Экспериментальная проверка общей теории относительности

В согласии с принципом соответствия (п. 2.5.3), в слабых полях тяготения ОТО предсказывает практически те же результаты, что и ньютоновская механика, основанная на законе всемирного тяготения. Расхождения между ними пропорциональны малому множителю g = (v/c)², где v — скорость, которую может приобрести тело, свободно падающее в данном гравитационном поле. Например, камешек, отпущенный с бесконечно боль­шо­го расстояния, наберет за время падения на Землю ско­рость, равную второй космической v₂ » 11,2 км/с, так что для Земли g = 0,0000000014, то есть очень мало. Именно поэтому не увенчались успехом попытки одного из создателей неевклидовой геометрии, К. Ф. Гаусса, обнаружить кривизну околоземного пространства. Он измерил углы в треугольнике, образованном тремя горными вершинами, находившимися на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга. Однако в пределах точности его приборов сумма углов оказалась равной 180°[12]. По причине слабости ожидаемого эффекта потерпела неудачу и попытка другого создателя неевклидовой геометрии, Н. И. Ло­ба­чев­с­ко­го, обнаружить кривизну пространства с помощью астрономических наблюдений.

Существенным искривление пространства-времени становится либо в чрезвычайно сильных полях тяготения, создаваемых массивными и компактными космическими объектами — нейтронными звездами, черными дырами, — либо в масштабах всей наблюдаемой части Вселенной. Такие условия находятся вне области применимости не только классической механики, но и специальной теории относительности (поскольку в сильном гравитационном поле все тела движутся с большими ускорениями, и мы не сможем найти тела, с которым можно было бы связать инерциальную систему отсчета — а наличие таких систем отсчета, как отмечалось в начале п. 2.6.1, служит необходимым условием применимости специальной теории относительности).

Однако наиболее убедительные экспериментальные подтверждения общей теории относительности получены все же путем измерения слабых эффектов в менее экзотических условиях.

Во-первых, ОТО предсказывает, что луч света, проходя рядом с Солнцем, должен отклониться из-за искривления пространства-вре­мени на 1,75 угловой секунды. Наблюдения подтвердили, что это так, с точностью до 1%.

Во-вторых, и ОТО, и ньютоновская механика говорят, что планеты должны обращаться вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, но ОТО уточняет: сами эти эллипсы должны медленно вращаться. Больше всего эффект для Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты: его орбита делает один полный поворот за 3 миллиона лет. Этот наблюдательный результат, который астрономы обнаружили еще до Эйнштейна и над причиной которого долго ломали голову, оказался очень хорошо согласующимся с предсказаниями ОТО.

Третье экспериментальное свидетельство относится к искривлению времени. Согласно формулам ОТО, время течет медленнее в более сильных полях тяготения. Это означает, что часы на Спасской башне должны опережать часы зевак, бродящих по Красной площади. Разница в показаниях ничтожная, но в 50-х годах XX века был открыт эффект Мёссбауэра, который позволил зафиксировать различия в ходе двух атомных часов, разделенных по высоте пятнадцатью метрами, — и еще раз подтвердить правоту Эйнштейна[13]. Существуют и другие эмпирические свидетельства в пользу ОТО, но главным, может быть, является то, что до сих пор не известен ни один экспериментальный или наблюдательный факт, не согласующийся с ней.