Iii. Melléklet
III. Melléklet. A relativitás általános elméletének kísérleti megerősítése
A tudáselmélet szempontjából a kísérleti tudomány fejlődése az indukció folyamatos folyamataként képzelhető el. Az elméletek empirikus törvények formájában alakulnak ki és fejeznek ki különféle kísérleti tények nagyszámú társulását, amelyekből általános törvényeket állapítanak meg. Ebből a szempontból a tudomány fejlődése hasonlít egy katalógus összeállításához, és tisztán empirikus.
De ez a nézőpont semmilyen módon nem terjed ki az egész érvényes eljárásra. Ez visszatartja az intuíció és deduktív gondolkodás fontos szerepét az egzakt tudomány kifejlesztésében. Amint egy bizonyos tudomány fejlődése kezdeti szakaszából kiderül, az elmélet előrehaladása nemcsak a megrendelés folyamatában valósul meg. A kutató a kísérleti tényekből kiindulva megpróbál olyan fogalmi rendszert kifejleszteni, amely általánosságban logikailag kevés alapfeltevésen, az úgynevezett axiómákon alapul. Egy ilyen rendszer
fogalmakat hívunk elméletnek. Az elmélet megerősíti, hogy számos egyedi empirikus tényezőt kapcsol össze, és ez az "igazságosság".
Ugyanaz a kísérleti tények halmaza, számos olyan elmélet létezik, amelyek jelentősen különböznek egymástól. De a kísérleti ellenőrzésre rendelkezésre álló elméletek következtetései miatt az elméletek közötti megállapodás lehet olyan teljes, hogy nehezen találhatók olyan következmények, amelyekben ezek az elméletek egymástól különböznek. Egy ilyen jól ismert példa a biológia területén a darwini elmélet a fajok fejlődésén keresztül a természetes szelekció során a létezésért és az evolúció elméletének folyamatában, a szerzett tulajdonságok öröklésének hipotézisén alapulva.
A két elmélet következményeinek széles körű koincidenciája egyrészt Newton-mechanikában, másrészt a relativitás általános elméletében található. Ez a véletlen egyelőre olyan messzire esik, hogy eddig csak a relativitáselmélet általános relativitáselméletének csak néhány kísérletileg ellenőrizhető következményeit találtuk meg, amelyekhez a pre-relativisztikus fizika nem vezetett; és ez mindkét elmélet alapvető helyzete közötti mély különbség ellenére. Itt újra megfontoljuk ezeket a fontos következményeket, és megvitatjuk a hozzájuk szerzett kísérleti adatokat is.
a. A Mercury bolygó perihelionjának mozgása
Szerint a newtoni mechanika és Newton gravitációs törvénye, néhány bolygó kering a Nap körül, le kell írnia egy ellipszis kör az utóbbi, pontosabban egy közös súlypontja a Nap és a bolygók. Ebben az esetben a nap, vagy a teljes súlypontja található egyik fókusza az elliptikus pályán, úgy, hogy az év során bolygó közötti távolság a Nap és a bolygó növekszik a minimum és maximum, majd ismét csökken a minimum. Ha ahelyett, hogy a Newton-törvény, mi lesz egy kicsit más a vonzás törvénye, azt látjuk, hogy míg az új törvény mozgását továbbra is zajlanak, így a távolság a Nap és a Föld fog tapasztalni időszakos ingadozások; de ebben az esetben a szög által leírt egy összekötő vonal a Nap és a bolygó ebben az időszakban (a perihelion - a legközelebbi helyzetben, hogy a nap -, hogy perihelion) eltérő lesz a szög a 360 ° -os. A pályát nem lehet majd lezárni, hanem feltölteni
az idő múlásával az orbitális síkban gyűrű alakú régiót, vagyis olyan sugarú köröket, amelyek sugaraival megegyeznek a bolygó legkisebb és legnagyobb távolságaival a naptól.
Az általános relativitáselmélet, amely természetesen eltérnek newtoni elmélet is van egy kis eltérés a mozgását a bolygó pályáján összhangban a törvényi Kepler-newtoni, hogy a szög által leírt összekötő sugarat a Nap és a Föld egyik perihelion másik meg kell haladnia a teljes forgalomnak megfelelő szöget a kifejezés által meghatározott összeggel
(Egy teljes fordulatot szögének felel meg az abszolút szögletes intézkedés, amint ez szokásos a fizika.) Itt egy - Fél-nagytengely az ellipszis - annak excentricitás, c - a fény sebessége, T - a keringési idejének a bolygó. Ez az eredmény is képviselteti úgy is, mint a következő: az általános relativitáselmélet, a nagy tengely körül forog a Nap irányába a Föld forgása. Az elmélet szerint, ez a forgatás kell a Merkúr 43 ívmásodperc per században, míg a többi bolygó a Naprendszerben, meg kell annyira kicsi, hogy elérhetetlen az a megfigyelés.
Tény, hogy a csillagászok megállapították, hogy Newton elmélete nem elegendő kiszámítani a megfigyelt mozgás Mercury pontossággal lehet elérni, ha megfigyeljük az adott pillanatban. Miután figyelembe vették az összes zavaró hatása a többi bolygó mozgását Mercury azt találtuk, (Le Verrier 1859; Newcomb, 1895), amely továbbra is megmagyarázhatatlan mozgását perihelion a Merkúr pályája, a sebesség, amely nem különbözik jelentősen a szög a fent említett másodperc század . Az empirikus eredmény hibája csak néhány másodperc.
b. Fénysugár elhajlása gravitációs mezővel
A 22. §-ban már említésre került, hogy a relativitás általános elmélete szerint egy fénysugár, amely egy gravitációs mezőn áthalad
A görbe olyan, mint a gravitációs mezőben mozgó test pályájának görbülete. Ennek az elméletnek megfelelően elvárható, hogy egy bizonyos égi test által áthaladó fénysugárnak az utóbbi irányába kell elmozdulnia. A Nap sugara által a Nap sugarától távol eső fénysugár közepétől az a eltérítési szög
Ez is adhatunk, hogy a fele ennek az eltérést okozott, Ezen elmélet szerint, a newtoni gravitációs mezőben a Nap, és a másik fele - a geometriai torzítás ( „görbületi”) helyet okozott a nap.
Ez az eredmény lehetővé teszi a csillagok fényképezéséhez szükséges kísérleti ellenőrzést a teljes napfogyatkozás során. Az egyetlen ok, miért választottuk ezt a pillanatot, hogy bármikor a Föld légkörébe, megvilágította a nap süt annyira, ami láthatatlan csillag található, közel a napkorong. Az előre jelzett hatás látható a 3. ábrán. 5. Ha a Nap nem volt, gyakorlatilag végtelen távoli csillagok megfigyelésével látnánk a Földtől az irányt, ám az eltérés a fénysugár a csillag nap, látni fogjuk egy csillag ebben az irányban valamivel nagyobb távolságra a Nap lemeztől, mint valódi pozíciója.
A gyakorlatban ezt az alábbiak szerint kell ellenőrizni. A Nap közelében lévő csillagokat a Napfogyatkozás során fényképezték. Ezután ugyanazok a csillagok második fényképét készítik, amikor a Nap az égnek egy másik részén van, azaz. néhány hónappal korábban vagy később. A napfogyatkozás során készített fénykép összehasonlításakor ezzel a vezérlõfotóval a csillagok pozíciói úgy jelennek meg, hogy sugárirányban (a szolárlemez közepébõl) eltolódnak az a szögnek megfelelõ mennyiséggel.
Ennek a fontos következtetésnek a vizsgálata a Királyi Társaság és a Királyi Csillagászati Társaság eredménye. A háború és az anyagi és pszichológiai nehézségek ellenére
természet, ezek a társadalmak lett szerelve két expedíciót - a Sobral (Brazília) és kb. Principe (partjainál Nyugat-Afrika) -, és küldött néhány híres brit csillagász (Eddington, Cottingham, Crommelin és Davidson) fényképezni napfogyatkozás május 29, 1919 várhatóan viszonylag eltolt helyzetben levő csillagok képek a napfogyatkozás, mint a kontroll képek éri csak néhány század egy milliméter frakció. Így, amikor fényképezés és szükséges nagy pontosságú a következő mérésekhez.
A mérések eredményei kielégítően megerősítették az elméletet. A csillagok megfigyelt és számított eltéréseinek négy szögletes koordinátája (szögsebekben) a táblázatban található.
a. A spektrális vonalak eltolódása a spektrum vörös végéhez
A 23. §-ban kimutatták, hogy egy K rendszerben, amely a K Galilean rendszerrel szemben fordul, az ugyanazon konstrukciónak a K-hoz viszonyított sebessége függ a helyétől. Vizsgáljuk meg ezt a függést mennyiségi szempontból. Az óra, amely a lemez közepétől távolabb helyezkedik el, viszonylag gyors K rendszert tartalmaz
ahol a lemez forgási szögsebessége a K.-hez képest.
Ha az óránkénti óránkénti kiesési idő ("óra sebesség") K-hoz viszonyítva, akkor, ha az óra álló helyzetben van, akkor az órának a sebességgel mozgó óra "sebessége" sebessége
amelyek a lemezhez képest nyugalmi állapotban vannak, a 12. § szerint, egyenlő
vagy megfelelő pontossággal,
Ez a kapcsolat is formában írható
Jelöljük a közötti potenciálkülönbség a centrifugális erő, otthon az órát, és a korong közepére, azaz a. E. A negatív munkát kell ellen elkövetett centrifugális erő mozgatni tömegegysége az óra helyét egy forgó lemez közepén a lemezt. Aztán megvan
Ebből következik
Ebből a képletből nyilvánvaló, hogy ugyanannak a dizájnnak két órája eltérő "sebességgel" jár, ha a lemez közepétől különböző távolságra vannak. Ez a következtetés a megfigyelőnek a lemezzel történő forgatás szempontjából is érvényes.
A lemezen lévő megfigyelő szemszögéből nézve a lemezen lévő óra gravitációs mezővel rendelkezik, így a kapott eredmény minden gravitációs mezőre érvényes. Ráadásul egy olyan atomot is figyelembe vehetünk, amely sugárzást bocsát ki bizonyos spektrális vonalakhoz, például egy órahoz, így a következő állítás érvényes.
Az atom elnyeli vagy kibocsátja a fényt, amelynek frekvenciája függ attól a gravitációs mezőtől, amelyben az atom található.
Az égi test felszínén elhelyezkedő atom kibocsátásának gyakorisága kissé kisebb, mint az azonos típusú atom kibocsátása
egy olyan elem, amely szabad térben van (vagy egy atom egy kisebb égi test felszínén). Mivel ahol K - newtoni gravitációs állandó, M - tömege az égi test és a sugara, úgy kell történnie eltolódása a spektrális emissziós vonalak atomok a felületen a csillag, hogy a vörös véglet, összehasonlítva a vonalas spektrum ugyanazon elem található a föld felületre. Az eltolódás nagysága lesz
A Nap esetében a spektrális vonalak várható véletlen eltolódása a spektrum vörös végéhez körülbelül kétmilliomodik hullámhossz. A rögzített csillagok elmozdulásának megbízható számítása lehetetlen, mivel sem az M tömeg, sem a sugár általában nem ismeretes.
Felmerül a kérdés, hogy ez a hatás fennmarad; Jelenleg a csillagászok keményen dolgoznak annak megoldása érdekében. Tekintettel arra, hogy ez a hatás abban az esetben a Nap nagyon kicsi, nehéz megítélni a létezéséről. Míg vöcsök és Bachem (Bonn) alapján saját mérések és mérések Evershed és Schwarzschild cián sávok, úgy, hogy létezik ez a hatás alig kétséges, más kutatók, például S. John, gyere alapján a mérések az ellenkező következtetést.
A spektrális vonalak átlagos eltolódását a spektrum hosszú hullámhosszúságára nézve határozottan kimutatták a rögzített csillagok statisztikai vizsgálataiban; de eddig a rendelkezésre álló anyag feldolgozásának állapota nem engedte meg, hogy határozott következtetést vonjunk le, hogy ezek a elmozdulások valóban a gravitáció hatásával magyarázhatók-e. A megfigyelések eredményeit összegyűjtjük és részletesen megmagyarázzuk az itt vizsgált probléma szempontjából, amelyet E. Freundlich "Az általános relativitáselmélet tesztje" című művében vizsgálunk.
Mindenesetre az elkövetkező években a probléma határozott megoldása lesz. Ha a spektrális vonalak eltolódása a spektrum vörös végéhez a gravitációs mező hatása alatt nem létezik, akkor az általános relativitáselmélet tarthatatlan. Másrészt, ha a spektrális vonalak eltolódásának kapcsolata határozottan meg van határozva
a gravitációs potenciállal, akkor az elmozdulás tanulmányozása fontos információt tud adni az égi testek tömegéről.