Einsteinova teorija relativnosti se je izkazala za napačno

SRT, TOE - te okrajšave skrivajo znani izraz "teorija relativnosti", ki je znan skoraj vsem. V preprostem jeziku je vse mogoče razložiti, tudi izjavo genija, zato ne obupajte, če se ne spomnite šolskega tečaja fizike, saj je v resnici vse veliko preprostejše, kot se zdi.

Izvor teorije

Torej, začnimo tečaj "Teorija relativnosti za telebane". Albert Einstein je svoje delo objavil leta 1905 in povzročilo razburjenje med znanstveniki. Ta teorija je skoraj v celoti pokrila številne vrzeli in nedoslednosti v fiziki prejšnjega stoletja, poleg vsega pa je revolucionirala idejo o prostoru in času. Mnogim Einsteinovim izjavam so njegovi sodobniki težko verjeli, vendar so poskusi in raziskave le potrdili besede velikega znanstvenika.

Einsteinova teorija relativnosti je na preprost način razložila, s čimer so se ljudje borili stoletja. Lahko ga imenujemo osnova vse sodobne fizike. Pred nadaljevanjem pogovora o teoriji relativnosti pa je treba pojasniti vprašanje izrazov. Zagotovo so mnogi ob branju poljudnoznanstvenih člankov naleteli na dve okrajšavi: STO in GTO. Pravzaprav pomenijo več različne pojme. Prvi je posebna teorija relativnost, druga pa pomeni "splošno teorijo relativnosti".

Samo nekaj zapletenega

STR je starejša teorija, ki je kasneje postala del GTR. Lahko samo upošteva fizikalni procesi za predmete, ki se premikajo z enakomerno hitrostjo. Splošna teorija lahko opiše, kaj se zgodi s pospešenimi objekti, in tudi pojasni, zakaj obstajajo delci gravitona in gravitacija.

Če morate opisati gibanje in tudi odnos prostora in časa, ko se približujete svetlobni hitrosti, lahko to stori posebna teorija relativnosti. Z enostavnimi besedami je to mogoče razložiti na naslednji način: na primer, prijatelji iz prihodnosti so vam dali vesoljsko ladjo, ki lahko leti z veliko hitrostjo. Na nosu vesoljske ladje je top, ki je sposoben izstreliti fotone na vse, kar pride spredaj.

Ko pride do strela, letijo ti delci glede na ladjo s svetlobno hitrostjo, logično pa bi opazovalec, ki miruje, videl vsoto dveh hitrosti (samih fotonov in ladje). Ampak nič takega. Opazovalec bo videl fotone, ki se premikajo s hitrostjo 300.000 m/s, kot da bi bila hitrost ladje enaka nič.

Stvar je v tem, da ne glede na to, kako hitro se predmet premika, je hitrost svetlobe zanj stalna vrednost.

Ta izjava je v osnovi osupljiva logični sklepi kot upočasnjevanje in izkrivljanje časa glede na maso in hitrost predmeta. Na tem temeljijo zapleti številnih znanstvenofantastičnih filmov in TV serij.

Splošna teorija relativnosti

V preprostem jeziku je mogoče razložiti obsežnejšo splošno relativnostno teorijo. Za začetek bi morali upoštevati dejstvo, da je naš prostor štiridimenzionalen. Čas in prostor sta združena v tak »subjekt«, kot je »prostorsko-časovni kontinuum«. V našem prostoru so štiri koordinatne osi: x, y, z in t.

Toda ljudje ne morejo neposredno zaznati štirih dimenzij, tako kot hipotetična ravna oseba, ki živi v dvodimenzionalnem svetu, ne more pogledati navzgor. Pravzaprav je naš svet le projekcija štiridimenzionalnega prostora v tridimenzionalni prostor.

Zanimiv podatek je, da se po splošni teoriji relativnosti telesa med gibanjem ne spreminjajo. Objekti štiridimenzionalnega sveta so namreč vedno nespremenjeni, pri gibanju pa se spreminjajo le njihove projekcije, kar zaznavamo kot popačenje časa, zmanjševanje ali povečevanje velikosti ipd.

Eksperiment z dvigalom

Teorijo relativnosti je mogoče preprosto razložiti z majhnim miselnim eksperimentom. Predstavljajte si, da ste v dvigalu. Kabina se je začela premikati in znašli ste se v breztežnostnem stanju. Kaj se je zgodilo? Razloga sta lahko dva: ali je dvigalo v vesolju ali pa je v prostem padu pod vplivom gravitacije planeta. Najbolj zanimivo je, da je nemogoče ugotoviti vzrok breztežnosti, če ni mogoče pogledati iz kabine dvigala, torej sta oba procesa videti enako.

Morda je Albert Einstein po izvedbi podobnega miselnega eksperimenta prišel do zaključka, da če se ti dve situaciji med seboj ne razlikujeta, potem v resnici telo pod vplivom gravitacije ni pospešeno, ampak je enakomerno gibanje, ki je ukrivljeno pod vpliv masivnega telesa (in v tem primeru planeti). Tako je pospešeno gibanje le projekcija enakomernega gibanja v tridimenzionalni prostor.

Dober primer

Še ena dober primer na temo "Teorija relativnosti za telebane." Ni povsem pravilno, je pa zelo preprosto in jasno. Če kateri koli predmet položite na raztegnjeno tkanino, se pod njim naredi "upogib" ali "lijak". Vsa manjša telesa bodo prisiljena popačiti svojo trajektorijo glede na nov ovinek prostora in če ima telo malo energije, tega lijaka morda sploh ne bo premagalo. Vendar pa z vidika samega gibljivega predmeta pot ostane ravna; ne bodo čutili upogibanja prostora.

Gravity "degradiran"

S pojavom splošne teorije relativnosti je gravitacija prenehala biti sila in je zdaj zadovoljna s preprosto posledico ukrivljenosti časa in prostora. Splošna relativnost se morda zdi fantastična, vendar je delujoča različica in je potrjena s poskusi.

Teorija relativnosti lahko pojasni marsikaj na videz neverjetnega v našem svetu. Preprosto povedano, se takšne stvari imenujejo posledice splošne teorije relativnosti. Na primer, svetlobni žarki, ki letijo blizu masivnih teles, so upognjeni. Poleg tega so številni predmeti iz globokega vesolja skriti drug za drugim, a zaradi dejstva, da se svetlobni žarki ukrivljajo okoli drugih teles, so na videz nevidni objekti dostopni našim očem (natančneje očem teleskopa). Kot bi gledal skozi zidove.

Večja kot je gravitacija, počasneje teče čas na površini predmeta. To ne velja samo za masivna telesa, kot so nevtronske zvezde ali črne luknje. Učinek dilatacije časa lahko opazimo celo na Zemlji. Satelitske navigacijske naprave so na primer opremljene z zelo natančnimi atomskimi urami. So v orbiti našega planeta in tam čas teče nekoliko hitreje. Stotinke sekunde v dnevu bodo seštele številko, ki bo dala do 10 km napake pri izračunih poti na Zemlji. To napako nam omogoča izračunati relativnostna teorija.

Poenostavljeno lahko rečemo takole: splošna relativnost je osnova številnih sodobnih tehnologij in zahvaljujoč Einsteinu lahko zlahka najdemo picerijo in knjižnico na neznanem območju.

gradivo iz knjige "Kratka zgodovina časa" avtorjev Stephena Hawkinga in Leonarda Mlodinowa

Relativnost

Einsteinov temeljni postulat, imenovan načelo relativnosti, pravi, da morajo biti vsi zakoni fizike enaki za vse prosto gibajoče se opazovalce, ne glede na njihovo hitrost. Če je hitrost svetlobe konstantna, bi moral vsak prosto gibajoči opazovalec zabeležiti isto vrednost ne glede na hitrost, s katero se približuje ali oddaljuje od vira svetlobe.

Zahteva, da se vsi opazovalci strinjajo glede hitrosti svetlobe, zahteva spremembo koncepta časa. Po relativnostni teoriji bosta opazovalec, ki potuje na vlaku, in tisti, ki stoji na peronu, različni v oceni razdalje, ki jo prepotuje svetloba. In ker je hitrost razdalja, deljena s časom, je edini način, da se opazovalci strinjajo glede hitrosti svetlobe, če se ne strinjajo tudi glede časa. Z drugimi besedami, teorija relativnosti je končala idejo o absolutnem času! Izkazalo se je, da mora imeti vsak opazovalec svoje merilo časa in ni nujno, da bodo enake ure za različne opazovalce kazale enak čas.

Ko rečemo, da ima prostor tri dimenzije, mislimo, da lahko položaj točke v njem izrazimo s tremi števili – koordinatami. Če v opis vnesemo čas, dobimo štiridimenzionalni prostor-čas.

Druga dobro znana posledica relativnostne teorije je enakovrednost mase in energije, izražena z Einsteinovo znamenito enačbo E = mс 2 (kjer je E energija, m masa telesa, c je svetlobna hitrost). Zaradi enakovrednosti energije in mase se kinetična energija, ki materialni predmet ima, zaradi svojega gibanja, povečuje svojo maso. Z drugimi besedami, predmet postane težje pospešiti.

Ta učinek je pomemben samo za telesa, ki se gibljejo s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti. Na primer, pri hitrosti, ki je enaka 10% hitrosti svetlobe, bo masa telesa le za 0,5% večja kot v mirovanju, pri hitrosti, ki je enaka 90% hitrosti svetlobe, pa bo masa več kot dvakrat večja. tistega normalnega. Ko se telo približuje svetlobni hitrosti, se masa telesa vedno hitreje povečuje, zato je za njegovo pospeševanje potrebna vedno več energije. Po teoriji relativnosti objekt nikoli ne more doseči svetlobne hitrosti, saj bi v tem primeru njegova masa postala neskončna, zaradi enakovrednosti mase in energije pa bi bila za to potrebna neskončna energija. Zato relativnostna teorija za vedno obsodi vsako navadno telo, da se giblje s hitrostjo, manjšo od svetlobne. Le svetlobni ali drugi valovi, ki nimajo lastne mase, lahko potujejo s svetlobno hitrostjo.

Zvit prostor

Einsteinova splošna relativnostna teorija temelji na revolucionarni predpostavki, da gravitacija ni običajna sila, temveč posledica dejstva, da prostor-čas ni raven, kot se je mislilo doslej. V splošni teoriji relativnosti je prostor-čas upognjen ali ukrivljen zaradi mase in energije, ki sta v njem. Telesa, kot je Zemlja, se gibljejo po ukrivljenih orbitah, ki niso pod vplivom sile, imenovane gravitacija.

Ker je geodetska črta najkrajša linija med dvema letališčema navigatorji vodijo letala točno po teh poteh. Na primer, lahko sledite odčitkom kompasa in preletite 5966 kilometrov od New Yorka do Madrida skoraj proti vzhodu vzdolž geografskega vzporednika. Če boste leteli zraven, boste morali prevoziti le 5.802 kilometra velik krog, najprej proti severovzhodu, nato pa se postopoma obrača proti vzhodu in nato proti jugovzhodu. Ogled teh dveh poti na zemljevidu, kjer zemeljsko površje izkrivljeno (predstavljeno ravno), varljivo. Ko se premikate »naravnost« proti vzhodu od ene do druge točke na površju zemeljske oble, se dejansko ne premikate po ravni črti, oziroma ne po najkrajši geodetski črti.

Če pot vesoljskega plovila, ki se premika v ravni črti skozi vesolje, projiciramo na dvodimenzionalno površino Zemlje, se izkaže, da je ukrivljena.

Po splošni relativnosti bi morala gravitacijska polja ukriviti svetlobo. Teorija na primer predvideva, da bi se morali v bližini Sonca svetlobni žarki rahlo upogniti proti njemu pod vplivom mase zvezde. To pomeni, da bo svetloba oddaljene zvezde, če gre slučajno blizu Sonca, odstopala za majhen kot, zato opazovalec na Zemlji zvezde ne bo videl točno tam, kjer se dejansko nahaja.

Naj spomnimo, da so po osnovnem postulatu posebne relativnostne teorije vsi fizikalni zakoni enaki za vse prosto gibajoče opazovalce, ne glede na njihovo hitrost. Grobo rečeno, načelo enakovrednosti razširja to pravilo na tiste opazovalce, ki se ne gibljejo prosto, ampak pod vplivom gravitacijskega polja.

V dovolj majhnih območjih vesolja je nemogoče oceniti, ali mirujete v gravitacijskem polju ali se premikate s stalnim pospeškom v praznem prostoru.

Predstavljajte si, da ste v dvigalu sredi praznega prostora. Ni gravitacije, ni "gor" in "dol". Svobodno lebdiš. Dvigalo se nato začne premikati s stalnim pospeškom. Nenadoma začutite težo. To pomeni, da ste pritisnjeni na eno od sten dvigala, ki jo zdaj dojemamo kot tla. Če dvignete jabolko in ga izpustite, bo padlo na tla. Pravzaprav se bo zdaj, ko se premikate pospešeno, vse v dvigalu dogajalo popolnoma enako, kot če se dvigalo sploh ne bi premikalo, ampak bi mirovalo v enotnem gravitacijskem polju. Einstein je ugotovil, da ko ste v vagonu vlaka, ne morete ugotoviti, ali stoji ali se giblje enakomerno, tako tudi, ko ste v dvigalu, ne morete ugotoviti, ali se premika s stalnim pospeškom ali je v enakomernem gravitacijskem polju. Rezultat tega razumevanja je bilo načelo enakovrednosti.

Načelo enakovrednosti in navedeni primer njegove manifestacije bosta veljavna le, če bosta vztrajnostna masa (del drugega Newtonovega zakona, ki določa, koliko pospeška daje telesu sila, ki deluje na telo) in gravitacijska masa (del Newtonovega zakona) gravitacije, ki določa obseg gravitacijskega privlaka) so enake stvari.

Einsteinova uporaba enakovrednosti vztrajnostnih in gravitacijskih mas za izpeljavo načela enakovrednosti in navsezadnje celotne splošne teorije relativnosti je primer vztrajnega in doslednega razvoja logičnih zaključkov brez primere v zgodovini človeške misli.

Dilatacija časa

Druga napoved splošne teorije relativnosti je, da bi se moral čas upočasniti v bližini masivnih teles, kot je Zemlja.

Zdaj, ko smo seznanjeni z načelom enakovrednosti, lahko sledimo Einsteinovemu razmišljanju tako, da izvedemo še en miselni eksperiment, ki pokaže, zakaj gravitacija vpliva na čas. Predstavljajte si raketo, ki leti v vesolje. Zaradi udobja bomo predpostavili, da je njegovo telo tako veliko, da svetloba potrebuje celo sekundo, da preide mimo njega od zgoraj navzdol. Na koncu predpostavimo, da sta v raketi dva opazovalca: eden zgoraj, blizu stropa, drugi spodaj, na tleh, in oba sta opremljena z isto uro, ki šteje sekunde.

Predpostavimo, da zgornji opazovalec, ko počaka, da njegova ura odšteva, takoj pošlje svetlobni signal spodnjemu. Pri naslednjem štetju pošlje drugi signal. Glede na naše pogoje bo trajala ena sekunda, da vsak signal doseže spodnjega opazovalca. Ker zgornji opazovalec oddaja dva svetlobna signala z intervalom ene sekunde, ju bo z enakim intervalom registriral tudi spodnji opazovalec.

Kaj bi se spremenilo, če bi raketa v tem eksperimentu namesto, da bi prosto lebdela v vesolju, stala na Zemlji in doživljala delovanje gravitacije? Po Newtonovi teoriji gravitacija na noben način ne bo vplivala na stanje stvari: če opazovalec zgoraj oddaja signale z intervalom sekunde, jih bo opazovalec spodaj prejel v enakem intervalu. Toda načelo enakovrednosti napoveduje drugačen razvoj dogodkov. Katero, lahko razumemo, če v skladu z načelom enakovrednosti miselno zamenjamo delovanje težnosti s stalnim pospeškom. To je en primer, kako je Einstein uporabil načelo enakovrednosti za ustvarjanje svoje nove teorije gravitacije.

Recimo, da naša raketa pospešuje. (Predpostavili bomo, da pospešuje počasi, tako da se njegova hitrost ne približuje svetlobni hitrosti.) Ker se telo rakete premika navzgor, bo moral prvi signal prepotovati manjšo razdaljo kot prej (preden se začne pospeševanje), in bo prispel do spodnjega opazovalca prej kot po drugi. Če bi se raketa gibala s konstantno hitrostjo, bi drugi signal prišel popolnoma enako prej, tako da bi interval med signaloma ostal enak eni sekundi. Toda v trenutku pošiljanja drugega signala se raketa zaradi pospeška giblje hitreje kot v trenutku pošiljanja prvega, zato bo drugi signal prepotoval krajšo razdaljo kot prvi in ​​bo potreboval še manj časa. Spodnji opazovalec, ki gleda na uro, bo zabeležil, da je interval med signali krajši od ene sekunde, in se ne bo strinjal z zgornjim opazovalcem, ki trdi, da je poslal signale točno eno sekundo kasneje.

V primeru pospeševalne rakete ta učinek verjetno ne bi smel biti posebej presenetljiv. Navsezadnje smo pravkar razložili! Vendar ne pozabite: načelo enakovrednosti pravi, da se ista stvar zgodi, ko raketa miruje v gravitacijskem polju. Posledično, tudi če raketa ne pospešuje, ampak na primer stoji na izstrelitveni ploščadi na površini Zemlje, bodo signali, ki jih pošlje zgornji opazovalec v intervalu sekunde (glede na njegovo uro), prispeli do spodnji opazovalec z manjšim intervalom (glede na njegovo uro) . To je res neverjetno!

Gravitacija spreminja tok časa. Tako kot nam posebna relativnost pravi, da čas teče drugače za opazovalce, ki se gibljejo relativno drug glede na drugega, nam splošna relativnost pravi, da čas teče drugače za opazovalce v različnih gravitacijskih poljih. Po splošni teoriji relativnosti spodnji opazovalec zaznava krajši interval med signali, ker čas na površju Zemlje teče počasneje, ker je tam gravitacija močnejša. Močnejše kot je gravitacijsko polje, večji je ta učinek.

Tudi naša biološka ura se odziva na spremembe v minevanju časa. Če en dvojček živi na vrhu gore, drugi pa ob morju, se bo prvi staral hitreje kot drugi. V tem primeru bo razlika v starosti zanemarljiva, močno pa se bo povečala takoj, ko bo eden od dvojčkov odšel na dolgo pot v vesoljski ladji, ki pospeši do svetlobne hitrosti. Ko se potepuh vrne, bo veliko mlajši od svojega brata, ki je ostal na Zemlji. Ta primer je znan kot paradoks dvojčkov, vendar je paradoks le za tiste, ki se oklepajo ideje o absolutnem času. V teoriji relativnosti ni edinstvenega absolutnega časa – vsak posameznik ima svojo mero časa, ki je odvisna od tega, kje je in kako se giblje.

S pojavom ultra natančnih navigacijskih sistemov, ki sprejemajo signale s satelitov, je razlika v taktih na različnih nadmorskih višinah pridobila praktičen pomen. Če bi oprema prezrla napovedi splošne teorije relativnosti, bi lahko bila napaka pri določanju lokacije večkilometrska!

Pojav splošne teorije relativnosti je radikalno spremenil situacijo. Prostor in čas sta dobila status dinamičnih entitet. Ko se telesa premikajo ali delujejo sile, povzročajo ukrivljenost prostora in časa, zgradba prostora-časa pa vpliva na gibanje teles in delovanje sil. Prostor in čas ne le vplivata na vse, kar se dogaja v vesolju, ampak sta od vsega tega odvisna tudi sama.

Predstavljajmo si neustrašnega astronavta, ki med katastrofalnim krčenjem ostane na površini zvezde, ki se seseda. V nekem trenutku po njegovi uri, recimo ob 11. uri, se bo zvezda skrčila na kritični radij, nad katerim se gravitacijsko polje tako okrepi, da je nemogoče pobegniti iz njega. Zdaj pa predpostavimo, da mora astronavt v skladu z navodili poslati signal vsako sekundo na svoji uri vesoljskemu plovilu, ki je v orbiti na določeni razdalji od središča zvezde. Signale začne oddajati ob 10:59:58, torej dve sekundi pred 11:00. Kaj bo posadka registrirala na krovu vesoljskega plovila?

Prej, ko smo izvedli miselni eksperiment s prenosom svetlobnih signalov znotraj rakete, smo bili prepričani, da gravitacija upočasnjuje čas in močnejša kot je, pomembnejši je učinek. Astronavt na površini zvezde je v močnejšem gravitacijskem polju kot njegovi kolegi v orbiti, zato bo ena sekunda na njegovi uri trajala dlje kot sekunda na ladijski uri. Ko se astronavt premika s površjem proti središču zvezde, postaja polje, ki deluje nanj, vedno močnejše, tako da se intervali med njegovimi signali, ki jih prejme na krovu vesoljskega plovila, nenehno podaljšujejo. Ta časovna dilatacija bo zelo majhna do 10:59:59, tako da bo za astronavte v orbiti interval med signaloma, poslanima ob 10:59:58 in ob 10:59:59, zelo malo daljši od sekunde. Toda signala, poslanega ob 11:00, ladja ne bo več sprejela.

Vse, kar se zgodi na površini zvezde med 10:59:59 in 11:00 na astronavtovi uri, se bo na uri vesoljskega plovila raztegnilo v neskončno časovno obdobje. Ko se bliža 11:00, se bodo intervali med prihodom zaporednih vrhov in dolžin svetlobnih valov, ki jih oddaja zvezda, v orbito vedno daljšali; enako se bo zgodilo s časovnimi intervali med astronavtovimi signali. Ker je frekvenca sevanja določena s številom grebenov (ali vdolbin), ki prihajajo na sekundo, bo vesoljsko plovilo beležilo čedalje nižje frekvenčno sevanje zvezde. Svetloba zvezde bo postajala vse bolj rdeča in hkrati bledela. Sčasoma bo zvezda postala tako temna, da bo postala nevidna za opazovalce na vesoljskem plovilu; vse kar bo ostalo je črna luknja v vesolju. Vendar pa je učinek zvezdne gravitacije na vesoljsko plovilo bo ostal in bo še naprej krožil.

Pravijo, da je Albert Einstein v trenutku doživel epifanijo. Znanstvenik se je domnevno vozil s tramvajem v Bernu (Švica), pogledal na ulično uro in nenadoma ugotovil, da če bi tramvaj zdaj pospešil do svetlobne hitrosti, bi se ta ura po njegovem mnenju ustavila - in časa ne bi bilo. To ga je pripeljalo do oblikovanja enega osrednjih postulatov relativnosti – da različni opazovalci različno dojemajo realnost, vključno s tako temeljnimi količinami, kot sta razdalja in čas.

Znanstveno gledano je tistega dne Einstein ugotovil, da je opis vsakega fizičnega dogodka ali pojava odvisen od referenčni sistemi, v kateri se nahaja opazovalec. Če na primer sopotnica v tramvaju spusti očala, bodo zanjo padla navpično navzdol, za pešca, ki stoji na ulici, pa bodo očala padla v paraboli, saj se tramvaj med padanjem očal premika. Vsak ima svoj referenčni okvir.

A čeprav se opisi dogodkov spreminjajo, ko prehajamo iz enega referenčnega okvira v drugega, obstajajo tudi univerzalne stvari, ki ostajajo nespremenjene. Če namesto opisa padca kozarcev postavimo vprašanje o naravnem zakonu, ki povzroča padec kozarcev, bo odgovor nanj enak za opazovalca v mirujočem koordinatnem sistemu in za opazovalca v gibljivi koordinati. sistem. Zakon porazdeljenega gibanja velja enako na ulici in v tramvaju. Z drugimi besedami, medtem ko je opis dogajanja odvisen od opazovalca, naravni zakoni niso odvisni od njega, torej, kot se običajno reče v znanstvenem jeziku, so invariant. Za to gre načelo relativnosti.

Kot vsako hipotezo je bilo treba tudi načelo relativnosti preveriti tako, da ga povežemo z resničnimi naravnimi pojavi. Iz načela relativnosti je Einstein izpeljal dve ločeni (čeprav povezani) teoriji. Posebna ali partikularna teorija relativnosti izhaja iz stališča, da so naravni zakoni enaki za vse referenčne sisteme, ki se gibljejo s konstantno hitrostjo. Splošna teorija relativnosti razširja to načelo na kateri koli referenčni okvir, vključno s tistimi, ki se premikajo s pospeškom. Posebna teorija relativnosti je bila objavljena leta 1905, matematično bolj zapleteno splošno teorijo relativnosti pa je Einstein dokončal do leta 1916.

Posebna teorija relativnosti

Večino paradoksalnih in kontraintuitivnih učinkov, ki nastanejo pri gibanju s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti, predvideva posebna teorija relativnosti. Najbolj znan med njimi je učinek upočasnjevanja ure, oz učinek dilatacije časa. Ura, ki se premika relativno glede na opazovalca, gre zanj počasneje kot popolnoma enaka ura v njegovih rokah.

Čas v koordinatnem sistemu, ki se giblje s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti glede na opazovalca, se raztegne, prostorski obseg (dolžina) predmetov vzdolž osi smeri gibanja pa je, nasprotno, stisnjen. Ta učinek, znan kot Lorentz-Fitzgeraldova kontrakcija, je leta 1889 opisal irski fizik George Fitzgerald (1851-1901), leta 1892 pa razširil Nizozemec Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgeraldova redukcija pojasnjuje, zakaj je Michelson-Morleyjev eksperiment za določanje hitrosti Zemlje v vesolju z merjenjem "eterskega vetra" dal negativen rezultat. Te enačbe je Einstein pozneje vključil v posebno teorijo relativnosti in jih dopolnil s podobno pretvorno formulo za maso, po kateri se s približevanjem hitrosti telesa svetlobni hitrosti povečuje tudi masa telesa. Tako se bo pri hitrosti 260.000 km/s (87 % svetlobne hitrosti) masa predmeta z vidika opazovalca, ki se nahaja v mirujočem referenčnem sistemu, podvojila.

Od časa Einsteina so vse te napovedi, ne glede na to, kako v nasprotju z zdravo pametjo se zdijo, našle popolno in neposredno eksperimentalno potrditev. V enem najbolj odkritih poskusov so znanstveniki z Univerze v Michiganu na potniško letalo, ki opravlja redne čezatlantske lete, postavili izjemno natančne atomske ure in po vsaki vrnitvi na domače letališče primerjali njihove odčitke s kontrolno uro. Izkazalo se je, da je ura na letalu postopoma vedno bolj zaostajala za kontrolno uro (tako rekoč, ko smo že pri delčkih sekunde). Zadnjih pol stoletja so znanstveniki preučevali osnovne delce z uporabo ogromnih kompleksov strojne opreme, imenovanih pospeševalniki. V njih se žarki nabitih subatomskih delcev (kot so protoni in elektroni) pospešijo do hitrosti blizu svetlobne hitrosti, nato pa se izstrelijo na različne jedrske tarče. Pri takšnih poskusih v pospeševalnikih je treba upoštevati povečanje mase pospešenih delcev - v nasprotnem primeru rezultati poskusa preprosto ne bodo primerni za razumno interpretacijo. In v tem smislu je posebna teorija relativnosti že dolgo prešla iz kategorije hipotetičnih teorij na področje uporabnih inženirskih orodij, kjer se uporablja enako kot Newtonovi zakoni mehanike.

Če se vrnem k Newtonovim zakonom, bi rad še posebej poudaril, da posebna teorija relativnosti, čeprav je navzven v nasprotju z zakoni klasične Newtonove mehanike, v resnici skoraj natančno reproducira vse običajne enačbe Newtonovih zakonov, če jo uporabimo za opisovanje gibajočih se teles. s hitrostjo bistveno manjšo od svetlobne. To pomeni, da posebna teorija relativnosti ne odpravlja Newtonove fizike, ampak jo širi in dopolnjuje.

Načelo relativnosti tudi pomaga razumeti, zakaj ima svetlobna hitrost in ne katera koli druga tako pomembno vlogo v tem modelu zgradbe sveta – to je vprašanje, ki si ga zastavljajo številni tisti, ki so se prvič srečali z teorija relativnosti. Hitrost svetlobe izstopa in se igra posebno vlogo univerzalna konstanta, ker jo določa naravoslovni zakon. Zaradi načela relativnosti hitrost svetlobe v vakuumu c je enak v katerem koli referenčnem sistemu. Zdi se, da je to v nasprotju z zdravo pametjo, saj se izkaže, da svetloba iz premikajočega se vira (ne glede na to, kako hitro se giblje) in iz mirujočega vira doseže opazovalca istočasno. Vendar je to res.

Zaradi posebne vloge v naravnih zakonih zavzema svetlobna hitrost osrednje mesto v splošni teoriji relativnosti.

Splošna teorija relativnosti

Splošna teorija relativnosti velja za vse referenčne sisteme (in ne le za tiste, ki se gibljejo s konstantno hitrostjo relativno drug glede na drugega) in je matematično videti precej bolj zapletena kot posebna (kar pojasnjuje enajstletni presledek med njihovo objavo). Kot poseben primer vključuje posebno teorijo relativnosti (in s tem Newtonove zakone). Hkrati gre splošna teorija relativnosti veliko dlje od vseh svojih predhodnic. Predvsem daje novo razlago gravitacije.

Splošna teorija relativnosti naredi svet štiridimenzionalen: trem prostorskim dimenzijam je dodan čas. Vse štiri dimenzije so neločljive, zato ne govorimo več o prostorski razdalji med dvema objektoma, kot je to v tridimenzionalnem svetu, temveč o prostorsko-časovnih intervalih med dogodki, ki združujejo njihovo medsebojno oddaljenost – oba v času in v prostoru. To pomeni, da se prostor in čas obravnavata kot štiridimenzionalni prostorsko-časovni kontinuum ali, preprosto, prostor-čas. V tem kontinuumu se lahko opazovalci, ki se gibljejo relativno drug glede na drugega, celo ne strinjajo o tem, ali sta se dva dogodka zgodila hkrati ali pa je eden pred drugim. Na srečo naše uboge pameti ne pride do kršitve vzročno-posledičnih zvez – torej tudi splošna teorija relativnosti ne dopušča obstoja koordinatnih sistemov, v katerih se dva dogodka ne zgodita hkrati in v različnih zaporedja.

Newtonov zakon univerzalne gravitacije nam pove, da med katerima koli telesoma v vesolju obstaja sila medsebojne privlačnosti. S tega vidika se Zemlja vrti okoli Sonca, saj med njima delujejo medsebojne sile privlačnosti. Splošna teorija relativnosti pa nas sili, da na ta pojav pogledamo drugače. Po tej teoriji je gravitacija posledica deformacije (»ukrivljenosti«) elastične tkanine prostora-časa pod vplivom mase (težje ko je telo, npr. Sonce, bolj se prostor-čas »upogiba« pod in s tem močnejše polje gravitacijske sile). Predstavljajte si tesno napeto platno (neke vrste trampolin), na katerega je postavljena masivna žoga. Platno se pod težo žoge deformira, okoli njega pa nastane lijakasta vdolbina. Po splošni teoriji relativnosti se Zemlja vrti okoli Sonca kot majhna kroglica, ki se je začela vrteti okoli stožca lijaka, ki nastane kot posledica "potiskanja" prostora-časa s strani težke krogle - Sonca. In to, kar se nam zdi sila gravitacije, je v bistvu zgolj zunanja manifestacija ukrivljenosti prostora-časa in sploh ni sila v Newtonovem razumevanju. Do danes ni boljše razlage narave gravitacije, kot nam jo daje splošna teorija relativnosti.

Preizkušanje splošne teorije relativnosti je težko, ker so v normalnih laboratorijskih pogojih njeni rezultati skoraj popolnoma enaki tistim, ki jih napoveduje Newtonov zakon gravitacije. Kljub temu je bilo izvedenih nekaj pomembnih poskusov, njihovi rezultati pa nam omogočajo, da menimo, da je teorija potrjena. Poleg tega splošna teorija relativnosti pomaga razložiti pojave, ki jih opazujemo v vesolju, kot so rahla odstopanja Merkurja od njegove stacionarne orbite, ki so nerazložljiva s stališča klasične Newtonove mehanike, ali upogibanje elektromagnetnega sevanja oddaljenih zvezd ob njegovem prehodu v neposredni bližini Sonca.

Pravzaprav se rezultati, ki jih napoveduje splošna teorija relativnosti, izrazito razlikujejo od tistih, ki jih napovedujejo Newtonovi zakoni, samo v prisotnosti super močnih gravitacijskih polj. To pomeni, da za popoln preizkus splošne teorije relativnosti potrebujemo ultra natančne meritve zelo masivnih predmetov ali črnih lukenj, za katere ni uporabna nobena od naših običajnih intuitivnih idej. Torej razvoj novih eksperimentalne metode preverjanje relativnostne teorije ostaja ena najpomembnejših nalog eksperimentalne fizike.

GTO in RTG: nekaj poudarkov

1. V neštetih knjigah - monografijah, učbenikih in poljudnoznanstvenih publikacijah, pa tudi v različnih vrstah člankov - so bralci navajeni videti sklicevanja na splošno teorijo relativnosti (GTR) kot enega največjih dosežkov našega stoletja, čudovito teorijo, nepogrešljivo orodje sodobne fizike in astronomije. Medtem pa iz članka A. A. Logunova izvejo, da je treba po njegovem mnenju GTR opustiti, da je slab, nedosleden in protisloven. Zato je treba GTR zamenjati s kakšno drugo teorijo in še posebej z relativistično teorijo gravitacije (RTG), ki so jo zgradili A. A. Logunov in njegovi sodelavci.

Ali je možna taka situacija, ko se veliko ljudi zmoti pri oceni GTR, ki obstaja in se preučuje že več kot 70 let, in le nekaj ljudi, na čelu z A. A. Logunovim, dejansko ugotovi, da je treba GTR zavreči? Večina bralcev verjetno pričakuje odgovor: to je nemogoče. Pravzaprav lahko odgovorim le ravno nasprotno: »to« je načeloma mogoče, saj ne govorimo o veri, ampak o znanosti.

Ustanovitelji in preroki različne vere in veroizpovedi so ustvarili in ustvarjajo svoje »svete knjige«, katerih vsebina je razglašena za končno resnico. Če kdo dvomi, toliko slabše zanj, postane krivoverec s posledicami, ki iz tega izhajajo, pogosto celo krvave. Bolje je sploh ne razmišljati, ampak verjeti, slediti znani formuli enega od cerkvenih voditeljev: "Verjamem, ker je absurdno." Znanstveni pogled na svet je v osnovi nasproten: zahteva, da ničesar ne jemljemo za samoumevno, dopušča dvom o vsem in ne priznava dogem. Pod vplivom novih dejstev in premislekov ni le mogoče, ampak tudi potrebno, če je upravičeno, spremeniti svoje stališče, zamenjati nepopolno teorijo z bolj popolno ali, recimo, nekako posplošiti staro teorijo. Podobno je pri posameznikih. Utemeljitelji verskih doktrin veljajo za nezmotljive in na primer med katoličani je za nezmotljivega razglašena celo živa oseba - "vladajoči" papež. Znanost ne pozna nezmotljivih ljudi. Veliko, včasih celo izjemno spoštovanje, ki ga imajo fiziki (da se razumemo, govoril bom o fizikih) do velikih predstavnikov svojega poklica, še posebej do takšnih titanov, kot sta Isaac Newton in Albert Einstein, nima nobene zveze s kanonizacijo svetnikov. , s pobožanstvom. In veliki fiziki so ljudje in vsi ljudje imajo svoje slabosti. Če govorimo o znanosti, ki nas tukaj samo zanima, potem največji fiziki niso imeli vedno prav v vsem in spoštovanje njihovih zaslug ne temelji na nezmotljivosti, temveč na tem, da so znanost obogatili z izjemnimi dosežki; , da vidijo dlje in globlje kot njihovi sodobniki.

2. Zdaj se je treba posvetiti zahtevam za temeljne fizikalne teorije.

Prvič, taka teorija mora biti popolna na področju svoje uporabnosti ali, kot bom rekel na kratko, mora biti konsistentna. Drugič, fizikalna teorija mora biti ustrezna fizični realnosti ali, preprosteje rečeno, skladna s poskusi in opazovanji. Lahko bi omenili še druge zahteve, predvsem skladnost z zakoni in pravili matematike, vendar je vse to implicirano. Povedano pojasnimo na primeru klasične, nerelativistične mehanike - Newtonove mehanike, ki se uporablja za načeloma najenostavnejši problem gibanja nekega "točkastega" delca. Kot je znano, lahko vlogo takega delca v problemih nebesne mehanike igra cel planet ali njegov satelit. Prepustite se trenutku t 0 delec je v točki A s koordinatami(Povedano pojasnimo na primeru klasične, nerelativistične mehanike - Newtonove mehanike, ki se uporablja za načeloma najenostavnejši problem gibanja nekega "točkastega" delca. Kot je znano, lahko vlogo takega delca v problemih nebesne mehanike igra cel planet ali njegov satelit. Prepustite se trenutku xiA ) in ima hitrost v(Povedano pojasnimo na primeru klasične, nerelativistične mehanike - Newtonove mehanike, ki se uporablja za načeloma najenostavnejši problem gibanja nekega "točkastega" delca. Kot je znano, lahko vlogo takega delca v problemih nebesne mehanike igra cel planet ali njegov satelit. Prepustite se trenutku iA ) (Tukaj= l, 2, 3, ker je položaj točke v prostoru označen s tremi koordinatami, hitrost pa je vektor). Potem, če so znane vse sile, ki delujejo na delec, nam zakoni mehanike omogočajo določitev položaja B in hitrost delcev v i kadar koli pozneje t, to je najti natančno definirane vrednosti xiB(t) in v iB(t). Kaj bi se zgodilo, če uporabljeni zakoni mehanike ne bi dajali enoznačnega odgovora in bi recimo v našem primeru napovedali, da bo delec v tem trenutku t se lahko nahaja bodisi na točki B, ali na povsem drugi točki C? Jasno je, da bi bila takšna klasična (nekvantna) teorija nepopolna oziroma, v omenjeni terminologiji, nedosledna. Treba bi ga bilo dopolniti in ga narediti nedvoumnega ali pa ga v celoti zavreči. Newtonova mehanika je, kot rečeno, konsistentna – daje nedvoumne in natančno opredeljene odgovore na vprašanja v okviru svojega področja pristojnosti in uporabnosti. Newtonova mehanika izpolnjuje tudi drugo omenjeno zahtevo - na njeni podlagi dobljene rezultate (in posebej vrednosti koordinat x i(t) in hitrost v i (t)) so v skladu z opazovanji in poskusi. Zato je vsa nebesna mehanika - opis gibanja planetov in njihovih satelitov - zaenkrat v celoti in s popolnim uspehom temeljila na Newtonovi mehaniki.

3. Toda leta 1859 je Le Verrier odkril, da je gibanje planeta, ki je najbližje Soncu, Merkurja, nekoliko drugačno od tistega, ki ga je predvidevala Newtonova mehanika. Natančneje, izkazalo se je, da se perihelij - točka planetove eliptične orbite, ki je najbližja Soncu - vrti s kotno hitrostjo 43 kotnih sekund na stoletje, kar je drugače od tistega, kar bi pričakovali ob upoštevanju vseh znanih motenj drugih planetov in njihovi sateliti. Še prej sta Le Verrier in Adams naletela na bistveno podobno situacijo pri analizi gibanja Urana, takrat najbolj oddaljenega planeta od Sonca. In našli so razlago za neskladje med izračuni in opazovanji, ki kaže, da na gibanje Urana vpliva še bolj oddaljen planet, imenovan Neptun. Leta 1846 je bil Neptun dejansko odkrit na predvideni lokaciji in ta dogodek upravičeno velja za zmagoslavje Newtonove mehanike. Povsem seveda je Le Verrier omenjeno anomalijo v gibanju Merkurja poskušal razložiti z obstojem drugega neznan planet- v tem primeru določen planet Vulkan, ki se premika še bližje Soncu. Toda drugič je "trik spodletel" - Vulkan ne obstaja. Nato so začeli poskušati spremeniti Newtonov zakon univerzalne gravitacije, po katerem se gravitacijska sila, ko deluje na sistem Sonce-planet, spreminja po zakonu

kjer je ε neka majhna vrednost. Mimogrede, podobna tehnika se uporablja (čeprav brez uspeha) v naših dneh za razlago nekaterih nejasnih vprašanj astronomije (govorimo o problemu skrite mase; glej na primer avtorjevo knjigo "O fiziki in astrofiziki", citirano spodaj, str. Da pa se hipoteza razvije v teorijo, je treba izhajati iz nekaterih načel, navesti vrednost parametra ε in zgraditi dosledno teoretično shemo. To ni uspelo nikomur in vprašanje rotacije Merkurjevega perihelija je ostalo odprto do leta 1915. Takrat, sredi prve svetovne vojne, ko se je tako malo zanimalo za abstraktne probleme fizike in astronomije, je Einstein dokončal (po približno 8 letih intenzivnih prizadevanj) ustvarjanje splošne teorije relativnosti. Ta zadnja stopnja v izgradnji temeljev GTR je bila zajeta v treh kratkih člankih, ki so bili objavljeni in napisani novembra 1915. V drugem od njih, o katerem so poročali 11. novembra, je Einstein na podlagi splošne teorije relativnosti izračunal dodatno rotacijo perihelija Merkurja v primerjavi z newtonskim, ki se je izkazal za enak (v radianih na obrat planeta okoli sonce)

in c= 3·10 10 cm s –1 – svetlobna hitrost. Pri prehodu na zadnji izraz (1) je bil uporabljen tretji Keplerjev zakon

kje T– obdobje revolucije planeta. Če nadomestimo najboljše trenutno znane vrednosti vseh količin v formulo (1) in naredimo tudi osnovno pretvorbo iz radianov na obrat v rotacijo v ločnih sekundah (znak ″) na stoletje, potem pridemo do vrednosti Ψ = 42 ″,98 / stoletje. Opazovanja se ujemajo s tem rezultatom s trenutno doseženo natančnostjo približno ± 0″.1 / stoletje (Einstein je v svojem prvem delu uporabil manj natančne podatke, vendar je v mejah napake dosegel popolno soglasje med teorijo in opazovanji). Formula (1) je navedena zgoraj, najprej zato, da pojasni njeno preprostost, ki je tako pogosto odsotna v matematično zapletenih fizikalnih teorijah, vključno v mnogih primerih s splošno relativnostjo.

Drugič, in to je glavno, iz (1) je razvidno, da rotacija perihelija izhaja iz splošne teorije relativnosti, ne da bi bilo treba vključiti nove neznane konstante ali parametre. Zato je rezultat, ki ga je dobil Einstein, postal pravo zmagoslavje splošne teorije relativnosti. V najboljšem od mene Einstein izrazi in utemelji mnenje, da je bila razlaga rotacije perihelija Merkurja »najmočnejši čustveni dogodek v celotnem Einsteinovem znanstvenem življenju in morda v njegovem celotnem življenju«. Da, bilo je " najboljša ura»Einstein. Ampak samo zase. Zaradi številnih razlogov (dovolj je omeniti vojno) za samo GR, da sta tako ta teorija kot njen tvorec vstopila na svetovni oder, je bil “finest hour” še en dogodek, ki se je zgodil 4 leta kasneje - leta 1919. Dejstvo je, da je v istem delu, v katerem je bila pridobljena formula (1), Einstein podal pomembno napoved: svetlobni žarki, ki prehajajo blizu Sonca, se morajo upogniti in njihovo odstopanje bi moralo biti

kje r je najbližja razdalja med žarkom in središčem Sonca in r☼ = 6,96·10 10 cm – polmer Sonca (natančneje radij sončna fotosfera); tako je največji odklon, ki ga lahko opazimo, 1,75 kotne sekunde. Ne glede na to, kako majhen je takšen kot (približno pod tem kotom je odrasel človek viden z razdalje 200 km), ga je bilo mogoče že takrat izmeriti z optično metodo s fotografiranjem zvezd na nebu v bližini Sonca. Prav ta opazovanja sta opravili dve angleški ekspediciji med popolnim sončnim mrkom 29. maja 1919. Učinek odklona žarkov v sončnem polju je bil zanesljivo ugotovljen in se ujema s formulo (2), čeprav je bila natančnost meritev zaradi majhnosti učinka majhna. Vendar je bilo izključeno polovico večje odstopanje kot po (2), tj. 0″.87. Slednje je zelo pomembno, saj je odstopanje 0″.87 (s r = r☼) lahko dobimo že iz Newtonove teorije (samo možnost odklona svetlobe v gravitacijskem polju je opazil Newton in leta 1801 dobil izraz za odklonski kot, polovico manjši od formule (2); druga stvar je da je bila ta napoved pozabljena in Einstein zanjo ni vedel). 6. novembra 1919 so o rezultatih ekspedicij poročali v Londonu na skupnem sestanku Kraljeve družbe in Kraljeve astronomske družbe. Kakšen vtis so naredili, je razvidno iz tega, kar je predsednik J. J. Thomson povedal na tem srečanju: »To je najpomembnejši rezultat, pridobljen v povezavi s teorijo gravitacije od Newtona ... Predstavlja enega največjih dosežkov človeške misli. .”

Učinki splošne teorije relativnosti v sončnem sistemu so, kot smo videli, zelo majhni. To je razloženo z dejstvom, da je gravitacijsko polje Sonca (da ne omenjamo planetov) šibko. Slednje pomeni, da je Newtonov gravitacijski potencial Sonca

Zdaj se spomnimo rezultata, znanega iz šolskega tečaja fizike: za krožne tirnice planetov |φ ☼ | = v 2, kjer je v hitrost planeta. Zato lahko šibkost gravitacijskega polja označimo z bolj vizualnim parametrom v 2 / c 2, ki je za sončni sistem, kot smo videli, ne presega vrednosti 2,12·10 – 6. V Zemljini orbiti v = 3 10 6 cm s – 1 in v 2 / c 2 = 10 – 8, za bližnje satelite Zemlje v ~ 8 10 5 cm s – 1 in v 2 / c 2 ~ 7 ·10 – 10 . Posledično testiranje omenjenih učinkov splošne teorije relativnosti tudi s trenutno doseženo natančnostjo 0,1 %, torej z napako, ki ne presega 10 – 3 izmerjene vrednosti (recimo odklon svetlobnih žarkov v polju Sonca), nam še ne omogoča celovitega testiranja splošne relativnosti s točnostjo vrstnih členov

O tem, da bi z zahtevano natančnostjo izmerili, recimo, odklon žarkov znotraj Osončja, lahko le sanjamo. Se pa že pogovarjajo o projektih za ustrezne poskuse. V zvezi z navedenim fiziki pravijo, da je bila splošna relativnost preizkušena predvsem le za šibko gravitacijsko polje. A ene pomembne okoliščine (vsaj jaz) nekako dolgo nismo niti opazili. Šele po izstrelitvi prvega zemeljskega satelita 4. oktobra 1957 se je vesoljska navigacija začela hitro razvijati. Za pristajalne instrumente na Marsu in Veneri, pri letenju blizu Fobosa itd., so potrebni izračuni z natančnostjo do metrov (na razdaljah od Zemlje reda sto milijard metrov), ko so učinki splošne teorije relativnosti precejšnji. Zato se izračuni zdaj izvajajo na podlagi računskih shem, ki organsko upoštevajo splošno teorijo relativnosti. Spomnim se, kako pred nekaj leti en govorec - specialist za vesoljsko navigacijo - sploh ni razumel mojih vprašanj o točnosti preverjanja splošne teorije relativnosti. Odgovoril je: v naših inženirskih izračunih upoštevamo splošno relativnost, drugače je nemogoče delati, vse se izkaže pravilno, kaj bi še lahko želeli? Seveda si lahko veliko zaželimo, vendar ne smemo pozabiti, da GTR ni več abstraktna teorija, ampak se uporablja v "inženirskih izračunih".

4. V luči vsega zgoraj navedenega se zdi kritika A. A. Logunova GTR še posebej presenetljiva. Toda v skladu s tem, kar je bilo povedano na začetku tega članka, je te kritike nemogoče zavreči brez analize. Nazaj noter v večji meri nemogoče brez podrobna analiza izrazite sodbo o RTG, ki jo je predlagal A. A. Logunov - relativistična teorija gravitacije.

Na žalost je popolnoma nemogoče izvesti takšno analizo na straneh poljudnoznanstvenih publikacij. A. A. Logunov v svojem članku pravzaprav samo izjavlja in komentira svoje stališče. Tudi tukaj ne morem narediti ničesar drugega.

Verjamemo torej, da je GTR konsistentna fizikalna teorija - na vsa pravilno in jasno zastavljena vprašanja, ki so dopustna na področju njegove uporabnosti, daje GTR nedvoumen odgovor (slednje velja predvsem za čas zakasnitve signalov pri lociranju planetov). Ne trpi zaradi splošne teorije relativnosti ali kakršnih koli napak matematične ali logične narave. Treba pa je pojasniti, kaj je zgoraj mišljeno z zaimkom »mi«. »Mi« sem seveda jaz, pa tudi vsi tisti sovjetski in tuji fiziki, s katerimi sem moral razpravljati o splošni relativnosti in v nekaterih primerih o njeni kritiki A. A. Logunova. Veliki Galileo je pred štirimi stoletji rekel: v znanstvenih zadevah je mnenje enega več vredno kot mnenje tisočih. Z drugimi besedami, o znanstvenih sporih se ne odloča z večino glasov. Toda po drugi strani je povsem očitno, da je mnenje mnogih fizikov, na splošno gledano, veliko bolj prepričljivo, ali bolje rečeno, zanesljivejše in tehtnejše od mnenja enega fizika. Zato je tukaj pomemben prehod od "jaz" k "mi".

Upam, da bo koristno in primerno podati še nekaj komentarjev.

Zakaj A. A. Logunov ne mara toliko GTR? Glavni razlog je, da v splošni teoriji relativnosti na splošno ni koncepta energije in gibalne količine v obliki, ki nam je znana iz elektrodinamike, in po njegovih besedah ​​zavrača »predstavljanje gravitacijskega polja kot klasičnega Faraday-Maxwellovega polja. tipa, ki ima dobro definirano energijsko gostoto - impulz." Da, slednje je v nekem smislu res, vendar je razloženo z dejstvom, da »v Riemannovi geometriji v splošnem primeru ni potrebne simetrije glede na premike in rotacije, to je, ni ... skupine gibanja prostora-časa." Geometrija prostora-časa po splošni relativnosti je Riemannova geometrija. Zato zlasti svetlobni žarki pri prehodu blizu Sonca odstopajo od premice.

Eden največjih dosežkov matematike prejšnjega stoletja je bilo ustvarjanje in razvoj neevklidske geometrije Lobačevskega, Bolyaija, Gaussa, Riemanna in njihovih privržencev. Nato se je pojavilo vprašanje: kakšna je pravzaprav geometrija fizičnega prostora-časa, v katerem živimo? Kot rečeno, po GTR je ta geometrija neevklidska, riemanova in ne psevdoevklidska geometrija Minkowskega (ta geometrija je podrobneje opisana v članku A. A. Logunova). Ta geometrija Minkowskega je bila, lahko bi rekli, produkt posebne teorije relativnosti (STR) in je nadomestila Newtonov absolutni čas in absolutni prostor. Tik pred nastankom SRT leta 1905 so slednjo poskušali poistovetiti z negibnim Lorentzovim etrom. Toda Lorentzov eter, kot popolnoma negiben mehanski medij, je bil opuščen, ker so bili vsi poskusi, da bi opazili prisotnost tega medija, neuspešni (mislim na Michelsonov poskus in nekatere druge poskuse). Hipoteza, da je fizični prostor-čas nujno ravno prostor Minkowskega, ki jo A. A. Logunov sprejema kot temeljno, je zelo daljnosežna. V nekem smislu je podobna hipotezam o absolutnem prostoru in mehanskem etru in, kot se nam zdi, ostaja in bo ostala popolnoma neutemeljena, dokler se ji v prid ne nakažejo argumenti, ki temeljijo na opazovanjih in poskusih. In takšni argumenti, vsaj trenutno, so popolnoma odsotni. Sklicevanje na analogijo z elektrodinamiko in ideale izjemnih fizikov prejšnjega stoletja, Faradaya in Maxwella, v tem pogledu ni prepričljivo.

5. Če govorimo o razliki med elektromagnetnim poljem in s tem elektrodinamiko in gravitacijskim poljem (GTR je ravno teorija takega polja), potem je treba opozoriti na naslednje. Z izbiro referenčnega sistema je nemogoče uničiti (reducirati na nič) celo lokalno (na majhnem območju) celotno elektromagnetno polje. Če torej energijska gostota elektromagnetnega polja

(E in H– jakost električnega oziroma magnetnega polja) je v nekem referenčnem sistemu različna od nič, potem bo v katerem koli drugem referenčnem sistemu različna od nič. Gravitacijsko polje je, grobo rečeno, veliko bolj odvisno od izbire referenčnega sistema. Tako enotno in konstantno gravitacijsko polje (to je gravitacijsko polje, ki povzroča pospešek g delci, nameščeni vanj, neodvisno od koordinat in časa) se lahko popolnoma "uničijo" (reducirajo na nič) s prehodom na enakomerno pospešen referenčni sistem. To okoliščino, ki predstavlja glavno fizikalno vsebino »načela enakovrednosti«, je prvi opazil Einstein v članku, objavljenem leta 1907, in je bil prvi na poti k nastanku splošne teorije relativnosti.

Če ni gravitacijskega polja (zlasti pospeška, ki ga povzroča g enaka nič), potem je tudi gostota energije, ki ji ustreza, enaka nič. Iz tega je jasno, da se mora pri vprašanju gostote energije (in gibalne količine) teorija gravitacijskega polja radikalno razlikovati od teorije elektromagnetnega polja. Ta izjava se ne spremeni zaradi dejstva, da v splošnem primeru gravitacijskega polja ni mogoče "uničiti" z izbiro referenčnega sistema.

Einstein je to razumel že pred letom 1915, ko je dokončal ustvarjanje splošne teorije relativnosti. Tako je leta 1911 zapisal: »Seveda je nemogoče nadomestiti katero koli gravitacijsko polje s stanjem gibanja sistema brez gravitacijskega polja, tako kot je nemogoče pretvoriti vse točke poljubno gibajočega se medija v mirovanje skozi relativistična transformacija." In tukaj je odlomek iz članka iz leta 1914: »Najprej naredimo še eno pripombo, da odpravimo nesporazum, ki nastane. Podpornik običajnega moderna teorija relativnost (govorimo o STR - V.L.G.) z določeno pravico imenuje hitrost materialne točke "navidezno". Lahko namreč izbere referenčni sistem tako, da ima snovna točka v tem trenutku hitrost enako nič. Če obstaja sistem materialne točke, ki imajo različne hitrosti, potem ne more več uvesti referenčnega sistema, tako da postanejo hitrosti vseh materialnih točk glede na ta sistem enake nič. Na podoben način lahko fizik, ki zavzame naše stališče, gravitacijsko polje imenuje "navidezno", saj lahko z ustrezno izbiro pospeška referenčnega sistema doseže, da na določeni točki prostora-časa gravitacijsko polje postane nič . Vendar je treba omeniti, da izginotja gravitacijskega polja s transformacijo v splošnem primeru ni mogoče doseči za razširjena gravitacijska polja. Na primer, gravitacijskega polja Zemlje ni mogoče narediti enako nič z izbiro ustreznega referenčnega okvirja." Nazadnje je Einstein že leta 1916, ko je odgovarjal na kritiko splošne teorije relativnosti, znova poudaril isto: »Nikakor ni mogoče trditi, da je gravitacijsko polje v kakršni koli meri razloženo čisto kinematično: »kinematično, nedinamično razumevanje gravitacije« ni mogoče. Gravitacijskega polja ne moremo dobiti s preprostim pospeševanjem enega Galilejevega koordinatnega sistema glede na drugega, saj je na ta način mogoče dobiti polja le določene strukture, ki pa morajo upoštevati enake zakonitosti kot vsa ostala gravitacijska polja. To je še ena formulacija načela enakovrednosti (posebej za uporabo tega načela pri gravitaciji).«

Nezmožnost "kinematičnega razumevanja" gravitacije v kombinaciji z načelom enakovrednosti določa prehod v splošni relativnosti iz psevdoevklidske geometrije Minkowskega v Riemannovo geometrijo (v tej geometriji ima prostor-čas na splošno ne- ničelna ukrivljenost; prisotnost takšne ukrivljenosti je tisto, kar razlikuje "pravo" gravitacijsko polje od "kinematičnega"). Fizične značilnosti Gravitacijsko polje določa, ponovimo, radikalno spremembo vloge energije in gibalne količine v splošni teoriji relativnosti v primerjavi z elektrodinamiko. Hkrati uporaba Riemannove geometrije in nezmožnost uporabe energijskih konceptov, poznanih iz elektrodinamike, ne preprečujeta, kot je bilo že poudarjeno zgoraj, dejstva, da iz splošne relativnosti sledijo in jih je mogoče izračunati povsem nedvoumne vrednosti za vse opazovane količine (odklonski kot svetlobnih žarkov, spremembe orbitalnih elementov za planete in dvojne pulsarje itd. itd.).

Verjetno bi bilo koristno opozoriti na dejstvo, da lahko splošno relativnost formuliramo tudi v obliki, ki jo poznamo iz elektrodinamike, z uporabo koncepta gostote energije in impulza (za to glej citirani članek Ya. B. Zeldoviča in L. P. Grishchuka. Vendar, kaj V tem primeru je prostor Minkowskega povsem fiktiven (neopazljiv) in govorimo le o isti splošni relativnosti, zapisani v nestandardni obliki. Medtem, ponovimo, A. A. Logunov meni, da je prostor Minkowskega on uporablja v relativistični teoriji gravitacije (RTG) za realen fizični in zato opazen prostor.

6. Pri tem je še posebej pomembno drugo od vprašanj, ki se pojavljajo v naslovu tega članka: ali GTR ustreza fizični realnosti? Z drugimi besedami, kaj pravi izkušnja, vrhovni sodnik, ko odloča o usodi katere koli fizikalne teorije? Temu problemu - eksperimentalnemu preverjanju splošne teorije relativnosti - so posvečeni številni članki in knjige. Sklep je povsem jasen - vsi razpoložljivi eksperimentalni ali opazovalni podatki potrjujejo splošno relativnost ali pa ji ne nasprotujejo. Vendar, kot smo že navedli, je bilo preverjanje splošne teorije relativnosti izvedeno in se pojavlja predvsem le v šibkem gravitacijskem polju. Poleg tega ima vsak poskus omejeno natančnost. V močnih gravitacijskih poljih (grobo rečeno, v primeru, ko je razmerje |φ| / c 2 ni dovolj; glej zgoraj) Splošna teorija relativnosti še ni bila dovolj preverjena. V ta namen je zdaj mogoče praktično uporabljati samo astronomske metode, ki se nanašajo na zelo oddaljen vesolje: preučevanje nevtronskih zvezd, dvojnih pulsarjev, »črnih lukenj«, širjenja in zgradbe vesolja, kot pravijo, »v velikem prostoru«. ” - v ogromnih prostranstvih, ki se merijo v milijonih in milijardah svetlobnih let let. Veliko je bilo že narejenega in se še dela v tej smeri. Dovolj je omeniti študije dvojnega pulzarja PSR 1913+16, za katerega je (kot na splošno za nevtronske zvezde) parameter |φ| / c 2 je že približno 0,1. Poleg tega je bilo v tem primeru mogoče identificirati učinek naročila (v / c) 5 povezana z oddajanjem gravitacijskih valov. V naslednjih desetletjih se bo odprlo še več možnosti za preučevanje procesov v močnih gravitacijskih poljih.

Zvezda vodilo v tej dih jemajoči raziskavi je predvsem splošna relativnost. Ob tem se seveda govori tudi o nekaterih drugih možnostih - o drugih, kot včasih rečejo, alternativnih teorijah gravitacije. Na primer, v splošni teoriji relativnosti, kot v Newtonovi teoriji univerzalne gravitacije, je gravitacijska konstanta G dejansko velja za konstantno vrednost. Ena najbolj znanih teorij gravitacije, ki posplošuje (ali, natančneje, širi) splošno relativnost, je teorija, v kateri gravitacijska "konstanta" velja za novo skalarno funkcijo - količino, odvisno od koordinat in časa. Opazovanja in meritve pa kažejo na možne relativne spremembe G sčasoma zelo majhna - očitno ne več kot sto milijard na leto, to je | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения G lahko igral vlogo. Upoštevajte, da tudi ne glede na vprašanje nedoslednosti G predpostavka obstoja v realnem prostoru-času, poleg gravitacijskega polja g ik, tudi nekaj skalarnega polja ψ je glavna smer v sodobni fiziki in kozmologiji. V drugih alternativnih teorijah gravitacije (o njih glej knjigo K. Willa, omenjeno zgoraj v opombi 8) se GTR spremeni ali posploši na drugačen način. Ustrezni analizi seveda ne moremo ugovarjati, saj GTR ni dogma, ampak fizikalna teorija. Poleg tega vemo, da je splošno relativnost, ki je nekvantna teorija, očitno treba posplošiti na kvantno področje, ki še ni dostopno znanim gravitacijskim eksperimentom. Seveda nam tukaj ne morete povedati več o vsem tem.

7. A. A. Logunov, izhajajoč iz kritike GTR, že več kot 10 let gradi neko alternativno teorijo gravitacije, ki se razlikuje od GTR. Hkrati se je med delom marsikaj spremenilo in danes sprejeta različica teorije (to je RTG) je še posebej podrobno predstavljena v članku, ki obsega približno 150 strani in vsebuje le okoli 700 oštevilčenih formul. Očitno je podrobna analiza RTG mogoča le na straneh znanstvenih revijah. Šele po taki analizi bo mogoče reči, ali je RTG konsistenten, ali ne vsebuje matematičnih protislovij itd. Kolikor sem lahko razumel, se RTG od GTR razlikuje po izboru le dela rešitev GTR – vseh rešitve diferencialnih enačb RTG zadovoljujejo enačbe GTR, a kot pravijo avtorji RTG, ne obratno. Obenem pride do zaključka, da so glede na globalna vprašanja (rešitve za celoten prostor-čas ali njegove velike regije, topologija itd.) razlike med RTG in GTR na splošno radikalne. Kar zadeva vse poskuse in opazovanja v Osončju, kolikor razumem, RTG ne more biti v nasprotju s splošno relativnostjo. Če je temu tako, potem je nemogoče dati prednost RTG (v primerjavi z GTR) na podlagi znanih poskusov v sončnem sistemu. Kar zadeva »črne luknje« in vesolje, avtorji RTG trdijo, da se njihovi zaključki bistveno razlikujejo od zaključkov splošne teorije relativnosti, vendar nam niso znani nobeni posebni opazovalni podatki, ki bi pričali v prid RTG. V takšni situaciji je RTG A. A. Logunova (če se RTG res razlikuje od GTR v bistvu, ne le v načinu prikaza in izbiri enega od možnih razredov koordinatnih pogojev; glej članek Ya. B. Zeldoviča in L. P. Grishchuk) je mogoče obravnavati le kot eno od načeloma sprejemljivih alternativnih teorij gravitacije.

Nekateri bralci bodo morda previdni glede klavzul, kot so: »če je temu tako«, »če se RTG res razlikuje od GTR«. Ali se na ta način poskušam zaščititi pred napakami? Ne, ne bojim se napake samo zaradi prepričanja, da obstaja samo eno jamstvo za brezhibnost - sploh ne delati in v tem primeru ne razpravljati o znanstvenih vprašanjih. Druga stvar je, da spoštovanje znanosti, poznavanje njenega značaja in zgodovine spodbujajo previdnost. Kategorične izjave ne kažejo vedno na prisotnost resnične jasnosti in na splošno ne prispevajo k ugotavljanju resnice. RTG A. A. Logunova v njej moderna oblika je bil oblikovan pred kratkim in v znanstveni literaturi še ni bil podrobneje obravnavan. Zato o tem seveda nimam dokončnega mnenja. Poleg tega je nemogoče in celo neprimerno razpravljati o številnih porajajočih se vprašanjih v poljudnoznanstveni reviji. Hkrati se seveda zaradi velikega zanimanja bralcev za teorijo gravitacije zdi upravičena pokritost te vrste vprašanj, vključno s spornimi, na dostopni ravni na straneh "Znanosti in življenja".

Torej, voden po modrem "načelu države z največjimi ugodnostmi", je treba RTG zdaj obravnavati kot alternativno teorijo gravitacije, ki potrebuje ustrezno analizo in razpravo. Za tiste, ki jim je ta teorija všeč (RTG), ki jih zanima, se nihče ne trudi (in seveda ne bi smel posegati) v njen razvoj in predlaga možne načine eksperimentalnega preverjanja.

Hkrati pa ni razloga, da bi trdili, da je GTR trenutno kakor koli zamajan. Poleg tega se zdi, da je obseg uporabe splošne teorije relativnosti zelo širok, njena natančnost pa zelo visoka. To je po našem mnenju objektivna ocena trenutnega stanja. Če govorimo o okusih in intuitivnih odnosih, okusi in intuicija pa igrajo pomembno vlogo v znanosti, čeprav jih ni mogoče predložiti kot dokaz, potem se bomo tukaj morali premakniti od "mi" k "jaz". Bolj ko sem se torej imel in se še moram ukvarjati s splošno teorijo relativnosti in njeno kritiko, bolj se krepi moj vtis o njeni izjemni globini in lepoti.

Dejansko, kot je navedeno v odtisu, je bila naklada revije "Znanost in življenje" št. 4, 1987 3 milijone 475 tisoč izvodov. IN zadnja leta naklada je bila le nekaj deset tisoč izvodov, šele leta 2002 je presegla 40 tisoč. (opomba – A. M. Krainev).

Mimogrede, leta 1987 mineva 300 let od prve objave Newtonove velike knjige "Matematični principi naravne filozofije". Seznaniti se z zgodovino nastanka tega dela, da o delu samem niti ne govorimo, je zelo poučno. Vendar enako velja za vse Newtonove dejavnosti, ki jih nestrokovnjakom ni tako enostavno spoznati. V ta namen lahko priporočam zelo dobro knjigo S. I. Vavilova "Isaac Newton"; treba jo je ponovno izdati. Naj omenim še svoj članek, napisan ob Newtonovi obletnici, objavljen v reviji Uspekhi Fizicheskikh Nauk, v. 151, št. 1, 1987, str. 119.

Velikost obrata je podana po sodobnih meritvah (Le Verrier je imel obrat 38 sekund). Spomnimo se, da bo jasno, da sta Sonce in Luna vidna z Zemlje pod kotom približno 0,5 kotne stopinje - 1800 kotnih sekund.

A. Pals "Subtle is the Lord ..." Znanost in življenje Alberta Einsteina. Oxford Univ. Press, 1982. Priporočljivo bi bilo izdati ruski prevod te knjige.

Slednje je možno med polno sončni mrki; S fotografiranjem istega dela neba, recimo šest mesecev pozneje, ko se Sonce premakne po nebesni sferi, dobimo za primerjavo sliko, ki ni popačena zaradi odklona žarkov pod vplivom gravitacijskega polja. Sonca.

Za podrobnosti se moram sklicevati na članek Ya. B. Zeldovicha in L. P. Grishchuka, nedavno objavljenega v Uspekhi Fizicheskikh Nauk (zv. 149, str. 695, 1986), kot tudi na tam navedeno literaturo, zlasti na članek L. D. Faddeeva (“Advances in Physical Sciences”, vol. 136, str. 435, 1982).

Glej opombo 5.

Glej K. Will. "Teorija in eksperiment v gravitacijski fiziki." M., Energoiedat, 1985; glej tudi V. L. Ginzburg. O fiziki in astrofiziki. M., Nauka, 1985, in tam navedena literatura.

A. A. Logunov in M. A. Mestvirishvili. "Osnove relativistične teorije gravitacije." Časopis "Fizika elementarnih delcev in atomskega jedra", letnik 17, številka 1, 1986.

V delih A. A. Logunova obstajajo druge izjave in posebej se domneva, da je za čas zakasnitve signala pri lociranju, recimo Merkurja z Zemlje, vrednost, pridobljena iz RTG, drugačna od naslednje iz GTR. Natančneje, trdi se, da splošna relativnost sploh ne daje nedvoumne napovedi časov zakasnitve signala, kar pomeni, da je splošna relativnost nedosledna (glej zgoraj). Vendar pa je tak sklep, kot se nam zdi, plod nesporazuma (to je navedeno na primer v citiranem članku Ya. B. Zeldovicha in L. P. Grishchuka, glej opombo 5): različni rezultati v splošni relativnosti pri uporabi različnih koordinatnih sistemov dobimo le zato, ker , ki primerja locirane planete, ki se nahajajo v različnih orbitah in imajo zato različna obdobja revolucije okoli Sonca. Časi zakasnitve signalov, opazovanih z Zemlje, pri lociranju določenega planeta po splošni relativnosti in RTG sovpadajo.

Glej opombo 5.

Podrobnosti za radovedneže

Odklon svetlobe in radijskih valov v gravitacijskem polju Sonca. Običajno je statična sferično simetrična krogla polmera vzeta kot idealiziran model Sonca R☼ ~ 6,96·10 10 cm, masa Sonca M☼ ~ 1,99 10 30 kg (332958 krat več mase Zemlja). Odklon svetlobe je največji pri žarkih, ki se Sonca komajda dotaknejo, torej ko R ~ R☼ in je enako: φ ≈ 1″,75 (ločne sekunde). Ta kot je zelo majhen - približno pod tem kotom je odrasel človek viden z razdalje 200 km, zato je bila natančnost merjenja gravitacijske ukrivljenosti žarkov do nedavnega majhna. Zadnje optične meritve, opravljene med sončnim mrkom 30. junija 1973, so imele napako približno 10 %. Danes se je zaradi pojava radijskih interferometrov "z ultra dolgo bazo" (več kot 1000 km) natančnost merjenja kotov močno povečala. Radijski interferometri omogočajo zanesljivo merjenje kotnih razdalj in sprememb kotov reda velikosti 10 – 4 kotnih sekund (~ 1 nanoradian).

Slika prikazuje odklon le enega od žarkov, ki prihajajo iz oddaljenega vira. V resnici sta oba nosilca upognjena.

GRAVITACIJSKI POTENCIAL

Leta 1687 se je pojavilo Newtonovo temeljno delo "Matematični principi naravne filozofije" (glej "Znanost in življenje" št. 1, 1987), v katerem je bil oblikovan zakon univerzalne gravitacije. Ta zakon pravi, da je sila privlačnosti med dvema materialnima delcema neposredno sorazmerna z njunima masama M in m in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje r med njima:

Faktor sorazmernosti G začeli imenovati gravitacijska konstanta, je treba uskladiti dimenzije na desni in levi strani Newtonove formule. Sam Newton je za svoj čas zelo natančno pokazal, da G– količina je konstantna in je zato gravitacijski zakon, ki ga je odkril, univerzalen.

Dve privlačni točkovni masi M in m se enako pojavljajo v Newtonovi formuli. Z drugimi besedami, lahko štejemo, da oba služita kot vir gravitacijskega polja. Vendar pa je pri specifičnih problemih, zlasti v nebesni mehaniki, ena od obeh mas pogosto zelo majhna v primerjavi z drugo. Na primer, masa Zemlje M 3 ≈ 6 · 10 24 kg je veliko manjša od mase Sonca M☼ ≈ 2 · 10 30 kg ali, recimo, masa satelita m≈ 10 3 kg ni mogoče primerjati z maso Zemlje in zato praktično ne vpliva na gibanje Zemlje. Takšno maso, ki sama ne moti gravitacijskega polja, ampak služi kot nekakšna sonda, na katero to polje deluje, imenujemo testna masa. (Na enak način v elektrodinamiki obstaja koncept "testnega naboja", to je tistega, ki pomaga zaznati elektromagnetno polje.) Ker testna masa (ali testni naboj) prispeva k polju zanemarljivo majhen, za pri takšni masi polje postane "zunanje" in ga je mogoče označiti s količino, imenovano napetost. V bistvu pospešek zaradi gravitacije g je intenzivnost zemeljskega gravitacijskega polja. Drugi zakon Newtonove mehanike daje enačbe gibanja točkovne preskusne mase m. Na primer, tako se rešujejo problemi balistike in nebesne mehanike. Upoštevajte, da je za večino teh problemov Newtonova teorija gravitacije še danes dovolj točna.

Napetost je tako kot sila vektorska količina, torej jo v tridimenzionalnem prostoru določajo tri števila - komponente vzdolž medsebojno pravokotnih kartezičnih ose X, pri, z. Pri spreminjanju koordinatnega sistema - in takšne operacije niso neobičajne v fizičnih in astronomskih problemih - se kartezične koordinate vektorja transformirajo na nek, čeprav ne zapleten, a pogosto okoren način. Zato bi bilo namesto vektorske poljske jakosti primerno uporabiti ustrezno skalarno količino, iz katere bi po nekem preprostem receptu dobili karakteristiko sile polja - jakost. In takšna skalarna količina obstaja - imenuje se potencial, prehod v napetost pa se izvede s preprosto diferenciacijo. Iz tega sledi Newtonov gravitacijski potencial, ki ga ustvarja masa M, je enako

torej enakost |φ| = v 2.

V matematiki Newtonovo teorijo gravitacije včasih imenujemo "teorija potenciala". Nekoč je bila teorija Newtonovega potenciala model za teorijo elektrike, nato pa so ideje o fizičnem polju, oblikovane v Maxwellovi elektrodinamiki, spodbudile nastanek Einsteinove splošne teorije relativnosti. Prehod iz Einsteinove relativistične teorije gravitacije na poseben primer Newtonove teorije gravitacije natančno ustreza območju majhnih vrednosti brezdimenzijskega parametra |φ| / c 2 .

Splošna teorija relativnosti(GTR) je geometrijska teorija gravitacije, ki jo je objavil Albert Einstein v letih 1915–1916. V okviru te teorije, ki je nadaljnji razvoj posebne teorije relativnosti, se domneva, da gravitacijskih učinkov ne povzroča interakcija sil teles in polj, ki se nahajajo v prostoru-času, temveč deformacija prostora-časa. sama, kar je povezano predvsem s prisotnostjo mase-energije. Tako v splošni teoriji relativnosti, tako kot v drugih metričnih teorijah, gravitacija ni interakcija sile. Splošna relativnost se razlikuje od drugih metričnih teorij gravitacije z uporabo Einsteinovih enačb za povezavo ukrivljenosti prostora-časa s snovjo, ki je v vesolju.

Splošna teorija relativnosti je trenutno najuspešnejša gravitacijska teorija, dobro podprta z opazovanji. Prvi uspeh splošne teorije relativnosti je bila razlaga nenavadne precesije Merkurjevega perihelija. Nato je leta 1919 Arthur Eddington poročal o opazovanju upogiba svetlobe v bližini Sonca med popolnim mrkom, kar je potrdilo napovedi splošne teorije relativnosti.

Od takrat so mnoga druga opazovanja in eksperimenti potrdili precejšnje število napovedi teorije, vključno z gravitacijsko časovno dilatacijo, gravitacijskim rdečim premikom, zakasnitvijo signala v gravitacijskem polju in, doslej le posredno, gravitacijskim sevanjem. Poleg tega se številna opazovanja razlagajo kot potrditev ene najbolj skrivnostnih in eksotičnih napovedi splošne teorije relativnosti - obstoja črnih lukenj.

Kljub osupljivemu uspehu splošne teorije relativnosti v znanstveni skupnosti vlada nelagodje zaradi dejstva, da je ni mogoče preoblikovati kot klasične meje kvantne teorije zaradi pojava neodstranljivih matematičnih razhajanj pri obravnavi črnih lukenj in prostora-časa. singularnosti na splošno. Za rešitev tega problema je bilo predlaganih več alternativnih teorij. Sodobni eksperimentalni podatki kažejo, da bi moralo biti kakršno koli odstopanje od splošne teorije relativnosti zelo majhno, če sploh obstaja.

Osnovni principi splošne teorije relativnosti

Newtonova teorija gravitacije temelji na konceptu gravitacije, ki je sila dolgega dosega: deluje takoj na kateri koli razdalji. Ta trenutna narava delovanja je nezdružljiva s paradigmo polja sodobne fizike in še posebej s posebno teorijo relativnosti, ki jo je leta 1905 ustvaril Einstein, navdihnjen z delom Poincaréja in Lorentza. Po Einsteinovi teoriji nobena informacija ne more potovati hitreje od svetlobne hitrosti v vakuumu.

Matematično Newtonova gravitacijska sila izhaja iz potencialne energije telesa v gravitacijskem polju. Gravitacijski potencial, ki ustreza tej potencialni energiji, je podrejen Poissonovi enačbi, ki ni invariantna glede na Lorentzove transformacije. Razlog za neinvariantnost je, da energija v posebni teoriji relativnosti ni skalarna količina, in gre v časovno komponento 4-vektorja. Vektorska teorija gravitacije se izkaže za podobno Maxwellovi teoriji elektromagnetnega polja in vodi do negativne energije gravitacijskih valov, kar je povezano z naravo interakcije: kot naboji (masa) v gravitaciji se privlačijo in ne odbijajo, kot v elektromagnetizmu. Tako je Newtonova teorija gravitacije nezdružljiva s temeljnim načelom posebne teorije relativnosti - nespremenljivostjo naravnih zakonov v katerem koli inercialnem referenčnem sistemu, in neposredno vektorsko posplošitvijo Newtonove teorije, ki jo je leta 1905 prvi predlagal Poincaré v svoji delo "O dinamiki elektrona," vodi do fizično nezadovoljivih rezultatov.

Einstein je začel iskati teorijo gravitacije, ki bi bila združljiva z načelom invariantnosti naravnih zakonov glede na kateri koli referenčni okvir. Rezultat tega iskanja je bila splošna teorija relativnosti, ki temelji na načelu istovetnosti gravitacijske in vztrajnostne mase.

Načelo enakosti gravitacijskih in vztrajnostnih mas

V klasični Newtonovi mehaniki obstajata dva pojma mase: prvi se nanaša na drugi Newtonov zakon, drugi pa na zakon univerzalne gravitacije. Prva masa - inercialna (ali inercialna) - je razmerje med negravitacijsko silo, ki deluje na telo, in njegovim pospeškom. Druga masa - gravitacijska (ali, kot jo včasih imenujejo, težka) - določa silo privlačnosti telesa z drugimi telesi in lastno silo privlačnosti. Na splošno se ti dve masi merita, kot je razvidno iz opisa, v različnih poskusih in zato sploh ni nujno, da sta med seboj sorazmerni. Njihova stroga sorazmernost nam omogoča, da govorimo o eni telesni masi tako v negravitacijskih kot v gravitacijskih interakcijah. S primerno izbiro enot lahko te mase med seboj izenačimo. Sam princip je predstavil Isaac Newton, enakost mas pa je eksperimentalno preveril z relativno natančnostjo 10?3. IN konec XIX stoletja je Eötvös izvajal bolj subtilne poskuse, s čimer je natančnost testiranja principa dosegel 10?9. V 20. stoletju je eksperimentalna tehnologija omogočila potrditev enakosti mas z relativno natančnostjo 10?12-10?13 (Braginsky, Dicke itd.). Včasih se načelo enakosti gravitacijskih in vztrajnostnih mas imenuje načelo šibke ekvivalence. Albert Einstein jo je zasnoval na splošni teoriji relativnosti.

Princip gibanja po geodetskih črtah

Če je gravitacijska masa popolnoma enaka vztrajnostni masi, potem se v izrazu za pospešek telesa, na katerega delujejo samo gravitacijske sile, obe masi izničita. Zato pospešek telesa in s tem njegova tirnica nista odvisna od mase in notranja struktura telesa. Če vsa telesa na isti točki v vesolju prejmejo enak pospešek, potem ta pospešek ni mogoče povezati z lastnostmi teles, temveč z lastnostmi samega prostora na tej točki.

Tako lahko opis gravitacijske interakcije med telesi skrčimo na opis prostora-časa, v katerem se telesa gibljejo. Naravno je domnevati, kot je to storil Einstein, da se telesa gibljejo po vztrajnosti, torej tako, da je njihov pospešek v lastnem referenčnem sistemu enak nič. Tedaj bodo tirnice teles geodetske črte, katerih teorijo so razvili matematiki že v 19. stoletju.

Same geodetske črte lahko najdemo tako, da v prostoru-času določimo analog razdalje med dvema dogodkoma, ki se tradicionalno imenuje interval ali svetovna funkcija. Interval v tridimenzionalnem prostoru in enodimenzionalnem času (z drugimi besedami, v štiridimenzionalnem prostoru-času) podaja 10 neodvisnih komponent metričnega tenzorja. Teh 10 števil tvori metriko prostora. Določa "razdaljo" med dvema neskončno blizu točkama v prostoru-času v različnih smereh. Geodetske črte, ki ustrezajo svetovnim linijam fizičnih teles, katerih hitrost je manjša od svetlobne hitrosti, se izkažejo za črte največjega lastnega časa, to je časa, ki ga meri ura, togo pritrjena na telo, ki sledi tej poti. Sodobni poskusi potrjujejo gibanje teles vzdolž geodetskih črt z enako natančnostjo kot enakost gravitacijskih in vztrajnostnih mas.

Ukrivljenost prostora-časa

Če iz dveh bližnjih točk izstrelite dve telesi vzporedno drug z drugim, se bosta v gravitacijskem polju postopoma začela približevati ali oddaljevati drug od drugega. Ta učinek se imenuje deviacija geodetske črte. Podoben učinek lahko opazimo neposredno, če dve žogi izstrelimo vzporedno druga z drugo vzdolž gumijaste membrane, na katero je v sredini postavljen ogromen predmet. Kroglice se bodo razpršile: tista, ki je bila bližje predmetu, ki potiska skozi membrano, bo močneje težila k sredini kot bolj oddaljena kroglica. To neskladje (odstopanje) je posledica ukrivljenosti membrane. Podobno je v prostoru-času odstopanje geodezij (razhajanje trajektorij teles) povezano z njegovo ukrivljenostjo. Ukrivljenost prostora-časa je enolično določena z njegovo metriko - metričnim tenzorjem. Razlika med splošno teorijo relativnosti in alternativnimi teorijami gravitacije je v večini primerov določena ravno v načinu povezave med snovjo (telesi in polji negravitacijske narave, ki ustvarjajo gravitacijsko polje) in metričnimi lastnostmi prostora-časa.

Prostor-čas splošna relativnost in princip močne enakovrednosti

Pogosto se zmotno verjame, da je osnova splošne teorije relativnosti načelo enakovrednosti gravitacijskega in inercialnega polja, ki ga lahko formuliramo takole:
Lokalni fizični sistem, ki je dovolj majhen in se nahaja v gravitacijskem polju, se po obnašanju ne razlikuje od istega sistema, ki se nahaja v pospešenem (glede na inercialni referenčni okvir) referenčnem sistemu, potopljenem v ravni prostor-čas posebne teorije relativnosti.

Včasih je isto načelo postulirano kot "lokalna veljavnost posebne teorije relativnosti" ali imenovano "načelo močne enakovrednosti".

Zgodovinsko gledano je to načelo res igralo veliko vlogo pri razvoju splošne teorije relativnosti in ga je Einstein uporabil pri njenem razvoju. Vendar pa je v najkončnejši obliki teorije pravzaprav ni, saj je prostor-čas tako v pospešenem kot v prvotnem referenčnem okviru v posebni teoriji relativnosti neukrivljen – ploščat in v splošna teorija relativnosti ga ukrivi vsako telo in prav njegova ukrivljenost povzroča gravitacijsko privlačnost teles.

Pomembno je omeniti, da je glavna razlika med prostorom-časom splošne teorije relativnosti in prostor-časom posebne teorije relativnosti njegova ukrivljenost, ki je izražena s tenzorsko količino – tenzorjem ukrivljenosti. V prostoru-času posebne teorije relativnosti je ta tenzor identično enak nič in prostor-čas je ploščat.

Iz tega razloga ime "splošna teorija relativnosti" ni povsem pravilno. Ta teorija je le ena od številnih teorij gravitacije, ki jih trenutno obravnavajo fiziki, medtem ko je posebna teorija relativnosti (natančneje njeno načelo metričnosti prostora-časa) splošno sprejeta v znanstveni skupnosti in je temelj osnova sodobne fizike. Vendar je treba opozoriti, da nobena od drugih razvitih teorij gravitacije, razen splošne teorije relativnosti, ni prestala preizkusa časa in eksperimenta.

Glavne posledice splošne teorije relativnosti

V skladu z načelom korespondence v šibkih gravitacijskih poljih napovedi splošne teorije relativnosti sovpadajo z rezultati uporabe Newtonovega zakona univerzalne gravitacije z majhnimi popravki, ki se povečujejo z večanjem jakosti polja.

Prve napovedane in eksperimentalno preverjene posledice splošne teorije relativnosti so bili trije klasični učinki, navedeni spodaj v kronološki vrstni red njihov prvi pregled:
1. Dodaten premik perihelija Merkurjeve orbite v primerjavi z napovedmi Newtonove mehanike.
2. Odklon svetlobnega žarka v gravitacijskem polju Sonca.
3. Gravitacijski rdeči premik ali dilatacija časa v gravitacijskem polju.

Obstajajo številni drugi učinki, ki jih je mogoče eksperimentalno preveriti. Med njimi lahko omenimo odstopanje in zamik (Shapirov učinek) elektromagnetni valovi v gravitacijskem polju Sonca in Jupitra, Lense-Thirringov učinek (precesija žiroskopa v bližini rotirajočega telesa), astrofizikalni dokazi o obstoju črnih lukenj, dokazi o oddajanju gravitacijskih valov s strani tesnih sistemov dvojnih zvezd in širjenje vesolja.

Doslej ni bilo najdenih nobenih zanesljivih eksperimentalnih dokazov, ki bi ovrgli splošno teorijo relativnosti. Odstopanja izmerjenih velikosti učinka od tistih, ki jih predvideva splošna relativnost, ne presegajo 0,1 % (za zgornje tri klasične pojave). Kljub temu so teoretiki iz različnih razlogov razvili vsaj 30 alternativnih teorij gravitacije in nekatere od njih omogočajo pridobivanje rezultatov, ki so poljubno blizu splošni relativnosti z ustreznimi vrednostmi parametrov, vključenih v teorijo.

Posebna teorija relativnosti (STR) ali delna teorija relativnosti je teorija Alberta Einsteina, objavljena leta 1905 v delu “O elektrodinamiki gibajočih se teles” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921 Juni 1905).

Pojasnil je gibanje med različnimi vztrajnostnimi referenčnimi sistemi ali gibanje teles, ki se gibljejo med seboj s konstantno hitrostjo. V tem primeru nobenega od predmetov ne bi smeli vzeti kot referenčni sistem, ampak jih je treba obravnavati relativno drug glede na drugega. SRT zagotavlja le 1 primer, ko 2 telesi ne spremenita smeri gibanja in se gibata enakomerno.

Zakoni SRT prenehajo veljati, ko eno od teles spremeni svojo trajektorijo ali poveča hitrost. Tu se odvija splošna teorija relativnosti (GTR), podajanje splošna razlaga premikanje predmetov.

Dva postulata, na katerih je zgrajena teorija relativnosti:

1. Načelo relativnosti- Po njegovem mnenju v vseh obstoječih referenčnih sistemih, ki se gibljejo drug glede na drugega s konstantno hitrostjo in ne spreminjajo smeri, veljajo enaki zakoni.
2. Načelo hitrosti svetlobe- Hitrost svetlobe je za vse opazovalce enaka in ni odvisna od hitrosti njihovega gibanja. To je največja hitrost in nič v naravi nima večje hitrosti. Hitrost svetlobe je 3*10^8 m/s.

Albert Einstein je za osnovo uporabil eksperimentalne in ne teoretične podatke. To je bila ena od sestavin njegovega uspeha. Novi eksperimentalni podatki so služili kot osnova za ustvarjanje nove teorije.

Od sredine 19. stoletja so fiziki iskali nov skrivnostni medij, imenovan eter. Veljalo je, da lahko eter prehaja skozi vse predmete, vendar ne sodeluje pri njihovem gibanju. Po prepričanjih o etru se s spreminjanjem hitrosti gledalca glede na eter spreminja tudi hitrost svetlobe.

Einstein, ki je zaupal eksperimentom, je zavrnil koncept novega eterskega medija in domneval, da je hitrost svetlobe vedno konstantna in ni odvisna od nobenih okoliščin, kot je hitrost človeka samega.

Časovni intervali, razdalje in njihova enakomernost

Posebna teorija relativnosti povezuje čas in prostor. V materialnem vesolju so v vesolju znani 3: desno in levo, naprej in nazaj, gor in dol. Če jim dodamo še eno dimenzijo, imenovano čas, potem bo ta tvorila osnovo prostorsko-časovnega kontinuuma.

Če se premikate počasi, se vaša opažanja ne bodo zbližala z ljudmi, ki se premikajo hitreje.

Poznejši poskusi so potrdili, da prostora tako kot časa ni mogoče zaznavati na enak način: naše zaznavanje je odvisno od hitrosti gibanja predmetov.

Povezovanje energije z maso

Einstein je prišel do formule, ki združuje energijo z maso. Ta formula se pogosto uporablja v fiziki in je znana vsakemu študentu: E=m*c², v katerem E-energija; m - telesna masa, c - hitrostširjenje svetlobe.

Masa telesa narašča sorazmerno z večanjem svetlobne hitrosti. Če dosežete svetlobno hitrost, masa in energija telesa postaneta brezrazsežni.

S povečevanjem mase telesa postane težje doseči povečanje njegove hitrosti, tj. za telo z neskončno veliko materialno maso je potrebna neskončna energija. Toda v resnici je to nemogoče doseči.

Einsteinova teorija je združila dve ločeni določbi: položaj mase in položaj energije v en splošni zakon. To je omogočilo pretvorbo energije v materialno maso in obratno.