Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тест гравитационного красного смещения
Test of gravitational redshift
Эксперимент Паунда — Ребки наблюдал за сдвигами частоты гамма-лучей при их подъеме и спуске в гравитационном поле Земли. Эксперимент проверил предсказания Альберта Эйнштейна 1907 и 1911 годов, основанные на принципе эквивалентности, согласно которым фотоны должны приобретать энергию при движении вниз по гравитационному потенциалу и терять энергию при движении вверх по гравитационному потенциалу, и стал последним из классических тестов общей теории относительности, который был подтвержден. В ускоренной системе свет, испущенный из точки A, требуется (в первом приближении) время t для достижения точки B. Но за это время скорость объекта B увеличится на Δv от его скорости в момент испускания света. Частота света, достигающего точки B, следовательно, не будет частотой f, а большей частотой f', определяемой по формуле:
The Pound–Rebka experiment monitored frequency shifts in gamma rays as they rose and fell in the gravitational field of the Earth. The experiment tested Albert Einstein's 1907 and 1911 predictions, based on the equivalence principle, that photons would gain energy when descending a gravitational potential, and would lose energy when rising through a gravitational potential. and was the last of the classical tests of general relativity to be verified. In the accelerated system, light emitted from takes (to a first approximation) to arrive at But in this time, the velocity of will have increased by from its velocity when the light was emitted. The frequency of light arriving at will therefore not be the frequency but the greater frequency given by
В соответствии с принципом эквивалентности, то же соотношение справедливо и для не ускоренной системы в гравитационном поле, где мы заменяем t на разность гравитационных потенциалов ΔΦ между точками A и B, так что… Гравитационное красное смещение и два других предсказания из его работы 1916 года — аномальная прецессия перигелия орбиты Меркурия и гравитационное отклонение света Солнцем — стали известны как «классические тесты» общей теории относительности. Аномальная прецессия перигелия Меркурия давно признавалась проблемой в небесной механике, начиная с расчетов Урбена Леверье в 1859 году. Наблюдение отклонения света Солнцем в экспедиции Эддингтона 1919 года вознесло Эйнштейна к всемирной славе. Гравитационное красное смещение оказалось самым сложным из трех классических тестов для демонстрации. Экспериментаторы не спешили проверять более ранние предсказания Эйнштейна о гравитационном замедлении времени, поскольку предсказанный эффект был почти неизмеримо мал. Предсказанное Эйнштейном смещение спектральных линий Солнца составляло всего две части на миллион и могло быть легко замаскировано уширением линий из-за температуры и давления, а также асимметрией линий из-за того, что линии представляют собой суперпозицию поглощения из многих турбулентных слоев солнечной атмосферы. Однако даже измерения Адамса впоследствии были поставлены под сомнение по различным причинам.
According to the equivalence principle, the same relation holds for the non accelerated system in a gravitational field, where we replace by the gravitational potential difference between and so that Gravitational redshift and two other predictions from his 1916 paper, the anomalous perihelion precession of Mercury's orbit and the gravitational deflection of light by the Sun, have become known as the "classical tests" of general relativity. The anomalous perihelion precession of Mercury had long been recognized as a problem in celestial mechanics since the 1859 calculations of Urbain Le Verrier. The observation of the deflection of light by the Sun in the 1919 Eddington expedition catapulted Einstein to worldwide fame. Gravitational redshift would prove to be by far the most difficult of the three classical tests to demonstrate. There had been little rush by experimenters to test Einstein's earlier predictions of gravitational time dilation, since the predicted effect was almost immeasurably small. Einstein's predicted displacement for spectral lines of the Sun amounted to only two parts in a million, and would be easily masked by line broadening due to temperature and pressure, and by line asymmetry due to the fact the lines represent the superposition of absorption from many turbulent layers of the solar atmosphere. However, even Adams's measurements have since been brought into question for various reasons.
Эффект Мёссбауэра
В атомной спектроскопии видимые и ультрафиолетовые фотоны, возникающие в результате электронных переходов электронов внешней оболочки при излучении газообразными атомами в возбужденном состоянии, легко поглощаются невозбужденными атомами того же элемента. Однако соответствующее поглощение фотонов, испускаемых ядрами γ-излучателей, никогда не наблюдалось, поскольку отдача ядра приводила к такой потере энергии испускаемыми фотонами, что они переставали соответствовать спектрам поглощения целевых ядер. В 1958 году Рудольф Мёссбауэр, анализируя переход 129 кэВ иридия-191, обнаружил, что понижением температуры источника до 90 К он может достичь резонансного поглощения. Действительно, достигнутое им энергетическое разрешение было небывалой остроты. Он открыл явление безоткатного γ-излучения. Первая статья Мёссбауэра первоначально встретила широкое недоверие в физическом сообществе, большинство представителей которого считали столь резкие резонансы невозможными. По анекдотическим данным, Фрауенфельдер провел свой подтверждающий эксперимент лишь для того, чтобы выиграть ставку в пять центов. Окончательным измерением красного смещения было признано исследование Паунда и Ребки, выполненное в апреле 1960 года с использованием более мощного источника излучения, большей длины пути и ряда усовершенствований для уменьшения систематической погрешности.
In atomic spectroscopy, visible and ultraviolet photons resulting from electronic transitions of outer shell electrons, when emitted by gaseous atoms in an excited state, are readily absorbed by unexcited atoms of the same species. However, a corresponding absorbance of photons emitted by the nuclei of γ emitters had never been observed because recoil of the nuclei resulted in so much loss of energy by the emitted photons that they no longer matched the absorbance spectra of the target nuclei. In 1958, Rudolf Mössbauer, who was analyzing the 129 keV transition of Iridium 191, discovered that by lowering the temperature of the emitter to 90K, he could achieve resonant absorbance. Indeed, the energy resolutions that he achieved were of unheard of sharpness. He had discovered the phenomenon of recoilless γ emission. refn|group="note"|Mössbauer's discovery paper was initially greeted with widespread disbelief among the physics community, most of whom did not consider such sharp resonances to be possible. Anecdotally, it has been related that Frauenfelder only conducted his confirmatory experiment to win a five cent bet. It was to be Pound and Rebka's somewhat later contribution in April 1960, which used a stronger radiation source, longer path length, and several refinements to reduce systematic error, which was to be accepted as having provided a definitive measurement of the redshift.
Источники ошибок
После оценки различных γ-излучателей для своего исследования, Паунд и Ребка выбрали 57Fe, поскольку он не требует криогенного охлаждения для наблюдения эмиссии без отдачи, имеет относительно низкий коэффициент внутреннего преобразования, что делает его относительно свободным от конкурирующих рентгеновских излучений, которые было бы сложно отличить от перехода на 14,4 кэВ. В 1959 году γ-спектрометры, способные чётко различать желаемые 14,4 кэВ излучения и рентгеновские лучи, возникающие в результате внутреннего преобразования, ещё не были доступны. Паунд и Ребка обнаружили, что значительным источником систематической ошибки являлись колебания температуры, которые они связывали главным образом с релятивистским эффектом Доплера второго порядка, вызванным колебаниями кристаллической решётки. Разница в температуре всего в 1°C между излучателем и поглотителем вызывала сдвиг, приблизительно равный предсказанному эффекту гравитационного замедления времени. Они также обнаружили частотные сдвиги между линиями различных комбинаций источника и поглотителя, обусловленные чувствительностью ядерного перехода к физической и химической среде атома. Поэтому им потребовалась методология, позволяющая отделить эти сдвиги от измерения гравитационного красного смещения. Особая осторожность также требовалась при подготовке образцов, поскольку неоднородности могли бы снизить чёткость линий. Монитор Мёссбауэра рядом с источником (не показан на рисунке) контролировал возможные искажения сигнала источника, возникающие из-за регулярного переворачивания цилиндра/преобразователя из положения, направленного вниз, в положение, направленное вверх.
After evaluating various γ emitters for their study, Pound and Rebka chose to use 57Fe because it does not require cryogenic cooling to exhibit recoil free emission, has a relatively low internal conversion coefficient so that it is relatively free of competing X ray emissions that would have been difficult to distinguish from the 14.4 keV transition,refn|group="note"|In 1959, γ ray spectrometers capable of clearly distinguishing the desired 14.4 keV emissions from X rays resulting from internal conversion were not yet available. Pound and Rebka found that a large source of systematic error resulted from temperature variations, which they attributed primarily to a second order relativistic Doppler effect due to lattice vibrations. A mere 1°C difference in temperature between emitter and absorber caused a shift about equal to the predicted effect of gravitational time dilation. They also found frequency offsets between the lines of different combinations of source and absorber stemming from the sensitivity of the nuclear transition to an atom's physical and chemical environment. They therefore needed to adopt methodology which would allow them to distinguish these offsets from their measurement of gravitational redshift. Extreme care was also needed in sample preparation, otherwise inhomogeneities would limit the sharpness of the lines. A Mössbauer monitor near the source (not illustrated) checked for possible distortions of the source signal resulting from the cylinder/transducer assembly being regularly inverted from facing downwards to facing upwards.
Результаты
Каждый запуск данных давал одиннадцать чисел, а именно: четыре значения счётчиков поглотителей, четыре значения счётчиков мониторов и три средние разности температур. Значения счётчиков обычно регистрировались после двенадцати полных циклов движения гидравлического поршня вперед и назад, при этом каждое изменение направления движения поршня происходило после 22 000 периодов вибрации источника. С инженерной точки зрения, после запуска Глобальной системы позиционирования (которая для корректной работы зависит от общей теории относительности) и её интеграции в повседневную жизнь, гравитационное красное смещение/замедление времени больше не рассматривается как теоретическое явление, требующее проверки, а скорее как практическая инженерная задача в различных областях, требующих прецизионных измерений, наряду со специальной теорией относительности. Однако, с теоретической точки зрения, статус гравитационного красного смещения/замедления времени совершенно иной. Широко признано, что общая теория относительности, несмотря на объяснение всех собранных к настоящему времени данных, не может представлять собой окончательную теорию природы. Принцип эквивалентности (ПЭ) лежит в основе общей теории относительности. Большинство предлагаемых альтернатив общей теории относительности предсказывают нарушение ПЭ в той или иной степени. Принцип эквивалентности включает в себя три гипотезы:
Each data run yielded eleven numbers, i. e. four absorber register counts, four monitor register counts, and three average temperature differences. The register counts were generally recorded after twelve full back and forth cycles of the hydraulic piston, where each reversal of piston motion occurred after 22,000 periods of source vibration. From an engineering standpoint, after the launch of the Global Positioning System (which depends on general relativity for its proper functioning) and its integration into everyday life, gravitational redshift/time dilation is no longer considered a theoretical phenomenon requiring testing, but rather is considered a practical engineering concern in various fields requiring precision measurement, along with special relativity. From a theoretical standpoint, however, the status of gravitational redshift/time dilation is quite different. It is widely recognized that general relativity, despite accounting for all data gathered to date, cannot represent a final theory of nature. The equivalence principle (EP) lies at the heart of the general theory of relativity. Most proposed alternatives to general relativity predict violation of the EP at some level. The EP includes three hypotheses: