Teoriju relativnosti uveo je Albert Ajn?tajn po?etkom 20. veka. ?ta je njegova su?tina? Hajde da razmotrimo glavne ta?ke i okarakteri?emo TOE na razumljivom jeziku.

Teorija relativnosti je prakti?ki otklonila nedosljednosti i kontradiktornosti fizike 20. stolje?a, prisiljena radikalno promijeniti ideju strukture prostor-vremena i eksperimentalno je potvr?ena u brojnim eksperimentima i studijama.

Tako je TOE formirao osnovu svih modernih fundamentalnih fizi?kih teorija. U stvari, ovo je majka moderne fizike!

Za po?etak, vrijedi napomenuti da postoje 2 teorije relativnosti:

• Specijalna relativnost (SRT) - razmatra fizi?ke procese u jednoliko pokretnim objektima.
• Op?ta relativnost (GR) - opisuje objekte koji se ubrzavaju i obja?njava porijeklo takvih fenomena kao ?to su gravitacija i postojanje.

Jasno je da se SRT pojavio ranije i da je, zapravo, dio GRT-a. Hajdemo prvo o njoj.

OPD jednostavnim re?ima

Teorija se zasniva na principu relativnosti, prema kojem su svi zakoni prirode isti u odnosu na nepokretna i tijela koja se kre?u konstantnom brzinom. A iz takve naizgled jednostavne misli proizlazi da je brzina svjetlosti (300.000 m/s u vakuumu) ista za sva tijela.

Na primjer, zamislite da vam je dat svemirski brod iz daleke budu?nosti koji mo?e letjeti velikom brzinom. Na pramcu broda je postavljen laserski top, sposoban da ispaljuje fotone naprijed.

U odnosu na brod, takve ?estice lete brzinom svjetlosti, ali u odnosu na stacionarnog posmatra?a, ?ini se da bi trebale letjeti br?e, jer se obje brzine zbrajaju.

Me?utim, to se zapravo ne de?ava! Spolja?nji posmatra? vidi fotone koji lete brzinom od 300.000 m/s, kao da im nije dodata brzina svemirskog broda.

Mora se zapamtiti: u odnosu na bilo koje tijelo, brzina svjetlosti ?e biti konstantna vrijednost, bez obzira koliko se brzo kre?e.

Iz ovoga slijede nevjerojatni zaklju?ci, poput dilatacije vremena, uzdu?ne kontrakcije i ovisnosti tjelesne te?ine o brzini. Vi?e o najzanimljivijim posljedicama Specijalne teorije relativnosti pro?itajte u ?lanku na linku ispod.

Su?tina op?te teorije relativnosti (GR)

Da bismo to bolje razumjeli, moramo ponovo spojiti dvije ?injenice:

• ?ivimo u 4D prostoru

Prostor i vrijeme su manifestacije istog entiteta koji se naziva "prostorno-vremenski kontinuum". Ovo je 4-dimenzionalni prostor-vrijeme sa x, y, z i t koordinatnim osa.

Mi ljudi nismo u stanju da percipiramo 4 dimenzije na isti na?in. U stvari, vidimo samo projekcije pravog ?etverodimenzionalnog objekta na prostor i vrijeme.

Zanimljivo je da teorija relativnosti ne ka?e da se tijela mijenjaju kako se kre?u. 4-dimenzionalni objekti uvijek ostaju nepromijenjeni, ali s relativnim kretanjem, njihove projekcije se mogu promijeniti. A mi to do?ivljavamo kao usporavanje vremena, smanjenje veli?ine itd.

• Sva tijela padaju konstantnom brzinom umjesto da ubrzavaju

Hajde da napravimo zastra?uju?i misaoni eksperiment. Zamislite da se vozite u zatvorenoj kabini lifta i da ste u beste?inskom stanju.

Takva situacija mo?e nastati samo iz dva razloga: ili se nalazite u svemiru, ili slobodno padate zajedno sa kabinom pod utjecajem zemljine gravitacije.

Bez gledanja iz kabine, apsolutno je nemogu?e razlikovati ova dva slu?aja. Samo ?to u jednom slu?aju leti? ravnomjerno, a u drugom ubrzano. Mora?ete da pogodite!

Mo?da je i sam Albert Ajn?tajn razmi?ljao o zami?ljenom liftu i imao je jednu neverovatnu ideju: ako se ova dva slu?aja ne mogu razlikovati, onda je i padanje usled gravitacije jednoliko kretanje. Samo ?to je kretanje jednoli?no u ?etvorodimenzionalnom prostoru-vremenu, ali je u prisustvu masivnih tela (npr. ) savijeno i jednoliko kretanje se projektuje u na? uobi?ajeni trodimenzionalni prostor u vidu ubrzanog kretanja.

Pogledajmo jo? jedan jednostavniji, iako ne sasvim ta?an primjer dvodimenzionalne zakrivljenosti prostora.

Mo?e se zamisliti da svako masivno tijelo ispod sebe stvara neku vrstu figurativnog lijevka. Tada druga tijela koja prolete ne?e mo?i nastaviti pravolinijsko kretanje i mijenjat ?e svoju putanju prema krivinama zakrivljenog prostora.

Usput, ako tijelo nema toliko energije, onda se njegovo kretanje mo?e op?enito pokazati zatvorenim.

Vrijedi napomenuti da se sa stanovi?ta tijela u pokretu nastavljaju kretati pravolinijski, jer ne osje?aju ni?ta ?to ih tjera da se okre?u. Upravo su u?li u zakrivljeni prostor i ne shva?aju?i da imaju nepravolinijsku putanju.

Treba napomenuti da su 4 dimenzije savijene, uklju?uju?i vrijeme, tako da ovu analogiju treba tretirati s oprezom.

Dakle, u op?oj teoriji relativnosti, gravitacija uop?e nije sila, ve? samo posljedica zakrivljenosti prostor-vremena. Trenutno je ova teorija radna verzija nastanka gravitacije i odli?no se sla?e s eksperimentima.

Iznena?uju?e posledice op?te relativnosti

Svjetlosni zraci mogu biti savijeni kada lete u blizini masivnih tijela. Doista, u svemiru su prona?eni udaljeni objekti koji se "skrivaju" iza drugih, ali svjetlosni zraci ih obilaze, zahvaljuju?i kojima svjetlost dopire do nas.

Prema op?toj relativnosti, ?to je gravitacija ja?a, vrijeme prolazi sporije. Ova ?injenica se nu?no uzima u obzir u radu GPS-a i GLONASS-a, jer njihovi sateliti imaju najpreciznije atomske satove koji otkucavaju malo br?e nego na Zemlji. Ako se ova ?injenica ne uzme u obzir, onda ?e za jedan dan gre?ka koordinata biti 10 km.

Zahvaljuju?i Albertu Einsteinu mo?ete razumjeti gdje se biblioteka ili prodavnica nalazi u blizini.

I, kona?no, GR predvi?a postojanje crnih rupa, oko kojih je gravitacija toliko jaka da se vrijeme jednostavno zaustavlja u blizini. Stoga, svjetlost koja ulazi u crnu rupu ne mo?e je napustiti (odbiti se).

U centru crne rupe, usled kolosalne gravitacione kontrakcije, nastaje objekat beskona?no velike gustine, a to, ?ini se, ne mo?e biti.

Dakle, GR mo?e dovesti do vrlo kontradiktornih zaklju?aka, za razliku od , pa ga ve?ina fizi?ara nije u potpunosti prihvatila i nastavila je tra?iti alternativu.

Ali ona uspeva da predvidi mnogo toga uspe?no, na primer, nedavno senzacionalno otkri?e potvrdilo je teoriju relativnosti i nateralo nas da se ponovo prisetimo velikog nau?nika sa ispla?enim jezikom. Volite nauku, ?itajte WikiScience.

Op?a teorija relativnosti se ve? primjenjuje na sve referentne okvire (a ne samo na one koji se kre?u konstantnom brzinom jedni u odnosu na druge) i izgleda matemati?ki mnogo slo?enije od posebne (?to obja?njava razmak od jedanaest godina izme?u njihovog objavljivanja). Uklju?uje kao poseban slu?aj specijalnu teoriju relativnosti (a time i Newtonove zakone). Istovremeno, op?a teorija relativnosti ide mnogo dalje od svih svojih prethodnika. Konkretno, daje novo tuma?enje gravitacije.

Op?ta teorija relativnosti ?ini svijet ?etverodimenzionalnim: vrijeme se dodaje na tri prostorne dimenzije. Sve ?etiri dimenzije su neodvojive, pa vi?e ne govorimo o prostornoj udaljenosti izme?u dva objekta, kao ?to je to slu?aj u trodimenzionalnom svijetu, ve? o prostorno-vremenskim intervalima izme?u doga?aja koji ujedinjuju njihovu udaljenost jedan od drugog – oba u vremenu i prostoru. To jest, prostor i vrijeme se smatraju ?etverodimenzionalnim prostor-vremenskim kontinuumom ili, jednostavno, prostor-vrijeme. Na ovom kontinuumu, posmatra?i koji se kre?u jedni prema drugima mogu se ?ak i ne slo?iti oko toga da li su se dva doga?aja dogodila u isto vreme — ili je jedan prethodio drugom. Na sre?u na?eg jadnog uma, ne dolazi do naru?avanja uzro?no-posledi?nih veza – odnosno postojanja koordinatnih sistema u kojima se dva doga?aja ne de?avaju istovremeno iu razli?itom nizu, ?ak ni op?ta teorija relativnosti ne dozvoljava.

Klasi?na fizika je gravitaciju smatrala obi?nom silom me?u mnogim prirodnim silama (elektri?nim, magnetskim itd.). Gravitaciji je propisano "delovanje na duge domete" (prodiranje "kroz prazninu") i nevjerovatna sposobnost da daje jednako ubrzanje tijelima razli?ite mase.

Newtonov zakon univerzalne gravitacije nam govori da izme?u bilo koja dva tijela u svemiru postoji sila uzajamnog privla?enja. Sa ove ta?ke gledi?ta, Zemlja se okre?e oko Sunca, jer izme?u njih postoje sile me?usobnog privla?enja.

Op?a teorija relativnosti nas, me?utim, tjera da na ovaj fenomen gledamo druga?ije. Prema ovoj teoriji, gravitacija je posljedica deformacije ("zakrivljenosti") elasti?ne tkanine prostor-vremena pod utjecajem mase (u ovom slu?aju, ?to je tijelo te?e, na primjer Sunce, to je prostor-vrijeme vi?e "savija" ispod njega i, shodno tome, ja?e je njegovo gravitaciono polje). Zamislite ?vrsto zategnuto platno (neku vrstu trampolina), na koje je postavljena masivna lopta. Platno se deformira pod te?inom lopte, a oko njega se formira udubljenje u obliku lijevka. Prema op?toj teoriji relativnosti, Zemlja se okre?e oko Sunca poput male lopte koja se kotrlja oko konusa levka koji je nastao kao rezultat "probijanja" prostor-vremena od strane te?ke lopte - Sunca. A ono ?to nam se ?ini kao sila gravitacije, zapravo je, u stvari, ?isto vanjska manifestacija zakrivljenosti prostor-vremena, a nikako sila u njutnovskom smislu. Do danas nije prona?eno bolje obja?njenje prirode gravitacije nego ?to nam daje op?ta teorija relativnosti.

Prvo se raspravlja o jednakosti ubrzanja slobodnog pada za tijela razli?itih masa (?injenica da masivni klju? i lagana ?ibica padaju podjednako brzo sa stola na pod). Kao ?to je Ajn?tajn primetio, ovo jedinstveno svojstvo ?ini gravitaciju veoma sli?nom inerciji.

Zapravo, klju? i ?ibica se pona?aju kao da se kre?u u beste?inskom stanju po inerciji, a pod sobe ubrzano se kretao prema njima. Dolaskom do klju?a i me?a parket bi do?ivio njihov udar, a potom i pritisak, jer. inercija klju?a i ?ibica bi uticali na dalje ubrzanje poda.

Ovaj pritisak (astronauti ka?u - "preoptere?enje") naziva se sila inercije. Sli?na sila se uvijek primjenjuje na tijela u ubrzanim referentnim okvirima.

Ako raketa leti ubrzanjem jednakom ubrzanju slobodnog pada na zemljinoj povr?ini (9,81 m/s), tada ?e sila inercije igrati ulogu te?ine klju?a i ?ibice. Njihova "vje?ta?ka" gravitacija ?e biti potpuno ista kao prirodna na povr?ini Zemlje. To zna?i da je ubrzanje referentnog okvira pojava prili?no sli?na gravitaciji.

Naprotiv, u liftu koji slobodno pada, prirodna gravitacija je eliminisana ubrzanim kretanjem referentnog sistema kabine koji „juri“ klju? i ?ibicu. Naravno, klasi?na fizika u ovim primjerima ne vidi pravi nastanak i nestanak gravitacije. Gravitacija se samo simulira ili kompenzira ubrzanjem. Ali u op?toj relativnosti, sli?nost izme?u inercije i gravitacije je prepoznata kao mnogo dublja.

Einstein je iznio lokalni princip ekvivalencije inercije i gravitacije, navode?i da se na dovoljno malim skalama udaljenosti i trajanja, jedan fenomen ne mo?e razlikovati od drugog nikakvim eksperimentom. Stoga je op?ta teorija relativnosti jo? dublje promijenila nau?no razumijevanje svijeta. Prvi zakon Newtonove dinamike izgubio je svoju univerzalnost - pokazalo se da kretanje po inerciji mo?e biti krivolinijsko i ubrzano. Nestala je potreba za konceptom te?ke mase. Geometrija Univerzuma se promenila: umesto direktnog euklidskog prostora i uniformnog vremena pojavio se zakrivljeni prostor-vreme, zakrivljeni svet. Istorija nauke nikada nije poznavala tako o?tro restrukturiranje pogleda na fizi?ke fundamentalne principe univerzuma.

Testiranje op?te teorije relativnosti je te?ko jer su, u normalnim laboratorijskim uslovima, njeni rezultati gotovo identi?ni onima koje predvi?a Njutnov zakon univerzalne gravitacije. Ipak, provedeno je nekoliko va?nih eksperimenata, ?iji rezultati nam omogu?avaju da teoriju smatramo potvr?enom. Pored toga, op?ta teorija relativnosti poma?e da se objasne fenomeni koje posmatramo u svemiru, jedan od primera je snop svetlosti koji prolazi u blizini Sunca. I Njutnova mehanika i op?ta teorija relativnosti priznaju da mora skrenuti prema Suncu (pad). Me?utim, op?ta teorija relativnosti predvi?a dvostruko pomeranje snopa. Posmatranja tokom pomra?enja Sunca dokazala su ta?nost Ajn?tajnovog predvi?anja. Jo? jedan primjer. Planeta Merkur najbli?a Suncu ima manja odstupanja od stacionarne orbite, neobja?njiva sa stanovi?ta klasi?ne Njutnove mehanike. Ali upravo takva orbita je data prora?unom po GR formulama. Usporavanje vremena u jakom gravitacionom polju obja?njava smanjenje frekvencije svjetlosnih oscilacija u zra?enju bijelih patuljaka - zvijezda vrlo velike gustine. A poslednjih godina ovaj efekat je registrovan u laboratorijskim uslovima. Kona?no, uloga op?te relativnosti u modernoj kosmologiji, nauci o strukturi i istoriji ?itavog univerzuma, veoma je va?na. Mnogi dokazi Ajn?tajnove teorije gravitacije tako?e su prona?eni u ovoj oblasti znanja. U stvari, rezultati predvi?eni op?tom relativno??u zna?ajno se razlikuju od rezultata predvi?enih Newtonovim zakonima samo u prisustvu superjakih gravitacionih polja. To zna?i da potpuni test op?e teorije relativnosti zahtijeva ili ultra-precizna mjerenja vrlo masivnih objekata, ili crne rupe, na koje nije primjenjiva nijedna od na?ih uobi?ajenih intuitivnih ideja. Dakle, razvoj novih eksperimentalnih metoda za testiranje teorije relativnosti ostaje jedan od najva?nijih zadataka eksperimentalne fizike.

Op?a teorija relativnosti(GR) je geometrijska teorija gravitacije koju je objavio Albert Einstein 1915-1916. U okviru ove teorije, koja je daljnji razvoj specijalne teorije relativnosti, postulira se da gravitacijski efekti nisu uzrokovani interakcijom sila tijela i polja koja se nalaze u prostor-vremenu, ve? deformacijom prostor-vremena. sebe, ?to je posebno povezano sa prisustvom mase-energije. Dakle, u op?toj relativnosti, kao iu drugim metri?kim teorijama, gravitacija nije interakcija sila. Op?a teorija relativnosti razlikuje se od drugih metri?kih teorija gravitacije kori?tenjem Ajn?tajnovih jedna?ina za povezivanje zakrivljenosti prostor-vremena sa materijom prisutnom u svemiru.

Op?a teorija relativnosti je trenutno najuspje?nija teorija gravitacije, dobro podr?ana opservacijama. Prvi uspeh op?te teorije relativnosti bio je da objasni anomalnu precesiju Merkurovog perihela. Zatim, 1919. godine, Arthur Eddington je izvestio da je posmatrao skretanje svetlosti u blizini Sunca tokom potpunog pomra?enja, ?to je potvrdilo predvi?anja op?te teorije relativnosti.

Od tada su mnoga druga zapa?anja i eksperimenti potvrdili zna?ajan broj predvi?anja teorije, uklju?uju?i gravitacionu vremensku dilataciju, gravitacijski crveni pomak, ka?njenje signala u gravitacionom polju i, do sada samo indirektno, gravitaciono zra?enje. Osim toga, brojna zapa?anja tuma?e se kao potvrda jednog od najmisterioznijih i najegzoti?nijih predvi?anja op?e relativnosti - postojanja crnih rupa.

Uprkos ogromnom uspehu op?te teorije relativnosti, u nau?noj zajednici postoji nelagodnost da se ona ne mo?e preformulisati kao klasi?na granica kvantne teorije zbog pojave neuklonjivih matemati?kih divergencija kada se razmatraju crne rupe i prostorno-vremenski singularnosti uop?te. Predlo?eno je nekoliko alternativnih teorija za rje?avanje ovog problema. Trenutni eksperimentalni dokazi pokazuju da bi bilo koja vrsta odstupanja od op?te teorije relativnosti trebala biti vrlo mala, ako uop?e postoji.

Osnovni principi op?te relativnosti

Newtonova teorija gravitacije zasniva se na konceptu gravitacije, koja je sila velikog dometa: djeluje trenutno na bilo kojoj udaljenosti. Ova trenutna priroda radnje je nekompatibilna sa paradigmom polja moderne fizike, a posebno sa specijalnom teorijom relativnosti koju je 1905. godine stvorio Ajn?tajn, inspirisan radom Poincarea i Lorentza. U Ajn?tajnovoj teoriji, nijedna informacija ne mo?e da putuje br?e od brzine svetlosti u vakuumu.

Matemati?ki, Newtonova gravitaciona sila je izvedena iz potencijalne energije tela u gravitacionom polju. Gravitacijski potencijal koji odgovara ovoj potencijalnoj energiji podlije?e Poissonovoj jednad?bi, koja nije invarijantna prema Lorentzovoj transformaciji. Razlog za neinvarijantnost je taj ?to energija u specijalnoj teoriji relativnosti nije skalarna veli?ina, ve? ulazi u vremensku komponentu 4-vektora. Pokazalo se da je vektorska teorija gravitacije sli?na Maxwellovoj teoriji elektromagnetnog polja i dovodi do negativne energije gravitacijskih valova, ?to je povezano s prirodom interakcije: sli?ni naboji (mase) u gravitaciji se privla?e, a ne odbijaju, kao u elektromagnetizmu. Dakle, Newtonova teorija gravitacije nije kompatibilna s temeljnim principom specijalne teorije relativnosti - nepromjenjivosti zakona prirode u bilo kojem inercijskom referentnom okviru i direktnom vektorskom generalizacijom Newtonove teorije, koju je prvi predlo?io Poincar? 1905. rad "O dinamici elektrona", dovodi do fizi?ki nezadovoljavaju?ih rezultata.

Ajn?tajn je po?eo da traga za teorijom gravitacije koja bi bila kompatibilna sa principom nepromenljivosti zakona prirode u odnosu na bilo koji referentni okvir. Rezultat ove pretrage bila je op?ta teorija relativnosti, zasnovana na principu identi?nosti gravitacione i inercijalne mase.

Princip jednakosti gravitacionih i inercijskih masa

U klasi?noj Njutnovoj mehanici postoje dva koncepta mase: prvi se odnosi na drugi Newtonov zakon, a drugi na zakon univerzalne gravitacije. Prva masa - inercijska (ili inercijska) - je omjer negravitacijske sile koja djeluje na tijelo i njegovog ubrzanja. Druga masa - gravitaciona (ili, kako se ponekad naziva, te?ka) - odre?uje silu privla?enja tijela od strane drugih tijela i vlastitu silu privla?enja. Uop?teno govore?i, ove dvije mase mjere se, kao ?to se vidi iz opisa, u razli?itim eksperimentima, tako da uop?e ne moraju biti proporcionalne jedna drugoj. Njihova stroga proporcionalnost nam omogu?ava da govorimo o jednoj tjelesnoj masi u negravitacijskim i gravitacijskim interakcijama. Odgovaraju?im izborom jedinica, ove mase mogu biti jednake jedna drugoj. Sam princip je izneo Isak Njutn, a jednakost masa je on eksperimentalno potvrdio sa relativnom ta?no??u od 10?3. Krajem 19. vijeka, E?tv?s je izvodio suptilnije eksperimente, dovode?i ta?nost verifikacije principa na 10?9. Tokom 20. veka eksperimentalne tehnike su omogu?ile da se potvrdi jednakost masa sa relativnom ta?no??u od 10x12-10x13 (Braginski, Dicke, itd.). Ponekad se princip jednakosti gravitacionih i inercijskih masa naziva slabim principom ekvivalencije. Albert Ajn?tajn ju je stavio u osnovu op?te teorije relativnosti.

Princip kretanja po geodetskim linijama

Ako je gravitaciona masa ta?no jednaka inercijskoj masi, tada se u izrazu za ubrzanje tijela, na koje djeluju samo gravitacijske sile, obje mase smanjuju. Dakle, ubrzanje tijela, a time i njegova putanja, ne zavise od mase i unutra?nje strukture tijela. Ako sva tijela u istoj ta?ki u prostoru primaju isto ubrzanje, onda se to ubrzanje mo?e povezati ne sa svojstvima tijela, ve? sa svojstvima samog prostora u ovoj ta?ki.

Dakle, opis gravitacijske interakcije izme?u tijela mo?e se svesti na opis prostor-vremena u kojem se tijela kre?u. Prirodno je pretpostaviti, kao ?to je to radio Ajn?tajn, da se tela kre?u po inerciji, odnosno na takav na?in da je njihovo ubrzanje u sopstvenom referentnom okviru nula. Putanja tela ?e tada biti geodetske linije, ?iju su teoriju razvili matemati?ari jo? u 19. veku.

Same geodetske linije mogu se prona?i specificiranjem u prostor-vremenu analoga udaljenosti izme?u dva doga?aja, koji se tradicionalno naziva interval ili svjetska funkcija. Interval u trodimenzionalnom prostoru i jednodimenzionalnom vremenu (drugim rije?ima, u ?etverodimenzionalnom prostor-vremenu) dat je sa 10 nezavisnih komponenti metri?kog tenzora. Ovih 10 brojeva ?ine prostornu metriku. Definira "udaljenost" izme?u dvije beskona?no bliske ta?ke prostor-vremena u razli?itim smjerovima. Geodetske linije koje odgovaraju svjetskim linijama fizi?kih tijela ?ija je brzina manja od brzine svjetlosti pokazuju se kao linije najve?eg pravog vremena, odnosno vremena koje mjeri sat ?vrsto pri?vr??en za tijelo koje slijedi ovu putanju. Moderni eksperimenti potvr?uju kretanje tijela du? geodetskih linija sa istom precizno??u kao i jednakost gravitacijske i inercijalne mase.

Zakrivljenost prostor-vremena

Ako se dva tijela lansiraju iz dvije bliske ta?ke paralelne jedna s drugom, tada ?e se u gravitacionom polju postepeno ili pribli?avati ili udaljavati jedno od drugog. Ovaj efekat se naziva devijacijom geodetskih linija. Sli?an efekat se mo?e uo?iti direktno ako se dvije loptice lansiraju paralelno jedna na drugu preko gumene membrane, na kojoj je u sredi?tu postavljen masivni predmet. Kuglice ?e se raspr?iti: ona koja je bila bli?e objektu koji se gura kroz membranu te?it ?e centru ja?e od udaljenije lopte. Ovo odstupanje (odstupanje) je zbog zakrivljenosti membrane. Sli?no, u prostor-vremenu, devijacija geodezije (divergencija putanja tijela) povezana je s njegovom zakrivljeno??u. Zakrivljenost prostora-vremena je jedinstveno odre?ena njegovom metrikom - metri?kim tenzorom. Razlika izme?u op?e teorije relativnosti i alternativnih teorija gravitacije utvr?uje se u ve?ini slu?ajeva upravo u na?inu povezanosti materije (tijela i polja negravitacijske prirode koja stvaraju gravitacijsko polje) i metri?kih svojstava prostor-vremena. .

Prostorno-vremenski GR i princip jake ekvivalencije

?esto se pogre?no smatra da je osnova op?te teorije relativnosti princip ekvivalencije gravitacionog i inercijalnog polja, koji se mo?e formulisati na slede?i na?in:
Dovoljno mali lokalni fizi?ki sistem koji se nalazi u gravitacionom polju ne razlikuje se po pona?anju od istog sistema koji se nalazi u ubrzanom (u odnosu na inercijalni referentni okvir) referentnom okviru, uronjen u ravni prostor-vreme posebne teorije relativnosti.

Ponekad se isti princip postulira kao "lokalna valjanost specijalne relativnosti" ili se naziva "princip jake ekvivalencije".

Istorijski gledano, ovaj princip je zaista igrao veliku ulogu u razvoju op?te teorije relativnosti i koristio ga je Ajn?tajn u njenom razvoju. Me?utim, u najkona?nijem obliku teorije, zapravo, nije sadr?an, budu?i da je prostor-vrijeme i u ubrzanom i u po?etnom referentnom okviru u specijalnoj teoriji relativnosti nezakrivljen – ravan, a u op?em teorija relativnosti ga zakrivljuje bilo koje tijelo, a upravo njegova zakrivljenost uzrokuje gravitacijsko privla?enje tijela.

Va?no je napomenuti da je glavna razlika izme?u prostor-vremena op?te teorije relativnosti i prostor-vremena specijalne teorije relativnosti njegova zakrivljenost, koja se izra?ava tenzorskom veli?inom - tenzorom zakrivljenosti. U prostor-vremenu posebne teorije relativnosti, ovaj tenzor je identi?no jednak nuli, a prostor-vrijeme je ravan.

Iz tog razloga naziv "op?ta relativnost" nije sasvim ta?an. Ova teorija je samo jedna od brojnih teorija gravitacije koje trenutno razmatraju fizi?ari, dok je specijalna teorija relativnosti (ta?nije, njen princip prostorno-vremenske metri?nosti) op?enito prihva?ena od nau?ne zajednice i ?ini kamen temeljac moderne fizike. Treba, me?utim, napomenuti da nijedna druga razvijena teorija gravitacije, osim op?te teorije relativnosti, nije izdr?ala test vremena i eksperimenta.

Glavne posljedice op?te relativnosti

Prema principu korespondencije, u slabim gravitacionim poljima, predvi?anja op?e relativnosti poklapaju se s rezultatima primjene Newtonovog zakona univerzalne gravitacije uz male korekcije koje se pove?avaju kako se ja?ina polja pove?ava.

Prve predvi?ene i provjerene eksperimentalne posljedice op?e relativnosti bila su tri klasi?na efekta, navedena u nastavku hronolo?kim redom njihove prve verifikacije:
1. Dodatni pomak perihela Merkurove orbite u odnosu na predvi?anja Njutnove mehanike.
2. Devijacija svetlosnog snopa u gravitacionom polju Sunca.
3. Gravitacijski crveni pomak, ili dilatacija vremena u gravitacionom polju.

Postoji niz drugih efekata koji se mogu eksperimentalno potvrditi. Me?u njima mo?emo spomenuti devijaciju i ka?njenje (Shapiro efekat) elektromagnetnih talasa u gravitacionom polju Sunca i Jupitera, efekat Lense-Thiringa (precesija ?iroskopa u blizini rotiraju?eg tela), astrofizi?ke dokaze o postojanju crne boje. rupe, dokaz za emisiju gravitacionih talasa od strane bliskih sistema binarnih zvezda i ?irenje Univerzuma.

Do sada nisu prona?eni pouzdani eksperimentalni dokazi koji pobijaju op?tu relativnost. Odstupanja izmjerenih vrijednosti efekata od onih predvi?enih op?om relativno??u ne prelaze 0,1% (za gornja tri klasi?na fenomena). Unato? tome, iz razli?itih razloga, teoreti?ari su razvili najmanje 30 alternativnih teorija gravitacije, a neke od njih omogu?uju dobivanje rezultata proizvoljno bliskih op?oj relativnosti za odgovaraju?e vrijednosti parametara uklju?enih u teoriju.

?ak je i krajem 19. vijeka ve?ina nau?nika bila sklona stajali?tu da je fizi?ka slika svijeta u osnovi izgra?ena i da ?e u budu?nosti ostati nepokolebljiva - samo su detalji morali biti razja?njeni. Ali u prvim decenijama dvadesetog veka, fizi?ki pogledi su se radikalno promenili. To je bio rezultat "kaskade" nau?nih otkri?a do kojih je do?lo tokom izuzetno kratkog istorijskog perioda, koji obuhvata poslednje godine 19. veka i prve decenije 20. veka, od kojih se mnoga uop?te nisu uklapala u predstavu obi?nog ?oveka. iskustvo. Upe?atljiv primjer je teorija relativnosti koju je stvorio Albert Einstein (1879-1955).

Teorija relativnosti- fizi?ka teorija prostor-vremena, odnosno teorija koja opisuje univerzalna prostorno-vremena svojstva fizi?kih procesa. Termin je 1906. godine uveo Max Planck da bi naglasio ulogu principa relativnosti.
u specijalnoj relativnosti (a kasnije i op?toj relativnosti).

U u?em smislu, teorija relativnosti uklju?uje specijalnu i op?tu relativnost. Specijalna teorija relativnosti(u daljem tekstu SRT) se odnosi na procese u ?ijem prou?avanju se gravitaciona polja mogu zanemariti; op?ta teorija relativnosti(u daljem tekstu GR) je teorija gravitacije koja generalizira Newtonovu.

Poseban, ili privatna teorija relativnosti je teorija strukture prostor-vremena. Prvi put ju je 1905. godine uveo Albert Ajn?tajn u svom delu "O elektrodinamici pokretnih tela". Teorija opisuje kretanje, zakone mehanike, kao i prostorno-vremenske odnose koji ih odre?uju, pri bilo kojoj brzini kretanja,
uklju?uju?i i one bliske brzini svjetlosti. Klasi?na Njutnova mehanika
unutar SRT-a je aproksimacija za male brzine.

Jedan od razloga uspjeha Alberta Einsteina je taj ?to je eksperimentalne podatke stavio ispred teorijskih. Kada su brojni eksperimenti pokazali rezultate koji su bili u suprotnosti s op?eprihva?enom teorijom, mnogi su fizi?ari zaklju?ili da su ti eksperimenti pogre?ni.

Albert Ajn?tajn je bio jedan od prvih koji je odlu?io da izgradi novu teoriju zasnovanu na novim eksperimentalnim podacima.

Krajem 19. stolje?a fizi?ari su bili u potrazi za misterioznim etrom - medijem u kojem su se, prema op?eprihva?enim pretpostavkama, trebali ?iriti svjetlosni valovi, poput akusti?nih valova, za ?ije ?irenje je potreban zrak, ili neki drugi medij. - ?vrsta, te?na ili gasovita. Vjerovanje u postojanje etra dovelo je do vjerovanja da se brzina svjetlosti mora mijenjati sa brzinom posmatra?a u odnosu na eter. Albert Ajn?tajn je napustio koncept etera i pretpostavio da svi fizi?ki zakoni, uklju?uju?i i brzinu svetlosti, ostaju nepromenjeni bez obzira na brzinu posmatra?a - kako su eksperimenti pokazali.

SRT je objasnio kako interpretirati kretanje izme?u razli?itih inercijalnih referentnih okvira – jednostavno re?eno, objekata koji se kre?u konstantnom brzinom jedan u odnosu na drugi. Ajn?tajn je objasnio da kada se dva objekta kre?u konstantnom brzinom, treba uzeti u obzir njihovo kretanje jedno u odnosu na drugi, umesto da uzmemo jedan od njih kao apsolutni referentni okvir. Dakle, ako dva astronauta lete na dva svemirska broda i ?ele da uporede svoja zapa?anja, jedino ?to treba da znaju je njihova brzina u odnosu jedna na drugu.

Specijalna teorija relativnosti razmatra samo jedan poseban slu?aj (otuda i naziv), kada je kretanje ravno i jednoli?no.

Na osnovu nemogu?nosti detekcije apsolutnog kretanja, Albert Ajn?tajn je zaklju?io da su svi inercijalni referentni okviri jednaki. Formulirao je dva va?na postulata koji su ?inili osnovu nove teorije prostora i vremena, nazvane Specijalna teorija relativnosti (SRT):

1. Ajn?tajnov princip relativnosti - ovaj princip je bio generalizacija Galileovog principa relativnosti (navodi isto, ali ne za sve zakone prirode, ve? samo za zakone klasi?ne mehanike, ostavljaju?i otvorenim pitanje primjenjivosti principa relativnosti na optiku i elektrodinamiku) na bilo fizi?kog. ka?e: svi fizi?ki procesi pod istim uslovima u inercijalnim referentnim sistemima (ISF) odvijaju se na isti na?in. To zna?i da nikakvi fizi?ki eksperimenti koji se izvode unutar zatvorenog IRF-a ne mogu utvrditi da li miruje ili se kre?e ravnomjerno i pravolinijski. Dakle, svi IRF-ovi su apsolutno jednaki, a fizi?ki zakoni su invarijantni u odnosu na izbor IFR-ova (tj. jedna?ine koje izra?avaju ove zakone imaju isti oblik u svim inercijalnim referentnim okvirima).

2. Princip konstantnosti brzine svjetlosti- brzina svjetlosti u vakuumu je konstantna i ne ovisi o kretanju izvora i prijemnika svjetlosti. Ista je u svim smjerovima iu svim inercijalnim okvirima. Brzina svjetlosti u vakuumu - grani?na brzina u prirodi - ovo je jedna od najva?nijih fizi?kih konstanti, takozvanih svjetskih konstanti.

Najva?nija posljedica SRT-a bila je poznata Ajn?tajnova formula o odnosu izme?u mase i energije E \u003d mc 2 (gdje je C brzina svjetlosti), ?to je pokazalo jedinstvo prostora i vremena, izra?eno u zajedni?koj promjeni njihovih karakteristika u zavisnosti od koncentracije masa i njihovog kretanja, a potvr?eno je podacima moderne fizike. Vrijeme i prostor vi?e se nisu razmatrali neovisno jedno o drugom, a nastala je ideja o ?etverodimenzionalnom kontinuumu prostor-vreme.

Prema teoriji velikog fizi?ara, kada se brzina materijalnog tijela pove?ava, pribli?avaju?i se brzini svjetlosti, pove?ava se i njegova masa. One. ?to se predmet br?e kre?e, postaje te?i. U slu?aju dostizanja brzine svjetlosti, masa tijela, kao i njegova energija, postaju beskona?ne. ?to je tijelo te?e, te?e mu je pove?ati brzinu; potrebna je beskona?na koli?ina energije za ubrzanje tijela beskona?ne mase, tako da je nemogu?e da materijalni objekti dostignu brzinu svjetlosti.

U teoriji relativnosti „dva zakona – zakon odr?anja mase i zakon odr?anja energije – izgubili su svoju va?nost nezavisno jedan od drugog i ispostavilo se da su spojeni u jedan zakon, koji se mo?e nazvati zakonom odr?anja energije ili masa." Zbog fundamentalne povezanosti ova dva pojma, materija se mo?e pretvoriti u energiju, i obrnuto - energija u materiju.

Op?a teorija relativnosti- Teorija gravitacije koju je Ajn?tajn objavio 1916. godine, na kojoj je radio 10 godina. To je dalji razvoj specijalne teorije relativnosti. Ako materijalno tijelo ubrza ili se okrene u stranu, SRT zakoni vi?e ne vrijede. Tada na snagu stupa GR, koji obja?njava kretanje materijalnih tijela u op?tem slu?aju.

Op?a teorija relativnosti postulira da gravitacijski efekti nisu uzrokovani interakcijom sila tijela i polja, ve? deformacijom samog prostora-vremena u kojem se nalaze. Ova deformacija je povezana, posebno, sa prisustvom mase-energije.

Op?ta teorija relativnosti je trenutno najuspje?nija teorija gravitacije, dobro podr?ana opservacijama. Op?ta teorija relativnosti je generalizirala SRT na ubrzane, tj. neinercijalnim sistemima. Osnovni principi op?te relativnosti su slede?i:

- ograni?avaju?i primenu principa konstantnosti brzine svetlosti na podru?ja gde se gravitacione sile mogu zanemariti(gdje je gravitacija jaka, brzina svjetlosti se usporava);

- pro?irenje principa relativnosti na sve pokretne sisteme(i to ne samo inercijskih).

U op?oj teoriji relativnosti, ili teoriji gravitacije, on tako?er polazi od eksperimentalne ?injenice ekvivalencije inercijalnih i gravitacijskih masa, odnosno ekvivalencije inercijalnog i gravitacijskog polja.

Princip ekvivalencije igra va?nu ulogu u nauci. Uvijek mo?emo direktno izra?unati djelovanje sila inercije na bilo koji fizi?ki sistem, a to nam daje priliku da saznamo djelovanje gravitacionog polja, apstrahiraju?i od njegove nehomogenosti, koja je ?esto vrlo bezna?ajna.

Brojni va?ni zaklju?ci su izvu?eni iz GR:

1. Svojstva prostor-vremena zavise od pokretne materije.

2. Snop svjetlosti, koji ima inertnu, a samim tim i gravitacijsku masu, mora biti savijen u gravitacionom polju.

3. Frekvencija svetlosti pod uticajem gravitacionog polja treba da se pomeri ka ni?im vrednostima.

Dugo je bilo malo eksperimentalnih potvrda op?e relativnosti. Slaganje izme?u teorije i eksperimenta je prili?no dobro, ali ?isto?a eksperimenata je naru?ena raznim slo?enim nuspojavama. Me?utim, efekat zakrivljenosti prostor-vreme mo?e se detektovati ?ak iu umerenim gravitacionim poljima. Vrlo osjetljivi satovi, na primjer, mogu otkriti dilataciju vremena na povr?ini Zemlje. Da bi se pro?irila eksperimentalna baza op?te teorije relativnosti, u drugoj polovini 20. veka izvedeni su novi eksperimenti: ispitana je ekvivalencija inercione i gravitacione mase (uklju?uju?i i lasersko odmeravanje Meseca);
uz pomo? radara razja?njeno je kretanje perihela Merkura; izmjereno je gravitacijsko otklon radio talasa od strane Sunca, planete Sun?evog sistema su locirane radarom; vrednovan je uticaj gravitacionog polja Sunca na radio komunikacije sa svemirskim letelicama koje su poslate na udaljene planete Sun?evog sistema itd. Svi su oni, na ovaj ili onaj na?in, potvrdili predvi?anja dobijena na osnovu op?te teorije relativnosti.

Dakle, specijalna teorija relativnosti se zasniva na postulatima konstantnosti brzine svetlosti i istovetnosti zakona prirode u svim fizi?kim sistemima, a glavni rezultati do kojih dolazi su slede?i: relativnost svojstava prostor-vreme; relativnost mase i energije; ekvivalencija te?kih i inercijskih masa.

Najzna?ajniji rezultat op?te teorije relativnosti sa filozofske ta?ke gledi?ta je uspostavljanje zavisnosti prostorno-vremenskih svojstava okolnog sveta o lokaciji i kretanju gravitiraju?ih masa. To je zbog uticaja tijela
kod velikih masa dolazi do zakrivljenosti puteva kretanja svjetlosnih zraka. Posljedi?no, gravitacijsko polje koje stvaraju takva tijela u kona?nici odre?uje prostorno-vremenska svojstva svijeta.

Specijalna teorija relativnosti apstrahuje od dejstva gravitacionih polja i stoga su njeni zaklju?ci primenljivi samo za male oblasti prostor-vremena. Osnovna razlika izme?u op?te teorije relativnosti i osnovnih fizi?kih teorija koje su joj prethodile je u odbacivanju niza starih koncepata i formulisanju novih. Vrijedi re?i da je op?a teorija relativnosti napravila pravu revoluciju u kosmologiji. Na njegovoj osnovi su se pojavili razli?iti modeli Univerzuma.

U govoru 27. aprila 1900. u Kraljevskoj instituciji Velike Britanije, Lord Kelvin je rekao: „Teorijska fizika je dobro proporcionalna i zavr?ena zgrada. Na vedrom nebu fizike postoje samo dva mala oblaka - to je konstantnost brzine svjetlosti i krivulja intenziteta zra?enja ovisno o talasnoj du?ini. Mislim da ?e ova dva konkretna pitanja uskoro biti rije?ena i fizi?ari 20. vijeka ne?e imati ?ta da rade.” Ispostavilo se da je Lord Kelvin bio potpuno u pravu kada je ukazao na klju?na podru?ja istra?ivanja u fizici, ali je pogre?no procijenio njihovu va?nost: teorija relativnosti i kvantna teorija koje su nastale iz njih su se pokazale kao beskrajna prostranstva za istra?ivanja koja su okupirala nau?ne umove. vi?e od stotinu godina.

Po?to nije opisala gravitacionu interakciju, Ajn?tajn je, ubrzo nakon njenog zavr?etka, po?eo da razvija op?tu verziju ove teorije, koju je razvijao 1907-1915. Teorija je bila prekrasna u svojoj jednostavnosti i konzistentnosti s prirodnim pojavama, s izuzetkom jedne ta?ke: u vrijeme kada je Ajn?tajn sastavljao teoriju, jo? se nije znalo za ?irenje Univerzuma, pa ?ak ni za postojanje druge galaksije, stoga su nau?nici tog vremena vjerovali da Univerzum postoji neograni?eno i da je nepomi?an. U isto vrijeme, iz Newtonovog zakona univerzalne gravitacije slijedi da bi fiksne zvijezde u nekom trenutku jednostavno trebale biti spojene u jednu ta?ku.

Ne pronalaze?i bolje obja?njenje za ovaj fenomen, Ajn?tajn je u svoje jedna?ine uveo, koje su numeri?ki kompenzovale i tako omogu?ile stacionarnom univerzumu da postoji bez kr?enja zakona fizike. Nakon toga, Ajn?tajn je uvo?enje kosmolo?ke konstante u svoje jedna?ine po?eo smatrati svojom najve?om gre?kom, jer to nije bilo neophodno za teoriju i nije potvr?eno ni?im drugim osim naizgled stacionarnim Univerzumom u to vreme. A 1965. otkriveno je reliktno zra?enje, ?to je zna?ilo da Univerzum ima po?etak i da se konstanta u Ajn?tajnovim jedna?inama pokazala potpuno nepotrebnom. Ipak, kosmolo?ka konstanta je ipak prona?ena 1998. godine: prema podacima dobijenim teleskopom Hubble, udaljene galaksije nisu usporile svoje ?irenje zbog privla?enja gravitacijom, ve? su ?ak ubrzale svoje ?irenje.

Osnove teorije

Pored osnovnih postulata specijalne teorije relativnosti, ovde je dodat i novi: Njutnova mehanika je dala numeri?ku procenu gravitacione interakcije materijalnih tela, ali nije objasnila fiziku ovog procesa. Ajn?tajn je to uspeo da opi?e pomo?u zakrivljenosti 4-dimenzionalnog prostora-vremena od strane masivnog tela: telo stvara perturbaciju oko sebe, usled ?ega okolna tela po?inju da se kre?u du? geodetskih linija (primeri takvih linija su linije zemljine ?irine i du?ine, koje za unutra?njeg posmatra?a izgledaju kao prave linije, ali su u stvarnosti blago zakrivljene). Svjetlosni zraci se odbijaju na isti na?in, ?to iskrivljuje vidljivu sliku iza masivnog objekta. Uz uspje?nu podudarnost polo?aja i mase objekata, to dovodi do (kada zakrivljenost prostor-vremena djeluje kao ogromno so?ivo koje ?ini udaljeni izvor svjetlosti mnogo svjetlijim). Ako se parametri ne poklapaju savr?eno, to mo?e dovesti do formiranja "Ajn?tajnovog krsta" ili "Ajn?tajnovog kruga" na astronomskim slikama udaljenih objekata.

Me?u predvi?anjima teorije bila je i gravitaciona vremenska dilatacija (koja je prilikom pribli?avanja masivnom objektu delovala na telo na isti na?in kao i vremenska dilatacija usled ubrzanja), gravitaciono (kada snop svetlosti koju emituje masivno telo ide na u crveni dio spektra zbog gubitka energije za rad izlaza iz "gravitacionog bunara"), kao i gravitacijskih valova (perturbacija prostor-vremena, koja proizvodi bilo koje tijelo koje ima masu u toku svog kretanja) .

Status teorije

Prvu potvrdu op?e teorije relativnosti dobio je sam Ajn?tajn iste 1915. godine, kada je objavljena: teorija je sa apsolutnom ta?no??u opisala pomeranje perihela Merkura, ?to se pre toga nije moglo objasniti Njutnovskom mehanikom. Od tada su otkriveni mnogi drugi fenomeni koji su bili predvi?eni teorijom, ali su u vrijeme njenog objavljivanja bili preslabi da bi bili otkriveni. Najnovije takvo otkri?e do sada bilo je otkri?e gravitacionih talasa 14. septembra 2015. godine.