Relativitetsteorin introducerades av Albert Einstein i b?rjan av 1900-talet. Vad ?r dess v?sen? L?t oss ?verv?ga huvudpunkterna och karakterisera TOE p? ett begripligt spr?k.

Relativitetsteorin eliminerade praktiskt taget inkonsekvenserna och mots?gelserna i fysiken p? 1900-talet, tvingades att radikalt ?ndra id?n om strukturen av rum-tid och bekr?ftades experimentellt i m?nga experiment och studier.

S?ledes utgjorde TOE grunden f?r alla moderna grundl?ggande fysikaliska teorier. I sj?lva verket ?r detta modern fysiks moder!

Till att b?rja med ?r det v?rt att notera att det finns tv? relativitetsteorier:

• Special Relativity (SRT) - tar h?nsyn till fysiska processer i likformigt r?rliga f?rem?l.
• General Relativity (GR) - beskriver accelererande objekt och f?rklarar ursprunget till s?dana fenomen som gravitation och existens.

Det ?r tydligt att SRT d?k upp tidigare och faktiskt ?r en del av GRT. L?t oss prata om henne f?rst.

STO i enkla ord

Teorin bygger p? relativitetsprincipen, enligt vilken alla naturlagar ?r desamma med avseende p? station?ra och kroppar som r?r sig med konstant hastighet. Och av en s?dan till synes enkel tanke f?ljer att ljusets hastighet (300 000 m/s i vakuum) ?r densamma f?r alla kroppar.

F?rest?ll dig till exempel att du f?r ett rymdskepp fr?n en l?ng framtid som kan flyga i h?ga hastigheter. En laserkanon ?r monterad p? skeppets f?ren, kapabel att skjuta fotoner fram?t.

I f?rh?llande till skeppet flyger s?dana partiklar med ljusets hastighet, men i f?rh?llande till en station?r observat?r verkar det som att de borde flyga snabbare, eftersom b?da hastigheterna summeras.

Men detta h?nder faktiskt inte! En utomst?ende observat?r ser fotoner flyga i 300 000 m/s, som om rymdfarkostens hastighet inte hade lagts till dem.

Man m?ste komma ih?g: i f?rh?llande till vilken kropp som helst kommer ljusets hastighet att vara ett konstant v?rde, oavsett hur snabbt den r?r sig.

Av detta f?ljer fantastiska slutsatser, s?som tidsutvidgning, l?ngsg?ende sammandragning och kroppsviktens beroende av hastighet. L?s mer om de mest intressanta konsekvenserna av den speciella relativitetsteorin i artikeln p? l?nken nedan.

K?rnan i den allm?nna relativitetsteorin (GR)

F?r att b?ttre f?rst? det m?ste vi kombinera tv? fakta igen:

• Vi lever i 4D-rymden

Rum och tid ?r manifestationer av samma varelse som kallas "rum-tidskontinuum". Detta ?r den 4-dimensionella rum-tiden med x, y, z och t koordinataxlar.

Vi m?nniskor klarar inte av att uppfatta 4 dimensioner p? samma s?tt. I sj?lva verket ser vi bara projektioner av ett verkligt fyrdimensionellt objekt p? rum och tid.

Intressant nog s?ger inte relativitetsteorin att kroppar f?r?ndras n?r de r?r sig. 4-dimensionella objekt f?rblir alltid of?r?ndrade, men med relativ r?relse kan deras projektioner f?r?ndras. Och vi uppfattar detta som en avmattning i tiden, en minskning av storleken osv.

• Alla kroppar faller med konstant hastighet ist?llet f?r att accelerera

L?t oss g?ra ett l?skigt tankeexperiment. F?rest?ll dig att du ?ker i en st?ngd hisshytt och befinner dig i ett tillst?nd av viktl?shet.

En s?dan situation kan bara uppst? av tv? sk?l: antingen ?r du i rymden eller s? faller du fritt tillsammans med kabinen under inverkan av jordens gravitation.

Utan att titta ut ur b?set ?r det absolut om?jligt att skilja mellan dessa tv? fall. Det ?r bara det att man i det ena fallet flyger j?mnt, och i det andra med acceleration. Du m?ste gissa!

Kanske Albert Einstein sj?lv t?nkte p? en imagin?r hiss, och han hade en fantastisk id?: om dessa tv? fall inte kan s?rskiljas, s? ?r fall p? grund av gravitationen ocks? enhetlig r?relse. Det ?r bara det att r?relsen ?r enhetlig i fyrdimensionell rum-tid, men i n?rvaro av massiva kroppar (till exempel ) b?js den och enhetlig r?relse projiceras in i v?rt vanliga tredimensionella rum i form av accelererad r?relse.

L?t oss titta p? ett annat enklare, om ?n inte helt korrekt, exempel p? en tv?dimensionell rymdkr?kning.

Man kan f?rest?lla sig att vilken massiv kropp som helst under sig skapar en slags figurativ tratt. D? kommer andra kroppar som flyger f?rbi inte att kunna forts?tta sin r?relse i en rak linje och kommer att ?ndra sin bana enligt kurvorna i det kr?kta rummet.

F?rresten, om kroppen inte har s? mycket energi, kan dess r?relse visa sig vara st?ngd i allm?nhet.

Det ?r v?rt att notera att ur r?rliga kroppars synvinkel forts?tter de att r?ra sig i en rak linje, eftersom de inte k?nner n?got som f?r dem att v?nda sig. De har precis kommit in i ett kr?kt utrymme och utan att inse det har en icke-r?tlinjig bana.

Det b?r noteras att 4 dimensioner ?r b?jda, inklusive tid, s? denna analogi b?r behandlas med f?rsiktighet.

I den allm?nna relativitetsteorin ?r gravitationen allts? inte en kraft alls, utan endast en konsekvens av rum-tidens kr?kning. F?r n?rvarande ?r denna teori en fungerande version av gravitationens ursprung och st?mmer utm?rkt ?verens med experiment.

?verraskande konsekvenser av allm?n relativitet

Ljusstr?lar kan b?jas n?r de flyger n?ra massiva kroppar. Visserligen har avl?gsna f?rem?l hittats i rymden som "g?mmer sig" bakom andra, men ljusstr?larna g?r runt dem, tack vare vilka ljuset n?r oss.

Enligt allm?n relativitetsteori, ju starkare gravitation, desto l?ngsammare g?r tiden. Detta faktum tas med n?dv?ndighet i beaktande vid driften av GPS och GLONASS, eftersom deras satelliter har de mest exakta atomklockorna som tickar lite snabbare ?n p? jorden. Om detta faktum inte beaktas, kommer koordinatfelet p? en dag att vara 10 km.

Det ?r tack vare Albert Einstein som du kan f?rst? var ett bibliotek eller en butik ligger i n?rheten.

Och slutligen f?rutsp?r GR f?rekomsten av svarta h?l, runt vilka gravitationen ?r s? stark att tiden helt enkelt stannar i n?rheten. D?rf?r kan ljus som kommer in i ett svart h?l inte l?mna det (reflekteras).

I mitten av ett svart h?l, p? grund av den kolossala gravitationssammandragningen, bildas ett f?rem?l med en o?ndligt h?g densitet, och detta verkar det inte vara.

S?ledes kan GR leda till mycket mots?gelsefulla slutsatser, i motsats till , s? majoriteten av fysiker accepterade det inte helt och fortsatte att leta efter ett alternativ.

Men hon lyckas f?ruts?ga mycket framg?ngsrikt, till exempel bekr?ftade en nyligen sensationell uppt?ckt relativitetsteorin och fick oss att minnas den store vetenskapsmannen med tungan h?ngande igen. ?lskar vetenskap, l?s WikiScience.

Allm?n relativitetsteori till?mpas redan p? alla referensramar (och inte bara p? de som r?r sig med konstant hastighet i f?rh?llande till varandra) och ser matematiskt mycket mer komplicerad ut ?n speciell (vilket f?rklarar gapet p? elva ?r mellan deras publicering). Den inkluderar som ett specialfall den speciella relativitetsteorin (och d?rmed Newtons lagar). Samtidigt g?r den allm?nna relativitetsteorin mycket l?ngre ?n alla dess f?reg?ngare. I synnerhet ger det en ny tolkning av gravitationen.

Den allm?nna relativitetsteorin g?r v?rlden fyrdimensionell: tid l?ggs till tre rumsliga dimensioner. Alla fyra dimensionerna ?r oskiljaktiga, s? vi talar inte l?ngre om det rumsliga avst?ndet mellan tv? objekt, som ?r fallet i den tredimensionella v?rlden, utan om rum-tidsintervallen mellan h?ndelser som f?renar deras avst?nd fr?n varandra - b?da i tid och i rymden. Det vill s?ga, rum och tid betraktas som ett fyrdimensionellt rum-tid-kontinuum eller, helt enkelt, rum-tid. P? detta kontinuum kan observat?rer som r?r sig i f?rh?llande till varandra till och med vara oense om huruvida tv? h?ndelser intr?ffade samtidigt - eller om den ena f?regick den andra. Lyckligtvis f?r v?rt stackars sinne, kommer det inte till en kr?nkning av orsakssamband - det vill s?ga existensen av koordinatsystem d?r tv? h?ndelser inte intr?ffar samtidigt och i en annan sekvens, inte ens den allm?nna relativitetsteorin till?ter.

Klassisk fysik betraktade gravitationen som en vanlig kraft bland m?nga naturkrafter (elektriska, magnetiska, etc.). Tyngdkraften f?reskrevs "l?ngdistansverkan" (penetration "genom tomrummet") och en fantastisk f?rm?ga att ge lika acceleration till kroppar med olika massor.

Newtons universella gravitationslag s?ger oss att det mellan tv? kroppar i universum finns en kraft av ?msesidig attraktion. Ur denna synvinkel kretsar jorden runt solen, eftersom det finns krafter av ?msesidig attraktion mellan dem.

Allm?n relativitetsteori tvingar oss dock att se p? detta fenomen annorlunda. Enligt denna teori ?r gravitationen en konsekvens av deformationen ("kr?kningen") av det elastiska tyget i rum-tiden under p?verkan av massa (i detta fall, ju tyngre kroppen, till exempel solen, desto mer rum-tid "b?jer sig" under den och f?ljaktligen desto starkare dess gravitationsf?lt). F?rest?ll dig en h?rt str?ckt duk (en sorts studsmatta), p? vilken en massiv boll placeras. Duken deformeras under tyngden av bollen, och en trattformad f?rdjupning bildas runt den. Enligt den allm?nna relativitetsteorin kretsar jorden runt solen som en liten boll som rullas runt konen p? en tratt som bildas som ett resultat av att en tung boll - solen, "st?t" rum-tiden. Och vad som f?r oss f?refaller tyngdkraften ?r i sj?lva verket en rent yttre manifestation av rumtidens kr?kning, och inte alls en kraft i Newtonsk mening. Hittills har man inte hittat en b?ttre f?rklaring av gravitationens natur ?n vad den allm?nna relativitetsteorin ger oss.

F?rst diskuteras likheten mellan accelerationer av fritt fall f?r kroppar med olika massor (det faktum att en massiv nyckel och en l?tt t?ndsticka lika snabbt faller fr?n bordet till golvet). Som Einstein noterade g?r denna unika egenskap gravitation mycket lik tr?ghet.

Faktum ?r att nyckeln och t?ndstickan beter sig som om de r?rde sig i viktl?shet av tr?ghet, och golvet i rummet r?rde sig mot dem med acceleration. Efter att ha n?tt nyckeln och matchen, skulle golvet uppleva deras inverkan, och sedan tryck, eftersom. nyckelns tr?ghet och t?ndstickan skulle ha p?verkat golvets ytterligare acceleration.

Detta tryck (astronauter s?ger - "?verbelastning") kallas tr?ghetskraften. En liknande kraft appliceras alltid p? kroppar i accelererade referensramar.

Om raketen flyger med en acceleration som ?r lika med den fria fallaccelerationen p? jordens yta (9,81 m/s), kommer tr?ghetskraften att spela rollen som nyckelns vikt och t?ndstickan. Deras "konstgjorda" gravitation kommer att vara exakt densamma som den naturliga p? jordens yta. Detta betyder att accelerationen av referensramen ?r ett fenomen som ganska liknar gravitationen.

Tv?rtom, i en fritt fallande hiss elimineras naturlig gravitation genom att kabinreferenssystemets accelererade r?relse "jagar" nyckeln och t?ndstickan. Naturligtvis ser den klassiska fysiken inte i dessa exempel gravitationens verkliga uppkomst och f?rsvinnande. Tyngdkraften simuleras eller kompenseras endast genom acceleration. Men i den allm?nna relativitetsteorien anses likheten mellan tr?ghet och gravitation vara mycket djupare.

Einstein lade fram den lokala principen om ekvivalensen av tr?ghet och gravitation, och p?stod att p? tillr?ckligt sm? skalor av avst?nd och varaktigheter, kan ett fenomen inte s?rskiljas fr?n ett annat genom n?got experiment. S?ledes har den allm?nna relativitetsteorien f?r?ndrat den vetenskapliga f?rst?elsen av v?rlden ?nnu djupare. Den f?rsta lagen f?r newtonsk dynamik har f?rlorat sin universalitet - det visade sig att r?relsen genom tr?ghet kan vara kurvlinj?r och accelererad. Behovet av begreppet tung massa har f?rsvunnit. Universums geometri har f?r?ndrats: ist?llet f?r direkt euklidisk rymd och enhetlig tid har en kr?kt rumtid, en kr?kt v?rld, dykt upp. Vetenskapens historia har aldrig k?nt till en s? skarp omstrukturering av ?sikter om universums fysiska grundl?ggande principer.

Att testa generell relativitet ?r sv?rt eftersom dess resultat under normala laboratorief?rh?llanden ?r n?stan identiska med de som f?rutsp?s av Newtons universella gravitationslag. ?nd? utf?rdes flera viktiga experiment, och deras resultat till?ter oss att betrakta teorin bekr?ftad. Dessutom hj?lper allm?n relativitetsteori att f?rklara de fenomen vi observerar i rymden, ett exempel ?r en ljusstr?le som passerar n?ra solen. B?de den newtonska mekaniken och den allm?nna relativitetsteorien inser att den m?ste avvika mot solen (fallet). Allm?n relativitetsteori f?ruts?ger dock tv? g?nger str?lf?rskjutningen. Observationer under solf?rm?rkelser bevisade riktigheten av Einsteins f?ruts?gelse. Ett annat exempel. Planeten Merkurius n?rmast solen har mindre avvikelser fr?n en station?r bana, of?rklarliga ur den klassiska newtonska mekanikens synvinkel. Men just en s?dan omloppsbana ges av ber?kningen av GR-formlerna. Avmattningen av tiden i ett starkt gravitationsf?lt f?rklarar minskningen av frekvensen av ljussv?ngningar i str?lningen fr?n vita dv?rgar - stj?rnor med mycket h?g densitet. Och p? senare ?r har denna effekt registrerats i laboratorief?rh?llanden. Slutligen ?r den allm?nna relativitetsteoriens roll i modern kosmologi, vetenskapen om hela universums struktur och historia, mycket viktig. M?nga bevis f?r Einsteins gravitationsteori har ocks? hittats inom detta kunskapsomr?de. Faktum ?r att resultaten som f?ruts?gs av allm?n relativitet skiljer sig m?rkbart fr?n resultaten som f?rutsp?s av Newtons lagar endast i n?rvaro av superstarka gravitationsf?lt. Detta inneb?r att ett fullst?ndigt test av den allm?nna relativitetsteorin kr?ver antingen ultraexakta m?tningar av mycket massiva f?rem?l, eller svarta h?l, som ingen av v?ra vanliga intuitiva id?er ?r till?mpliga p?. S? utvecklingen av nya experimentella metoder f?r att testa relativitetsteorin f?rblir en av de viktigaste uppgifterna f?r experimentell fysik.

Allm?n relativitetsteori(GR) ?r en geometrisk gravitationsteori publicerad av Albert Einstein 1915-1916. Inom ramen f?r denna teori, som ?r en vidareutveckling av den speciella relativitetsteorin, postuleras det att gravitationseffekter inte orsakas av kraftsamverkan mellan kroppar och f?lt bel?gna i rum-tid, utan av deformation av rum-tid. sig sj?lv, vilket i synnerhet ?r f?rknippat med n?rvaron av massenergi. S?lunda, i generell relativitetsteori, som i andra metriska teorier, ?r gravitationen inte en kraftinteraktion. Allm?n relativitet skiljer sig fr?n andra metriska gravitationsteorier genom att anv?nda Einsteins ekvationer f?r att relatera rumtidens kr?kning till den materia som finns i rymden.

Allm?n relativitetsteorin ?r f?r n?rvarande den mest framg?ngsrika gravitationsteorin, v?l underbyggd av observationer. Den f?rsta framg?ngen f?r allm?n relativitetsteori var att f?rklara den anomala precessionen av Merkurius perihelion. Sedan, 1919, rapporterade Arthur Eddington att han observerade ljusets avb?jning n?ra solen under en total f?rm?rkelse, vilket bekr?ftade f?ruts?gelserna om allm?n relativitet.

Sedan dess har m?nga andra observationer och experiment bekr?ftat ett betydande antal av teorins f?ruts?gelser, inklusive gravitationstidsutvidgning, gravitationsr?df?rskjutning, signalf?rdr?jning i ett gravitationsf?lt och, hittills bara indirekt, gravitationsstr?lning. Dessutom tolkas m?nga observationer som en bekr?ftelse p? en av de mest mystiska och exotiska f?ruts?gelserna av allm?n relativitet - f?rekomsten av svarta h?l.

Trots den ?verv?ldigande framg?ngen med allm?n relativitetsteori, finns det obehag i det vetenskapliga samfundet att det inte kan omformuleras som den klassiska gr?nsen f?r kvantteorin p? grund av uppkomsten av outtagliga matematiska divergenser n?r man ?verv?ger svarta h?l och rum-tidssingulariteter i allm?nhet. Ett antal alternativa teorier har f?reslagits f?r att ta itu med detta problem. Aktuella experimentella bevis tyder p? att varje typ av avvikelse fr?n den allm?nna relativitetsteorien b?r vara mycket liten, om den ?verhuvudtaget existerar.

Grundl?ggande principer f?r allm?n relativitet

Newtons gravitationsteori ?r baserad p? gravitationsbegreppet, som ?r en kraft med l?ng r?ckvidd: den verkar omedelbart p? vilket avst?nd som helst. Denna momentana karakt?r av handlingen ?r of?renlig med den moderna fysikens f?ltparadigm och i synnerhet med den speciella relativitetsteorin som skapades 1905 av Einstein, inspirerad av Poincar?s och Lorentz arbete. Enligt Einsteins teori kan ingen information f?rdas snabbare ?n ljusets hastighet i ett vakuum.

Matematiskt h?rleds Newtons gravitationskraft fr?n den potentiella energin hos en kropp i ett gravitationsf?lt. Gravitationspotentialen som motsvarar denna potentiella energi f?ljer Poissons ekvation, som inte ?r invariant under Lorentz-transformationer. Orsaken till icke-invariansen ?r att energin i den speciella relativitetsteorin inte ?r en skal?r storhet, utan g?r in i tidskomponenten i 4-vektorn. Vektorteorin om gravitation visar sig likna Maxwells teori om det elektromagnetiska f?ltet och leder till negativ energi av gravitationsv?gor, vilket ?r f?rknippat med naturen av interaktionen: liknande laddningar (massor) i gravitationen attraheras, inte st?ts bort, som inom elektromagnetism. S?ledes ?r Newtons gravitationsteori of?renlig med den grundl?ggande principen f?r den speciella relativitetsteorin - naturlagarnas invarians i varje tr?ghetsreferensram, och den direkta vektorgeneraliseringen av Newtons teori, som f?rst f?reslogs av Poincar? 1905 i hans teori. arbete "On the Dynamics of the Electron", leder till fysiskt otillfredsst?llande resultat .

Einstein b?rjade leta efter en gravitationsteori som skulle vara f?renlig med principen om naturlagarnas invarians med avseende p? vilken referensram som helst. Resultatet av denna s?kning var den allm?nna relativitetsteorin, baserad p? principen om identitet f?r gravitations- och tr?ghetsmassa.

Principen om j?mlikhet mellan gravitations- och tr?ghetsmassor

I den klassiska newtonska mekaniken finns det tv? begrepp om massa: det f?rsta h?nvisar till Newtons andra lag och det andra till lagen om universell gravitation. Den f?rsta massan - tr?ghet (eller tr?ghet) - ?r f?rh?llandet mellan den icke-gravitationskraft som verkar p? kroppen och dess acceleration. Den andra massan - gravitationell (eller, som den ibland kallas, tung) - best?mmer kroppens attraktionskraft av andra kroppar och dess egen attraktionskraft. Generellt sett m?ts dessa tv? massor, som framg?r av beskrivningen, i olika experiment, s? de beh?ver inte alls vara proportionella mot varandra. Deras strikta proportionalitet till?ter oss att tala om en enda kroppsmassa i b?de icke-gravitationella och gravitationella interaktioner. Genom ett l?mpligt val av enheter kan dessa massor g?ras lika med varandra. Sj?lva principen lades fram av Isaac Newton, och massornas j?mlikhet verifierades av honom experimentellt med en relativ noggrannhet p? 10?3. I slutet av 1800-talet genomf?rde E?tv?s mer subtila experiment, vilket gjorde att verifieringen av principen var 10-9. Under 1900-talet gjorde experimentella tekniker det m?jligt att bekr?fta massornas j?mlikhet med en relativ noggrannhet p? 10x12-10x13 (Braginsky, Dicke, etc.). Ibland kallas principen om likhet mellan gravitations- och tr?ghetsmassor f?r den svaga ekvivalensprincipen. Albert Einstein satte det till grund f?r den allm?nna relativitetsteorin.

Principen f?r r?relse l?ngs geodetiska linjer

Om gravitationsmassan ?r exakt lika med tr?ghetsmassan, s? upph?vs b?da massorna i uttrycket f?r accelerationen av en kropp p? vilken endast gravitationskrafter verkar. D?rf?r beror kroppens acceleration, och d?rmed dess bana, inte p? kroppens massa och inre struktur. Om alla kroppar p? samma punkt i rymden f?r samma acceleration, s? kan denna acceleration inte associeras med kropparnas egenskaper, utan med egenskaperna hos sj?lva rymden vid denna punkt.

S?ledes kan beskrivningen av gravitationsinteraktionen mellan kroppar reduceras till en beskrivning av det rum-tid i vilket kropparna r?r sig. Det ?r naturligt att anta, som Einstein gjorde, att kroppar r?r sig genom tr?ghet, det vill s?ga p? ett s?dant s?tt att deras acceleration i den egna referensramen ?r noll. Kropparnas banor blir d? geodetiska linjer, vars teori utvecklades av matematiker redan p? 1800-talet.

De geodetiska linjerna i sig kan hittas genom att i rumtid specificera en analog av avst?ndet mellan tv? h?ndelser, traditionellt kallat ett intervall eller en v?rldsfunktion. Intervallet i tredimensionellt rum och endimensionell tid (med andra ord i fyrdimensionell rumtid) ges av 10 oberoende komponenter i den metriska tensorn. Dessa 10 siffror bildar rymdm?ttet. Den definierar "avst?ndet" mellan tv? o?ndligt n?ra punkter i rum-tid i olika riktningar. Geodetiska linjer som motsvarar v?rldslinjerna f?r fysiska kroppar vars hastighet ?r mindre ?n ljusets hastighet visar sig vara linjerna f?r den st?rsta egentliga tiden, det vill s?ga tiden som m?ts av en klocka som ?r stelt f?st vid en kropp som f?ljer denna bana. Moderna experiment bekr?ftar kropparnas r?relse l?ngs geodetiska linjer med samma noggrannhet som j?mlikheten mellan gravitations- och tr?ghetsmassor.

Kr?kning av rum-tid

Om tv? kroppar skjuts upp fr?n tv? n?ra punkter parallella med varandra, kommer de i gravitationsf?ltet gradvis antingen n?rma sig eller r?ra sig bort fr?n varandra. Denna effekt kallas f?r geodetiska linjers avvikelse. En liknande effekt kan observeras direkt om tv? bollar skjuts parallellt med varandra ?ver ett gummimembran, p? vilket ett massivt f?rem?l placeras i mitten. Kulorna kommer att spridas: den som var n?rmare f?rem?let som tryckte genom membranet kommer att tendera mot mitten starkare ?n den mer avl?gsna bollen. Denna diskrepans (avvikelse) beror p? membranets kr?kning. P? liknande s?tt, i rum-tid, ?r geodesikens avvikelse (divergensen av kroppars banor) associerad med dess kr?kning. Kr?kningen av rum-tid best?ms unikt av dess metrik - den metriska tensorn. Skillnaden mellan den allm?nna relativitetsteorin och alternativa gravitationsteorier best?ms i de flesta fall just i sambandet mellan materia (kroppar och f?lt av icke-gravitationell natur som skapar ett gravitationsf?lt) och rumtidens metriska egenskaper .

Rum-tid GR och den starka ekvivalensprincipen

Det anses ofta felaktigt att grunden f?r den allm?nna relativitetsteorin ?r principen om ekvivalens f?r gravitations- och tr?ghetsf?lten, som kan formuleras enligt f?ljande:
Ett tillr?ckligt litet lokalt fysiskt system bel?get i ett gravitationsf?lt ?r om?jligt att s?rskilja i beteende fr?n samma system som ?r bel?get i en accelererad (relativt den tr?ghetsreferensram) referensram, neds?nkt i den speciella relativitetens platta rum-tid.

Ibland postuleras samma princip som "lokal giltighet av speciell relativitet" eller kallas "stark ekvivalensprincip".

Historiskt sett spelade denna princip verkligen en stor roll i utvecklingen av den allm?nna relativitetsteorin och anv?ndes av Einstein i dess utveckling. Men i teorins mest slutgiltiga form finns den faktiskt inte, eftersom rumtiden b?de i den accelererade och i den initiala referensramen i den speciella relativitetsteorin ?r okr?jd - platt, och i den allm?nna relativitetsteorin den ?r kr?kt av vilken kropp som helst, och just dess kr?kning orsakar kropparnas gravitationsattraktion.

Det ?r viktigt att notera att huvudskillnaden mellan rum-tiden f?r den allm?nna relativitetsteorin och rum-tiden f?r den speciella relativitetsteorin ?r dess kr?kning, som uttrycks av en tensorkvantitet - kr?kningstensorn. I den speciella relativitetens rum-tid ?r denna tensor identiskt lika med noll och rum-tiden ?r platt.

Av denna anledning ?r namnet "allm?n relativitetsteori" inte helt korrekt. Denna teori ?r bara en av ett antal gravitationsteorier som f?r n?rvarande ?verv?gs av fysiker, medan den speciella relativitetsteorin (n?rmare best?mt dess princip om rum-tid metricitet) ?r allm?nt accepterad av det vetenskapliga samfundet och utg?r h?rnstenen i grunden av modern fysik. Det b?r dock noteras att ingen av de andra utvecklade gravitationsteorierna, f?rutom den allm?nna relativitetsteorien, har best?tt tidens test och experiment.

Huvudkonsekvenser av allm?n relativitet

Enligt ?verensst?mmelseprincipen, i svaga gravitationsf?lt, sammanfaller f?ruts?gelserna av allm?n relativitet med resultaten av att till?mpa Newtons universella gravitationslag med sm? korrigeringar som ?kar n?r f?ltstyrkan ?kar.

De f?rsta f?rutsagda och verifierade experimentella konsekvenserna av allm?n relativitet var tre klassiska effekter, listade nedan i kronologisk ordning efter deras f?rsta verifiering:
1. Ytterligare f?rskjutning av perihelionen av Merkurius bana j?mf?rt med f?ruts?gelserna fr?n Newtons mekanik.
2. Avvikelse f?r en ljusstr?le i solens gravitationsf?lt.
3. Gravitationsr?df?rskjutning, eller tidsutvidgning i ett gravitationsf?lt.

Det finns ett antal andra effekter som kan verifieras experimentellt. Bland dem kan vi n?mna avvikelsen och f?rdr?jningen (Shapiro-effekten) av elektromagnetiska v?gor i solens och Jupiters gravitationsf?lt, linsens t?rnande effekt (precession av ett gyroskop n?ra en roterande kropp), astrofysiska bevis f?r f?rekomsten av svart h?l, bevis f?r emission av gravitationsv?gor fr?n n?ra system av bin?ra stj?rnor och universums expansion.

Hittills har tillf?rlitliga experimentella bevis som motbevisar allm?n relativitet inte hittats. Avvikelserna f?r de uppm?tta v?rdena f?r effekterna fr?n de som f?rutsp?s av allm?n relativitet ?verstiger inte 0,1% (f?r ovanst?ende tre klassiska fenomen). Trots detta, p? grund av olika sk?l, har teoretiker utvecklat minst 30 alternativa gravitationsteorier, och n?gra av dem g?r det m?jligt att erh?lla resultat godtyckligt n?ra den allm?nna relativitetsteorin f?r motsvarande v?rden p? parametrarna som ing?r i teorin.

Redan i slutet av 1800-talet var de flesta vetenskapsm?n ben?gna att den fysiska bilden av v?rlden var i grunden byggd och skulle f?rbli orubblig i framtiden - bara detaljerna beh?vde klarg?ras. Men under 1900-talets f?rsta decennier f?r?ndrades fysiska syns?tt radikalt. Detta var resultatet av en "kaskad" av vetenskapliga uppt?ckter som gjordes under en extremt kort historisk period, som str?ckte sig ?ver de sista ?ren av 1800-talet och de f?rsta decennierna av 1900-talet, av vilka m?nga inte alls passade in i representationen av vanliga m?nniskor erfarenhet. Ett sl?ende exempel ?r relativitetsteorin skapad av Albert Einstein (1879-1955).

Relativitetsteorin- fysisk teori om rum-tid, det vill s?ga en teori som beskriver de universella rum-tidsegenskaperna hos fysiska processer. Termen introducerades 1906 av Max Planck f?r att betona relativitetsprincipens roll.
i speciell relativitetsteori (och, senare, allm?n relativitetsteori).

I en sn?v mening inkluderar relativitetsteorin speciell och allm?n relativitet. S?rskild relativitetsteori(h?danefter kallad SRT) h?nvisar till processer i studien av vilka gravitationsf?lt kan f?rsummas; allm?n relativitetsteori(h?danefter kallad GR) ?r en gravitationsteori som generaliserar Newtons.

S?rskild, eller privat relativitetsteori ?r en teori om rumtidens struktur. Den introducerades f?rst 1905 av Albert Einstein i hans verk "On the Electrodynamics of Moving Bodies". Teorin beskriver r?relse, mekanikens lagar, s?v?l som de rum-tidsf?rh?llanden som best?mmer dem, vid vilken r?relsehastighet som helst,
inklusive de som ?r n?ra ljusets hastighet. Klassisk newtonsk mekanik
inom SRT ?r en approximation f?r l?ga hastigheter.

En av anledningarna till Albert Einsteins framg?ng ?r att han satte experimentella data f?re teoretiska data. N?r ett antal experiment visade resultat som stred mot den allm?nt accepterade teorin, beslutade m?nga fysiker att dessa experiment var felaktiga.

Albert Einstein var en av de f?rsta som best?mde sig f?r att bygga en ny teori baserad p? nya experimentella data.

I slutet av 1800-talet letade fysiker efter en mystisk eter – ett medium d?r, enligt allm?nt accepterade antaganden, ljusv?gor borde ha fortplantat sig, som akustiska v?gor, f?r vars utbredning luft beh?vs, eller n?got annat medium. - fast, flytande eller gasformig. Tron p? existensen av etern ledde till tron att ljusets hastighet m?ste ?ndras med observat?rens hastighet med avseende p? etern. Albert Einstein ?vergav begreppet eter och antog att alla fysiska lagar, inklusive ljusets hastighet, f?rblir of?r?ndrade oavsett observat?rens hastighet – vilket experiment visade.

SRT f?rklarade hur man tolkar r?relser mellan olika tr?ghetsreferensramar – enkelt uttryckt, objekt som r?r sig med konstant hastighet i f?rh?llande till varandra. Einstein f?rklarade att n?r tv? objekt r?r sig med konstant hastighet b?r man betrakta deras r?relse i f?rh?llande till varandra, ist?llet f?r att ta ett av dem som en absolut referensram. S? om tv? astronauter flyger p? tv? rymdskepp och vill j?mf?ra sina observationer, ?r det enda de beh?ver veta deras hastighet i f?rh?llande till varandra.

Special relativitetsteori betraktar endast ett specialfall (d?rav namnet), n?r r?relsen ?r rak och enhetlig.

Baserat p? om?jligheten att detektera absolut r?relse, drog Albert Einstein slutsatsen att alla tr?ghetsreferensramar ?r lika. Han formulerade tv? viktiga postulat som l?g till grund f?r en ny teori om rum och tid, kallad Special Relativity Theory (SRT):

1. Einsteins relativitetsprincip - denna princip var en generalisering av Galileos relativitetsprincip (s?ger detsamma, men inte f?r alla naturlagar, utan endast f?r den klassiska mekanikens lagar, vilket l?mnar ?ppen fr?gan om relativitetsprincipens till?mplighet p? optik och elektrodynamik) till n?gon fysisk. Det st?r: alla fysiska processer under samma f?rh?llanden i tr?ghetsreferenssystem (ISF) fortg?r p? samma s?tt. Detta inneb?r att inga fysiska experiment utf?rda i en st?ngd ISO kan avg?ra om den ?r i vila eller r?r sig j?mnt och r?tlinjigt. S?ledes ?r alla IRF:er absolut lika, och fysiska lagar ?r of?r?nderliga med avseende p? valet av IFR:er (dvs. ekvationerna som uttrycker dessa lagar har samma form i alla tr?ghetsreferensramar).

2. Principen om konstant ljushastighet- ljusets hastighet i vakuum ?r konstant och beror inte p? r?relsen hos ljusk?llan och ljusmottagaren. Det ?r samma i alla riktningar och i alla tr?ghetsreferensramar. Ljusets hastighet i ett vakuum - den begr?nsande hastigheten i naturen - detta ?r en av de viktigaste fysiska konstanterna, de s? kallade v?rldskonstanterna.

Den viktigaste konsekvensen av SRT var den ber?mda Einsteins formel om f?rh?llandet mellan massa och energi E \u003d mc 2 (d?r C ?r ljusets hastighet), som visade enheten av rum och tid, uttryckt i en gemensam f?r?ndring av deras egenskaper beroende p? koncentrationen av massor och deras r?relse, och bekr?ftad av data fr?n modern fysik. Tid och rum betraktades inte l?ngre oberoende av varandra, och id?n om ett rum-tid fyrdimensionellt kontinuum uppstod.

Enligt den store fysikerns teori, n?r en materiell kropps hastighet ?kar och n?rmar sig ljusets hastighet, ?kar dess massa ocks?. De d?r. ju snabbare ett f?rem?l r?r sig, desto tyngre blir det. I fallet med att n? ljusets hastighet blir kroppens massa, s?v?l som dess energi, o?ndlig. Ju tyngre kroppen ?r, desto sv?rare ?r det att ?ka hastigheten; det kr?vs en o?ndlig m?ngd energi f?r att accelerera en kropp med o?ndlig massa, s? det ?r om?jligt f?r materiella f?rem?l att n? ljusets hastighet.

I relativitetsteorin, "tv? lagar - lagen om bevarande av massa och bevarande av energi - f?rlorade sin giltighet oberoende av varandra och visade sig vara kombinerade till en enda lag, som kan kallas lagen om bevarande av energi eller massa." P? grund av den grundl?ggande kopplingen mellan dessa tv? begrepp kan materia f?rvandlas till energi och vice versa - energi till materia.

Allm?n relativitetsteori– Tyngdkraftsteorin publicerad av Einstein 1916, som han arbetade med i 10 ?r. Det ?r en vidareutveckling av den speciella relativitetsteorin. Om materialkroppen accelererar eller sv?nger ?t sidan g?ller inte SRT-lagarna l?ngre. Sedan tr?der GR i kraft, vilket f?rklarar materiella organs motioner i det allm?nna fallet.

Den allm?nna relativitetsteorin postulerar att gravitationseffekter inte orsakas av kraftsamverkan mellan kroppar och f?lt, utan av deformationen av sj?lva rum-tiden d?r de befinner sig. Denna deformation ?r i synnerhet f?rknippad med n?rvaron av massenergi.

Allm?n relativitet ?r f?r n?rvarande den mest framg?ngsrika teorin om gravitation, v?l underbyggd av observationer. Allm?n relativitetsteori har generaliserat SRT till accelererade, d.v.s. icke-tr?ghetssystem. De grundl?ggande principerna f?r allm?n relativitet ?r f?ljande:

- begr?nsar till?mpligheten av principen om konstant ljushastighet till omr?den d?r gravitationskrafter kan f?rsummas(d?r gravitationen ?r stark saktar ljusets hastighet ner);

- utvidgning av relativitetsprincipen till alla r?rliga system(och inte bara tr?ga s?dana).

I den allm?nna relativitetsteorin, eller gravitationsteorin, utg?r han ocks? fr?n det experimentella faktumet om ekvivalensen av tr?ghets- och gravitationsmassor, eller ekvivalensen av tr?ghets- och gravitationsf?lt.

Likv?rdighetsprincipen spelar en viktig roll inom vetenskapen. Vi kan alltid direkt ber?kna verkan av tr?ghetskrafterna p? vilket fysiskt system som helst, och detta ger oss m?jlighet att k?nna till gravitationsf?ltets verkan, abstrahera fr?n dess inhomogenitet, som ofta ?r mycket obetydlig.

Ett antal viktiga slutsatser har dragits fr?n GR:

1. Egenskaperna hos rum-tid beror p? den r?rliga materien.

2. En ljusstr?le, som har en inert, och f?ljaktligen gravitationsmassa, m?ste b?jas i gravitationsf?ltet.

3. Frekvensen av ljus under p?verkan av gravitationsf?ltet b?r skifta mot l?gre v?rden.

Under l?ng tid fanns det f? experimentella bekr?ftelser p? allm?n relativitet. ?verensst?mmelsen mellan teori och experiment ?r ganska bra, men renheten i experimenten kr?nks av olika komplexa biverkningar. Emellertid kan effekten av rum-tidskurvatur detekteras ?ven i m?ttliga gravitationsf?lt. Mycket k?nsliga klockor kan till exempel uppt?cka tidsutvidgning p? jordens yta. F?r att utvidga den experimentella basen f?r allm?n relativitet, under andra h?lften av 1900-talet, genomf?rdes nya experiment: motsvarigheten av tr?ghets- och gravitationsmassorna testades (inklusive genom laseravst?ndsavst?nd fr?n m?nen);
med hj?lp av radar klargjordes r?relsen av Merkurius perihelion; solens gravitationsavb?jning av radiov?gor m?ttes, solsystemets planeter var radarlokaliserade; p?verkan av solens gravitationsf?lt p? radiokommunikation med rymdfarkoster som skickades till de avl?gsna planeterna i solsystemet utv?rderades, etc. Alla av dem, p? ett eller annat s?tt, bekr?ftade de f?ruts?gelser som erh?lls p? grundval av allm?n relativitet.

S? den speciella relativitetsteorin ?r baserad p? postulaten om ljushastighetens konstanta och likheten mellan naturlagarna i alla fysiska system, och de huvudsakliga resultaten som den kommer till ?r f?ljande: egenskapernas relativitet av rum-tid; relativitet av massa och energi; ekvivalens mellan tunga och tr?ga massor.

Det mest betydelsefulla resultatet av den allm?nna relativitetsteorin ur en filosofisk synvinkel ?r fastst?llandet av beroendet av omv?rldens rum-tidsegenskaper p? platsen och r?relsen av graviterande massor. Det beror p? p?verkan av kroppar
med stora massor finns det en kr?kning av ljusstr?lars r?relsev?gar. F?ljaktligen best?mmer gravitationsf?ltet som skapas av s?dana kroppar i slut?ndan v?rldens rymd-tidsegenskaper.

Den speciella relativitetsteorin abstraherar fr?n gravitationsf?ltens verkan och d?rf?r ?r dess slutsatser endast till?mpliga f?r sm? omr?den av rum-tid. Den grundl?ggande skillnaden mellan den allm?nna relativitetsteorin och de grundl?ggande fysikaliska teorierna som f?reg?r den ligger i f?rkastandet av ett antal gamla begrepp och formuleringen av nya. Det ?r v?rt att s?ga att den allm?nna relativitetsteorin har gjort en verklig revolution inom kosmologin. P? grundval av detta har olika modeller av universum dykt upp.

I ett tal den 27 april 1900 vid Royal Institution of Great Britain sa Lord Kelvin: ”Teoretisk fysik ?r en v?lproportionerad och f?rdig byggnad. P? fysikens klara himmel finns det bara tv? sm? moln - det h?r ?r ljusets hastighet och str?lningsintensitetskurvan beroende p? v?gl?ngden. Jag tror att dessa tv? specifika fr?gor snart kommer att l?sas och 1900-talets fysiker kommer inte att ha n?got att g?ra.” Lord Kelvin visade sig ha helt r?tt n?r han pekade ut nyckelomr?dena f?r forskning inom fysik, men han missbed?mde deras betydelse: relativitetsteorin och kvantteorin som f?ddes ur dem visade sig vara o?ndliga vidder f?r forskning som har sysselsatt vetenskapliga sinnen i mer ?n hundra ?r.

Eftersom den inte beskrev gravitationsinteraktionen b?rjade Einstein, kort efter dess slutf?rande, utveckla en allm?n version av denna teori, som han ?gnade 1907-1915 ?t att utveckla. Teorin var vacker i sin enkelhet och ?verensst?mmelse med naturfenomen, med undantag f?r en enda punkt: vid tidpunkten f?r sammanst?llningen av teorin av Einstein var det ?nnu inte k?nt om universums expansion och ens om existensen av andra galaxer, d?rf?r trodde forskare p? den tiden att universum existerade p? obest?md tid och var station?rt. Samtidigt f?ljde det av Newtons universella gravitationslag att fixstj?rnorna n?gon g?ng helt enkelt skulle dras ihop till en punkt.

Eftersom han inte hittade en b?ttre f?rklaring till detta fenomen, introducerade Einstein i sina ekvationer, som numeriskt kompenserade och d?rmed till?t det station?ra universum att existera utan att bryta mot fysikens lagar. D?refter b?rjade Einstein betrakta inf?randet av den kosmologiska konstanten i sina ekvationer som sitt st?rsta misstag, eftersom det inte var n?dv?ndigt f?r teorin och inte bekr?ftades av n?got annat ?n det till synes station?ra universum vid den tiden. Och 1965 uppt?cktes relikstr?lning, vilket gjorde att universum hade en b?rjan och konstanten i Einsteins ekvationer visade sig vara helt on?dig. ?nd? hittades den kosmologiska konstanten 1998: enligt data som erh?lls av Hubble-teleskopet, bromsade inte avl?gsna galaxer sin expansion p? grund av attraktion genom gravitation, utan accelererade till och med sin expansion.

Grunderna i teorin

F?rutom de grundl?ggande postulaten f?r den speciella relativitetsteorin tillkom en ny h?r: Newtonsk mekanik gav en numerisk uppskattning av materiella kroppars gravitationsinteraktion, men f?rklarade inte fysiken i denna process. Einstein lyckades beskriva detta med hj?lp av kr?kning av 4-dimensionell rum-tid av en massiv kropp: kroppen skapar en st?rning runt sig sj?lv, som ett resultat av vilket de omgivande kropparna b?rjar r?ra sig l?ngs geodetiska linjer (exempel p? s?dana linjer ?r linjer av jordens latitud och longitud, som f?r en inre observat?r verkar vara raka linjer , men i verkligheten ?r l?tt kr?kta). Ljusstr?lar avleds p? samma s?tt, vilket f?rvr?nger den synliga bilden bakom ett massivt f?rem?l. Med ett lyckat sammantr?ffande av objektens positioner och massor leder detta till (n?r kr?kningen av rum-tiden fungerar som en enorm lins som g?r den avl?gsna ljusk?llan mycket ljusare). Om parametrarna inte matchar perfekt kan detta leda till bildandet av ett "Einstein-kors" eller en "Einstein-cirkel" i astronomiska bilder av avl?gsna objekt.

Bland teorins f?ruts?gelser fanns ocks? gravitationstidsdilatation (som, n?r man n?rmar sig ett massivt f?rem?l, verkade p? kroppen p? samma s?tt som tidsdilatation p? grund av acceleration), gravitation (n?r en ljusstr?le som s?nds ut av en massiv kropp g?r in i den r?da delen av spektrumet p? grund av f?rlust av energi f?r arbetet med att l?mna "gravitationsbrunnen"), s?v?l som gravitationsv?gor (st?rning av rum-tid, som producerar vilken kropp som helst som har massa under sin r?relse) .

Status f?r teorin

Den f?rsta bekr?ftelsen av den allm?nna relativitetsteorin erh?lls av Einstein sj?lv samma ?r 1915, n?r den publicerades: teorin beskrev med absolut noggrannhet f?rskjutningen av Merkurius perihelium, som innan dess inte kunde f?rklaras med hj?lp av newtonsk mekanik. Sedan dess har m?nga andra fenomen uppt?ckts som f?rutsp?ddes av teorin, men som vid tidpunkten f?r dess publicering var f?r svaga f?r att kunna uppt?ckas. Den senaste uppt?ckten hittills var uppt?ckten av gravitationsv?gor den 14 september 2015.