Tekst źródłowy strony Testy doświadczalne ogólnej teorii względności

'''Testy doświadczalne ogólnej teorii względności''' mają na celu dostarczenie obserwacyjnych dowodów na rzecz [[ogólna teoria względności|ogólnej teorii względności]]. Pierwsze trzy testy zaproponowane przez [[Albert Einstein|Alberta Einsteina]] w roku 1915 dotyczyły anomalnej [[precesja|precesji]] [[peryhelium]] [[Merkury|Merkurego]], odchylenia światła w [[Pole grawitacyjne|polu grawitacyjnym]] oraz [[grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni|grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni]]. Precesja Merkurego była już znana, pierwsze obserwacje odchylenia światła zgodne z przewidywaniami teorii względności zostały przeprowadzone w 1919, przy czym bardziej dokładne pomiary przeprowadzano w następnych latach, astrofizyczne pomiary grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni przeprowadzono w roku 1925, jednak pomiary wystarczająco czułe do potwierdzenia teorii nie zostały wykonane do roku 1954. Program dokładniejszych testów rozpoczynający się w roku 1959 zweryfikował różne przewidywania teorii względności z większym stopniem dokładności w zakresie słabego pola grawitacyjnego, mocno ograniczając możliwe odchylenia względem przewidywań teorii.

W latach siedemdziesiątych zostały wykonane kolejne testy, poczynając od pomiaru relatywistycznej dylatacji czasu sygnału radarowego w pobliżu Słońca przeprowadzonego przez Irwina Shapiro. Począwszy od roku 1974, [[Russell Alan Hulse|Hulse]], [[Joseph H. Taylor Jr.|Taylor]] i inni badali zachowanie [[pulsar podwójny|pulsarów podwójnych]] o masach powodujących znacznie większe zakrzywienie czasoprzestrzeni niż to, które występuje w Układzie Słonecznym. Zarówno w granicy słabego pola grawitacyjnego (jak w Układzie Słonecznym) jak i w silniejszych polach występujących w układach pulsarów podwójnych przewidywania ogólnej teorii względności zostały lokalnie bardzo dobrze potwierdzone.

W lutym 2016 grupa badaczy z detektora [[LIGO]] doniosła o [[astronomia fal grawitacyjnych|bezpośrednim wykryciu fal grawitacyjnych]], pochodzących ze [[Czarna dziura#Zderzenie czarnych dziur|zderzenia czarnych dziur]]<ref name="Discovery 2016">{{Cytuj pismo |tytuł=Einstein's gravitational waves found at last |czasopismo=Nature News |url=http://www.nature.com/news/einstein-s-gravitational-waves-found-at-last-1.19361 |data=February 11, 2016 |nazwisko=Castelvecchi |imię=Davide |nazwisko2=Witze |imię2=Witze |doi=10.1038/nature.2016.19361 |data dostępu=2016-02-11}}</ref>. To odkrycie weryfikuje przewidywania ogólnej teorii względności w granicy bardzo silnego pola, nie znajdując jak do tej pory żadnych odchyleń od przewidywań teorii.

== Klasyczne testy ==
W roku 1916 Albert Einstein zaproponował<ref name=Ein1916>{{Cytuj pismo |nazwisko=Einstein |imię=Albert |tytuł=The Foundation of the General Theory of Relativity |czasopismo=Annalen der Physik |wolumin=49 |wydanie=7 |strony=769–822 |data=1916 |url=https://en.wikisource.org/wiki/The_Foundation_of_the_Generalised_Theory_of_Relativity |data dostępu=2006-09-03 |doi=10.1002/andp.19163540702 |bibcode=1916AnP...354..769E}}</ref><ref name=Ein1916eng>{{Cytuj pismo |nazwisko=Einstein |imię=Albert |tytuł=The Foundation of the General Theory of Relativity |czasopismo=Annalen der Physik |wolumin=49 |wydanie=7 |strony=769–822 |data=1916 |url=https://en.wikisource.org/wiki/The_Foundation_of_the_Generalised_Theory_of_Relativity |doi=10.1002/andp.19163540702 |bibcode=1916AnP...354..769E}}</ref> trzy testy ogólnej teorii względności, w następnych latach nazwane '''klasycznymi testami ogólnej teorii względności''':

# precesje peryhelium orbity Merkurego
# ugięcie światła w polu grawitacyjnym Słońca
# grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni

W liście do [[The Times|London Times]] z 28 listopada 1919 Einstein opisał teorie względności i podziękował brytyjskim naukowcom za zrozumienie i przetestowanie jego pracy. Wspomniał również o powyższych trzech klasycznych testach, dodając:<ref>{{Cytuj |tytuł=What Is The Theory Of Relativity?|autor=Einstein, Albert (1919) |url=http://germanhistorydocs.ghi-dc.org/pdf/eng/EDU_Einstein_ENGLISH.pdf |wydawca=German History in Documents and Images |data dostępu=2013-06-07}}</ref>

: „Główna atrakcyjność tej teorii polega na logicznej zupełności. Jeżeli jeden z wyciągniętych z niej wniosków okazałby się błędny, musiałaby zostać porzucona, zmodyfikowanie jej bez zniszczenia całej struktury wydaje się niemożliwe”.

=== Precesja peryhelium Merkurego ===
[[Plik:Mercury transit 2.jpg|thumb|150px|Tranzyt Merkurego, [[8 listopada]] [[2006]] (blisko środka tarczy słonecznej)]]
[[Plik:Apsidendrehung.png|thumb|150px|Precesja peryhelium orbity Merkurego]]
Według fizyki newtonowskiej układ dwóch ciał składający się z obiektu okrążającego sferycznie symetryczną masę zachowuje się w taki sposób, że ruch ciała próbnego wyznacza [[Elipsa|elipsę]] ze środkiem masy znajdującym się w jednym z jej [[ognisko elipsy|ognisk]]. Punkt na orbicie, w którym poruszające się ciało znajduje się najbliżej źródła pola (nazywany [[Apsyda (astronomia)|apsydą]] lub w astronomii peryhelium, ze względu na fakt, że Słońce jest głównym źródłem pola grawitacyjnego w Układzie Słonecznym) pozostaje nieruchomy. Jednak w Układzie Słonecznym istnieje wiele innych czynników powodujących ruch peryheliów planet. Głównym czynnikiem jest obecność innych planet, których oddziaływanie wywołuje [[perturbacja|perturbacje]]. Innym, choć dużo słabszym czynnikiem, jest [[Elipsoida obrotowa|spłaszczenie]] Słońca.

Ruch Merkurego nie jest zgodny z przewidywaniami, które można wyprowadzić z grawitacji newtonowskiej. Anomalia prędkości precesji peryhelium została po raz pierwszy zaobserwowana w roku 1859 przez [[Urbain Le Verrier|Le Verriera]]. Na podstawie obserwacji ruchu [[Merkury|Merkurego]] prowadzonych od 1697 do 1848 roku Le Verrier ustalił, że rzeczywiste tempo precesji odbiega od przewidywań teorii Newtona o 38″ na [[rok zwrotnikowy|wiek zwrotnikowy]] (w roku 1882 dokładniejsze oszacowanie 43″ zostało podane przez Simona Newcomba)<ref>U. Le Verrier (1859), (in French),[https://archive.org/stream/comptesrendusheb49acad#page/378/mode/2up "Lettre de M. Le Verrier à M. Faye sur la théorie de Mercure et sur le mouvement du périhélie de cette planète"], Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences (Paris), vol. 49 (1859), pp.379–383.</ref>. Zaproponowano szereg doraźnych wyjaśnień tych efektów, jednak powodowały one kolejne większe problemy.

Brakująca wartość w prędkości [[precesja|precesji]] została ostatecznie wyjaśniona na bazie ogólnej teorii względności. Einstein pokazał, że ogólna teoria względności daje przewidywania dokładnie zgodne z obserwowaną wartością przesunięcia peryhelium<ref name="Ein1916" />. Wyjaśnienie prędkości precesji Merkurego odegrało bardzo ważną rolę w procesie akceptacji ogólnej teorii względności. W ostatnich latach Friedman i Steiner<ref name="Merc">{{Cytuj pismo |nazwisko=Friedman |imię=Y. |nazwisko2=Steiner |imię2=J. M. |data=2016 |tytuł= Predicting Mercury's Precession using Simple Relativistic Newtonian Dynamics |czasopismo=Europhysics Letters (EPL) |wolumin=113 |strony=39001 |doi=10.1209/0295-5075/113/39001 |arxiv=1603.02560 |bibcode=2016EL....11339001F}}</ref> wyjaśnili obserwowaną wielkość przesunięcia peryhelium bez pełnej ogólnej teorii względności, jedynie w ramach modelu [[relatywistyczna dynamika newtonowska|relatywistycznej dynamiki newtonowskiej]] (RND).

Wcześniejsze pomiary ruchu planet były wykonywane przy pomocy tradycyjnych teleskopów, natomiast współcześnie przeprowadzono bardziej dokładne pomiary wykorzystując metody radarowe. Całkowita zmierzona precesja wynosi 574,10″±0,65 na wiek<ref name="Clemence">{{Cytuj pismo |imię=G. M. |nazwisko=Clemence |tytuł=The Relativity Effect in Planetary Motions |czasopismo=Reviews of Modern Physics |wolumin=19 |wydanie=4 |strony=361–364 |data=1947 |doi=10.1103/RevModPhys.19.361 |bibcode=1947RvMP...19..361C}}</ref> względem [[ICRF|Międzynarodowego Niebieskiego Układu Odniesienia]] (ICRF). Taka wartość precesji jest uważana za wypadkowy efekt następujących przyczyn:

{| class="wikitable" style="margin-left:auto; margin-right:auto;"
|+'''Czynniki powodujące precesję Merkurego'''
|-
! Wielkość<ref>{{Cytuj pismo | nazwisko = Park | imię = Ryan S. | tytuł = Precession of Mercury’s Perihelion from Ranging to the MESSENGER Spacecraft | czasopismo = The Astronomical Journal | wolumin = 153 | wydanie = 3 | strony = 121 | data = 2017 | wydawca = | miejsce = | issn = | doi = 10.3847/1538-3881/aa5be2}}</ref> !! Przyczyna
|-
| 532,3035 || Oddziaływanie grawitacyjne innych ciał Układu Słonecznego
|-
| 0,0286 || Spłaszczenie Słońca
|-
| 42,9799 || Zakrzywienie czasoprzestrzeni (zakładając czasoprzestrzeń Schwarzschilda)
|-
| −0,0020 || [[Efekt Lense-Thirringa]]
|-
| 575,31 || Całkowita oczekiwana precesja
|-
| 574,10±0,65<ref name="Clemence" /> || Obserwowana precesja
|}

Zatem efekt może być całkowicie wyjaśniony na gruncie ogólnej teorii względności. Najnowsze obliczenia bazujące na bardziej dokładnych pomiarach nie zmieniły zasadniczo sytuacji.

W ogólnej teorii względności przesuniecie peryhelium wyrażone w radianach na obrót jest w przybliżeniu dane wzorem:<ref>{{Cytuj książkę |tytuł=Theory and Practice of Natural Computing: Fourth International Conference, TPNC 2015, Mieres, Spain, December 15-16, 2015. Proceedings |wydanie=illustrated |imię=Adrian-Horia |nazwisko=Dediu |imię2=Luis |nazwisko2=Magdalena |imię3=Carlos |nazwisko3=Martín-Vide |wydawca=Springer |rok=2015 |isbn=978-3-319-26841-5 |strony=141 |url=https://books.google.com/books?id=XmwiCwAAQBAJ}} [https://books.google.com/books?id=XmwiCwAAQBAJ&pg=PA141 Extract of page 141]</ref>
: <math>\sigma=\frac {24\pi^3L^2} {T^2c^2(1-e^2)} \ ,</math>
gdzie ''L'' jest [[półoś wielka|półosią wielką]], ''T'' jest [[okres orbitalny|okresem orbitalnym]], ''c'' jest [[prędkość światła|prędkością światła]] i ''e'' jest [[Ekscentryczność (fizyka)|mimośrodem orbity]] (zobacz: [[problem dwóch ciał w ogólnej teorii względności]]).

Co więcej powyższy wzór jest dokładnym wyrażeniem na prędkość precesji peryhelium w ramach [[relatywistyczna dynamika newtonowska|relatywistycznej dynamiki newtonowskiej]]<ref name="Bin">{{Cytuj pismo |nazwisko=Friedman |imię=Y. |nazwisko2=Livshitz |imię2=S. |nazwisko3=Steiner |imię3=J. M. |data=2016 |tytuł= Predicting the relativistic periastron advance of a binary star without curving spacetime |czasopismo=Europhysics Letters (EPL) |wolumin=116 |strony=59001 |doi=10.1209/0295-5075/116/59001 |arxiv=1705.05705 |bibcode=2016EL....11659001F}}</ref>.

Ruch innych planet również wykazuje precesje [[peryhelium]] orbity, jednak z uwagi na odległość od Słońca w jakiej się znajdują, jak również ich okresy orbitalne, precesja jest mniejsza i została zaobserwowana na długo po odkryciu precesji peryhelium Merkurego. Na przykład precesja peryhelium Wenus i Ziemi, zgodnie z ogólną teorią względności, wynosi odpowiednio 8,62″ i 3,84″ (sekund łukowych) na wiek. Obie wartości zostały zmierzone z wynikiem zgodnym z teorią<ref name="Biswas">{{Cytuj pismo |tytuł=Relativistic perihelion precession of orbits of Venus and the Earth |imię=Abhijit |nazwisko=Biswas |imię2=Krishnan R. S. |nazwisko2=Mani |data=2008 |doi=10.2478/s11534-008-0081-6 |czasopismo=Central European Journal of Physics |wolumin=6 |wydanie=3 |strony=754–758 |bibcode=2008CEJPh...6..754B}}</ref>. Wykonano również pomiary ruchu [[Apsyda (astronomia)|perycentrum]] w układzie pulsarów podwójnych [[PSR B1913+16|PSR 1913+16]] z wartością 4.2º na rok<ref name="Matzner">{{Cytuj książkę |tytuł=Dictionary of geophysics, astrophysics, and astronomy |imię=Richard Alfred |nazwisko=Matzner |wydawca=CRC Press |data=2001 |isbn=0-8493-2891-8 |strony=356 |url=https://books.google.com/books?id=eez38xjCYGkC&pg=PA356}}</ref>. Jest to wynik spójny z przewidywaniami ogólnej teorii względności<ref>Weisberg, J.M.; Taylor, J.H. (July 2005). [http://aspbooks.org/custom/publications/paper/328-0025.html|"The Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis"].</ref>. Istnieje także możliwość wykonania pomiarów dla układów [[gwiazda podwójna|gwiazd podwójnych]], które nie zawierają ultra gęstych gwiazd (takich jak pulsary), jednakże w przypadku takich obserwacji pozostaje problem dokładnego modelowania klasycznych zjawisk – na przykład prawidłowa interpretacja pomiaru wymaga dokładnej znajomości momentów pędu gwiazd względem ich płaszczymy orbitalnej. Dla kilku układów gwiazd np. [[DI Herculis]]<ref name="skyandtelescope2009">Naeye, Robert, [http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/stellar-mystery-solved-einstein-safe/ "Stellar Mystery Solved, Einstein Safe"], ''Sky and Telescope'', September 16, 2009. See also [http://news.mit.edu/2009/oddstar-091709 MIT Press Release], September 17, 2009. Accessed 8 June 2017.</ref> takie pomiary zostały wykonane w ramach testów ogólnej teorii względności.

=== Ugięcie światła w polu grawitacyjnym Słońca ===
[[Plik:1919 eclipse negative.jpg|thumb|150px|Jedna z fotografii wykonana przez [[Arthur Stanley Eddington|Eddingtona]] w 1919 podczas [[zaćmienie Słońca|zaćmienia Słońca]] w ramach obserwacji mających na celu wykrycie ugięcie światła w polu grawitacyjnym]]

[[Henry Cavendish]] w roku 1784 (w nieopublikowanej pracy) i [[Johann Georg von Soldner]] w roku 1801 (w pracy opublikowanej w 1804) zwrócili uwagę, że z newtonowskiej teorii grawitacji wynika ze światło zakrzywi się w polu grawitacyjnym<ref>{{Cytuj pismo |autor=Soldner, J.G.V. |data=1804 |tytuł=[[s:Translation:On the Deflection of a Light Ray from its Rectilinear Motion|On the deflection of a light ray from its rectilinear motion, by the attraction of a celestial body at which it nearly passes by]] |czasopismo=Berliner Astronomisches Jahrbuch |strony =161–172}}</ref><ref>{{Cytuj |arxiv=physics/0508030 |tytuł=Newtonian gravitational deflection of light revisited |autor=Soares, Domingos S. L. |data=2009 |czasopismo=arXiv:General Physics (physics.gen-ph)}}</ref>. W 1911 Einstein powtórzył obliczenia Soldnera z takim samym wynikiem bazując jedynie na zasadzie równoważności. Natomiast w 1915 w trakcie pracy nad ogólną teorią względności Einstein zauważył, że jego wynik (a tym samym również wynik Soldnera) stanowi zaledwie połowę poprawnej wartości. Einstein jako pierwszy wykonał prawidłowe obliczenie w oparciu o ogólną teorię względności<ref>{{Cytuj pismo |autor=Will, C.M.|data=December 2014 |tytuł=The Confrontation between General Relativity and Experiment |czasopismo=Living Rev. Relativ. |wolumin =17 |url=https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2014-4 |strony= 4 |doi=10.12942/lrr-2014-4|arxiv = gr-qc/0510072 |bibcode = 2006LRR.....9....3W}} (ArXiv version here: [https://arxiv.org/abs/1403.7377 arxiv.org/abs/1403.7377].)</ref>.

Pierwsze testy ugięcia światła w polu grawitacyjnym polegały na obserwacji zmian położenia [[gwiazda|gwiazd]] na [[Sfera niebieska|sferze niebieskiej]] w pobliżu Słońca. Obserwacje zostały wykonane przez [[Arthur Stanley Eddington|Arthura Eddingtona]] i jego współpracowników podczas całkowitego zaćmienia Słońca 29 maja 1919<ref name="Eddington1920">{{Cytuj pismo |nazwisko=Dyson |imię=F. W. |tytuł=A determination of the deflection of light by the Sun's gravitational field, from observations made at the total eclipse of 29 May 1919 |czasopismo=Philosophical Transactions of the Royal Society |wolumin=220A |strony=291–333 |data=1920 |autor2=Eddington, A. S. |autor3=Davidson C. |doi=10.1098/rsta.1920.0009 |bibcode=1920RSPTA.220..291D}}</ref>, które pozwoliło zaobserwować położenie gwiazd w pobliżu Słońca ([[Gwiazdozbiór Byka|konstelacja Byka]])<ref name="Eddington1920" />. Obserwacje zostały wykonane jednocześnie w miastach [[Sobral, Ceará]], Brazil i w [[Sao Tomé i Príncipe]] na zachodnim wybrzeżu Afryki<ref>{{Cytuj pismo |nazwisko=Stanley |imię=Matthew |tytuł='An Expedition to Heal the Wounds of War': The 1919 Eclipse and Eddington as Quaker Adventurer |czasopismo=Isis |wolumin=94 |wydanie=1 |strony=57–89 |data=2003 |doi=10.1086/376099 |pmid=12725104}}</ref>. Ich pozytywny rezultat został uznany za spektakularny a informacja o nim pojawiła się na pierwszych stronach większości ówczesnych gazet. Wskutek tego Einstein wraz ze swoją teorią stał się sławny na skalę światową. Kiedy został zapytany przez swojego asystenta jak zareagowałby na wieść, że obserwacje Eddigntona i Dysona z 1919 nie potwierdziły jego teorii, Einstein zażartował: "Byłoby mi naprawdę przykro drogi panie. Teoria byłaby mimo wszystko prawdziwa."<ref>Rosenthal-Schneider, Ilse: ''Reality and Scientific Truth''. Detroit: Wayne State University Press, 1980. p 74. See also Calaprice, Alice: The New Quotable Einstein. Princeton: Princeton University Press, 2005. p 227.</ref>

Jednakże dokładność wczesnych pomiarów była niewielka. Niektórzy twierdzili<ref>Harry Collins and Trevor Pinch, ''The Golem'', {{ISBN|0-521-47736-0}}</ref>, że obserwacje Eddingtona mogły być [[Efekt potwierdzenia|stronnicze]] i obciążone [[Błąd pomiaru|błędami systematycznymi]]. Natomiast współczesne analizy danych Eddingtona<ref>{{Cytuj pismo |arxiv=0709.0685 |autor=Daniel Kennefick |tytuł=Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition |data=2007 |doi=10.1016/j.shpsa.2012.07.010 |wolumin=44 |czasopismo=Studies in History and Philosophy of Science Part A |strony=89–101}}</ref> sugerują, że pomiary były dokładne<ref>{{Cytuj pismo |doi=10.1038/news070903-20 |url=http://philipball.blogspot.com/2007/09/arthur-eddington-was-innocent-this-is.html |tytuł=Arthur Eddington was innocent! |data=2007 |nazwisko=Ball |imię=Philip |czasopismo=News@nature}}</ref><ref name="PhysToday">D. Kennefick, "Testing relativity from the 1919 eclipse- a question of bias", ''Physics Today'', March 2009, pp. 37–42.</ref>. Obserwacje zostały powtórzone przez badaczy z [[Obserwatorium Licka|Lick Observatory]] podczas zaćmienia w 1922 z rezultatem zgodnym z tym który otrzymano w 1919<ref name="PhysToday" />. W następnych latach tego rodzaju obserwacje były powtarzane kilkukrotnie, na przykład w 1953 przez astronomów z [[Obserwatorium Yerkes|Yerkes Observatory]]<ref>van Biesbroeck, G.: The relativity shift at the 1952 February 25 eclipse of the Sun., ''Astronomical Journal'', vol. 58, page 87, 1953.</ref> i w 1973 przez grupę z [[University of Texas at Austin|Univesity of Texas]]<ref>Texas Mauritanian Eclipse Team: Gravitational deflection of-light: solar eclipse of 30 June 1973 I. Description of procedures and final results., ''Astronomical Journal'', vol. 81, page 452, 1976.</ref>. Tego rodzaju pomiary były obciążone znaczną niepewnością przez blisko 50 lat, do czasu kiedy zaczęto przeprowadzać pomiary w [[Radioastronomia|częstotliwościach radiowych]]<ref>Titov, O.; Girdiuk, A. (2015). Z. Malkin & N. Capitaine, ed. The deflection of light induced by the Sun's gravitational field and measured with geodetic VLBI. [http://www.gaoran.ru/english/as/j2014/home.htm Proceedings of the Journées 2014 "Systèmes de référence spatio-temporels": Recent developments and prospects in ground-based and space astrometry.]</ref>. [[Pierścień Einsteina]] jest przykładem ugięcia światła pochodzącego z odległych galaktyk w polu grawitacyjnym bliższych obiektów<ref>{{Cytuj stronę |url=http://news.nationalgeographic.com/2017/06/hubble-telescope-einstein-impossible-genius-space-science/ |tytuł=Einstein's 'Impossible' Experiment Finally Performed |imię=Nadia |nazwisko=Drake |data=7 June 2017 |data dostępu=2017-06-09}}</ref>.

=== Grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni ===
[[Plik:Gravitational red-shifting2.png|thumb|150px|right|Grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni fali świetlnej poruszającej się do góry w polu grawitacyjnym (którego źródłem jest żółta gwiazda w dolnej części obrazka)]]
Einstein przewidział [[grawitacyjne przesuniecie ku czerwieni]] w roku 1907 jako konsekwencje [[zasada równoważności|zasady równoważności]]. Przewidywano, że tego rodzaju efekt mógłby zostać zaobserwowany w liniach spektralnych widma [[biały karzeł|białego karla]] o bardzo silnym polu grawitacyjnym. Pierwsze próby pomiaru grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni zostały przeprowadzone przez [[Walter Sydney Adams|Waltera Sydneya Adamsa]] w roku 1925 i dotyczyły linii spektralnych [[Syriusz|Syriusza B]]. Aczkolwiek te pomiary zostały skrytykowane z uwagi na zanieczyszczenie pomiaru światłem pochodzącym z sąsiedniej (znacznie jaśniejszej) gwiazdy, [[Syriusz]]a<ref name= "Hetherington1980">{{Cytuj pismo | nazwisko = Hetherington | imię = N. S. |url=http://adsabs.harvard.edu/full/1980QJRAS..21..246H | tytuł = Sirius B and the gravitational redshift – an historical review | czasopismo = Royal Astronomical Society, Quarterly Journal | wolumin = 21 | wydanie = | strony = 246-252 | data = Sept. 1980 | wydawca = | miejsce = | issn = | doi = |bibcode=1980QJRAS..21..246H}}</ref><ref name= "Holberg2010">{{Cytuj pismo | nazwisko = Holberg| imię = J. B. | tytuł = Sirius B and the Measurement of the Gravitational Redshift | czasopismo = Journal for the History of Astronomy| wolumin = 41 | wydanie = 1 | strony = 41-64| data = 2010| wydawca = | miejsce = | issn = | doi = |bibcode=2010JHA....41...41H |url=http://articles.adsabs.harvard.edu//full/2010JHA....41...41H/0000041.000.html}}</ref>. Pierwsze dokładne pomiary grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni w liniach spektralnych białego karła ([[40 Eridani|40 Eridani B]]) zostały przeprowadzone przez Poppera w roku 1954 z wynikiem 21 km/s<ref name="Holberg2010" />.

Przesunięcie ku czerwieni w widmie Syriusza B zostało ostatecznie zmierzone przez Greensteina w 1971 z wynikiem 89±19 km/s, następnie dokładniejsze pomiary z użyciem teleskopu Hubblea dały wynik 80,4±4,8 km/s.

=== Testy doświadczalne szczególnej teorii względności ===
Ogólna teoria względności obejmuje [[szczególna teoria względności|szczególną teorie względności]], a zatem eksperymenty weryfikujące przewidywania szczególnej teorii względności weryfikują także przewidywania ogólnej teorii względności. Jak wynika z [[zasada równoważności|zasady równoważności]], [[symetria Lorentza]] jest lokalnie zachowana w nieobracających się, swobodnie spadających układach odniesienia. Informacje na temat eksperymentów weryfikujących symetrie Lorentza w warunkach, w których efekty grawitacyjne mogą zostać zaniedbane zostały opisane w artykule [[testy szczególnej teorii względności]].

== Współczesne testy ==
Epoka współczesnych testów rozpoczęła się w znacznej mierze za sprawą [[Robert H. Dicke|Dickego]] i [[Leonard I. Schiff|Schiffa]], którzy zaprojektowali program testów ogólnej teorii względności<ref>{{Cytuj pismo |nazwisko=Dicke | imię= R. H. | data= March 6, 1959| tytuł=New Research on Old Gravitation: Are the observed physical constants independent of the position, epoch, and velocity of the laboratory? | czasopismo=Science| wolumin= 129 | wydanie= 3349 | strony=621–624 | doi=10.1126/science.129.3349.621| pmid=17735811 |bibcode = 1959Sci...129..621D}}</ref><ref>Dicke, R. H. (1962). "Mach's Principle and Equivalence". Evidence for gravitational theories: proceedings of course 20 of the International School of Physics "Enrico Fermi" ed C. Møller.</ref><ref>{{Cytuj pismo |nazwisko=Schiff| imię= L. I. | data= April 1, 1960| tytuł=On Experimental Tests of the General Theory of Relativity| czasopismo=American Journal of Physics| wolumin= 28 | wydanie= 4 | strony=340–343 | doi=10.1119/1.1935800 |bibcode = 1960AmJPh..28..340S}}</ref>. Położyli nacisk nie tylko na klasyczne testy opisane powyżej, ale również na eksperymenty zerowe, testujące efekty, które w zasadzie mogłyby wystąpić w teorii grawitacji, ale nie występują w ogólnej teorii względności. Innymi ważnymi czynnikami było pojawienie się [[alternatywne teorie grawitacji|alternatywnych teorii grawitacji]] (w szczególności [[teorie skalarno-tensorowe|teorii skalarno-tensorowych]] takich jak [[teoria Bransa-Dickea|teoria Bransa-Dickego]]<ref>{{Cytuj pismo |nazwisko=Brans | imię= C. H.| data= November 1, 1961| tytuł=Mach's Principle and a Relativistic Theory of Gravitation | czasopismo=Physical Review| wolumin= 124 | wydanie= 3 | strony=925–935 | doi = 10.1103/PhysRev.124.925 |autor2=Dicke, R. H. |bibcode = 1961PhRv..124..925B}}</ref>), [[parametryczny system postnewtonowski|parametrycznego systemu postnewtonowskiego]], który opisuje ilościowo możliwe odchylenia od przewidywań ogólnej teorii względności oraz frameworku dla [[Zasada równoważności|zasady równoważności]].

Nowe odkrycia związane z [[Eksploracja kosmosu|eksploracją przestrzeni kosmicznej]], [[Elektronika|elektroniką]] i [[Fizyka materii skondensowanej|fizyką materii skondensowanej]] pozwoliły na przeprowadzenie kolejnych precyzyjnych pomiarów takich jak [[eksperyment Pounda-Rebeka|eksperyment Pounda-Rebki]], a także doświadczenia wykorzystujące [[interferometria laserowa|interferometrie laserową]] lub [[Transksiężycowa transmisja laserowa|transksiężycową transmisje laserową]].

=== Parametryczny system postnewtonowski ===
Analiza wczesnych testów ogólnej teorii względności była utrudniona z uwagi na brak jakichkolwiek konkurencyjnych teorii. Nie było wiadomo, jaki rodzaj testu mógłby odróżnić ogólną teorie względności od potencjalnych teorii alternatywnych. Ogólna teoria względności była jedyną znaną relatywistyczną teorią grawitacji, zgodną ze szczególną teorią względności i obserwacjami. Co więcej, uważa się, że OTW jest bardzo prostą i elegancką teorią. Sytuacja uległa zmianie wraz z pojawieniem się [[teoria Bransa-Dickea|teorii Bransa-Dickego]] w 1960 roku. Jest to teoria prawdopodobnie prostsza, nie zawiera żadnych stałych [[Wielkość bezwymiarowa|wymiarowych]], w przeciwieństwie do OTW spełnia [[zasada Macha|zasadę Macha]] oraz [[hipoteza wielkich liczba Diraca|hipotezę wielkich liczb Diraca]] (dwie filozoficzne idee, które miały zasadniczy wpływ na rozwój ogólnej teorii względności). Ostatecznie, doprowadziło to do stworzenia [[parametryczny system postnewtonowski|parametrycznego systemu postnewtonowskiego]] (rozwijany najpierw przez [[Nordtvedt]]a, następnie przez [[Clifford Martin Will|Willa]]), który w ramach zbioru dziesięciu parametrów opisuje wszystkie możliwe odstępstwa od newtonowskiego prawa powszechnego ciążenia do pierwszego przybliżenia prędkości poruszających się obiektów. To pozwala na usystematyzowanie analiz odchyleń od przewidywań ogólnej teorii względności dla wolno poruszających się obiektów w słabych polach grawitacyjnych. Włożono wiele wysiłku w celu doświadczalnej weryfikacji możliwych naruszeń parametrów tego formalizmu i obecnie są one ściśle ograniczone.

Eksperymenty testujące zjawisko soczewkowania grawitacyjnego i opóźnienia światła weryfikują naruszenia tego samego parametru tzw. parametru Eddingtona (γ), który jest bezpośrednią parametryzacją stopnia ugięcia światła w polu grawitacyjnym. Jest on równy jedności (γ = 1) w ogólnej teorii względności i przyjmuje różne wartości w innych teoriach grawitacji (takich jak teoria Bransa-Dickego). Możliwe naruszenia parametru Eddingtona są jak dotąd najściślej ograniczone. Natomiast dokładne obserwacje precesji peryhelium Merkurego, jak również doświadczenia testujące silną zasadę równoważności pozwoliły na dobre ograniczenie naruszeń innych parametrów.

Jednym z planowanych celów misji [[BepiColombo]] jest weryfikacja ogólnej teorii względności poprzez precyzyjny pomiar parametrów gamma i beta parametrycznego systemu postnewtonowskiego<ref>{{Cytuj stronę |url=http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=47346 |tytuł=Fact Sheet}}</ref>.

=== Soczewkowanie grawitacyjne ===
Jednym z najważniejszych testów ogólnej teorii względności jest [[soczewkowanie grawitacyjne]]. Tego typu zjawiska zostały zaobserwowane dla światła pochodzącego z odległych obiektów kosmicznych, jednak wszystkie czynniki wpływające na te pomiary nie mogą zostać niezależnie zweryfikowane i nie jest jasne w jaki sposób takie obserwacje ograniczają możliwe odstępstwa od przewidywań ogólnej teorii względności. Najbardziej precyzyjne testy są analogiczne do obserwacji Eddingtona z roku 1919, tzn. polegają na pomiarze ugięcia promieniowania pochodzącego z odległego źródła w polu grawitacyjnym Słońca. Obiektami, które najlepiej nadają się do wykonywania precyzyjnych analiz, są odlegle źródła silnego [[Radioastronomia|promieniowania radiowego]], takie jak niektóre [[kwazar]]y. Kierunkowa rozdzielczość każdego teleskopu jest w zasadzie ograniczona z uwagi na dyfrakcje, tego typu praktyczne ograniczenia dotyczą również radioteleskopów. Jednakże ważnym usprawnieniem, które pozwoliło na wysoką poprawę rozdzielczości pozycyjnej (z wielkości rzędu milisekund do mikrosekund kątowych), było zastosowanie [[Interferometria wielkobazowa|interferometrii wielkobazowej]] (VLBI) polegającej na wykorzystaniu pomiarów z kilku radioteleskopów rozmieszczonych na kuli ziemskiej w dużej odległości od siebie. Ostatnie pomiary wykonane przez te teleskopy pozwoliły na pomiar ugięcia fal radiowych w polu grawitacyjnym Słońca z bardzo wysoką dokładnością, ograniczając możliwe naruszenie ugięcia przewidywanego w ramach ogólnej teorii względności do poziomu 0,03%<ref>{{Cytuj pismo | nazwisko=Fomalont |imię= E.B. |data =July 2009 |tytuł= Progress in Measurements of the Gravitational Bending of Radio Waves Using the VLBA |czasopismo=Astrophysical Journal |wolumin=699 |wydanie=2 |strony=1395–1402 |bibcode=2009ApJ...699.1395F | doi=10.1088/0004-637X/699/2/1395|autor2= Kopeikin S.M.|autor3= Lanyi, G.|autor4= Benson, J. |arxiv = 0904.3992}}</ref>. Przy takim poziomie dokładności wszelkie źródła błędów systematycznych muszą być starannie rozważone w celu precyzyjnego ustalenia rzeczywistego położenia teleskopów. Należy wziąć pod uwagę takie efekty jak [[nutacja]] i rotacja Ziemi, refrakcja atmosferyczna, przesunięcia tektoniczne i efekty pływowe. Innym ważnym źródłem błędów jest wpływ [[Korona słoneczna|korony słonecznej]] na propagacje sygnałów radiowych. Gaz zjonizowanych cząstek ponad powierzchnią Słońca – jak każdy ośrodek – posiada pewien współczynnik refrakcji, co również powoduje zakrzywienie toru fal elektromagnetycznych. Na szczęście ugięcie spowodowane refrakcją zależy od długości fali, podczas gdy relatywistyczne ugięcie nie wykazuje takiej zależności. Zatem dokładna analiza, bazująca na pomiarach dla różnych długości fali, pozwala wyeliminować to źródło błędu.

Obraz całego nieba jest lekko zniekształcony z powodu grawitacyjnego ugięcia światła w polu grawitacyjnym Słońca. Tego rodzaju efekt został zaobserwowany przez satelitę [[Europejska Agencja Kosmiczna|Europejskiej Agencji Kosmicznej]] [[Hipparcos|Hippatracos]], która wykonała pomiar położenia 10<sup>5</sup> gwiazd. Podczas całej misji zmierzono około 3,5 × 10<sup>6</sup> pozycji względnych, każda typowo z dokładnością 3 milisekund kątowych (dokładność dla wielkości gwiazdowych w przedziale 8-9). Ponieważ odchylenie grawitacyjne prostopadłe do kierunku Ziemia-Słońce wynosi już 4,07 milisekund kątowych, uwzględnienie poprawki wynikającej z grawitacyjnego ugięcia światła jest konieczne dla praktycznie wszystkich gwiazd.

Rozpoczęta w roku 2013 misja sondy kosmicznej [[Gaia (sonda kosmiczna)|Gaia]] ma na celu wykonie spisu miliarda gwiazd [[Droga Mleczna|Drogi Mlecznej]], a także zmierzenie ich pozycji z dokładnością 24 mikrosekund kątowych. Tym samym dostarczy to nowych dowodów zgodności grawitacyjnego ugięcia światła w polu grawitacyjnym [[Słońce|Słońca]] z przewidywaniami ogólnej teorii względności<ref>{{Cytuj stronę |url=http://www.esa.int/export/esaSC/120377_index_0_m.html |tytuł=Gaia overview |imię= |nazwisko=esa}}</ref>.

=== Opóźnienie sygnału świetlnego ===
[[Irwin I. Shapiro]] zaproponował inny test, spoza grupy klasycznych testów, który mógłby zweryfikować [[ogólna teoria względności|ogólną teorię względności]] w Układzie Słonecznym. Jest on czasami nazywany czwartym „klasycznym” testem ogólnej teorii względności. Test polega na pomiarze opóźnienia sygnału radarowego ([[opóźnienie Shapiro]]) na drodze od źródła do obiektu odbijającego (np. innej planety) i z powrotem<ref>{{Cytuj pismo | nazwisko=Shapiro | imię= I. I. | data= December 28, 1964| tytuł=Fourth test of general relativity| czasopismo=Physical Review Letters| wolumin= 13 | wydanie = 26 | strony=789–791 | doi=10.1103/PhysRevLett.13.789 | bibcode=1964PhRvL..13..789S}}</ref>. Opóźnienie wynikające ze zwykłego zakrzywienia toru w pobliżu Słońca jest zbyt małe aby mogło zostać zmierzone (różnica oczekiwanego czasu w płaskiej i zakrzywionej czasoprzestrzeni spowodowana różną długością toru), jednak na opóźnienie sygnału wpływa również [[dylatacja czasu]] w [[potencjał grawitacyjny|potencjale grawitacyjnym]] Słońca. Wykonane pomiary dla sygnału odbijającego się od Merkurego i Wenus tuż przed i po zaćmieniu zgadzają się z ogólną teorią względności na poziomie 5%<ref>{{Cytuj | data= 3 maja 1971| tytuł=Fourth Test of General Relativity: New Radar Result| czasopismo=Physical Review Letters| wolumin= 26 | numer= 18 | s=1132–1135 | doi=10.1103/PhysRevLett.26.1132 | autor =I. I. Shapiro, Ash M. E., Ingalls R. P., Smith W. B., Campbell D. B., Dyce R. B., Jurgens R. F., Pettengill G. H. | bibcode=1971PhRvL..26.1132S}}</ref>. Podobne pomiary wykonane w ramach misji [[Cassini-Huygens]] dały wynik zgodny z ogólną teorią względności na poziomie 0,002% (według B. Berotttiego)<ref>{{Cytuj pismo |doi=10.1038/nature01997 |tytuł=A test of general relativity using radio links with the Cassini spacecraft |autor= Bertotti B. |autor2= Iess L. |autor3= Tortora P. |czasopismo=Nature |wolumin=425 |wydanie=6956 |strony= 374–376 |data=2003 |url=http://www.nature.com/nature/journal/v425/n6956/full/nature01997.html |pmid=14508481 |bibcode=2003Natur.425..374B}}</ref>. Jednakże szczegółowe analizy<ref>{{Cytuj pismo |doi=10.1016/j.physleta.2007.03.036 |tytuł=Gravimagnetic effect of the barycentric motion of the Sun and determination of the post-Newtonian parameter γ in the Cassini experiment |autor =Kopeikin S.~M. |autor2=Polnarev A.~G. |autor3=Schaefer G. |autor4= Vlasov I.Yu. |czasopismo=Physics Letters A |wolumin=367 |wydanie=4-5 |strony= 276–280 | rok=2007 | url=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2007PhLA..367..276K/abstract | arxiv=gr-qc/0604060 |bibcode=2007PhLA..367..276K}}</ref><ref>{{Cytuj pismo |doi=10.1111/j.1365-2966.2009.15387.x |tytuł=Post-Newtonian limitations on measurement of the PPN parameters caused by motion of gravitating bodies |autor=Kopeikin S.~M. |czasopismo=Monthly Notices of the Royal Astronomical Society |wolumin=399 |wydanie=3 |strony= 1539-1552 |rok=2009 |url=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009MNRAS.399.1539K/abstract |arxiv=0809.3433 |bibcode=2009MNRAS.399.1539K}}</ref> ujawniły, że zmierzona wartość parametru gamma (PPN) jest związana z pewnymi zjawiskami [[grawitomagnetyzm|grawitomagnetycznymi]] wywoływanymi ruchem orbitalnym Słońca wokół [[Środek ciężkości|barycentrum]] Układu Słonecznego. Były one ''implicite'' postulowane przez B. Berottti jako mające czysto ogólno relatywistyczne pochodzenie, ale ich teoretyczna wartość nigdy nie została zweryfikowana eksperymentalnie, co powoduje, że rzeczywista niepewność pomiaru parametru gamma jest większa (o czynnik rzędu 10) niż 0,002% jak twierdzi B. Berottti na łamach ''Nature''.

Zastosowanie interferometrii wielkobazowej pozwoliło na zmierzenie zależnych od prędkości (grawitomagnetycznych) poprawek do opóźnienia Shapiro w polu magnetycznym Jowisza<ref>{{Cytuj pismo | nazwisko=Fomalont |imię= E.B. |data=November 2003 |tytuł= The Measurement of the Light Deflection from Jupiter: Experimental Results |czasopismo=Astrophysical Journal |wolumin=598 |wydanie=1 |strony=704–711 |bibcode=2003ApJ...598..704F | doi=10.1086/378785 |autor2=Kopeikin S.M. |arxiv = astro-ph/0302294}}</ref><ref>{{Cytuj pismo | nazwisko=Kopeikin |imię= S.M. |data=October 2007 |tytuł= Gravimagnetism, causality, and aberration of gravity in the gravitational light-ray deflection experiments |czasopismo=General Relativity and Gravitation |wolumin=39 |wydanie=10 |strony=1583–1624 |bibcode=2007GReGr..39.1583K | doi=10.1007/s10714-007-0483-6 |autor2=Fomalont E.B. |arxiv = gr-qc/0510077}}</ref> i Saturna<ref>{{Cytuj pismo | nazwisko=Fomalont |imię= E.B. |data=January 2010 |tytuł= Recent VLBA/VERA/IVS tests of general relativity |czasopismo=Proceedings of the International Astronomical Union, IAU Symposium |wolumin=261 | wydanie=S261 |strony=291–295 |bibcode=2010IAUS..261..291F | doi=10.1017/S1743921309990536 |autor2 = Kopeikin, S. M. |autor3 = Jones, D. |autor4= Honma, M. |autor5 = Titov, O.|arxiv = 0912.3421}}</ref>.

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Linki zewnętrzne ==
* {{otwarty dostęp}} Rebecca Smethurst, ''[https://www.youtube.com/watch?v=8Sm99OVG5A8 How does Mercury's orbit prove General Relativity?]'' {{lang|en}}, kanał Dr Becky na [[YouTube]], 6 listopada 2019 [dostęp 2024-04-29].

{{Ogólna teoria względności}}

[[Kategoria:Ogólna teoria względności]]
[[Kategoria:Fizyka doświadczalna]]