Введение
Задержка времени, вызванная искажением пространства-времени вблизи массивных объектов.
Эффект задержки времени Шапиро, или гравитационная задержка времени, является одним из четырех классических тестов общей теории относительности. Радарные сигналы, проходящие вблизи массивного объекта, тратят немного больше времени на достижение цели и возвращение, чем если бы масса объекта отсутствовала. Эта задержка времени обусловлена замедлением времени, которое увеличивает время, необходимое свету для прохождения заданного расстояния с точки зрения внешнего наблюдателя. В статье 1964 года под названием «Четвертый тест общей теории относительности» Ирвин Шапиро писал:
«Поскольку, согласно общей теории, скорость световой волны зависит от силы гравитационного потенциала на её пути, эти задержки времени должны увеличиваться почти на 2 × 10−4 секунды, когда радиолокационные импульсы проходят рядом с Солнцем. Такое изменение, эквивалентное 60 км по расстоянию, теперь можно измерить на необходимой длине пути с точностью около 5–10% с использованием доступного в настоящее время оборудования». В этой статье, посвященной обсуждению задержки времени, Шапиро использует *c* для обозначения скорости света и вычисляет задержку прохождения световых волн или лучей на конечном координатном расстоянии, используя решение Шварцшильда уравнений Эйнштейна.
История
Эффект временной задержки был впервые предсказан в 1964 году Ирвином Шапиро. Шапиро предложил экспериментальную проверку своего предсказания: направить радиолокационные сигналы на поверхность Венеры и Меркурия и измерить время прохождения сигнала в обе стороны. Шапиро показал, что при наиболее благоприятном расположении Земли, Солнца и Венеры ожидаемая временная задержка радиолокационного сигнала, вызванная гравитационным влиянием Солнца при движении от Земли к Венере и обратно, составит около 200 микросекунд. С тех пор эксперименты неоднократно повторялись с возрастающей точностью.
Расчет временной задержки
В почти статическом гравитационном поле умеренной силы (например, звезд и планет, но не вблизи черной дыры или в тесной двойной системе нейтронных звезд) этот эффект можно рассматривать как частный случай гравитационного замедления времени. Измеренное время прохождения светового сигнала в гравитационном поле больше, чем в его отсутствие, и для полей умеренной силы, близких к статическим, эта разница прямо пропорциональна классическому гравитационному потенциалу, в точности как это описывается стандартными формулами гравитационного замедления времени.
Межпланетные зонды
Задержка Шапиро должна учитываться вместе с данными о дальности при попытке точно определить расстояние до межпланетных зондов, таких как космические аппараты "Вояджер" и "Пионер".
Задержка Шапиро нейтрино и гравитационных волн
Из почти одновременных наблюдений нейтрино и фотонов от сверхновой SN 1987A следует, что задержка Шапиро для высокоэнергетических нейтрино должна быть равна задержке для фотонов с точностью до 10%, что согласуется с недавними оценками массы нейтрино, которые указывают на то, что эти нейтрино двигались со скоростью, очень близкой к скорости света. После прямого обнаружения гравитационных волн в 2016 году односторонняя задержка Шапиро была рассчитана двумя группами и составляет около 1800 дней. Однако в общей теории относительности и других метрических теориях гравитации ожидается, что задержка Шапиро для гравитационных волн будет такой же, как для света и нейтрино. В то же время, в теориях, таких как тензорно-векторно-скалярная гравитация и других модифицированных теориях гравитации, воспроизводящих закон Милгрома и обходящихся без необходимости в темной материи, задержка Шапиро для гравитационных волн значительно меньше, чем для нейтрино или фотонов. Наблюдаемая разница во времени прибытия гравитационных волн и гамма-лучей от слияния нейтронных звезд GW170817, составившая 1,7 секунды, оказалась намного меньше предполагаемой задержки Шапиро в около 1000 дней. Это исключает целый класс модифицированных моделей гравитации, которые не требуют существования темной материи.