Отклонения и задержки света

Всем известно, что свет путешествует по прямой линии, но наряду с этой его естественной склонностью, свет может быть отклонен линзами, зеркалами, а также гравитационными полями. Ньютоновская механика предсказывает, что частица, движущаяся со скоростью света лишь слегка касаясь края Солнца будет отклонена на угол в 0.875 секунды дуги. Это означает, что видимый нами образ звезды сместится в сторону от Солнца на данный угол. Рисунок, приведенный ниже, показывает черным цветом ситуацию, когда Солнце располагается не рядом со звездой. Если Солнце почти покрывает звезду, то её образ отклоняется наружу, и выглядит это так, как показано красным. Эта Ньютоновская модель также предсказывает, что гравитационное притяжение Солнца заставит свет вблизи Солнца двигаться быстрее, поэтому, согласно Ньютону, отклоненный свет прбывает перед не отклоненым светом. На рисунке показано, как импульс красного света прибывает перед импульсом серного цвета. Разумеется, очень трудно измерить время путешествия света звезды, а отклонение света звезды можно измерить лишь в ходе полного солнечного затмения. На самом деле угол отклонения черезвычайно мал, и на рисунке он был увеличен для ясности изображения в приблизительно 10,000 раз.

До создания Эйнштейном полной Общей теории относительности он также [предсказал] в 1913 году отклонение на 0.875 угловые секунды, и просил астрономов проверить результат. Однако Первая Мировая Война помешала этому, а в период войны Эйнштейн изменил свое предсказание на 1.75 угловых секунды, что составляет два Ньютоновских отклонения. Окончательное предсказание Эйнштейна на приведенном выше рисунке показано зеленым цветом. Экспедиция к месту солнечного затмения в 1919г [измерила] это большее значение для отклонения. В настоящее вреся отклонение "света" измерено наилучшим образом с использованием радиоастрономии, поскольку радиоволны можно измерять в течение дня, не ожидая солнечного затмения. [Lebach с соавт. (1995, PRL, 75, 1439)] обнаружил отклонение составляющее долю 0.9998 ± 0.0008 от предсказания Эйнштейна. Это соответствует Эйнштейну в пределах 0.3 стандартных отклонений, и отличается от отклонения по Ньютону на 600 стандартных отклонений.

Эйнштейн предсказывает, что свет будет замедляться, а не ускоряться при прохождении вблизи Солнца. Заметьте, что на приведенном выше рисунке зеленый импульс света прибывает после черного импульса света. Этот эффект тесно связан с отклонением звездного света. Поскольку интервалы времени могут быть измерены с гораздо более высокой точностью, чем углы в одну секунду дуги, то наивысшая точность для данного эфекта сегодня достигается измерением временной задержки, а не угла. Чтобы измерить временную задержку необходим космический аппарат, располагающийся за Солнцем на месте звезды. Впервые это было осуществлено Ирвином Шапиро (Irwin Shapiro) [(Shapiro с соавт. 1977, JGR, 82, 4329)], а недавно это сделал [Bertotti, Iess & Tortora (2003, Nature, 425, 374-376)]. Современный результат составляет 1.00001 ± 0.000012 от предсказания общей теории относительности, или -2.000021 ± 0.000023 от предсказаний Ньютона. Таким образом, наблюдения замедления согласуются с Эйнштейном в пределах 0.9 стандартных отклонений, и отличаются на 130,000 стандартных отклонений от предсказаний Ньютона.

В совершенно прямом смысле, замедление, испытываемое светом при прохождении массивных объектов, ответственно за отклонение света. Приведенный ниже рисунок показывает пучок лучей, проходящий мимо Солнца на различных расстояниях. Лучи всегда перпендикулярны волновому фронту, который отмечен группой точек с постоянным временем путешествия от звезды. Чтобы изогнуть свет вокруг звезды неоходимо задержать волновой фронт вблизи звезды.

Другим способом задержки волнового фронта света является пропускание света сквозь стекло, например в линзе или призме. Отклонение и задержка света, вызываемые массивными объектами называют гравитационным линзированием.