Genel görelilik kuramı bunu söylüyor. Büyük açık sır
Genel görelilik teorisi(GR), Albert Einstein tarafından 1915-1916'da yayınlanan geometrik bir yerçekimi teorisidir. Bu teori kapsamında, Daha fazla gelişmeözel görelilik teorisi, yerçekimi etkilerinin uzay-zamanda bulunan cisimlerin ve alanların kuvvet etkileşiminden değil, özellikle kütle varlığı ile ilişkili olan uzay-zamanın kendisinin deformasyonundan kaynaklandığı varsayılır. -enerji. Dolayısıyla, genel görelilik kuramında, diğer metrik kuramlarda olduğu gibi, yerçekimi bir kuvvet etkileşimi değildir. Genel görelilik, uzay-zamanın eğriliğini uzayda bulunan maddeyle ilişkilendirmek için Einstein'ın denklemlerini kullanarak diğer metrik kütleçekim teorilerinden farklıdır.
Genel görelilik, gözlemlerle iyi desteklenen şu anda en başarılı yerçekimi teorisidir. Genel göreliliğin ilk başarısı, Merkür'ün günberisinin anormal devinimini açıklamaktı. Daha sonra, 1919'da Arthur Eddington, şu anda Güneş'in yakınında ışık sapmasının gözlemlendiğini bildirdi. tam güneş tutulması, bu genel görelilik teorisinin tahminlerini doğruladı.
O zamandan beri, diğer birçok gözlem ve deney doğruladı önemli miktar yerçekimi zaman genişlemesi, yerçekimi kırmızıya kayma, yerçekimi alanındaki sinyal gecikmesi ve şimdiye kadar yalnızca dolaylı olarak yerçekimi radyasyonu dahil teorinin tahminleri. Ek olarak, çok sayıda gözlem, genel görelilik teorisinin en gizemli ve egzotik tahminlerinden birinin - kara deliklerin varlığının - doğrulanması olarak yorumlanır.
Genel göreliliğin ezici başarısına rağmen, kara delikler ve genel olarak uzay-zaman tekillikleri göz önüne alındığında, ortadan kaldırılamaz matematiksel sapmaların ortaya çıkması nedeniyle, bilim camiasında kuantum teorisinin klasik limiti olarak yeniden formüle edilemeyeceği konusunda rahatsızlık var. Bu sorunu çözmek için bir dizi alternatif teori önerilmiştir. Mevcut deneysel kanıtlar, eğer varsa, genel görelilikten herhangi bir sapma türünün çok küçük olması gerektiğini göstermektedir.
Genel göreliliğin temel ilkeleri
Newton'un yerçekimi teorisi, uzun menzilli bir kuvvet olan yerçekimi kavramına dayanmaktadır: herhangi bir mesafede anında hareket eder. Eylemin bu anlık doğası, modern fiziğin alan paradigmasıyla ve özellikle 1905'te Einstein tarafından Poincare ve Lorentz'in çalışmalarından esinlenen özel görelilik kuramıyla bağdaşmaz. Einstein'ın teorisinde hiçbir bilgi boşlukta ışık hızından daha hızlı hareket edemez.
Matematiksel olarak, Newton'un yerçekimi kuvveti, yerçekimi alanındaki bir cismin potansiyel enerjisinden türetilir. Bu potansiyel enerjiye karşılık gelen yerçekimi potansiyeli, Lorentz dönüşümleri altında değişmez olmayan Poisson denklemine uyar. Değişmezliğin nedeni, özel görelilik kuramındaki enerjinin skaler bir nicelik olmayıp, 4-vektörün zaman bileşenine girmesidir. Yerçekiminin vektör teorisi teoriye benzer çıkıyor elektromanyetik alan Maxwell ve negatif enerjiye yol açar yerçekimi dalgaları etkileşimin doğası ile bağlantılı olan : aynı adı taşıyan yükler (kütleler) elektromanyetizmada olduğu gibi yerçekiminde çekilir ve itilmez. Bu nedenle, Newton'un yerçekimi teorisi, özel görelilik teorisinin temel ilkesiyle - doğa yasalarının herhangi bir eylemsiz referans çerçevesinde değişmezliği ve Newton'un teorisinin doğrudan vektör genellemesi ile bağdaşmaz. "Elektron Dinamiği Üzerine" çalışması, fiziksel olarak yetersiz sonuçlara yol açar.
Einstein, herhangi bir referans çerçevesine göre doğa yasalarının değişmezliği ilkesiyle uyumlu olacak bir yerçekimi teorisi aramaya başladı. Bu araştırmanın sonucu, yerçekimi ve eylemsiz kütlenin özdeşliği ilkesine dayanan genel görelilik teorisiydi.
Yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ilkesi
Klasik Newton mekaniğinde iki kütle kavramı vardır: birincisi Newton'un ikinci yasasını, ikincisi ise evrensel yerçekimi yasasını ifade eder. İlk kütle - atalet (veya atalet) - vücuda etki eden yerçekimi olmayan kuvvetin ivmesine oranıdır. İkinci kütle - yerçekimi (ya da bazen denildiği gibi ağır) - vücudun diğer cisimler tarafından çekim kuvvetini ve onun kendi gücü cazibe. Genel olarak, bu iki kütle, açıklamadan da anlaşılacağı gibi, farklı deneylerde ölçülür, bu nedenle birbirleriyle orantılı olmaları gerekmez. Katı orantıları, hem yerçekimi olmayan hem de yerçekimi etkileşimlerinde tek bir vücut kütlesinden bahsetmemizi sağlar. Uygun seçim birimler, bu kütleler birbirine eşit yapılabilir. İlkenin kendisi Isaac Newton tarafından ileri sürüldü ve kütlelerin eşitliği onun tarafından deneysel olarak 1?3'lük bir göreli doğrulukla doğrulandı. AT geç XIX yüzyılda, Eötvös tarafından daha ince deneyler yapıldı ve ilkenin doğrulanmasının doğruluğunu 1?9'a getirdi. 20. yüzyıl boyunca, deneysel teknikler, kütlelerin eşitliğini 10x12-10x13 (Braginsky, Dicke, vb.) göreli bir doğrulukla doğrulamayı mümkün kıldı. Bazen yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ilkesine zayıf denklik ilkesi denir. Albert Einstein bunu genel görelilik kuramının temeline koydu.
Jeodezik çizgiler boyunca hareket ilkesi
Yerçekimi kütlesi atalet kütlesine tam olarak eşitse, o zaman sadece etkilenen vücudun ivmesi ifadesinde yerçekimi kuvvetleri, her iki kütle de azalır. Bu nedenle, vücudun ivmesi ve dolayısıyla yörüngesi, vücudun kütlesine ve iç yapısına bağlı değildir. Uzayda aynı noktada bulunan tüm cisimler aynı ivmeyi alıyorsa, bu ivme cisimlerin özellikleri ile değil, bu noktadaki uzayın kendisinin özellikleri ile ilişkilendirilebilir.
Böylece, cisimler arasındaki yerçekimi etkileşiminin tanımı, cisimlerin hareket ettiği uzay-zamanın bir tanımına indirgenebilir. Einstein'ın yaptığı gibi, cisimlerin eylemsizliğe göre, yani kendi referans çerçevelerindeki ivmeleri sıfır olacak şekilde hareket ettiğini varsaymak doğaldır. Bu durumda cisimlerin yörüngeleri, teorisi matematikçiler tarafından 19. yüzyılda geliştirilen jeodezik çizgiler olacaktır.
Jeodezik çizgilerin kendileri, geleneksel olarak aralık veya dünya işlevi olarak adlandırılan iki olay arasındaki mesafenin bir analogunu uzay-zamanda belirterek bulunabilir. Üç boyutlu uzayda ve bir boyutlu zamanda (diğer bir deyişle dört boyutlu uzay-zamanda) aralık, metrik tensörün 10 bağımsız bileşeni tarafından verilir. Bu 10 sayı uzay metriğini oluşturur. Uzay-zamanın iki sonsuz yakın noktası arasındaki "mesafeyi" tanımlar. çeşitli yönler. Hızı ışık hızından daha düşük olan fiziksel cisimlerin dünya çizgilerine tekabül eden jeodezik çizgiler, en uygun zamanın, yani bu yörüngeyi takip eden bir cisme sıkıca tutturulmuş bir saat tarafından ölçülen zamanın çizgileri olur. Modern deneyler, cisimlerin jeodezik çizgiler boyunca hareketini, yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ile aynı doğrulukla doğrular.
uzay-zamanın eğriliği
İki cisim birbirine paralel iki yakın noktadan fırlatılırsa, yerçekimi alanında yavaş yavaş birbirlerine yaklaşacak veya uzaklaşacaktır. Bu etkiye jeodezik çizgilerin sapması denir. Benzer bir etki, iki top birbirine paralel olarak fırlatılırsa doğrudan gözlemlenebilir. kauçuk membran, merkeze büyük bir nesnenin yerleştirildiği. Toplar dağılacaktır: zardan geçen nesneye daha yakın olan top, uzaktaki toptan daha güçlü bir şekilde merkeze yönelecektir. Bu tutarsızlık (sapma), zarın eğriliğinden kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde, uzay-zamanda, jeodeziklerin sapması (cismin yörüngelerinin farklılığı) eğriliği ile ilişkilidir. Uzay-zamanın eğriliği, metrik - metrik tensör tarafından benzersiz bir şekilde belirlenir. Genel görelilik teorisi ile alternatif yerçekimi teorileri arasındaki fark, çoğu durumda tam olarak madde (yerçekimi alanı oluşturan yerçekimi olmayan yapıdaki cisimler ve alanlar) ile uzay-zamanın metrik özellikleri arasındaki bağlantı biçiminde belirlenir. .
Uzay-zaman GR ve güçlü denklik ilkesi
Genel görelilik teorisinin temelinin, aşağıdaki gibi formüle edilebilecek yerçekimi ve eylemsizlik alanlarının denkliği ilkesi olduğu genellikle yanlış olarak kabul edilir:
Yerçekimi alanına yerleştirilmiş yeterince küçük bir yerel fiziksel sistem, özel göreliliğin düz uzay-zamanına daldırılmış, hızlandırılmış (atalet referans çerçevesine göre) referans çerçevesinde bulunan aynı sistemden davranışta ayırt edilemez.
Bazen aynı ilke "özel göreliliğin yerel geçerliliği" olarak kabul edilir veya "özel göreliliğin yerel geçerliliği" olarak adlandırılır. güçlü ilke denklik."
Tarihsel olarak, bu ilke genel görelilik teorisinin gelişiminde gerçekten büyük bir rol oynadı ve Einstein tarafından gelişiminde kullanıldı. Ancak, içinde son şekil teori, aslında, özel görelilik teorisindeki hem hızlandırılmış hem de ilk referans çerçevesindeki uzay-zaman eğri değildir - düzdür ve genel görelilik teorisinde herhangi bir cisim tarafından bükülür ve yerçekimi çekimine neden olan eğriliğidir.
Genel görelilik kuramının uzay-zamanı ile özel görelilik kuramının uzay-zamanı arasındaki temel farkın, bir tensör miktarı - eğrilik tensörü ile ifade edilen eğriliği olduğuna dikkat etmek önemlidir. Özel göreliliğin uzay-zamanında, bu tensör aynı şekilde sıfıra eşittir ve uzay-zaman düzdür.
Bu nedenle "genel görelilik" adı tam olarak doğru değildir. Özel görelilik teorisi (daha doğrusu, uzay-zaman metrikliği ilkesi) genel olarak bilim topluluğu tarafından kabul edilir ve temelin temel taşını oluştururken, bu teori şu anda fizikçiler tarafından dikkate alınan bir dizi yerçekimi teorisinden sadece biridir. modern fiziğin. Bununla birlikte, genel görelilik dışında, diğer gelişmiş yerçekimi teorilerinin hiçbirinin zaman ve deney testinden geçmediğine dikkat edilmelidir.
Genel Göreliliğin Temel Sonuçları
Karşılık ilkesine göre, zayıf yerçekimi alanlarında, genel görelilik tahminleri, Newton'un evrensel yerçekimi yasasının alan kuvveti arttıkça artan küçük düzeltmelerle uygulanmasının sonuçlarıyla örtüşür.
Genel göreliliğin ilk tahmin edilen ve doğrulanan deneysel sonuçları, aşağıda sıralanan üç klasik etkiydi. kronolojik sıralama ilk kontrolleri:
1. Newton mekaniğinin tahminlerine kıyasla Merkür'ün yörüngesinin günberisinin ek kayması.
2. Güneş'in yerçekimi alanında bir ışık huzmesinin sapması.
3. Yerçekimi alanında kırmızıya kayma veya zaman genişlemesi.
Deneysel olarak doğrulanabilecek başka etkiler de vardır. Bunlar arasında sapma ve gecikmeden bahsedebiliriz (Shapiro etkisi) elektromanyetik dalgalar Güneş ve Jüpiter'in yerçekimi alanında, Mercek-Thirring etkisi (dönen bir cismin yakınında bir jiroskopun devinimi), kara deliklerin varlığına ilişkin astrofiziksel kanıtlar, yakın ikili yıldız sistemleri tarafından yerçekimi dalgalarının emisyonuna ilişkin kanıtlar ve Evrenin genişlemesi.
Şimdiye kadar, genel göreliliği çürüten güvenilir deneysel kanıt bulunamadı. Etkilerin ölçülen değerlerinin genel görelilik tarafından tahmin edilenlerden sapmaları %0,1'i geçmez (yukarıdaki üç klasik olay için). Buna rağmen, nedeniyle çeşitli sebepler Teorisyenler tarafından en az 30 alternatif yerçekimi teorisi geliştirilmiştir ve bunlardan bazıları teoride yer alan parametrelerin karşılık gelen değerleri için genel göreliliğe keyfi olarak yakın sonuçlar elde etmeyi mümkün kılmaktadır.
Bu teori hakkında dünyada sadece üç kişinin anladığı söylendi ve matematikçiler bundan çıkanları sayılarla ifade etmeye çalıştıklarında, yazarın kendisi - Albert Einstein - artık onu anlamayı bıraktığını söyleyerek şaka yaptı.
Özel ve genel görelilik, dünyanın yapısına ilişkin modern bilimsel görüşlerin üzerine inşa edildiği doktrinin ayrılmaz parçalarıdır.
"Mucizeler Yılı"
1905'te, önde gelen bir Alman bilimsel yayını olan Annalen der Physik (Annals of Physics), Federal Büro'nun 3. sınıf denetçisi - küçük bir katip olarak çalışan 26 yaşındaki Albert Einstein'ın dört makalesini arka arkaya yayınladı. Bern'de Buluşların Patentlenmesi. Dergiyle daha önce işbirliği yapmıştı ama bir yılda bu kadar çok gazetenin yayınlanması olağanüstü bir olaydı. Her birinin içerdiği fikirlerin değeri netleştiğinde daha da göze çarpıyordu.
Makalelerin ilkinde ışığın kuantum doğası, absorpsiyon ve salıverme süreçleri hakkında düşünceler dile getirildi. Elektromanyetik radyasyon. Bu temelde, ilk önce fotoelektrik etki açıklandı - ışık fotonları tarafından nakavt edilen madde tarafından elektronların emisyonu, bu durumda salınan enerji miktarını hesaplamak için formüller önerildi. Kuantum mekaniğinin başlangıcı haline gelen fotoelektrik etkinin teorik gelişimi için ve görelilik teorisinin varsayımları için değil, Einstein'a 1922'de Nobel Fizik Ödülü verilecek.
Başka bir makalede, bir sıvı içinde asılı duran en küçük parçacıkların Brownian hareketinin çalışmasına dayanan uygulamalı fiziksel istatistik alanlarının temeli atıldı. Einstein, dalgalanma kalıplarını aramak için yöntemler önerdi - rastgele ve rastgele sapmalar fiziksel özellikler en olası değerlerinden.
Ve son olarak, “Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine” ve “Bir cismin ataleti içindeki enerji içeriğine bağlı mı?” Makalelerinde. fizik tarihinde Albert Einstein'ın görelilik kuramı ya da daha doğrusu onun ilk bölümü - SRT - özel görelilik kuramı olarak adlandırılacak olan şeyin tohumlarını içeriyordu.
Kaynaklar ve öncekiler
19. yüzyılın sonunda, birçok fizikçiye göre çoğu küresel sorunlar evrene karar verildi, ana keşifler yapıldı ve insanlık sadece güçlü ivme için birikmiş bilgiyi kullanmak zorunda kalacak. teknik ilerleme. Sadece bazı teorik tutarsızlıklar, Evren'in eterle dolu ve değişmez Newton yasalarına göre yaşayan harmonik resmini bozdu.
Uyum, Maxwell'in teorik araştırması tarafından bozuldu. Elektromanyetik alanların etkileşimlerini tanımlayan denklemleri, klasik mekaniğin genel kabul görmüş yasalarıyla çelişiyordu. Bu, Galileo'nun görelilik ilkesinin çalışmayı bıraktığı dinamik referans sistemlerinde ışığın hızının ölçülmesiyle ilgiliydi - ışık hızında hareket ederken bu tür sistemlerin etkileşiminin matematiksel modeli, elektromanyetik dalgaların kaybolmasına neden oldu.
Ayrıca parçacıkların ve dalgaların, makro ve mikro kozmosun eşzamanlı varoluşunu uzlaştırması beklenen eter, algılamaya boyun eğmedi. 1887'de Albert Michelson ve Edward Morley tarafından gerçekleştirilen deney, kaçınılmaz olarak benzersiz bir cihaz - bir interferometre tarafından kaydedilmesi gereken “ruhsal rüzgarı” tespit etmeyi amaçlıyordu. deneyim sürdü bütün yıl Dünyanın Güneş etrafında tamamen dönmesi için geçen süredir. Gezegen yarım yıl boyunca eter akışına karşı hareket etmek zorunda kaldı, eter yarım yıl boyunca Dünya'nın “yelkenlerine uçmak” zorunda kaldı, ancak sonuç sıfırdı: eterin etkisi altında ışık dalgalarının yer değiştirmesi olmadı. bulundu, bu da eterin varlığına dair şüphe uyandırdı.
Lorentz ve Poincare
Fizikçiler, esiri tespit etmek için yapılan deneylerin sonuçlarına bir açıklama bulmaya çalıştılar. Benim matematiksel model Hendrik Lorenz (1853-1928) tarafından önerilmiştir. Uzayın eterik dolgusunu hayata döndürdü, ancak yalnızca çok koşullu ve yapay bir varsayım altında, eter içinde hareket ederken nesnelerin hareket yönünde büzülebileceği. Bu model, büyük Henri Poincaré (1854-1912) tarafından tamamlandı.
Bu iki bilim insanının eserlerinde, birçok açıdan görelilik teorisinin temel varsayımlarını oluşturan kavramlar ilk kez ortaya çıktı ve bu, Einstein'ın intihal suçlamalarının azalmasına izin vermiyor. Bunlar, eşzamanlılık kavramının koşulluluğunu, ışık hızının sabitliği hipotezini içerir. Poincaré, Newton'un mekanik yasalarının yüksek hızlarda yeniden çalışılması gerektiğini kabul ederek, hareketin göreliliği hakkında, ancak eterik teoriye uygulamada bir sonuç çıkardı.
Özel Görelilik - SRT
Elektromanyetik süreçlerin doğru bir şekilde tanımlanması sorunları, teorik gelişmeler için bir konu seçme motivasyonu oldu ve Einstein'ın 1905'te yayınlanan makaleleri, belirli bir durumun yorumunu içeriyordu - düzgün ve doğrusal hareket. 1915'e gelindiğinde, etkileşimleri ve yerçekimi etkileşimlerini açıklayan genel görelilik teorisi oluşturuldu, ancak ilk teori özel olarak adlandırılan teoriydi.
Einstein'ın özel görelilik kuramı iki temel önermede özetlenebilir. Birincisi, Galileo'nun görelilik ilkesinin etkisini sadece fiziksel fenomenlere değil, tüm fiziksel fenomenlere genişletir. mekanik süreçler. Daha fazlası Genel formşöyle der: Tüm fiziksel yasalar, tüm eylemsiz (düzgün bir şekilde veya durağan olarak hareket eden) referans çerçeveleri için aynıdır.
Özel görelilik teorisini içeren ikinci ifade: tüm eylemsiz referans çerçeveleri için ışığın boşlukta yayılma hızı aynıdır. Ayrıca, daha küresel bir sonuca varılır: ışık hızı, doğadaki etkileşimlerin iletim hızının maksimum değeridir.
SRT'nin matematiksel hesaplamalarında, daha önce fiziksel yayınlarda yer alan E=mc² formülü verilir, ancak Einstein sayesinde bilim tarihinin en ünlü ve popüler haline geldi. Kütle ve enerjinin denkliği hakkındaki sonuç, görelilik teorisinin en devrimci formülüdür. Kütlesi olan herhangi bir nesnenin büyük miktarda enerji içerdiği kavramı, kullanımı konusundaki gelişmelerin temeli oldu. nükleer enerji ve hepsinden önemlisi, atom bombasının ortaya çıkmasına neden oldu.
özel göreliliğin etkileri
SRT'den görelilik (görecelik İngilizcesi - görelilik) etkileri olarak adlandırılan çeşitli sonuçlar gelir. Zaman genişlemesi en çarpıcı olanlardan biridir. Özü, hareketli bir referans çerçevesinde zamanın daha yavaş geçmesidir. Hesaplamalar, Alpha Centauri yıldız sistemine varsayımsal bir uçuş yapan ve 0.95 c hızında (c ışık hızıdır) geri dönen bir uzay aracında 7.3 yıl ve Dünya'da - 12 yıl geçeceğini gösteriyor. Bu tür örnekler genellikle mankenler için görelilik teorisi ve ilgili ikiz paradoksu açıklanırken verilir.
Diğer bir etki ise lineer boyutların küçülmesidir, yani gözlemcinin bakış açısından, kendisine göre c'ye yakın bir hızla hareket eden nesnelerin hareket yönünde kendi uzunluklarından daha küçük lineer boyutları olacaktır. Göreceli fizik tarafından tahmin edilen bu etkiye Lorentz daralması denir.
Görelilik kinematik yasalarına göre, hareketli bir cismin kütlesi, kalan kütlesinden daha büyüktür. Bu etki, özellikle araştırma araçlarının geliştirilmesinde önemli hale gelir. temel parçacıklar- Bunu hesaba katmadan, LHC'nin (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) çalışmasını hayal etmek zor.
boş zaman
SRT'nin en önemli bileşenlerinden biri, bir zamanlar Albert'in bir öğrencisine matematik öğretmeni olan Alman matematikçi Hermann Minkowski tarafından önerilen, tek bir uzay-zamanın özel bir kavramı olan göreli kinematiğin grafiksel bir temsilidir. Einstein.
Minkowski modelinin özü, etkileşen nesnelerin konumunu belirlemeye yönelik tamamen yeni bir yaklaşımda yatmaktadır. Özel görelilik kuramı zaman kazandırır Özel dikkat. Zaman, klasik üç boyutlu koordinat sisteminin yalnızca dördüncü koordinatı olmaz, zaman mutlak bir değer değil, uzay-zaman sürekliliği şeklini alan, koni olarak grafiksel olarak ifade edilen, içinde her şeyin bulunduğu, uzayın ayrılmaz bir özelliğidir. etkileşimler gerçekleşir.
Görelilik kuramındaki böyle bir uzay, gelişmesiyle daha genel bir karaktere bürünerek daha sonra daha fazla eğriliğe maruz kaldı, bu da böyle bir modeli yerçekimi etkileşimlerini açıklamaya da uygun hale getirdi.
Teorinin daha da geliştirilmesi
SRT, fizikçiler arasında hemen bir anlayış bulamadı, ancak yavaş yavaş dünyayı, özellikle de fizik biliminin ana konusu haline gelen temel parçacıkların dünyasını tanımlamak için ana araç haline geldi. Ancak SRT'yi yerçekimi kuvvetlerinin bir açıklaması ile tamamlama görevi çok alakalıydı ve Einstein, genel görelilik teorisi - GR'nin ilkelerini bileyerek çalışmayı bırakmadı. Bu ilkelerin matematiksel olarak işlenmesi oldukça uzun zaman aldı - yaklaşık 11 yıl ve fiziğe bitişik kesin bilim alanlarından uzmanlar buna katıldı.
Böylece, o zamanın önde gelen matematikçisi, yerçekimi alanı denklemlerinin ortak yazarlarından biri olan David Hilbert (1862-1943) büyük bir katkı yaptı. Genel görelilik teorisi veya GR adını alan güzel bir binanın yapımındaki son taşlardı.
Genel görelilik - GR
Modern yerçekimi alanı teorisi, "uzay-zaman" yapısı teorisi, "uzay-zaman" geometrisi, eylemsiz olmayan referans çerçevelerinde fiziksel etkileşimler yasası - tüm bunlar Albert Einstein'ın çeşitli isimlerdir. genel görelilik teorisi ile donatılmıştır.
Uzun zamandır fizik biliminin yerçekimi, nesnelerin ve alanların etkileşimleri hakkındaki görüşlerini belirleyen evrensel yerçekimi teorisi farklı boyut. Paradoksal olarak, ancak ana dezavantajı, özünün soyut, yanıltıcı, matematiksel doğasıydı. Yıldızlar ve gezegenler arasında bir boşluk vardı, gök cisimleri arasındaki çekim, belirli kuvvetlerin ve anlık kuvvetlerin uzun menzilli hareketi ile açıklandı. Albert Einstein'ın genel görelilik teorisi, yerçekimini fiziksel içerikle doldurdu ve onu çeşitli maddi nesnelerin doğrudan teması olarak sundu.
yerçekimi geometrisi
Einstein'ın yerçekimi etkileşimlerini açıkladığı ana fikir çok basittir. Yerçekimi kuvvetlerinin fiziksel ifadesini, oldukça somut özelliklerle donatılmış uzay-zaman olarak ilan eder - etrafında bu tür eğriliklerin oluştuğu nesnenin kütlesinden etkilenen metrikler ve deformasyonlar. Bir zamanlar Einstein, uzayı dolduran esnek bir maddi ortam olarak eter kavramını evren teorisine geri döndürme çağrılarıyla bile itibar kazandı. Ayrıca boşluk olarak nitelendirilebilecek birçok niteliğe sahip bir maddeyi adlandırmanın kendisi için zor olduğunu da açıkladı.
Bu nedenle, yerçekimi, SRT'de eğrisiz olarak gösterilen dört boyutlu uzay-zamanın geometrik özelliklerinin bir tezahürüdür. yaygın vakalar Bu, Einstein tarafından ilan edilen denklik ilkesine göre aynı ivmeye sahip olan maddi nesnelerin hareketini belirleyen bir eğriliğe sahiptir.
Görelilik kuramının bu temel ilkesi, Newton'un evrensel yerçekimi kuramının birçok "darboğazını" açıklar: bazı astronomik olaylar sırasında devasa uzay nesnelerinin yakınından geçerken gözlemlenen ışığın eğriliği ve eskiler, kütlelerinden bağımsız olarak.
Uzayın eğriliğini modelleme
Aptallar için genel görelilik teorisini açıklayan yaygın bir örnek, uzay-zamanın bir trambolin biçiminde temsilidir - üzerine nesnelerin (çoğunlukla topların) yerleştirildiği, etkileşimli nesneleri taklit eden elastik bir ince zar. Ağır toplar zarı bükerek etraflarında bir huni oluşturur. Yüzey boyunca fırlatılan daha küçük bir top, yerçekimi yasalarına tam olarak uygun olarak hareket eder ve daha büyük nesnelerin oluşturduğu çöküntülere yavaş yavaş yuvarlanır.
Ancak bu örnek oldukça keyfi. Gerçek uzay-zaman çok boyutludur, eğriliği de o kadar basit görünmüyor, ancak yerçekimi etkileşiminin oluşum ilkesi ve görelilik teorisinin özü netleşiyor. Her halükarda, yerçekimi teorisini daha mantıklı ve tutarlı bir şekilde açıklayacak bir hipotez henüz mevcut değil.
Gerçeğin Kanıtları
GR hızla üzerine inşa edilecek güçlü bir temel olarak görülmeye başlandı. modern fizik. Görelilik teorisi, en başından beri, sadece uzmanlar tarafından değil, uyumu ve uyumu ile de dikkat çekti ve ortaya çıkmasından kısa bir süre sonra gözlemlerle doğrulanmaya başladı.
Güneş'e en yakın nokta - günberi - Merkür'ün yörüngesi yavaş yavaş diğer gezegenlerin yörüngelerine göre değişiyor Güneş Sistemi 19. yüzyılın ortalarında keşfedilen. Böyle bir hareket - presesyon - Newton'un evrensel yerçekimi teorisi çerçevesinde makul bir açıklama bulamadı, ancak genel görelilik teorisi temelinde doğrulukla hesaplandı.
1919'da meydana gelen güneş tutulması, genel göreliliğin bir başka kanıtı için bir fırsat sağladı. Şaka yoluyla kendini görelilik teorisinin temellerini anlayan üç kişiden ikinci kişi olarak adlandıran Arthur Eddington, Einstein'ın yıldızın yakınında ışık fotonlarının geçişi sırasında öngördüğü sapmaları doğruladı: tutulma anında, bazı yıldızların görünen konumu fark edilir hale geldi.
Saatin yavaşlamasını veya kütleçekimsel kırmızıya kaymayı tespit etmeye yönelik deney, genel göreliliğin diğer kanıtları arasında Einstein tarafından önerildi. Ancak uzun yıllar sonra gerekli deney ekipmanını hazırlamak ve bu deneyi yapmak mümkün oldu. Radyasyonun yayıcı ve alıcıdan yükseklik olarak aralıklı olarak yerçekimsel frekans kayması, genel göreliliğin öngördüğü sınırlar içinde olduğu ortaya çıktı ve bu deneyi yapan Harvard fizikçileri Robert Pound ve Glen Rebka, yalnızca ölçümlerin doğruluğunu artırdı. ve görelilik teorisinin formülü yine doğru çıktı.
En önemli araştırma projelerinin kanıtlanmasında uzay Einstein'ın görelilik teorisi bir zorunluluktur. Kısacası, uzmanlar için, özellikle de işin içinde olanlar için bir mühendislik aracı haline geldiğini söyleyebiliriz. uydu sistemleri navigasyon - GPS, GLONASS, vb. Genel görelilik tarafından öngörülen sinyallerin yavaşlamalarını hesaba katmadan, nispeten küçük bir uzayda bile bir nesnenin koordinatlarını gerekli doğrulukta hesaplamak imkansızdır. Özellikle eğer Konuşuyoruz Navigasyondaki hatanın çok büyük olabileceği kozmik mesafelerle ayrılmış nesneler hakkında.
görelilik teorisinin yaratıcısı
Albert Einstein görelilik teorisinin temellerini yayınladığında henüz genç bir adamdı. Daha sonra, eksiklikleri ve tutarsızlıkları onun için netleşti. özellikle, asıl sorun Genel görelilik, yerçekimi etkileşimlerinin tanımı birbirinden kökten farklı ilkeler kullandığından, kuantum mekaniğine dönüşmesi imkansız hale geldi. Kuantum mekaniğinde nesnelerin tek bir uzay-zamandaki etkileşimi düşünülür ve Einstein'a göre bu uzayın kendisi yerçekimini oluşturur.
Genel görelilik ve kuantum fiziğinin çelişkilerini ortadan kaldıracak birleşik bir alan teorisi olan "var olan her şeyin formülünü" yazmak Einstein'ın amacıydı. yıllar, son saate kadar bu teori üzerinde çalıştı, ancak başarıya ulaşamadı. Genel görelilik sorunları, dünyanın daha mükemmel modellerini arayan birçok teorisyen için bir uyarıcı haline geldi. Sicim teorileri, döngü kuantum kütleçekimi ve daha birçokları bu şekilde ortaya çıktı.
Genel görelilik kuramının yazarının kişiliği, görelilik kuramının kendisinin bilim için önemiyle karşılaştırılabilir bir tarihte iz bıraktı. Şimdiye kadar kayıtsız bırakmıyor. Einstein'ın kendisi, fizikle hiçbir ilgisi olmayan insanlar tarafından kendisine ve çalışmalarına neden bu kadar çok ilgi gösterildiğini merak etti. Kişisel nitelikleri, ünlü zekâsı, aktif siyasi konumu ve hatta etkileyici görünümü sayesinde Einstein, birçok kitabın, filmin ve bilgisayar oyununun kahramanı olan dünyadaki en ünlü fizikçi oldu.
Hayatının sonu birçok kişi tarafından dramatik bir şekilde anlatılıyor: yalnızdı, gezegendeki tüm yaşamı tehdit eden en korkunç silahın ortaya çıkmasından kendini sorumlu görüyordu, birleşik alan teorisi gerçekçi olmayan bir rüya olarak kaldı, ancak Einstein'ın sözleri, Ölümünden kısa bir süre önce söylenmiş olması en iyi sonuç olarak kabul edilebilir. Bununla tartışmak zor.
Küçük bir posta memurunun değişeceği kimin aklına gelirdi?zamanının biliminin temelleri? Ama bu oldu! Einstein'ın görelilik teorisi, bizi Evrenin yapısına ilişkin olağan görüşü yeniden düşünmeye zorladı ve yeni bilimsel bilgi alanları açtı.
Bilimsel keşiflerin çoğu deneyle yapılır: bilim adamları sonuçlarından emin olmak için deneylerini birçok kez tekrarlarlar. Çalışmalar genellikle üniversitelerde veya büyük şirketlerin araştırma laboratuvarlarında gerçekleştirildi.
Albert Einstein, dünyanın bilimsel resmini tek bir girişimde bulunmadan tamamen değiştirdi. pratik deney. Tek aleti kağıt ve kalemdi ve tüm deneylerini kafasında yaptı.
hareketli ışık
(1879-1955), tüm sonuçlarını bir "düşünce deneyi"nin sonuçlarına dayandırdı. Bu deneyler ancak hayal gücünde yapılabilirdi.
Tüm hareketli cisimlerin hızları görecelidir. Bu, tüm nesnelerin yalnızca başka bir nesneye göre hareket ettiği veya sabit kaldığı anlamına gelir. Örneğin, Dünya'ya göre hareketsiz olan bir adam, aynı anda Dünya ile Güneş'in etrafında döner. Veya bir kişinin hareket halindeki bir trenin vagonu boyunca hareket yönünde 3 km / s hızla yürüdüğünü varsayalım. Tren 60 km/h hızla hareket etmektedir. Yerdeki sabit bir gözlemciye göre, bir kişinin hızı 63 km / s olacaktır - bir kişinin hızı artı bir trenin hızı. Harekete karşı giderse, sabit bir gözlemciye göre hızı 57 km / s'ye eşit olacaktır.
Einstein, ışık hızının bu şekilde tartışılamayacağını savundu. Işık hızı her zaman sabittir, ışık kaynağının size yaklaşması, sizden uzaklaşması veya hareketsiz durması fark etmeksizin.
ne kadar hızlı o kadar az
En başından beri, Einstein bazı şaşırtıcı varsayımlarda bulundu. Bir cismin hızı ışık hızına yaklaşırsa, boyutlarının küçüldüğünü, aksine kütlesinin arttığını savundu. Hiçbir cisim ışık hızına eşit veya ondan daha büyük bir hıza hızlandırılamaz.
Diğer sonucu daha da şaşırtıcıydı ve çelişkili görünüyordu. sağduyu. İki ikizden birinin Dünya'da kaldığını, diğerinin ise ışık hızına yakın bir hızla uzayda seyahat ettiğini hayal edin. Dünya'ya fırlatılışının üzerinden 70 yıl geçti. Einstein'ın teorisine göre, gemide zaman daha yavaş akar ve örneğin orada sadece on yıl geçmiştir. Dünya'da kalan ikizlerden birinin ikincisinden altmış yaş büyük olduğu ortaya çıktı. Bu etkiye " ikiz paradoks". Kulağa inanılmaz geliyor, ancak laboratuvar deneyleri, ışık hızına yakın hızlarda zaman genişlemesinin gerçekten var olduğunu doğruladı.
acımasız sonuç
Einstein'ın teorisi de ünlü formülü içerir E=mc2, burada E enerji, m kütle ve c ışık hızıdır. Einstein kütlenin saf enerjiye dönüştürülebileceğini iddia etti. Bu keşfin uygulanması sonucunda pratik Yaşam atom enerjisi ve nükleer bomba ortaya çıktı.
Einstein bir teorisyendi. Teorisinin doğruluğunu kanıtlaması gereken deneyleri başkalarına bıraktı. Bu deneylerin çoğu, yeterince doğru ölçüm aletleri bulunana kadar yapılamazdı.
Gerçekler ve olaylar
- Aşağıdaki deney yapıldı: çok hassas bir saatin ayarlandığı bir uçak kalktı ve Dünya'yı yüksek hızda daire içine alarak aynı noktada battı. Uçaktaki saat, Dünya'da kalan saatin bir saniyenin çok küçük bir kısmı gerisindeydi.
- Serbest düşüş ivmesi ile düşen bir asansörde bir top düşürülürse, top düşmeyecek, olduğu gibi havada asılı kalacaktır. Bunun nedeni, top ve asansörün aynı hızda düşmesidir.
- Einstein, yerçekiminin uzay-zamanın geometrik özelliklerini etkilediğini ve bunun da bu uzaydaki cisimlerin hareketini etkilediğini kanıtladı. Böylece birbirine paralel hareket etmeye başlayan iki cisim eninde sonunda bir noktada buluşacaktır.
Eğri zaman ve uzay
On yıl sonra, 1915-1916'da Einstein, adını verdiği yeni bir yerçekimi teorisi geliştirdi. Genel görelilik. İvmenin (hızdaki değişimin) cisimler üzerinde yerçekimi kuvvetiyle aynı şekilde etki ettiğini savundu. Astronot, büyük bir gezegen tarafından çekilip çekilmediğini veya roketin yavaşlamaya başlayıp başlamadığını kendi duyumlarıyla belirleyemez.
Eğer bir uzay gemisiışık hızına yakın bir hıza ulaşır, sonra üzerindeki saat yavaşlar. Gemi ne kadar hızlı hareket ederse, saat o kadar yavaş çalışır.
Newton'un yerçekimi teorisinden farklılıkları, gezegenler veya yıldızlar gibi büyük bir kütleye sahip uzay nesnelerinin incelenmesinde kendini gösterir. Deneyler, büyük kütleli cisimlerin yanından geçen ışık ışınlarının eğriliğini doğrulamıştır. Prensipte, ışığın onun ötesine geçemeyeceği kadar güçlü bir yerçekimi alanı mümkündür. Bu fenomene " Kara delik". Bazı yıldız sistemlerinde "kara delikler" bulunmuş gibi görünüyor.
Newton, gezegenlerin Güneş etrafındaki yörüngelerinin sabit olduğunu savundu. Einstein'ın teorisi, Güneş'in yerçekimi alanının varlığı ile bağlantılı olarak gezegenlerin yörüngelerinin yavaş bir ek dönüşünü öngörür. Tahmin deneysel olarak doğrulandı. Bu gerçekten bir kilometre taşı keşfiydi. Sir Isaac Newton'un evrensel yerçekimi yasası değiştirildi.
Silahlanma yarışının başlangıcı
Einstein'ın çalışması, doğanın birçok gizeminin anahtarını verdi. Temel parçacık fiziğinden astronomiye - evrenin yapısının bilimi olan birçok fizik dalının gelişimini etkilediler.
Einstein hayatında sadece teori ile meşgul değildi. 1914'te Berlin'deki Fizik Enstitüsü'nün müdürü oldu. 1933'te Naziler Almanya'da iktidara geldiğinde, bir Yahudi olarak bu ülkeyi terk etmek zorunda kaldı. O Amerika'ya taşındı.
1939'da Einstein, savaşa karşı olmasına rağmen, Başkan Roosevelt'e, muazzam yıkıcı güce sahip bir bomba yapmanın mümkün olduğunu ve onu uyaran bir mektup yazdı. Nazi Almanyası zaten böyle bir bomba geliştirmeye başladı. Başkan işe başlama emri verdi. Bu bir silahlanma yarışının başlangıcı oldu.
Özel görelilik (SRT) veya özel görelilik, Albert Einstein'ın 1905 yılında "Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine" adlı çalışmasında yayınlanan teorisidir (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891- 921 Haziran 1905).
Farklı eylemsiz referans çerçeveleri arasındaki hareketi veya birbirine göre sabit bir hızla hareket eden cisimlerin hareketini açıkladı. Bu durumda, nesnelerin hiçbiri referans çerçevesi olarak alınmamalı, ancak birbirlerine göre düşünülmelidir. SRT, 2 cismin hareket yönünü değiştirmediği ve düzgün hareket ettiği durumlarda yalnızca 1 durum sağlar.
Özel görelilik yasaları, cisimlerden biri hareketin yörüngesini değiştirdiğinde veya hızı artırdığında işlemez. Burada, nesnelerin hareketinin genel bir yorumunu veren genel görelilik teorisi (GR) yer alır.
Görelilik kuramının dayandığı iki varsayım şunlardır:
- görelilik ilkesi- Ona göre birbirine göre sabit bir hızla hareket eden ve yön değiştirmeyen mevcut tüm referans sistemlerinde aynı kanunlar işliyor.
- Işık hızı ilkesi- Işığın hızı tüm gözlemciler için aynıdır ve hareketlerinin hızına bağlı değildir. Bu en yüksek hızdır ve doğadaki hiçbir şey daha büyük bir hıza sahip değildir. Işığın hızı 3*10^8 m/s'dir.
Albert Einstein, teorik verilerden çok deneysel verileri temel aldı. Bu, başarısının bileşenlerinden biriydi. Yeni deneysel veriler, yeni bir teorinin oluşturulması için temel teşkil etti.
19. yüzyılın ortalarından beri fizikçiler eter adı verilen yeni bir gizemli ortam arıyorlar. Eterin tüm nesnelerden geçebileceği, ancak hareketlerine katılmadığı varsayılmıştır. Eter hakkındaki inançlara göre, izleyicinin etere göre hızını değiştirerek ışığın hızı da değişir.
Einstein, deneylere güvenerek, yeni bir eter ortamı kavramını reddetti ve ışık hızının her zaman sabit olduğunu ve kişinin kendisinin hızı gibi hiçbir koşula bağlı olmadığını varsaydı.
Zaman aralıkları, mesafeler ve tekdüzelikleri
Özel görelilik kuramı, zaman ve uzayı birbirine bağlar. Maddi Evrende uzayda bilinen 3 tane vardır: sağ ve sol, ileri ve geri, yukarı ve aşağı. Onlara zaman denilen başka bir boyut eklersek, bu uzay-zaman sürekliliğinin temelini oluşturacaktır.
Yavaş bir hızda hareket ediyorsanız, gözlemleriniz daha hızlı hareket eden insanlarla birleşmeyecektir.
Daha sonra deneyler, zaman gibi uzayın da aynı şekilde algılanamayacağını doğruladı: algımız nesnelerin hareket hızına bağlıdır.
Enerjinin kütle ile bağlantısı
Einstein, enerji ile kütleyi birleştiren bir formül buldu. Bu formül fizikte yaygınlaştı ve her öğrenciye tanıdık geliyor: E=m*s², burada E-enerji; m- vücut kütlesi, c-hızıışığın yayılması.
Bir cismin kütlesi ışık hızındaki artışla orantılı olarak artar. Işık hızına ulaşılırsa cismin kütlesi ve enerjisi boyutsuz hale gelir.
Bir nesnenin kütlesini artırarak, hızında bir artış elde etmek daha zor hale gelir, yani sonsuz büyük bir malzeme kütlesine sahip bir vücut için sonsuz enerjiye ihtiyaç vardır. Ama gerçekte bunu başarmak imkansızdır.
Einstein'ın teorisi iki ayrı konumu birleştirdi: kütlenin konumu ve enerjinin konumu tek bir genel yasada. Bu, enerjiyi malzeme kütlesine dönüştürmeyi ve bunun tersini mümkün kıldı.
