Teoria względności Einsteina okazała się błędna

SRT, TOE - pod tymi skrótami kryje się znany termin „teoria względności”, który jest znany prawie każdemu. Prostym językiem wszystko da się wytłumaczyć, nawet stwierdzenie geniusza, więc nie rozpaczaj, jeśli nie pamiętasz szkolnego kursu fizyki, bo tak naprawdę wszystko jest znacznie prostsze, niż się wydaje.

Geneza teorii

Zacznijmy więc kurs „Teoria względności dla opornych”. Albert Einstein opublikował swoją pracę w 1905 roku, co wywołało poruszenie wśród naukowców. Teoria ta niemal całkowicie zakryła wiele luk i niespójności w fizyce ubiegłego stulecia, ale przede wszystkim zrewolucjonizowała ideę przestrzeni i czasu. Wiele stwierdzeń Einsteina było trudnych do uwierzenia jego współczesnym, ale eksperymenty i badania jedynie potwierdziły słowa wielkiego naukowca.

Teoria względności Einsteina w prosty sposób wyjaśniła, z czym ludzie zmagali się od wieków. Można to nazwać podstawą całej współczesnej fizyki. Zanim jednak będziemy kontynuować dyskusję na temat teorii względności, należy doprecyzować kwestię terminów. Z pewnością wielu czytając artykuły popularnonaukowe zetknęło się z dwoma skrótami: SRT i GTO. W rzeczywistości mają na myśli kilka różne koncepcje. Pierwszy jest specjalna teoria teoria względności, a druga oznacza „ogólną teorię względności”.

Po prostu coś skomplikowanego

STR to starsza teoria, która później stała się częścią GTR. Może tylko rozważyć procesy fizyczne dla obiektów poruszających się ze stałą prędkością. Ogólna teoria może opisać, co dzieje się z przyspieszającymi obiektami, a także wyjaśnić, dlaczego istnieją cząstki grawitonowe i grawitacja.

Jeśli chcesz opisać ruch, a także związek przestrzeni i czasu przy zbliżaniu się do prędkości światła, może to zrobić szczególna teoria względności. W prostych słowach można to wyjaśnić w następujący sposób: na przykład przyjaciele z przyszłości podarowali ci statek kosmiczny, który może latać z dużą prędkością. Na nosie statku kosmicznego znajduje się działo zdolne strzelać fotonami we wszystko, co pojawia się z przodu.

Kiedy padnie strzał, cząstki te lecą względem statku z prędkością światła, ale logicznie rzecz biorąc, nieruchomy obserwator powinien zobaczyć sumę dwóch prędkości (samych fotonów i statku). Ale nic takiego. Obserwator zobaczy fotony poruszające się z prędkością 300 000 m/s, tak jakby prędkość statku wynosiła zero.

Rzecz w tym, że niezależnie od tego, jak szybko porusza się obiekt, prędkość światła dla niego jest wartością stałą.

To stwierdzenie jest zasadniczo zdumiewające logiczne wnioski jak spowalnianie i zniekształcanie czasu w zależności od masy i prędkości obiektu. Na tym opierają się wątki wielu filmów science fiction i seriali telewizyjnych.

Ogólna teoria względności

Prostym językiem można wyjaśnić obszerniejszą ogólną teorię względności. Na początek powinniśmy wziąć pod uwagę fakt, że nasza przestrzeń jest czterowymiarowa. Czas i przestrzeń są zjednoczone w takim „podmiocie”, jak „kontinuum czasoprzestrzenne”. W naszej przestrzeni istnieją cztery osie współrzędnych: x, y, z i t.

Ale ludzie nie mogą bezpośrednio postrzegać czterech wymiarów, tak jak hipotetyczna płaska osoba żyjąca w dwuwymiarowym świecie nie może spojrzeć w górę. W rzeczywistości nasz świat jest jedynie projekcją przestrzeni czterowymiarowej na przestrzeń trójwymiarową.

Ciekawostką jest to, że zgodnie z ogólną teorią względności ciała nie zmieniają się podczas ruchu. Obiekty czterowymiarowego świata tak naprawdę pozostają zawsze niezmienione, a kiedy się poruszają, zmieniają się jedynie ich projekcje, co odbieramy jako zniekształcenie czasu, zmniejszenie lub zwiększenie rozmiaru i tak dalej.

Eksperyment z windą

Teorię względności można wyjaśnić w prosty sposób za pomocą małego eksperymentu myślowego. Wyobraź sobie, że jesteś w windzie. Kabina zaczęła się poruszać, a ty znalazłeś się w stanie nieważkości. Co się stało? Powody mogą być dwie: albo winda znajduje się w kosmosie, albo spada swobodnie pod wpływem grawitacji planety. Najciekawsze jest to, że nie da się znaleźć przyczyny nieważkości, jeśli nie można wyjrzeć z kabiny windy, czyli oba procesy wyglądają tak samo.

Być może Albert Einstein po przeprowadzeniu podobnego eksperymentu myślowego doszedł do wniosku, że jeśli te dwie sytuacje są od siebie nie do odróżnienia, to tak naprawdę ciało pod wpływem grawitacji nie ulega przyspieszeniu, jest to ruch jednostajny, który zakrzywia się pod wpływem siły grawitacji. wpływ masywnego ciała (w w tym przypadku planety). Zatem ruch przyspieszony jest jedynie rzutem ruchu jednostajnego na przestrzeń trójwymiarową.

Dobry przykład

Inny dobry przykład na temat „Teoria względności dla manekinów”. Nie jest to do końca poprawne, ale jest bardzo proste i jasne. Jeśli położysz jakikolwiek przedmiot na rozciągniętym materiale, utworzy się pod nim „odchylenie” lub „lejek”. Wszystkie mniejsze ciała będą zmuszone zniekształcić swoją trajektorię zgodnie z nowym zakrętem przestrzeni, a jeśli ciało będzie miało mało energii, może w ogóle nie pokonać tego lejka. Jednak z punktu widzenia samego poruszającego się obiektu trajektoria pozostaje prosta; nie odczują zakrzywienia przestrzeni.

Grawitacja „zdegradowana”

Wraz z pojawieniem się ogólnej teorii względności grawitacja przestała być siłą i zadowala się prostą konsekwencją krzywizny czasu i przestrzeni. Ogólna teoria względności może wydawać się fantastyczna, ale jest to wersja działająca i potwierdzona eksperymentami.

Teoria względności może wyjaśnić wiele pozornie niesamowitych rzeczy w naszym świecie. W uproszczeniu takie rzeczy nazywane są konsekwencjami ogólnej teorii względności. Na przykład promienie światła lecące w pobliżu masywnych ciał są załamywane. Co więcej, wiele obiektów z kosmosu jest ukrytych jeden za drugim, ale dzięki temu, że promienie światła załamują się wokół innych ciał, pozornie niewidoczne obiekty stają się dostępne dla naszych oczu (a dokładniej dla oczu teleskopu). To jak patrzenie przez ściany.

Im większa grawitacja, tym wolniej czas płynie na powierzchni obiektu. Nie dotyczy to tylko masywnych ciał, takich jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Efekt dylatacji czasu można zaobserwować nawet na Ziemi. Na przykład urządzenia nawigacji satelitarnej są wyposażone w bardzo dokładne zegary atomowe. Znajdują się one na orbicie naszej planety, a czas płynie tam nieco szybciej. Setne sekundy w ciągu dnia dają liczbę, która powoduje błąd do 10 km w obliczeniach trasy na Ziemi. To teoria względności pozwala nam obliczyć ten błąd.

W uproszczeniu można to ująć tak: ogólna teoria względności leży u podstaw wielu nowoczesnych technologii, a dzięki Einsteinowi z łatwością możemy odnaleźć pizzerię i bibliotekę w nieznanym nam terenie.

materiał z książki „Krótka historia czasu” Stephena Hawkinga i Leonarda Mlodinowa

Względność

Podstawowy postulat Einsteina, zwany zasadą względności, stwierdza, że ​​wszystkie prawa fizyki muszą być takie same dla wszystkich swobodnie poruszających się obserwatorów, niezależnie od ich prędkości. Jeśli prędkość światła jest stała, to każdy swobodnie poruszający się obserwator powinien odnotować tę samą wartość niezależnie od prędkości, z jaką zbliża się lub oddala od źródła światła.

Wymóg, aby wszyscy obserwatorzy byli zgodni co do prędkości światła, wymusza zmianę koncepcji czasu. Zgodnie z teorią względności obserwator podróżujący pociągiem i obserwator stojący na peronie będą różnić się w ocenie odległości, jaką przebyło światło. A ponieważ prędkość to odległość podzielona przez czas, obserwatorzy mogą zgodzić się co do prędkości światła tylko wtedy, gdy nie zgadzają się również co do czasu. Innymi słowy, teoria względności położyła kres idei czasu absolutnego! Okazało się, że każdy obserwator musi mieć swoją miarę czasu i że identyczne zegary dla różnych obserwatorów niekoniecznie będą pokazywać ten sam czas.

Kiedy mówimy, że przestrzeń ma trzy wymiary, mamy na myśli, że położenie w niej punktu można określić za pomocą trzech liczb – współrzędnych. Jeśli do naszego opisu wprowadzimy czas, otrzymamy czterowymiarową czasoprzestrzeń.

Inną dobrze znaną konsekwencją teorii względności jest równoważność masy i energii, wyrażona słynnym równaniem Einsteina E = mс 2 (gdzie E to energia, m to masa ciała, c to prędkość światła). Ze względu na równoważność energii i masy, energia kinetyczna, która przedmiot materialny posiada, w wyniku swojego ruchu, zwiększa swoją masę. Innymi słowy, obiekt staje się trudniejszy do przyspieszenia.

Efekt ten jest istotny tylko dla ciał poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Przykładowo przy prędkości równej 10% prędkości światła masa ciała będzie tylko o 0,5% większa niż w spoczynku, ale przy prędkości równej 90% prędkości światła masa będzie ponad dwukrotnie większa ten normalny. W miarę zbliżania się do prędkości światła masa ciała rośnie coraz szybciej, tak że do jego przyspieszenia potrzeba coraz więcej energii. Zgodnie z teorią względności obiekt nigdy nie osiągnie prędkości światła, ponieważ w tym przypadku jego masa stałaby się nieskończona, a ze względu na równoważność masy i energii potrzebna byłaby do tego nieskończona energia. Właśnie dlatego teoria względności na zawsze potępia każde zwykłe ciało poruszające się z prędkością mniejszą niż prędkość światła. Tylko światło lub inne fale, które nie mają własnej masy, mogą poruszać się z prędkością światła.

Wypaczona przestrzeń

Ogólna teoria względności Einsteina opiera się na rewolucyjnym założeniu, że grawitacja nie jest zwykłą siłą, ale konsekwencją faktu, że czasoprzestrzeń nie jest płaska, jak wcześniej sądzono. W ogólnej teorii względności czasoprzestrzeń jest zakrzywiona pod wpływem umieszczonej w niej masy i energii. Ciała takie jak Ziemia poruszają się po zakrzywionych orbitach, nie pod wpływem siły zwanej grawitacją.

Ponieważ linia geodezyjna jest najkrótsza linia pomiędzy dwoma lotniskami nawigatorzy kierują samoloty dokładnie tymi trasami. Można na przykład śledzić wskazania kompasu i przelecieć 5966 kilometrów z Nowego Jorku do Madrytu, niemal dokładnie na wschód, wzdłuż równoleżnika geograficznego. Ale jeśli polecisz, będziesz musiał pokonać tylko 5802 km duże koło, najpierw na północny wschód, a następnie stopniowo skręcając na wschód, a następnie na południowy wschód. Widok tych dwóch tras na mapie, gdzie powierzchnia ziemi zniekształcony (przedstawiony płasko), zwodniczy. Poruszając się „na wprost” na wschód z jednego punktu do drugiego na powierzchni globu, tak naprawdę nie poruszamy się po linii prostej, a raczej nie po najkrótszej linii geodezyjnej.

Jeśli trajektoria statku kosmicznego poruszającego się po linii prostej w przestrzeni zostanie rzucona na dwuwymiarową powierzchnię Ziemi, okaże się, że jest ona zakrzywiona.

Według ogólnej teorii względności pola grawitacyjne powinny załamywać światło. Na przykład teoria przewiduje, że w pobliżu Słońca promienie światła powinny lekko uginać się w jego stronę pod wpływem masy gwiazdy. Oznacza to, że światło odległej gwiazdy, jeśli zdarzy się, że przejdzie w pobliżu Słońca, będzie odchylać się o niewielki kąt, dlatego obserwator na Ziemi zobaczy gwiazdę nie dokładnie tam, gdzie się ona faktycznie znajduje.

Przypomnijmy, że zgodnie z podstawowym postulatem szczególnej teorii względności wszystkie prawa fizyczne są takie same dla wszystkich swobodnie poruszających się obserwatorów, niezależnie od ich prędkości. Z grubsza rzecz biorąc, zasada równoważności rozciąga tę regułę na tych obserwatorów, którzy poruszają się nie swobodnie, ale pod wpływem pola grawitacyjnego.

W wystarczająco małych obszarach przestrzeni nie można ocenić, czy znajdujesz się w spoczynku w polu grawitacyjnym, czy poruszasz się ze stałym przyspieszeniem w pustej przestrzeni.

Wyobraź sobie, że jesteś w windzie pośrodku pustej przestrzeni. Nie ma grawitacji, nie ma „góry” i „dół”. Płyniesz swobodnie. Następnie winda zaczyna poruszać się ze stałym przyspieszeniem. Nagle czujesz wagę. Oznacza to, że jesteś dociśnięty do jednej ze ścian windy, która jest teraz postrzegana jako podłoga. Jeśli podniesiesz jabłko i puścisz je, spadnie ono na podłogę. Tak naprawdę teraz, gdy poruszasz się z przyspieszeniem, wszystko w windzie będzie się działo dokładnie tak samo, jakby winda w ogóle się nie poruszała, ale znajdowała się w jednolitym polu grawitacyjnym. Einstein zdał sobie sprawę, że tak jak w wagonie kolejowym nie można stwierdzić, czy stoi on w miejscu, czy porusza się ruchem jednostajnym, tak będąc w windzie nie można stwierdzić, czy porusza się on ze stałym przyspieszeniem, czy też porusza się ruchem jednostajnym. Wynikiem tego zrozumienia była zasada równoważności.

Zasada równoważności i podany przykład jej przejawu będzie obowiązywać tylko wtedy, gdy masa bezwładności (zawarta w drugim prawie Newtona, które określa, jakie przyspieszenie nadaje ciału siła przyłożona do ciała) i masa grawitacyjna (zawarta w prawie Newtona grawitacji, która określa wielkość przyciągania grawitacyjnego) są takie same.

Wykorzystanie przez Einsteina równoważności mas bezwładności i grawitacji do wyprowadzenia zasady równoważności i ostatecznie całej ogólnej teorii względności jest przykładem ciągłego i konsekwentnego rozwoju logicznych wniosków niespotykanych w historii ludzkiej myśli.

Dylatacja czasu

Innym przewidywaniem ogólnej teorii względności jest to, że czas powinien zwalniać w pobliżu masywnych ciał takich jak Ziemia.

Teraz, gdy znamy zasadę równoważności, możemy podążać za myśleniem Einsteina, przeprowadzając kolejny eksperyment myślowy, który pokazuje, dlaczego grawitacja wpływa na czas. Wyobraź sobie rakietę lecącą w kosmos. Dla wygody założymy, że jego ciało jest tak duże, że światło przechodzi przez nie z góry na dół w ciągu całej sekundy. Na koniec załóżmy, że w rakiecie znajduje się dwóch obserwatorów: jeden na górze, pod sufitem, drugi na dole, na podłodze i obaj są wyposażeni w ten sam zegar odliczający sekundy.

Załóżmy, że górny obserwator, czekając, aż jego zegar odliczy, natychmiast wysyła sygnał świetlny do dolnego. Przy następnym odliczeniu wysyła drugi sygnał. Zgodnie z naszymi warunkami, dotarcie każdego sygnału do niższego obserwatora zajmie jedną sekundę. Ponieważ górny obserwator wysyła dwa sygnały świetlne w odstępie jednej sekundy, dolny obserwator również zarejestruje je w tym samym odstępie.

Co by się zmieniło, gdyby w tym eksperymencie rakieta zamiast swobodnie unosić się w przestrzeni, stała na Ziemi i doświadczała działania grawitacji? Według teorii Newtona grawitacja nie będzie miała żadnego wpływu na stan rzeczy: jeśli obserwator powyżej prześle sygnały w odstępie sekundy, to obserwator poniżej odbierze je w tym samym odstępie. Ale zasada równoważności przewiduje inny rozwój wydarzeń. Które zrozumiemy, jeśli zgodnie z zasadą równoważności zastąpimy w myślach działanie grawitacji stałym przyspieszeniem. To jeden z przykładów wykorzystania zasady równoważności przez Einsteina do stworzenia nowej teorii grawitacji.

Powiedzmy, że nasza rakieta przyspiesza. (Założymy, że przyspiesza powoli, więc jego prędkość nie zbliża się do prędkości światła.) Ponieważ korpus rakiety porusza się w górę, pierwszy sygnał będzie musiał pokonać mniejszą odległość niż poprzednio (zanim rozpocznie się przyspieszanie), i dotrze do dolnego obserwatora wcześniej niż w sekundzie. Gdyby rakieta poruszała się ze stałą prędkością, drugi sygnał dotarłby dokładnie tak samo wcześniej, tak że odstęp między sygnałami pozostałby równy jednej sekundzie. Jednak w momencie wysłania drugiego sygnału, ze względu na przyspieszenie, rakieta porusza się szybciej niż w momencie wysłania pierwszego, zatem drugi sygnał przebędzie krótszą drogę niż pierwszy i zajmie jeszcze mniej czasu. Obserwator poniżej, patrząc na zegarek, odnotuje, że odstęp między sygnałami jest krótszy niż jedna sekunda i nie zgodzi się z obserwatorem powyżej, który twierdzi, że wysłał sygnały dokładnie sekundę później.

W przypadku przyspieszającej rakiety efekt ten nie powinien chyba szczególnie dziwić. W końcu właśnie to wyjaśniliśmy! Ale pamiętaj: zasada równoważności mówi, że to samo dzieje się, gdy rakieta znajduje się w polu grawitacyjnym. W rezultacie, nawet jeśli rakieta nie przyspiesza, ale np. stoi na platformie startowej na powierzchni Ziemi, sygnały wysyłane przez górnego obserwatora w odstępie sekundy (wg jego zegarka) dotrą do dolny obserwator z mniejszym interwałem (według jego zegarka). To jest naprawdę niesamowite!

Grawitacja zmienia bieg czasu. Tak jak szczególna teoria względności mówi nam, że czas płynie inaczej w przypadku obserwatorów poruszających się względem siebie, tak ogólna teoria względności mówi nam, że czas płynie inaczej w przypadku obserwatorów w różnych polach grawitacyjnych. Zgodnie z ogólną teorią względności niższy obserwator rejestruje krótsze odstępy między sygnałami, ponieważ czas na powierzchni Ziemi płynie wolniej, ponieważ grawitacja jest tam silniejsza. Im silniejsze pole grawitacyjne, tym większy jest ten efekt.

Nasz zegar biologiczny reaguje również na zmiany wynikające z upływu czasu. Jeśli jeden bliźniak mieszka na szczycie góry, a drugi nad morzem, pierwszy będzie się starzeć szybciej niż drugi. W tym przypadku różnica wieku będzie znikoma, ale znacznie się zwiększy, gdy tylko jeden z bliźniaków wyruszy w daleką podróż statkiem kosmicznym rozpędzającym się do prędkości światła. Kiedy wędrowiec powróci, będzie znacznie młodszy od swojego brata pozostawionego na Ziemi. Sprawa ta znana jest jako paradoks bliźniaków, ale jest to paradoks tylko dla tych, którzy trzymają się idei czasu absolutnego. W teorii względności nie ma jednoznacznego czasu absolutnego – każdy człowiek ma swoją miarę czasu, która zależy od tego, gdzie się znajduje i jak się porusza.

Wraz z pojawieniem się ultraprecyzyjnych systemów nawigacji odbierających sygnały z satelitów, różnica w częstotliwościach zegara na różnych wysokościach nabrała praktycznego znaczenia. Gdyby sprzęt zignorował przewidywania ogólnej teorii względności, błąd w określeniu lokalizacji mógłby sięgać kilku kilometrów!

Pojawienie się ogólnej teorii względności radykalnie zmieniło sytuację. Przestrzeń i czas uzyskały status bytów dynamicznych. Kiedy ciała się poruszają lub działają siły, powodują one zakrzywienie przestrzeni i czasu, a struktura czasoprzestrzeni z kolei wpływa na ruch ciał i działanie sił. Przestrzeń i czas nie tylko wpływają na wszystko, co dzieje się we Wszechświecie, ale same od tego wszystkiego zależą.

Wyobraźmy sobie nieustraszonego astronautę, który pozostaje na powierzchni zapadającej się gwiazdy podczas katastrofalnego skurczu. W pewnym momencie, według jego zegarka, powiedzmy o godzinie 11:00, gwiazda skurczy się do promienia krytycznego, powyżej którego pole grawitacyjne nasila się tak bardzo, że nie da się od niego uciec. Załóżmy teraz, że zgodnie z instrukcją astronauta musi co sekundę wysyłać sygnał na swoim zegarku do statku kosmicznego znajdującego się na orbicie w określonej odległości od środka gwiazdy. Rozpoczyna nadawanie sygnałów o godzinie 10:59:58, czyli dwie sekundy przed godziną 11:00. Co załoga zarejestruje na pokładzie statku kosmicznego?

Wcześniej, po przeprowadzeniu eksperymentu myślowego z transmisją sygnałów świetlnych wewnątrz rakiety, byliśmy przekonani, że grawitacja spowalnia czas i im jest silniejsza, tym efekt jest bardziej znaczący. Astronauta na powierzchni gwiazdy znajduje się w silniejszym polu grawitacyjnym niż jego koledzy na orbicie, więc jedna sekunda na jego zegarku będzie trwać dłużej niż sekunda na zegarze statku. W miarę jak astronauta porusza się powierzchnią w kierunku środka gwiazdy, działające na niego pole staje się coraz silniejsze, przez co odstępy pomiędzy jego sygnałami odbieranymi na pokładzie statku kosmicznego stale się wydłużają. To wydłużenie czasu będzie bardzo niewielkie aż do 10:59:59, tak więc dla astronautów na orbicie odstęp między sygnałami przesłanymi o 10:59:58 a 10:59:59 będzie niewiele dłuższy niż sekunda. Jednak sygnał wysłany o godzinie 11:00 nie będzie już odbierany na statku.

Wszystko, co wydarzy się na powierzchni gwiazdy pomiędzy godziną 10:59:59 a 11:00 na zegarze astronauty, rozciągnie się na nieskończony okres czasu na zegarze statku kosmicznego. W miarę zbliżania się godziny 11:00 odstępy pomiędzy pojawieniem się na orbicie kolejnych grzbietów i dolin fal świetlnych emitowanych przez gwiazdę będą coraz dłuższe; to samo stanie się z odstępami czasowymi pomiędzy sygnałami astronauty. Ponieważ częstotliwość promieniowania zależy od liczby grzbietów (lub dolin) pojawiających się na sekundę, sonda będzie rejestrować coraz niższe częstotliwości promieniowania gwiazdy. Światło gwiazdy będzie coraz bardziej czerwone i jednocześnie zaniknie. W końcu gwiazda stanie się tak słaba, że ​​stanie się niewidoczna dla obserwatorów na statku kosmicznym; wszystko, co pozostanie, to czarna dziura w kosmosie. Jednak wpływ grawitacji gwiazd na statek kosmiczny pozostanie i będzie nadal krążyć po orbicie.

Mówią, że Albert Einstein doznał objawienia w jednej chwili. Naukowiec rzekomo jechał tramwajem w Bernie (Szwajcaria), spojrzał na zegar uliczny i nagle zdał sobie sprawę, że jeśli teraz tramwaj przyspieszy do prędkości światła, to w jego odczuciu zegar się zatrzyma - i nie będzie już czasu. To doprowadziło go do sformułowania jednego z głównych postulatów teorii względności - że różni obserwatorzy postrzegają rzeczywistość w różny sposób, w tym tak podstawowe wielkości, jak odległość i czas.

Naukowo rzecz biorąc, tego dnia Einstein zdał sobie sprawę, że opis każdego zdarzenia lub zjawiska fizycznego zależy od systemy referencyjne, w którym znajduje się obserwator. Jeśli np. pasażerka tramwaju upuści okulary, to dla niej spadną one pionowo w dół, a dla pieszego stojącego na ulicy okulary spadną po paraboli, ponieważ tramwaj jedzie, podczas gdy okulary spadają. Każdy ma swój własny punkt odniesienia.

Ale chociaż opisy wydarzeń zmieniają się w miarę przechodzenia z jednego układu odniesienia do drugiego, istnieją również rzeczy uniwersalne, które pozostają niezmienione. Jeśli zamiast opisywać upadek okularów zadamy pytanie o prawo natury powodujące ich upadek, to odpowiedź na to pytanie będzie taka sama dla obserwatora w stacjonarnym układzie współrzędnych i dla obserwatora w ruchomym układzie współrzędnych system. Prawo rozproszonego ruchu obowiązuje w równym stopniu na ulicy, jak i w tramwaju. Innymi słowy, o ile opis zdarzeń zależy od obserwatora, o tyle prawa natury od niego nie zależą, czyli jak się powszechnie mówi w języku naukowym, są one niezmienny. O to w tym wszystkim chodzi zasada względności.

Jak każdą hipotezę, zasadę względności należało sprawdzić, porównując ją z rzeczywistymi zjawiskami naturalnymi. Z zasady względności Einstein wyprowadził dwie odrębne (aczkolwiek powiązane) teorie. Szczególna lub szczególna teoria względności wychodzi z założenia, że ​​prawa natury są takie same dla wszystkich układów odniesienia poruszających się ze stałą prędkością. Ogólna teoria względności rozszerza tę zasadę na dowolny układ odniesienia, w tym te, które poruszają się z przyspieszeniem. Szczególna teoria względności została opublikowana w 1905 r., a bardziej złożona matematycznie ogólna teoria względności została ukończona przez Einsteina w 1916 r.

Szczególna teoria względności

Większość paradoksalnych i sprzecznych z intuicją efektów, które powstają podczas poruszania się z prędkościami bliskimi prędkości światła, przewiduje szczególna teoria względności. Najbardziej znanym z nich jest efekt spowolnienia zegara, czyli efekt dylatacji czasu. Zegar poruszający się względem obserwatora jedzie dla niego wolniej niż dokładnie ten sam zegar w jego rękach.

Czas w układzie współrzędnych poruszający się z prędkościami bliskimi prędkości światła względem obserwatora ulega rozciągnięciu, natomiast rozciągłość przestrzenna (długość) obiektów wzdłuż osi kierunku ruchu – odwrotnie – zostaje skompresowana. Efekt ten, tzw Skrócenie Lorentza-Fitzgeralda, został opisany w 1889 roku przez irlandzkiego fizyka George'a Fitzgeralda (1851-1901) i rozszerzony w 1892 roku przez Holendra Hendricka Lorentza (1853-1928). Redukcja Lorentza-Fitzgeralda wyjaśnia, dlaczego eksperyment Michelsona-Morleya mający na celu określenie prędkości Ziemi w przestrzeni kosmicznej poprzez pomiar „wiatru eterycznego” dał wynik negatywny. Einstein włączył później te równania do szczególnej teorii względności i uzupełnił je podobnym wzorem na przeliczenie masy, zgodnie z którym masa ciała rośnie także w miarę zbliżania się prędkości ciała do prędkości światła. Zatem przy prędkości 260 000 km/s (87% prędkości światła) masa obiektu z punktu widzenia obserwatora znajdującego się w spoczynkowym układzie odniesienia podwoi się.

Od czasów Einsteina wszystkie te przewidywania, niezależnie od tego, jak sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem mogą się wydawać, znalazły pełne i bezpośrednie potwierdzenie eksperymentalne. W jednym z najbardziej odkrywczych eksperymentów naukowcy z Uniwersytetu Michigan umieścili ultraprecyzyjne zegary atomowe na pokładzie samolotu pasażerskiego wykonującego regularne loty transatlantyckie i po każdym powrocie na macierzyste lotnisko porównywali swoje odczyty z zegarem kontrolnym. Okazało się, że zegar w samolocie stopniowo coraz bardziej opóźniał się w stosunku do zegara sterującego (że tak powiem, jeśli mówimy o ułamkach sekundy). Przez ostatnie pół wieku naukowcy badali cząstki elementarne przy użyciu ogromnych kompleksów sprzętowych zwanych akceleratorami. W nich wiązki naładowanych cząstek subatomowych (takich jak protony i elektrony) są przyspieszane do prędkości bliskich prędkości światła, a następnie wystrzeliwane w różne cele nuklearne. W takich eksperymentach na akceleratorach należy wziąć pod uwagę wzrost masy przyspieszanych cząstek - w przeciwnym razie wyniki eksperymentu po prostu nie będą poddawać się rozsądnej interpretacji. I w tym sensie szczególna teoria względności już dawno przeszła z kategorii teorii hipotetycznych do dziedziny stosowanych narzędzi inżynierskich, gdzie jest stosowana na równi z prawami mechaniki Newtona.

Wracając do praw Newtona, chciałbym szczególnie zauważyć, że szczególna teoria względności, choć zewnętrznie zaprzecza prawom klasycznej mechaniki Newtona, w rzeczywistości niemal dokładnie odtwarza wszystkie zwykłe równania praw Newtona, jeśli stosuje się ją do opisu ciał poruszających się z prędkościami znacznie mniejszymi od prędkości światła. Oznacza to, że szczególna teoria względności nie unieważnia fizyki Newtona, ale ją rozszerza i uzupełnia.

Zasada względności pomaga także zrozumieć, dlaczego to właśnie prędkość światła, a nie jakakolwiek inna, odgrywa tak ważną rolę w tym modelu budowy świata – to pytanie zadaje sobie wielu z tych, którzy po raz pierwszy zetknęli się z teoria względności. Prędkość światła wyróżnia się i gra szczególną rolę stałą uniwersalną, gdyż wyznacza ją prawo nauk przyrodniczych. Ze względu na zasadę względności prędkość światła w próżni C jest taki sam w każdym układzie odniesienia. Wydawałoby się to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, okazuje się bowiem, że światło ze źródła poruszającego się (niezależnie od tego, jak szybko się porusza) i światła ze źródła stacjonarnego dociera do obserwatora w tym samym czasie. Jednak to prawda.

Ze względu na swoją szczególną rolę w prawach natury, prędkość światła zajmuje centralne miejsce w ogólnej teorii względności.

Ogólna teoria względności

Ogólna teoria względności dotyczy wszystkich układów odniesienia (a nie tylko tych, które poruszają się względem siebie ze stałą prędkością) i wygląda matematycznie na znacznie bardziej złożoną niż teoria szczegółowa (co wyjaśnia jedenastoletnią przerwę między ich publikacją). Obejmuje jako przypadek szczególny szczególną teorię względności (a zatem prawa Newtona). Jednocześnie ogólna teoria względności idzie znacznie dalej niż wszystkie jej poprzedniczki. W szczególności daje nową interpretację grawitacji.

Ogólna teoria względności czyni świat czterowymiarowym: do trzech wymiarów przestrzennych dodaje się czas. Wszystkie cztery wymiary są nierozłączne, więc nie mówimy już o odległości przestrzennej między dwoma obiektami, jak ma to miejsce w świecie trójwymiarowym, ale o odstępach czasoprzestrzennych pomiędzy zdarzeniami, które łączą ich odległość od siebie - obu w czasie i przestrzeni. Oznacza to, że przestrzeń i czas są uważane za czterowymiarowe kontinuum czasoprzestrzenne lub po prostu czasoprzestrzeń. W tym kontinuum obserwatorzy poruszający się względem siebie mogą nawet nie zgadzać się co do tego, czy dwa zdarzenia miały miejsce jednocześnie, czy też jedno poprzedzało drugie. Na szczęście dla naszego biednego umysłu nie dochodzi tu do naruszenia związków przyczynowo-skutkowych - czyli istnienia układów współrzędnych, w których dwa zdarzenia nie zachodzą jednocześnie i w różnej kolejności, nie dopuszcza nawet ogólna teoria względności.

Prawo powszechnego ciążenia Newtona mówi nam, że pomiędzy dowolnymi dwoma ciałami we Wszechświecie istnieje siła wzajemnego przyciągania. Z tego punktu widzenia Ziemia obraca się wokół Słońca, ponieważ działają między nimi wzajemne siły przyciągania. Ogólna teoria względności zmusza nas jednak do innego spojrzenia na to zjawisko. Zgodnie z tą teorią grawitacja jest konsekwencją odkształcenia („zakrzywienia”) elastycznej tkanki czasoprzestrzeni pod wpływem masy (im cięższe jest ciało, np. Słońce, tym bardziej czasoprzestrzeń „ugina się” pod wpływem masy). i odpowiednio, tym silniejsze jest jego pole sił grawitacyjnych). Wyobraź sobie ciasno naciągnięte płótno (rodzaj trampoliny), na którym umieszczona jest masywna piłka. Płótno odkształca się pod ciężarem kuli, a wokół niego tworzy się wgłębienie w kształcie lejka. Zgodnie z ogólną teorią względności Ziemia krąży wokół Słońca niczym mała kulka wystrzelona w celu toczenia się wokół stożka lejka powstałego w wyniku „wypychania” czasoprzestrzeni przez ciężką kulę – Słońce. A to, co wydaje nam się siłą grawitacji, jest w rzeczywistości czysto zewnętrznym przejawem krzywizny czasoprzestrzeni, a nie siłą w rozumieniu Newtona. Jak dotąd nie ma lepszego wyjaśnienia natury grawitacji niż daje nam ogólna teoria względności.

Testowanie ogólnej teorii względności jest trudne, ponieważ w normalnych warunkach laboratoryjnych jej wyniki są prawie dokładnie takie same, jak przewiduje prawo grawitacji Newtona. Niemniej jednak przeprowadzono kilka ważnych eksperymentów, a ich wyniki pozwalają uznać teorię za potwierdzoną. Ponadto ogólna teoria względności pomaga wyjaśnić zjawiska, które obserwujemy w przestrzeni kosmicznej, takie jak niewielkie odchylenia Merkurego od jego stacjonarnej orbity, niewytłumaczalne z punktu widzenia klasycznej mechaniki Newtona, czy załamanie promieniowania elektromagnetycznego od odległych gwiazd podczas jego przelotu w bliskiej odległości od Słońca.

W rzeczywistości wyniki przewidywane przez ogólną teorię względności różnią się znacznie od wyników przewidywanych przez prawa Newtona tylko w obecności supersilnych pól grawitacyjnych. Oznacza to, że aby w pełni przetestować ogólną teorię względności, potrzebujemy albo ultraprecyzyjnych pomiarów bardzo masywnych obiektów, albo czarnych dziur, do których nie mają zastosowania żadne z naszych zwykłych intuicyjnych pomysłów. A więc rozwój nowego metody eksperymentalne testowanie teorii względności pozostaje jednym z najważniejszych zadań fizyki eksperymentalnej.

GTO i RTG: trochę akcentów

1. W niezliczonych książkach - monografiach, podręcznikach i publikacjach popularnonaukowych, a także w różnego rodzaju artykułach - czytelnicy są przyzwyczajeni do postrzegania nawiązań do ogólnej teorii względności (GTR) jako jednego z największych osiągnięć naszego stulecia, wspaniałego teorii, niezastąpionego narzędzia współczesnej fizyki i astronomii. Tymczasem z artykułu A. A. Łogunowa dowiadują się, że jego zdaniem należy porzucić GTR, że jest złe, niespójne i sprzeczne. Dlatego GTR wymaga zastąpienia inną teorią, a konkretnie relatywistyczną teorią grawitacji (RTG) skonstruowaną przez A. A. Łogunowa i jego współpracowników.

Czy taka sytuacja jest możliwa, gdy wiele osób myli się w ocenie GTR, który istnieje i jest badany od ponad 70 lat, a tylko kilka osób pod przewodnictwem A. A. Łogunowa faktycznie odkryło, że GTR należy wyrzucić? Większość czytelników zapewne spodziewa się odpowiedzi: to niemożliwe. Właściwie mogę tylko odpowiedzieć dokładnie odwrotnie: „to” jest w zasadzie możliwe, bo nie mówimy o religii, ale o nauce.

Założyciele i prorocy różne religie i wyznania stworzyły i tworzą swoje własne „święte księgi”, których treść uznawana jest za ostateczną prawdę. Jeśli ktoś wątpi, tym gorzej dla niego, staje się heretykiem z konsekwencjami, często nawet krwawymi. Lepiej w ogóle nie myśleć, ale wierzyć, kierując się znaną formułą jednego z przywódców kościelnych: „Wierzę, bo to absurd”. Światopogląd naukowy jest zasadniczo przeciwny: nie przyjmuje niczego za pewnik, pozwala wątpić we wszystko i nie uznaje dogmatów. Pod wpływem nowych faktów i rozważań nie tylko możliwa, ale także konieczna, jeśli jest to uzasadnione, zmiana punktu widzenia, zastąpienie niedoskonałej teorii doskonalszą lub, powiedzmy, uogólnienie starej teorii. Podobnie sytuacja wygląda w przypadku osób fizycznych. Twórcy doktryn religijnych uważani są za nieomylnych, a np. wśród katolików nawet żyjąca osoba – „panujący” papież – uznawana jest za nieomylną. Nauka nie zna ludzi nieomylnych. Wielki, czasem wręcz wyjątkowy szacunek, jakim fizycy (dla jasności będę mówił o fizykach) dla wielkich przedstawicieli swojej profesji, zwłaszcza dla takich tytanów jak Izaak Newton i Albert Einstein, nie ma nic wspólnego z kanonizacją świętych, z deifikacja. A wielcy fizycy to ludzie, a wszyscy ludzie mają swoje słabości. Jeśli mówimy o nauce, która nas tu tylko interesuje, to nie zawsze najwięksi fizycy mieli rację we wszystkim; szacunek dla nich i uznanie ich zasług opiera się nie na nieomylności, ale na tym, że udało im się wzbogacić naukę niezwykłymi osiągnięciami. widzieć dalej i głębiej niż ich współcześni.

2. Teraz należy zastanowić się nad wymaganiami dotyczącymi podstawowych teorii fizycznych.

Po pierwsze, teoria taka musi być kompletna w zakresie stosowalności, czyli – jak powiem w skrócie – musi być spójna. Po drugie, teoria fizyczna musi być adekwatna do rzeczywistości fizycznej, czyli, mówiąc prościej, zgodna z eksperymentami i obserwacjami. Można wymienić inne wymagania, przede wszystkim zgodność z prawami i regułami matematyki, ale to wszystko jest sugerowane. Wyjaśnijmy to, co zostało powiedziane na przykładzie mechaniki klasycznej, nierelatywistycznej – mechaniki newtonowskiej w zastosowaniu do najprostszego w zasadzie problemu ruchu jakiejś cząstki „punktowej”. Jak wiadomo, rolę takiej cząstki w zagadnieniach mechaniki niebieskiej może odegrać cała planeta lub jej satelita. Wpuść tę chwilę t 0 cząstka jest w punkcie A ze współrzędnymi(Wyjaśnijmy to, co zostało powiedziane na przykładzie mechaniki klasycznej, nierelatywistycznej – mechaniki newtonowskiej w zastosowaniu do najprostszego w zasadzie problemu ruchu jakiejś cząstki „punktowej”. Jak wiadomo, rolę takiej cząstki w zagadnieniach mechaniki niebieskiej może odegrać cała planeta lub jej satelita. Wpuść tę chwilę xiA ) i ma prędkość v(Wyjaśnijmy to, co zostało powiedziane na przykładzie mechaniki klasycznej, nierelatywistycznej – mechaniki newtonowskiej w zastosowaniu do najprostszego w zasadzie problemu ruchu jakiejś cząstki „punktowej”. Jak wiadomo, rolę takiej cząstki w zagadnieniach mechaniki niebieskiej może odegrać cała planeta lub jej satelita. Wpuść tę chwilę ja ) (Tutaj= l, 2, 3, ponieważ położenie punktu w przestrzeni charakteryzują trzy współrzędne, a prędkość jest wektorem). Następnie, jeśli znane są wszystkie siły działające na cząstkę, prawa mechaniki pozwalają nam wyznaczyć położenie B i prędkość cząstek v I w dowolnym późniejszym terminie T, czyli znajdź dobrze zdefiniowane wartości xB(T) i w iB(T). Co by się stało, gdyby zastosowane prawa mechaniki nie dały jednoznacznej odpowiedzi i, powiedzmy, w naszym przykładzie przewidziały, że cząstka w tej chwili T może znajdować się albo w punkcie B lub w zupełnie innym miejscu C? Jest oczywiste, że taka klasyczna (niekwantowa) teoria byłaby niekompletna lub, zgodnie ze wspomnianą terminologią, niespójna. Należałoby go albo uzupełnić, aby był jednoznaczny, albo całkowicie odrzucić. Mechanika Newtona, jak stwierdzono, jest spójna – daje jednoznaczne i dobrze określone odpowiedzi na pytania w zakresie swoich kompetencji i stosowalności. Mechanika Newtona spełnia także drugi wymieniony warunek – uzyskane na jej podstawie wyniki (a konkretnie wartości współrzędnych x ja(T) i prędkość v I (T)) są zgodne z obserwacjami i eksperymentami. Dlatego wszelka mechanika nieba – opis ruchu planet i ich satelitów – opierała się na razie całkowicie i z pełnym sukcesem na mechanice Newtona.

3. Jednak w 1859 roku Le Verrier odkrył, że ruch planety najbliższej Słońca, Merkurego, różnił się nieco od ruchu przewidywanego przez mechanikę Newtona. Konkretnie okazało się, że peryhelium – punkt eliptycznej orbity planety najbliższy Słońcu – obraca się z prędkością kątową 43 sekund łukowych na stulecie, odmienną od tej, jakiej można by się spodziewać, biorąc pod uwagę wszystkie znane zaburzenia pochodzące od innych planet i ich satelity. Jeszcze wcześniej Le Verrier i Adams napotkali zasadniczo podobną sytuację, analizując ruch Urana, znanej wówczas planety najbardziej odległej od Słońca. Znaleźli też wyjaśnienie rozbieżności między obliczeniami i obserwacjami, sugerując, że na ruch Urana wpływa jeszcze bardziej odległa planeta, zwana Neptunem. W 1846 roku w przewidywanym miejscu odkryto Neptuna i wydarzenie to słusznie uważa się za triumf mechaniki Newtona. Całkiem naturalnie Le Verrier próbował wyjaśnić wspomnianą anomalię w ruchu Merkurego istnieniem innej nieznana planeta- w tym przypadku pewna planeta Wulkan, zbliżająca się jeszcze bardziej do Słońca. Ale za drugim razem „sztuczka się nie udała” – żaden Wulkan nie istnieje. Następnie zaczęli próbować zmienić prawo powszechnego ciążenia Newtona, zgodnie z którym siła grawitacji przyłożona do układu Słońce-planeta zmienia się zgodnie z prawem

gdzie ε jest małą wartością. Nawiasem mówiąc, w naszych czasach podobną technikę stosuje się (choć bez powodzenia) do wyjaśnienia niektórych niejasnych kwestii astronomicznych (mówimy o problemie masy ukrytej; patrz na przykład książka autora „O fizyce i astrofizyce”, cyt. poniżej, s. 148). Aby jednak hipoteza rozwinęła się w teorię, należy wyjść od pewnych zasad, wskazać wartość parametru ε i zbudować spójny schemat teoretyczny. Nikomu się to nie udało, a kwestia rotacji peryhelium Merkurego pozostała otwarta aż do 1915 roku. To właśnie wtedy, w środku I wojny światowej, kiedy tak niewielu interesowało się abstrakcyjnymi problemami fizyki i astronomii, Einstein ukończył (po około 8 latach intensywnych wysiłków) tworzenie ogólnej teorii względności. Ten ostatni etap budowania podstaw GTR został omówiony w trzech krótkich artykułach zgłoszonych i napisanych w listopadzie 1915 roku. W drugim z nich, ogłoszonym 11 listopada, Einstein na podstawie ogólnej teorii względności obliczył dodatkowy obrót peryhelium Merkurego w porównaniu do newtonowskiego, który okazał się równy (w radianach na obrót planety wokół Słońce)

I C= 3·10 10 cm s –1 – prędkość światła. Przechodząc do ostatniego wyrażenia (1), skorzystano z trzeciego prawa Keplera

Gdzie T– okres rewolucji planety. Jeśli podstawiamy do wzoru (1) najlepsze obecnie znane wartości wszystkich wielkości, a także dokonamy elementarnej konwersji z radianów na obrót na obrót w sekundach łukowych (znak ″) na stulecie, to otrzymamy wartość Ψ = 42 ″.98 / wiek. Obserwacje zgadzają się z tym wynikiem z obecnie osiąganą dokładnością około ± 0″,1/stulecie (Einstein w swojej pierwszej pracy posługiwał się mniej dokładnymi danymi, ale w granicach błędu uzyskał pełną zgodność teorii z obserwacjami). Wzór (1) podano powyżej, po pierwsze, aby wyjaśnić jego prostotę, której tak często nie ma w skomplikowanych matematycznie teoriach fizycznych, w tym w wielu przypadkach w Ogólnej Teorii Względności.

Po drugie, i to jest najważniejsze, z (1) jasno wynika, że ​​obrót peryhelium wynika z ogólnej teorii względności i nie ma potrzeby uwzględniania żadnych nowych nieznanych stałych ani parametrów. Dlatego wynik uzyskany przez Einsteina stał się prawdziwym triumfem ogólnej teorii względności. W najlepszym mnie Einstein wyraża i uzasadnia opinię, że wyjaśnienie obrotu peryhelium Merkurego było „najpotężniejszym wydarzeniem emocjonalnym w całym życiu naukowym Einsteina, a być może i w całym jego życiu”. Tak, było” najlepsza godzina» Einsteina. Ale tylko dla siebie. Z kilku powodów (wystarczy wspomnieć o wojnie) dla samej GR, aby zarówno ta teoria, jak i jej twórca weszli na scenę światową, „najpiękniejszą godziną” było kolejne wydarzenie, które miało miejsce 4 lata później – w 1919 roku. Fakt jest taki, że że w tej samej pracy, w której otrzymano wzór (1), Einstein poczynił ważne przewidywanie: promienie światła przechodzące w pobliżu Słońca muszą się załamywać, a ich odchylenie powinno być

Gdzie R jest najbliższą odległością pomiędzy promieniem a środkiem Słońca, oraz R☼ = 6,96·10 10 cm – promień Słońca (dokładniej promień fotosfera słoneczna); zatem maksymalne odchylenie, jakie można zaobserwować, wynosi 1,75 sekundy łukowej. Niezależnie od tego, jak mały byłby taki kąt (w przybliżeniu pod tym kątem dorosły jest widoczny z odległości 200 km), można było go już wówczas zmierzyć metodą optyczną, fotografując gwiazdy na niebie w pobliżu Słońca. Takich obserwacji dokonały dwie angielskie ekspedycje podczas całkowitego zaćmienia słońca 29 maja 1919 roku. Wpływ odchylenia promieni w polu Słońca został ustalony z całą pewnością i jest zgodny ze wzorem (2), choć dokładność pomiarów ze względu na małą wielkość efektu była niska. Wykluczono jednak odchylenie o połowę mniejsze niż według (2), tj. 0″.87. To ostatnie jest bardzo ważne, ponieważ odchylenie wynosi 0″.87 (z R = R☼) można już wyprowadzić z teorii Newtona (samą możliwość odchylenia światła w polu grawitacyjnym zauważył Newton, a wyrażenie na kąt odchylenia o połowę mniejsze niż wynika ze wzoru (2) uzyskano w 1801 r.; co innego że ta przepowiednia została zapomniana i Einstein o tym nie wiedział). 6 listopada 1919 roku wyniki wypraw ogłoszono w Londynie na wspólnym posiedzeniu Towarzystwa Królewskiego i Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego. Jakie wrażenie wywarli, jasno wynika z wypowiedzi przewodniczącego J. J. Thomsona na tym spotkaniu: „To najważniejszy wynik uzyskany w związku z teorią grawitacji od czasów Newtona… Stanowi on jedno z największych osiągnięć myśli ludzkiej .”

Jak widzieliśmy, skutki ogólnej teorii względności w Układzie Słonecznym są bardzo małe. Wyjaśnia to fakt, że pole grawitacyjne Słońca (nie wspominając o planetach) jest słabe. To ostatnie oznacza, że ​​newtonowski potencjał grawitacyjny Słońca

Przypomnijmy teraz wynik znany ze szkolnych zajęć z fizyki: dla orbit kołowych planet |φ ☼ | = v 2, gdzie v jest prędkością planety. Dlatego słabość pola grawitacyjnego można scharakteryzować bardziej wizualnym parametrem v 2 / C 2, za co układ słoneczny, jak widzieliśmy, nie przekracza wartości 2,12·10 – 6. Na orbicie Ziemi v = 3 10 6 cm s – 1 i v 2 / C 2 = 10 – 8, dla bliskich satelitów Ziemi v ~ 8 10 5 cm s – 1 i v 2 / C 2 ~ 7 ·10 – 10 . Konsekwentnie, testując wspomniane efekty ogólnej teorii względności nawet z obecnie osiąganą dokładnością 0,1%, czyli z błędem nie przekraczającym 10 – 3 wartości zmierzonej (powiedzmy ugięcie promieni świetlnych w polu Słońca), nie pozwala nam jeszcze kompleksowo przetestować ogólnej teorii względności z dokładnością do terminów rzędu

O pomiarze, powiedzmy, odchylenia promieni w Układzie Słonecznym z wymaganą dokładnością, możemy tylko pomarzyć. Jednak projekty odpowiednich eksperymentów są już omawiane. W związku z powyższym fizycy twierdzą, że ogólną teorię względności badano głównie tylko dla słabego pola grawitacyjnego. Ale my (w każdym razie ja) jakoś przez dłuższy czas nawet nie zauważyliśmy jednej ważnej okoliczności. Nawigacja kosmiczna zaczęła się szybko rozwijać po wystrzeleniu pierwszego satelity Ziemi 4 października 1957 roku. W przypadku przyrządów do lądowania na Marsie i Wenus, podczas lotu w pobliżu Fobosa itp. potrzebne są obliczenia z dokładnością do metrów (przy odległościach od Ziemi rzędu stu miliardów metrów), gdy efekty ogólnej teorii względności są dość znaczące. Dlatego obliczenia są obecnie przeprowadzane w oparciu o schematy obliczeniowe, które w sposób organiczny uwzględniają ogólną teorię względności. Pamiętam, jak kilka lat temu jeden z mówców – specjalista nawigacji kosmicznej – nawet nie zrozumiał moich pytań o dokładność sprawdzania ogólnej teorii względności. Odpowiedział: w naszych obliczeniach inżynierskich uwzględniamy ogólną teorię względności, inaczej nie da się pracować, wszystko układa się poprawnie, czego chcieć więcej? Życzeń można oczywiście wiele, ale nie można zapominać, że GTR nie jest już abstrakcyjną teorią, lecz wykorzystuje się ją w „obliczeniach inżynierskich”.

4. W świetle powyższego krytyka A. A. Łogunowa pod adresem GTR wydaje się szczególnie zaskakująca. Jednak zgodnie z tym, co powiedziano na początku tego artykułu, nie można odrzucić tej krytyki bez analizy. Z powrotem w większym stopniu niemożliwe bez szczegółowa analiza wyrazić opinię na temat RTG zaproponowanej przez A. A. Logunowa - relatywistycznej teorii grawitacji.

Niestety, zupełnie niemożliwe jest przeprowadzenie takiej analizy na łamach publikacji popularnonaukowych. W swoim artykule A. A. Łogunow w rzeczywistości jedynie deklaruje i komentuje swoje stanowisko. Tutaj też nic więcej nie mogę zrobić.

Uważamy zatem, że GTR jest spójną teorią fizyczną - na wszystkie poprawnie i jasno postawione pytania, które są dopuszczalne w obszarze jej zastosowania, GTR daje jednoznaczną odpowiedź (ta ostatnia dotyczy w szczególności czasu opóźnienia sygnałów przy lokalizacji planet). Nie jest obarczona ogólną teorią względności ani żadnymi wadami natury matematycznej czy logicznej. Konieczne jest jednak wyjaśnienie, co mamy na myśli powyżej, gdy używamy zaimka „my”. „My” to oczywiście ja, ale także wszyscy ci fizycy radzieccy i zagraniczni, z którymi musiałem omawiać ogólną teorię względności, a w niektórych przypadkach jej krytykę A. A. Łogunowa. Wielki Galileusz powiedział cztery wieki temu: w sprawach nauki opinia jednego jest cenniejsza niż opinia tysiąca. Innymi słowy, spory naukowe nie są rozstrzygane większością głosów. Ale z drugiej strony jest całkiem oczywiste, że opinia wielu fizyków, ogólnie rzecz biorąc, jest o wiele bardziej przekonująca lub, lepiej powiedziane, bardziej wiarygodna i ważka niż opinia jednego fizyka. Dlatego ważne jest tutaj przejście od „ja” do „my”.

Mam nadzieję, że pożyteczne i właściwe będzie przedstawienie jeszcze kilku komentarzy.

Dlaczego A. A. Logunov tak bardzo nie lubi GTR? Główny powód jest to, że w ogólnej teorii względności nie ma pojęcia energii i pędu w postaci znanej nam z elektrodynamiki i, według jego słów, istnieje odmowa „przedstawiania pola grawitacyjnego jako klasycznego pola Faradaya-Maxwella typu, mającego dobrze określoną gęstość energii – impuls.” Tak, to drugie jest w pewnym sensie prawdą, ale tłumaczy się to tym, że „w geometrii riemannowskiej w ogóle nie ma koniecznej symetrii względem przesunięć i obrotów, czyli nie ma... grupy ruchu czasoprzestrzeni.” Geometria czasoprzestrzeni według ogólnej teorii względności to geometria riemannowska. Dlatego w szczególności promienie światła odchylają się od linii prostej, przechodząc w pobliżu Słońca.

Jednym z największych osiągnięć matematyki ubiegłego wieku było stworzenie i rozwój geometrii nieeuklidesowej przez Łobaczewskiego, Bolyai, Gaussa, Riemanna i ich zwolenników. Wtedy pojawiło się pytanie: jaka właściwie jest geometria fizycznej czasoprzestrzeni, w której żyjemy? Jak stwierdzono, według GTR jest to geometria nieeuklidesowa, riemannowska, a nie pseudoeuklidesowa geometria Minkowskiego (geometrię tę opisano szerzej w artykule A. A. Logunowa). Ta geometria Minkowskiego była, można powiedzieć, wytworem szczególnej teorii względności (STR) i zastąpiła absolutny czas i absolutną przestrzeń Newtona. Tuż przed utworzeniem SRT w 1905 roku próbowano utożsamić tę ostatnią z nieruchomym eterem Lorentza. Porzucono jednak eter Lorentza, jako całkowicie nieruchomy ośrodek mechaniczny, gdyż wszelkie próby zauważenia obecności tego ośrodka zakończyły się niepowodzeniem (mam na myśli eksperyment Michelsona i kilka innych eksperymentów). Hipoteza, że ​​czasoprzestrzeń fizyczna jest z konieczności dokładnie przestrzenią Minkowskiego, którą A. A. Łogunow uznaje za fundamentalną, jest bardzo daleko idąca. Jest w pewnym sensie podobna do hipotez o przestrzeni absolutnej i eterze mechanicznym i, jak nam się wydaje, pozostaje i pozostanie całkowicie bezpodstawna, dopóki nie zostaną wskazane na jej korzyść jakiekolwiek argumenty oparte na obserwacjach i eksperymentach. A takich argumentów, przynajmniej obecnie, zupełnie nie ma. Odniesienia do analogii z elektrodynamiką i ideałów wybitnych fizyków ubiegłego wieku, Faradaya i Maxwella, nie są w tym względzie przekonujące.

5. Jeśli mówimy o różnicy między polem elektromagnetycznym, a zatem elektrodynamiką i polem grawitacyjnym (GTR jest właśnie teorią takiego pola), należy zauważyć, co następuje. Wybierając układ odniesienia nie da się zniszczyć (sprowadzić do zera) nawet lokalnie (na niewielkim obszarze) całego pola elektromagnetycznego. Dlatego też, jeśli gęstość energii pola elektromagnetycznego

(mi I H– odpowiednio siła pola elektrycznego i magnetycznego) w jakimś układzie odniesienia jest różna od zera, to w każdym innym układzie odniesienia będzie różna od zera. Pole grawitacyjne, z grubsza mówiąc, zależy znacznie silniej od wyboru układu odniesienia. Zatem jednolite i stałe pole grawitacyjne (czyli pole grawitacyjne powodujące przyspieszenie). G umieszczone w nim cząstki, niezależnie od współrzędnych i czasu) mogą zostać całkowicie „zniszczone” (sprowadzone do zera) poprzez przejście do równomiernie przyspieszonego układu odniesienia. Okoliczność ta, stanowiąca główną treść fizyczną „zasady równoważności”, została po raz pierwszy odnotowana przez Einsteina w artykule opublikowanym w 1907 r. i była pierwszą na drodze do stworzenia Ogólnej Teorii Względności.

Jeśli nie ma pola grawitacyjnego (w szczególności przyspieszenia, jakie ono powoduje G jest równa zeru), wówczas gęstość odpowiadającej jej energii jest również równa zeru. Wynika z tego jasno, że w kwestii gęstości energii (i pędu) teoria pola grawitacyjnego musi radykalnie różnić się od teorii pola elektromagnetycznego. Stwierdzenie to nie ulega zmianie ze względu na fakt, że w ogólnym przypadku pole grawitacyjne nie może zostać „zniszczone” poprzez wybór układu odniesienia.

Einstein zrozumiał to jeszcze przed 1915 rokiem, kiedy ukończył tworzenie Ogólnej Teorii Względności. I tak w 1911 roku napisał: „Oczywiście nie da się zastąpić żadnego pola grawitacyjnego stanem ruchu układu bez pola grawitacyjnego, tak jak nie da się przekształcić wszystkich punktów dowolnie poruszającego się ośrodka, aby spoczywały w transformacja relatywistyczna.” A oto fragment artykułu z 1914 roku: „Najpierw poczynimy jeszcze jedną uwagę, aby wyeliminować powstałe nieporozumienie. Zwolennik tego co zwykle współczesna teoria teoria względności (mówimy o STR - V.L.G.) z pewnym prawem nazywa prędkość punktu materialnego „pozorną”. Mianowicie może wybrać taki układ odniesienia, aby punkt materialny w rozpatrywanym momencie miał prędkość równą zeru. Jeśli istnieje system punkty materialne, które mają różne prędkości, to nie może już wprowadzić takiego układu odniesienia, w którym prędkości wszystkich punktów materialnych względem tego układu wyniosą zero. W podobny sposób fizyk naszego punktu widzenia może nazwać pole grawitacyjne „pozornym”, gdyż poprzez odpowiedni dobór przyspieszenia układu odniesienia może osiągnąć to, że w pewnym punkcie czasoprzestrzeni pole grawitacyjne staje się zerowe . Warto jednak zauważyć, że zanikania pola grawitacyjnego poprzez transformację w ogólnym przypadku nie da się osiągnąć dla rozszerzonych pól grawitacyjnych. Na przykład pola grawitacyjnego Ziemi nie można wyrównać do zera, wybierając odpowiedni układ odniesienia. Wreszcie już w 1916 roku, odpowiadając na krytykę ogólnej teorii względności, Einstein jeszcze raz podkreślił to samo: „W żadnym wypadku nie można twierdzić, że pole grawitacyjne można w jakimkolwiek stopniu wyjaśnić wyłącznie kinematycznie: „kinematyczne, niedynamiczne rozumienie grawitacji” jest niemożliwe. Nie możemy uzyskać żadnego pola grawitacyjnego po prostu przyspieszając jeden układ współrzędnych Galileusza względem drugiego, ponieważ w ten sposób można otrzymać pola tylko o określonej strukturze, które jednak muszą podlegać tym samym prawom, co wszystkie inne pola grawitacyjne. Jest to kolejne sformułowanie zasady równoważności (szczególnie w odniesieniu do zastosowania tej zasady do grawitacji).”

Niemożność „kinematycznego zrozumienia” grawitacji w połączeniu z zasadą równoważności determinuje przejście w ogólnej teorii względności od geometrii pseudoeuklidesowej Minkowskiego do geometrii Riemanna (w tej geometrii czasoprzestrzeń ma, ogólnie rzecz biorąc, nie -zerowa krzywizna; obecność takiej krzywizny odróżnia „prawdziwe” pole grawitacyjne od „kinematycznego”). Cechy fizyczne Pole grawitacyjne determinuje, powtórzmy to, radykalną zmianę roli energii i pędu w ogólnej teorii względności w porównaniu z elektrodynamiką. Jednocześnie zarówno zastosowanie geometrii Riemanna, jak i niemożność zastosowania pojęć energetycznych znanych z elektrodynamiki nie stoją na przeszkodzie, jak już podkreślono powyżej, temu, że z ogólnej teorii względności wynika i można obliczyć dość jednoznaczne wartości dla wszystkich obserwowalnych wielkości (kąt odchylenia promieni świetlnych, zmiany elementów orbit planet i pulsarów podwójnych itp. itp.).

Warto zapewne zauważyć, że ogólną teorię względności można sformułować także w postaci znanej z elektrodynamiki, wykorzystując pojęcie gęstości energii i pędu (patrz na to cytowany artykuł Ya. B. Zeldovicha i L. P. Grishchuka. Jednak co wprowadza się w W tym przypadku przestrzeń Minkowskiego jest czysto fikcyjna (nieobserwowalna) i mówimy tylko o tej samej ogólnej teorii względności, zapisanej w niestandardowej formie. Tymczasem powtórzmy to, A. A. Logunov uważa przestrzeń Minkowskiego on wykorzystuje w relatywistycznej teorii grawitacji (RTG) rzeczywistą przestrzeń fizyczną, a zatem obserwowalną przestrzeń.

6. W tym kontekście szczególnie ważne jest drugie z pytań pojawiających się w tytule artykułu: czy GTR odpowiada rzeczywistości fizycznej? Innymi słowy, co mówi doświadczenie, najwyższy sędzia, decydując o losie jakiejkolwiek teorii fizycznej? Temu zagadnieniu - eksperymentalnej weryfikacji ogólnej teorii względności poświęcone są liczne artykuły i książki. Wniosek jest dość jednoznaczny – wszystkie dostępne dane eksperymentalne czy obserwacyjne albo potwierdzają ogólną teorię względności, albo jej nie zaprzeczają. Jak już jednak wskazaliśmy, weryfikacja ogólnej teorii względności została przeprowadzona i odbywa się głównie w słabym polu grawitacyjnym. Ponadto każdy eksperyment ma ograniczoną dokładność. W silnych polach grawitacyjnych (w przybliżeniu w przypadku, gdy stosunek |φ| / C 2 nie wystarczy; patrz wyżej) Ogólna teoria względności nie została jeszcze wystarczająco zweryfikowana. W tym celu można obecnie praktycznie stosować wyłącznie metody astronomiczne odnoszące się do bardzo odległej przestrzeni: badanie gwiazd neutronowych, podwójnych pulsarów, „czarnych dziur”, ekspansji i struktury Wszechświata, jak mówią, „w wielkim ” - na rozległych przestrzeniach mierzonych w milionach i miliardach lat świetlnych. Wiele już zostało zrobione i jest robione w tym kierunku. Wystarczy wspomnieć badania podwójnego pulsara PSR 1913+16, dla którego (podobnie jak w ogóle dla gwiazd neutronowych) parametr |φ| / C 2 to już około 0,1. Dodatkowo w tym przypadku udało się zidentyfikować efekt porządku (v/ C) 5 związane z emisją fal grawitacyjnych. W nadchodzących dziesięcioleciach otworzy się jeszcze więcej możliwości badania procesów w silnych polach grawitacyjnych.

Gwiazdą przewodnią tych zapierających dech w piersiach badań jest przede wszystkim ogólna teoria względności. Jednocześnie oczywiście omawiane są także inne możliwości - inne, jak czasem mówią, alternatywne teorie grawitacji. Na przykład w ogólnej teorii względności, jak w teorii powszechnego ciążenia Newtona, stała grawitacyjna G jest rzeczywiście uważana za wartość stałą. Jedna z najsłynniejszych teorii grawitacji, uogólniająca (a dokładniej rozszerzająca) Ogólną Teorię Względności, to teoria, w której za „stała” grawitacji uważa się nową funkcję skalarną – wielkość zależną od współrzędnych i czasu. Obserwacje i pomiary wskazują jednak, że możliwe są zmiany względne G z biegiem czasu bardzo małe – najwyraźniej wynoszące nie więcej niż sto miliardów rocznie, czyli | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения G mógłby odegrać rolę. Zauważ, że nawet niezależnie od kwestii niestałości G założenie istnienia w rzeczywistej czasoprzestrzeni, oprócz pola grawitacyjnego g ik, także pewne pole skalarne ψ jest głównym kierunkiem współczesnej fizyki i kosmologii. W innych alternatywnych teoriach grawitacji (o nich patrz książka K. Willa wspomniana powyżej w przypisie 8) GTR jest zmieniane lub uogólniane w inny sposób. Oczywiście nie można sprzeciwić się odpowiedniej analizie, ponieważ GTR nie jest dogmatem, ale teorią fizyczną. Co więcej, wiemy, że Ogólna teoria względności, która jest teorią niekwantową, oczywiście wymaga uogólnienia na obszar kwantowy, który nie jest jeszcze dostępny dla znanych eksperymentów grawitacyjnych. Oczywiście nie możesz nam powiedzieć więcej na ten temat tutaj.

7. A. A. Łogunow wychodząc od krytyki GTR, od ponad 10 lat buduje jakąś alternatywną teorię grawitacji, odmienną od GTR. Jednocześnie w trakcie pracy wiele się zmieniło i obecnie przyjęta wersja teorii (jest to RTG) została szczegółowo przedstawiona w artykule, który zajmuje około 150 stron i zawiera jedynie około 700 numerowanych wzorów. Oczywiście szczegółowa analiza RTG jest możliwa tylko na stronach czasopism naukowych. Dopiero po takiej analizie będzie można stwierdzić, czy RTG jest spójny, czy nie zawiera sprzeczności matematycznych itp. O ile zrozumiałem, RTG różni się od GTR wyborem tylko części rozwiązań GTR – wszystkie rozwiązania równań różniczkowych RTG spełniają równania GTR, ale jak twierdzą autorzy RTG, a nie odwrotnie. Jednocześnie nasuwa się wniosek, że w kwestiach globalnych (rozwiązania dla całej czasoprzestrzeni lub jej dużych obszarów, topologia itp.) różnice pomiędzy RTG i GTR są, ogólnie rzecz biorąc, radykalne. Jeśli chodzi o wszystkie eksperymenty i obserwacje przeprowadzane w Układzie Słonecznym, o ile rozumiem, RTG nie może być sprzeczne z Ogólną Teorią Względności. Jeśli tak jest, to nie da się preferować RTG (w porównaniu z GTR) na podstawie znanych eksperymentów w Układzie Słonecznym. Jeśli chodzi o „czarne dziury” i Wszechświat, autorzy RTG twierdzą, że ich wnioski znacznie różnią się od wniosków z Ogólnej Teorii Względności, nie są nam jednak znane żadne konkretne dane obserwacyjne, które świadczyłyby na korzyść RTG. W takiej sytuacji RTG A. A. Logunowa (o ile RTG rzeczywiście różni się od GTR w istocie, a nie tylko sposobem prezentacji i wyborem jednej z możliwych klas warunków współrzędnych; zob. artykuł Ya. B. Zeldovicha i L. P. Grishchuk) można uznać jedynie za jedną z akceptowalnych w zasadzie alternatywnych teorii grawitacji.

Niektórzy czytelnicy mogą obawiać się sformułowań typu: „jeśli tak jest”, „jeśli RTG rzeczywiście różni się od GTR”. Czy próbuję w ten sposób chronić się przed błędami? Nie, nie boję się popełnić błędu po prostu z powodu przekonania, że ​​gwarancja bezbłędności jest tylko jedna – w ogóle nie pracować, a w tym wypadku nie poruszać zagadnień naukowych. Inna sprawa, że ​​szacunek do nauki, znajomość jej charakteru i historii zachęcają do ostrożności. Kategoryczne stwierdzenia nie zawsze wskazują na autentyczną jasność i w ogóle nie przyczyniają się do ustalenia prawdy. RTG A. A. Logunova w niej nowoczesna forma sformułowane całkiem niedawno i nie doczekało się jeszcze szczegółowego omówienia w literaturze naukowej. Dlatego oczywiście nie mam na ten temat ostatecznej opinii. Ponadto omawianie szeregu pojawiających się zagadnień w czasopiśmie popularnonaukowym jest niemożliwe, a nawet niewłaściwe. Jednocześnie oczywiście, ze względu na duże zainteresowanie czytelników teorią grawitacji, uzasadnione wydaje się zajęcie się na przystępnym poziomie tego zakresu zagadnień, także kontrowersyjnych, na łamach Nauki i Życia.

Zatem kierując się mądrą zasadą „najbardziej uprzywilejowanego narodu”, RTG należy obecnie uznać za alternatywną teorię grawitacji, która wymaga odpowiedniej analizy i dyskusji. Dla tych, którzy lubią tę teorię (RTG), którzy są nią zainteresowani, nikt nie zawraca sobie głowy (i oczywiście nie powinien wtrącać się) w jej rozwój, sugerując możliwe sposoby weryfikacji eksperymentalnej.

Jednocześnie nie ma powodu twierdzić, że GTR jest obecnie w jakikolwiek sposób wstrząśnięty. Co więcej, zakres stosowalności ogólnej teorii względności wydaje się bardzo szeroki, a jej dokładność – bardzo wysoka. Jest to naszym zdaniem obiektywna ocena obecnego stanu rzeczy. Jeśli mówimy o gustach i postawach intuicyjnych, a gusta i intuicja odgrywają w nauce znaczącą rolę, chociaż nie można ich przedstawić jako dowodu, to tutaj będziemy musieli przejść od „my” do „ja”. Zatem im więcej miałem i nadal mam do czynienia z ogólną teorią względności i jej krytyką, tym bardziej wzmacnia się moje wrażenie jej wyjątkowej głębi i piękna.

Rzeczywiście, jak wskazano w wydawnictwie, nakład czasopisma „Science and Life” nr 4 z 1987 r. wynosił 3 miliony 475 tysięcy egzemplarzy. W ostatnie lata nakład wynosił zaledwie kilkadziesiąt tysięcy egzemplarzy, a dopiero w 2002 roku przekroczył 40 tysięcy. (uwaga – A. M. Krainev).

Nawiasem mówiąc, w roku 1987 przypada 300. rocznica pierwszej publikacji wspaniałej książki Newtona „The Mathematical Principles of Natural Philosophy”. Zapoznanie się z historią powstania tego dzieła, nie mówiąc już o samym dziele, jest bardzo pouczające. To samo dotyczy jednak wszelkich działań Newtona, z którymi niełatwo się zapoznać niespecjalistom. Mogę w tym celu polecić bardzo dobrą książkę S.I. Wawilowa „Izaak Newton”; Wspomnę także o moim artykule napisanym z okazji rocznicy Newtona, opublikowanym w czasopiśmie „Uspekhi Fizicheskikh Nauk”, t. 151, nr 1, 1987, s. 13-13. 119.

Wielkość zwrotu podana jest według współczesnych pomiarów (Le Verrier miał obrót 38 sekund). Przypomnijmy dla jasności, że Słońce i Księżyc są widoczne z Ziemi pod kątem około 0,5 stopnia łukowego - 1800 sekund łukowych.

A. Pals „Przenikliwy jest Pan...” Nauka i życie Alberta Einsteina. Uniwersytet Oksfordzki Press, 1982. Wskazane byłoby opublikowanie rosyjskiego tłumaczenia tej książki.

To drugie jest możliwe podczas pełnego zaćmienia słońca; Fotografując ten sam fragment nieba, powiedzmy, sześć miesięcy później, kiedy Słońce przesunęło się po sferze niebieskiej, uzyskujemy dla porównania obraz, który nie jest zniekształcony w wyniku odchylenia promieni pod wpływem pola grawitacyjnego Słońca.

Po szczegóły odsyłam do artykułu Ya. B. Zeldovicha i L. P. Grishchuka, opublikowanego niedawno w „Uspekhi Fizicheskikh Nauk” (t. 149, s. 695, 1986), a także do cytowanej tam literatury, w szczególności do artykuł L. D. Faddeeva („Postępy w naukach fizycznych”, t. 136, s. 435, 1982).

Patrz przypis 5.

Zobacz K. Willa. „Teoria i eksperyment w fizyce grawitacyjnej”. M., Energoiedat, 1985; patrz także V. L. Ginzburg. O fizyce i astrofizyce. M., Nauka, 1985 i wskazana tam literatura.

A. A. Logunov i M. A. Mestvirishvili. „Podstawy relatywistycznej teorii grawitacji”. Czasopismo „Fizyka cząstek elementarnych i jądra atomowego”, tom 17, nr 1, 1986.

W pracach A. A. Logunowa znajdują się inne stwierdzenia, a konkretnie uważa się, że dla czasu opóźnienia sygnału przy lokalizacji, powiedzmy, Merkurego z Ziemi, z RTG uzyskuje się wartość inną niż następująca z GTR. Mówiąc dokładniej, argumentuje się, że ogólna teoria względności w ogóle nie daje jednoznacznego przewidywania czasów opóźnienia sygnału, to znaczy ogólna teoria względności jest niespójna (patrz wyżej). Jednak taki wniosek, jak nam się wydaje, jest owocem nieporozumienia (wskazano to na przykład w cytowanym artykule Ya. B. Zeldovicha i L. P. Grishchuka, zob. przypis 5): różne wyniki w ogólnej teorii względności przy zastosowaniu różnych układów współrzędnych uzyskuje się jedynie dzięki , które porównuje zlokalizowane planety znajdujące się na różnych orbitach, a zatem posiadające różne okresy obrotu wokół Słońca. Czasy opóźnienia sygnałów obserwowanych z Ziemi podczas lokalizacji określonej planety, zgodnie z ogólną teorią względności i RTG, są zbieżne.

Patrz przypis 5.

Szczegóły dla ciekawskich

Załamanie światła i fal radiowych w polu grawitacyjnym Słońca. Zwykle za wyidealizowany model Słońca przyjmuje się statyczną, sferycznie symetryczną kulę o promieniu R☼ ~ 6,96·10 10 cm, masa Słońca M☼ ~ 1,99 10 30 kg (332958 razy więcej masy Ziemia). Odchylenie światła jest maksymalne w przypadku promieni, które ledwo dotykają Słońca, to znaczy kiedy R ~ R☼ i równe: φ ≈ 1″.75 (sekunda łukowa). Kąt ten jest bardzo mały – mniej więcej pod tym kątem dorosły jest widoczny z odległości 200 km, dlatego też dokładność pomiaru krzywizny grawitacyjnej promieni była do niedawna niska. Najnowsze pomiary optyczne wykonane podczas zaćmienia słońca 30 czerwca 1973 r. charakteryzowały się błędem około 10%. Dziś, dzięki pojawieniu się interferometrów radiowych „z bardzo długą podstawą” (ponad 1000 km), dokładność pomiaru kątów gwałtownie wzrosła. Interferometry radiowe umożliwiają niezawodny pomiar odległości kątowych i zmian kątów rzędu 10 – 4 sekund łukowych (~1 nanoradian).

Rysunek pokazuje odchylenie tylko jednego z promieni pochodzących z odległego źródła. W rzeczywistości oba promienie są załamane.

POTENCJAŁ GRAWITOWANIA

W 1687 r. ukazało się podstawowe dzieło Newtona „Matematyczne zasady filozofii naturalnej” (patrz „Nauka i życie” nr 1, 1987), w którym sformułowano prawo powszechnego ciążenia. Prawo to stwierdza, że ​​siła przyciągania pomiędzy dowolnymi dwiema cząstkami materiału jest wprost proporcjonalna do ich mas M I M i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości R między nimi:

Czynnik proporcjonalności G zaczęto nazywać stałą grawitacji, konieczne jest uzgodnienie wymiarów po prawej i lewej stronie wzoru Newtona. Sam Newton pokazał to z bardzo dużą jak na swoje czasy dokładnością G– ilość jest stała i dlatego odkryte przez niego prawo grawitacji jest uniwersalne.

Dwie przyciągające się masy punktowe M I M pojawiają się jednakowo we wzorze Newtona. Innymi słowy, możemy uznać, że oba służą jako źródła pola grawitacyjnego. Jednakże w specyficznych problemach, szczególnie w mechanice nieba, jedna z dwóch mas jest często bardzo mała w porównaniu do drugiej. Na przykład masa Ziemi M 3 ≈ 6 · 10 24 kg to znacznie mniej niż masa Słońca M☼ ≈ 2 · 10 30 kg lub, powiedzmy, masa satelity M≈ 10 3 kg nie można porównać z masą Ziemi i dlatego praktycznie nie ma ona wpływu na ruch Ziemi. Masę taką, która sama w sobie nie zakłóca pola grawitacyjnego, lecz służy jako swego rodzaju sonda, na którą działa to pole, nazywamy masą próbną. (Podobnie w elektrodynamice istnieje koncepcja „ładunku próbnego”, to znaczy takiego, który pomaga wykryć pole elektromagnetyczne). Ponieważ masa testowa (lub ładunek testowy) ma pomijalnie mały udział w polu, na przykład przy takiej masie pole staje się „zewnętrzne” i można je scharakteryzować wielkością zwaną napięciem. Zasadniczo przyspieszenie spowodowane grawitacją G jest natężeniem pola grawitacyjnego Ziemi. Druga zasada mechaniki Newtona podaje następnie równania ruchu punktowej masy próbnej M. Tak na przykład rozwiązuje się problemy z balistyki i mechaniki niebieskiej. Należy zauważyć, że w przypadku większości tych problemów teoria grawitacji Newtona nawet dzisiaj ma wystarczającą dokładność.

Napięcie, podobnie jak siła, jest wielkością wektorową, czyli w przestrzeni trójwymiarowej wyznaczają ją trzy liczby - składowe wzdłuż wzajemnie prostopadłych osi kartezjańskich X, Na, z. Przy zmianie układu współrzędnych - a takie operacje nie są rzadkością w problemach fizycznych i astronomicznych - współrzędne kartezjańskie wektora ulegają transformacji w pewien, choć niezbyt skomplikowany, ale często uciążliwy sposób. Dlatego zamiast wektorowego natężenia pola wygodnie byłoby zastosować odpowiednią wielkość skalarną, z której, stosując jakąś prostą recepturę, można by otrzymać charakterystykę siły pola – siłę. I taka wielkość skalarna istnieje - nazywa się ją potencjałem, a przejście do napięcia odbywa się poprzez proste różniczkowanie. Wynika z tego, że newtonowski potencjał grawitacyjny wytworzony przez masę M, jest równe

stąd równość |φ| = v 2 .

W matematyce teoria grawitacji Newtona jest czasami nazywana „teorią potencjału”. Swego czasu teoria potencjału Newtona służyła jako model dla teorii elektryczności, następnie idee dotyczące pola fizycznego, ukształtowane w elektrodynamice Maxwella, z kolei stały się bodźcem do powstania ogólnej teorii względności Einsteina. Przejście od relatywistycznej teorii grawitacji Einsteina do szczególnego przypadku teorii grawitacji Newtona dokładnie odpowiada obszarowi małych wartości bezwymiarowego parametru |φ| / C 2 .

Ogólna teoria względności(GTR) to geometryczna teoria grawitacji opublikowana przez Alberta Einsteina w latach 1915–1916. W ramach tej teorii, będącej dalszym rozwinięciem szczególnej teorii względności, postuluje się, że efekty grawitacyjne powstają nie w wyniku oddziaływania siłowego ciał i pól znajdujących się w czasoprzestrzeni, ale w wyniku deformacji czasoprzestrzeni. samego siebie, co wiąże się w szczególności z obecnością energii masowej. Zatem w ogólnej teorii względności, podobnie jak w innych teoriach metrycznych, grawitacja nie jest oddziaływaniem sił. Ogólna teoria względności różni się od innych metrycznych teorii grawitacji tym, że wykorzystuje równania Einsteina do powiązania krzywizny czasoprzestrzeni z materią obecną w przestrzeni.

Ogólna teoria względności jest obecnie najskuteczniejszą teorią grawitacji, dobrze popartą obserwacjami. Pierwszym sukcesem ogólnej teorii względności było wyjaśnienie anomalnej precesji peryhelium Merkurego. Następnie w 1919 roku Arthur Eddington opisał obserwację załamania światła w pobliżu Słońca podczas całkowitego zaćmienia, potwierdzając przewidywania ogólnej teorii względności.

Od tego czasu wiele innych obserwacji i eksperymentów potwierdziło znaczną część przewidywań teorii, w tym grawitacyjne dylatację czasu, grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, opóźnienie sygnału w polu grawitacyjnym i, jak dotąd tylko pośrednio, promieniowanie grawitacyjne. Ponadto liczne obserwacje interpretuje się jako potwierdzenie jednego z najbardziej tajemniczych i egzotycznych przewidywań ogólnej teorii względności – istnienia czarnych dziur.

Pomimo oszałamiającego sukcesu ogólnej teorii względności, w środowisku naukowym panuje dyskomfort związany z faktem, że nie można jej przeformułować na klasyczną granicę teorii kwantowej ze względu na pojawienie się nieusuwalnych rozbieżności matematycznych przy rozważaniu czarnych dziur i czasoprzestrzeni osobliwości w ogóle. Zaproponowano wiele alternatywnych teorii mających rozwiązać ten problem. Współczesne dane eksperymentalne wskazują, że każdy rodzaj odchylenia od ogólnej teorii względności powinien być bardzo mały, jeśli w ogóle istnieje.

Podstawowe zasady ogólnej teorii względności

Teoria grawitacji Newtona opiera się na koncepcji grawitacji, która jest siłą o dużym zasięgu: działa natychmiastowo w dowolnej odległości. Ten natychmiastowy charakter działania jest niezgodny z paradygmatem pola współczesnej fizyki, a w szczególności ze szczególną teorią względności, stworzoną w 1905 roku przez Einsteina, inspirowaną twórczością Poincarégo i Lorentza. Według teorii Einsteina żadna informacja nie może przemieszczać się szybciej niż prędkość światła w próżni.

Matematycznie siła grawitacji Newtona jest wyprowadzana z energii potencjalnej ciała w polu grawitacyjnym. Potencjał grawitacyjny odpowiadający tej energii potencjalnej jest zgodny z równaniem Poissona, które nie jest niezmienne w przypadku transformacji Lorentza. Powodem niezmienniczości jest to, że energia w szczególnej teorii względności nie jest ilość skalarna i przechodzi do składnika czasu wektora 4. Wektorowa teoria grawitacji okazuje się podobna do teorii pola elektromagnetycznego Maxwella i prowadzi do ujemnej energii fal grawitacyjnych, co jest związane z naturą oddziaływania: podobnie jak ładunki (masa) w grawitacji przyciągają się, a nie odpychają, ponieważ w elektromagnetyzmie. Tym samym teoria grawitacji Newtona jest niezgodna z podstawową zasadą szczególnej teorii względności – niezmiennością praw natury w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia oraz uogólnieniem teorii Newtona na wektory bezpośrednie, zaproponowanym po raz pierwszy przez Poincarégo w 1905 r. praca „O dynamice elektronu” prowadzi do fizycznie niezadowalających wyników.

Einstein rozpoczął poszukiwania teorii grawitacji, która byłaby zgodna z zasadą niezmienności praw natury w stosunku do dowolnego układu odniesienia. Efektem tych poszukiwań była ogólna teoria względności, oparta na zasadzie identyczności masy grawitacyjnej i bezwładnościowej.

Zasada równości mas grawitacyjnych i bezwładnościowych

W klasycznej mechanice Newtona istnieją dwie koncepcje masy: pierwsza odnosi się do drugiego prawa Newtona, a druga do prawa powszechnego ciążenia. Pierwsza masa - bezwładna (lub inercyjna) - to stosunek siły niegrawitacyjnej działającej na ciało do jego przyspieszenia. Druga masa - grawitacyjna (lub, jak to się czasem nazywa, ciężka) - określa siłę przyciągania ciała przez inne ciała i własną siłę przyciągania. Ogólnie rzecz biorąc, te dwie masy są mierzone, jak widać z opisu, w różnych eksperymentach, a zatem wcale nie muszą być względem siebie proporcjonalne. Ich ścisła proporcjonalność pozwala mówić o pojedynczej masie ciała zarówno w oddziaływaniach niegrawitacyjnych, jak i grawitacyjnych. Poprzez odpowiedni dobór jednostek masy te można sobie zrównać. Sama zasada została zaproponowana przez Izaaka Newtona, a równość mas została przez niego zweryfikowana eksperymentalnie ze względną dokładnością 10?3. W koniec XIX stuleci bardziej subtelne eksperymenty przeprowadził Eötvös, zwiększając dokładność testowania zasady do 10–9. W XX wieku technologia eksperymentalna umożliwiła potwierdzenie równości mas ze względną dokładnością 10–12–10–13 (Braginsky, Dicke itp.). Czasami zasadę równości mas grawitacyjnych i bezwładności nazywa się zasadą słabej równoważności. Albert Einstein oparł je na ogólnej teorii względności.

Zasada ruchu po liniach geodezyjnych

Jeżeli masa grawitacyjna jest dokładnie równa masie bezwładności, to w wyrażeniu na przyspieszenie ciała, na które działają tylko siły grawitacyjne, obie masy znoszą się. Dlatego przyspieszenie ciała, a tym samym jego trajektoria, nie zależy od masy i struktura wewnętrzna ciała. Jeżeli wszystkie ciała w tym samym punkcie przestrzeni otrzymają to samo przyspieszenie, to przyspieszenie to można powiązać nie z właściwościami ciał, ale z właściwościami samej przestrzeni w tym punkcie.

Zatem opis oddziaływania grawitacyjnego pomiędzy ciałami można sprowadzić do opisu czasoprzestrzeni, w której poruszają się ciała. Naturalnym założeniem jest założenie, podobnie jak Einstein, że ciała poruszają się na zasadzie bezwładności, to znaczy w taki sposób, że ich przyspieszenie w ich własnym układzie odniesienia wynosi zero. Trajektorie ciał będą wówczas liniami geodezyjnymi, których teorię opracowali matematycy już w XIX wieku.

Same linie geodezyjne można znaleźć, określając w czasoprzestrzeni analogię odległości między dwoma zdarzeniami, tradycyjnie nazywaną przedziałem lub funkcją świata. Przedział w przestrzeni trójwymiarowej i jednowymiarowym czasie (innymi słowy w czterowymiarowej czasoprzestrzeni) jest dany przez 10 niezależnych składowych tensora metrycznego. Te 10 liczb tworzy metrykę przestrzeni. Definiuje „odległość” pomiędzy dwoma nieskończenie bliskimi punktami czasoprzestrzeni w różnych kierunkach. Linie geodezyjne odpowiadające liniom świata ciał fizycznych, których prędkość jest mniejsza od prędkości światła, okazują się liniami największego czasu własnego, czyli czasu mierzonego przez zegar sztywno przymocowany do ciała podążającego tą trajektorią. Współczesne eksperymenty potwierdzają ruch ciał wzdłuż linii geodezyjnych z taką samą dokładnością, jak równość mas grawitacyjnych i bezwładnościowych.

Zakrzywienie czasoprzestrzeni

Jeśli wystrzelisz dwa ciała równolegle do siebie z dwóch bliskich sobie punktów, wówczas w polu grawitacyjnym zaczną one stopniowo albo się zbliżać, albo oddalać. Efekt ten nazywany jest odchyleniem linii geodezyjnej. Podobny efekt można bezpośrednio zaobserwować wystrzelając dwie kule równolegle do siebie wzdłuż gumowej membrany, na której środku umieszczony jest masywny przedmiot. Kulki się rozproszą: ta, która była bliżej obiektu przepychającego się przez membranę, będzie mocniej dążyć do środka niż kula bardziej odległa. Ta rozbieżność (odchylenie) wynika z krzywizny membrany. Podobnie w czasoprzestrzeni odchylenie geodezyjne (rozbieżność trajektorii ciał) wiąże się z jej krzywizną. Zakrzywienie czasoprzestrzeni jest jednoznacznie określone przez jej metrykę – tensor metryczny. Różnica pomiędzy ogólną teorią względności a alternatywnymi teoriami grawitacji polega w większości przypadków właśnie na sposobie powiązania materii (ciał i pól o charakterze niegrawitacyjnym tworzących pole grawitacyjne) z metrycznymi właściwościami czasoprzestrzeni.

Ogólna teoria względności czasoprzestrzennej i silna zasada równoważności

Często błędnie uważa się, że podstawą ogólnej teorii względności jest zasada równoważności pola grawitacyjnego i inercyjnego, którą można sformułować następująco:
Lokalny układ fizyczny, stosunkowo niewielkich rozmiarów, umiejscowiony w polu grawitacyjnym, jest nie do odróżnienia w zachowaniu od tego samego układu znajdującego się w przyspieszonym (względem inercjalnego układu odniesienia) układzie odniesienia, zanurzonym w płaskiej czasoprzestrzeni teorii szczególnej względności.

Czasami tę samą zasadę postuluje się jako „lokalną ważność szczególnej teorii względności” lub nazywa się „zasadą silnej równoważności”.

Historycznie rzecz biorąc, zasada ta odegrała naprawdę dużą rolę w rozwoju ogólnej teorii względności i została wykorzystana przez Einsteina w jej rozwoju. Jednak w najbardziej ostatecznej formie teorii w rzeczywistości nie jest ona zawarta, gdyż czasoprzestrzeń, zarówno w przyspieszonym, jak i w pierwotnym układzie odniesienia w szczególnej teorii względności, jest nie zakrzywiona - płaska, a w ogólna teoria względności jest zakrzywiona przez dowolne ciało i właśnie jej zakrzywienie powoduje przyciąganie grawitacyjne ciał.

Należy zauważyć, że główną różnicą między czasoprzestrzenią ogólnej teorii względności a czasoprzestrzenią szczególnej teorii względności jest jej krzywizna, którą wyraża się wielkością tensora - tensorem krzywizny. W czasoprzestrzeni szczególnej teorii względności tensor jest identycznie równy zero, a czasoprzestrzeń jest płaska.

Z tego powodu nazwa „ogólna teoria względności” nie jest do końca poprawna. Teoria ta jest tylko jedną z wielu teorii grawitacji rozważanych obecnie przez fizyków, podczas gdy szczególna teoria względności (a dokładniej jej zasada metryki czasoprzestrzeni) jest powszechnie akceptowana przez społeczność naukową i stanowi kamień węgielny podstawy współczesnej fizyki. Należy jednak zaznaczyć, że żadna z pozostałych opracowanych teorii grawitacji, poza Ogólną Teorią Względności, nie przetrwała próby czasu i eksperymentów.

Główne konsekwencje ogólnej teorii względności

Zgodnie z zasadą korespondencji, w słabych polach grawitacyjnych przewidywania ogólnej teorii względności pokrywają się z wynikami zastosowania prawa powszechnego ciążenia Newtona z niewielkimi poprawkami, które rosną wraz ze wzrostem natężenia pola.

Pierwszymi przewidywanymi i zweryfikowanymi eksperymentalnie konsekwencjami ogólnej teorii względności były trzy klasyczne efekty wymienione poniżej porządek chronologiczny ich pierwsza kontrola:
1. Dodatkowe przesunięcie peryhelium orbity Merkurego w porównaniu z przewidywaniami mechaniki Newtona.
2. Ugięcie wiązki światła w polu grawitacyjnym Słońca.
3. Grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, czyli dylatacja czasu w polu grawitacyjnym.

Istnieje wiele innych efektów, które można zweryfikować eksperymentalnie. Wśród nich możemy wymienić odchylenie i opóźnienie (efekt Shapiro) fale elektromagnetyczne w polu grawitacyjnym Słońca i Jowisza, efekt Lense-Thirringa (precesja żyroskopu w pobliżu wirującego ciała), astrofizyczne dowody na istnienie czarnych dziur, dowody na emisję fal grawitacyjnych przez bliskie układy gwiazd podwójnych oraz ekspansja Wszechświata.

Jak dotąd nie znaleziono żadnych wiarygodnych dowodów eksperymentalnych obalających ogólną teorię względności. Odchylenia zmierzonych wielkości efektów od przewidywanych przez ogólną teorię względności nie przekraczają 0,1% (dla powyższych trzech klasycznych zjawisk). Mimo to teoretycy z różnych powodów opracowali co najmniej 30 alternatywnych teorii grawitacji, a część z nich umożliwia uzyskanie wyników dowolnie bliskich ogólnej teorii względności przy odpowiednich wartościach parametrów zawartych w teorii.

Szczególna teoria względności (STR) lub częściowa teoria względności to teoria Alberta Einsteina, opublikowana w 1905 roku w pracy „O elektrodynamice ciał ruchomych” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921, czerwiec 1905).

Wyjaśniał ruch pomiędzy różnymi inercjalnymi układami odniesienia lub ruch ciał poruszających się względem siebie ze stałą prędkością. W takim przypadku żadnego z obiektów nie należy traktować jako układu odniesienia, lecz należy je rozpatrywać względem siebie. SRT przewiduje tylko 1 przypadek, gdy 2 ciała nie zmieniają kierunku ruchu i poruszają się równomiernie.

Prawa SRT przestają obowiązywać, gdy jedno z ciał zmieni swoją trajektorię lub zwiększy prędkość. Tutaj ma miejsce ogólna teoria względności (GTR), dając ogólna interpretacja ruch obiektów.

Dwa postulaty, na których opiera się teoria względności:

1. Zasada względności- Według niego we wszystkich istniejących układach odniesienia, które poruszają się względem siebie ze stałą prędkością i nie zmieniają kierunku, obowiązują te same prawa.
2. Zasada prędkości światła- Prędkość światła jest taka sama dla wszystkich obserwatorów i nie zależy od prędkości ich ruchu. Jest to najwyższa prędkość i nic w przyrodzie nie ma większej prędkości. Prędkość światła wynosi 3*10^8 m/s.

Albert Einstein oparł się na danych eksperymentalnych, a nie teoretycznych. To był jeden z elementów jego sukcesu. Nowe dane eksperymentalne posłużyły jako podstawa do stworzenia nowej teorii.

Od połowy XIX wieku fizycy poszukiwali nowego, tajemniczego ośrodka zwanego eterem. Uważano, że eter może przechodzić przez wszystkie obiekty, ale nie uczestniczy w ich ruchu. Według wierzeń o eterze, zmieniając prędkość widza względem eteru, zmienia się także prędkość światła.

Einstein, ufając eksperymentom, odrzucił koncepcję nowego ośrodka eterowego i założył, że prędkość światła jest zawsze stała i nie zależy od żadnych okoliczności, takich jak prędkość samego człowieka.

Przedziały czasu, odległości i ich jednorodność

Szczególna teoria względności łączy czas i przestrzeń. W Materialnym Wszechświecie znane są 3 w przestrzeni: prawa i lewa, przód i tył, góra i dół. Jeśli dodamy do nich kolejny wymiar, zwany czasem, stanie się to podstawą kontinuum czasoprzestrzennego.

Jeśli poruszasz się z małą prędkością, twoje obserwacje nie będą zbieżne z obserwacjami osób poruszających się szybciej.

Późniejsze eksperymenty potwierdziły, że przestrzeni, podobnie jak czasu, nie można postrzegać w ten sam sposób: nasza percepcja zależy od prędkości poruszania się obiektów.

Łączenie energii z masą

Einstein wymyślił wzór łączący energię z masą. Ta formuła jest szeroko stosowana w fizyce i jest znana każdemu uczniowi: E=m*c², w którym E-energia; m - masa ciała, c - prędkość propagacja światła.

Masa ciała rośnie proporcjonalnie do wzrostu prędkości światła. Jeśli osiągniesz prędkość światła, masa i energia ciała staną się bezwymiarowe.

Zwiększając masę obiektu, coraz trudniej jest uzyskać wzrost jego prędkości, czyli dla ciała o nieskończenie dużej masie materialnej potrzebna jest nieskończona energia. Ale w rzeczywistości nie da się tego osiągnąć.

Teoria Einsteina łączyła dwa odrębne postanowienia: położenie masy i położenie energii w jedno ogólne prawo. Umożliwiło to konwersję energii na masę materialną i odwrotnie.