Общая теория относительности (ОТО), разработанная Эйнштейном в 1915 году, успешно прошла ряд ключевых эмпирических проверок, которые остаются краеугольными камнями валидации любой теории гравитации. Классические тесты включают:
Смещение перигелия Меркурия ОТО предсказывает дополнительное смещение перигелия орбиты Меркурия на 43 угловые секунды за столетие, что полностью согласуется с наблюдениями и не объясняется ньютоновской механикой с учётом возмущений от других планет.
Отклонение света в гравитационном поле Солнца Лучи света, проходящие близко от солнечного лимба, отклоняются на 1,75 угловых секунды, как это было зафиксировано в экспедициях во время солнечных затмений начиная с 1919 года. Этот эффект предсказывается только релятивистскими теориями гравитации.
Гравитационное красное смещение Подтверждено лабораторно (эксперимент Паунда — Ребки) и в астрофизике (в спектрах звёзд), данное явление предсказывает изменение частоты света в гравитационном потенциале.
Задержка сигнала Шапиро Радиоволны, проходящие вблизи массивного тела, испытывают дополнительную задержку во времени. Измерения, проведённые с использованием радиолокации планет и космических аппаратов (например, “Кассини”), подтвердили это предсказание с высокой точностью.
В последние десятилетия методы наблюдений существенно усовершенствовались, что позволило проводить тесты гравитационных теорий с беспрецедентной точностью.
Двухпульсарные системы и замедление времени Изучение двойных нейтронных звёзд, таких как система PSR B1913+16 (пульсар Халса — Тейлора), продемонстрировало потерю энергии, соответствующую излучению гравитационных волн, как предсказывает ОТО. Измерения орбитальных параметров в течение десятилетий подтверждают это предсказание с точностью до долей процента.
Гравитационные волны С 2015 года с помощью детекторов LIGO и VIRGO зарегистрированы десятки событий слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд. Форма сигналов, временная структура, угловое распределение и энергия излучения согласуются с решениями уравнений Эйнштейна и результатами численного моделирования в рамках ОТО.
Космологические наблюдения ОТО лежит в основе ΛCDM-модели, которая успешно описывает данные наблюдений космического микроволнового фона (Planck, WMAP), крупномасштабной структуры Вселенной (SDSS, DES), расширения Вселенной (наблюдения сверхновых Ia), а также слабого и сильного гравитационного линзирования.
Постньютоновские приближения позволяют количественно описывать отклонения от ньютоновской механики в слабом поле. Любая метрическая теория гравитации в этом режиме сводится к набору параметров, таких как:
В рамках ОТО γ = β = 1, все прочие параметры равны нулю. Современные наблюдения (радиоинтерферометрия, измерения на орбитальных зондов) ограничивают возможные отклонения от этих значений на уровне:
Любая новая теория гравитации должна соответствовать этим ограничениям.
На галактических и космологических масштабах наблюдаются эффекты, которые в стандартной модели объясняются введением тёмной материи и тёмной энергии. Однако альтернативные подходы — модифицированные гравитационные теории — пытаются объяснить эти явления без дополнительных компонент.
MOND и его релятивистские обобщения (TeVeS) Воспроизводит плоские кривые вращения галактик без тёмной материи, однако с трудом согласуется с наблюдениями линзирования и космологическими данными.
f(R)-гравитация Даёт интересные модификации в поздней Вселенной, включая ускоренное расширение, но требует дополнительных степеней свободы, таких как скалярные поля. Часть моделей уже исключена по данным кластеров и слабого линзирования.
Скалярно-тензорные теории Вариации постоянной гравитации, предсказания по фону микроволнового излучения и по структуре Вселенной сопоставимы с ОТО + ΛCDM, но требуют настройки скрининговых механизмов (механизм Хамелеона, Вайна, Симметрон).
Массивная гравитация и биметрические теории Позволяют описывать тёмную энергию как следствие наличия массы у гравитона. Поддерживаются теоретически (dRGT модель) и частично совместимы с наблюдениями, однако строго ограничены по данным гравитационных волн (ограничение на скорость гравитации).
Тени чёрных дыр (EHT) Изображение тени чёрной дыры в галактике M87, полученное в 2019 году, совместимо с предсказаниями метрики Керра, полученной из уравнений Эйнштейна. Предельные размеры тени и её форма исключают широкий класс альтернативных решений, включая многие варианты модифицированной гравитации.
Тесты на нейтронных звёздах Данные по радиусам и массам нейтронных звёзд (миссия NICER, гравитационные волны GW170817) позволяют отличать модели плотной материи и косвенно — гравитационные теории, особенно те, в которых возможны отклонения от теоремы об отсутствии волос (no-hair).
Квазинормальные моды и кольца чёрных дыр Детектор LIGO регистрирует звуковую “подпись” слияния чёрных дыр. Частоты и затухания колебаний чётко предсказываются ОТО. Отклонения от этих предсказаний могут указать на новые физические эффекты, включая экзотические остатки и гравитоны с массой.
Атомные часы и GPS Точность синхронизации спутниковых систем глобального позиционирования требует учёта как гравитационного красного смещения, так и замедления времени в движущихся системах. Эти эффекты строго согласуются с ОТО.
Лабораторные эксперименты по проверке закона обратных квадратов На субмиллиметровых расстояниях (опыты группы Э. Адельбергера) исследуются возможные отклонения, связанные с экстраразмерными теориями или скалярными полями. Пока закон Ньютона сохраняется вплоть до 50 микрон с отклонениями менее 10⁻⁵.
Измерения постоянной гравитации G Различные методы (торзионные маятники, интерферометрия, свободное падение) дают немного различающиеся значения G, что может быть связано с систематикой, но также рассматривается как возможный указатель на физику за пределами ОТО.
Сильное линзирование Формирование множественных изображений квазаров и арок в скоплениях галактик позволяет восстанавливать гравитационный потенциал и сравнивать его с распределением светящейся и невидимой массы.
Слабое линзирование Статистическое искажение форм галактик в широкоугольных обзорах (например, KiDS, HSC, Euclid) позволяет восстанавливать карту тёмной материи. Используется для тестирования теорий модифицированной гравитации: разные теории предсказывают разную степень и масштаб зависимости линзирования.
Карта гравитационного потенциала Сопоставление карт по линзированию и по движению галактик позволяет проверять соблюдение равенства потенциалов (Φ = Ψ), что в ОТО выполняется в отсутствие анизотропных напряжений. Отклонения от этого равенства являются важным критерием для альтернативных моделей.
Сверхновые Ia Используются как стандартные свечи для построения зависимости «яркость – красное смещение». Они предоставили первое доказательство ускоренного расширения Вселенной. Современные наблюдения требуют либо наличия тёмной энергии, либо модификации гравитации на больших масштабах.
Барионные акустические осцилляции (BAO) Даёт стандартную линейку в пространстве, позволяя измерять геометрию Вселенной и параметры расширения. Чувствительны к интегральному действию гравитации и позволяют различать, например, f(R)-гравитацию от ΛCDM.
Гравитационно-волновые события как стандартные сирены Источники с известной амплитудой гравитационного сигнала, такие как слияния нейтронных звёзд, могут давать независимую шкалу расстояний. При наличии электромагнитного контрпартнёра они позволяют независимо определять постоянную Хаббла.
Современные данные подвергаются статистическому объединённому анализу в рамках байесовской и частотной парадигм. Для каждой модифицированной теории гравитации строится пространство параметров, которое сужается на основе многомасштабных наблюдений. Используются методы:
Таким образом, современная гравитационная физика представляет собой синтез экспериментальной строгости и теоретического разнообразия, где каждая новая теория должна пройти тщательное сопоставление с разнообразными, точными и независимыми наблюдательными данными.