Sistem od dvije neutronske zvijezde stvara medij - talasanje u prostor-vremenu

Gravitacija(univerzalna gravitacija, gravitacija) je fundamentalna interakcija u prirodi kojoj su podlo?na sva tijela s masom. Uglavnom, gravitacija djeluje na kosmi?kim razmjerima.

Termin gravitacija koristi se i kao naziv odjeljka u fizici koji prou?ava gravitacijsko polje i gravitacijsku interakciju.

Gravitaciona interakcija

Najva?nije svojstvo gravitacije je da je ubrzanje malih ispitnih tijela koje ona uzrokuje gotovo nezavisno od mase tih tijela. To je zbog ?injenice da je gravitacija kao sila u prirodi direktno proporcionalna masi tijela u interakciji. Kada veli?ina tijela dostigne veli?inu planeta i zvijezda, gravitacijska sila postaje odlu?uju?a i formira sferni oblik ovih objekata. Daljnjim pove?anjem veli?ine do nivoa galakti?kih jata i superjata, pojavljuje se ograni?eni efekat. To dovodi do ?injenice da superjata vi?e nisu okruglog oblika, ve? nalikuju izdu?enim vlaknima u obliku cigare uz ?vorove s najmasivnijim jatama galaksija. Gravitaciona interakcija je jedna od ?etiri fundamentalne interakcije u na?em svijetu. U okviru klasi?ne mehanike opisana je gravitaciona interakcija po zakonu univerzalna gravitacija Newtona, prema kojem je sila gravitacijske privla?nosti izme?u dva tijela mase i razmaknuta razdaljinom

.

Ovdje - , jednako m 3 /(kg s 2). Znak minus zna?i da je sila koja djeluje na ispitno tijelo uvijek usmjerena du? radijus vektora od ispitnog tijela do izvora gravitacionog polja, tj. gravitaciona interakcija uvek dovodi do privla?enja tela.

Gravitaciono polje je potencijalno. To zna?i da mo?ete uvesti potencijalnu energiju gravitacionog privla?enja para tijela, a ta energija se ne?e promijeniti nakon pomicanja tijela du? zatvorene petlje. Potencijal gravitacionog polja podrazumeva zakon odr?anja zbira kineti?ke i potencijalne energije, koji, prou?avaju?i kretanje tela u gravitacionom polju, ?esto zna?ajno pojednostavljuje re?enje.

U okviru Njutnove mehanike, gravitaciona interakcija je dugog dometa. To zna?i da bez obzira na to kako se masivno tijelo kre?e, u bilo kojoj ta?ki u prostoru gravitacijski potencijal i sila zavise samo od polo?aja tijela u datom trenutku. Me?utim, ra?unovodstvo Lorentz invarijantnost gravitaciona sila i ka?njenje u ?irenju gravitacionog utjecaja kori?tenjem rje?enja za Lienardove i Wiechertove potencijale dovodi do toga da u kretanju sa konstantna brzina U referentnim sistemima, dodatna komponenta sile nastaje usled gravitacione sile. Situacija je potpuno ekvivalentna situaciji sa elektri?nom silom, kada posmatra? kada se kre?e, detektuje i magnetsko polje i magnetnu silu proporcionalnu brzini njegovog pokreta. Zbog toga je potrebno uzeti u obzir ograni?enu brzinu ?irenja gravitacije, koja dovodi do svojstva kratkog dometa i ka?njenja gravitacione interakcije. Krajem 19. i po?etkom 20. vijeka, zalaganjem niza fizi?ara - O. Heavisidea, A. Poincar?a, G. Minkowskog, A. Sommerfelda, H. Lorenza i drugih - postavljeni su temelji (LITG ) opisivanje gravitacije u inercijalnim referentnim sistemima pri relativisti?kim brzinama

Kao rezultat toga, zakon univerzalne gravitacije Isaaca Newtona (1687.) bio je uklju?en u Lorencovu invarijantnu teoriju gravitacije, koja je prili?no dobro predvi?ala op?te pona?anje gravitacije. Godine 1915. Albert Ajn?tajn je stvorio (GTR), koji opisuje pojave u gravitacionom polju u terminima geometrije prostor-vremena i uzimaju?i u obzir uticaj gravitacije na rezultate prostorno-vremenskih merenja.

Nebeska mehanika i neki od njenih zadataka

Grana mehanike koja prou?ava kretanje tijela u praznom prostoru samo pod utjecajem gravitacije naziva se nebeska mehanika.

Najjednostavniji problem nebeske mehanike je gravitaciona interakcija dvaju tijela u praznom prostoru. Ovaj problem se rje?ava analiti?ki do kraja; rezultat njegovog rje?enja ?esto se formuli?e u u obliku tri Keplerovi zakoni.

Kako se broj tijela u interakciji pove?ava, zadatak postaje dramati?no slo?eniji. Dakle, ve? poznati problem tri tijela (tj. kretanje tri tijela s masama razli?itim od nule) ne mo?e se analiti?ki rije?iti u op?tem obliku. Kod numeri?kog rje?enja nestabilnost rje?enja u odnosu na po?etne uslove nastaje prili?no brzo. U aplikaciji za Solarni sistem ova nestabilnost onemogu?ava predvi?anje kretanja planeta na skali ve?oj od sto miliona godina.

U nekim posebnim slu?ajevima mogu?e je prona?i pribli?no rje?enje. Najva?niji slu?aj je kada je masa jednog tijela znatno ve?a od mase drugih tijela (primjeri: Sun?ev sistem i dinamika Saturnovih prstenova). U ovom slu?aju, kao prvu aproksimaciju, mo?emo pretpostaviti da svjetlosna tijela ne interaguju jedno s drugim i da se kre?u du? Keplerovih putanja oko masivnog tijela. Interakcije izme?u njih se mogu uzeti u obzir u okviru teorije perturbacije i usredsre?ivati tokom vremena. U ovom slu?aju mogu nastati netrivijalne pojave, kao ?to su rezonancije, atraktori, haos itd. Dobar primjer takve pojave - netrivijalna struktura Saturnovih prstenova.

Uprkos poku?ajima da se opi?e dugoro?no pona?anje sistema velikog broja privla?e?ih tijela pribli?no iste mase, to se ne mo?e u?initi zbog fenomena dinami?kog haosa.

Jaka gravitaciona polja

U jakim gravitacionim poljima ili pri kretanju relativisti?kim brzinama po?inju se pojavljivati efekti op?e relativnosti:

• odstupanje zakona gravitacije od Newtonovog;
• ka?njenje potencijala povezano s kona?nom brzinom ?irenja gravitacijskih poreme?aja; pojava gravitacionih talasa;
• efekti nelinearnosti: gravitacijski talasi te?e me?usobnoj interakciji, tako da princip superpozicije talasa u jakim poljima vi?e ne va?i;
• promjena geometrije vidljivog prostor-vremena;
• razvoj singulariteta i pojava . Istina, to je mogu?e samo u slu?aju potencijalno beskona?no velike gravitacione sile, ?to nije dokazano. U stvarnosti se detektuju samo veoma gusti kosmi?ki objekti kao ?to su neutronske zvezde.

Gravitaciono zra?enje

Jedno od predvi?anja Op?e relativnosti je gravitaciono zra?enje, ?ije prisustvo jo? nije potvr?eno direktnim zapa?anjima. Me?utim, postoje indirektni opservacijski dokazi koji govore u prilog njegovom postojanju, a to su: gubici energije u dualni sistem sa pulsarom PSR B1913+16 (Hulse-Taylor pulsar) se dobro sla?u sa modelom u kojem se ova energija odnosi gravitacionim zra?enjem.

Prema op?toj relativnosti, gravitaciono zra?enje mogu da generi?u samo sistemi sa promenljivim kvadrupolnim ili ve?im multipolnim momentima. Snaga gravitacije i-izvor polja je proporcionalan ako je multipol elektri?nog tipa, i – ako je multipol magnetnog tipa, gdje je v je karakteristi?na brzina kretanja izvora u sistemu zra?enja, i c– brzina svetlosti. Dakle, dominantni moment je kvadrupolni moment elektri?nog tipa, a snaga odgovaraju?eg zra?enja jednaka je:

gdje je tenzor kvadrupolnog momenta distribucije mase sistema zra?enja. Konstantno

W omogu?ava procjenu reda veli?ine snage zra?enja.

Poku?aji direktnog otkrivanja gravitacionog zra?enja vr?eni su od 1969. godine (Weberovi eksperimenti). U SAD-u, Evropi i Japanu trenutno radi nekoliko zemaljskih detektora (LIGO, VIRGO, TAMA, GEO 600), kao i projekat svemirskog gravitacionog detektora LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Zemaljski detektor u Rusiji razvija se u Nau?nom centru za istra?ivanje gravitacionih talasa "Dulkin" u Republici Tatarstan.

Suptilni efekti gravitacije

Pored klasi?nih efekata gravitacionog privla?enja i vremenske dilatacije, op?ta teorija Relativnost predvi?a postojanje drugih manifestacija gravitacije, koje su u zemaljskim uslovima veoma slabe i njihovo otkrivanje i eksperimentalna verifikacija su stoga veoma te?ki. Donedavno je prevazila?enje ovih pote?ko?a izgledalo izvan mogu?nosti eksperimentatora.

Me?u njima se posebno mo?e navesti otpor inercijalnih referentnih okvira (ili efekat Lense-Thiringa) i. Godine 2005. NASA-in robotski eksperiment Gravity Probe B mjerio je ove efekte u blizini Zemlje, ali rezultati predstavljeni 2007. godine bili su kontroverzni zbog velikih gre?aka u mjerenju.

Kvantna teorija gravitacije

Uprkos poluvekovnoj istoriji poku?aja, gravitacija je jedina fundamentalna interakcija za koju konzistentna struktura jo? nije izgra?ena. renormalizable kvantna teorija. At niske energije, u duhu kvantne teorije polja, gravitaciona interakcija se mo?e predstaviti kao razmjena gravitona - kalibracijskih bozona sa 2 (na osnovu koncepta op?te relativnosti), ili sa spinom 1 za Lorentz-invarijantnu teoriju gravitacije (LITG).

Problem je ?to pri visokim energijama opis op?te teorije relativnosti prestaje da funkcioni?e. Stoga je kvantna gravitacija trenutno predmet intenzivnih teorijskih istra?ivanja.

Moderne teorije gravitacije

Zbog ?injenice da unutra?nja struktura nijednog fundamentalnog polja jo? nije otkrivena, parametri nosilaca polja nisu izmjereni, javlja se mogu?nost opisi gravitacijskom polju prema nekoliko konkurentskih teorija. Sve ove teorije daju sli?ne rezultate u okviru aproksimacije u kojoj se trenutno izvode eksperimentalni testovi (vidi ?lanak). Slijedi nekoliko osnovnih, najrazvijenijih ili najpoznatijih teorija gravitacije.

Op?a teorija relativnosti

U me?unarodnom sistemu SI jedinica, jedna?ine LITG gravitacionog polja imaju oblik:

,

Torziono polje je analog komponente magnetnog polja u elektromagnetizmu. Izraz za gravitacionu silu je sljede?i:

• m je masa ?estice na koju djeluje sila,
• vm– brzina ?estica.

Za torziju izvan rotiraju?eg tijela, formula se mo?e izvesti iz gornjih jedna?ina polja:

,

Gdje L je ugaoni moment rotacije tijela.

Kao posljedica torzijskog polja u gravitacijskim pojavama, efekat je mogu?.

Za gusto?u energije i vektor gusto?e energetskog toka gravitacionog polja () ispada:

Po?to je u LITG gravitaciono polje vektorsko, sa dve komponente (ubrzanje gravitacije i torzija), onda postaje dozvoljeno dipolno gravitaciono zra?enje ubrzanih masivnih tela. Takvo zra?enje mo?e se pojaviti, na primjer, prilikom ubrzanog kretanja tijela pod utjecajem negravitacijske sile. Me?utim, u telima ukupno dipolno gravitaciono zra?enje te?i nuli zbog me?usobne kompenzacije zra?enja pojedina?nih tela, a kvadrupolno zra?enje postaje dominantno, kao u op?toj relativnosti.

U slabim poljima, prostor-vrijeme je opisano jedini?nim metri?kim tenzorom prostora Minkowskog i jedna?inama polja Lorentz invarijantna. Pri velikim brzinama ?estica ili u dovoljno jakim poljima, potrebno je uzeti u obzir uticaj gravitacionog polja na rezultate prostorno-vremenskih merenja. Na primjer, gravitacija mo?e odbiti svjetlosne zrake od njihovog prvobitnog smjera i promijeniti njihovu brzinu. Da bi se uzeli u obzir takvi fenomeni, vr?i se prijelaz sa LITG na CTG zamjenom metri?kog tenzora Minkowskog prostora u formulama metri?kim tenzorom zakrivljenog pseudo-Riemanovog prostora. Ovo nam omogu?ava da predstavimo CTG jedna?ine u obliku kovarijantnog tenzora i uzimaju?i u obzir modifikovani metri?ki tenzor. Tenzorske jednad?be gravitacionog polja u proizvoljnom referentnom okviru preko kovarijantnih izvoda imaju oblik:

,

gdje postoji 4-vektor gustine momenta (gustina struje mase) koji generi?e gravitaciono polje, antisimetri?no, koje se sastoji od komponente .

Koriste?i tenzor konstruiramo:

Zahvaljuju?i ovom tenzoru, problem op?te relativnosti sa tenzorom gusto?e energije i impulsa gravitacionog polja automatski se re?ava u LITG i u CTG. Ovaj tenzor je uklju?en u rje?avanje svih problema pri pronala?enju metrike. Zajedno sa grani?nim uslovima (na primer, na povr?ini masivnih tela), ovo postavlja uslove neophodne za ispravnu identifikaciju referentnih okvira, izbegavaju?i odgovaraju?i problem op?te relativnosti.

CTG se razlikuje od op?te teorije relativnosti po jedna?inama kretanja. Ako se u GTR koristi ista jednad?ba kretanja i za ?estice i za kvante polja (kao posljedica principa ekvivalencije), onda su u CTG-u jednad?be gibanja za ?estice i kvante razli?ite i pro?irena su primjena o?uvanja energije i impulsa zakon u vektorsko-tenzorskom obliku.

Prilikom rje?avanja zadataka u CTG-u potrebno je rije?iti sistem diferencijalnih jedna?ina tri vrste– jedna?ine za komponente gravitacionog polja, jedna?ine za metriku i jedna?ine kretanja. U ovom slu?aju, kretanje masa kao izvora polja mijenja sliku polja, a metrika se mijenja ne samo zbog promjena u konfiguraciji masa, ve? i zbog promjene ja?ine gravitacijskih polja. Jedna?ina kretanja materije u CTG-u, za razliku od op?te teorije relativnosti, omogu?ava da se opi?e reaktivno kretanje, pretvaraju?i se u slabo polje u relativisti?ku jedna?inu Me??erskog.

2. http://dulkyn.org.ru/ru/about.html.

3. Fedosin S.G. Masa, moment i energija gravitacionog polja .Journal of Vectorial Relativity, Vol. 3, br. 3, septembar 2008, str. 30-35);?lanak na ruskom: .

4. Logunov A.A., Mestvirishvili M.A. Osnove relativisti?ke teorije gravitacije. – Izdava?ka ku?a Moskovskog dr?avnog univerziteta, 1986, str. 308.

Unato? ?injenici da je gravitacija najslabija interakcija izme?u objekata u svemiru, njen zna?aj u fizici i astronomiji je ogroman, jer mo?e utjecati na fizi?ke objekte na bilo kojoj udaljenosti u svemiru.

Ako ste zainteresovani za astronomiju, verovatno ste se zapitali ?ta je to pojam kao ?to je gravitacija ili zakon univerzalne gravitacije. Gravitacija je univerzalna fundamentalna interakcija izme?u svih objekata u svemiru.

Otkri?e zakona gravitacije pripisuje se poznatom engleskom fizi?aru Isaaku Njutnu. Vjerovatno mnogi od vas znaju pri?u o jabuci koja je pala na glavu slavnog nau?nika. Me?utim, ako pogledate dublje u istoriju, mo?ete vidjeti da su o prisutnosti gravitacije razmi?ljali mnogo prije njegove ere filozofi i nau?nici antike, na primjer, Epikur. Me?utim, Newton je prvi opisao gravitacionu interakciju izme?u fizi?kih tijela u okviru klasi?ne mehanike. Njegovu teoriju razvio je drugi poznati nau?nik, Albert Ajn?tajn, koji je u svojoj op?toj teoriji relativnosti preciznije opisao uticaj gravitacije u svemiru, kao i njenu ulogu u prostorno-vremenskom kontinuumu.

Njutnov zakon univerzalne gravitacije ka?e da je sila gravitacionog privla?enja izme?u dve ta?ke mase koje su razdvojene rastojanjem obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti i direktno proporcionalna obema masama. Sila gravitacije je dalekose?na. Odnosno, bez obzira na to kako se tijelo s masom kre?e, u klasi?noj mehanici njegov gravitacijski potencijal ovisit ?e isklju?ivo o polo?aju ovog objekta u datom trenutku. ?to je ve?a masa objekta, ve?e je njegovo gravitaciono polje - to je mo?nije gravitaciona sila on ima. Svemirski objekti kao ?to su galaksije, zvijezde i planete imaju najve?u gravitacijsku silu i, shodno tome, prili?no jaka gravitacijska polja.

Gravitaciona polja

Zemljino gravitaciono polje

Gravitaciono polje je udaljenost unutar koje se javlja gravitaciona interakcija izme?u objekata u svemiru. ?to je masa objekta ve?a, to je njegovo gravitaciono polje ja?e – to je uo?ljiviji njegov uticaj na druga fizi?ka tela unutar odre?enog prostora. Gravitaciono polje objekta je potencijalno. Su?tina prethodne izjave je da ako uvedete potencijalnu energiju privla?enja izme?u dva tijela, ona se ne?e promijeniti nakon pomicanja potonjeg du? zatvorene petlje. Odavde dolazi jo? jedan poznati zakon odr?anja zbira potencijalne i kineti?ke energije u zatvorenoj petlji.

U materijalnom svetu gravitaciono polje je od velike va?nosti. Posjeduju ga svi materijalni objekti u Univerzumu koji imaju masu. Gravitaciono polje mo?e uticati ne samo na materiju, ve? i na energiju. Zbog utjecaja gravitacijskih polja tako velikih kosmi?kih objekata kao ?to su crne rupe, kvazari i supermasivne zvijezde nastaju solarni sistemi, galaksije i druga astronomska jata, koja se odlikuju logi?nom strukturom.

Najnoviji nau?ni podaci pokazuju da je ?uveni efekat ?irenja Univerzuma tako?e zasnovan na zakonima gravitacione interakcije. Konkretno, ?irenje Univerzuma je olak?ano sna?nim gravitacionim poljima, kako njegovih malih tako i najve?ih objekata.

Gravitaciono zra?enje u binarnom sistemu

Gravitaciono zra?enje ili gravitacioni talas je termin koji je prvi uveo u fiziku i kosmologiju poznati nau?nik Albert Ajn?tajn. Gravitacijsko zra?enje u teoriji gravitacije nastaje kretanjem materijalnih objekata s promjenjivim ubrzanjem. Prilikom ubrzanja nekog objekta, ?ini se da se gravitacijski talas „odvaja“ od njega, ?to dovodi do oscilacija gravitacionog polja u okolnom prostoru. Ovo se zove efekat gravitacionog talasa.

Iako su gravitacioni talasi predvi?eni Ajn?tajnovom op?tom teorijom relativnosti kao i drugim teorijama gravitacije, oni nikada nisu direktno otkriveni. To je prvenstveno zbog njihove ekstremne male veli?ine. Me?utim, u astronomiji postoje indirektni dokazi koji mogu potvrditi ovaj efekat. Dakle, efekat gravitacionog talasa se mo?e posmatrati na primeru konvergencije dvostrukih zvezda. Zapa?anja potvr?uju da brzina konvergencije dvostrukih zvijezda u odre?enoj mjeri ovisi o gubitku energije ovih kosmi?kih objekata, koja se vjerojatno tro?i na gravitacijsko zra?enje. Nau?nici ?e u bliskoj budu?nosti mo?i pouzdano potvrditi ovu hipotezu koriste?i novu generaciju naprednih LIGO i VIRGO teleskopa.

U modernoj fizici postoje dva koncepta mehanike: klasi?na i kvantna. Kvantna mehanika je razvijena relativno nedavno i su?tinski se razlikuje od klasi?ne mehanike. IN kvantna mehanika objekti (kvantovi) nemaju odre?ene pozicije i brzine; Odnosno, objekat mo?e zauzeti odre?eno mjesto u prostoru u odre?enom trenutku. Gdje ?e se dalje kretati ne mo?e se pouzdano utvrditi, ve? samo s velikim stepenom vjerovatno?e.

Zanimljiv efekat gravitacije je da mo?e savijati prostorno-vremenski kontinuum. Ajn?tajnova teorija ka?e da je u prostoru oko gomile energije ili bilo koje materijalne supstance prostor-vreme zakrivljeno. Shodno tome, putanja ?estica koje padaju pod uticaj gravitacionog polja ove supstance se menja, ?to omogu?ava da se sa visokim stepenom verovatno?e predvidi putanja njihovog kretanja.

Teorije gravitacije

Danas nau?nici znaju preko desetak razli?itih teorija gravitacije. Dijele se na klasi?ne i alternativne teorije. Najpoznatiji predstavnik prvog je klasi?na teorija gravitacije Isaaca Newtona, koju je izmislio poznati britanski fizi?ar davne 1666. godine. Njegova su?tina le?i u ?injenici da masivno tijelo u mehanici stvara oko sebe gravitacijsko polje koje privla?i manje objekte. Zauzvrat, potonji tako?er imaju gravitacijsko polje, kao i svi drugi materijalni objekti u svemiru.

Sljede?u popularnu teoriju gravitacije izmislio je svjetski poznati njema?ki nau?nik Albert Ajn?tajn po?etkom 20. veka. Ajn?tajn je uspeo da preciznije opi?e gravitaciju kao fenomen, a tako?e i da objasni njeno delovanje ne samo u klasi?noj mehanici, ve? i u kvantnom svetu. Njegova op?ta teorija relativnosti opisuje sposobnost sile kao ?to je gravitacija da uti?e na prostorno-vremenski kontinuum, kao i na putanju kretanja elementarne ?estice u svemiru.

Me?u alternativnim teorijama gravitacije, mo?da najve?u pa?nju zaslu?uje relativisti?ka teorija, koju je izmislio na? sunarodnik, poznati fizi?ar A.A. Logunov. Za razliku od Ajn?tajna, Logunov je tvrdio da gravitacija nije geometrijsko, ve? stvarno, prili?no jako polje fizi?ke sile. Me?u alternativnim teorijama gravitacije poznate su i skalarne, bimetrijske, kvazilinearne i druge.

1. Ljudima koji su bili u svemiru i vratili se na Zemlju, u po?etku je prili?no te?ko da se naviknu na snagu gravitacionog uticaja na?e planete. Ponekad to traje nekoliko sedmica.
2. Dokazano je da ljudski organizam u beste?inskom stanju mo?e izgubiti i do 1% mase ko?tane sr?i mjese?no.
3. Me?u planetama u Sun?evom sistemu, Mars ima najmanju gravitacionu silu, a Jupiter najve?u.
4. Poznate bakterije salmonele, koje uzrokuju crijevna oboljenja, aktivnije se pona?aju u beste?inskom stanju i sposobne su nanijeti mnogo vi?e ?tete ljudskom tijelu.
5. Me?u svim poznatim astronomskim objektima u svemiru, crne rupe imaju najve?u gravitacionu silu. Crna rupa veli?ine loptice za golf mogla bi imati istu gravitacijsku silu kao i cijela na?a planeta.
6. Sila gravitacije na Zemlji nije ista u svim krajevima na?e planete. Na primjer, u regiji Hudson Bay u Kanadi je ni?a nego u drugim regijama svijeta.

Gravitacija se pojavila kao nauka o privla?enju tijela. Sve do prve polovine 20. veka celokupna teorija gravitacije zasnivala se samo na Newtonovim zakonima. Ponekad se naziva Njutnovom gravitacijom. Po?etkom 20. stolje?a nakupilo se dosta eksperimentalnih i teorijskih ?injenica koje ukazuju na neta?nost Njutnove gravitacije.

Eksperimentalne ?injenice uklju?uju, na primjer, pomak u perhelionu Merkurove orbite. Poznato je da je orbita Merkura oko Sunca elipsa, a ta?ka najbli?a suncu naziva se perhelion. Ova elipsa ne miruje, ve? se polako rotira, mijenjaju?i tako polo?aj perihela. Kao ?to su eksperimenti otkriveni po?etkom 20. veka, perhelion se kre?e br?e nego ?to predvi?aju Njutnovi zakoni.

Teorijskim neta?nostima mo?e se pripisati sljede?a ?injenica. Kao ?to je poznato, dobar inercijski referentni okvir je lift koji slobodno pada. Svi procesi u svim liftovima koji slobodno padaju su isti. Me?utim, zamislite dva lifta koja padaju. Jedan, na primjer, u Africi, a drugi u ju?na amerika. Glave elevatora ?e biti inercijski referentni okviri, ali ?e se u odnosu jedna na drugu kretati ubrzano. Ova ?injenica je u suprotnosti s prvim Newtonovim zakonom.

Osim toga, Newtonova teorija gravitacije zasniva se na konceptu gravitacije, koja je sila velikog dometa: djeluje trenutno na bilo kojoj udaljenosti. Ova trenutna priroda akcije nije u skladu sa specijalnom teorijom relativnosti. Prema ovoj teoriji, nijedna informacija se ne mo?e ?iriti ve?a brzina svetlost u vakuumu.

1920-ih, Einstein je predlo?io potpuno novu teoriju gravitacije. U okviru ove teorije, postulira se da gravitacijski efekti nisu uzrokovani interakcijom sila tijela i polja smje?tenih u prostor-vremenu, ve? deformacija samog prostora-vremena, ?to je posebno povezano sa prisustvom mase-energije.

Napravimo malu digresiju. Prema Einsheinovoj teoriji mase i energije predstavljaju isti parametar tijela. Odnos izme?u mase i energije je dat jednostavnom formulom E = m c^2. Kao ?to je poznato iz SRT-a (ovdje je link), masa tijela se pove?ava ako mu se prenese kineti?ka energija. U?inak postaje primjetan ako se brzina tijela pribli?i brzini svjetlosti. Sli?an efekat ?e se dogoditi, na primjer, kada se tijelo zagrije. Me?utim, zbog velikog parametra c = 300.000 km/s, prili?no je te?ko uo?iti takav efekat. U daljem opisu poku?at ?emo izbje?i sli?ne matemati?ke formulacije.

Dakle, opis gravitacijske interakcije izme?u tijela mo?e se svesti na opis prostor-vremena u kojem se tijela kre?u. Prirodno je pretpostaviti da se tijela kre?u po inerciji, odnosno na na?in da je njihovo ubrzanje u vlastitom referentnom okviru nula. Putanja tijela ?e tada biti takozvane geodetske linije. Precizna definicija geodetske linije je prili?no slo?ena. Recimo samo da je za ravan prostor geodetska linija samo prava linija. Geodetska linija, na primjer, za Zemlju u Sun?evom sistemu je elipsa - ovo je Zemljina orbita.

Poku?ajmo jasno opisati mehanizam interakcije izme?u dva masivna tijela. Najlak?i na?in za to je u dvodimenzionalnom slu?aju (a ne u 4-dimenzionalnom slu?aju, kao u stvarnosti). Te?ke lopte ?emo predstaviti kao masivna tijela, a kao prostor koji se savija ako se u njega stave masivna tijela mo?emo uzeti mekanu gumenu prostirku. Podsjetimo, ovo je samo model za vizualni prikaz Einsteinove gravitacije. Postavimo loptu na strunja?u pod te?inom ove loptice, strunja?a ?e se malo saviti. Rezultiraju?a rupa je model zakrivljenog prostora. Ako stavite drugu loptu u blizini, ?init ?e se da ona po?inje privla?iti prvu zbog ?injenice da je prva, takore?i, u rupi.

Sli?an efekat se mo?e uo?iti direktno ako se dvije loptice lansiraju paralelno jedna uz drugu du? 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 je zbog zakrivljenosti membrane.

Ajn?tajnova teorija ne daje odgovor za?to masivna tela savijaju prostor. I za?to se tijela kre?u du? geodetskih linija. Sve su ovo samo pretpostavke, a kako sama teorija ka?e, sve su to svojstva samog prostora u kojem ?ivimo. Me?utim, jedna?ine Ajn?tajnove teorije gravitacije daju, do danas, najta?niju sliku kretanja objekata u svemiru.

Korisno je dati Ajn?tajnovu jedna?inu gravitacije.

Desno Ova jednad?ba sadr?i takozvani tenzor energije-momenta. On je taj koji opisuje masu i energiju materije u datoj ta?ki u prostoru. Na lijevoj strani su dva pojma, prvi je Ajn?tajnov tenzor - veli?ina koja opisuje zakrivljenost prostora. Dakle, ova jedna?ina daje vezu izme?u mase tijela u prostoru i zakrivljenosti samog tog prostora.

Na lijevoj strani jedna?ine nalazi se jo? jedan pojam - to je takozvani lambda pojam. Upravo ovaj ?lan izaziva najve?u kontroverzu me?u nau?nicima. Istorijske ?injenice ka?u da je Ajn?tajn ovaj pojam dodao u jedna?inu u poslednjem trenutku - kada su svi prora?uni ve? bili napravljeni, a razlozi zbog kojih bi se ovaj ?lan trebao dodati u jedna?inu potpuno su nepoznati. ?injenica je da je ovaj ?lan, u smislu, odgovoran za svojstvo samog prostora. Naime, zato ?to ?e se prostor, bez obzira na tijela smje?tena u njemu, brzo ?iriti. Ubrzanje kojim se prostor ?iri je vrlo malo i izuzetno ga je te?ko eksperimentalno izmjeriti.

Profesor Erik Verlinde sa Univerziteta u Amsterdamu razvio je novu hipotezu o gravitaciji. Nau?nik je nedavno objavio svoja otkri?a u nekoliko nau?nih publikacija. On je glavni dio hipoteze predlo?io jo? 2010. godine. Njegova glavna poruka je da gravitacija nije fundamentalna sila prirode, to je slu?ajan fenomen.

Prema Verlindeu, gravitacija je rezultat promjena u glavnim bitovima informacija pohranjenih u samoj strukturi prostora i vremena. On tvrdi da se gravitacija obja?njava odre?enom razlikom u gusto?i entropije u prostoru izme?u dva tijela iu okolnom prostoru. Dakle, on obja?njava privla?enje dva makroskopska tijela pove?anjem ukupne entropije sa smanjenjem udaljenosti izme?u tijela. Drugim rije?ima, sistem jednostavno prelazi u vjerovatnije makrostanje.

U svom radu iz 2010. godine, nau?nik je pokazao kako drugi Newtonov zakon, koji mo?e objasniti padanje jabuka sa drveta ili stabilnu orbitu vje?ta?kog Zemljinog satelita, mo?e biti posebna manifestacija interakcije ovih elementarnih blokova materije. „Njutnovi zakoni ne funkcioni?u na mikro nivou, ali funkcioni?u na nivou jabuka i planeta. Ovo mo?ete uporediti sa pritiskom gasa. Molekuli gasa sami po sebi ne stvaraju nikakav pritisak, ali odre?ena zapremina gasa stvara”, rekao je nau?nik 2010. godine. Prema Verlindeu, pona?anje zvijezda u galaksijama za koje mnogi nau?nici vjeruju da nije u skladu s op?enito prihva?enim idejama o prostor-vremenu mo?e se objasniti bez uvo?enja dodatnog faktora poput tamne materije.

Tamna materija u astronomiji i kosmologiji, kao i u teorijskoj fizici, je hipoteti?ki oblik materije koja ne emituje elektromagnetno zra?enje i ne stupa u direktnu interakciju s njim. Ovo svojstvo ovog oblika materije onemogu?ava njegovo direktno posmatranje. Zaklju?ak o postojanju tamne materije donesen je na osnovu brojnih, me?usobno uskla?enih, ali indirektnih znakova pona?anja astrofizi?kih objekata i gravitacijskih efekata koje oni stvaraju. Otkrivanje prirode tamne materije pomo?i ?e u rje?avanju problema skrivene mase, koja se, posebno, nalazi u anomalno velikoj brzini rotacije vanjskih podru?ja galaksija.

?injenica je da se vanjske regije galaksija rotiraju mnogo br?e oko svog centra nego ?to bi trebalo. Nau?nici su davno izra?unali brzinu rotacije galaksija ako su zvijezde, planete, magline, odnosno vidljiva materija, sva materija koja postoji u Univerzumu. U stvari, ne?to uvelike poja?ava gravitaciju, zbog ?ega se vanjski dijelovi galaksije okre?u br?e nego ?to bi trebali. Da bi ozna?ili ovo „ne?to“, nau?nici su predlo?ili mogu?nost postojanja nevidljive materije, koja ipak ima zna?ajan uticaj na sve objekte u vidljivom delu Univerzuma. ?tavi?e, prema prora?unima, tamne materije bi trebalo da bude nekoliko puta vi?e od obi?ne materije. Ta?nije, vjeruje se da je 80% materije u na?em vidljivom dijelu Univerzuma tamna materija.

Prvi koji su izvr?ili ta?ne i pouzdane prora?une koji su ukazivali na postojanje tamne materije bili su astronomi Vera Rubin sa Carnegie instituta i Kent Ford. Rezultati mjerenja su pokazali da je ve?ina zvijezda u spiralne galaksije kre?u se u orbitama sa pribli?no istim ugaona brzina, ?to navodi na ideju da je gustina mase u galaksijama ista za one regije u kojima se nalazi ve?ina zvijezda i za one regije (na rubu diska) gdje ima malo zvijezda.

Uprkos ?injenici da ve?ina nau?nika prihvata postojanje tamne materije, ne postoje direktni dokazi o njenom postojanju. Svi ovi dokazi su posredni.

Prema Eriku Verlindeu, sve se mo?e objasniti bez dodavanja moderan model postojanje univerzuma misteriozne materije koja se ne mo?e otkriti. Verlinde ka?e da je njegova hipoteza testirana i da precizno predvi?a brzinu rotacije zvijezda oko centra na?e galaksije, kao i brzinu rotacije vanjskih podru?ja drugih galaksija oko zajedni?kog centra.

“Nova vizija teorije gravitacije u skladu je sa zapa?anjima nau?nika. „Uglavnom, gravitacija se jednostavno ne pona?a tako dobro u velikim razmerama kao ?to predvi?a Ajn?tajnova teorija“, rekao je Verlinde.

Na prvi pogled, osnovni principi Verlindeove hipoteze su sli?ni onima drugih hipoteza, uklju?uju?i MOND (modifikovana Njutnova dinamika). Ali u stvari to nije tako: MOND jednostavno modificira op?eprihva?enu teoriju koriste?i njene principe i odredbe. Ali holandska hipoteza funkcionira s novim principima, polazi?te je druga?ije.

Hipoteza je na?la mjesto za holografski princip, koji su formulirali u?iteljica Verlinde Gerard 't Hooft (dobila Nobelovu nagradu 1999. godine) i nau?nik Leonard Susskind (Stanford University), sve informacije u svemiru mogu se opisati kao d?inovska imaginarna sfera oko nje Teorija na granicama prou?avanog prostora treba da sadr?i najvi?e jedan stepen slobode po Plankovom podru?ju na? univerzum nije samo projekcija, on je sasvim stvaran.

A ta dodatna informacija je upravo razlog za br?u rotaciju vanjskih podru?ja galaksija u odnosu na izra?unate vrijednosti. Prave informacije u na?em svemiru mogu objasniti jo? jedan dodatni faktor - tamnu energiju, za koju se danas op?enito vjeruje da jeste glavni razlog neprekidno ?irenje Univerzuma. ?tavi?e, kako su nobelovci Saul Perlmutter, Saul Perlmutter, Brian Schmidt i Adam Riess pokazali 1998. godine, stopa ?irenja Univerzuma nije konstantna, kao ?to se ranije mislilo, ova stopa se stalno pove?ava. Op?eprihva?ena teorija je da tamna energija ?ini oko 70% sadr?aja Univerzuma, a nau?nici poku?avaju prona?i njene tragove u mikrovalnom pozadinskom zra?enju.

Profesor tvrdi da mnogi fizi?ari sada rade na reviziji teorije gravitacije, a odre?eni napredak u ovoj oblasti ve? je napravljen. Prema Holan?aninu, nauka je na rubu revolucije koja mo?e promijeniti ljudske ideje o prirodi prostora, vremena i gravitacije.

Istovremeno, mnogi fizi?ari i dalje vjeruju da su tamna energija i materija stvarne. Tako je Sesandri Nadathur sa Univerziteta u Portsmouthu (UK) objavio svoj rad pro?log mjeseca

Ono ?to mi zovemo napredak je
je zamjena jedne nevolje drugom.
Henry Havelock Ellis

Teorije gravitacije alternativne op?oj relativnosti

Ni?ta ne ?ini na? ?ivot ovakvim
prijatno kao neizbe?no
alternativa.
Narodna mudrost

Sve te?e, sve se menja. Bilo je vremena kada se ?inilo da nema potrebe po?eljeti bolju teoriju gravitacije od Njutnove. Kroz knjigu smo opisali kako je, korak po korak, op?a teorija relativnosti „zauzela svoje mjesto na suncu“. Ostalo je jo? samo nekoliko godina do njenog 100. ro?endana. Kakav je sada njen status? Bez sumnje, GTR je najpopularnija teorija gravitacije, prvenstveno u astrofizici i kosmologiji, i mi smo to poku?ali da poka?emo. Teorija strukture i evolucije zvijezda, posebno u zavr?nim fazama; efekti na povr?ini kompaktnih i ultra gustih objekata; kosmolo?ki modeli u razli?ite ere evolucije i jo? mnogo toga ne mogu se na zadovoljavaju?i na?in izra?unati bez upotrebe op?te teorije relativnosti. Na osnovu efekata koje predvi?a Op?ta relativnost, stvaraju se ?itave oblasti istra?ivanja - potraga za gravitacionim talasima, prou?avanje gravitacionih so?iva, itd. Kao deo teorijske fizike, Op?ta relativnost se koristi i u mnogim fundamentalnim istra?ivanjima.

Zapravo, odmah nakon potvrde klasi?nim testovima, op?ta teorija relativnosti je stekla nevi?enu popularnost. Ali, naravno, merenjem otklona zraka svetlosti od udaljene zvezde u gravitacionom polju Sunca, pomeranja perihelija planeta u Sun?evom sistemu, kao i crvenog gravitacionog pomeranja u Zemljinom polju, stvar se nije zavr?ila i nije mogla zavr?iti. Od njegovog zavr?etka 1915. godine, i osnovni principi i jedna?ine su stalno testirani i ponovo testirani sa sve ve?om precizno??u. Me?utim, nisu dobijeni rezultati koji bi bili u suprotnosti sa op?tom relativno??u. ?tavi?e, dugo se koristi u prakti?ne svrhe, kao ?to je izra?unavanje orbita satelita, planeta i putanja me?uplanetarnih vozila.

Mo?emo re?i da se efekti op?e relativnosti ve? koriste u svakodnevnom ?ivotu: za pove?anje ta?nosti navigacijskih i sistema za pra?enje kao ?to je GPS. Postoji 24 do 27 satelita koji su stalno u orbiti na visini od 20.000 km. Da bi se pobolj?ala ta?nost, koriste se signali sa nekoliko satelita koji razmjenjuju signale sa ure?ajima na Zemlji. To zahtijeva strogu sinhronizaciju satova na svim objektima. Ispostavilo se da ta?nost atomskih satova nije dovoljna. Potrebno je uzeti u obzir usporavanje sata, koje se, prema op?toj relativnosti, de?ava u gravitacionom polju Zemlje. Drugim rije?ima, isti sati na Zemlji idu sporije nego u orbiti. Za visinu od 20.000 km, ova razlika je 38 ms dnevno i dovest ?e do gre?ke u odre?ivanju udaljenosti do 10 m Da bi se kompenzirao ovaj efekat, brzina sata u orbiti je vi?e prilago?ena polako. Ako se spuste sa orbite i postave pored onih na Zemlji, kasni?e 38 mikrosekundi dnevno.

Do sada je na?a prezentacija zapravo demonstrirala uspjehe GTR-a, i mo?e se ?initi da zbog ove ru?i?aste slike, osim GTR-a, nijedna druga teorija nije razmatrana, ni?ta drugo nije predlo?eno, ili je sve "ne-ajn?tajnovsko" potpuno pometeno . Ne sve. Aktivnosti na stvaranju teorija gravitacije bile su i ostale vrlo energi?ne. Razvoj teorija i njihovo aktivno i sveobuhvatno testiranje kretali su se ruku pod ruku kroz 20. vek i dalje.

Ve?ina testova se mo?e klasifikovati u posebne klase koje je predlo?io ameri?ki relativista Clifford Will 2001:

Najjednostavniji razlozi.
Ajn?tajnov princip ekvivalencije.
Parametrizovani post-njutnovski formalizam.

U nastavku ?emo razgovarati o uskla?enosti s posljednje dvije klase, ali sada razgovarajmo o tome ?ta su „najjednostavniji temelji“?

Po?etkom 1970-ih, grupa nau?nika sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju, predvo?ena ideologom projekta LIGO profesorom Kipom Thorneom, kao i Cliffordom Willom i tajvanskim fizi?arem Wei-Tou Niom, sastavila je listu teorija gravitacije 20. stolje?a. Za svaku teoriju su se pitali sljede?a pitanja o problemu najjednostavnijih temelja:

Da li je teorija samodosledna?
da li je kompletno?
sla?e li se, unutar nekoliko standardnih devijacija, sa svim eksperimentima koji su do sada provedeni?

Kriterijum „doslednosti sa svim eksperimentima koji su do sada sprovedeni“ ?esto je zamenjen kriterijumom „doslednosti sa ve?inom posledica Njutnove mehanike i specijalna teorija relativnost."

Samodosljednost nemetri?ke teorije uklju?uje zahtjevi, na primjer, odsustvo u njegovim rje?enjima tahiona, hipoteti?kih ?estica koje se kre?u brzinama ve?im od svjetlosti; odsustvo problema u pona?anju polja u beskona?nosti itd.

Da bi teorija gravitacije bila pun, mora biti u stanju opisati rezultate bilo kojeg zamislivog eksperimenta, mora biti u skladu s drugim fizi?kim teorijama potvr?enim eksperimentom. Na primjer, svaka teorija koja ne mo?e predvidjeti iz prvih principa kretanje planeta ili pona?anje atomskih satova je nepotpuna.

Primjer nepotpune i nekonzistentne teorije je Newtonova teorija gravitacije u kombinaciji s Maxwellovim jednad?bama. U takvoj teoriji, svjetlost (kao fotoni) odbija gravitacijsko polje (iako dvostruko slabije nego u op?oj relativnosti), a svjetlost (kao elektromagnetnih talasa) - Ne.

Ako teorija nije ispunjavala ove kriterije, onda se, ipak, nisu ?urili da je odbace. Ako je teorija bila nekompletna u svojim osnovama, grupa je poku?avala da je upotpuni malim izmenama, obi?no svode?i teoriju u odsustvu gravitacije na specijalnu relativnost. Tek nakon ovoga donijet je zaklju?ak da li je vrijedno daljeg razmatranja. Postojalo je nekoliko desetina teorija koje zaslu?uju pa?nju 70-ih godina. Te?ko je re?i, ali u protekle dvije-tri decenije njihov broj je mo?da dostigao stotinu ili vi?e. Sve zavisi od odgovora na pitanje ?ta se smatra jednom teorijom, a ?ta klasom teorija. Stoga se selekcija po razli?itim kriterijima vr?i sada, i to sa jo? ve?om stra??u. Ovo je izuzetno va?no, jer postoje preduslovi da se u narednim decenijama, bilo na malim, bilo na velikim, ili istovremeno, op?ta teorija relativnosti promeni.

Verifikacija op?te relativnosti na skali planetarnih sistema

Prisjetimo se sada da je osnova GTR-a kao metri?ke teorije princip ekvivalencije i postulat kretanja po geodeziji. Poznato je da ove principe, ako se utvrde sa apsolutnom ta?no??u, zadovoljavaju samo „?isto” metri?ke teorije (sa manjim rezervama), odnosno teorije u kojima je predstavljeno gravitaciono polje. samo metri?ki tenzor. Ispostavilo se da je op?ta relativnost samo najjednostavniji verzija metri?ke teorije. Bez naru?avanja ovih osnova, mo?e se zamisliti bezbroj (bez preterivanja) raznovrsnost metri?kih teorija. Kako se onda teorija mo?e promijeniti? ?ta treba shvatiti u ovom slu?aju? Naravno, samo eksperiment i posmatranje mogu sve postaviti na svoje mjesto. Ali klasifikacija alternativnih prijedloga zahtijeva vlastitu strategiju.

Radi na standardni formalizam Arthur Eddington (1882–1944) po?eo je testirati alternativne modele gravitacije jo? 1922. godine. Pobolj?anje ovog formalizma, na ovaj ili onaj na?in, nastavilo se decenijama, a ameri?ki fizi?ari Clifford Will i Kenneth Nordvedt zavr?ili su posao 1972. godine. Oni su predlo?ili takozvani parametrizirani post-njutnovski (PPN) formalizam. Dizajniran je za teorije ili ?isto metri?ke ili sa efektivnom metrikom koja predstavlja zakrivljeni prostor-vrijeme gdje se javljaju fizi?ke interakcije. Uzimaju se u obzir samo odstupanja od Njutnove mehanike, tako da je formalizam primenljiv samo u slabim poljima. Op?enito, postoji 10 PPN parametara. U slu?aju op?te teorije relativnosti, 2 od njih su jednaka jedan, a preostalih 8 je jednako nuli.

Kako je PPN formalizam koristan u provjeravanju op?te teorije relativnosti? Nove tehnologije omogu?avaju prili?no precizno pra?enje kretanja nebeskih tijela, a moderni standardni test radi na sljede?i na?in. Kori?tenje jedna?ina op?te relativnosti upravo U PPN obliku se izra?unavaju putanje tijela u Sun?evom sistemu. Ovaj tip se ispostavlja kao najkonstruktivniji. Zatim se upore?uju sa podacima posmatranja. Trenutni rezultat je da je prepiska teorijski PPN parametri op?te teorije relativnosti vidljivo je potvr?eno sa ta?no??u od desetih do stotih procenta - ovo je vrlo visoka ta?nost.

Drugi precizni testovi su posmatranja dvostrukih pulsara: sistema koji se sastoji od dvije neutronske zvijezde, od kojih je desetak sada poznato. Osim toga, postoje sistemi koji se sastoje od radio pulsara i bijelog patuljka, pogodni su i za testove. Na osnovu ovih zapa?anja izra?unavaju se orbitalni parametri. Ispostavilo se da se odstupanja od Keplerovih vrijednosti poklapaju sa odstupanjima predvi?enim Op?om relativno??u, tako?er sa ta?no??u od desetih i stotih procenta. Stru?njaci su vrlo optimisti?ni u pogledu izgleda za pove?anje ta?nosti prilikom prou?avanja dvostrukih pulsara. Zasnovan je na ?injenici da neutronske zvijezde imaju dimenzije desetine kilometara u sistemima sa orbitalnim veli?inama od miliona kilometara. U takvim sistemima, zvijezde su zapravo ta?kasti objekti. Njihova unutra?nja struktura, unutra?nja kretanja i deformacije prakti?ki nemaju utjecaja na putanje. Nasuprot tome, u Sun?evom sistemu svi ovi faktori, kao i uticaj brojnih „suseda“, zna?ajno ograni?avaju pobolj?anje ta?nosti. Da sumiramo, mo?emo re?i da je na skali planetarnih sistema op?ta relativnost potvr?ena sa velikom ta?no??u i da ?e se ta?nost merenja pove?ati.

Potreba za modifikacijom GTO-a

Prvo moramo promijeniti svoj ?ivot,
nakon ?to ga prepravite, mo?ete pjevati.
Vladimir Majakovski

Me?utim, istra?ivanja u stvaranju alternativnih teorija op?te relativnosti, uglavnom metri?ke, ne prestaju. Za?to? Op?ta teorija relativnosti je dobro potvr?ena, kao ?to je upravo re?eno, na skali Sun?evog sistema. Testirajte teoriju na b O U ve?em ili manjem obimu to je mnogo te?e. Op?ta teorija relativnosti, kao i svaka druga teorija, samo je model za opisivanje stvarnih pojava. Zbog toga prava priroda mogu se poklapati sa predvi?anjima op?te relativnosti na skali planetarnih sistema, ali se razlikuju na drugim skalama.

Istovremeno, mnogi savremeni teorijski i empirijski podaci sugeriraju da bi tako trebalo biti, a modifikacije su neophodne. Na primjer, u mnogim rje?enjima op?te relativnosti potrebno je uzeti u obzir jaka gravitaciona polja, ogromne gustine itd. A to zahteva kvantizaciju gravitacionog polja. Uprkos zna?ajnim naporima, odlu?uju?i uspjeh na ovom polju nije postignut. Ovo sugerira da na malim skalama gdje je potrebna kvantizacija, teorija gravitacije mora biti modificirana. S druge strane, mnogi vode?i stru?njaci imaju tendenciju da tuma?e nedavno otkri?e ubrzanog ?irenja Univerzuma kao geometrijski efekat koji se mo?e „dobiti“ modifikacijom op?te teorije relativnosti na kosmolo?kim skalama. Bez obzira na to, rezultati istra?ivanja fizike fundamentalnih interakcija dovode do potrebe za promjenama op?te teorije relativnosti na velikim i malim razmjerima.

Kada su u pitanju odr?ive teorije, ne postoji utvr?ena terminolo?ka razlika za alternativne, modificirane ili nove teorije. Svi oni, na ovaj ili onaj na?in, razvijaju op?tu relativnost, jer ne moraju raditi ni?ta lo?ije na skali na kojoj se to potvr?uje. Kada razvijaju modifikacije op?te teorije relativnosti ili novih teorija, autori ih upore?uju sa op?tom relativno??u u odgovaraju?im re?imima na isti na?in kao ?to se op?ta teorija relativnosti poredi sa Njutnovom gravitacijom. Ako ho?ete, isti princip korespondencije mora biti zadovoljen, ali u novoj fazi spoznaje.

Trenutno su na mnogim konferencijama o teoriji gravitacije ?itave sekcije posve?ene generaliziranim (ili alternativnim) teorijama, objavljuju se zasebne zbirke na ovu temu, a neke teorije postaju sve samostalnije. Koji su glavni najpopularniji i najperspektivniji pravci u ovom razvoju?

Prvo, GTR je ?isto metri?ka (ili ?isto tenzorska) teorija. To zna?i da geometrija prostor-vremena i materije uti?u jedna na drugu bez posrednika. Postoji beskona?an broj takvih teorija koje se mogu konstruisati (kao ?to smo ve? raspravljali) i one se aktivno razvijaju. Po pravilu, jedna?ine ovih teorija razlikuju se od jedna?ina op?te relativnosti po tome ?to su dopunjene kvadratnim i ?lanovima vi?eg reda po zakrivljenosti. Dodatni pojmovi obi?no ulaze sa malim koeficijentima koji daju saglasnost sa zapa?anjima, recimo, na skali planetarnih sistema, ali zna?ajno menjaju re?enja na kosmolo?kim skalama.

Drugu klasu alternativnih teorija karakteri?e ?injenica da se uticaj geometrije i materije jedna na drugu vr?i kroz dodatno polje, naj?e??e skalarno ili vektorsko polje. Me?utim, doprinos ovih oblasti mo?da nije zna?ajan. Odstupanje savremenih alternativnih teorija od op?te teorije relativnosti treba da se izrazi u razlici u odgovaraju?im PPN parametrima. Za procjenu odr?ivosti teorije razli?ite od op?e relativnosti (da bi je testirali), potrebno je registrirati odstupanja od vrijednosti parametara PPN u op?oj relativnosti na nivou od 10 –6 –10 -8. To zna?i da se ta?nost mjerenja, kako u Sun?evom sistemu tako i u binarnim pulsarima, mora pobolj?ati za 1-3 reda veli?ine.

Horzava teorija gravitacije

Ova teorija je jedna od varijanti vektor-tenzorskih teorija gravitacije i mo?da je trenutno najpopularnija. Zato pri?amo o njoj. Teoriju je 2009. godine predlo?io ameri?ki teoreti?ar struna ?e?kog porijekla Petr Horzhava. Ona se donekle razlikuje od konvencionalnih teorija vektorskog tenzora jer koristi skalarni gradijent umjesto vektorskog polja. S jedne strane, svojstva vektorskih teorija su o?uvana, s druge strane, postoje posebna korisna svojstva.

Podsjetimo se jo? jednom da je dosljedno kvantna teorija gravitacija, u kojoj ne bi bilo divergencija, nije mogla biti stvorena na osnovu op?te teorije relativnosti. Stoga se predla?u razli?ite modifikacije koje na kvantnim skalama zna?ajno odstupaju od op?te teorije relativnosti i postaju „pogodne“ za kvantizaciju. Da bi se to postiglo, prilikom njihove konstruisanja, neki principi koji su u osnovi op?te teorije relativnosti se menjaju, odnosno ispostavljaju se da su prekr?eni. Naravno, ovo kr?enje mora biti toliko manje da ne bude u suprotnosti sa laboratorijskim testovima, i da se efekat teorije na skali planetarnih sistema, gdje postoji dobro slaganje sa zapa?anjima, ne promijeni. To je upravo ono ?to je Horzhavina teorija. Ne?emo govoriti o tome koliko je ona izvanredna u smislu kvantizacije, to je pomalo po strani od teme knjige, ali ?emo govoriti o njenim svojstvima kao gravitacione teorije – kako i kako se razlikuju od sli?nih svojstava Op?e relativnosti.

Lorentz invarijantnost. Ve? smo raspravljali o ?injenici da je Op?a relativnost, takore?i, "izrasla" iz specijalne teorije relativnosti - mehanike velikih brzina usporedivih sa brzinom svjetlosti. Podsjetimo da se u SRT-u svi inercijski referentni sistemi kre?u u odnosu jedan prema drugom jednoliko i pravolinijski, su ekvivalentni. Va?no je zapamtiti mjerenja vremena u SRT-u. U svakom inercijalnom referentnom okviru, sat radi svojim tempom, druga?ijim od brzine satova u drugim okvirima , ako ih uporedite. Me?utim, ni "najbolji" ni "najgori" tempo se ne mogu izabrati ako su satovi strukturno identi?ni. To je sopstveno vreme svaki inercijski sistem ima jednaka prava u odnosu na druge. To zna?i da u SRT-u ne postoji namjenski protok vremena.

Tako?e smo rekli da je u geometrijskom jeziku, invarijantnost u SRT-u pri prelasku iz jednog inercijalnog referentnog okvira u drugi ekvivalentna invarijantnosti prema Lorencovim rotacijama u svemu ravni prostor-vreme. U op?toj relativnosti, zbog „uklju?enja“ gravitacije i, shodno tome, zakrivljenosti prostor-vremena, Lorentzova invarijantnost u svemu prostor-vrijeme vi?e nije mogu?e. Me?utim, op?ta teorija relativnosti ostaje invarijantna na Lorenc lokalno, odnosno u malom susjedstvu svakog posmatra?a. Ova nepromjenjivost je jedan od principa na kojima se temelji GTR, a povezana je s principom korespondencije izme?u GTR-a i SRT-a.

Hronometrijska teorija. U brojnim modifikacijama op?e relativnosti, naru?ena je lokalna Lorentzova invarijantnost. Me?u njima je i Hor?avina teorija. Nedavno je posebno popularna jedna od njegovih implementacija, takozvana "odr?iva" ("zdrava") neprojektivna verzija, koju su razvili ameri?ki fizi?ari Diego Blas i Oriol Pujolas i na? sunarodnjak Sergej Sibirjakov. Efekti o kojima se govori u nastavku uglavnom se odnose na ovu modifikaciju op?te teorije relativnosti.

Dakle, kako se Horzhavina teorija razlikuje od op?te teorije relativnosti? Uz sva uobi?ajena polja op?e relativnosti, dodaje se skalarno polje f, ali ne na uobi?ajen na?in. Smjer njegove promjene u prostor-vremenu definira posebno dodijeljeno smjeru vremena. Zbog toga se skalarno polje naziva poljem chronon. Tada su povr?ine konstantnih vrijednosti skalarnog polja povr?ine konstantnog vremena ili "simultanosti". Skalarno polje ulazi u jedna?ine samo preko derivata, tako da nema potrebe da brinete o beskona?nim vrednostima hrononskog polja. Zna?ajna je samo njegova promjena, a ne vrijednosti. Po?to postoji odabrani pravac u prostor-vremenu, postoje odabrani referentni sistemi. Ovo nije karakteristi?no ni za STR ni za GTR, ali je karakteristi?no za vektorsko-tenzorske teorije. Radi jasno?e, navest ?emo jednostavan primjer "igra?ke". Jedno od rje?enja nove teorije je ravno prostor-vrijeme (kao u SRT) plus krononsko polje, za koje se ispostavilo da je samo vrijeme, f = t. Mo?emo i?i u STR koriste?i Lorentzove transformacije iz jednog koordinatnog sistema x,t drugome x", t", gde vreme te?e druga?ije. U novoj teoriji ne mo?emo, jer se vrijednost skalarnog polja ne mijenja tokom transformacije koordinata, a to je vrijeme. Dakle, ovdje, za razliku od servisa, postoji sat koji odbrojava dodijeljeno vrijeme.

Po?to je u op?toj relativnosti gravitaciono polje polje prostorno-vremenske metrike, jasno je za?to se nova teorija naziva chrono metri?ki. Prihvatljiva ograni?enja parametara hronometrijske teorije omogu?avaju izbjegavanje divergencije tokom kvantizacije. Ponovimo ponovo: uh to se desilo glavni cilj njegovu konstrukciju. Ali ovo je teoretski uspjeh i sada je te?ko da je mogu?e testirati kvantne efekte ovog nivoa.

Me?utim, nova teorija se tako?er mora promijeniti u klasi?nim (nekvantnim) manifestacijama. I to omogu?ava dokazivanje ili opovrgavanje njegovog prava na postojanje. Zatim ?emo pokazati u kojim se klasi?nim pojavama i koliko se kronometrijska teorija razlikuje od op?te teorije relativnosti, da li se efekti nove teorije mogu identifikovati u zapa?anjima, a ilustrova?emo razliku za neke teorijske modele. Da bismo to u?inili, razgovarat ?emo o najupe?atljivijim, po na?em mi?ljenju, primjerima.

Gravitaciono talasno zra?enje. Podsetimo se da je gravitacioni talas u op?toj relativnosti transverzalan, tenzorski, ima dve polarizacije (vidi sliku 10.2) i ?iri se brzinom svetlosti. U Horzavinoj teoriji postoje i gravitacijski valovi. Me?utim, pored dvije tenzorske polarizacije ve? spomenute, postoji skalarni stepen slobode. To zna?i da ?e se pod uticajem takvog talasa kretanju ispitnih ?estica dodati uzdu?na (u pravcu ?irenja talasa) pomeranja. Va?no je da tenzorska i skalarna komponenta imaju razli?ite brzine distribucija. Osim toga, obje brzine, koje zavise od parametara modela Horzhava, trebale bi prema?iti(!) brzina svjetlosti, iako neznatna. Ove razlike u odnosu na op?tu relativnost su zanimljive, ali na?alost za sada samo teoretske. Jo? uvijek nema direktne detekcije gravitacijskih valova, pa se ?ini da je evidentiranje uo?enih razlika stvar daleke budu?nosti.

Ipak, postoji indirektna potvrda postojanja gravitacionog zra?enja. Ovo su opa?anja dvostrukih pulsara, smanjenje veli?ine njihovih orbita ukazuje na gubitak energije zbog zra?enja gravitacionog talasa. Ovaj efekat je u skladu sa op?tom relativno??u sa relativnom ta?no??u od 10 -2, o ?emu smo ve? govorili. Ali predvi?anja op?e relativnosti i Horzhavine teorije su razli?ita. Stoga, ako je ovo drugo odr?ivo, postoji ?ansa da ?e daljnje pove?anje ta?nosti otkriti ove razlike i razjasniti parametre nove teorije.

Interakcija ?estica. Trenutna akcija. Sada za kronometrijsku teoriju razmotri?emo interakciju gravitacionog polja sa materijom. Mi ?emo raspravljati samo o prvoj (linearnoj) aproksimaciji, koja mo?e biti dostupna za posmatranja. Ovim redom, efekti povezani sa kr?enjem Lorentzove invarijantnosti su potisnuti iz razli?itih razloga, ali je hrononsko polje prisutno, uklju?eno je na Lorentz-invarijantni na?in u takozvanoj efektivnoj metrici. To jest, metrika GTR je modifikovana, a materija se ne ?iri u originalnom prostor-vremenu, ve? u nekom efektivnom prostor-vremenu, i to na univerzalan na?in. Mo?da ?e nam u budu?nosti upravo ova interakcija omogu?iti da otkrijemo klasi?ne fenomene predstavljene hronometrijskom teorijom.

U aproksimaciji slabih polja i malih brzina, Njutnova gravitacija bi trebala postati granica teorije gravitacije. U potonjem, interakcija dvije ?estice predstavljena je poznatim Newtonovim zakonom, gdje je sila proporcionalna masama, gravitacijska konstanta, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti, ali ne zavisi od brzina ove ?estice. Prisustvo hrononskog polja mijenja i dopunjuje ovaj zakon na sljede?i na?in. Pomalo gravitaciona konstanta se menja, sada se naziva efektivnim i pojavljuje se zavisnost od brzine. Mogu?nost detekcije ovih efekata odre?ena je konstantama sprege hronometrijske teorije.

Uticaj hrononskog polja se o?ituje i u tome da se neke interakcije mogu ?iriti odmah(!), tj. beskona?nom brzinom. Kako je do?lo do ovog zaklju?ka? Tipi?no, jednad?be za poreme?aje sadr?e valni operator, koji se sastoji od dva dijela: prostornog i vremenskog. magnituda, obrnuto koeficijent drugog dijela je kvadrat brzine ?irenja smetnji. Potpuno odsustvo drugog dijela zna?i da je ova brzina beskona?na. Dio jednad?bi Hor?avine teorije ima upravo ovu strukturu. Ovdje je prikladno povu?i analogiju s Newtonovom teorijom. U njemu je, ba? kao iu hronometrijskoj teoriji, nagla?en tok vremena („apsolutno vrijeme“) i gravitacijska interakcija se trenutno ?iri.

Kako zamisliti trenutnu distribuciju? Zamislite povr?inu konstantnog vremena, tada signal, ?ire?i se po njoj (tj. bez promjene vremena), trenutno putuje bilo koju udaljenost. Ovo je neprihvatljivo u takvim relativisti?kim teorijama kao ?to su STR ili GTR. Pogledajmo dijagram na sl. 12.1. Razmotrite tri ta?ke u prostoru: A, B i C. U momentu t = 0 ove ta?ke odgovaraju doga?ajima A 0 , B 0 , C 0, koji u okviru SRT-a nisu uzro?no povezani. Samo u trenutku t 1 doga?aj A 0 postaje uzro?no-posljedi?no povezano s doga?ajem B 1 u ta?ki B, i trenutno t 2 i sa doga?ajem C 2 u ta?ki C. Kao ?to bi trebalo biti u STR (ili GTR), propagacija signala je striktno spregnuta i ograni?ena svjetlosnim ?unjevima. U Horjavinoj teoriji, to mo?da nije slu?aj za neke interakcije. Trenutna propagacija zna?i da sva tri doga?aja A 0 , B 0 , C 0 na vrijeme t = 0, nastala kao posljedica jedan odmah propagiraju?i signal, odnosno mogu biti uzro?no povezani. Me?utim, takva “fantasti?na” mogu?nost ne ograni?ava hronometrijsku teoriju na odlu?uju?i na?in. Razli?itost pravca vremena zna?i da je koncept simultanosti jednozna?no odre?en, tako da nema problema s kauzalno??u, ?ak ni tako egzoti?nom.

Solarni sistem. Za testiranje bilo koje teorije gravitacije prilikom mjerenja kretanja u planetarnom sistemu koristi se PPN formalizam. Kao iu svakoj teoriji vektora, u Horzhavinoj teoriji mora postojati efekte privilegovanog referentnog okvira To dovodi do ?injenice da se PPN parametri grupe a razlikuju od nule. Zaista, pored dva PPN parametra svojstvena op?toj relativnosti, hronometrijska teorija ima jo? dva: a 1 i a 2 . Da bi se izbegle kontradikcije sa zapa?anjima, one moraju biti dovoljno male: a 1 <= 10 -4 i a 2 <= 10 -7 . ?ekat ?emo pove?anje to?nosti mjerenja, a onda ?e mo?da postojanje a 1 i a 2 (a samim tim i Horzhavina teorija) biti potvr?eno ili opovrgnuto.

Crne rupe. U op?oj teoriji relativnosti, crna rupa je objekt ?iji je sredi?nji dio, obi?no singularan, okru?en sferi?nom povr?inom koja se naziva horizont doga?aja. Njegovo prisustvo je zbog ?injenice da u op?oj relativnosti postoji grani?na brzina - to je brzina svjetlosti. Glavno svojstvo crne rupe je da u op?oj teoriji relativnosti nijedna ?estica, nijedno polje, pa ?ak ni svjetlosni signal ne mogu iz nje napustiti, odnosno iza?i izvan horizonta doga?aja.

U hronometrijskoj teoriji postoje i rje?enja koja opisuju objekte kao ?to su crne rupe. Me?utim, imajmo na umu da u ovoj teoriji nema ograni?enja brzine interakcije se mogu ?iriti brzinom ve?om od brzine svjetlosti, pa ?ak i trenutno. Kada bi ova mogu?nost postojala u op?toj relativnosti, onda bi sam koncept horizonta doga?aja izgubio smisao, jer postaje mogu?e napustiti objekat dok se nalazi i na horizontu doga?aja i ispod njega. U ovom slu?aju se pojavljuju kontradikcije vezane za termodinamiku sistema, kao ?to je smanjenje entropije. Trenutno sva rje?enja za crne rupe u Horzavinoj teoriji nisu poznata zbog njene mladosti, ali me?u poznatima postoje ona koja omogu?uju izbjegavanje ovih komplikacija. Ispostavilo se da u crnoj rupi, u okviru hronometrijske teorije, mo?e postojati takozvani univerzalni horizont. Le?i ispod horizonta doga?aja („bli?e“ singularnosti) i izvanredan je po tome ?to konstantno vreme izlazi na povr?inu ispod njega. ne prelazi njegov. To zna?i da signal ?ak i beskona?ne brzine (trenutni) ne mo?e iza?i ispod ovog srednjeg horizonta. A za takve objekte se otklanjaju gore navedene kontradikcije.

Na sl. Slika 12.2 prikazuje takozvani Penroseov dijagram Schwarzschildove crne rupe. Poeni i- I i+ predstavljaju ?itavu vremensku beskona?nost pro?losti i ?itavu vremensku beskona?nost budu?nosti, ta?ka i 0 ujedinjuje svu prostornu beskona?nost. Pravo Bi+ je horizont doga?aja Schwarzschildove crne rupe - to se mo?e vidjeti iz lokacije svjetlosnih ?unjeva. Zaista, kvadrat Bi + i 0 i– - ovo je sve spolja?nji prostor-vreme vani horizont doga?aja, dok je trougao i + Bi+ je prostor-vrijeme ispod horizont doga?aja, odakle signal ne mo?e i?i u vanjsku regiju, i gdje je isprekidana linija singularnost r = 0. Na dijagramu Schwarzschildove rupe postavljen je dijagram crne rupe iz hronometrijske teorije. Sve krive se povezuju i 0 i i+ , su popre?ni presjeci konstantnog polja kronona j = konst, ista stvar, konstantno vrijeme (simultanost). Debeli luk je taj univerzalni horizontz=? z + , ispod njega, bli?e singularnosti, lukovi i + i+ , koji povezuju krajeve isprekidane linije su tako?er dijelovi konstantnog vremena (simultanost). Jasno je da ako se signal u kronometrijskoj teoriji ?iri ?ak i trenutno, odnosno du? popre?nih presjeka simultanosti, onda ne?e mo?i pre?i univerzalni horizont i napustiti kronometrijsku crnu rupu.

kosmologija. Na skali Univerzuma, Hor?avina teorija tako?er ima priliku proglasiti svoju odr?ivost. Razgovarajmo o kosmolo?kim rje?enjima u novoj teoriji. Oni ?e biti pribli?no isti kao u op?oj relativnosti, s tom razlikom ?to umjesto uobi?ajene gravitacijske konstante G pojavi?e se efektivna gravitaciona konstanta G E. Sada se prisjetimo modificiranog Newtonovog zakona o kojem smo gore govorili. Pojavljuje se sopstvena efektivna gravitaciona konstanta, razli?ita od G, ozna?imo ga G I. Procjene napravljene za razliku: | G I - G E| <= 0,1.

Ne postoji zabrana da se u budu?nosti utvrdi zna?ajna vrijednost ove razlike, ali je mogu?e i da ?e ona biti isklju?ena.

Na osnovu op?te teorije relativnosti, razvijena je teorija kosmolo?kih perturbacija koja je u skladu sa zapa?anjima. Omogu?ava, na primjer, obja?njenje struktura, odnosno raspored galaksija i njihovih klastera u vidljivom podru?ju Univerzuma. Ipak, ako se sa sve ve?om precizno??u promatranja otkrije, recimo, anizotropija koju ne predvi?a op?a relativnost, onda je to razlog da se okrenemo Horzhavinoj teoriji. Hor?avina teorija je toliko mlada da je malo vjerovatno da se ona sama i zaklju?ci izvedeni na temelju nje mogu smatrati utvr?enim i univerzalno prihva?enim. Uprkos tome, i teorija u cjelini i zaklju?ci izgledaju vrlo intrigantni i va?ni.

Vi?edimenzionalni modeli

Zdravo, Multidimenzionalnost!
Victor Bokhinyuk

Tokom pro?log veka, razli?ite teorije gravitacije su se konstruisale, na ovaj ili onaj na?in, kao nezavisne teorije, odnosno „odozdo“. Poslednjih decenija situacija se promenila: izgradnju teorija gravitacije stimuli?e razvoj fundamentalnih teorija, razni modeli gravitacija je dio njih i "kristalizira" se unutar granica ovih teorija. Odnosno, njihova kreacija dolazi "odozgo". Kao kandidati za "teorije svega", fundamentalne teorije uklju?uju gravitaciju.

“Teorija svega” mora raditi pod najfantasti?nijim uslovima, uklju?uju?i Plankove energije. Tada sve interakcije djeluju kao jedna. Stoga je konstrukcija takvih teorija u odre?enoj mjeri ekstrapolacija. A prijelaz od teorije koja funkcionira pod najop?tijim uvjetima u uvjete na?eg svijeta bit ?e njena aproksimacija, koja se zove niske energije. U najmanju ruku, opservacijski efekti u "pribli?noj teoriji svega" trebali bi se dogoditi u svijetu koji promatramo. “Gravitacijski dio teorije svega” u niskoenergetskoj granici poprima oblik koji nam je poznat i mora pro?i sve testove koje je pro?la op?ta teorija relativnosti. Imajte na umu da neke verzije "teorije svega" u niskoenergetskoj granici sadr?e op?u relativnost kao gravitacijski dio precizno.

Va?no svojstvo fundamentalnih teorija je da se, po pravilu, i na kosmolo?kim skalama i na skalama mikrosvijeta, koristi prostorno-vremenska dimenzija ve?a od 4 Koncept vi?edimenzionalnog prostora je neophodan, na primjer, za teoriju superstruna, tj Op?eprihva?ena predstavlja najperspektivniju teoriju visoke energije koja kombinuje kvantnu gravitaciju i teoriju tzv. Niskoenergetske implikacije ove teorije zahtijevaju, na primjer, (9+1)-dimenzionalni fundamentalni prostor-vrijeme (ponekad (10+1)-dimenzionalni), dok su druge dimenzije zabranjene.

Ali kako to onda, osje?amo se samo 3 prostorno i istovremeno O e mjerenje? Na mikroskalama, dodatne dimenzije su kompaktirane (kao da su smotane u “tube”), i to je razlog za?to ih ne bismo trebali uo?iti. Takav prostor ima simetrije u dodatnim dimenzijama, na koje se odgovara zakonima odr?anja za razli?ite naboje, ba? kao ?to se na simetrije Minkowskog prostora odgovara zakonima o?uvanja energetskih karakteristika.

Ve? na sada?njem nivou tehnologije, eksperimenti na akceleratorima mogu biti va?ni za potvrdu fundamentalnih teorija. Na primjer, ako se takozvani supersimetri?ni partneri poznatih ?estica otkriju na Velikom hadronskom sudara?u u CERN-u, to ?e zna?iti da ideja supersimetrije funkcionira, pa se stoga naprednija teorija gravitacije zaista mo?e izgraditi u okviru teorija struna.

Ali mo?e li svijet imati pro?irene (nekompaktirane) dimenzije? Prve izjave o ovom pitanju dali su 1983. Valerij Rubakov i Mihail ?apo?njikov, koji nastavljaju aktivno da rade u ovoj oblasti. Pokazali su da u 5-dimenzionalnom prostor-vremenu (sa 4-dimenzionalnim prostorom) sva materija mo?e biti koncentrisana samo u 3-dimenzionalnom dijelu prostora. Nastaje koncept modela sa branama, gdje je svijet u kojem ?ivimo efektivno fokusiran u 3-dimenzionalnom prostoru, te stoga ne osje?amo dodatne pro?irene prostorne dimenzije.

Neko vrijeme modeli tipa Rubakov-Shaposhnikov nisu privla?ili veliku pa?nju. Interes za njih po?eo je podsticati, prije svega, problem hijerarhije interakcija, koji uklju?uje i ekstremnu slabost gravitacijske interakcije. Kada se opisuje interakcija elementarnih ?estica, mo?e se zaboraviti na gravitacionu interakciju kao potpuno bezna?ajnu amandman. Ali ako smo ve? preduzeli da objasnimo strukturu na?eg sveta, onda moramo odgovoriti na pitanje za?to je gravitacija tako slaba.

Ispostavilo se da vi?edimenzionalni modeli sa pro?irenim dodatnim dimenzijama mogu biti vrlo korisni za rje?avanje ovih problema. Postoji mnogo takvih modela. Mo?da je najpoznatiji model koji su 1999. godine predlo?ili ameri?ki kosmolozi Lisa Randall i Raman Sundrum. U stvari, nudili su dva modela jedan za drugim.

U prvom od njih, 5-dimenzionalni svijet je s obje strane ograni?en sa dva 4-dimenzionalna prostorno-vremenska dijela, od kojih je jedan na? Univerzum (tri prostorne dimenzije plus jedan vremenski A Ja sam koordinata). Prostor izme?u dvije brane je jako zakrivljen zbog njihovog "mehani?kog" naprezanja. Ova napetost dovodi do ?injenice da su sve fizi?ke ?estice i polja koncentrisane samo na jednu od brana i ne napu?taju je, sa izuzetkom gravitacione interakcije i zra?enja. Na ovoj brani postoji gravitacija, ali je veoma slaba, a ovo je taj svijet, u kojoj ?ivimo. Na drugoj granici 5-dimenzionalnog svijeta, nama nedostupnoj, gravitacija je, naprotiv, vrlo jaka, a sva materija je mnogo lak?a i interakcije izme?u ?estica materije su slabije.

U drugoj verziji, model Randall-a i Sundruma nema druge granice. Teoreti?arima se ovaj model vi?e svi?a. To im omogu?ava da svoju voljenu teoriju struna u petodimenzionalnom prostor-vremenu pretvore u obi?nu kvantnu teoriju na njenoj ?etverodimenzionalnoj granici. Prostor u ovom modelu je tako?er jako zakrivljen, a njegov radijus zakrivljenosti odre?uje karakteristi?nu veli?inu dodatne pete prostorne dimenzije. Nema kona?no prepoznatog modela sa branama, oni su u aktivnoj fazi razvoja, identifikuju se, rje?avaju se novi, ponovno se rje?avaju, itd.

Na sl. Slika 12.3 (lijevo) shematski predstavlja svijet na brani, gdje se svjetlost (fotoni) ?iri unutar nje, ali ne mo?e napustiti samu branu. Na sl. 12.3 (desno) pokazuje da kada bi na? svijet bio na brani, onda bi mogao "lebdjeti" u velikom prostranstvu dodatnih dimenzija koje nam ostaju nedostupne, budu?i da svjetlost koju vidimo (i nijedno drugo polje osim gravitacijskog) ne mo?e napustiti na?u branu . Mogli bi postojati i drugi brane svjetovi koji lebde oko nas.

Druga ideja koja vodi razmatranju multidimenzionalnih modela je takozvana AdS/CFT korespondencija, koja se javlja kao jedna od specifi?nih implementacija teorije superstruna. Geometrijski to zna?i sljede?e. Razmatra se vi?edimenzionalni (obi?no 5-dimenzionalni) anti-de Sitter (AdS) prostor-vrijeme. Bez detalja, AdS prostor je prostor-vrijeme konstantne negativne zakrivljenosti. Iako je zakrivljen, ima isti broj simetrija kao ravan prostor-vrijeme iste dimenzije, odnosno maksimalno je simetri?an . Zatim, razmatramo prostornu granicu AdS prostora u beskona?nosti, ?ija je dimenzija, shodno tome, jedna manja. Dakle, za 5-dimenzionalni AdS prostor, granica ?e biti 4-dimenzionalna, odnosno negdje sli?no prostoru-vremenu u kojem ?ivimo. Sama korespondencija zna?i odre?enu matemati?ku vezu izme?u ove granice i takozvanih konformnih (skala invarijantnih) teorija polja koje mogu „?ivjeti“ na ovoj granici. U po?etku se ova korespondencija prou?avala samo u ?isto matemati?kom smislu, ali prije 10-ak godina se shvatilo da se ova ideja mo?e koristiti i za prou?avanje teorije jakih interakcija u re?imu jake sprege, gdje konvencionalne metode ne funkcioni?u. Od tada, istra?ivanje koje uklju?uje (ili prou?ava) AdS/CFT podudaranje samo je dobilo zamah.

Iz onoga ?to je re?eno u prethodnom pasusu, va?no je za na?e razmatranje da se prou?ava zakrivljeni prostor-vreme – AdS prostor i njegova granica. Radni modeli ne razmatraju idealne AdS prostore, ve? slo?enija rje?enja koja se pona?aju kao AdS kada se asimptotski pribli?avaju granici. Takav prostor-vrijeme mo?e biti rje?enje jedne ili druge vi?edimenzionalne teorije gravitacije. Odnosno, ideja o AdS/CFT korespondenciji je jo? jedan poticaj za razvoj multidimenzionalnih teorija.

Jedan od glavnih problema kod modela brane (i drugih modela visoke dimenzije) je razumijevanje koliko su oni bliski stvarnosti. Hajde da opi?emo jedan od mogu?ih testova. Prisjetimo se efekta kvantnog isparavanja Hawkingovih crnih rupa. Karakteristi?no vrijeme isparavanja za crne rupe koje nastaju eksplozijama masivnih zvijezda je mnogo redova veli?ine du?e od ?ivotnog vijeka Univerzuma; za supermasivne crne rupe je ?ak i ve?i. Ali situacija se mijenja u slu?aju Randallovog i Sundrumovog 5-dimenzionalnog prostor-vremena. Crne rupe na na?oj brani (aka na? univerzum) trebale bi da ispare mnogo br?e. Ispostavilo se da se sa stanovi?ta 5-dimenzionalnog prostor-vremena crne rupe na?eg svemira kre?u ubrzano. Stoga bi one trebale u?inkovito gubiti energiju (ispariti pored normalnog Hawkingovog efekta) sve dok veli?ine crnih rupa koje se skupljaju ostaju ve?e od veli?ine dodatne dimenzije (ne?to poput trenja s tom dimenzijom). Na primjer, ako je karakteristi?na veli?ina dodatne dimenzije 50 mikrona, ?to je prili?no mjerljivo u laboratoriji, tada crne rupe jedne solarne mase ne bi mogle ?ivjeti vi?e od 50 hiljada godina. Kada bi se takav doga?aj dogodio pred na?im o?ima, vidjeli bismo kako su se naglo ugasili izvori rendgenskih zraka u kojima je svijetlio materijal koji je pao na crnu rupu.

Crne rupe u vi?edimenzionalnoj op?toj relativnosti

Dakle, korak po korak, vi?edimenzionalni prostori postaju sastavni dio razli?itih fizi?kih modela. Istovremeno, generalizacija op?te relativnosti na vi?e od ?etiri dimenzije (bez drugih modifikacija i dodataka) tako?e privla?i sve ve?u pa?nju, jer je takva op?ta relativnost u nekim varijantama i sama deo novih teorija. I ovo je jedan od zna?ajnih podsticaja za tra?enje i u?enje mogu?a rje?enja multidimenzionalnu op?tu relativnost. Posebno su zanimljiva i va?na rje?enja za crne rupe. Za?to?

1) Ova rje?enja mogu biti teorijska osnova za analizu mikroskopskih crnih rupa u teorijama struna, gdje one neminovno nastaju.
2) AdS/SFT korespondencija povezuje svojstva D-dimenzionalnih crnih rupa sa svojstvima kvantne teorije polja na (D–1)-dimenzionalnoj granici, o ?emu smo ukratko raspravljali gore.
3) Budu?i eksperimenti na sudara?ima sugeriraju ra?anje vi?edimenzionalnih crnih rupa. Njihova registracija je nemogu?a bez ideje o njihovoj imovini.
4) I kona?no, prou?avanje rje?enja klasi?ne 4-dimenzionalne op?e relativnosti po?elo je prou?avanjem crnih rupa - Schwarzschildovim rje?enjem. ?ini se prirodnim slijediti logiku istorijskog razvoja.

Intuitivno, ?to je vi?e dimenzija, to ?e biti raznovrsnija svojstva rje?enja teorije. Kako se to pokazuje u rje?enjima crnih rupa? Raznolikost rje?enja u vi?edimenzionalnoj op?oj relativnosti je posljedica dvije nove karakteristike: netrivijalne dinamike rotacija i mogu?nosti formiranja pro?irenih horizonata doga?aja. Hajde da razgovaramo o njima. U obi?noj op?toj relativnosti sa 4-dimenzionalnim prostor-vreme nezavisna rotacija u 3-dimenzionalnom prostoru mo?e biti samo jedan. Definiran je svojom osom (ili, ?to je isto, ravninom rotacije koja je okomita na nju). U 5-dimenzionalnoj op?toj relativnosti, prostor (bez vremena) postaje 4-dimenzionalni, ali ovo svojstvo 3-dimenzionalnog prostora da ima jednu nezavisnu rotaciju je o?uvano. Ali u 6-dimenzionalnoj op?toj relativnosti, gde prostor postaje 5-dimenzionalan, mogu?e dvije nezavisne rotacije, svaki sa svojom osom, itd. Jo? jedno novo svojstvo koje se javlja za rje?enja dimenzija ve?ih od 4 je pojava pro?irenih horizonata. ?ta oni zna?e? To su “crne ?ice” (jednodimenzionalne) i “crne brane” razli?itih dimenzija.

Kombinacija ove dvije nove mogu?nosti u razli?itim varijacijama dovela je do toga da je u okviru vi?edimenzionalne op?te teorije relativnosti konstruisano mnogo rje?enja poput crnih rupa, koja imaju svoju slo?enu hijerarhiju. Na sl. 12.4 prikazuje neka od ovih rje?enja. Ako u 4-dimenzionalnoj op?oj relativnosti horizont doga?aja poznatih crnih rupa po pravilu ima sferni oblik, onda se u multidimenzionalnosti situacija zna?ajno mijenja. Horizonti se degeneri?u u nizove (kao ?to smo ve? spomenuli), mogu biti u obliku torusa, itd. Treba imati na umu da su slike horizonta na Sl. 12.4 treba shvatiti donekle simboli?no, jer su u stvarnosti 3-dimenzionalne povr?ine u 4-dimenzionalnom prostoru.

Ove formacije se vi?e ne zovu „crne rupe“, ve? „crni objekti“. Mogu biti vi?estruko povezani, na primjer, crna rupa okru?ena "crnim torusom" naziva se "crni saturn". Neki od ovih objekata odre?eni su nestabilnim rje?enjima, za drugi dio se ispostavlja da je nemogu?e ispravno izra?unati o?uvane koli?ine, ali mnogi nemaju takve nedostatke. Me?utim, unato? svoj raznolikosti svojstava (prihvatljivih ili upitnih) i razra?enog oblika nekih objekata, njihovi horizonti doga?aja imaju isto osnovno svojstvo kao horizont Schwarzschildove crne rupe: povijest materijalnog tijela nakon njegovog presjeka prestaje biti dostupan spoljnom posmatra?u.

Ova slika izgleda vrlo, vrlo egzoti?no i, ?ini se, nema nikakve veze sa stvarno??u. Ali ko zna – nekada su se re?enja za crne rupe ?inila daleko od stvarnosti, ali sada nema sumnje da ovi objekti svuda naseljavaju Univerzum. Mogu?e je da ?ivimo na brani, a vanjski 5-dimenzionalni svijet uklju?uje ne?to poput „crnog Saturna“, i njegov utjecaj na branu ?e biti otkriven.

Bimetri?ke i masivne teorije gravitona

Podsjetimo, da bismo opisali slabe gravitacijske valove, podijelili smo dinami?ku metriku op?e relativnosti na metriku ravnog prostora-vremena i perturbacije metrike. Pokazalo se da se poreme?aji u obliku talasa mogu ?iriti u prostoru Minkovskog, koji igra ulogu pozadinskog prostora. Pozadina mo?e biti zakrivljena, ali mora ostati fiksna, tj. njena metrika mora biti rje?enje op?e relativnosti. Na ovoj slici, pozadinska prostorno-vremenska metrika i metri?ke perturbacije su nezavisne. Ova reprezentacija je jedna od varijanti bimetrijske teorije gravitacije, gdje je jedna metrika poznata i predstavlja pozadinski prostor-vrijeme, a druga, dinami?ka, igra ulogu gravitacionog polja koje se u njemu ?iri. U ovom slu?aju, takav opis inducira sam GTR.

Me?utim, bimetrijske teorije se konstrui?u bez pozivanja na postojanje op?te teorije relativnosti, ve? kao nezavisne teorije. Njihove karakteristi?ne karakteristike su da se pozadinska i dinami?ka metrika kombinuju u efektivnu metriku, koja zauzvrat odre?uje efektivni prostor-vreme gde se sva fizi?ka polja ?ire i me?usobno deluju. Po pravilu, u granicama slabih polja i malih brzina, predvi?anja op?te teorije relativnosti i bimetrijskih teorija se poklapaju i zadovoljavaju sve ili ve?inu testova kojima ispunjava i op?ta teorija relativnosti. Za?to se pa?nja posve?uje bimetrijskim teorijama? Njihov dizajn, na primjer, omogu?ava jednostavnije i dosljednije odre?ivanje sa?uvanih koli?ina. Oni tako?e imaju prednosti kada je u pitanju kvantizacija.

Obi?no za bimetrijske teorije postoji barem fundamentalna mogu?nost odre?ivanja "podloge" - pozadinskog prostora-vremena. Ali to se mo?da ne?e dogoditi. Na primjer, bez pozivanja na slabost polja (to jest, ta?no, bez aproksimacija), op?ta teorija relativnosti mo?e se preformulisati kao bimetrijska teorija. U ovom slu?aju, su?tinski je nemogu?e smisliti eksperiment ili test za odre?ivanje pozadinskog prostor-vremena, koji stoga igra ulogu pomo?nog. Ali samo efektivno prostor-vreme je stvarno i dostupno za posmatranje – to je, u stvari, prostor-vreme Op?te teorije relativnosti.

Takva bimetrijska reprezentacija Op?e relativnosti naziva se njenom teorijskom formulacijom, u smislu da se gravitacijsko polje razmatra pod jednakim uvjetima sa svim ostalim fizi?kim poljima u pomo?nom (budu?i da se ne mo?e promatrati) pozadinskom prostor-vremenu.

Vratimo se sada u srednju ?kolu i prisjetimo se da ud?benici fizike govore o takozvanom dualnosti talas-?estica. ?ta to zna?i? Ispada da se ?irenje odre?enog polja mo?e posmatrati, zavisno od uslova, ili kao ?estica ili kao talas. Vratimo se opet elektrodinamici. Niskofrekventni signal sa dovoljnom amplitudom bi?e snimljen, radije, kao talas koriste?i oscilacije naelektrisanja u svom polju. S druge strane, vjerojatnije je da ?e visokofrekventni ali slab signal biti otkriven kao ?estica koja izbija elektron u fotodetektoru. ?estica fotona je bez mase (sa nultom masom mirovanja). Okrenimo se jo? jednoj dobro poznatoj ?estici - elektronu, on ima masu. Ali ispostavilo se da se talas mo?e povezati i sa elektronom, uprkos njegovoj "masivnosti".

Nakon ovoga, sjetimo se gravitacijskih valova, koje predvi?a Op?a relativnost. U okviru op?te teorije relativnosti, ovi talasi odgovaraju ?esticama sa nultom masom mirovanja - gravitoni. Da li je mogu?e konstruisati teoriju gravitacije u kojoj ima graviton masa mirovanja razli?ita od nule? Za?to ne, ako se takva teorija u granici slabog polja i granici malih brzina poklapa sa op?tom relativno??u i zadovoljava njene testove. Istorija ovih teorija po?inje masivnom gravitacijom, koju su predlo?ili ?vajcarski teoreti?ari Markus Fierz (1912–2006) i Wolfgang Pauli 1939. godine.

Od tada su se varijante takvih teorija pojavljivale manje-vi?e redovno. Nedavno se interes za njih pove?ao zbog ?injenice da se varijante masivne teorije gravitacije pojavljuju u fundamentalne teorije kao ?to je teorija superstruna. U nekim modelima sa branama, masivni graviton je po?eljniji. Masivne teorije gravitacije su u odre?enom smislu neka vrsta bimetrijskih teorija: one zajedni?ka karakteristika je da se dinami?ko tenzorsko polje ?iri u fiksnom prostor-vremenu, koje, po pravilu, fundamentalno vidljivo. Obi?no, na granici, kada masa gravitona te?i nuli, takve teorije idu u op?tu relativnost. Ako se u granici slabih polja i malih brzina poklapaju sa op?om relativno??u, onda u jakim poljima i na kosmolo?kim skalama odstupaju od op?te teorije relativnosti, sugeriraju?i druge efekte. Na primjer, mo?e se ispostaviti da ?e se umjesto rje?enja za crne rupe pojaviti rje?enja za singularnosti bez horizonta („gole singularnosti“), a umjesto svemira koji se ?iri, osciliraju?i svemiri.

Jo? uvijek nije mogu?e direktno provjeriti pouzdanost ovih predvi?anja; ovo ostaje predmet daljih istra?ivanja. Do sada su teorije masivne gravitacije imale zajedni?ku manu, njihova rje?enja proizvode odre?ena stanja s negativnom energijom. Ova stanja se nazivaju „duhovima“ i ne mogu se objasniti u okviru razumnih koncepata i stoga su nepo?eljna. Me?utim, tek nedavno su se pojavile varijante masivne gravitacije bez "duhova".

Newtonov zakon

Zakon univerzalne gravitacije nakon
rasprava u tre?em ?itanju bila je
poslato na reviziju...
Folklor

Testiranje Newtonovog zakona. Razumijevanje Newtonovog zakona i dalje igra vrlo va?nu ulogu u razumijevanju koncepta gravitacije op?enito. Kako mo?emo u laboratorijskim uslovima testirati da li ?ivimo na brani (ili nekom drugom multidimenzionalnom svijetu), iako ne mo?emo „iza?i“ u dodatnu dimenziju? Prisjetimo se da se gravitacija, za razliku od drugih interakcija, prote?e u svih pet dimenzija. Da bismo iskoristili ovu ?injenicu, zagonetnimo geometrijsko zna?enje Newtonovog zakona. Kao ?to se sje?amo, on tvrdi da sila gravitacijske interakcije pada u obrnutoj proporciji s kvadratom udaljenosti ~ 1/ r 2. Sada se prisjetimo slike iz ?kolskog ud?benika fizike, gdje je djelovanje sile opisano linijama sile. Na ovoj slici, sila na datoj udaljenosti r odre?ena gustinom linija polja koje "probijaju" sferu polupre?nika r:?to je ve?a povr?ina sfere, to je manja gustina linija i, shodno tome, sila. A povr?ina sfere je proporcionalna r 2, iz koje direktno slijedi ovisnost o udaljenosti u Newtonovom zakonu. Ali ovo je u 3-dimenzionalnom prostoru, gdje je povr?ina sfere proporcionalna r 2! U 4-dimenzionalnom prostoru, povr?ina okolne sfere ?e biti proporcionalna r 3, i, shodno tome, Newtonov zakon ?e se promijeniti - sila gravitacijske interakcije ?e pasti u obrnutoj proporciji s kubom udaljenosti ~ 1/ r 3 itd.

Da se zakon inverzne kocke dogodio na skali Sun?evog sistema, onda je jasno da bi ga formulisao Njutn. To zna?i da ga moramo tra?iti u malom obimu. U isto vrijeme, testiranje Newtonovog zakona je tako?er va?no za neke obe?avaju?e multidimenzionalne teorije, gdje su dodatne dimenzije kompaktirane (kolapirane) i njihove veli?ine su, naravno, manje od planetarnih. Me?utim, mogu dose?i desetine mikrometara. Kada su Randall i Sundrum prvi put predlo?ili svoju teoriju, Njutnov zakon je testiran samo na skali od metara. Od tada su nau?nici radili neke vrlo slo?ene (zbog slabosti gravitacije) eksperimente sa si?u?nim torzijskim vagama, a sada su laboratorijske granice zna?ajno smanjene i pribli?avaju se veli?ini kompaktifikacije.

Savremenim mjerenjima utvr?eno je da veli?ina dodatne dimenzije nije ve?a od 50 mikrona. Na manjim skalama, zakon inverznog kvadrata se mo?e pokvariti. Na sl. Slika 12.5 prikazuje dijagram torzijske vage za testiranje Newtonovog zakona inverznih kvadrata. Sam ure?aj je smje?ten u vakum tikvici, pa?ljivo izolovan od buke i opremljen modernim elektronskim sistemom za detekciju pomaka.

Jasno je da je ovakav eksperiment optere?en ogromnim tehnolo?kim pote?ko?ama, a dalji napredak povezan je sa odvo?enjem eksperimenta u svemir. ?injenica je da male korekcije Newtonovog zakona tako?er dovode do prora?unatog pomaka planetarnog perihelija (zajedno sa Einsteinovim). Laserski raspon Mjeseca potvrdio je Ajn?tajnov pomak sa ta?no??u od 10-11 radijana po veku. Ali u slede?em redosledu mo?e se manifestovati efekat nekih vi?edimenzionalnih modela.

Prve poku?aje na takvoj lokaciji izveli su po?etkom 60-ih i ameri?ki i sovjetski istra?iva?i. Ali laserski snop bio je sna?no raspr?en po povr?ini, a preciznost mjerenja je bila niska - do nekoliko stotina metara. Situacija se uvelike promijenila nakon ?to su ameri?ke misije Apollo i sovjetska Luna isporu?ile na Mjesec kutne reflektore, koji su i danas u upotrebi (na?alost, sovjetski lunarni program je otkazan 1983. godine).

Kako se to de?ava? Laser ?alje signal kroz teleskop usmjeren na reflektor, a bilje?i se ta?no vrijeme u kojem je signal emitiran. Povr?ina snopa od signala na mjese?evoj povr?ini je 25 km 2 (povr?ina kutnih reflektora je oko 1 m 2). Svjetlost reflektirana od instrumenta na Mjesecu vra?a se u teleskop za otprilike jednu sekundu, a zatim traje oko 30 pikosekundi. Vrijeme putovanja fotona omogu?ava odre?ivanje udaljenosti, a to se sada radi s to?no??u od oko dva centimetra, ponekad ta?nost dose?e i nekoliko milimetara. A to je na udaljenosti izme?u Zemlje i Mjeseca od 384.500 km!

Modificirana Newtonova dinamika (MOND). Ali Newtonov zakon se mo?e prekr?iti na skalama znatno ve?im od planetarnih sistema. Nenormalni pokreti i rotacije u zvezdani sistemi"isprovocirao" potragu za "tamnom materijom", u koju su uronjene galaksije, jata galaksija itd.

?ta ako je sam Newtonov zakon prekr?en na ovim skalama? Originalnu teoriju MOND-a razvio je izraelski fizi?ar Mordechai Milgrom 1983. kao alternativu “tamnoj materiji”. Odstupanja od Newtonovog zakona inverznih kvadrata prema ovoj teoriji treba promatrati pri odre?enom ubrzanju, a ne na odre?enoj udaljenosti (sjetite se Horzavine teorije, gdje se Newtonov zakon mijenja pod utjecajem brzina).

MOND uspje?no obja?njava uo?ena kretanja u galaksijama. Ova teorija tako?er pokazuje za?to su odstupanja od o?ekivanog obrasca rotacije najve?a u patuljastim galaksijama.

Nedostaci originalne teorije:

1) ne uklju?uje relativisti?ke efekte kao ?to su STR ili GTR;
2) prekr?eni su zakoni odr?anja energije, koli?ine gibanja i ugaonog momenta;
3) interno kontradiktoran, jer predvi?a razli?ite galakti?ke orbite za gas i zvezde;
4) ne omogu?ava izra?unavanje gravitacionog so?iva klastera galaksija.

Sve je to dovelo do njenog daljeg zna?ajnog pobolj?anja – uklju?ivanjem skalarnih polja, svo?enjem na relativisti?ki oblik, itd. Svaka promjena, otklanjanjem jedne zamjerke, izazvala je jo? jednu zavr?enu teoriju, ali istra?iva?i ne gube optimizam.

Anomalija "Pioniri". Automatske me?uplanetarne stanice Pioneer 10 i Pioneer 11 lansirane su 1972. i 1973. godine radi prou?avanja Jupitera i Saturna. Svoju misiju pribli?avanja ovim planetama i preno?enja podataka o njima, kako ka?u, iz prve ruke su u potpunosti izvr?ili. Posljednji signal iz Pioneer-a 10 primljen je po?etkom 2003. godine nakon vi?e od trideset godina kontinuirani rad. U tom trenutku svemirski brod bio ve? 12 milijardi kilometara od Sunca. Na sl. 12.6 prikazuje fotografiju Pioneer-10 aparata.

Ono ?to je iznenadilo je ?injenica da ?im su Pioniri pro?li orbitu Urana (oko 1980. godine), ljudi na Zemlji po?eli su primje?ivati da se frekvencija radio signala koji su slali ure?aji pomjerala u kratkotalasni dio spektra, ?to ne bi trebalo da bude slu?aj ako njihovo kretanje odgovara Njutnovoj dinamici (uticaj relativisti?kih efekata op?te teorije relativnosti na takvoj udaljenosti od Sunca i planeta je mnogo slabiji).

Sa svakodnevne ta?ke gledi?ta, efekat se, naravno, ?ini trivijalnim - to je 10 milijardi puta manje od ubrzanja koje do?ivljavamo od Zemljinog gravitacionog polja. Ali to zna?ajno prema?uje relativisti?ke efekte op?te teorije relativnosti! Najbanalnija obja?njenja za taj misteriozni fenomen mogla bi biti, na primjer, curenje zaostalog plinovitog goriva iz motora s malim potiskom, ko?enje na kosmi?ka pra?ina, itd. Ali ovi efekti su privremeni, a anomalija je stabilna vi?e od 20 godina.

Neki nau?nici su se pitali da li Pioneer anomaliju mogu generisati do sada nepoznati faktori koji deluju samo izvan Sun?evog sistema (promena Njutnovog zakona). Razmatrani su ?ak i modeli koji uklju?uju antimateriju, tamnu materiju i tamnu energiju.

Norve?ki fizi?ar Kjell Tangen sveobuhvatno je analizirao situaciju i do?ao do zaklju?ka da nijedna od poznatih modifikacija zakona gravitacije ne mo?e opisati anomaliju. Zaista, ove promjene ne bi trebale dovesti do promjene u opisu kretanja vanjskih planeta Sun?evog sistema. Dakle, promjenom Newtonovog zakona, Tangen je neminovno dobio pogre?ne rezultate za opisivanje kretanja Urana i Plutona.

Misterija "Pionira" je nedavno razrije?ena kao rezultat 20-godi?njeg rada grupe Vja?eslava Turi?eva, diplomca SAI MSU, koji sada radi u NASA-inoj laboratoriji za mlazni pogon (JPL) u Pasadeni. IN druga?ije vrijeme grupa je brojala od 20 do 80 zaposlenih. Relativno nedavno, bilo je mogu?e dovoljno de?ifrovati ?udesno sa?uvane dodatne podatke od Pioneersa, koji su ranije bili nedostupni zbog arhai?nih formata datoteka i informacionih medija (trake). U po?etku je analizirano vi?e od 20 faktora koji mogu dovesti do efekta. Grupa je imala na raspolaganju kopiju ure?aja blizanaca pohranjenih u muzeju - tre?eg Pioneera, ostavljenog na Zemlji nakon testiranja prije leta, ?to je omogu?ilo odabir najkvalitetnijih dijelova za svemir. Ovaj ure?aj je detaljno prou?en.

Jedan po jedan, iz raznih razloga, odbijani su kandidati za efekat. Kona?no je ostao samo jedan mogu?i razlog, koji je prou?avan sa stra??u. Ure?aj je paraboli?na antena za komunikaciju pre?nika oko 3 metra, opremljena opremom smje?tenom u ne?to manjoj kutiji. Oprema traje tako dugo zahvaljuju?i energiji atomski element, tako?er uklju?en u ovu kutiju. Kao rezultat toga, kutija postaje vru?a. Antena je uvek orijentisana prema Zemlji, tako da je kutija iza nje.

Turyshevova grupa je sastavila kompjutersku kartu distribucije toplote kroz ?itav aparat. Ispostavilo se da je stra?nji dio ure?aja (suprotno od Zemlje) ne?to topliji od prednjeg. Odnosno, energetski fotoni napu?taju aparat u smjeru suprotnom od Zemlje od onih koji lete prema Zemlji. Zapravo, radi “fotonski motor” koji u ovom slu?aju usporava “let” ure?aja iz Sun?evog sistema. Podaci prora?una su u vrlo dobroj saglasnosti sa podacima o uo?enim efektima. Snaga ovog "motora" uporediva je sa snagom "povratka" farova automobila, koji ga tako?e usporavaju poput fotonskog motora. Ovo figurativno pore?enje napravio je sam Turyshev.

Postavljaju se pitanja. Za?to je efekat otkriven tek nakon 8 godina? ?injenica je da postoji i takav fenomen kao ?to je solarni vjetar. Sve dok ure?aji nisu stigli u orbitu Urana, njegov uticaj je bio preovla?uju?i, a "anomalija" je jednostavno potonula u njega. Sa ve?om daljinom, efekat „anomalije“ je postajao ja?i od dejstva vetra i otkriven je. Za?to se veruje da je anomalna sila usmerena prema Suncu, po?to je antena orijentisana prema Zemlji? ?injenica je da ve? na udaljenosti od orbite Urana, orbita Zemlja se vidi kao krug u malom uglu rje?enja. U ovom slu?aju nemogu?e je razaznati kuda je antena usmjerena (na Zemlju, na drugu ta?ku Zemljine orbite, na Sunce) - to je otprilike ista stvar.

Rezimiraj. Anomalija "Pioniri" se obja?njava obi?nim jednostavnim fenomenima i nije potrebna revizija Newtonovog zakona i teorija gravitacije op?enito da bi se objasnila.

?ta ?e dodatno pobolj?ati ta?nost zapa?anja

Vrlo ?esto se opisuje ta?nost
pati od nepreciznosti.
Dmitrij Liha?ev

Vrlo je va?no provjeriti postojanost fundamentalne konstante. Da bi to u?inili, upore?uju razli?ita opa?anja najudaljenijih objekata u Univerzumu sa zapa?anjima u Sun?evom sistemu, te ih uspore?uju s rezultatima laboratorijskih eksperimenata na Zemlji, pa ?ak i s podacima dobivenim u geologiji i paleontologiji. Analiza koristi razli?ite vremenske okvire s Smjere, s jedne strane, odre?ene kosmolo?kom i astrofizi?kom evolucijom, s druge, zasnovane na modernim atomskim standardima. Osim toga, za razli?ite epohe upore?uju se pojave koje zna?ajno zavise od ovih konstanti.

Za gravitaciju je prvenstveno va?na gravitaciona konstanta. Njegovo to?no zna?enje je neophodno da bi se odredili parametri odre?ene alternativne teorije ili ?ak da bi se utvrdila njena odr?ivost - sjetite se Horzavine teorije. Konstantnost parametara planetarnih orbita zavisi od stabilnosti gravitacione konstante. Studije u Sun?evom sistemu su potvrdile nepromjenjivost gravitacijske konstante sa relativnom ta?no??u od 10 –13 do 10 –14 godi?nje. A ta?nost mjerenja se stalno pobolj?ava.

Koliko je potraga za gravitacionim talasima iz astronomskih izvora va?na u smislu izgradnje nove teorije? U tom smislu, malo je vjerovatno da ?e sama registracija gravitacijskih valova odmah pru?iti mnogo informacija. Ali ?injenica registracije ?e kona?no potvrditi ispravnost savremena istra?ivanja i bi?e mogu?e potpuno odbaciti marginalne teorije. Tek kasnije, kada bude mogu?e analizirati detalje zra?enja (kao ?to je polarizacija), mo?i ?e se koristiti za odabir ili modificiranje gravitacijskih teorija. Odre?ivanje brzine gravitacionog zra?enja ?e tako?e obezbediti ograni?enja za alternativne teorije, kao ?to je masivni graviton; itd.

Da li je potrebna neka vrsta eksperimentalnog proboja da bi se stvorila nova teorija ili da se izabere jedna od ve? izgra?enih? Da, naravno, potrebni su novi i precizniji empirijski podaci. Ali ovo ne treba nazvati iskorak, ve? rezultat dosljednih napora. Stanje stvari je sljede?e: u posljednjih 100 godina, ta?nost mjerenja se pove?ala za 3-4 reda veli?ine. Moderne tehnologije Obe?avaju da ?e zna?ajno ubrzati proces. Prema razli?itim procjenama, o?ekuje se da ?e se u narednih 25-30 godina ta?nost pove?ati za jo? 3-5 redova veli?ine. A to, prema mnogim prognozama, daje sve razloge (a mi smo to poku?ali da poka?emo), ako ne u narednim godinama, onda u narednih 10-20 godina, da o?ekujemo neverovatno zanimljiva i va?na otkri?a. Osim toga, ve?ina istra?iva?a vjeruje da ?e takvo pove?anje ta?nosti biti dovoljno za utvr?ivanje nove teorije.