Гравитационное отклонение света — изменение направления распространения света в гравитационном поле. Является следствием принципа эквивалентности. Впервые было вычислено Эйнштейном в 1916 г. Важным следствием гравитационного отклонения света является эффект гравитационного линзирования в астрономии.
Что говорит нам механика Ньютона
Допустим, у нас есть поток фотонов с массой m скоростью c. Этот пучок фотонов пролетает на прицельном расстоянии R около материальной точки, в которой сгруппирована большая масса M.
Прицельное расстояние— расстояние вдоль перпендикуляра, построенного от пути частицы (прямой, по которой движется частица) до центра поля потенциала, создаваемого телом, к которому частица приближается.
Для лучшего понимания сделаем рисунок к задаче:
Ось X у нас направлена вдоль распространения движения света, ось Y направлена перпендикулярно ей. Центр координат взят в точке сгруппированной массы M, мимо которой будет проскакивать световой поток m.
Стоит отметить, что свет не имеет массы покоя, а существует только когда находится в движении. И по сути это не совсем та масса, которую мы понимаем, когда спрашиваем друг друга: "а сколько ты весишь?". Масса может быть выражена, если какая-то сущность обладает энергией.
В силу гравитационного взаимодействия, световой поток будет притягиваться с силой F, которая будет зависеть от расстояния. С учетом геометрии рисунка и силы гравитационного взаимодействия (закон всемирного тяготения), поперечная сила Fy сыграет роль в отклонении светового пучка на некоторый угол ∠φ.
По теореме об изменении количества движения, изменение импульса фотона (светового пучка) в поперечном (перпендикулярном движению) направлении равно импульсу поперечной силы. Но так как она переменная, то нужно проинтегрировать по всему "полету".
Используя только законы механики Ньютона, мы получили, что угловое отклонение света в гравитационном поле равно:
Общая теория относительности (ОТО)
В общей теории относительности вычисление отклонения луча света в гравитационном поле производится исходя из уравнений движения
Как видите, получается вдвое большая величина, чем оценка в механике Ньютона.
Возможность получения предыдущего выражения без всяких предположений о массе световых корпускул связана с равенством тяжелой и инертной масс, а также с применением классического закона движения вплоть до скорости равной скорости света v = c.
В дальнейшем, после создания общей теории относительности , выяснилось, что эффект отклонения лучей должен быть вдвое больше:
Экспериментальная проверка этой формулы проводилась во время целого ряда полных солнечных затмений, начиная с 1919 года. Сводка соответствующих результатов приведена в таблице, где все значения отнесены к краю солнечного диска. А знаки отклонения положительны, так как во всех случаях идет полное совпадение с теорией, что говорит о том, что луч света "притягивается" к Солнцу (или иной большой масса).
Какие тут могут быть ошибки? Основной ошибкой может послужить неточность учета разности рефракций во время затмения и в контрольный день. Напомним, что рефракция в земной атмосфере — изменение направления луча (волны), возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит, или в одной среде, но с меняющимися свойствами, в которой скорость распространения волны неодинакова.
Получение более точных опытных данных, конечно же, представляют интерес. Только, к сожалению, в этом отношении не видно путей для заметного повышения точности, так как радиометоды (например, наблюдение космического радиоизлучения) в силу их относительно низкой угловой разрешающей силы здесь совершенно непригодны.
Подробнее в Успехи физических наук. Экспериментальная проверка общей теории относительности В. Л. Гинзбург.
Что почитать по теме, чтобы немного улучшить понимание вопроса, поставленного в начале статьи:
1. Эйнштейн А.Основы общей теории относительности // Собрание научных трудов в 4 томах. Том 1. — М.: Наука, 1965. — С. 503.
2. Ч. Киттель, У. Найт, М. Рудерман Берклеевский курс физики. Т. 1. Механика. — М.: Наука, 1975. — С. 445.
3. С. Вейнберг Гравитация и космология. — М.: Наука, 1975. — С. 201-206.
4. Гинзбург В. Л. "Экспериментальная проверка общей теории относительности"
Еще приведу парочку полезных ссылок на статьи по теме, которые можно почитать на досуге
1. Феномен Эйнштейна. Как создавалась специальная теория относительности
2. Критика теории относительности. Отклонение лучей света вблизи массивных тел
А что думают наши подписчики
Пару дней назад была опубликована задача в группе Physics.Math.Code в VK
Почему на свет действует гравитация, если по некоторым предположениям фотон не имеет массы? Почему свет отклоняется вблизи массивных объектов?
Вы можете прочитать обсуждение задачи
А к какому объяснению склоняетесь Вы ? Напишите об этом в комментариях.
Еще много полезного и интересного вы сможете найти на наших ресурсах:
Physics.Math.Code в контакте (VK) // Physics.Math.Code в telegram
Physics.Math.Code в YouTube // Репетитор IT mentor в VK
Репетитор IT mentor в Instagram // Репетитор IT mentor в Яндекс.Дзен
