлдікпен өлшеу үшін Vega ракетасымен ұшырылды. Бұл нақтылықтың бағасы пікір-талас тудырып отыр.

Шағын қашықтықтардағы гравитациялық әлеуетті сынау

Гравитациялық потенциалдың кері квадрат заңымен өте кіші арақашықтықтарда жалғасатынын тексеру мүмкін. Бұған дейін жасалған сынақтарда Юкава потенциалы түріндегі жалпы салыстырмалылықтан (ГР) ауытқулар ізделді, бірақ осындай потенциалдың ешқандай белгісі табылмады. Юкава потенциалы мәнімен төмендегідей шектеуге ие: .

Моссбауэр роторының эксперименті

Ол Эйнштейннің айналушы бақылаушының гравитациялық өрістегі бақылаушы сияқты бірдей трансформацияларға ұшырайтынын көрсететін теңдестік принципіне сүйене отырып, Жердегі уақыттың өзгеруін өлшеу құралы ретінде жоспарланған. Мёссбауэр роторлық эксперименттері салыстырмалы Допплер эффектісін Жер бетінде дәл тексеруге мүмкіндік береді. Айналатын дискінің немесе таяқтың ортасына орналасқан радиоактивті көзден гамма сәулелері жиектің сіңіргішіне дейін жетеді (эксперименттің кейбір нұсқаларында бұл схема кері болды) және айналу жылдамдығына байланысты сіңірілмеген сәулелердің саны стационарлық санау құралына (яғни, зертханалық жүйедегі гамма кванттарының детекторы) жетеді. Сағат гипотезасына сәйкес, Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы, айналатын сіңіргіштегі сағаттың, тыныш жағдайдағы сіңіргішпен салыстырғанда, центробектік күштердің әсерінен уақыттың өзгеруіне байланысты белгілі бір деңгейде баяулайтынын болжайды. Осылайша, сіңіргіш арқылы гамма-фотонның өтуі айналу кезінде артады, және бұл стационарлық санау құралымен сіңіргіштен тыс өлшенеді. Бұл болжам Мёссбауэр эффектісі арқылы расталды, себебі Эйнштейннің бастапқыда ұсынған теңдестік принципі, айналудың салдарынан болатын уақыттың өзгеруін (детектордың санау жылдамдығының өзгеруі арқылы есептелген) гравитациялық уақыттың өзгеруімен байланыстыруға мүмкіндік береді. Мұндай эксперименттерді Hay және авторлар (1960), Champeney және авторлар (1965) және Kündig (1963) бастады, және олардың барлығы Эйнштейннің салыстырмалылық теориясының болжамын растағанын мәлімдеді. Дегенмен, 21-ші ғасырдың басында осы зерттеулерді қайта қарау, Эйнштейннің салыстырмалылық теориясы болжаған уақыттың өзгеруін растады деп мәлімделген бұрынғы нәтижелердің дұрыстығына күмән тудырды. Жаңа эксперименттер жүргізілді, олар классикалық салыстырмалылық уақытының өзгеруінен басқа, шығарылған және сіңірілген сәулелену арасындағы қосымша энергия ауысуын анықтады. Бұл жаңалық алғашқыда жалпы салыстырмалылық теориясын жоққа шығарып, Т. Ярман мен оның әріптестері жасаған гравитацияның балама теориясының болжамын зертханалық деңгейде растады деп түсіндірілді. Бұл жағдайға қарсы, ашылған қосымша энергия ауысуын осы уақытқа дейін белгісіз және қате жіберілген сағаттардың синхронизациясының салдары деп түсіндіруге тырысты, және бұл 2018 жылы Гравитациялық зерттеулер қорынан жалпы салыстырмалылықтың жаңа дәлелін ұсынғаны үшін ерекше сыйлыққа ие болды. Алайда, сол кезде, аталған автордың есептеулерінде бірнеше математикалық қателер жасағаны және сағаттардың синхронизациясының өлшенген уақыттың өзгеруіне тигізетін үлесі іс жүзінде нөлге тең екендігі анықталды. Осының салдарынан, Мёссбауэр роторлық эксперименттерінің нәтижелерін жалпы салыстырмалылық теориясымен түсіндіру мәселесі ашық күйінде қалады.

Қатты далалық сынақтар

Қара тесіктерге өте жақын орналасқан, әсіресе белсенді галактикалық ядроларды және квазарларды қуаттайтын деп саналатын аса күшті гравитациялық өрістер, қарқынды зерттеулер саласы болып табылады. Осы квазарлар мен белсенді галактикалық ядроларды бақылау қиын, ал бақылаулардың түсіндірілуі жалпы салыстырмалылық теориясынан немесе гравитацияның басқа негізгі теорияларынан өзге астрофизикалық модельдерге көп тәуелді, бірақ олар жалпы салыстырмалылық теориясында бейнеленген қара тесік тұжырымымен сапалық тұрғыдан сәйкес келеді.

Бинарлы пульсарлар

Пульсарлар – жылдам айналатын нейтронды жұлдыздар, олар айналғанда тұрақты радио импульстер шығарады. Олар орбиталық қозғалыстарын өте дәл бақылауға мүмкіндік беретін сағаттар ретінде әрекет етеді. Басқа жұлдыздардың орбитасындағы пульсарларды бақылаудың барлығы классикалық түрде түсіндірілмейтін, бірақ жалпы салыстырмалылықты қолдану арқылы түсіндірілетін маңызды периапсис прецессияларын көрсетті. Мысалы, Хюльс-Тейлор екілік пульсары PSR B1913+16 (бір пульсар ретінде анықталған екі нейтронды жұлдыз жұбы) жылына 4° астам доғалық прецессияға ие (орбита бойынша периастрондың жылжуы шамамен 10−6). Бұл прецессия компоненттердің массаларын есептеу үшін қолданылды. Атомдар мен молекулалар электромагниттік сәуле шығаратындай, төртполюс немесе одан жоғары ретті тербелістегі немесе асимметриялық және айналудағы гравитациялық масса гравитациялық толқындарды шығара алады. Бұл гравитациялық толқындар жарық жылдамдығымен қозғалады деп болжанады. Мысалы, Күнді айналатын планеталар гравитациялық сәулелену арқылы үнемі энергия жоғалтады, бірақ бұл әсер соншалықты аз, сондықтан жақын арада оны байқау қиын (Жер шамамен 200 ватт гравитациялық сәулелену шығарады). Гравитациялық толқындардың сәулеленуі Хюльс-Тейлор екілік жұлдызынан (және басқа екілік пульсарлардан) көрінді. Импульстердің нақты уақыты жұлдыздардың Кеплер заңдарына толық сәйкес келмейтінін көрсетеді: уақыт өте келе олар біртіндеп біріне жақындап спираль тәрізді қозғалады, бұл гравитациялық толқындардың болжамды сәулеленуінен туындаған энергия жоғалтуымен сәйкес келеді. Бірінші екілік пульсарды ашқандары және гравитациялық толқынның сәулеленуіне байланысты оның орбиталық ыдырауын өлшегендері үшін Хюльс пен Тейлор 1993 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын жеңіп алды. 2003 жылы ашылған "екі пульсар" PSR J0737 3039 жыл сайын 16.90° периастронды прецессияға ие; Хюльс-Тейлор екілік жұлдызынан айырмашылығы, екі нейтронды жұлдыз да пульсар ретінде анықталған, бұл жүйенің екі мүшесінің де уақытын дәл анықтауға мүмкіндік береді. Осыған байланысты, тығыз орбита, жүйенің көру сызығына жақын орналасуы және Жерден көрінетін жүйенің өте төмен көлденең жылдамдығы J0737−3039 жүйесін жалпы салыстырмалылықтың күшті өрістік сынақтары үшін ең жақсы жүйе етеді. Бірнеше ерекше релятивистік әсерлер байқалады, соның ішінде Хюльс-Тейлор жүйесіндегідей орбиталық ыдырау. Жүйені екі жарым жыл бақылағаннан кейін жалпы салыстырмалылықтың төрт тәуелсіз сынағын жүргізуге мүмкіндік болды, ең дәл сынақ (Шапиро кешігуі) жалпы салыстырмалылықтың болжамын 0,05% дәлдікпен растады (дегенмен, периастрондың орбиталық жылжуы шамамен 0,0013% шеңберге тең, сондықтан ол жоғары ретті салыстырмалылық сынағы емес). 2013 жылы халықаралық астрономдар тобы пульсарлық ақ жұлдыз жүйесі PSR J0348+0432 бақылауынан алынған жаңа деректерді жариялады, онда олар орбиталық кезеңнің жылына 8 миллиондық секундқа өзгергенін өлшеуге және GR болжамын бұрын зерттелмеген экстремалды гравитациялық өрістер режимінде растауға мүмкіндік алды; бірақ осы деректерге сәйкес келетін басқа да бәсекелес теориялар бар.

Гравитациялық толқындарды тікелей анықтау

Бірнеше гравитациялық толқын детекторлары екі нейтрон жұлдызының немесе қара тесіктің бірігуі сияқты астрономиялық құбылыстардан таралатын гравитациялық толқындарды тікелей анықтау мақсатында салынды. 2016 жылдың ақпан айында Advanced LIGO тобы жұлдыздық екі қара тесіктің бірігуінен туындаған гравитациялық толқындарды тікелей анықтағанын хабарлады, ал қосымша анықтамалар 2016 жылдың маусымында, 2017 жылдың маусымында және 2017 жылдың тамызында жарияланды. Жалпы салыстырмалылық теориясы гравитациялық толқындарды болжайды, сондай-ақ гравитациялық өрістегі өзгерістер шекті жылдамдықпен таралатын кез келген гравитациялық теория да оларды болжайды. LIGO-ның жауап функциясы түрлі теорияларды ажырата алады. Гравитациялық толқындар тікелей анықталуға болатындықтан, гравитациялық толқын астрономиясы Максвелл-Эйнштейн өріс теңдеулерін тексеруге де мүмкіндік береді. Бұл теңдеулердің нұсқасы айналатын магниттердің (яғни, өте күшті магниттік дипольдік өрісі бар нейтронды жұлдыздардың) гравитациялық толқындар шығаратынын болжайды. "Бұл таңғажайып байқаулар көптеген теориялық жұмыстардың, соның ішінде гравитациялық толқындарды болжаған Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының расталуы болып табылады", - деді Стивен Хокинг. 2022 жылдың мамырында EHT біздің Галактикамыздың ортасындағы Сарыағаш А* (Sagittarius A*) атты аса зор қара тесіктің алғашқы суретін түсірді.

Жұлдыздың күшті гравитациялық өрістегі қызылға ауытқу және орбиталық прецессиясы

Галактиканың ортасындағы аса зор қара тесік – Сагиттариус А* жұлдызының айналысындағы S2 жұлдызынан келген жарықтың гравитациялық қызыл жылжуы GRAVITY, NACO және SIFONI құралдарын пайдалана отырып, өте үлкен телескоппен өлшенді. Бұған қоса, Галактика ортасындағы аса зор қара тесік маңындағы S2 жұлдызының орбитасында Шварцшильд прецессиясы да анықталды.

Қатты теңдестік қағидаты

Жалпы салыстырмалылық теориясының күшті баламалық принципі еркін құлаудың әмбебаптылығын тіпті күшті өзіндік гравитациясы бар денелерге де қатысуын талап етеді. Күн жүйесі денелерін пайдалана отырып осы принципті тікелей тексеру, денелердің әлсіз өзіндік гравитациясымен шектеледі, ал пульсар-ақ жұлдыз жұптарын пайдалана отырып жасалған тексерулер Самағалдың әлсіз гравитациялық тартылысымен шектеледі. Жерден шамамен 4200 жарық жылы қашықтықта орналасқан PSR J0337+1715 деп аталатын үш жұлдыз жүйесінің табылуы күшті баламалық принципін жоғары дәлдікпен тексеруге мүмкіндік береді. Бұл жүйеде 1,6 күндік орбитада ақ жұлдызбен бірге айналатын нейтрондық жұлдыз және одан алыс, 327 күндік орбитада тағы бір ақ жұлдыз бар. Бұл жүйе сыртқы ақ жұлдыздың гравитациялық тартылысының күшті өзіндік гравитациясы бар пульсар мен ішкі ақ жұлдызға қалай әсер ететінін салыстыруға мүмкіндік беретін сынақ жүргізуге болады. Нәтижелер пульсар мен оның жақын орналасқан ақ жұлдыз серігінің үдеулерінің арасындағы айырмашылық 2,6-дан аспайтынын көрсетті (95% сенімділік деңгейі).

Рентгендік спектроскопия

Бұл техника фотондардың траекториялары гравитациялық денелердің әсерінен өзгеретін деген идеяға негізделген. Әлемдегі ең көп кездесетін астрофизикалық жүйе – аккрециялық дискімен қоршалған қара тесік. Жалпы алғанда, айналадағы кеңістіктегі сәулелену, соның ішінде аккрециялық дискіге, орталық қара тесіктің сипаттамалары әсер етеді. Эйнштейннің теориясы дұрыс болса, астрофизикалық қара тесіктер Керр метрикасымен сипатталады. (Бұл «шаш жоқ» теоремаларының салдары.) Осылайша, мұндай жүйелерден келетін сәулеленуді талдау арқылы Эйнштейннің теориясын тексеруге болады. Бұл қара тесік – аккрециялық диск жүйелерінен (мысалы, қара тесік жұпжұлдыздары және белсенді галактикалық ядролар) келетін сәулеленудің көп бөлігі рентген сәулелері түрінде жетеді. Модельдеу кезінде сәулелену бірнеше компонентке жіктеледі. Эйнштейннің теориясын термиялық спектр (тек қара тесік жұпжұлдыздары үшін) және рефлексиялық спектр (қара тесік жұпжұлдыздары мен белсенді галактикалық ядролар үшін) арқылы тексеруге болады. Алғашқысы күшті шектеулер бермейді деп күтілуде, ал екіншісі перспективалырақ. Екі жағдайда да жүйелі қателіктер мұндай сынақтарды қиындатуы мүмкін.

Космологиялық сынақтар

Жалпы салыстырмалылық теориясының ең үлкен масштабтағы сынақтары Күн жүйесіндегі сынақтардай қатаң емес. Мұндай алғашқы сынақ – ғаламның кеңеюін болжау және анықтау болды. 1927 жылы Жорж Леметр Эйнштейн теңдеулерінің космологиялық тұрақтының болуымен мүмкін болатын статикалық шешімдерінің тұрақсыз екенін көрсетті, сондықтан Эйнштейннің ойлаған статикалық ғаламының болуы мүмкін емес (ол кеңейе немесе жирыла алмады). Леметр ғаламның кеңейетінін нақты болжады. Ол сондай-ақ қазір Хаббл заңы деп аталатын қызыл жылжу-арақашықтық байланысын тудырды. 1930 жылдары, негізінен Э.А. Милннің жұмысына байланысты, қызыл жылжу мен арақашықтық арасындағы сызықтық байланыс жалпы салыстырмалылық теориясынан емес, біртектілік және изотропияның жалпы болжамдарынан туындайтыны анықталды. Дегенмен, статикалық емес ғаламның болжамы тривиальды емес, тіпті драматикалық және негізінен жалпы салыстырмалылық теориясымен қозғалды. Басқа космологиялық сынақтарға ғарыштық инфляция кезінде туған бастапқы гравитациялық толқындарды іздеу жатады, оларды ғарыштық микротолқындық фондық поляризациясында немесе Big Bang Observer деп аталатын ғарышқа орналастырылған гравитациялық толқын интерферометрі арқылы анықтауға болады. Жоғары қызыл жылжудағы басқа сынақтар – басқа гравитация теорияларына шектеулер қою және Үлкен жарылыс нуклеосинтезінен бері гравитациялық тұрақтының өзгеруі (одан бері 40%-тан аспады). 2017 жылдың тамызында астрономдар Еуропалық Оңтүстік обсерваториясының Өте үлкен телескопын (VLT) және басқа да құралдарды пайдалана отырып жүргізген сынақтардың нәтижелері жарияланды және Альберт Эйнштейн болжаған гравитациялық әсерлерді оң пішінде көрсетті. Осы сынақтардың бірі – Күннен 4 миллион есе салмақты қара тесік – Сарышаян А* айналысында айналып жүрген жұлдыздардың орбитасын бақылау. Эйнштейннің теориясы үлкен денелер айналасындағы кеңістікті иеді, басқа денелерді әдетте ұшатын түзу сызықтардан ауытқытады деп болжады. Бұрынғы зерттеулер Эйнштейннің теориясын растағанмен, оның теориясы осындай алып денеде алғаш рет сыналып отыр. Бұл зерттеулер «Астрофизикалық журналда» жарияланды.

Гравитациялық линзалау

Хаббл ғарыш телескопы мен Өте Үлкен Телескопты пайдалана отырып, астрономдар галактикалық масштабта жалпы салыстырмалылық теориясын дәл сынап көрді. Жақын жердегі ESO 325 G004 галактикасы күшті гравитациялық линза болып табылады, ол артындағы алыс галактикадан келетін жарықты бұрмалап, оның ортасында Эйнштейн сақинасын құрайды. ESO 325 G004 галактикасының массасын (осы галактика ішіндегі жұлдыздардың қозғалысын өлшеу арқылы) оны қоршаған кеңістіктің қисықтығымен салыстырғанда, астрономдар гравитацияның осы астрономиялық ұзындықтарда жалпы салыстырмалылық теориясы болжағандай әрекет ететінін анықтады.

Басқа ғылыми еңбектер

А. Эйнштейн, "Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogene Folgerungen", "Жылнама радиоактивтілік және электрондылық" 4 (1907); "Нұрлылық принципі және одан алынған қорытындылар туралы" деп аударылған, Альберт Эйнштейннің жинақталған еңбектерінде. 2 том. Швейцария жылдары: жазбалар, 1900–1909 (Принстон университетінің баспасы, Принстон, Нью-Джерси, 1989), Анна Бек аудармасы. Эйнштейн осы мақалада жарықтың гравитациялық қызыл жылжуын ұсынады, ол "Жалпы салыстырмалылық теориясының бастамасы" онлайн талқылауында қарастырылған. А. Эйнштейн, "Über den Einfluß der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes", "Физика жылнамасы" 35 (1911); "Гравитацияның жарық таралуына әсері туралы" деп аударылған, Альберт Эйнштейннің жинақталған еңбектерінде. 3 том. Швейцария жылдары: жазбалар, 1909–1911 (Принстон университетінің баспасы, Принстон, Нью-Джерси, 1994), Анна Бек аудармасы, және "Салыстырмалылық принципі" (Довер, 1924), 99–108 б., У. Перрет және Г. Б. Джеффри аудармашылары. Күннің жарықты бұруы баламалық принциптен болжанады. Эйнштейннің нәтижесі жалпы салыстырмалылық теориясын қолдану арқылы алынған толық мәннің жартысына тең. М. Фроешле, Ф. Миньяр және Ф. Арену, "Гиппаркос деректерімен γ PPN параметрін анықтау" Hipparcos Venice '97, ESA SP 402 (1997).

Оқулық

С. М. Кэрролл, Уақыт-кеңістік және геометрия: Жалпы салыстырмалылық теориясына кіріспе, Аддисон Уэсли, 2003. Жалпы салыстырмалылық теориясы бойынша жоғары деңгейдегі оқулық. А. С. Эддингтон, Space, Time and Gravitation, Кембридж университетінің баспасы, 1920 жылғы басылымның қайта басылымы. А. Гефтер, "Эйнштейнді сынақтан өткізу", Sky and Telescope, 2005 жылғы шілде, 38-бет. Жалпы салыстырмалылық теориясын тексеру туралы көпке таныс әңгіме. Х. Оханиан және Р. Руффини, Гравитация және Уақыт-кеңістік, 2-ші басылым, Нортон, Нью-Йорк, 1994. Жалпы салыстырмалылық теориясы бойынша оқулық. К. М. Уилл, Гравитациялық физикадағы теория және тәжірибе, Кембридж университетінің баспасы, Кембридж (1993). Стандартты техникалық анықтамалық. К. М. Уилл, Эйнштейн дұрыс па? : Жалпы салыстырмалылықты сынақтан өткізу, Basic Books (1993). Бұл жалпы салыстырмалылық теориясын тексеру туралы көпке таныс мақала.

Тіршілік туралы пікірлер

Онлайн техникалық шолу, гравитациялық физикадағы теория және тәжірибе материалдарының көп бөлігін қамтиды. Ол толыққанды болмаса да, көбірек жаңартылған.