Эмпирические доказательства ОТО

В настоящее время ОТО – успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Такими наблюдениями стали три гравитационные эффекта, перечисленных ниже:

 

1) Объяснение аномальной прецессии перигелия Меркурия – дополнительный сдвиг орбиты планеты по сравнению с расчетами на основе механики Ньютона (связано с искривлением пространства).

 

 

2) В 1919 году наблюдалось отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца при полном солнечном затмении (видимые положения звезд изменяются вблизи Солнца из-за искривления пространства в точном соответствии с предсказаниями ОТО).

 

 

3) Гравитационное красное смещение: уменьшение частоты света (связано с замедлением времени в гравитационном поле).

Было обнаружено в спектрах звёзд и подтверждено экспериментами в земных условиях.

 

Существуют и другие физические эффекты, доказывающие справедливость ОТО:

запаздывание электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера (эффект Шапиро),

прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела (эффект Лензе-Тирринга),

астрофизические подтверждения существования чёрных дыр.

 

В заключение сделаем принципиальное замечание.

 

Согласно принципу соответствия, сформулированного Бором, теория относительности не отвергает классическую физику, а включает ее как предельный случай: релятивистская механика при малых скоростях (v << с) и гравитационных полях малой интенсивности переходит в классическую механику Ньютона.

 

 

Квантовая механика.

На рубеже 19-20 веков физики столкнулись с явлениями и закономерностями, необъяснимыми с позиции классических представлений: закономерности распределения энергии излучения по частотам;явление фотоэффекта;спектры излучения химических элементов.

 

Впервые квантовые представления были введены физику в 1900 году в работе Планка «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре». При исследовании спектров излучения абсолютно чёрного тела выяснилось, что распределение энергии по частотам находятся в противоречии с существующими теориями.

Разрешил противоречие Планк, предположивший, что излучение и поглощение телами энергии Е происходит квантами (порциями), величина которых пропорциональна частоте волны ν:

Е = h·ν        

 

где h – постоянная Планка: h = 6,62606·10⁻³⁴ Дж·с.

 

Одним из первых принял гипотезу о квантах Эйнштейн, дополнительно выдвинув предположение, что квантование относится не только к поглощению и излучению, но является свойством самого света, т.е. электромагнитные волны распространяются в виде квантов (впоследствии кванты получили название фотонов).

В 1905 году Эйнштейн использовал квантовую гипотезу для объяснения явления фотоэффекта. Начиная с 1839 года, это явление в различных процессах наблюдали Беккерель, Смит, Герц. А в 1890 году его систематически изучил Столетов, установивший законы внешнего фотоэффекта. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием излучений.

 

 

Для исследований Столетов использовал установку, позволявшую из света брать узкий диапазон частот и направлять его на катод внутри вакуумного прибора. С фотокатода под действием излучения эмитировались электроны. Измерение силы тока позволяло судить о количественных характеристиках фотоэффекта.

 

Законы Столетова:

1. При неизменной частоте излучений фототок насыщения пропорционален величине светового потока (освещенности катода).

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует красная граница, т.е. минимальная частота света ν, ниже которой фотоэффект невозможен.

 

  Объясняя закономерности фотоэффекта в рамках квантовой теории, Эйнштейн представил свет в качестве частиц, обладающих энергией h·ν, которую они передают электронам, находящимся в поверхностной зоне фотокатода. Чтобы покинуть эту зону, электрону необходимо преодолеть энергетический барьер, равный совершению работы выхода Ав по удалению электрона из вещества.

 

 

Используя закон сохранения энергии, Эйнштейн вывел формулу для фотоэффекта:

 

Ек = h·ν = Ав + m·υ²/2        

 

т.е. энергия падающего на катод фотона Ек идет на совершение работы выхода электрона из вещества Ав и на сообщение электрону кинетической энергии mυ²/2

 

Из формулы следует существование красной границы фотоэффекта – наименьшей частоты, ниже которой энергии кванта уже недостаточно для «выбивания» электрона из металла: это имеет место при Ек < Ав. Красная граница зависит от химической природы вещества и состояния поверхности фотокатода.