Einsteinova teória relativity bola pre mňa vždy niečo abstraktné a nepochopiteľné. Skúsme popísať Einsteinovu teóriu relativity jednoduchými slovami. Predstavte si, že ste vonku v hustom daždi a vietor vám fúka na chrbát. Ak začnete rýchlo behať, kvapky dažďa vám nebudú padať na chrbát. Kvapky budú pomalšie alebo sa vám do chrbta nedostanú vôbec, to je vedecky dokázaný fakt a sami sa o tom môžete presvedčiť v lejaku. Teraz si predstavte, že keby ste sa otočili a rozbehli sa proti vetru s dažďom, kvapky by dopadli silnejšie na vaše oblečenie a tvár, ako keby ste len stáli.
Predtým si vedci mysleli, že svetlo sa počas veterných dní správa ako dážď. Mysleli si, že ak sa Zem pohybuje okolo Slnka a Slnko sa pohybuje okolo galaxie, potom je možné zmerať rýchlosť ich pohybu vo vesmíre. Podľa ich názoru im zostáva už len zmerať rýchlosť svetla a to, ako sa mení vzhľadom na dve telesá.
Vedci to dokázali zistil niečo veľmi zvláštne. Rýchlosť svetla bola rovnaká, bez ohľadu na to, ako sa telesá pohybovali, a bez ohľadu na to, akým smerom sa majú merať.
Bolo to veľmi zvláštne. Ak si zoberieme situáciu s dažďom, tak za normálnych okolností na vás budú kvapky dažďa pôsobiť viac či menej v závislosti od vašich pohybov. Súhlas, bolo by veľmi zvláštne, keby vám lejak fúkal do chrbta rovnakou silou, ako pri behu, tak aj pri zastavení.
Vedci zistili, že svetlo nemá také vlastnosti ako dažďové kvapky alebo čokoľvek iné vo vesmíre. Bez ohľadu na to, ako rýchlo sa pohybujete a ktorým smerom sa pohybujete, rýchlosť svetla bude vždy rovnaká. To je veľmi mätúce a iba Albert Einstein dokázal túto nespravodlivosť objasniť.
Einstein a ďalší vedec Hendrik Lorenz prišli na to, že existuje len jeden spôsob, ako vysvetliť, ako to všetko môže byť. To je možné len vtedy, ak sa čas spomalí.
Predstavte si, čo by sa stalo, keby sa vám čas spomalil a vy by ste nevedeli, že idete pomalšie. Budete mať pocit, že všetko ostatné sa deje rýchlejšie., všetko okolo vás sa bude pohybovať ako v rýchlom filme.
Tak teraz predstierajme, že ste opäť v lejaku. Ako je možné, že na vás dážď rovnako zapôsobí aj keď bežíte? Ukazuje sa, že ak ste sa pokúsili utiecť pred dažďom, potom váš čas by sa spomalil a dážď by sa zrýchlil. Kvapky dažďa by vám rovnakou rýchlosťou dopadali na chrbát. Vedci tomu hovoria expanzia času. Bez ohľadu na to, ako rýchlo sa pohybujete, váš čas sa spomaľuje, aspoň pre rýchlosť svetla je tento výraz pravdivý.
Dualita meraní
Ďalšia vec, ktorú Einstein a Lorentz zistili, je, že dvaja ľudia za rôznych okolností môžu získať rôzne vypočítané hodnoty a najpodivnejšie je, že obaja budú mať pravdu. To je ďalší vedľajší efekt skutočnosti, že svetlo sa pohybuje vždy rovnakou rýchlosťou.
Urobme myšlienkový experiment
Predstavte si, že stojíte v strede svojej izby a lampu máte umiestnenú priamo v strede miestnosti. Teraz si predstavte, že rýchlosť svetla je veľmi pomalá a môžete vidieť, ako sa šíri, predstavte si, že ste zapli lampu.
Hneď ako lampu zapnete, svetlo sa začne rozchádzať a svietiť. Keďže sú obe steny v rovnakej vzdialenosti, svetlo sa dostane na obe steny súčasne.
Teraz si predstavte, že vaša izba má veľké okno a okolo vás ide váš priateľ. Uvidí niečo iné. Pre neho to bude vyzerať, ako keby sa vaša izba pohybovala doprava, a keď zapnete lampu, uvidí, ako sa ľavá stena pohybuje smerom k svetlu. a pravá stena sa vzdiali od svetla. Uvidí, že svetlo najprv dopadlo na ľavú stenu a potom na pravú. Zdá sa mu, že svetlo neosvetlilo obe steny súčasne.
Podľa Einsteinovej teórie relativity by boli oba uhly pohľadu správne.. Z vášho pohľadu svetlo dopadá na obe steny súčasne. Z pohľadu vášho priateľa to tak nie je. Na tom nie je nič zlé.
Vedci preto tvrdia, že „súčasnosť je relatívna“. Ak meriate dve veci, ktoré by sa mali stať súčasne, potom niekto, kto sa pohybuje inou rýchlosťou alebo iným smerom, ich nebude môcť zmerať rovnako ako vy.
Zdá sa nám to veľmi zvláštne, pretože rýchlosť svetla je pre nás okamžitá a v porovnaní s ňou sa pohybujeme veľmi pomaly. Pretože rýchlosť svetla je taká vysoká, rýchlosť svetla si nevšimneme, pokiaľ nerobíme špeciálne experimenty.
Čím rýchlejšie sa objekt pohybuje, tým je kratší a menší
Ďalší veľmi zvláštny vedľajší účinokže rýchlosť svetla sa nemení. Rýchlosťou svetla sa pohybujúce sa veci skracujú.
Opäť si predstavme, že rýchlosť svetla je veľmi pomalá. Predstavte si, že ste vo vlaku a v strede auta ste nainštalovali lampu. Teraz si predstavte, že ste zapli lampu ako v miestnosti.
Svetlo sa rozšíri a súčasne dosiahne na steny pred a za autom. Týmto spôsobom môžete dokonca zmerať dĺžku vozňa meraním toho, ako dlho trvalo, kým sa svetlo dostalo na obe strany.
Urobme výpočty:
Predstavte si, že prejdenie 10 metrov trvá 1 sekundu a 1 sekundu, kým svetlo prejde od lampy k stene auta. To znamená, že svietidlo je umiestnené vo vzdialenosti 10 metrov od oboch strán auta. Keďže 10 + 10 = 20, znamená to, že dĺžka auta je 20 metrov.
Teraz si predstavme, že tvoj priateľ je na ulici a sleduje idúci vlak. Pamätajte, že on vidí veci inak. Zadná stena auta sa pohybuje smerom k svietidlu, zatiaľ čo predná stena sa od nej vzďaľuje. Svetlo sa tak pre neho nedotkne prednej a zadnej steny auta súčasne. Najprv sa svetlo dostane dozadu a potom dopredu.
Ak si teda s kamarátom zmeriate rýchlosť šírenia svetla zo svietidla na steny, dostanete rôzne hodnoty, pričom z hľadiska vedy budú oba výpočty správne. Len pre teba bude podľa mier dĺžka vozňa rovnaká a pre známeho bude dĺžka vozňa menšia.
Pamätajte, že všetko je o tom, ako a za akých podmienok meriate. Ak by ste boli vo vnútri lietajúcej rakety, ktorá sa pohybuje rýchlosťou svetla, necítili by ste nič nezvyčajné, na rozdiel od ľudí na zemi, ktorí merajú váš pohyb. Nevedeli by ste povedať, že čas vám beží pomalšie, alebo že predná a zadná časť lode sú zrazu bližšie k sebe.
Zároveň, ak by ste leteli na rakete, potom by sa vám zdalo, akoby okolo vás preleteli všetky planéty a hviezdy rýchlosťou svetla. V tomto prípade, ak sa pokúsite zmerať ich čas a veľkosť, logicky by sa pre nich mal čas spomaliť a veľkosť sa zmenšiť, nie?
To všetko bolo veľmi zvláštne a nepochopiteľné, ale Einstein navrhol riešenie a spojil všetky tieto javy do jednej teórie relativity.
Hovorí sa, že zjavenie prišlo k Albertovi Einsteinovi v okamihu. Vedec sa údajne viezol v električke v Berne (Švajčiarsko), pozrel sa na pouličné hodiny a zrazu si uvedomil, že ak by električka teraz zrýchlila na rýchlosť svetla, potom by sa v jeho vnímaní tieto hodiny zastavili – a už by nebol čas. To ho priviedlo k formulácii jedného z ústredných postulátov relativity – že rôzni pozorovatelia vnímajú realitu odlišne, vrátane takých základných veličín, akými sú vzdialenosť a čas.
Z vedeckého hľadiska si v ten deň Einstein uvedomil, že popis akejkoľvek fyzickej udalosti alebo javu závisí od referenčné systémy kde sa nachádza pozorovateľ. Ak napríklad pasažierke električky spadnú okuliare, tak jej padnú kolmo nadol a chodcovi stojacemu na ulici okuliare padnú parabolicky, keďže električka sa pohybuje, zatiaľ čo okuliare padajú. Každý má svoj vlastný referenčný systém.
No hoci sa opisy udalostí menia pri prechode z jedného referenčného rámca do druhého, existujú aj univerzálne veci, ktoré zostávajú nezmenené. Ak sa namiesto opisu pádu okuliarov opýtame na zákon prírody, ktorý ich pád spôsobuje, tak odpoveď naň bude pre pozorovateľa v pevnom súradnicovom systéme a pre pozorovateľa v pohyblivom súradnicovom systéme rovnaká. Zákon o rozdelenej premávke platí rovnako na ulici aj v električke. Inými slovami, zatiaľ čo popis udalostí závisí od pozorovateľa, prírodné zákony nezávisia od neho, teda, ako sa hovorí vo vedeckom jazyku, sú nemenný. To je čo princíp relativity.
Ako každá hypotéza, aj princíp relativity musel byť testovaný jeho koreláciou so skutočnosťou prirodzený fenomén. Einstein odvodil z princípu relativity dve samostatné (hoci súvisiace) teórie. Špeciálna alebo súkromná teória relativity vychádza z pozície, že prírodné zákony sú rovnaké pre všetky referenčné sústavy pohybujúce sa konštantnou rýchlosťou. Všeobecná teória relativity rozširuje tento princíp na akýkoľvek referenčný rámec, vrátane tých, ktoré sa pohybujú so zrýchlením. Špeciálna teória relativity bola publikovaná v roku 1905 a matematicky zložitejšia všeobecná teória relativity bola dokončená Einsteinom v roku 1916.
Špeciálna teória relativity
Väčšinu paradoxných a intuitívnych predstáv o svete efektov, ktoré sa vyskytujú pri pohybe rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, predpovedá práve špeciálna teória relativity. Najznámejší z nich je efekt spomalenia hodín, príp efekt dilatácie času. Hodiny, ktoré sa pohybujú vzhľadom na pozorovateľa, mu bežia pomalšie ako presne tie isté hodiny v jeho rukách.
Čas v súradnicovom systéme pohybujúcom sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla sa voči pozorovateľovi naťahuje, pričom priestorový rozsah (dĺžka) objektov pozdĺž osi smeru pohybu sa naopak stláča. Tento efekt, známy ako Lorentzova-Fitzgeraldova kontrakcia, opísal v roku 1889 írsky fyzik George Fitzgerald (George Fitzgerald, 1851-1901) a v roku 1892 ho doplnil Holanďan Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgeraldova kontrakcia vysvetľuje, prečo Michelsonov-Morleyho experiment na určenie rýchlosti Zeme vo vesmíre meraním „éterického vetra“ priniesol negatívny výsledok. Neskôr Einstein začlenil tieto rovnice do špeciálnej teórie relativity a doplnil ich podobným transformačným vzorcom pre hmotnosť, podľa ktorého sa hmotnosť telesa tiež zvyšuje, keď sa rýchlosť telesa blíži rýchlosti svetla. Takže pri rýchlosti 260 000 km/s (87 % rýchlosti svetla) sa hmotnosť objektu z pohľadu pozorovateľa v pokojovej referenčnej sústave zdvojnásobí.
Od čias Einsteina boli všetky tieto predpovede, bez ohľadu na to, ako sa môžu zdať v rozpore so zdravým rozumom, úplne a priamo experimentálne potvrdené. V jednom z najodhaliteľnejších experimentov vedci z Michiganskej univerzity umiestnili na palubu dopravného lietadla vykonávajúceho pravidelné transatlantické lety ultra presné atómové hodiny a po každom návrate na domovské letisko porovnávali ich hodnoty s kontrolnými hodinami. Ukázalo sa, že hodiny v lietadle postupne stále viac zaostávajú za riadením (ak to tak môžem povedať, keď ide o zlomky sekúnd). Posledné polstoročie vedci skúmali elementárne častice na obrovských hardvérových komplexoch nazývaných urýchľovače. V nich sa lúče nabitých subatomárnych častíc (ako sú protóny a elektróny) urýchľujú na rýchlosti blízke rýchlosti svetla, potom sú vystreľované na rôzne jadrové ciele. Pri takýchto experimentoch na urýchľovačoch je potrebné vziať do úvahy nárast hmotnosti zrýchlených častíc - inak sa výsledky experimentu jednoducho nedajú rozumne interpretovať. A v tomto zmysle sa špeciálna teória relativity už dávno presunula z kategórie hypotetických teórií do oblasti aplikovaných inžinierskych nástrojov, kde sa používa na rovnakej úrovni ako Newtonove zákony mechaniky.
Keď sa vrátim k Newtonovým zákonom, rád by som zdôraznil, že špeciálna teória relativity, aj keď navonok odporuje zákonom klasickej Newtonovej mechaniky, v skutočnosti reprodukuje takmer presne všetky obvyklé rovnice Newtonových zákonov, ak sa použije na opis telies pohybujúcich sa rýchlosťou rýchlosť výrazne nižšia ako rýchlosť svetla. To znamená, že špeciálna teória relativity newtonovskú fyziku neruší, ale rozširuje a dopĺňa.
Princíp relativity tiež pomáha pochopiť, prečo práve rýchlosť svetla, a nie nejaká iná, hrá takú dôležitú úlohu v tomto modeli štruktúry sveta – otázku si položili mnohí z tých, ktorí sa prvýkrát stretli s teóriou relativity. Rýchlosť svetla vyniká a zohráva osobitnú úlohu ako univerzálna konštanta, pretože je určená prírodovedným zákonom. Na základe princípu relativity, rýchlosti svetla vo vákuu c je rovnaký v akomkoľvek referenčnom systéme. Zdá sa, že je to v rozpore so zdravým rozumom, pretože sa ukazuje, že svetlo z pohybujúceho sa zdroja (bez ohľadu na to, ako rýchlo sa pohybuje) a zo stacionárneho zdroja dopadá k pozorovateľovi súčasne. Je to však tak.
Vzhľadom na svoju osobitnú úlohu v prírodných zákonoch, rýchlosť svetla zaujíma ústredné miesto vo všeobecnej teórii relativity.
Všeobecná teória relativity
Všeobecná relativita je už aplikovaná na všetky referenčné sústavy (a nielen na tie, ktoré sa voči sebe pohybujú konštantnou rýchlosťou) a vyzerá matematicky oveľa komplikovanejšie ako špeciálna (čo vysvetľuje jedenásťročný rozdiel medzi ich zverejnením). Zahŕňa ako špeciálny prípad špeciálnu teóriu relativity (a teda Newtonove zákony). Všeobecná teória relativity zároveň ide oveľa ďalej ako všetky jej predchodkyne. Predovšetkým poskytuje nový výklad gravitácie.
Všeobecná teória relativity robí svet štvorrozmerným: čas sa pridáva k trom priestorovým dimenziám. Všetky štyri dimenzie sú neoddeliteľné, takže už nehovoríme o priestorovej vzdialenosti medzi dvoma objektmi, ako je to v trojrozmernom svete, ale o časopriestorových intervaloch medzi udalosťami, ktoré spájajú ich vzájomnú vzdialenosť - obe v čase a v priestore. To znamená, že priestor a čas sa považujú za štvorrozmerné časopriestorové kontinuum, alebo jednoducho vesmírny čas. V tomto kontinuu sa pozorovatelia pohybujúci sa voči sebe môžu dokonca nezhodnúť na tom, či sa dve udalosti stali súčasne – alebo jedna predchádzala druhej. Našťastie pre našu úbohú myseľ nedochádza k porušeniu kauzálnych vzťahov – teda existencie súradnicových systémov, v ktorých dve udalosti nenastávajú súčasne a v inom slede, ani všeobecná teória relativity nepripúšťa.
zákon gravitácia Newton nám hovorí, že medzi akýmikoľvek dvoma telesami vo vesmíre existuje sila vzájomnej príťažlivosti. Z tohto hľadiska sa Zem točí okolo Slnka, pretože medzi nimi existujú sily vzájomnej príťažlivosti. Všeobecná relativita nás však núti pozerať sa na tento jav inak. Podľa tejto teórie je gravitácia dôsledkom deformácie („zakrivenia“) elastickej látky časopriestoru vplyvom hmoty (v tomto prípade čím ťažšie je teleso, napríklad Slnko, tým viac časopriestoru „ohýba“ sa pod ním a tým silnejšie je jeho gravitačné pole). Predstavte si pevne natiahnuté plátno (druh trampolíny), na ktorom je umiestnená masívna guľa. Plátno sa pod váhou lopty deformuje a okolo neho sa vytvorí lievikovitá priehlbina. Podľa všeobecnej teórie relativity sa Zem točí okolo Slnka ako malá gulička kotúľaná okolo kužeľa lievika, ktorý vznikol v dôsledku „prepichnutia“ časopriestoru ťažkou guľou – Slnkom. A to, čo sa nám zdá gravitačná sila, je v skutočnosti čisto vonkajším prejavom zakrivenia časopriestoru a vôbec nie silou v newtonovskom zmysle. Doteraz nebolo nájdené lepšie vysvetlenie podstaty gravitácie, ako nám dáva všeobecná teória relativity.
Testovanie všeobecnej relativity je náročné, pretože za normálnych laboratórnych podmienok sú jeho výsledky takmer totožné s tými, ktoré predpovedá Newtonov zákon univerzálnej gravitácie. Napriek tomu sa uskutočnilo niekoľko dôležitých experimentov a ich výsledky nám umožňujú považovať teóriu za potvrdenú. Všeobecná relativita okrem toho pomáha vysvetliť javy, ktoré pozorujeme vo vesmíre, ako sú nepatrné odchýlky Merkúra od stacionárnej dráhy, ktoré sú nevysvetliteľné z hľadiska klasickej newtonovskej mechaniky, alebo ohýbanie elektromagnetického žiarenia zo vzdialených hviezd pri prechode v tesnej blízkosti. k Slnku.
V skutočnosti sa výsledky predpovedané všeobecnou teóriou relativity výrazne líšia od výsledkov predpovedaných Newtonovými zákonmi iba v prítomnosti supersilných gravitačných polí. To znamená, že úplný test všeobecnej teórie relativity si vyžaduje buď ultra presné merania veľmi masívnych objektov alebo čiernych dier, na ktoré sa nedá použiť žiadna z našich obvyklých intuitívnych predstáv. Takže vývoj nových experimentálnych metód na testovanie teórie relativity zostáva jednou z najdôležitejších úloh experimentálnej fyziky.
GR a RTG: Určitý dôraz
1. V nespočetných knihách – monografiách, učebniciach a populárno-náučných publikáciách, ako aj v rôznych typoch článkov – sú čitatelia zvyknutí vidieť odkazy na všeobecnú teóriu relativity (GR) ako na jeden z najväčšie úspechy nášho storočia, o pozoruhodnej teórii, o nepostrádateľnom nástroji modernej fyziky a astronómie. Medzitým sa z článku A. A. Logunova dozvedia, že podľa jeho názoru treba opustiť všeobecnú teóriu relativity, že je zlá, nekonzistentná a protirečivá. Všeobecnú teóriu relativity preto treba nahradiť nejakou inou teóriou a konkrétne relativistickou teóriou gravitácie (RTG), ktorú zostavil A. A. Logunov a jeho spolupracovníci.
Je možné, že sa veľa ľudí mýli v hodnotení všeobecnej teórie relativity, ktorá existuje a skúma sa už viac ako 70 rokov a len málo ľudí na čele s A. A. Logunovom naozaj zistilo, že všeobecnú teóriu relativity treba zahodiť? Väčšina čitateľov pravdepodobne očakáva odpoveď: je to nemožné. V skutočnosti môžem odpovedať iba opačne: „také“ je v zásade možné, pretože nehovoríme o náboženstve, ale o vede.
Zakladatelia a proroci rôznych náboženstiev a vierovyznaní tvorili a naďalej vytvárajú svoje vlastné „sväté knihy“, ktorých obsah je vyhlásený za najvyššiu pravdu. Ak niekto pochybuje, tým horšie pre neho, stáva sa z neho heretik s následnými následkami, často až krvavými. A je lepšie vôbec nemyslieť, ale veriť podľa známej formulky jedného z cirkevných predstaviteľov: „Verím, pretože je to absurdné. Vedecký svetonázor je zásadne opačný: vyžaduje nebrať nič ako samozrejmosť, umožňuje vám o všetkom pochybovať, neuznáva dogmy. Pod vplyvom nových faktov a úvah je nielen možné, ale aj nevyhnutné, ak je to opodstatnené, zmeniť uhol pohľadu, nahradiť nedokonalú teóriu dokonalejšou, alebo, povedzme, nejako zovšeobecniť starú teóriu. U jednotlivcov je situácia podobná. Za neomylných sú považovaní zakladatelia vyznaní viery a napríklad medzi katolíkmi je za neomylného vyhlásený aj živý človek – „vládnuci“ pápež. Veda nepozná neomylných. Veľká, niekedy až výnimočná úcta, ktorú fyzici (pre istotu budem hovoriť o fyzikoch) prechovávajú k veľkým predstaviteľom svojho povolania, najmä k takým titanom ako Isaac Newton a Albert Einstein, nemá nič spoločné s kanonizáciou svätých, s zbožštenie. A veľkí fyzici sú ľudia a všetci ľudia majú svoje slabosti. Ak hovoríme o vede, ktorá nás tu zaujíma, tak najväčší fyzici neboli ani zďaleka vždy a nie vo všetkom v poriadku, úcta k nim a uznanie ich zásluh nie je založené na neomylnosti, ale na tom, že vedu dokázali obohatiť o pozoruhodné úspechy, vidieť ďalej a hlbšie ako ich súčasníci.
2. Teraz sa treba pozastaviť nad požiadavkami na základné fyzikálne teórie. Po prvé, takáto teória musí byť úplná v oblasti svojej použiteľnosti, alebo, ako svojvoľne poviem pre stručnosť, musí byť konzistentná. Po druhé, fyzikálna teória musí byť primeraná fyzikálnej realite, alebo, jednoduchšie, byť v súlade s experimentmi a pozorovaniami. Dalo by sa spomenúť ďalšie požiadavky, predovšetkým dodržiavanie zákonov a pravidiel matematiky, ale to všetko je implikované.
Vysvetlime si to, čo bolo povedané na príklade klasickej, nerelativistickej mechaniky – newtonovskej mechaniky aplikovanej na principiálne najjednoduchší problém pohybu nejakej „bodovej“ častice. Ako je známe, úlohu takejto častice v problémoch nebeskej mechaniky môže hrať celá planéta alebo jej satelit. Nechajte v tejto chvíli t0častica je v bode A so súradnicami x iA(t0) a má rýchlosť v iA(t0) (tu i= l, 2, 3, pretože polohu bodu v priestore charakterizujú tri súradnice a rýchlosť je vektor). Potom, ak sú známe všetky sily pôsobiace na časticu, zákony mechaniky nám umožňujú určiť polohu B a rýchlosť častíc v i v ktoromkoľvek nasledujúcom časovom okamihu t, teda nájsť presne definované veličiny xiB(t) a v iB(t). A čo by sa stalo, keby použité zákony mechaniky nedali jednoznačnú odpoveď a povedzme v našom príklade predpovedali, že častica v súčasnosti t môže byť buď v bode B alebo v úplne inom bode C? Je jasné, že takáto klasická (nekvantová) teória by bola neúplná, alebo v spomínanej terminológii nekonzistentná. Buď by bolo potrebné doplniť, aby to bolo jednoznačné, alebo by sa malo úplne vyradiť. Newtonova mechanika, ako bolo povedané, je konzistentná – dáva jednoznačné a celkom jednoznačné odpovede na otázky, ktoré sú v oblasti jej kompetencie a použiteľnosti. Newtonova mechanika spĺňa aj druhú spomenutú požiadavku - výsledky získané na jej základe (a konkrétne hodnoty súradníc x i(t) a rýchlosť v i (t)) sú v súlade s pozorovaniami a experimentmi. To je dôvod, prečo všetka nebeská mechanika - opis pohybu planét a ich satelitov - bola zatiaľ úplne založená a s úplným úspechom na newtonovskej mechanike.
3. Ale v roku 1859 Le Verrier zistil, že pohyb planéty najbližšie k Slnku – Merkúru je trochu odlišný od toho, ktorý predpovedala Newtonova mechanika. Konkrétne sa ukázalo, že perihélium - bod eliptickej obežnej dráhy planéty najbližšie k Slnku - rotuje uhlovou rýchlosťou 43 oblúkových sekúnd za storočie, čo sa líši od rýchlosti, ktorá by sa dala očakávať pri zohľadnení všetkých známych porúch z iných planét a ich satelitov. Ešte skôr sa s podobnou, v skutočnosti, situáciou stretli Le Verrier a Adams, keď analyzovali pohyb Uránu, najvzdialenejšej planéty od Slnka zo všetkých vtedy známych. A našli vysvetlenie pre nezrovnalosť medzi výpočtami a pozorovaniami, čo naznačuje, že pohyb Uránu ovplyvňuje ešte vzdialenejšia planéta zvaná Neptún. V roku 1846 bol Neptún skutočne objavený na predpovedanom mieste a táto udalosť je právom považovaná za triumf newtonovskej mechaniky. Celkom prirodzene sa Le Verrier pokúsil vysvetliť spomínanú anomáliu v pohybe Merkúra existenciou zatiaľ neznámej planéty – v tomto prípade istej planéty Vulkán, pohybujúcej sa ešte bližšie k Slnku. Ale druhýkrát "trik zlyhal" - žiadny Vulcan neexistuje. Potom sa začali pokúšať zmeniť Newtonov zákon univerzálnej gravitácie, podľa ktorého sa gravitačná sila aplikovaná na sústavu Slnko-planéta mení podľa zákona
kde ε je nejaké malé množstvo. Mimochodom, podobná technika sa dnes používa (aj keď bez úspechu) na vysvetlenie niektorých nejasných otázok astronómie (hovoríme o probléme skrytej hmoty; pozri napr. autorovu knihu „O fyzike a astrofyzike“, citovanú nižšie , s. 148). Ale aby sa hypotéza vyvinula do teórie, je potrebné vychádzať z nejakých princípov, naznačiť hodnotu parametra ε a vybudovať konzistentnú teoretickú schému. Toto sa nikomu nepodarilo a otázka rotácie perihélia Merkúra zostala otvorená až do roku 1915. Práve vtedy, uprostred prvej svetovej vojny, keď sa tak málo ľudí zaujímalo o abstraktné problémy fyziky a astronómie, Einstein dokončil (asi po 8 rokoch usilovného úsilia) vytvorenie všeobecnej teórie relativity. Táto posledná etapa budovania základov všeobecnej relativity bola zahrnutá v troch krátkych článkoch napísaných a napísaných v novembri 1915. V druhom z nich, ohlásenom 11. novembra, Einstein na základe všeobecnej teórie relativity vypočítal dodatočnú rotáciu perihélia Merkúra v porovnaní s newtonským, čo sa ukázalo ako rovnaké (v radiánoch za jednu otáčku planéty okolo slnko)
a c= 3 10 10 cm s –1 je rýchlosť svetla. Pri prechode na posledný výraz (1) bol použitý tretí Keplerov zákon
| a 3 = | GM ☼ | T 2 |
| 4π 2 |
kde T je obežná doba planéty. Ak dosadíme teraz najznámejšie hodnoty všetkých veličín do vzorca (1) a urobíme aj elementárny prepočet z radiánov na otáčku na rotáciu v oblúkových sekundách (znamienko ″) za storočie, dostaneme sa k hodnote Ψ = 42″,98 / storočie. Pozorovania súhlasia s týmto výsledkom s teraz dosiahnutou presnosťou asi ± 0″,1 / storočie (Einstein vo svojej prvej práci použil menej presné údaje, ale v medziach chýb dosiahol úplnú zhodu medzi teóriou a pozorovaniami). Vzorec (1) je uvedený vyššie, po prvé, aby sa objasnila jeho jednoduchosť, ktorá tak často chýba v matematicky zložitých fyzikálnych teóriách, vrátane v mnohých prípadoch všeobecnej teórie relativity. Po druhé, a to najdôležitejšie, z (1) je zrejmé, že rotácia perihélia vyplýva zo všeobecnej teórie relativity bez toho, aby bolo potrebné zapájať akékoľvek nové neznáme konštanty alebo parametre. Preto sa výsledok získaný Einsteinom stal skutočným triumfom všeobecnej teórie relativity.
V najlepších Einsteinových biografiách, aké poznám, je vyjadrený a podložený názor, že vysvetlenie rotácie perihélia Merkúra bolo „najsilnejšou emocionálnou udalosťou zo všetkých vedecký život Einsteina a možno na celý život. Áno, bola to Einsteinova najlepšia hodina. Ale len pre neho. Z viacerých dôvodov (stačí spomenúť vojnu), aby samotná GR vstúpila na svetovú scénu pre túto teóriu aj jej tvorcu, sa „vrcholom“ stala ďalšia udalosť, ktorá sa odohrala o 4 roky neskôr, v roku 1919. v práci, v ktorej bol získaný vzorec (1), Einstein urobil dôležitú predpoveď: lúče svetla prechádzajúce blízko Slnka musia byť ohnuté a ich odchýlka musí byť
|
(2) |
kde r je najbližšia vzdialenosť medzi lúčom a stredom Slnka a r☼ = 6,96 10 10 cm je polomer Slnka (presnejšie polomer slnečnej fotosféry); maximálna odchýlka, ktorú možno pozorovať, je teda 1,75 oblúkovej sekundy. Akokoľvek malý je takýto uhol (približne pod týmto uhlom je dospelý človek viditeľný zo vzdialenosti 200 km), už vtedy sa dal zmerať optickou metódou fotografovaním hviezd na oblohe v blízkosti Slnka. Takéto pozorovania urobili dve britské expedície počas úplného zatmenia Slnka 29. mája 1919. Vplyv vychýlenia lúčov v poli Slnka bol v tomto prípade preukázaný so všetkou istotou a je v súlade so vzorcom (2), hoci presnosť merania nebola vysoká vzhľadom na malý vplyv. Polovičná odchýlka podľa (2), t.j. o 0,87, však bola vylúčená. To druhé je veľmi dôležité, pretože odchýlka o 0″,87 (s r = r☼) možno získať už z newtonovskej teórie (samotnú možnosť vychýlenia svetla v gravitačnom poli zaznamenal Newton a výraz pre uhol vychýlenia, polovičný ako podľa vzorca (2), získal v roku 1801; ďalšia vec je že táto predpoveď bola zabudnutá a Einstein o nej nevedel). 6. novembra 1919 boli výsledky expedícií oznámené v Londýne na spoločnom stretnutí Kráľovskej spoločnosti a Kráľovskej astronomickej spoločnosti. Aký dojem urobili, je zrejmé z toho, čo povedal J. J. Thomson, ktorý tomuto stretnutiu predsedal: „Toto je najdôležitejší výsledok získaný v súvislosti s teóriou gravitácie od čias Newtona... Predstavuje jeden z najväčších úspechov ľudstva myšlienka."
Účinky všeobecnej teórie relativity v slnečnej sústave, ako sme videli, sú veľmi malé. Vysvetľuje sa to tým, že gravitačné pole Slnka (nehovoriac o planétach) je slabé. To druhé znamená, že newtonovský gravitačný potenciál Slnka
Pripomeňme si teraz výsledok známy z školský kurz fyzika: pre kruhové dráhy planét |φ ☼ | = v 2 , kde v je rýchlosť planéty. Preto slabosť gravitačného poľa možno charakterizovať názornejším parametrom v 2 / c 2, ktorý pre slnečná sústava, ako sme videli, nepresahuje 2,12 10 – 6 . Na obežnej dráhe Zeme v = 3 10 6 cm s - 1 a v 2 / c 2 \u003d 10 - 8, pre blízke satelity Zeme v ~ 8 10 5 cm s - 1 a v 2 / c 2 ~ 7 10 - 10 . Preto overenie spomínaných efektov všeobecnej teórie relativity aj s teraz dosiahnutou presnosťou 0,1 %, teda s chybou nepresahujúcou 10 - 3 nameranej hodnoty (povedzme odchýlka svetelných lúčov v slnečnom poli), zatiaľ neumožňuje komplexné overenie všeobecnej relativity s presnosťou podmienok objednávky
O meraní s požadovanou presnosťou, povedzme, odklonu lúčov v rámci slnečnej sústavy, sa môže len snívať. O projektoch zodpovedajúcich experimentov sa však už diskutuje. V súvislosti s tým, čo bolo povedané, fyzici hovoria, že všeobecná relativita bola overená hlavne len pre slabé gravitačné pole. Ale jednu dôležitú okolnosť sme si (v každom prípade ja) akosi dosť dlho ani nevšimli. Práve po vypustení prvého satelitu Zeme 4. októbra 1957 sa vesmírna navigácia začala rýchlo rozvíjať. Pre pristávacie prístroje na Marse a Venuši, pri letoch v blízkosti Phobosu a pod., sú už potrebné výpočty s presnosťou až metrov (vo vzdialenostiach od Zeme rádovo sto miliárd metrov), kedy sú účinky všeobecnej relativity dosť významný. Preto sa teraz výpočty vykonávajú na základe výpočtových schém, ktoré organicky zohľadňujú všeobecnú relativitu. Pamätám si, ako pred pár rokmi jeden rečník – špecialista na vesmírnu navigáciu – nerozumel ani mojim otázkam o presnosti testovania všeobecnej teórie relativity. Odpovedal: v našich inžinierskych výpočtoch berieme do úvahy všeobecnú teóriu relativity, inak sa nedá pracovať, všetko sa ukáže správne, čo viac by ste mohli chcieť? Samozrejme, želať si možno veľa, no netreba zabúdať, že všeobecná relativita už nie je abstraktná teória, ale využíva sa pri „inžinierskych výpočtoch“.
4. Vo svetle vyššie uvedeného sa kritika GRT od A. A. Logunova javí ako obzvlášť prekvapivá. Ale v súlade s tým, čo bolo povedané na začiatku tohto článku, túto kritiku nemožno odmietnuť bez analýzy. V ešte väčšej miere bez podrobnej analýzy nie je možné urobiť úsudok o RTG navrhnutom A. A. Logunovom - relativistickej teórii gravitácie.
Bohužiaľ je absolútne nemožné vykonať takúto analýzu na stránkach populárno-vedeckých publikácií. A. A. Logunov vo svojom článku v skutočnosti len deklaruje a komentuje svoj postoj. Tu nemôžem inak urobiť.
Takže veríme, že GR je konzistentná fyzikálna teória - GR dáva jednoznačnú odpoveď na všetky správne a jasne položené otázky, ktoré sú prípustné v oblasti jej použiteľnosti (druhá sa týka najmä doby oneskorenia signálov, keď lokalizácia planét). Netrpí všeobecnou teóriou relativity a prípadnými defektmi matematického či logického charakteru. Je však potrebné ujasniť si, čo sa vyššie myslí pri použití zámena „my“. „My“ som, samozrejme, ja, ale aj všetci tí sovietski a zahraniční fyzici, s ktorými som musel diskutovať o všeobecnej teórii relativity a v mnohých prípadoch aj o jej kritike zo strany A. A. Logunova. Veľký Galileo pred štyrmi storočiami povedal: vo veciach vedy je názor jedného cennejší ako názor tisícky. Inými slovami, vedecké spory sa neriešia väčšinou hlasov. Ale na druhej strane je celkom zrejmé, že názor mnohých fyzikov je vo všeobecnosti oveľa presvedčivejší, alebo, lepšie povedané, spoľahlivejší a závažnejší ako názor jedného fyzika. Preto je tu dôležitý prechod od „ja“ k „my“.
Dúfam, že bude užitočné a vhodné uviesť niekoľko ďalších poznámok.
Prečo AA Logunov tak neznáša GR? Hlavným dôvodom je, že vo všeobecnej teórii relativity vo všeobecnosti neexistuje pojem energie a hybnosti v podobe, ktorú poznáme z elektrodynamiky, a podľa jeho slov sa odmieta „prezentovať gravitačné pole ako klasické pole Faradayov-Maxwellov typ, ktorý má dobre definovanú hustotu energie a hybnosti. Áno, to druhé je v určitom zmysle pravda, ale vysvetľuje sa to skutočnosťou, že „v Riemannovej geometrii vo všeobecnom prípade nie je potrebná symetria vzhľadom na posuny a rotácie, to znamená, že neexistuje .. .časopriestorová pohybová skupina.“ Geometria časopriestoru je podľa všeobecnej teórie relativity Riemannovou geometriou. Preto sa najmä lúče svetla odchyľujú od priamky a prechádzajú blízko Slnka.
Jedným z najväčších úspechov matematiky minulého storočia bolo vytvorenie a rozvoj neeuklidovskej geometrie Lobačevským, Bolyaiom, Gaussom, Riemannom a ich nasledovníkmi. Potom vyvstala otázka: aká je vlastne geometria fyzického časopriestoru, v ktorom žijeme? Ako sa uvádza, podľa GR je táto geometria neeuklidovská, riemannovská, a nie pseudoeuklidovská geometria Minkowského (podrobnejšie je táto geometria popísaná v článku A. A. Logunova). Dalo by sa povedať, že táto Minkowského geometria bola výsledkom špeciálna teória relativity (SRT) a nahradili absolútny čas a absolútny priestor Newtona. Ten sa tesne pred vytvorením SRT v roku 1905 pokúsil identifikovať s fixným éterom Lorentza. Ale od Lorentzovho éteru ako absolútne nepohyblivého mechanického média sa upustilo, pretože všetky pokusy spozorovať prítomnosť tohto média boli neúspešné (mám na mysli Michelsonov experiment a niektoré ďalšie experimenty). Hypotéza, že fyzikálny časopriestor je nevyhnutne presne Minkowského priestor, ktorý A. A. Logunov prijíma ako fundamentálny, je veľmi ďalekosiahla. Je v istom zmysle analogická s hypotézami o absolútnom priestore a o mechanickom éteri a zdá sa nám, že zostáva a zostane úplne nepodložená, kým sa v jej prospech nenaznačia niektoré argumenty založené na pozorovaniach a experimentoch. A takéto argumenty, aspoň v súčasnosti, úplne absentujú. Odkazy na analógiu s elektrodynamikou a ideály pozoruhodných fyzikov minulého storočia Faradaya a Maxwella nie sú v tomto smere presvedčivé.
5. Ak hovoríme o rozdiele medzi elektromagnetickým poľom a následne aj elektrodynamikou a gravitačným poľom (GR je práve teória takéhoto poľa), treba si uvedomiť nasledovné. Voľbou referenčného systému nie je možné ani lokálne (na malej ploche) zničiť (vynulovať) celé elektromagnetické pole. Ak teda hustota energie elektromagnetického poľa
| W = | E 2 + H 2 |
| 8π |
(E a H- intenzita elektrického a magnetického poľa) je nenulová v akejkoľvek referenčnej sústave, potom bude nenulová v akejkoľvek inej referenčnej sústave. Gravitačné pole, zhruba povedané, oveľa silnejšie závisí od výberu referenčného rámca. Takže rovnomerné a konštantné gravitačné pole (to znamená gravitačné pole, ktoré spôsobuje zrýchlenie gčastice v ňom umiestnené, nezávisle od súradníc a času) môžu byť úplne „zničené“ (otočené na nulu) prechodom do rovnomerne zrýchlenej referenčnej sústavy. Túto okolnosť, ktorá je hlavným fyzikálnym obsahom „princípu ekvivalencie“, prvýkrát zaznamenal Einstein v článku publikovanom v roku 1907 a ktorý bol prvým na ceste k vytvoreniu všeobecnej teórie relativity.
Ak neexistuje gravitačné pole (najmä zrýchlenie, ktoré spôsobuje g sa rovná nule), potom sa hustota energie, ktorá tomu zodpovedá, tiež rovná nule. Z toho je zrejmé, že v otázke hustoty energie (a hybnosti) sa teória gravitačného poľa musí radikálne líšiť od teórie elektromagnetického poľa. Takéto tvrdenie sa nemení vzhľadom na to, že vo všeobecnosti sa gravitačné pole nedá „zničiť“ výberom vzťažnej sústavy.
Einstein to pochopil ešte pred rokom 1915, keď dokončil vytvorenie všeobecnej teórie relativity. V roku 1911 teda napísal: „Samozrejme, je nemožné nahradiť akékoľvek gravitačné pole stavom pohybu systému bez gravitačného poľa, rovnako ako je nemožné premeniť všetky body ľubovoľne sa pohybujúceho média na pokoj prostriedky relativistickej transformácie“. A tu je úryvok z článku z roku 1914: „Najprv urobíme ešte jednu poznámku, aby sme odstránili zjavné nedorozumenie. Zástanca zaužívanej modernej teórie relativity (hovoríme o SRT – V. L. G.) s istým právom nazýva „zdanlivú“ rýchlosť hmotného bodu. Totižto si môže zvoliť referenčnú sústavu tak, že hmotný bod má v uvažovanom momente rýchlosť rovnú nule. Ak existuje systém hmotných bodov, ktoré majú rôzne rýchlosti, potom už nemôže zaviesť taký referenčný systém, aby rýchlosti všetkých hmotných bodov relatívne k tomuto systému zanikli. Podobne aj fyzik, stojaci z nášho pohľadu, môže nazvať gravitačné pole „zdanlivé“, pretože vhodnou voľbou zrýchlenia vzťažnej sústavy môže dosiahnuť, že v určitom bode časopriestoru gravitačné pole zanikne. Je však pozoruhodné, že zánik gravitačného poľa transformáciou vo všeobecnom prípade nemožno dosiahnuť pre rozšírené gravitačné polia. Napríklad gravitačné pole Zeme sa nemôže rovnať nule výberom vhodnej referenčnej sústavy.“ Napokon, už v roku 1916, v reakcii na kritiku všeobecnej teórie relativity, Einstein opäť zdôraznil to isté: „V žiadnom prípade nemožno tiež tvrdiť, že gravitačné pole je do určitej miery vysvetlené čisto kinematicky: „kinematické, nedynamické pochopenie gravitácie“ je nemožné. Žiadne gravitačné pole nezískame jednoduchým zrýchlením jedného Galileovho súradnicového systému voči druhému, keďže týmto spôsobom je možné získať polia len určitej štruktúry, ktorá sa však musí riadiť rovnakými zákonmi ako všetky ostatné gravitačné polia. Toto je ďalšia formulácia princípu ekvivalencie (konkrétne pre aplikáciu tohto princípu na gravitáciu).“
Nemožnosť „kinematického chápania“ gravitácie v kombinácii s princípom ekvivalencie spôsobuje v GR prechod od pseudoeuklidovskej geometrie Minkowského k riemannovskej geometrii (pri tejto geometrii má časopriestor, všeobecne povedané, ne- nulové zakrivenie; prítomnosť takéhoto zakrivenia odlišuje „skutočné“ gravitačné pole od „kinematického“). Fyzikálne vlastnosti gravitačného poľa určujú, zopakujme, radikálnu zmenu úlohy energie a hybnosti vo všeobecnej teórii relativity v porovnaní s elektrodynamikou. Zároveň použitie Riemannovej geometrie a nemožnosť aplikácie energetických konceptov známych z elektrodynamiky nebráni, ako už bolo zdôraznené vyššie, tomu, že GR implikuje a možno vypočítať celkom jednoznačné hodnoty pre všetky pozorovateľné veličiny. (uhol vychýlenia svetelných lúčov, zmeny prvkov obežných dráh planét a dvojitých pulzarov atď. atď.).
Asi by bolo užitočné poznamenať, že všeobecnú teóriu relativity možno formulovať aj v bežnej forme z elektrodynamiky pomocou konceptu hustoty energie a hybnosti (k tomu pozri citovaný článok Ya. B. Zeldovicha a L. P. Grischuka. zavedený na V tomto prípade je Minkowského priestor čisto fiktívny (nepozorovateľný) a hovoríme len o tej istej všeobecnej teórii relativity, napísanej v neštandardnej forme. Medzitým to opakujeme, A. A. Logunov považuje Minkowského priestor, ktorý používa v relativistickej teórii gravitácie (RTG) byť skutočným fyzikálnym, a teda pozorovateľným priestorom.
6. V tejto súvislosti je obzvlášť dôležitá druhá z otázok v názve tohto článku: zodpovedá všeobecná relativita fyzikálnej realite? Inými slovami, čo hovorí skúsenosť – najvyšší sudca pri rozhodovaní o osude akejkoľvek fyzikálnej teórie? Tomuto problému - experimentálnemu overovaniu všeobecnej teórie relativity sa venuje množstvo článkov a kníh. V tomto prípade je záver celkom jednoznačný – všetky dostupné údaje z experimentov alebo pozorovaní buď GRT potvrdzujú, alebo nie sú v rozpore. Ako sme však už uviedli, overovanie všeobecnej teórie relativity bolo realizované a prebieha prevažne len v slabom gravitačnom poli. Okrem toho má každý experiment obmedzenú presnosť. V silných gravitačných poliach (zhruba povedané v prípade, že pomer |φ| / c 2 nie je malý; pozri vyššie) GR ešte nebolo úplne overené. Na tento účel je dnes možné prakticky využívať len astronomické metódy súvisiace s veľmi vzdialeným vesmírom: štúdium neutrónových hviezd, dvojitých pulzarov, „čiernych dier“, expanzie a štruktúry Vesmíru, ako sa hovorí, „vo veľkom “ – v obrovských priestoroch meraných miliónmi a miliardami svetelných rokov. V tomto smere sa už urobilo a robí veľa. Stačí spomenúť štúdie binárneho pulzaru PSR 1913+16, pre ktorý (ako aj pre neutrónové hviezdy všeobecne) platí parameter |φ| / c 2 je už asi 0,1. Okrem toho bolo v tomto prípade možné odhaliť efekt objednávky (v / c) 5 spojené s emisiou gravitačných vĺn. V najbližších desaťročiach sa otvorí ešte viac možností pre štúdium procesov v silných gravitačných poliach.
Hlavnou hviezdou týchto úchvatných štúdií je predovšetkým všeobecná relativita. Zároveň sa, samozrejme, diskutuje aj o niektorých ďalších možnostiach – o iných, ako sa niekedy hovorí, o alternatívnych teóriách gravitácie. Napríklad vo všeobecnej teórii relativity, ako aj v Newtonovej teórii univerzálnej gravitácie, gravitačná konštanta G skutočne považovaný za konštantu. Jedna z najznámejších teórií gravitácie, zovšeobecňujúca (alebo presnejšie rozširujúca) všeobecná teória relativity, je teória, v ktorej sa gravitačná „konštanta“ už považuje za novú skalárnu funkciu – veličinu, ktorá závisí od súradníc a času. Pozorovania a merania však naznačujú, že možné relatívne zmeny G v priebehu času sú veľmi malé - zjavne predstavujú nie viac ako sto miliárd ročne, to znamená | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения G mohol hrať úlohu. Všimnite si, že aj bez ohľadu na otázku nestálosti G predpoklad existencie v reálnom časopriestore, navyše v gravitačnom poli gik, tiež niektoré skalárne pole ψ je hlavným smerom v modernej fyzike a kozmológii. V iných alternatívnych teóriách gravitácie (pozri knihu C. Willa spomenutú vyššie v poznámke 8) je všeobecná relativita modifikovaná alebo zovšeobecnená iným spôsobom. Samozrejme, nemožno namietať proti zodpovedajúcej analýze, pretože GR nie je dogma, ale fyzikálna teória. Navyše vieme, že všeobecnú teóriu relativity, ktorá je nekvantovou teóriou, je samozrejme potrebné zovšeobecniť na kvantovú oblasť, ktorá je zatiaľ pre známe gravitačné experimenty nedostupná. Prirodzene, nemôžete sa tu o tom všetkom podrobnejšie venovať.
7. A. A. Logunov, vychádzajúc z kritiky všeobecnej teórie relativity, už viac ako 10 rokov buduje nejakú alternatívnu teóriu gravitácie, ktorá sa líši od všeobecnej relativity. Zároveň sa v priebehu práce veľa zmenilo a aktuálne akceptovaná verzia teórie (ide o RTG) je podrobne rozpísaná najmä v článku, ktorý zaberá asi 150 strán a obsahuje len asi 700 očíslovaných vzorcov. Je zrejmé, že podrobná analýza RTG je možná len na stránkach vedeckých časopisoch. Až po takejto analýze bude možné povedať, či je RTG konzistentné, či obsahuje matematické rozpory atď. Pokiaľ som pochopil, RTG sa líši od GR tým, že vyberie len časť riešení GR - všetky riešenia diferenciálnych rovníc RTG spĺňajú rovnice GR, ale ako tvrdia autori RTG, nie naopak. Zároveň sa konštatuje, že s ohľadom na globálne problémy (riešenia celého časopriestoru alebo jeho veľkých oblastí, topológia a pod.) sú rozdiely medzi RTG a GR vo všeobecnosti radikálne. Pokiaľ ide o všetky experimenty a pozorovania uskutočnené v rámci slnečnej sústavy, potom, pokiaľ som pochopil, RTG nemôže byť v rozpore so všeobecnou teóriou relativity. Ak áno, potom nie je možné uprednostniť RTG (pred GR) na základe známych experimentov v slnečnej sústave. Čo sa týka „čiernych dier“ a vesmíru, autori RTG tvrdia, že ich závery sa výrazne líšia od záverov všeobecnej teórie relativity, no nie sú nám známe žiadne konkrétne údaje z pozorovania, ktoré by svedčia v prospech RTG. V takejto situácii RTG od A. A. Logunova (ak sa RTG skutočne líši od GR v podstate, a to nielen v spôsobe prezentácie a výberu jednej z možných tried súradnicových podmienok; pozri článok Ya. B. Zeldovicha a L. P. Grischuk) možno v zásade považovať iba za jeden z prípustných, alternatívne teórie gravitácia.
Niektorých čitateľov môžu upozorniť výhrady ako: „ak je to tak“, „ak sa RTG skutočne líši od GR“. Snažím sa týmto spôsobom poistiť chyby? Nie, nebojím sa urobiť chybu už na základe presvedčenia, že záruka neomylnosti je len jedna – nepracovať vôbec av tomto prípade nediskutovať o vedeckých otázkach. Iná vec je, že úcta k vede, znalosť jej charakteru a histórie nabáda k opatrnosti. Kategorickosť vyhlásení nie vždy naznačuje prítomnosť skutočnej jasnosti a vo všeobecnosti neprispieva k určovaniu pravdy. RTG A. A. Logunova vo svojej modernej podobe bola formulovaná pomerne nedávno a vo vedeckej literatúre ešte nebola podrobne diskutovaná. Preto na to, prirodzene, nemám konečný názor. Navyše v populárnom vedeckom časopise nemožno diskutovať o množstve vznikajúcich problémov a sú nevhodné. Zároveň sa, samozrejme, vzhľadom na veľký záujem čitateľov o teóriu gravitácie javí pokrytie tohto okruhu otázok, vrátane tých diskutabilných, na stránkach Vedy a života opodstatnené na dostupnej úrovni.
Takže, riadené múdrym „princípom najvyšších výhod“, RTG by sa teraz malo považovať za alternatívnu teóriu gravitácie, ktorú je potrebné podľa toho analyzovať a prediskutovať. Komu sa táto teória (RTG) páči a koho to zaujíma, nikto nebráni (a samozrejme by nemal zasahovať) ju rozvíjať, navrhovať možné spôsoby experimentálneho overovania.
Zároveň nie je dôvod povedať, že GTR je v súčasnosti do určitej miery otrasená. Okrem toho sa zdá, že rozsah použiteľnosti všeobecnej teórie relativity je veľmi široký a jej presnosť je veľmi vysoká. To je podľa nás objektívne hodnotenie súčasného stavu. Ak hovoríme o vkuse a intuitívnych postojoch a vkus a intuícia vo vede zohrávajú významnú úlohu, hoci ich nemožno predložiť ako dôkaz, potom tu musíme prejsť od „my“ k „ja“. Čím viac som sa teda mal a stále musím zaoberať všeobecnou teóriou relativity a jej kritikou, tým silnejšie mám dojem z jej výnimočnej hĺbky a krásy.
V skutočnosti, ako je uvedené v tiráži, náklad časopisu „Veda a život“ č. 4 z roku 1987 bol 3 milióny 475 tisíc výtlačkov. AT posledné roky náklad bol len niekoľko desiatok tisíc výtlačkov, pričom len v roku 2002 prekročil 40 tisíc. (poznámka - A. M. Krainev).
Mimochodom, v roku 1987 si pripomíname 300. výročie prvého vydania Newtonovej skvelej knihy Matematické princípy prírodnej filozofie. Veľmi poučné je oboznámenie sa s históriou vzniku tohto diela, nehovoriac o ňom samom. To isté však platí o všetkých aktivitách Newtona, s ktorými sa u nás laici len tak ľahko nezoznámia. Na tento účel môžem odporučiť veľmi dobrú knihu od S. I. Vavilova "Isaac Newton", mala by vyjsť znova. Dovoľte mi spomenúť aj môj článok napísaný pri príležitosti Newtonovho výročia, uverejnený v časopise Uspekhi fizicheskikh nauk, ročník 151, číslo 1, 1987, s. 119.
Veľkosť obratu je udávaná podľa moderných meraní (Le Verrier mal obrat 38 sekúnd). Pre jasnosť si pripomeňme, že Slnko a Mesiac sú viditeľné zo Zeme pod uhlom asi 0,5 oblúkového stupňa – 1800 oblúkových sekúnd.
A. Pals „Jemný je Pán...“ Veda a život Alberta Einsteina. Oxford Univ. Press, 1982. Bolo by účelné vydať ruský preklad tejto knihy.
To druhé je možné počas plného zatmenia Slnka; fotografovanie rovnakej časti oblohy, povedzme, o šesť mesiacov neskôr, keď sa Slnko presunulo nebeská sféra, získame pre porovnanie obraz, ktorý nie je skreslený v dôsledku vychýlenia lúčov vplyvom gravitačného poľa Slnka.
Pre podrobnosti sa musím odvolať na článok Ya. B. Zeldovicha a L. P. Grishchuka, nedávno publikovaný v Uspekhi fizicheskikh nauk (Uspekhi fizicheskikh nauk) (zv. 149, s. 695, 1986), ako aj na tam citovanú literatúru , najmä k článku L. D. Faddeeva („Uspekhi fizicheskikh nauk“, zv. 136, s. 435, 1982).
Pozri poznámku pod čiarou 5.
Pozri K. Will. „Teória a experiment v gravitačnej fyzike“. M., Energoiedat, 1985; pozri aj V. L. Ginzburg. O fyzike a astrofyzike. M., Nauka, 1985 a tam uvedená literatúra.
A. A. Logunov a M. A. Mestvirishvili. „Základy relativistickej teórie gravitácie“. Časopis "Fyzika elementárnych častíc a atómového jadra", v. 17, číslo 1, 1986
V prácach A. A. Logunova existujú ďalšie tvrdenia a konkrétne sa uvažuje, že pre čas oneskorenia signálu, keď sa napríklad Merkúr nachádza od Zeme, je hodnota získaná z RTG odlišná od hodnoty z GR. Presnejšie povedané, tvrdí sa, že všeobecná relativita neposkytuje jednoznačnú predpoveď času oneskorenia signálov, to znamená, že všeobecná relativita je nekonzistentná (pozri vyššie). Takýto záver je však podľa nás ovocím nedorozumenia (naznačuje to napr. citovaný článok Ya., ktorý porovnáva lokalizované planéty, ktoré sú na rôznych obežných dráhach, a teda majú rôzne obdobia revolúcie okolo slnko. Časy oneskorenia signálu pozorované zo Zeme v mieste určitej planéty sa podľa GR a RTG zhodujú.
Pozri poznámku pod čiarou 5.
Podrobnosti pre zvedavcov
 |
Odchýlka svetla a rádiových vĺn v gravitačnom poli Slnka. Zvyčajne, ako idealizovaný model Slnka, statická sféricky symetrická guľa s polomerom R☼ ~ 6,96 10 10 cm, hmotnosť Slnka M☼ ~ 1,99 10 30 kg (332958-násobok hmotnosti Zeme). Odchýlka svetla je maximálna pre lúče, ktoré sa sotva dotýkajú Slnka, teda pri R ~ R☼ a rovná sa: φ ≈ 1″,75 (oblúkových sekúnd). Tento uhol je veľmi malý – približne pod týmto uhlom je dospelý človek videný zo vzdialenosti 200 km, a preto presnosť merania gravitačného zakrivenia lúčov nebola donedávna vysoká. Posledné optické merania, uskutočnené počas zatmenia Slnka 30. júna 1973, mali chybu asi 10 %. Dnes vďaka nástupu rádiových interferometrov „s extra dlhou základnou čiarou“ (viac ako 1000 km) sa presnosť merania uhlov dramaticky zvýšila. Rádiové interferometre umožňujú spoľahlivo merať uhlové vzdialenosti a zmeny uhla rádovo 10 - 4 oblúkové sekundy (~ 1 nanoradián).
Na obrázku je znázornený odklon iba jedného z lúčov prichádzajúcich zo vzdialeného zdroja. V skutočnosti sú oba nosníky zakrivené.
GRAVITAČNÝ POTENCIÁL
V roku 1687 sa objavilo Newtonovo základné dielo „Matematické princípy prírodnej filozofie“ (pozri „Veda a život“ č. 1, 1987), v ktorom bol sformulovaný zákon univerzálnej gravitácie. Tento zákon hovorí, že sila príťažlivosti medzi akýmikoľvek dvoma hmotnými časticami je priamo úmerná ich hmotnostiam. M a m a nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti r medzi nimi:
| F = G | mm | . |
| r 2 |
Faktor proporcionality G sa stala známou ako gravitačná konštanta, je potrebné zladiť rozmery v pravej a ľavej časti Newtonovho vzorca. Ukázal to dokonca aj samotný Newton s na svoju dobu veľmi vysokou presnosťou G- hodnota je konštantná, a preto ním objavený gravitačný zákon je univerzálny.
Dve priťahujúce sa bodové hmoty M a m sa v Newtonovom vzorci objavujú rovnako. Inými slovami, môžeme uvažovať o tom, že oba slúžia ako zdroje gravitačného poľa. V špecifických problémoch, najmä v nebeskej mechanike, je však jedna z dvoch hmotností často veľmi malá v porovnaní s druhou. Napríklad hmotnosť Zeme MЗ ≈ 6 10 24 kg je oveľa menej ako hmotnosť Slnka M☼ ≈ 2 10 30 kg alebo povedzme hmotnosť satelitu m≈ 10 3 kg sa nedá porovnať s hmotnosťou Zeme, a preto nemá prakticky žiadny vplyv na pohyb Zeme. Takáto hmota, ktorá sama neruší gravitačné pole, ale slúži ako akási sonda, na ktorú toto pole pôsobí, sa nazýva testovacia hmota. (Rovnakým spôsobom existuje v elektrodynamike pojem „testovací náboj“, teda taký, ktorý pomáha detekovať elektromagnetické pole.) Keďže testovacia hmota (alebo testovací náboj) má zanedbateľný príspevok k poľu, napr. takouto hmotnosťou sa pole stáva „vonkajším“ a možno ho charakterizovať veličinou nazývanou napätie. V podstate zrýchlenie voľného pádu g je sila zemského gravitačného poľa. Druhý zákon newtonovskej mechaniky potom udáva pohybové rovnice bodovej testovacej hmoty m. Napríklad takto sa riešia problémy balistiky a nebeskej mechaniky. Všimnite si, že pre väčšinu týchto problémov má Newtonova teória gravitácie aj dnes celkom dostatočnú presnosť.
Napätie, podobne ako sila, je vektorová veličina, teda v trojrozmerný priestor je určená tromi číslami - zložkami pozdĺž vzájomne kolmých karteziánskych osí X, pri, z. Pri zmene súradnicového systému – a takéto operácie nie sú vo fyzikálnych a astronomických problémoch nezvyčajné – sa karteziánske súradnice vektora transformujú nejakým, nie komplikovaným, ale často ťažkopádnym spôsobom. Preto by bolo vhodné namiesto vektorovej intenzity poľa použiť jemu zodpovedajúcu skalárnu hodnotu, z ktorej by sa pomocou nejakého jednoduchého receptu získala silová charakteristika poľa - sila. A takáto skalárna hodnota existuje - nazýva sa to potenciál a prechod do napätia sa uskutočňuje jednoduchou diferenciáciou. Z toho vyplýva, že newtonovský gravitačný potenciál vytvorený hmotou M, rovná sa
odkiaľ nasleduje rovnosť |φ| = v2.
V matematike sa Newtonova teória gravitácie niekedy nazýva „teória potenciálu“. Svojho času slúžila teória newtonského potenciálu ako model pre teóriu elektriny a potom predstavy o fyzickom poli, sformované v Maxwellovej elektrodynamike, podnietili vznik Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Prechod od Einsteinovej relativistickej teórie gravitácie k špeciálnemu prípadu newtonovskej teórie gravitácie presne zodpovedá oblasti malých hodnôt bezrozmerného parametra |φ| / c 2 .
Kráľova nová myseľ [o počítačoch, myslení a fyzikálnych zákonoch] Roger Penrose
Einsteinova všeobecná teória relativity
Pripomeňme si veľkú pravdu, ktorú objavil Galileo: všetky telesá padajú pod vplyvom gravitácie rovnako rýchlo. (Bol to brilantný odhad, sotva podložený empirickými údajmi, pretože v dôsledku odporu vzduchu perie a kamene stále padajú nestabilne. súčasne! Galileo si zrazu uvedomil, že ak sa dá odpor vzduchu znížiť na nulu, tak perie a kamene by spadol na Zem v rovnakom čase.) Trvalo tri storočia, kým sa hlboký význam tohto objavu skutočne realizoval a stal sa základným kameňom veľkej teórie. Mám na mysli Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity - pozoruhodný opis gravitácie, ktorý, ako sa čoskoro ukáže, si vyžadoval zavedenie konceptu zakrivený časopriestor !
Čo má Galileov intuitívny objav spoločné s myšlienkou „zakrivenia časopriestoru“? Ako sa mohlo stať, že tento koncept, tak zjavne odlišný od Newtonovej schémy, podľa ktorej sa častice urýchľujú vplyvom obyčajných gravitačných síl, dokázal nielen vyrovnať presnosť popisu s Newtonovou teóriou, ale ju aj prekonať? A potom, aké pravdivé je tvrdenie, že v objave Galilea bolo niečo, čo nemal neskôr začlenené do newtonovskej teórie?
Dovoľte mi začať poslednou otázkou, pretože na ňu je najjednoduchšie odpovedať. Čo podľa Newtonovej teórie riadi zrýchlenie telesa pod vplyvom gravitácie? Po prvé, na teleso pôsobí gravitačná sila. silu , čo podľa Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie musí byť úmerné telesnej hmotnosti. Po druhé, množstvo zrýchlenia, ktoré telo zažíva pri pôsobení daný sila, podľa druhého Newtonovho zákona, nepriamo úmerné telesnej hmotnosti. Galileov úžasný objav závisí od skutočnosti, že „hmotnosť“, ktorá vstupuje do Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie, je v skutočnosti tá istá „hmotnosť“, ktorá vstupuje do druhého Newtonovho zákona. (Namiesto „rovnakého“ by sa dalo povedať „proporcionálne“.) Výsledkom je, že zrýchlenie tela pod vplyvom gravitácie nezávisí z jeho hmoty. AT všeobecná schéma Newton, nič nenasvedčuje tomu, že oba pojmy hmotnosti sú rovnaké. Táto rovnosť len Newton postuloval. Elektrické sily sú skutočne podobné gravitačným v tom, že obe sú nepriamo úmerné štvorcu vzdialenosti, ale elektrické sily závisia od nabíjačka, ktorá je úplne iného charakteru ako hmotnosť v druhom Newtonovom zákone. „Intuitívny objav Galilea“ by sa nedal použiť na elektrické sily: o telesách (nabitých telesách) vrhaných v elektrickom poli sa nedá povedať, že „padajú“ rovnakou rýchlosťou!
Iba na chvíľu súhlasiť Galileov intuitívny objav týkajúci sa pohybu pod vplyvom gravitácia a pokúsiť sa zistiť, k akým dôsledkom to vedie. Predstavte si, že Galileo hádže dva kamene zo šikmej veže v Pise. Predpokladajme, že videokamera je pevne pripevnená k jednému z kameňov a je namierená na iný kameň. Potom bude na filme zachytená nasledujúca situácia: kameň sa akoby vznáša v priestore neprežívanie gravitácia (obr. 5.23)! A to sa deje práve preto, že všetky telesá pod vplyvom gravitácie padajú rovnakou rýchlosťou.
Ryža. 5.23. Galileo hodí dva kamene (a videokameru) zo šikmej veže v Pise
Na obrázku vyššie zanedbávame odpor vzduchu. V našej dobe nám vesmírne lety ponúkajú najlepšiu príležitosť otestovať tieto nápady, keďže vo vesmíre nie je vzduch. Navyše „pád“ vo vesmíre jednoducho znamená pohyb na určitej obežnej dráhe pod vplyvom gravitácie. K takémuto „pádu“ nemusí nevyhnutne dôjsť v priamke dole – do stredu Zeme. Môže mať nejakú horizontálnu zložku. Ak je táto horizontálna zložka dostatočne veľká, potom teleso môže „padnúť“ po kruhovej dráhe okolo Zeme bez toho, aby sa priblížilo k jej povrchu! Cestovanie po voľnej obežnej dráhe Zeme pod vplyvom gravitácie je veľmi sofistikovaný (a veľmi drahý!) spôsob „pádu“. Ako vo videu opísanom vyššie, astronaut, ktorý robí „prechádzku vo vesmíre“, vidí svoju vesmírnu loď vznášať sa pred sebou a akoby nezažíval pôsobenie gravitácie z obrovskej gule Zeme pod ním! (Pozri obr. 5.24.) Prechodom do „zrýchlenej referenčnej sústavy“ voľného pádu je teda možné lokálne vylúčiť pôsobenie gravitácie.
Ryža. 5.24. Astronaut vidí svoju vesmírnu loď vznášať sa pred sebou, ako keby nebola ovplyvnená gravitáciou.
Vidíme, že voľný pád umožňuje vylúčiť gravitáciu, pretože účinok pôsobenia gravitačného poľa je rovnaký ako účinok zrýchlenia. Ak sa totiž nachádzate vo výťahu, ktorý sa pohybuje so zrýchlením nahor, potom len cítite, že zdanlivé gravitačné pole sa zväčšuje, a ak výťah sa pohybuje so zrýchlením nadol, potom sa zdá, že gravitačné pole klesá. Ak by sa pretrhlo lano, na ktorom je kabína zavesená, potom (ak sa zanedbá odpor vzduchu a účinky trenia) výsledné zrýchlenie smerujúce dole (k stredu Zeme) úplne zničí účinok gravitácie a ľudia uväznení v kabína výťahu by sa začala voľne vznášať.vo vesmíre ako astronaut na výstupe do vesmíru, až kým kabína nenarazí na zem! Dokonca aj vo vlaku alebo na palube lietadla môžu byť zrýchlenia také, že pasažierov zmysel pre veľkosť a smer gravitácie sa nemusí zhodovať s tým, kde sa podľa bežnej skúsenosti nachádza „hore“ a „dole“. Vysvetľuje to skutočnosť, že akcie zrýchlenia a gravitácie podobný natoľko, že naše zmysly nedokážu rozlíšiť jeden od druhého. Túto skutočnosť - že miestne prejavy gravitácie sú ekvivalentné miestnym prejavom zrýchlenej referenčnej sústavy - nazval Einstein princíp ekvivalencie .
Vyššie uvedené úvahy sú „miestne“. Ak je však dovolené vykonávať (nielen lokálne) merania s dostatočne vysokou presnosťou, potom je v zásade možné stanoviť rozdiel medzi „skutočným“ gravitačným poľom a čistým zrýchlením. Na obr. 5 25 Trochu prehnane som vykreslil, ako sa pôvodne stacionárna sférická konfigurácia častíc, voľne padajúcich pod vplyvom gravitácie, začína deformovať vplyvom nehomogenít(newtonovské) gravitačné pole.
Ryža. 5.25. Prílivový efekt. Dvojité šípky označujú relatívne zrýchlenie (WEIL)
Toto pole je heterogénne v dvoch ohľadoch. Po prvé, keďže stred Zeme sa nachádza v určitej konečnej vzdialenosti od padajúceho telesa, častice umiestnené bližšie k povrchu Zeme sa pohybujú smerom nadol s väčším zrýchlením ako častice umiestnené vyššie (pripomeňme si zákon inverzná úmernosťštvorec Newtonovej vzdialenosti). Po druhé, z rovnakého dôvodu existujú malé rozdiely v smere zrýchlenia pre častice, ktoré zaujímajú rôzne horizontálne polohy. V dôsledku tejto nehomogenity sa guľový tvar začne mierne deformovať a zmení sa na "elipsoid". Pôvodná guľa je predĺžená smerom k stredu Zeme (a tiež opačným smerom), pretože tie jej časti, ktoré sú bližšie k stredu Zeme, sa pohybujú s o niečo väčším zrýchlením ako časti, ktoré sú ďalej od stredu Zeme. Zem a zužuje sa vodorovne , pretože zrýchlenia jej častí umiestnených na koncoch horizontálneho priemeru sú mierne skosené „dnu“ - smerom k stredu Zeme.
Toto deformačné pôsobenie je známe ako prílivový efekt gravitácia. Ak nahradíme stred Zeme Mesiacom a sféru hmotných častíc povrchom Zeme, dostaneme presne popis pôsobenia Mesiaca, spôsobujúceho príliv a odliv na Zemi, pričom smerom k Mesiac a preč od Mesiaca. Slapový efekt je bežnou vlastnosťou gravitačných polí, ktorú nemožno „eliminovať“ voľným pádom. Slapový efekt slúži ako miera nehomogenity newtonovského gravitačného poľa. (Množstvo prílivovej deformácie v skutočnosti klesá s inverznou kockou, nie so štvorcom vzdialenosti od stredu príťažlivosti.)
Newtonov zákon univerzálnej gravitácie, podľa ktorého je sila nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti, možno, ako sa ukázalo, ľahko interpretovať z hľadiska slapového efektu: objem elipsoid, do ktorého je guľa pôvodne deformovaná, rovná sa objem pôvodnej gule - za predpokladu, že guľa obklopuje vákuum. Táto vlastnosť zachovania objemu je charakteristická pre zákon inverznej štvorce; to neplatí pre žiadne iné zákony. Predpokladajme ďalej, že pôvodnú guľu neobklopuje vákuum, ale určité množstvo hmoty s celkovou hmotnosťou M . Potom je tu ďalšia zložka zrýchlenia nasmerovaná dovnútra gule v dôsledku gravitačnej príťažlivosti hmoty vo vnútri gule. Objem elipsoidu, do ktorého sa na začiatku deformuje naša guľa hmotných častíc, zmenšovanie- podľa množstva proporcionálne M . S príkladom efektu zmenšovania objemu elipsoidu by sme sa stretli, ak by sme našu guľu zvolili tak, aby obklopovala Zem v konštantnej výške (obr. 5.26). Potom zvyčajné zrýchlenie spôsobené gravitáciou a smerujúce nadol (t. j. do vnútra Zeme) bude práve dôvodom, prečo sa objem našej gule zmenšuje.
Ryža. 5.26. Keď guľa obklopuje nejakú látku (v tomto prípade Zem), je tam čisté zrýchlenie smerované dovnútra (RICCI)
V tejto vlastnosti objemovej kontrakcie spočíva zvyšok Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie, konkrétne, že sila je úmerná hmotnosti priťahuje telo.
Skúsme si urobiť časopriestorový obraz takejto situácie. Na obr. Na obrázku 5.27 som nakreslil svetové čiary častíc nášho guľového povrchu (na obrázku 5.25 znázornený ako kruh) a použil som na opísanie referenčnej sústavy, v ktorej sa stredový bod gule javí ako v pokoji. ("voľný pád").
Ryža. 5.27. Zakrivenie časopriestoru: slapový efekt zobrazený v časopriestore
Pozíciou všeobecnej teórie relativity je považovať voľný pád za "prirodzený pohyb" - analogický s "rovnomerným". priamočiary pohyb ktoré sa riešia pri absencii gravitácie. Teda my snaží opísať voľný pád „priamymi“ svetovými čiarami v časopriestore! Ale ak sa pozriete na obr. 5.27, je zrejmé, že použitie slová „priamky“ vo vzťahu k týmto svetočiaram môžu čitateľa zavádzať, preto budeme pre terminologické účely nazývať svetočiary voľne padajúcich častíc v časopriestore - geodetický .
Aká dobrá je však táto terminológia? Čo sa bežne rozumie pod „geodetickou“ čiarou? Zvážte analógiu pre dvojrozmerný zakrivený povrch. Geodetické sú tie krivky, ktoré na danom povrchu (lokálne) slúžia ako „najkratšie cesty“. Inými slovami, ak si predstavíme kus nite natiahnutý cez určený povrch (a nie príliš dlhý, aby sa nemohol skĺznuť), potom sa niť bude nachádzať pozdĺž nejakej geodetickej čiary na povrchu.
Ryža. 5.28. Geodetické čiary v zakrivenom priestore: čiary sa zbiehajú v priestore s pozitívnym zakrivením a rozchádzajú sa v priestore s negatívnym zakrivením
Na obr. 5.28 Uviedol som dva príklady povrchov: prvý (vľavo) je povrch takzvaného "pozitívneho zakrivenia" (ako povrch gule), druhý je povrch "negatívneho zakrivenia" (plocha sedla) . Na povrchu s kladným zakrivením sa potom začnú kriviť dve susedné geodetické čiary, ktoré začínajú navzájom rovnobežne z počiatočných bodov. smerom k navzájom; a na povrchu negatívneho zakrivenia sa ohýbajú do strany jeden od druhého.
Ak si predstavíme, že svetové čiary voľne padajúcich častíc sa správajú v určitom zmysle ako geodetické čiary na povrchu, potom sa ukáže, že existuje úzka analógia medzi gravitačným prílivovým efektom diskutovaným vyššie a účinkami zakrivenia povrchu - navyše ako pozitívne zakrivenie, tak negatívne. Pozrite sa na obr. 5,25, 5,27. Vidíme, že v našom časopriestore začínajú geodetické čiary rozchádzať sa v jednom smere (keď sa „zoradia“ smerom k Zemi) – ako sa to deje na povrchu negatívne zakrivenie na obr. 5,28 - a prístup v iných smeroch (keď sa pohybujú vodorovne vzhľadom na Zem) – ako na povrchu pozitívne zakrivenie na obr. 5.28. Zdá sa teda, že aj náš časopriestor má, podobne ako spomínané povrchy, „zakrivenie“, len zložitejšie, pretože vďaka vysokému rozmeru časopriestoru s rôznymi posunmi môže byť zmiešaného charakteru, bez byť čisto pozitívny, ani čisto negatívny.
Z toho vyplýva, že pojem „zakrivenie“ časopriestoru možno použiť na opis pôsobenia gravitačných polí. Možnosť použitia takéhoto popisu v konečnom dôsledku vyplýva z Galileovho intuitívneho objavu (princíp ekvivalencie) a umožňuje nám eliminovať gravitačnú „silu“ pomocou voľného pádu. V skutočnosti nič z toho, čo som doteraz povedal, nepresahuje rámec Newtonovej teórie. Práve nakreslený obrázok dáva jednoducho preformulovanie túto teóriu. Ale keď sa pokúsime skombinovať nový obraz s obrazom Minkowského popisu špeciálnej relativity, geometria časopriestoru, ktorú poznáme, sa vzťahuje na neprítomnosť gravitácia – vstupuje do hry nová fyzika. Výsledkom tejto kombinácie je všeobecná teória relativity Einstein.
Pripomeňme si, čo nás Minkowski naučil. Máme (pri absencii gravitácie) časopriestor obdarený zvláštnym druhom miery „vzdialenosti“ medzi bodmi: ak máme v časopriestore svetovú čiaru opisujúcu dráhu nejakej častice, potom „vzdialenosť“ v zmysle Minkowského, merané pozdĺž tejto svetovej čiary, dáva čas , vlastne žil časticou. (V predchádzajúcej časti sme túto „vzdialenosť“ zvažovali iba pre tie svetočiary, ktoré pozostávajú z priamych úsečiek – ale vyššie uvedené tvrdenie platí aj pre zakrivené svetočiary, ak sa „vzdialenosť“ meria pozdĺž krivky.) Minkowského geometria sa považuje za presnú, ak neexistuje gravitačné pole, t. j. ak časopriestor nemá zakrivenie. Ale v prítomnosti gravitácie považujeme Minkowského geometriu len za približnú - tak ako rovný povrch len približne zodpovedá geometrii zakriveného povrchu. Predstavme si, že pri štúdiu zakriveného povrchu vezmeme mikroskop, ktorý poskytuje stále väčšie zväčšenie - takže geometria zakriveného povrchu sa zdá byť stále viac natiahnutá. V tomto prípade sa nám povrch bude javiť stále viac plochý. Preto hovoríme, že zakrivený povrch má lokálnu štruktúru euklidovskej roviny. Rovnakým spôsobom môžeme povedať, že v prítomnosti gravitácie, časopriestoru lokálne je opísaná geometriou Minkowského (čo je geometria plochého časopriestoru), ale pripúšťame určité „zakrivenie“ na väčších mierkach (obr. 5.29).
Ryža. 5.29. Obraz zakriveného časopriestoru
Konkrétne, ako v Minkowského priestore, každý bod v časopriestore je vrcholom svetelný kužeľ- ale v tomto prípade tieto svetelné kužele už nie sú umiestnené rovnakým spôsobom. V kapitole 7 sa zoznámime s jednotlivými modelmi časopriestoru, v ktorých je táto nehomogenita v usporiadaní svetelných kužeľov zreteľne viditeľná (pozri obr. 7.13, 7.14). Svetové línie hmotných častíc sú vždy nasmerované vnútri svetelné kužele a línie fotónov - pozdĺž svetelné kužele. Pozdĺž takejto krivky môžeme zaviesť „vzdialenosť“ v zmysle Minkowského, ktorá slúži ako miera času, ktorý častice prežili rovnakým spôsobom ako v Minkowského priestore. Rovnako ako pri zakrivenom povrchu, táto miera "vzdialenosti" určuje geometria povrch, ktorý sa môže líšiť od geometrie roviny.
Geodetické čiary v časopriestore možno teraz interpretovať podobnú interpretácii geodetických čiar na dvojrozmerných povrchoch, pričom sa zohľadňujú rozdiely medzi geometriami Minkowského a Euklida. Naše geodetické čiary v časopriestore teda nie sú (lokálne) najkratšie krivky, ale naopak krivky, ktoré sú (lokálne) maximalizovať"vzdialenosť" (t. j. čas) pozdĺž svetovej čiary. Svetové línie častíc, ktoré sa voľne pohybujú pôsobením gravitácie, podľa tohto pravidla skutočne sú sú geodetický. Najmä nebeské telesá pohybujúce sa v gravitačnom poli sú dobre opísané podobnými geodetickými čiarami. Okrem toho svetelné lúče (fotónové svetové čiary) v prázdnom priestore slúžia aj ako geodetické čiary, ale tentoraz - nulový„dĺžka“. Ako príklad som schematicky nakreslil na obr. 5.30 svetočiary Zeme a Slnka. Pohyb Zeme okolo Slnka je opísaný „vývrtkovou“ čiarou vinúcou sa okolo svetočiary Slnka. Na tom istom mieste som zobrazil fotón prichádzajúci na Zem zo vzdialenej hviezdy. Jeho svetová čiara sa javí mierne „zakrivená“ v dôsledku skutočnosti, že svetlo (podľa Einsteinovej teórie) je v skutočnosti vychyľované gravitačným poľom Slnka.
Ryža. 5.30. Svetové čiary Zeme a Slnka. Svetelný lúč zo vzdialenej hviezdy je odklonený od slnka
Stále musíme prísť na to, ako sa dá Newtonov zákon o inverznej štvorci začleniť (po vhodnej úprave) do Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Vráťme sa opäť k našej sfére hmotných častíc padajúcich v gravitačnom poli. Pripomeňme, že ak je vnútri gule uzavreté iba vákuum, potom sa podľa Newtonovej teórie objem gule spočiatku nemení; ale ak vo vnútri gule je hmota s celkovou hmotnosťou M , potom dôjde k zníženiu objemu úmernému M . V Einsteinovej teórii (pre malú guľu) sú pravidlá úplne rovnaké, až na to, že nie všetky zmeny objemu sú určené hmotnosťou. M ; existuje (zvyčajne veľmi malý) príspevok od tlak vznikajúce v hmote obklopenej guľou.
Úplný matematický výraz pre zakrivenie štvorrozmerného časopriestoru (ktorý by mal popisovať slapové efekty pre častice pohybujúce sa v akomkoľvek danom bode všetkými možnými smermi) je daný tzv. Riemannov tenzor zakrivenia . Toto je trochu zložitý objekt; na jej popis je potrebné v každom bode uviesť dvadsať reálnych čísel. Týchto dvadsať čísel sa nazýva jeho komponentov . Rôzne zložky zodpovedajú rôznym zakriveniam v rôznych časopriestorových smeroch. Riemannov tenzor zakrivenia sa zvyčajne píše ako R tjkl, ale keďže sa mi nechce vysvetľovať, čo tieto podindexy znamenajú (a samozrejme, čo je to tenzor), napíšem to jednoducho ako:
RIMAN .
Existuje spôsob, ako rozdeliť tento tenzor na dve časti, ktoré sa nazývajú tenzor WEIL a tenzor RICHI (každý s desiatimi komponentmi). Konvenčne napíšem tento oddiel takto:
RIMAN = WEIL + RICHI .
(Podrobný záznam Weylových a Ricciho tenzorov je teraz pre naše účely úplne zbytočný.) Weilov tenzor WEIL slúži ako meradlo prílivová deformácia naša sféra voľne padajúcich častíc (t.j. zmeny pôvodného tvaru, nie veľkosti); kým Ricciho tenzor RICHI slúži ako miera zmeny počiatočného objemu. Pripomeňme, že to vyžaduje newtonovská teória gravitácie hmotnosť obsiahnutá v našej padajúcej sfére bola úmerná tejto zmene pôvodného objemu. To znamená, že zhruba povedané, hustota omši hmota - alebo ekvivalentne hustota energie (pretože E = mc 2 ) - nasleduje prirovnať Ricciho tenzor.
V podstate je to presne to, čo rovnice poľa všeobecného stavu relativity, konkrétne - Einsteinove rovnice poľa . Je pravda, že sú tu určité technické jemnosti, do ktorých je však lepšie sa teraz nepúšťať. Stačí povedať, že existuje objekt nazývaný tenzor energetická hybnosť , ktorá združuje všetky podstatné informácie o energii, tlaku a hybnosti hmoty a elektromagnetických poliach. Nazvem to tenzor ENERGIE . Potom môžu byť Einsteinove rovnice veľmi schematicky znázornené v nasledujúcom tvare:
RICHI = ENERGIE .
(Je to prítomnosť „tlaku“ v tenzore ENERGIE spolu s určitými požiadavkami na konzistenciu rovníc ako celku vedú s potrebou brať do úvahy tlak v efekte znižovania objemu popísaného vyššie.)
Zdá sa, že vyššie uvedený vzťah nehovorí nič o Weylovom tenzore. Odráža však jednu dôležitú vlastnosť. Prílivový efekt vytvorený v prázdnom priestore je spôsobený WEILEM . Z vyššie uvedených Einsteinových rovníc skutočne vyplýva, že existujú diferenciál rovnice týkajúce sa WEIL S ENERGIE - skoro ako v Maxwellových rovniciach, s ktorými sme sa stretli predtým. V skutočnosti ten uhol pohľadu WEIL by sa malo považovať za druh gravitačného analógu elektromagnetického poľa (v skutočnosti tenzor - Maxwellov tenzor) opísaného dvojicou ( E , AT ) sa javí ako veľmi plodné. V tomto prípade WEIL slúži ako druh merania gravitačného poľa. „zdroj“ pre WEIL je ENERGIE - len ako zdroj elektromagnetického poľa ( E , AT ) je ( ? , j ) - súbor nábojov a prúdov v Maxwellovej teórii. Tento uhol pohľadu nám bude užitočný v kapitole 7.
Môže sa zdať celkom prekvapujúce, že pri takých významných rozdieloch vo formulácii a základných myšlienkach je dosť ťažké nájsť pozorovateľné rozdiely medzi Einsteinovými teóriami a teóriou, ktorú predložil Newton pred dve a pol storočiami. Ale ak sú uvažované rýchlosti malé v porovnaní s rýchlosťou svetla S a gravitačné polia nie sú príliš silné (takže úniková rýchlosť je oveľa menšia S , pozri kapitolu 7, "Dynamika Galilea a Newtona"), potom Einsteinova teória dáva v podstate rovnaké výsledky ako Newtonova teória. Ale v situáciách, keď sa predpovede týchto dvoch teórií rozchádzajú, sa predpovede Einsteinovej teórie ukážu byť presnejšie. Dodnes sa uskutočnilo množstvo veľmi pôsobivých experimentálnych testov, ktoré nám umožňujú považovať novú Einsteinovu teóriu za opodstatnenú. Hodiny podľa Einsteina bežia v gravitačnom poli o niečo pomalšie. Tento efekt bol teraz priamo meraný niekoľkými spôsobmi. Svetelné a rádiové signály sa ohýbajú v blízkosti Slnka a sú mierne oneskorené pre pozorovateľa, ktorý sa k nim pohybuje. Tieto účinky, pôvodne predpovedané všeobecnou teóriou relativity, teraz potvrdila skúsenosť. Pohyb vesmírnych sond a planét si vyžaduje malé korekcie newtonovských dráh, ako vyplýva z Einsteinovej teórie – tieto korekcie sú dnes overené aj empiricky. (Najmä anomáliu v pohybe planéty Merkúr, známu ako „posun perihélia“, ktorý sužuje astronómov od roku 1859, vysvetlil Einstein v roku 1915.) Asi najpôsobivejšie zo všetkého je séria pozorovaní systému volal dvojitý pulzar, ktorý pozostáva z dvoch malých masívnych hviezd (možno dvoch „neutrónových hviezd“, pozri kapitolu 7 „Čierne diery“). Táto séria pozorovaní sa veľmi dobre zhoduje s Einsteinovou teóriou a slúži ako priamy test účinku, ktorý v Newtonovej teórii úplne chýba – emisie gravitačné vlny. (Gravitačná vlna je analógom elektromagnetickej vlny a šíri sa rýchlosťou svetla S .) Neexistujú žiadne overené pozorovania, ktoré by odporovali Einsteinovej všeobecnej teórii relativity. Napriek všetkej podivnosti (na prvý pohľad) Einsteinova teória funguje dodnes!
Z knihy moderná veda a filozofia: Cesty základného výskumu a perspektívy filozofie autor Kuznecov B. G. Z knihy Mitkovského tance autora Šinkarev Vladimír NikolajevičVšeobecná teória tanca Mitkovo 1. Šikovní interpreti Nikomu už nie je tajomstvom, že tance, či skôr tance, sú medzi Mitki najrozšírenejšou formou kreativity; je to nepopierateľné. Interpretácia fenoménu tanca Mitkovo je kontroverzná.
Z knihy Modern Science and Philosophy: Ways of Fundamental Research and Perspectives of Philosophy autor Kuznecov B. G.Teória relativity, kvantová mechanika a začiatok atómového veku kvantová mechanika celkovo v porovnaní s
Z knihy Filozofický slovník mysle, hmoty, morálky [fragmenty] od Russella Bertranda107. Všeobecná teória relativity Všeobecná teória relativity (GR) – publikovaná v roku 1915, 10 rokov po objavení špeciálnej teórie (STR) – bola predovšetkým geometrickou teóriou gravitácie. Túto časť teórie možno považovať za pevne stanovenú. Avšak ona
Z knihy Stručné dejiny filozofie [Nenudná kniha] autora Gusev Dmitrij Alekseevič108. Špeciálna teória relativity Špeciálna teória si kladie za úlohu urobiť fyzikálne zákony rovnaké, pokiaľ ide o akékoľvek dva súradnicové systémy, ktoré sa voči sebe pohybujú priamym a rovnomerným spôsobom. Tu bolo potrebné vziať do úvahy
Z knihy Milovníci múdrosti [Čo by mal moderný človek vedieť o dejinách filozofického myslenia] autora Gusev Dmitrij Alekseevič12.1. Rýchlosťou svetla... (Teória relativity) Vznik druhého vedeckého obrazu sveta súvisel predovšetkým so zmenou geocentrizmu na heliocentrizmus. Po tretie vedecký obraz svet opustil vôbec akýkoľvek centrizmus. Podľa nových myšlienok sa vesmír stal
Z knihy Fyzika a filozofia autora Heisenberg Werner KarlTeória relativity. Rýchlosťou svetla Vznik druhého vedeckého obrazu sveta súvisel predovšetkým so zmenou geocentrizmu na heliocentrizmus. Tretí vedecký obraz sveta opustil vôbec akýkoľvek centrizmus. Podľa nových myšlienok sa vesmír stal
Z knihy Ďaleká budúcnosť vesmíru [Eschatology in Cosmic Perspective] od Ellisa GeorgeaVII. TEÓRIA RELATIVITY Teória relativity hrala v modernej fyzike vždy mimoriadne dôležitú úlohu. V ňom sa po prvýkrát ukázala potreba periodických zmien základných princípov fyziky. Preto diskusia o problémoch, ktoré boli nastolené a
Z knihy Raz išiel Platón do baru ... Pochopenie filozofie cez vtipy autor Cathcart Thomas17.2.1. Einsteinova všeobecná teória relativity (GR) / kozmológia veľkého tresku V roku 1915 Albert Einstein publikoval rovnice poľa GR týkajúce sa zakrivenia časopriestoru k energii distribuovanej v časopriestore: R?? - ?Rg?? = 8?T??. Zjednodušené
Z knihy Chaos a štruktúra autora Losev Alexej Fjodorovič17.5.2.3. Plynúci čas vo fyzike: špeciálna relativita, všeobecná relativita, kvantová mechanika a termodynamika Rýchly prehľad štyroch oblastí modernej fyziky: špeciálna relativita (SRT), všeobecná relativita (GR), kvantová
Z knihy Úžasná filozofia autora Gusev Dmitrij AlekseevičIX Teória relativity Čo tu možno povedať? Každý chápe tento pojem inak. Dimitri: Priateľu, tvoj problém je v tom, že priveľa premýšľaš. Tasso: V porovnaní s kým? Dimitri: Napríklad v porovnaní s Achillom Tasso: A v porovnaní s
Z knihy The New Mind of the King [O počítačoch, myslení a zákonoch fyziky] autor Penrose RogerVŠEOBECNÁ TEÓRIA ČÍSLA § 10 Úvod Číslo je taká základná a hlboká kategória bytia a vedomia, že na jej definovanie a charakterizáciu možno použiť len tie najzačiatočnejšie, najabstraktnejšie momenty oboch. Matematika je veda o číslach
Z knihy Návrat času [Od starovekej kozmogónie k budúcej kozmológii] autor Smolin LeePri rýchlosti svetla. Teória relativity Vznik druhého vedeckého obrazu sveta súvisel predovšetkým so zmenou geocentrizmu heliocentrizmom. Tretí vedecký obraz sveta opustil vôbec akýkoľvek centrizmus. Podľa nových myšlienok sa vesmír stal
Z knihy Jazyk, ontológia a realizmus autora Makeeva Lolita BronislavovnaŠpeciálna teória relativity Einsteina a Poincarého Pripomeňme si Galileov princíp relativity, ktorý hovorí, že fyzikálne zákony Newton a Galileo zostanú úplne nezmenené, ak prejdeme z pokojového referenčného rámca do iného, pričom sa budeme pohybovať rovnomerne
Z knihy autoraKapitola 14 Teória relativity a návrat času Rozpoznanie reality času teda otvára nové prístupy k pochopeniu toho, ako si vesmír vyberá zákony, ako aj spôsoby riešenia ťažkostí kvantovej mechaniky. Stále však musíme prekonať vážne
Z knihy autora2.4. Teória ontologickej relativity a realizmu Z tézy o neurčitosti prekladu a myšlienky ontologických záväzkov vyplýva ontologická relativita, čo v prvom rade znamená, že odkaz je nezrozumiteľný, že nemôžeme vedieť, čo
Všeobecná relativita je už aplikovaná na všetky referenčné sústavy (a nielen na tie, ktoré sa voči sebe pohybujú konštantnou rýchlosťou) a vyzerá matematicky oveľa komplikovanejšie ako špeciálna (čo vysvetľuje jedenásťročný rozdiel medzi ich zverejnením). Zahŕňa ako špeciálny prípad špeciálnu teóriu relativity (a teda Newtonove zákony). Všeobecná teória relativity zároveň ide oveľa ďalej ako všetky jej predchodkyne. Predovšetkým poskytuje nový výklad gravitácie.
Všeobecná teória relativity robí svet štvorrozmerným: čas sa pridáva k trom priestorovým dimenziám. Všetky štyri dimenzie sú neoddeliteľné, takže už nehovoríme o priestorovej vzdialenosti medzi dvoma objektmi, ako je to v trojrozmernom svete, ale o časopriestorových intervaloch medzi udalosťami, ktoré spájajú ich vzájomnú vzdialenosť - obe v čase a v priestore. To znamená, že priestor a čas sa považujú za štvorrozmerné časopriestorové kontinuum alebo jednoducho časopriestor. V tomto kontinuu sa pozorovatelia pohybujúci sa voči sebe môžu dokonca nezhodnúť na tom, či sa dve udalosti stali súčasne – alebo jedna predchádzala druhej. Našťastie pre našu úbohú myseľ nedochádza k porušeniu kauzálnych vzťahov – teda existencie súradnicových systémov, v ktorých dve udalosti nenastávajú súčasne a v inom slede, ani všeobecná teória relativity nepripúšťa.
Klasická fyzika považovala gravitáciu za bežnú silu medzi mnohými prírodnými silami (elektrickými, magnetickými atď.). Gravitácii bolo predpísané „pôsobenie na veľké vzdialenosti“ (prenikanie „cez prázdnotu“) a úžasná schopnosť poskytnúť rovnaké zrýchlenie telesám rôznych hmotností.
Newtonov zákon univerzálnej gravitácie nám hovorí, že medzi akýmikoľvek dvoma telesami vo vesmíre existuje sila vzájomnej príťažlivosti. Z tohto hľadiska sa Zem točí okolo Slnka, pretože medzi nimi existujú sily vzájomnej príťažlivosti.
Všeobecná relativita nás však núti pozerať sa na tento jav inak. Podľa tejto teórie je gravitácia dôsledkom deformácie („zakrivenia“) elastickej tkaniny časopriestoru vplyvom hmoty (v tomto prípade čím ťažšie je teleso, napríklad Slnko, tým viac časopriestoru „ohýba“ sa pod ním a tým silnejšie je jeho gravitačné pole). Predstavte si pevne natiahnuté plátno (druh trampolíny), na ktorom je umiestnená masívna guľa. Plátno sa pod váhou lopty deformuje a okolo neho sa vytvorí lievikovitá priehlbina. Podľa všeobecnej teórie relativity sa Zem točí okolo Slnka ako malá gulička kotúľaná okolo kužeľa lievika, ktorý vznikol v dôsledku „prepichnutia“ časopriestoru ťažkou guľou – Slnkom. A to, čo sa nám zdá gravitačná sila, je v skutočnosti čisto vonkajším prejavom zakrivenia časopriestoru a vôbec nie silou v newtonovskom zmysle. Doteraz nebolo nájdené lepšie vysvetlenie podstaty gravitácie, ako nám dáva všeobecná teória relativity.
Najprv sa diskutuje o rovnosti zrýchlení voľného pádu pre telesá rôznych hmotností (skutočnosť, že masívny kľúč a svetelná zápalka padajú rovnako rýchlo zo stola na podlahu). Ako poznamenal Einstein, táto jedinečná vlastnosť robí gravitáciu veľmi podobnou zotrvačnosti.
V skutočnosti sa kľúč a zápalka správajú tak, ako keby sa zotrvačnosťou pohybovali v beztiažovom stave a podlaha miestnosti sa k nim posúvala zrýchlením. Po dosiahnutí kľúča a zhody by podlaha zažila svoj vplyv a potom tlak, pretože. zotrvačnosť kľúča a zápalky by ovplyvnili ďalšie zrýchlenie podlahy.
Tento tlak (astronauti hovoria - "preťaženie") sa nazýva sila zotrvačnosti. Na telesá v zrýchlených referenčných sústavách vždy pôsobí podobná sila.
Ak raketa letí so zrýchlením rovným zrýchleniu voľného pádu na zemský povrch (9,81 m/s), tak zotrvačná sila bude hrať úlohu váhy kľúča a zápalky. Ich „umelá“ gravitácia bude úplne rovnaká ako tá prirodzená na povrchu Zeme. To znamená, že zrýchlenie referenčnej sústavy je jav celkom podobný gravitácii.
Naopak, vo voľne padajúcom výťahu je prirodzená gravitácia eliminovaná zrýchleným pohybom referenčného systému kabíny „naháňajúcim“ kľúčik a zápalku. Samozrejme, klasická fyzika v týchto príkladoch nevidí skutočný vznik a zánik gravitácie. Gravitácia je len simulovaná alebo kompenzovaná zrýchlením. Ale vo všeobecnej teórii relativity sa podobnosť medzi zotrvačnosťou a gravitáciou považuje za oveľa hlbšiu.
Einstein predložil miestny princíp ekvivalencie zotrvačnosti a gravitácie, keď uviedol, že na dostatočne malých mierkach vzdialeností a trvania nemožno jeden jav odlíšiť od druhého žiadnym experimentom. Všeobecná relativita teda zmenila vedecké chápanie sveta ešte hlbšie. Prvý zákon newtonovskej dynamiky stratil svoju univerzálnosť – ukázalo sa, že pohyb zotrvačnosťou môže byť krivočiary a zrýchlený. Potreba konceptu ťažkej masy zmizla. Geometria Vesmíru sa zmenila: namiesto priameho euklidovského priestoru a jednotného času sa objavil zakrivený časopriestor, zakrivený svet. História vedy nikdy nepoznala takú prudkú reštrukturalizáciu názorov na fyzikálne základné princípy vesmíru.
Testovanie všeobecnej relativity je náročné, pretože za normálnych laboratórnych podmienok sú jeho výsledky takmer totožné s tými, ktoré predpovedá Newtonov zákon univerzálnej gravitácie. Napriek tomu sa uskutočnilo niekoľko dôležitých experimentov a ich výsledky nám umožňujú považovať teóriu za potvrdenú. Všeobecná relativita navyše pomáha vysvetliť javy, ktoré pozorujeme vo vesmíre, jedným z príkladov je lúč svetla prechádzajúci v blízkosti Slnka. Newtonovská mechanika aj všeobecná relativita uznávajú, že sa musí odchýliť k Slnku (pád). Všeobecná relativita však predpovedá dvojnásobný posun lúča. Pozorovania počas zatmení Slnka dokázali správnosť Einsteinovej predpovede. Ďalší príklad. Planéta Merkúr najbližšie k Slnku má menšie odchýlky od stacionárnej dráhy, nevysvetliteľné z pohľadu klasickej newtonovskej mechaniky. Ale práve takáto dráha je daná výpočtom podľa vzorcov GR. Spomalenie času v silnom gravitačnom poli vysvetľuje pokles frekvencie svetelných oscilácií v žiarení bielych trpaslíkov – hviezd veľmi vysokej hustoty. A v posledných rokoch bol tento efekt zaregistrovaný aj v laboratórnych podmienkach. Napokon, úloha všeobecnej relativity v modernej kozmológii, vede o štruktúre a histórii celého vesmíru, je veľmi dôležitá. Aj v tejto oblasti poznania sa našlo mnoho dôkazov Einsteinovej gravitačnej teórie. V skutočnosti sa výsledky predpovedané všeobecnou teóriou relativity výrazne líšia od výsledkov predpovedaných Newtonovými zákonmi iba v prítomnosti supersilných gravitačných polí. To znamená, že úplný test všeobecnej teórie relativity si vyžaduje buď ultra presné merania veľmi masívnych objektov alebo čiernych dier, na ktoré sa nedá použiť žiadna z našich obvyklých intuitívnych predstáv. Takže vývoj nových experimentálnych metód na testovanie teórie relativity zostáva jednou z najdôležitejších úloh experimentálnej fyziky.
Tiež v koniec XIX storočia sa väčšina vedcov prikláňala k názoru, že fyzikálny obraz sveta bol v podstate vybudovaný a v budúcnosti zostane neotrasiteľný – bolo potrebné objasniť len detaily. Ale v prvých desaťročiach dvadsiateho storočia sa fyzické názory radikálne zmenili. Bol to výsledok „kaskády“ vedeckých objavov uskutočnených počas extrémne krátkeho historického obdobia, ktoré zahŕňalo posledné roky 19. storočia a prvé desaťročia 20. storočia, z ktorých mnohé vôbec nezapadali do reprezentácie bežného človeka. skúsenosti. Pozoruhodným príkladom je teória relativity, ktorú vytvoril Albert Einstein (1879-1955).
Teória relativity- fyzikálna teória časopriestoru, teda teória, ktorá popisuje univerzálne časopriestorové vlastnosti fyzikálnych procesov. Termín zaviedol v roku 1906 Max Planck, aby zdôraznil úlohu princípu relativity.
v špeciálnej teórii relativity (a neskôr aj vo všeobecnej teórii relativity).
V užšom zmysle teória relativity zahŕňa špeciálnu a všeobecnú teóriu relativity. Špeciálna teória relativity(ďalej len SRT) označuje procesy, pri ktorých štúdiu možno zanedbať gravitačné polia; všeobecná teória relativity(ďalej len GR) je teória gravitácie, ktorá zovšeobecňuje Newtonovu.
Špeciálne, alebo súkromná teória relativity
je teória štruktúry časopriestoru. Prvýkrát ho predstavil v roku 1905 Albert Einstein vo svojom diele „O elektrodynamike pohyblivých telies“. Teória popisuje pohyb, zákony mechaniky, ako aj časopriestorové vzťahy, ktoré ich určujú, pri akejkoľvek rýchlosti pohybu,
vrátane tých, ktoré sa blížia rýchlosti svetla. Klasická newtonovská mechanika
v rámci SRT je aproximácia pre nízke rýchlosti.
Jedným z dôvodov úspechu Alberta Einsteina je, že uprednostnil experimentálne údaje pred teoretickými. Keď množstvo experimentov ukázalo výsledky, ktoré boli v rozpore so všeobecne uznávanou teóriou, mnohí fyzici sa rozhodli, že tieto experimenty boli chybné.
Albert Einstein bol jedným z prvých, ktorí sa rozhodli vybudovať novú teóriu založenú na nových experimentálnych údajoch.
Fyzici na konci 19. storočia hľadali záhadný éter – médium, v ktorom sa podľa všeobecne uznávaných predpokladov mali šíriť svetelné vlny, podobne ako akustické vlny, na šírenie ktorých je potrebný vzduch, prípadne iné médium. - pevné, kvapalné alebo plynné. Viera v existenciu éteru viedla k presvedčeniu, že rýchlosť svetla sa musí meniť s rýchlosťou pozorovateľa vzhľadom na éter. Albert Einstein opustil koncept éteru a predpokladal, že všetky fyzikálne zákony, vrátane rýchlosti svetla, zostávajú nezmenené bez ohľadu na rýchlosť pozorovateľa – ako ukázali experimenty.
SRT vysvetlil, ako interpretovať pohyby medzi rôznymi inerciálnymi referenčnými sústavami – jednoducho povedané, objekty, ktoré sa voči sebe pohybujú konštantnou rýchlosťou. Einstein vysvetlil, že keď sa dva objekty pohybujú konštantnou rýchlosťou, je potrebné zvážiť ich vzájomný pohyb namiesto toho, aby sme jeden z nich brali ako absolútny referenčný rámec. Ak teda dvaja astronauti letia na dvoch vesmírnych lodiach a chcú si porovnať svoje pozorovania, jediné, čo potrebujú vedieť, je ich vzájomná rýchlosť.
Špeciálna relativita berie do úvahy iba jeden špeciálny prípad (odtiaľ názov), keď je pohyb rovný a rovnomerný.
Na základe nemožnosti detekovať absolútny pohyb dospel Albert Einstein k záveru, že všetky inerciálne vzťažné sústavy sú rovnaké. Sformuloval dva dôležité postuláty, ktoré tvorili základ novej teórie priestoru a času, nazvanej Špeciálna teória relativity (SRT):
1. Einsteinov princíp relativity - tento princíp bol zovšeobecnením Galileovho princípu relativity (tvrdí to isté, ale nie pre všetky prírodné zákony, ale len pre zákony klasickej mechaniky, pričom necháva otvorenú otázku aplikovateľnosti princípu relativity na optiku a elektrodynamiku) na akékoľvek fyzické. Hovorí: všetky fyzikálne procesy za rovnakých podmienok v inerciálnych referenčných sústavách (ISF) prebiehajú rovnako. To znamená, že žiadne fyzikálne experimenty uskutočnené v uzavretom IRF nemôžu určiť, či je v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro. Všetky IRF sú teda absolútne rovnaké a fyzikálne zákony sú invariantné vzhľadom na výber IFR (tj rovnice vyjadrujúce tieto zákony majú rovnaký tvar vo všetkých inerciálnych referenčných sústavách).
2. Princíp stálosti rýchlosti svetla- rýchlosť svetla vo vákuu je konštantná a nezávisí od pohybu zdroja a prijímača svetla. Je rovnaký vo všetkých smeroch a vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách. Rýchlosť svetla vo vákuu - obmedzujúca rýchlosť v prírode - toto je jedna z najdôležitejších fyzikálnych konštánt, takzvané svetové konštanty.
Najdôležitejším dôsledkom SRT bol famózny Einsteinov vzorec o vzťahu medzi hmotnosťou a energiou E \u003d mc 2 (kde C je rýchlosť svetla), ktorá ukázala jednotu priestoru a času, vyjadrenú v spoločnej zmene ich charakteristík v závislosti od koncentrácie hmôt a ich pohybu a potvrdená údajmi modernej fyziky. Čas a priestor sa už nepovažovali nezávisle od seba a vznikla myšlienka časopriestorového štvorrozmerného kontinua.
Podľa teórie veľkého fyzika, keď sa rýchlosť hmotného telesa zvyšuje, blíži sa k rýchlosti svetla, zvyšuje sa aj jeho hmotnosť. Tie. čím rýchlejšie sa predmet pohybuje, tým je ťažší. V prípade dosiahnutia rýchlosti svetla sa hmotnosť telesa, ako aj jeho energia stávajú nekonečnými. Čím je telo ťažšie, tým ťažšie je zvýšiť jeho rýchlosť; na zrýchlenie telesa s nekonečnou hmotnosťou je potrebné nekonečné množstvo energie, preto je nemožné, aby hmotné objekty dosiahli rýchlosť svetla.
V teórii relativity „dva zákony – zákon zachovania hmoty a zákon zachovania energie – stratili svoju platnosť nezávisle na sebe a ukázalo sa, že sa spojili do jediného zákona, ktorý možno nazvať zákonom zachovania energie resp. omša“. Vďaka zásadnému spojeniu týchto dvoch pojmov sa hmota môže zmeniť na energiu a naopak - energia na hmotu.
Všeobecná teória relativity- Teória gravitácie publikovaná Einsteinom v roku 1916, na ktorej pracoval 10 rokov. Ide o ďalší rozvoj špeciálnej teórie relativity. Ak sa hmotné teleso zrýchli alebo natočí do strany, zákony SRT už neplatia. Potom vstúpi do platnosti GR, ktorá vysvetľuje pohyby hmotných telies vo všeobecnom prípade.
Vo všeobecnej teórii relativity sa predpokladá, že gravitačné účinky nie sú spôsobené silovou interakciou telies a polí, ale deformáciou samotného časopriestoru, v ktorom sa nachádzajú. Táto deformácia je spojená najmä s prítomnosťou hmoty-energie.
Všeobecná relativita je v súčasnosti najúspešnejšou teóriou gravitácie, ktorú dobre podporujú pozorovania. Všeobecná relativita zovšeobecnila SRT na zrýchlené, t.j. neinerciálne sústavy. Základné princípy všeobecnej teórie relativity sú nasledovné:
- obmedzenie použiteľnosti princípu nemennosti rýchlosti svetla na oblasti, kde je možné zanedbať gravitačné sily(kde je gravitácia silná, rýchlosť svetla sa spomaľuje);
- rozšírenie princípu relativity na všetky pohyblivé systémy(a nielen tie zotrvačné).
Vo všeobecnej teórii relativity, alebo teórii gravitácie vychádza aj z experimentálneho faktu ekvivalencie zotrvačných a gravitačných hmôt, prípadne ekvivalencie inerciálnych a gravitačných polí.
Princíp ekvivalencie hrá vo vede dôležitú úlohu. Vždy vieme priamo vypočítať pôsobenie síl zotrvačnosti na akýkoľvek fyzikálny systém, a to nám dáva možnosť poznať pôsobenie gravitačného poľa abstrahujúceho od jeho nehomogenity, ktorá je často veľmi nepatrná.
Z GR sa vyvodilo niekoľko dôležitých záverov:
1. Vlastnosti časopriestoru závisia od pohybujúcej sa hmoty.
2. Lúč svetla, ktorý má inertnú, a teda aj gravitačnú hmotnosť, sa musí v gravitačnom poli ohýbať.
3. Frekvencia svetla pod vplyvom gravitačného poľa by sa mala posunúť smerom k nižším hodnotám.
Po dlhú dobu existovalo len málo experimentálnych potvrdení všeobecnej relativity. Zhoda medzi teóriou a experimentom je celkom dobrá, čistotu experimentov však narúšajú rôzne zložité vedľajšie účinky. Vplyv časopriestorového zakrivenia však možno zistiť aj v miernych gravitačných poliach. Veľmi citlivé hodiny napríklad dokážu odhaliť dilatáciu času na povrchu Zeme. S cieľom rozšíriť experimentálnu základňu všeobecnej teórie relativity sa v druhej polovici 20. storočia uskutočnili nové experimenty: testovala sa ekvivalencia zotrvačnej a gravitačnej hmotnosti (vrátane laserového merania Mesiaca);
pomocou radaru sa objasnil pohyb perihélia Merkúra; meral sa gravitačný odklon rádiových vĺn Slnkom, planéty slnečnej sústavy boli lokalizované radarom; vplyv gravitačného poľa Slnka na rádiovú komunikáciu s vesmírne lode, ktoré išli na vzdialené planéty slnečnej sústavy atď. Všetky, tak či onak, potvrdili predpovede získané na základe všeobecnej teórie relativity.
Špeciálna teória relativity je teda založená na postulátoch nemennosti rýchlosti svetla a zhodnosti prírodných zákonov vo všetkých fyzikálnych systémoch a hlavné výsledky, ku ktorým prichádza, sú nasledovné: relativita vlastností časopriestoru; relativita hmoty a energie; ekvivalencia ťažkých a zotrvačných hmôt.
Najvýznamnejším výsledkom všeobecnej teórie relativity z filozofického hľadiska je stanovenie závislosti časopriestorových vlastností okolitého sveta od umiestnenia a pohybu gravitujúcich hmôt. Je to spôsobené vplyvom tiel
pri veľkých hmotách dochádza k zakriveniu dráh pohybu svetelných lúčov. V dôsledku toho gravitačné pole vytvorené takýmito telesami v konečnom dôsledku určuje časopriestorové vlastnosti sveta.
Špeciálna teória relativity abstrahuje od pôsobenia gravitačných polí a preto sú jej závery použiteľné len pre malé oblasti časopriestoru. Základný rozdiel medzi všeobecnou teóriou relativity a základnými fyzikálnymi teóriami, ktoré jej predchádzali, je v odmietnutí množstva starých konceptov a formulovaní nových. Stojí za to povedať, že všeobecná teória relativity urobila skutočnú revolúciu v kozmológii. Na jeho základe sa objavili rôzne modely vesmíru.