Ett system med tv? neutronstj?rnor genererar ett medium - krusningar i rum-tid

Allvar(universell gravitation, gravitation) ?r en fundamental v?xelverkan i naturen som alla kroppar med massa ?r f?rem?l f?r. Fr?mst verkar gravitationen p? en kosmisk skala.

Termin allvar anv?nds ocks? som namn p? sektionen i fysik som studerar gravitationsf?ltet och gravitationsinteraktionen.

Gravitationsinteraktion

Tyngdkraftens viktigaste egenskap ?r att accelerationen av sm? testkroppar den orsakar ?r n?stan oberoende av dessa kroppars massa. Detta beror p? det faktum att gravitationen som en kraft i naturen ?r direkt proportionell mot massan av samverkande kroppar. N?r storleken p? kroppar n?r storleken p? planeter och stj?rnor blir gravitationskraften avg?rande och bildar den sf?riska formen p? dessa f?rem?l. Med en ytterligare ?kning av storleken till niv?n f?r galaxhopar och superhopar upptr?der den begr?nsade effekten. Detta leder till det faktum att superkluster inte l?ngre ?r runda till formen, utan liknar l?ngstr?ckta cigarrformade fibrer intill noderna med de mest massiva galaxhoparna. Gravitationsinteraktion ?r en av de fyra grundl?ggande interaktionerna i v?r v?rld. Inom ramen f?r klassisk mekanik beskrivs gravitationsinteraktion f?rordning universell gravitation Newton, enligt vilken gravitationskraften mellan tv? massakroppar och ?tskilda av ett avst?nd ?r

.

H?r - , lika m 3 /(kg s 2). Minustecknet betyder att kraften som verkar p? testkroppen alltid riktas l?ngs radievektorn fr?n testkroppen till gravitationsf?ltets k?lla, d.v.s. gravitationell interaktion leder alltid till attraktion av kroppar.

Tyngdkraftsf?ltet ?r potentiellt. Detta inneb?r att du kan introducera den potentiella energin f?r gravitationsattraktion f?r ett par kroppar, och denna energi kommer inte att f?r?ndras efter att kropparna har flyttats l?ngs en sluten slinga. Gravitationsf?ltets potential inneb?r lagen om bevarande av summan av kinetisk och potentiell energi, vilket, n?r man studerar kroppars r?relse i ett gravitationsf?lt, ofta avsev?rt f?renklar l?sningen.

Inom ramen f?r den newtonska mekaniken ?r gravitationsinteraktion l?ng r?ckvidd. Detta betyder att oavsett hur en massiv kropp r?r sig beror gravitationspotentialen och kraften vid vilken tidpunkt som helst i rymden endast p? kroppens position vid ett givet ?gonblick. Dock bokf?ring Lorentz invarians gravitationskraft och f?rdr?jning i utbredningen av gravitationsp?verkan med hj?lp av l?sningen f?r Li?nard- och Wiechert-potentialerna leder till det faktum att n?r man r?r sig med konstant hastighet I referenssystem uppst?r ytterligare en kraftkomponent p? grund av gravitationskraften. Situationen ?r helt likv?rdig med situationen med elektrisk kraft, d? n?r observat?ren r?r sig uppt?cker han ocks? ett magnetf?lt och en magnetisk kraft som ?r proportionell mot hastigheten p? hans r?relser. Detta g?r det n?dv?ndigt att ta h?nsyn till den begr?nsade hastigheten f?r utbredning av gravitationen, vilket leder till fastigheten kort avst?nd och f?rseningar av gravitationsinteraktion. I slutet av 1800-talet och b?rjan av 1900-talet lades grunden, genom insatser av ett antal fysiker - O. Heaviside, A. Poincar?, G. Minkowski, A. Sommerfeld, H. Lorenz med flera - (LITG) ) som beskriver gravitationen i tr?ghetsreferenssystem vid relativistiska hastigheter

Som ett resultat av detta inkluderades Isaac Newtons universella gravitationslag (1687) i Lorentz invarianta gravitationsteorin, som f?rutsp?dde ganska bra allm?nt beteende allvar. 1915 skapade Albert Einstein (GTR), som beskriver fenomen i gravitationsf?ltet i termer av rum-tidens geometri och med h?nsyn till gravitationens inverkan p? resultaten av rum-tidsm?tningar.

Himmelsmekanik och n?gra av dess uppgifter

Den gren av mekaniken som studerar kroppars r?relse i tomma utrymmen endast under p?verkan av gravitationen kallas himmelsk mekanik.

Himlamekanikens enklaste problem ?r gravitationssamverkan mellan tv? kroppar i det tomma rummet. Detta problem l?ses analytiskt till slutet; resultatet av dess l?sning formuleras ofta i formen av tre Keplers lagar.

N?r antalet interagerande kroppar ?kar, blir uppgiften dramatiskt mer komplicerad. S?ledes kan det redan k?nda trekroppsproblemet (dvs. r?relsen hos tre kroppar med massor som inte ?r noll) l?sas analytiskt i en allm?n form. Med en numerisk l?sning uppst?r instabilitet hos l?sningarna relativt de initiala f?rh?llandena ganska snabbt. I ans?kan till solsystem denna instabilitet g?r det om?jligt att f?ruts?ga planeternas r?relse p? skalor st?rre ?n hundra miljoner ?r.

I vissa speciella fall g?r det att hitta en ungef?rlig l?sning. Det viktigaste fallet ?r n?r massan av en kropp ?r betydligt st?rre ?n massan av andra kroppar (exempel: Solsystemet och dynamiken hos Saturnus ringar). I det h?r fallet, som en f?rsta approximation, kan vi anta att ljuskroppar inte interagerar med varandra och r?r sig l?ngs Keplerska banor runt den massiva kroppen. Interaktionerna dem emellan kan tas med i ber?kningen inom ramen f?r st?rningsteorin och medelv?rdesbildas ?ver tid. I det h?r fallet kan icke-triviala fenomen uppst?, s?som resonanser, attraherande, kaos etc. Ett bra exempel s?dana fenomen - den icke-triviala strukturen hos Saturnus ringar.

Trots f?rs?k att beskriva det l?ngsiktiga beteendet hos ett system med ett stort antal attraherande kroppar av ungef?r samma massa, kan detta inte g?ras p? grund av fenomenet dynamiskt kaos.

Starka gravitationsf?lt

I starka gravitationsf?lt eller n?r man r?r sig med relativistiska hastigheter b?rjar effekterna av allm?n relativitet upptr?da:

• avvikelse av tyngdlagen fr?n Newtons;
• f?rdr?jning av potentialer associerade med den ?ndliga hastigheten f?r utbredning av gravitationsst?rningar; uppkomsten av gravitationsv?gor;
• olinj?ritetseffekter: gravitationsv?gor tenderar att interagera med varandra, s? principen om ?verlagring av v?gor i starka f?lt g?ller inte l?ngre;
• f?r?ndring i geometrin f?r synlig rum-tid;
• utvecklingen av singulariteter och uppkomsten av . Det ?r sant att detta bara ?r m?jligt i fallet med en potentiellt o?ndligt stor gravitationskraft, vilket inte har bevisats. I verkligheten uppt?cks bara mycket t?ta kosmiska objekt som neutronstj?rnor.

Gravitationsstr?lning

En av f?ruts?gelserna av allm?n relativitet ?r gravitationsstr?lning, vars n?rvaro ?nnu inte har bekr?ftats av direkta observationer. Det finns dock indirekta observationsbevis f?r dess existens, n?mligen: energif?rluster i dubbla system med pulsaren PSR B1913+16 (Hulse-Taylor pulsar) ?verensst?mmer v?l med en modell d?r denna energi f?rs bort av gravitationsstr?lning.

Enligt allm?n relativitetsteori kan gravitationsstr?lning endast genereras av system med variabla fyrpoliga eller h?gre multipolmoment. Tyngdkraft i-f?ltk?llan ?r proportionell om multipolen ?r av elektrisk typ, och – om multipolen ?r av magnetisk typ, d?r v?r den karakteristiska r?relsehastigheten f?r k?llor i str?lningssystemet, och c- ljusets hastighet. S?lunda ?r det dominerande momentet ett fyrpolsmoment av elektrisk typ, och kraften hos motsvarande str?lning ?r lika med:

var ?r fyrpolig momenttensor f?r massf?rdelningen av det str?lande systemet. Konstant

W till?ter att man uppskattar storleksordningen p? str?lningseffekten.

F?rs?k att direkt detektera gravitationsstr?lning har gjorts sedan 1969 (Weber-experiment). I USA, Europa och Japan finns det f?r n?rvarande flera markbaserade detektorer (LIGO, VIRGO, TAMA, GEO 600), liksom LISA (Laser Interferometer Space Antenna) rymdgravitationsdetektorprojekt. Den markbaserade detektorn i Ryssland utvecklas vid Scientific Center for Gravitational Wave Research "Dulkyn" i Republiken Tatarstan.

Subtila effekter av gravitationen

F?rutom de klassiska effekterna av gravitationsattraktion och tidsutvidgning, allm?n teori relativitetsteorien f?ruts?ger f?rekomsten av andra manifestationer av gravitation, som under markf?rh?llanden ?r mycket svaga och deras uppt?ckt och experimentell verifiering ?r d?rf?r mycket sv?r. Tills nyligen verkade det att ?vervinna dessa sv?righeter vara bortom experimenters f?rm?ga.

Bland dem kan man s?rskilt n?mna drag av tr?ghetsreferensramar (eller Lense-Thirring-effekten) och. 2005 m?tte NASA:s robot Gravity Probe B-experiment dessa effekter n?ra jorden, men resultaten som presenterades 2007 var kontroversiella p? grund av stora m?tfel.

Kvantteori om gravitation

Trots f?rs?kens ett halvt sekels historia ?r gravitationen den enda grundl?ggande interaktion f?r vilken en konsekvent struktur ?nnu inte har konstruerats. renormaliserbar kvantteorin. P? l?ga energier, i kvantf?ltteorins anda, kan gravitationsinteraktion representeras som utbyte av gravitoner - m?tbosoner med 2 (baserat p? begreppet allm?n relativitet), eller med spin 1 f?r Lorentz-invariant gravitationsteorin (LITG).

Problemet h?r ?r att vid h?ga energier slutar beskrivningen f?r allm?n relativitet att fungera. D?rf?r ?r kvantgravitationen f?r n?rvarande f?rem?l f?r intensiv teoretisk forskning.

Moderna teorier om gravitation

P? grund av det faktum att den interna strukturen f?r inte ett enda grundl?ggande f?lt ?nnu har avsl?jats, parametrarna f?r f?ltb?rare har inte m?tts, uppst?r m?jligheten beskrivningar gravitationsf?lt av flera konkurrerande teorier. Alla dessa teorier ger liknande resultat inom ramen f?r den approximation d?r experimentella tester f?r n?rvarande utf?rs (se artikel). F?ljande ?r flera grundl?ggande, mest v?lutvecklade eller k?nda teorier om gravitation.

Allm?n relativitetsteori

I det internationella systemet av SI-enheter har LITG gravitationsf?ltsekvationer formen:

,

Torsionsf?ltet ?r en analog till magnetf?ltskomponenten i elektromagnetism. Uttrycket f?r gravitationskraften ?r som f?ljer:

• m?r massan av partikeln som kraften verkar p?,
• vm– partikelhastighet.

F?r torsion utanf?r den roterande kroppen kan formeln h?rledas fr?n ovanst?ende f?ltekvationer:

,

Var L?r r?relsem?ngden f?r kroppens rotation.

Som en konsekvens av torsionsf?ltet i gravitationsfenomen ?r effekten m?jlig.

F?r energit?theten och energifl?dest?thetsvektorn f?r gravitationsf?ltet () visar det sig:

Eftersom gravitationsf?ltet i LITG ?r vektor, med tv? komponenter (gravitationsacceleration och torsion), blir dipolgravitationsstr?lning fr?n accelererade massiva kroppar till?ten. S?dan str?lning kan till exempel uppst? under en kropps accelererade r?relse under p?verkan av en icke-gravitationskraft. I kroppar tenderar dock den totala dipolgravitationsstr?lningen till noll p? grund av ?msesidig kompensation av str?lningen fr?n individuella kroppar, och fyrpolstr?lning blir dominerande, som i allm?n relativitetsteori.

I svaga f?lt beskrivs rum-tid av den metriska tensorn f?r Minkowski-rymden och f?ltekvationerna Lorentz invariant. Vid h?ga partikelhastigheter eller i tillr?ckligt starka f?lt ?r det n?dv?ndigt att ta h?nsyn till gravitationsf?ltets inverkan p? resultaten av rum-tidsm?tningar. Till exempel kan gravitationen avleda ljusstr?lar fr?n sin ursprungliga riktning och ?ndra deras hastighet. F?r att ta h?nsyn till s?dana fenomen g?rs en ?verg?ng fr?n LITG till CTG genom att ers?tta den metriska tensorn f?r Minkowski-rymden i formlerna med den metriska tensorn f?r ett kr?kt pseudo-Riemannskt rum. Detta g?r att vi kan presentera CTG-ekvationerna i kovariant tensorform och med h?nsyn till den modifierade metriska tensorn. Tensorekvationer f?r gravitationsf?ltet i en godtycklig referensram genom kovarianta derivator har formen:

,

d?r det finns en 4-vektor av momentumdensiteten (massstr?mdensiteten) som genererar gravitationsf?ltet - antisymmetrisk, best?ende av komponenten .

Med hj?lp av en tensor konstruerar vi:

Tack vare denna tensor l?ses problemet med generell relativitet med gravitationsf?ltets energimomentdensitetstensor automatiskt i LITG och i CTG. Denna tensor ?r involverad i att l?sa alla problem n?r man hittar ett m?tt. Tillsammans med gr?nsvillkor (till exempel p? ytan av massiva kroppar) s?tter detta de villkor som ?r n?dv?ndiga f?r korrekt identifiering av referensramar, vilket undviker motsvarande problem med allm?n relativitet.

CTG skiljer sig fr?n allm?n relativitet i sina r?relseekvationer. Om i GTR samma r?relseekvation anv?nds f?r b?de partiklar och f?ltkvanta (som en konsekvens av ekvivalensprincipen), s? ?r i CTG r?relseekvationerna f?r partiklar och kvanta olika och ?r en ut?kad till?mpning av energi-momentumbevarande lag i vektor-tensorform.

N?r man l?ser problem i CTG ?r det n?dv?ndigt att l?sa ett system av differentialekvationer tre typer– ekvationer f?r komponenterna i gravitationsf?ltet, ekvationer f?r metriken och r?relseekvationer. I det h?r fallet ?ndrar r?relsen av massor som k?llor till f?ltet bilden av f?ltet, och den metriska f?r?ndringen inte bara p? grund av f?r?ndringar i massornas konfiguration, utan ocks? p? grund av f?r?ndringar i gravitationsf?ltens styrkor. Ekvationen f?r materiens r?relse i CTG till?ter, i motsats till generell relativitetsteori, att beskriva reaktiv r?relse, som f?rvandlas till svagt f?lt in i den relativistiska Meshchersky-ekvationen.

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

3. Fedosin S.G. Gravitationsf?ltets massa, momentum och energi .Journal of Vectorial Relativity, Vol. 3, nr. 3, september 2008, sid. 30-35); artikel p? ryska: .

4. Logunov A.A., Mestvirishvili M.A. Grunderna i den relativistiska gravitationsteorin. – Moscow State University Publishing House, 1986, sid. 308.

Trots att gravitationen ?r den svagaste interaktionen mellan objekt i universum, ?r dess betydelse inom fysik och astronomi enorm, eftersom den kan p?verka fysiska objekt p? alla avst?nd i rymden.

Om du ?r intresserad av astronomi har du s?kert undrat vad ett s?dant begrepp som gravitation eller universell gravitationslag ?r. Tyngdkraften ?r den universella grundl?ggande interaktionen mellan alla objekt i universum.

Uppt?ckten av gravitationslagen tillskrivs den ber?mda engelske fysikern Isaac Newton. F?rmodligen k?nner m?nga av er till historien om ?pplet som f?ll p? huvudet p? den ber?mda vetenskapsmannen. Men om du tittar djupare in i historien kan du se att n?rvaron av gravitation t?nktes p? l?ngt f?re hans era av filosofer och forskare fr?n antiken, till exempel Epikuros. Det var dock Newton som f?rst beskrev gravitationssamspelet mellan fysiska kroppar inom ramen f?r klassisk mekanik. Hans teori utvecklades av en annan ber?md vetenskapsman, Albert Einstein, som i sin allm?nna relativitetsteori mer exakt beskrev gravitationens inflytande i rymden, s?v?l som dess roll i rum-tidskontinuumet.

Newtons universella gravitationslag s?ger att gravitationskraften mellan tv? masspunkter ?tskilda av ett avst?nd ?r omv?nt proportionell mot kvadraten p? avst?ndet och direkt proportionell mot b?da massorna. Tyngdkraften ?r l?ngv?ga. Det vill s?ga, oavsett hur en kropp med massa r?r sig, kommer dess gravitationspotential inom klassisk mekanik att bero enbart p? positionen f?r detta objekt vid ett givet ?gonblick. Ju st?rre massa ett f?rem?l har, desto st?rre gravitationsf?lt - desto kraftfullare gravitationskraften han har. Rymdobjekt som galaxer, stj?rnor och planeter har den st?rsta gravitationskraften och f?ljaktligen ganska starka gravitationsf?lt.

Gravitationsf?lt

Jordens gravitationsf?lt

Gravitationsf?ltet ?r det avst?nd inom vilket gravitationsinteraktion sker mellan objekt i universum. Ju st?rre massa ett f?rem?l har, desto starkare dess gravitationsf?lt - desto mer m?rkbar dess p?verkan p? andra fysiska kroppar inom ett visst utrymme. Ett f?rem?ls gravitationsf?lt ?r potential. K?rnan i det tidigare uttalandet ?r att om du introducerar den potentiella attraktionsenergin mellan tv? kroppar, kommer den inte att f?r?ndras efter att ha flyttat den senare l?ngs en sluten slinga. H?rifr?n kommer en annan ber?md lag f?r bevarande av summan av potentiell och kinetisk energi i en sluten slinga.

I den materiella v?rlden ?r gravitationsf?ltet av stor betydelse. Det ?gs av alla materiella f?rem?l i universum som har massa. Gravitationsf?ltet kan p?verka inte bara materia utan ocks? energi. Det ?r p? grund av p?verkan av gravitationsf?lten hos s? stora kosmiska objekt som svarta h?l, kvasarer och supermassiva stj?rnor som solsystem, galaxer och andra astronomiska kluster bildas, som k?nnetecknas av en logisk struktur.

Nya vetenskapliga data visar att den ber?mda effekten av universums expansion ocks? ?r baserad p? lagarna f?r gravitationell interaktion. I synnerhet underl?ttas universums expansion av kraftfulla gravitationsf?lt, b?de av dess sm? och st?rsta f?rem?l.

Gravitationsstr?lning i ett bin?rt system

Gravitationsstr?lning eller gravitationsv?g ?r en term som f?rst introducerades i fysik och kosmologi av den ber?mda vetenskapsmannen Albert Einstein. Gravitationsstr?lning i gravitationsteorin genereras av r?relse av materiella f?rem?l med variabel acceleration. Under accelerationen av ett f?rem?l tycks en gravitationsv?g "bryta sig loss" fr?n det, vilket leder till sv?ngningar av gravitationsf?ltet i det omgivande rymden. Detta kallas gravitationsv?gseffekten.

?ven om gravitationsv?gor f?ruts?gs av Einsteins allm?nna relativitetsteori s?v?l som andra teorier om gravitation, har de aldrig direkt uppt?ckts. Detta beror fr?mst p? deras extrema litenhet. Men inom astronomi finns det indirekta bevis som kan bekr?fta denna effekt. S?ledes kan effekten av en gravitationsv?g observeras i exemplet med dubbelstj?rnornas konvergens. Observationer bekr?ftar att dubbelstj?rnornas konvergenshastighet i viss m?n beror p? f?rlusten av energi fr?n dessa kosmiska objekt, som f?rmodligen spenderas p? gravitationsstr?lning. Forskare kommer att p? ett tillf?rlitligt s?tt bekr?fta denna hypotes inom en snar framtid med hj?lp av den nya generationen avancerade LIGO- och VIRGO-teleskop.

I modern fysik finns det tv? begrepp inom mekanik: klassisk och kvant. Kvantmekanik utvecklades relativt nyligen och skiljer sig fundamentalt fr?n klassisk mekanik. I kvantmekanik objekt (kvanta) har inte best?mda positioner och hastigheter allt h?r ?r baserat p? sannolikhet. Det vill s?ga att ett f?rem?l kan uppta en viss plats i rymden vid en viss tidpunkt. Var han kommer att flytta h?rn?st kan inte best?mmas tillf?rlitligt, men endast med en h?g grad av sannolikhet.

En intressant effekt av gravitationen ?r att den kan b?ja rum-tidskontinuumet. Einsteins teori s?ger att i rymden runt en massa energi eller n?got materiellt ?mne ?r rum-tiden kr?kt. F?ljaktligen f?r?ndras banan f?r partiklar som faller under p?verkan av gravitationsf?ltet f?r detta ?mne, vilket g?r det m?jligt att f?ruts?ga banan f?r deras r?relse med en h?g grad av sannolikhet.

Teorier om gravitation

Idag k?nner forskare till ?ver ett dussin olika teorier om gravitation. De ?r indelade i klassiska och alternativa teorier. Den mest k?nda representanten f?r den f?rstn?mnda ?r den klassiska gravitationsteorin av Isaac Newton, som uppfanns av den ber?mda brittiska fysikern redan 1666. Dess essens ligger i det faktum att en massiv kropp inom mekaniken genererar ett gravitationsf?lt runt sig, som attraherar mindre f?rem?l. I sin tur har de senare ocks? ett gravitationsf?lt, som alla andra materiella f?rem?l i universum.

N?sta popul?ra gravitationsteori uppfanns av den v?rldsber?mda tyske vetenskapsmannen Albert Einstein i b?rjan av 1900-talet. Einstein kunde mer exakt beskriva gravitation som ett fenomen och ocks? f?rklara dess verkan inte bara i klassisk mekanik, utan ocks? i kvantv?rlden. Hans allm?nna relativitetsteori beskriver f?rm?gan hos en kraft som gravitation att p?verka rum-tidskontinuumet, s?v?l som r?relsebanan elementarpartiklar i rymden.

Bland de alternativa gravitationsteorierna f?rtj?nar kanske den relativistiska teorin, som uppfanns av v?r landsman, den ber?mda fysikern A.A., den st?rsta uppm?rksamheten. Logunov. Till skillnad fr?n Einstein h?vdade Logunov att gravitationen inte ?r ett geometriskt, utan ett verkligt, ganska starkt fysiskt kraftf?lt. Bland de alternativa teorierna om gravitation ?r skal?r, bimetrisk, kvaslinj?r och andra ocks? k?nda.

1. F?r m?nniskor som har varit i rymden och ?terv?nt till jorden ?r det till en b?rjan ganska sv?rt att v?nja sig vid styrkan hos v?r planets gravitationsinflytande. Ibland tar detta flera veckor.
2. Det har bevisats att m?nniskokroppen i ett tillst?nd av viktl?shet kan f?rlora upp till 1% av benm?rgsmassan per m?nad.
3. Bland planeterna i solsystemet har Mars den minsta gravitationskraften och Jupiter den st?rsta.
4. De k?nda salmonellabakterierna, som orsakar tarmsjukdomar, beter sig mer aktivt i ett tillst?nd av viktl?shet och kan orsaka mycket mer skada p? m?nniskokroppen.
5. Bland alla k?nda astronomiska objekt i universum har svarta h?l den st?rsta gravitationskraften. Ett svart h?l lika stort som en golfboll kan ha samma gravitationskraft som hela v?r planet.
6. Tyngdkraften p? jorden ?r inte densamma i alla h?rn av v?r planet. Till exempel, i Hudson Bay-regionen i Kanada ?r det l?gre ?n i andra regioner i v?rlden.

Tyngdkraften d?k upp som vetenskapen om attraktionen av kroppar. Fram till f?rsta h?lften av 1900-talet byggde hela gravitationsteorin enbart p? Newtons lagar. Ibland kallas det s? - Newtonsk gravitation. I b?rjan av 1900-talet hade en hel del experimentella och teoretiska fakta ackumulerats som tydde p? felaktigheten i Newtons gravitation.

Experimentella fakta inkluderar till exempel f?rskjutningen i perhelium av Merkurius bana. Man vet att Merkurius bana runt solen ?r en ellips, punkten n?rmast solen kallas perhelion. Denna ellips st?r inte stilla utan roterar l?ngsamt och ?ndrar d?rigenom perihelionens position. Som experiment uppt?cktes i b?rjan av 1900-talet, r?r sig perhelion snabbare ?n vad Newtons lagar f?ruts?ger.

F?ljande faktum kan tillskrivas teoretiska felaktigheter. Som bekant ?r en bra tr?ghetsreferensram en fritt fallande hiss. Alla processer i alla fritt fallande hissar ?r desamma. F?rest?ll dig dock tv? fallande hissar. Den ena till exempel i Afrika och den andra i Sydamerika. Hisshuvudena kommer att vara tr?ghetsreferensramar, men i f?rh?llande till varandra kommer de att r?ra sig med acceleration. Detta faktum strider mot Newtons f?rsta lag.

Dessutom ?r Newtons gravitationsteori 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 speciella relativitetsteorin. I denna teori kan ingen information spridas snabbare hastighet ljus i ett vakuum.

P? 1920-talet f?reslog Einstein en helt ny teori om gravitation. Inom ramen f?r denna teori postuleras det att gravitationseffekter inte orsakas av kraftsamverkan mellan kroppar och f?lt som befinner sig i rum-tid, utan deformation av sj?lva rumtiden, som i synnerhet ?r f?rknippad med n?rvaron av massenergi.

L?t oss g?ra en liten avvikelse. Enligt Einsheins teori massa och energi representerar samma kroppsparameter. Sambandet mellan massa och energi ges av den enkla formeln E = m c^2. Som bekant fr?n SRT (h?r ?r l?nken) ?kar massan av en kropp om den tillf?rs kinetisk energi. Effekten blir m?rkbar om kroppens hastighet n?rmar sig ljusets hastighet. En liknande effekt kommer till exempel att uppst? n?r kroppen v?rms upp. Men p? grund av den stora parametern c = 300 000 km/s ?r det ganska sv?rt att m?rka en s?dan effekt. I den vidare beskrivningen kommer vi att f?rs?ka undvika liknande matematiska formuleringar.

S?, beskrivningen av gravitationsinteraktion mellan kroppar kan reduceras till en beskrivning av rum-tiden i vilken kropparna r?r sig. Det ?r naturligt att anta 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? s? kallade geodetiska linjer. Den exakta definitionen av en geodetisk linje ?r ganska komplex. L?t oss bara s?ga att f?r platt utrymme ?r en geodetisk linje bara en rak linje. En geodetisk linje, till exempel, f?r jorden i solsystemet ?r en ellips - det h?r ?r jordens bana.

L?t oss f?rs?ka att tydligt beskriva mekanismen f?r interaktion mellan tv? massiva kroppar. Det enklaste s?ttet att g?ra detta ?r i det tv?dimensionella fallet (och inte i det 4-dimensionella fallet, som i verkligheten). Vi kommer att representera tunga bollar som massiva kroppar, och vi kan ta en mjuk gummimatta som utrymmet som b?js om massiva kroppar placeras i den. L?t oss p?minna dig om att detta bara ?r en modell f?r en visuell representation av Einsteins gravitation. L?t oss placera bollen p? mattan under tyngden av denna boll, mattan kommer att b?jas lite. Det resulterande h?let ?r en modell av kr?kt utrymme. Om du placerar en andra boll i n?rheten kommer den att b?rja attraheras av den f?rsta p? grund av att den f?rsta s? att s?ga ?r i ett h?l.

En liknande effekt kan observeras direkt om tv? bollar skjuts parallellt med varandra l?ngs 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 beror p? membranets kr?kning.

Einsteins teori svarar inte p? varf?r massiva kroppar b?jer rymden. Och ocks? varf?r kroppar r?r sig l?ngs geodetiska linjer. Allt detta ?r bara ett antagande, och som teorin sj?lv s?ger, alla dessa ?r egenskaper hos sj?lva utrymmet d?r vi lever. Emellertid ger ekvationerna i Einsteins gravitationsteori den hittills mest exakta bilden av objektens r?relse i universum.

Det ?r anv?ndbart att ge Einsteins gravitationsekvation.

Till h?ger Denna ekvation inneh?ller den s? kallade energimoment-tensorn. Det ?r han som beskriver materiens massa och energi vid en given punkt i rymden. Till v?nster finns tv? termer, den f?rsta ?r Einstein-tensoren - en kvantitet som beskriver rymdens kr?kning. S?ledes ger denna ekvation sambandet mellan massan av kroppar i rymden och kr?kningen av just detta utrymme.

P? v?nster sida av ekvationen finns en annan term - det h?r ?r den s? kallade lambdatermen. Det ?r denna medlem som orsakar den st?rsta kontroversen bland forskare. Historiska fakta de s?ger att Einstein lade till denna term till ekvationen i sista stund - n?r alla ber?kningar redan var gjorda, och sk?len till att denna term skulle l?ggas till ekvationen ?r helt ok?nda. Faktum ?r att denna medlem, i betydelse, ?r ansvarig f?r egendomen av rymden sj?lv. N?mligen eftersom rymden, oavsett vilka kroppar som placeras i det, kommer att expandera snabbt. Accelerationen med vilken rymden expanderar ?r mycket liten, och det ?r extremt sv?rt att m?ta det experimentellt.

Professor Erik Verlinde fr?n universitetet i Amsterdam har utvecklat en ny hypotes f?r gravitation. Forskaren publicerade nyligen sina resultat i flera vetenskapliga publikationer. Han f?reslog huvuddelen av hypotesen redan 2010. Dess huvudbudskap ?r att gravitationen inte ?r en grundl?ggande naturkraft snarare, det ?r ett slumpm?ssigt fenomen.

Enligt Verlinde ?r gravitationen ett resultat av f?r?ndringar i huvudbitarna av information som lagras i sj?lva strukturen av rum och tid. Han menar att gravitationen f?rklaras av en viss skillnad i entropit?thet i utrymmet mellan tv? kroppar och i det omgivande rummet. S?ledes f?rklarar han attraktionen av tv? makroskopiska kroppar med en ?kning av total entropi med en minskning av avst?ndet mellan kropparna. Med andra ord, systemet g?r helt enkelt in i ett mer troligt makrotillst?nd.

I sitt papper fr?n 2010 visade forskaren hur Newtons andra lag, som kan f?rklara ?pplen som faller fr?n ett tr?d eller den stabila omloppsbanan f?r en konstgjord jordsatellit, kan vara en speciell manifestation av interaktionen mellan dessa element?ra block av materia. "Newtons lagar fungerar inte p? mikroniv?, men de fungerar p? niv? med ?pplen och planeter. Du kan j?mf?ra detta med gastryck. Gasmolekyler skapar inte sj?lva n?got tryck, men en viss volym gas g?r det”, sa forskaren 2010. Enligt Verlinde kan beteendet hos stj?rnor i galaxer som m?nga forskare tror ?r of?renliga med allm?nt accepterade id?er om rum-tid f?rklaras utan att introducera en ytterligare faktor som m?rk materia.

M?rk materia inom astronomi och kosmologi, s?v?l som i teoretisk fysik, ?r en hypotetisk form av materia som inte avger elektromagnetisk str?lning och interagerar inte direkt med det. Denna egenskap hos denna form av materia g?r dess direkta observation om?jlig. Slutsatsen om f?rekomsten av m?rk materia gjordes p? basis av m?nga, ?verensst?mmande med varandra, men indirekta tecken p? beteendet hos astrofysiska objekt och de gravitationseffekter de skapar. Att ta reda p? m?rk materias natur kommer att hj?lpa till att l?sa problemet med dold massa, som i synnerhet ligger i den onormalt h?ga rotationshastigheten f?r galaxernas yttre regioner.

Faktum ?r att galaxernas yttre regioner roterar mycket snabbare runt deras centrum ?n de borde. Forskare har f?r l?nge sedan ber?knat rotationshastigheten f?r galaxer om stj?rnor, planeter, nebulosor, det vill s?ga synlig materia, ?r all materia som finns i universum. Faktum ?r att n?got ?kar gravitationen avsev?rt, vilket ?r anledningen till att de yttre delarna av galaxen snurrar snabbare ?n de borde. F?r att beteckna detta "n?got" har forskare f?reslagit m?jligheten att det finns osynlig materia, som ?nd? har en betydande inverkan p? alla objekt i den synliga delen av universum. Dessutom, enligt ber?kningar, b?r m?rk materia vara flera g?nger mer ?n vanlig materia. Mer exakt tror man att 80 % av materien i v?r synliga del av universum ?r m?rk materia.

De f?rsta som gjorde korrekta och tillf?rlitliga ber?kningar som indikerade f?rekomsten av m?rk materia var astronomerna Vera Rubin fr?n Carnegie Institution och Kent Ford. M?tresultaten visade att de flesta stj?rnor i spiralgalaxer r?ra sig i banor med ungef?r samma vinkelhastighet, vilket leder till tanken att masst?theten i galaxer ?r densamma f?r de omr?den d?r majoriteten av stj?rnorna finns, och f?r de omr?den (vid skivans kant) d?r det finns f? stj?rnor.

Trots det faktum att f?rekomsten av m?rk materia accepteras av de flesta forskare, finns det inga direkta bevis f?r dess existens. Alla dessa bevis ?r indicier.

Enligt Erik Verlinde kan allt f?rklaras utan till?gg modern modell existensen av ett universum av mystisk materia som inte kan uppt?ckas. Verlinde s?ger att hans hypotes har testats och exakt f?ruts?ger rotationshastigheten f?r stj?rnor runt mitten av v?r galax, s?v?l som rotationshastigheten f?r de yttre regionerna av andra galaxer runt ett gemensamt centrum.

"Den nya visionen av gravitationsteorin ?verensst?mmer med forskarnas observationer. "I stort sett uppf?r sig gravitationen helt enkelt inte s? bra i stor skala som Einsteins teori f?rutsp?r," sa Verlinde.

Vid f?rsta anblicken liknar de grundl?ggande principerna i Verlindes hypotes de f?r andra hypoteser, inklusive MOND (modifierad Newtonsk dynamik). Men i sj?lva verket ?r det inte s?: MOND modifierar helt enkelt den allm?nt accepterade teorin med hj?lp av dess principer och best?mmelser. Men den holl?ndska hypotesen arbetar med nya principer, utg?ngspunkten ?r en annan.

Hypotesen fann en plats f?r den holografiska principen, formulerad av l?raren Verlinde Gerard 't Hooft (fick Nobelpriset 1999) och vetenskapsmannen Leonard Susskind (Stanford University) Enligt denna princip kan all information i universum beskrivas som en gigantisk imagin?r sf?r runt den. Teorin vid gr?nserna f?r det omr?de av rymden som studeras b?r inneh?lla h?gst en frihetsgrad per Planck-omr?de menar att denna teori inte tar h?nsyn till att en del av informationen i v?rt universum ?r inte bara en projektion, det ?r ganska verkligt.

Och denna ytterligare information ?r just orsaken till den snabbare rotationen av galaxernas yttre regioner j?mf?rt med ber?knade v?rden. Verklig information i v?rt universum kan f?rklara ytterligare en faktor - m?rk energi, vilket man nu allm?nt tror ?r fr?msta orsaken nonstop expansion av universum. Dessutom, som Nobelpristagarna Saul Perlmutter, Saul Perlmutter, Brian Schmidt och Adam Riess visade 1998, ?r universums expansionshastighet inte konstant, som tidigare trott, denna hastighet ?kar st?ndigt. Den allm?nt accepterade teorin ?r att m?rk energi st?r f?r cirka 70% av inneh?llet i universum, och forskare f?rs?ker hitta sp?r av den i mikrov?gsbakgrundsstr?lningen.

Professorn h?vdar att m?nga fysiker nu arbetar med att revidera gravitationsteorin, och vissa framsteg p? detta omr?de har redan gjorts. Enligt holl?ndaren st?r vetenskapen p? gr?nsen till en revolution som kan f?r?ndra m?nniskors f?rest?llningar om rummets, tidens och gravitationens natur.

Samtidigt forts?tter m?nga fysiker att tro att m?rk energi och materia ?r verkliga. S?ledes publicerade Sesandri Nadathur fr?n University of Portsmouth (UK) sitt arbete f?rra m?naden i

Det vi kallar framsteg ?r
?r att ers?tta ett problem med ett annat.
Henry Havelock Ellis

Teorier om gravitation alternativ till allm?n relativitet

Ingenting g?r v?rt liv s? h?r
trevlig som oundviklig
alternativ.
Folklig visdom

Allt flyter, allt f?r?ndras. Det fanns en tid n?r det verkade som att det inte fanns n?got behov av att ?nska sig en b?ttre teori om gravitation ?n Newtons. Genom hela boken har vi beskrivit hur, steg f?r steg, den allm?nna relativitetsteorin "tog sin plats i solen." Det ?r bara n?gra ?r kvar till hennes 100-?rsdag. Vad ?r dess status nu? Utan tvekan ?r GTR den mest popul?ra teorin om gravitation, fr?mst inom astrofysik och kosmologi, och vi f?rs?kte visa detta. Teorin om stj?rnors struktur och evolution, s?rskilt i slutskedet; effekter p? ytan av kompakta och ultrat?ta f?rem?l; kosmologiska modeller i olika epoker evolutioner och mycket mer kan inte ber?knas p? ett tillfredsst?llande s?tt utan att anv?nda allm?n relativitetsteori. Baserat p? de effekter som f?rutsp?tts av Allm?n relativitet, skapas hela forskningsomr?den - s?kandet efter gravitationsv?gor, studiet av gravitationslinser, etc. Som en del av teoretisk fysik anv?nds allm?n relativitet ocks? i m?nga grundforskningar.

Faktum ?r att omedelbart efter bekr?ftelse av klassiska tester, fick allm?n relativitetsteori en aldrig tidigare sk?dad popularitet. Men, naturligtvis, genom att m?ta avb?jningen av en ljusstr?le fr?n en avl?gsen stj?rna i solens gravitationsf?lt, f?rskjutningen av perihelia av planeter i solsystemet, s?v?l som den r?da gravitationsf?rskjutningen i jordens f?lt, saken slutade inte och kunde inte sluta. Sedan den f?rdigst?lldes 1915 har b?de de grundl?ggande principerna och ekvationerna kontinuerligt testats och testats om med ?kande precision. D?remot erh?lls inga resultat som skulle mots?ga den allm?nna relativitetsteorien. Dessutom har det l?nge anv?nts f?r praktiska ?ndam?l, som att ber?kna banorna f?r satelliter, planeter och banor f?r interplanet?ra fordon.

Vi kan s?ga att effekterna av allm?n relativitet redan anv?nds i vardagen: att ?ka noggrannheten i navigering och sp?rningssystem som GPS. Det finns 24 till 27 satelliter konstant i omloppsbana p? en h?jd av 20 000 km. F?r att f?rb?ttra noggrannheten anv?nds signaler fr?n flera satelliter som utbyter signaler med enheter p? jorden. Detta kr?ver strikt synkronisering av klockor p? alla anl?ggningar. Det visar sig att atomklockornas noggrannhet inte r?cker. Det ?r n?dv?ndigt att ta h?nsyn till avmattningen av klockan, som uppst?r, enligt den allm?nna relativitetsteorien, i jordens gravitationsf?lt. Med andra ord, samma timmar p? jorden g?r de l?ngsammare ?n i omloppsbana. F?r en h?jd p? 20 000 km ?r denna skillnad 38 ms per dag och kommer att leda till ett fel vid best?mning av avst?ndet p? upp till 10 m F?r att kompensera f?r denna effekt justeras klockfrekvensen "enligt passet" i omloppsbanan l?ngsamt. Om de s?nks fr?n omloppsbana och placeras bredvid dem p? jorden, kommer de att f?rsenas med 38 mikrosekunder per dag.

Fram till nu har v?r presentation faktiskt visat framg?ngarna med GTR, och det kan tyckas att p? grund av denna rosenr?da bild, f?rutom GTR, har inga andra teorier ?verv?gts, inget annat f?reslogs eller allt "icke-einsteinskt" har sopats ?t sidan. . Inte alls. Aktiviteter f?r att skapa teorier om gravitation har varit och f?rblir mycket kraftfulla. Utvecklingen av teorier och deras aktiva och omfattande testning gick hand i hand under hela 1900-talet och fram?t.

De flesta tester kan klassificeras i specialklasser som f?reslagits av den amerikanske relativisten Clifford Will 2001:

De enklaste anledningarna.
Einsteins likv?rdighetsprincip.
Parameteriserad post-newtonsk formalism.

Vi kommer att prata om efterlevnad av de tv? sista klasserna nedan, men l?t oss nu diskutera vad "de enklaste grunderna" ?r?

I b?rjan av 1970-talet sammanst?llde en grupp forskare fr?n California Institute of Technology, ledd av LIGO-projektideolog professor Kip Thorne, samt Clifford Will och taiwanesiska fysikern Wei-Tou Ni, en lista ?ver gravitationsteorier fr?n 1900-talet. F?r varje teori de fr?gade f?ljande fr?gor om problemet med de enklaste grunderna:

?r teorin sj?lvst?ndig?
?r det komplett?
?r det konsekvent, inom n?gra f? standardavvikelser, med alla experiment som har utf?rts hittills?

Kriteriet "?verensst?mmelse med alla experiment som hittills genomf?rts" ersattes ofta med kriteriet "?verensst?mmelse med majoriteten av konsekvenserna av Newtons mekanik och speciell teori relativitet."

Sj?lvst?ndighet icke-metriska teorier inkluderar krav t.ex. fr?nvaron i sina l?sningar av tachyoner, hypotetiska partiklar som r?r sig med hastigheter st?rre ?n ljuset; fr?nvaro av problem i beteendet hos f?lt i o?ndligheten, etc.

F?r att gravitationsteorin ska vara full, den m?ste kunna beskriva resultaten av alla t?nkbara experiment, den m?ste ?verensst?mma med andra fysikaliska teorier bekr?ftade av experiment. Till exempel ?r varje teori som inte kan f?ruts?ga fr?n f?rsta principer planeternas r?relse eller beteendet hos atomklockor ofullst?ndig.

Ett exempel p? en ofullst?ndig och icke-sj?lvkonsistent teori ?r Newtons gravitationsteori i kombination med Maxwells ekvationer. I en s?dan teori avleds ljus (som fotoner) av gravitationsf?ltet (om ?n tv? g?nger svagare ?n i den allm?nna relativitetsteorien), och ljus (som elektromagnetiska v?gor) - Nej.

Om en teori inte uppfyllde dessa kriterier, s? hade de ?nd? inte br?ttom att kassera den. Om en teori var ofullst?ndig i sina grunder, f?rs?kte gruppen komplettera den med sm? f?r?ndringar, vanligtvis reducerade teorin i fr?nvaro av gravitation till speciell relativitet. F?rst efter detta drogs en slutsats om det var v?rt att ?verv?ga ytterligare. Det fanns flera dussin teorier som f?rtj?nar uppm?rksamhet p? 70-talet. Det ?r sv?rt att s?ga, men under de senaste tv? eller tre decennierna kan deras antal ha n?tt hundra eller mer. Allt beror p? svaret p? fr?gan om vad som anses vara en teori och vad som ?r en klass av teorier. D?rf?r genomf?rs urval enligt olika kriterier nu och med ?nnu st?rre passion. Detta ?r oerh?rt viktigt, eftersom det finns f?ruts?ttningar att under de kommande decennierna, antingen i liten skala, eller i stor skala, eller samtidigt, kommer den allm?nna relativitetsteorin att f?r?ndras.

Verifiering av allm?n relativitet i planetsystems skala

L?t oss nu komma ih?g att grunden f?r GTR som en metrisk teori ?r principen om ekvivalens och postulatet f?r r?relse l?ngs geodetik. Det ?r k?nt att dessa principer, om de etableras med absolut noggrannhet, endast uppfylls av "rent" metriska teorier (med mindre reservationer), dvs teorier d?r gravitationsf?ltet ?r representerat endast metrisk tensor. Det visar sig att allm?n relativitet bara ?r det enklast version av den metriska teorin. Utan att p? n?got s?tt bryta mot dessa grundl?ggande principer kan man f?rest?lla sig en or?knelig (utan ?verdrift) m?ngd olika metriska teorier. Hur kan d? teorin ?ndras? Vad finns det att f?rst? i det h?r fallet? Naturligtvis ?r det bara experiment och observation som kan s?tta allt p? plats. Men att klassificera alternativa f?rslag kr?ver en egen strategi.

Jobbar p? standardformalism Arthur Eddington (1882–1944) b?rjade testa alternativa gravitationsmodeller redan 1922. F?rb?ttringen av denna formalism, p? ett eller annat s?tt, fortsatte i decennier, och de amerikanska fysikerna Clifford Will och Kenneth Nordvedt avslutade arbetet 1972. De f?reslog den s? kallade parametriserade post-newtonska (PPN) formalismen. Den ?r designad f?r teorier antingen rent metriska eller med ett effektivt m?tt som representerar kr?kt rumtid d?r fysiska interaktioner f?rekommer. Endast avvikelser fr?n Newtons mekanik beaktas, s? formalismen ?r endast till?mplig p? svaga omr?den. I allm?nhet finns det 10 PPN-parametrar. N?r det g?ller allm?n relativitet ?r 2 av dem lika med en och de ?terst?ende 8 ?r lika med noll.

Hur ?r PPN-formalismen anv?ndbar f?r att kontrollera allm?n relativitet? Ny teknik g?r det m?jligt att sp?ra himlakropparnas r?relser ganska exakt, och det moderna standardtestet fungerar enligt f?ljande. Anv?nder de allm?nna relativitetsekvationerna exakt I PPN-form ber?knas banorna f?r kroppar i solsystemet. Denna typ visar sig vara den mest konstruktiva. De j?mf?rs sedan med observationsdata. Det nuvarande resultatet ?r att korrespondensen teoretisk PPN-parametrar f?r allm?n relativitet m?rkbar bekr?ftas med en noggrannhet p? tiondelar till hundradelar av en procent - detta ?r mycket h?g noggrannhet.

Andra exakta tester ?r observationer av dubbla pulsarer: system som best?r av tv? neutronstj?rnor, av vilka ett dussin ?r nu k?nda. Dessutom finns system som best?r av en radiopulsar och en vit dv?rg, de ?r ?ven l?mpliga f?r tester. Baserat p? dessa observationer ber?knas orbitalparametrarna. Det visar sig att avvikelser fr?n Kepler-v?rden sammanfaller med de avvikelser som f?rutsp?s av allm?n relativitet, ocks? med en noggrannhet p? tiondelar och hundradelar av en procent. Experter ?r mycket optimistiska om m?jligheterna att ?ka noggrannheten n?r man studerar dubbla pulsarer. Det bygger p? det faktum att neutronstj?rnor har dimensioner p? tiotals kilometer i system med omloppsstorlekar p? miljontals kilometer. I s?dana system ?r stj?rnor faktiskt punktobjekt. Deras inre struktur, inre r?relser och deformationer har praktiskt taget ingen effekt p? banorna. I motsats till detta, i solsystemet, begr?nsar alla dessa faktorer, s?v?l som p?verkan av m?nga "grannar", avsev?rt f?rb?ttringen i noggrannhet. F?r att sammanfatta kan vi s?ga att p? planetsystems skala har generell relativitet bekr?ftats med h?g noggrannhet och noggrannheten i m?tningarna kommer att ?ka.

Behovet av modifiering av GTO

Vi m?ste f?rst f?r?ndra v?rt liv,
efter att ha gjort om den kan du sjunga.
Vladimir Majakovskij

Forskning om att skapa teorier om alternativ allm?n relativitetsteori, mestadels metriska s?dana, slutar dock inte. Varf?r? Allm?n relativitet ?r v?l bekr?ftad, som nyss sagts, p? solsystemets skala. Testa teorin p? b O I st?rre eller mindre skala ?r det mycket sv?rare. Allm?n relativitetsteori, som alla andra teorier, ?r bara en modell f?r att beskriva verkliga fenomen. Det ?r d?rf?r verklig natur kan sammanfalla med f?ruts?gelserna om allm?n relativitet p? planetsystems skala, men skiljer sig p? andra skalor.

Samtidigt tyder m?nga moderna teoretiska och empiriska data p? att det ?r s? det borde vara, och modifieringar ?r n?dv?ndiga. Till exempel, i m?nga l?sningar av allm?n relativitet ?r det n?dv?ndigt att ?verv?ga starka gravitationsf?lt, enorma t?theter etc. Och detta kr?ver kvantisering av gravitationsf?ltet. Trots betydande anstr?ngningar uppn?ddes ingen avg?rande framg?ng p? detta omr?de. Detta tyder p? att gravitationsteorin m?ste modifieras i sm? skalor d?r kvantisering kr?vs. ? andra sidan tenderar m?nga ledande experter att tolka den senaste uppt?ckten av den accelererade expansionen av universum som en geometrisk effekt som kan "erh?llas" genom att modifiera den allm?nna relativiteten p? kosmologiska skalor. Oavsett detta leder resultaten av forskning i fysik av fundamentala interaktioner till behovet av f?r?ndringar i den allm?nna relativitetsteorien i stor och liten skala.

N?r det g?ller genomf?rbara teorier finns det ingen etablerad terminologisk skillnad f?r alternativa, modifierade eller nya teorier. Alla utvecklar p? ett eller annat s?tt allm?n relativitet, eftersom de inte f?r fungera s?mre p? den skala d?r den bekr?ftas. N?r man utvecklar modifieringar av allm?n relativitet eller nya teorier j?mf?r f?rfattarna dem med generell relativitet i motsvarande regimer p? samma s?tt som allm?n relativitet j?mf?rs med Newtons gravitation. Om du vill m?ste samma princip f?r korrespondens vara uppfylld, men i ett nytt kognitionsstadium.

F?r n?rvarande, vid m?nga konferenser om gravitationsteorin, ?gnas hela avsnitt ?t generaliserade (eller alternativa) teorier, separata samlingar publiceras om detta ?mne, och vissa teorier blir mer och mer oberoende. Vilka ?r de fr?msta popul?raste och mest lovande riktningarna i denna utveckling?

F?r det f?rsta ?r GTR en rent metrisk (eller rent tensor) teori. Det betyder att rumtidens och materiens geometri p?verkar varandra utan mellanh?nder. Det finns ett o?ndligt antal s?dana teorier som kan konstrueras (som vi redan har diskuterat), och de utvecklas aktivt. I regel skiljer sig dessa teoriers ekvationer fr?n ekvationerna f?r allm?n relativitet genom att de kompletteras med kvadratiska termer och termer av h?gre ordning i kr?kning. Ytterligare termer tr?der vanligtvis in med sm? koefficienter som ger ?verensst?mmelse med observationer, s?g, p? planetsystems skala, men avsev?rt f?r?ndrar l?sningarna p? kosmologiska skalor.

En annan klass av alternativa teorier k?nnetecknas av att geometrins och materiens inflytande p? varandra utf?rs genom ett ytterligare f?lt, oftast ett skal?rt eller vektorf?lt. Bidraget fr?n dessa omr?den kanske inte ?r betydande. Moderna alternativa teoriers avvikelse fr?n allm?n relativitet b?r uttryckas i skillnaden i motsvarande PPN-parametrar. F?r att bed?ma livskraften f?r en teori som skiljer sig fr?n allm?n relativitet (f?r att testa den), ?r det n?dv?ndigt att registrera avvikelser fr?n v?rdena f?r PPN-parametrar i allm?n relativitet p? niv?n 10 –6 –10 -8. Det betyder att noggrannheten i m?tningar, b?de i solsystemet och i bin?ra pulsarer, m?ste f?rb?ttras med 1–3 storleksordningar.

Horzavas teori om gravitation

Denna teori ?r en av varianterna av vektor-tensorteorier om gravitation och ?r kanske den mest popul?ra f?r tillf?llet. Det ?r d?rf?r vi pratar om henne. Teorin f?reslogs 2009 av en amerikansk str?ngteoretiker av tjeckiskt ursprung, Petr Horzhava. Det skiljer sig n?got fr?n konventionella vektor-tensorteorier eftersom det anv?nder en skal?r gradient ist?llet f?r ett vektorf?lt. ? ena sidan ?r vektorteoriernas egenskaper bevarade, ? andra sidan finns det specifika egna anv?ndbara egenskaper.

L?t oss ?terigen komma ih?g att den konsekventa kvantteorin Det var inte m?jligt att skapa gravitation d?r det inte skulle finnas n?gra divergenser p? grundval av allm?n relativitet. D?rf?r f?resl?s olika modifieringar, som p? kvantskalor v?sentligt avviker fr?n den allm?nna relativitetsteorien och blir "l?mpliga" f?r kvantisering. F?r att g?ra detta, n?r man konstruerar dem, f?r?ndras vissa principer som ligger till grund f?r den allm?nna relativitetsteorien, det vill s?ga att de visar sig vara kr?nkta. Naturligtvis m?ste denna kr?nkning vara s? liten att den inte mots?ger laboratorietester, och s? att teorins effekt p? planetsystems skala, d?r det finns god ?verensst?mmelse med observationer, inte f?r?ndras. Detta ?r precis vad Horzhavas teori ?r. Vi kommer inte att prata om hur anm?rkningsv?rt det ?r i betydelsen kvantisering, detta ?r n?got bortsett fr?n ?mnet f?r boken, men vi kommer att prata om dess egenskaper som en gravitationsteori - hur och hur de skiljer sig fr?n liknande egenskaper hos allm?n relativitet.

Lorentz invarians. Vi har redan diskuterat det faktum att allm?n relativitet s? att s?ga "v?xte" fr?n den speciella relativitetsteorin - mekaniken f?r h?ga hastigheter j?mf?rbara med ljusets hastighet. L?t oss komma ih?g att i SRT r?r sig alla tr?ghetsreferenssystem i f?rh?llande till varandra enhetligt och r?tlinjigt, ?r likv?rdiga. Det ?r viktigt att komma ih?g om tidsm?tningar i SRT. I varje tr?ghetsreferensram g?r klockan i sin egen takt, annorlunda ?n klockfrekvensen i andra ramar , om man j?mf?r dem. D?remot kan varken "b?sta" eller "s?msta" tempot v?ljas om klockorna ?r strukturellt identiska. Det ?r egen tid varje tr?ghetssystem har lika r?ttigheter i f?rh?llande till de andra. Detta inneb?r att det inte finns n?gon dedikerad tid i SRT.

Vi sa ocks? att i geometriskt spr?k ?r invarians i SRT n?r man g?r fr?n en tr?ghetsreferensram till en annan ekvivalent med invarians under Lorentz-rotationer i allt platt rum-tid. I den allm?nna relativitetsteorien, p? grund av gravitationens "p?slagning" och f?ljaktligen rumtidens kr?kning, Lorentz-invarians i allt rum-tid ?r inte l?ngre m?jligt. Emellertid f?rblir den allm?nna relativitetsteorien Lorentz of?r?nderlig lokalt, det vill s?ga i ett litet omr?de f?r varje observat?r. Denna invarians ?r en av principerna bakom GTR och ?r associerad med principen om ?verensst?mmelse mellan GTR och STR.

Kronometrisk teori. I ett antal modifieringar av allm?n relativitet ?r det den lokala Lorentz-invariansen som kr?nks. Bland dem finns Horzhavas teori. Nyligen har en av dess implementeringar, den s? kallade "livskraftiga" ("friska") icke-projektiva versionen, utvecklad av de amerikanska fysikerna Diego Blas och Oriol Pujolas och v?r landsman Sergei Sibiryakov, blivit s?rskilt popul?r. De effekter som diskuteras nedan relaterar huvudsakligen till denna modifiering av den allm?nna relativitetsteorien.

S?, hur skiljer sig Horzhavas teori fr?n allm?n relativitet? Ut?ver alla vanliga f?lt inom allm?n relativitet tillkommer ett skal?rt f?lt f, men inte p? vanligt s?tt. Riktning dess f?r?ndringar i rum-tid definierar en speciellt tilldelad tidens riktning. Det ?r d?rf?r ett skal?rt f?lt kallas ett f?lt kronon. D? ?r ytorna med konstanta v?rden i det skal?ra f?ltet ytor med konstant tid, eller "samtidighet". Det skal?ra f?ltet kommer in i ekvationerna endast genom derivator, s? det finns ingen anledning att oroa sig f?r o?ndliga v?rden i krononf?ltet. Endast dess f?r?ndring ?r betydande, inte dess v?rderingar. Eftersom det finns en vald riktning i rum-tid, finns det utvalda referenssystem. Detta ?r inte karakteristiskt f?r vare sig STR eller GTR, men ?r karakteristiskt f?r vektor-tensorteorier. F?r tydlighetens skull kommer vi att ge ett enkelt "leksak"-exempel. En av l?sningarna i den nya teorin ?r platt rumtid (som i SRT) plus ett krononf?lt, som visar sig vara bara tid, f = t. Vi kan g? till SRT med Lorentz-transformationer fr?n ett koordinatsystem x, t till en annan x", t", d?r tiden flyter annorlunda. I den nya teorin kan vi inte, eftersom v?rdet p? det skal?ra f?ltet inte ?ndras under koordinattransformationer, och nu ?r det dags. H?r finns allts?, till skillnad fr?n bensinstationen, en klocka som r?knar ner den tilldelade tiden.

Eftersom gravitationsf?ltet i allm?n relativitet ?r f?ltet f?r rum-tidsmetriken, ?r det tydligt varf?r den nya teorin kallas krono metrisk. Acceptabla begr?nsningar av parametrarna f?r den kronometriska teorin g?r det m?jligt att undvika divergens under kvantisering. L?t oss upprepa igen: eh det var vad som h?nde huvudm?l dess konstruktion. Men detta ?r en teoretisk framg?ng, och det ?r nu knappast m?jligt att testa kvanteffekter av denna niv?.

Den nya teorin m?ste dock ocks? f?r?ndras i klassiska (icke-kvant) manifestationer. Och detta g?r det m?jligt att bevisa eller motbevisa dess r?tt att existera. D?refter kommer vi att visa i vilka klassiska fenomen och hur mycket den kronometriska teorin skiljer sig fr?n den allm?nna relativitetsteorin, om effekterna av den nya teorin kan identifieras i observationer, och vi kommer att illustrera skillnaden f?r n?gra teoretiska modeller. F?r att g?ra detta kommer vi att diskutera de mest sl?ende, enligt v?r mening, exemplen.

Gravitationsv?gstr?lning. L?t oss komma ih?g att gravitationsv?gen i allm?n relativitet ?r tv?rg?ende, tensor, har tv? polarisationer (se fig. 10.2) och fortplantar sig med ljusets hastighet. Gravitationsv?gor finns ocks? i Horzavas teori. Ut?ver de tv? redan n?mnda tensorpolarisationerna finns det dock en skal?r grad av frihet. Detta inneb?r att under p?verkan av en s?dan v?g kommer longitudinella (i v?gutbredningsriktningen) f?rskjutningar att l?ggas till r?relsen av testpartiklar. Det viktiga ?r att tensor- och skal?rkomponenterna har olika hastigheter distribution. Dessutom b?r b?da hastigheterna, som ?r beroende av parametrarna f?r Horzhava-modellen ?verstiga(!) ljusets hastighet, ?ven om det ?r obetydligt. Dessa skillnader fr?n allm?n relativitet ?r intressanta, men tyv?rr ?n s? l?nge bara teoretiska. Det finns fortfarande ingen direkt detektering av gravitationsv?gor, s? att registrera de noterade skillnaderna verkar vara en fr?ga om en avl?gsen framtid.

?nd? finns det indirekt bekr?ftelse p? att det finns gravitationsstr?lning. Dessa ?r observationer av dubbla pulsarer, minskningen av storleken p? deras banor indikerar en f?rlust av energi genom gravitationsv?gstr?lning. Denna effekt ?r i enlighet med allm?n relativitet med en relativ noggrannhet p? 10 -2, som vi redan har diskuterat. Men f?ruts?gelserna om allm?n relativitet och Horzhavas teori ?r olika. D?rf?r, om det senare ?r genomf?rbart, finns det en chans att en ytterligare ?kning av noggrannheten kommer att avsl?ja dessa skillnader och f?rtydliga parametrarna f?r den nya teorin.

Partikelinteraktion. Omedelbar handling. Nu f?r den kronometriska teorin kommer vi att ?verv?ga interaktionen mellan gravitationsf?ltet och materia. Vi kommer endast att diskutera den f?rsta (linj?ra) approximationen, som kan vara tillg?nglig f?r observationer. I denna ordning undertrycks effekterna associerade med ?vertr?delsen av Lorentz-invariansen av olika anledningar, men krononf?ltet ?r n?rvarande, det ing?r p? ett Lorentz-invariant s?tt i den s? kallade effektiva metriken. Det vill s?ga, GTR-m?ttet modifieras, och materia fortplantar sig inte i den ursprungliga rum-tiden, utan i n?gon effektiv rum-tid, och p? ett universellt s?tt. Kanske ?r det i framtiden denna interaktion som kommer att till?ta oss att uppt?cka de klassiska fenomen som representeras av den kronometriska teorin.

Vid approximation av svaga f?lt och l?ga hastigheter borde Newtonsk gravitation bli gr?nsen f?r gravitationsteorin. I den senare representeras v?xelverkan mellan tv? partiklar av den ber?mda Newtons lag, d?r kraften ?r proportionell mot massorna, gravitationskonstanten, omv?nt proportionell mot kvadraten p? avst?ndet, men beror inte p? hastigheter dessa partiklar. N?rvaron av krononf?ltet ?ndrar och kompletterar denna lag enligt f?ljande. Lite gravitationskonstanten f?r?ndras, nu kallas det effektiv, och visas hastighetsberoende. M?jligheten att uppt?cka dessa effekter best?ms av den kronometriska teorins kopplingskonstanter.

Krononf?ltets inflytande visar sig ocks? i det faktum att vissa interaktioner kan spridas omedelbart(!), dvs i o?ndlig hastighet. Hur kom denna slutsats? Vanligtvis inneh?ller ekvationer f?r st?rningar en v?goperator, som best?r av tv? delar: rumslig och tidsm?ssig. Magnitud, omv?nd koefficienten f?r den andra delen ?r kvadraten p? hastigheten f?r utbredning av st?rningar. Den fullst?ndiga fr?nvaron av den andra delen betyder att denna hastighet ?r o?ndlig. En del av ekvationerna i Horzhavas teori har just denna struktur. H?r ?r det l?mpligt att dra en analogi med Newtons teori. I den, precis som i den kronometriska teorin, framh?vs tidsfl?det ("absolut tid") och gravitationsinteraktionen sprider sig omedelbart.

Hur kan man f?rest?lla sig omedelbar distribution? F?rest?ll dig en yta med konstant tid, sedan f?rdas signalen, som fortplantar sig p? den (det vill s?ga utan att ?ndra tid), omedelbart vilken str?cka som helst. Detta ?r oacceptabelt i s?dana relativistiska teorier som STR eller GTR. L?t oss titta p? diagrammet i fig. 12.1. T?nk p? tre punkter i rymden: A, B och C. I stunden t = 0 dessa po?ng motsvarar h?ndelser A 0 , B 0 , C 0 , som inom ramen f?r SRT inte ?r kausalt relaterade. Bara i stunden t 1 h?ndelse A 0 blir kausalt relaterat till h?ndelsen B 1 vid punkten B, och f?r tillf?llet t 2 och med event C 2 vid punkten C. Som det borde vara i STR (eller GTR) ?r utbredningen av signaler t?tt kopplad och begr?nsad av ljuskoner. I Horjavas teori kanske detta inte ?r fallet f?r vissa interaktioner. Omedelbar spridning inneb?r att alla tre h?ndelserna A 0 , B 0 , C 0 vid tidpunkten t = 0, intr?ffade som en konsekvens av en omedelbart fortplantningssignal, det vill s?ga de kan vara orsaksrelaterade. En s?dan "fantastisk" m?jlighet begr?nsar dock inte den kronometriska teorin p? ett avg?rande s?tt. Tidens riktning g?r att begreppet samtidighet ?r unikt definierat, s? det finns inga problem med kausalitet, inte ens en s? exotisk s?dan.

Solsystem. F?r att testa n?gon gravitationsteori n?r man m?ter r?relser i ett planetsystem anv?nds PPN-formalismen. Som i vilken vektorteori som helst m?ste det finnas i Horzhavas teori effekterna av en privilegierad referensram Detta leder till det faktum att PPN-parametrarna f?r gruppen a visar sig vara icke-noll. I sj?lva verket, f?rutom de tv? PPN-parametrarna som ?r inneboende i allm?n relativitet, har den kronometriska teorin tv? till: a 1 och a 2 . F?r att undvika mots?gelser med observationer m?ste de vara tillr?ckligt sm?: a 1 <= 10 -4 och a 2 <= 10 -7. Vi kommer att v?nta p? en ?kning av noggrannheten i m?tningarna, d? kanske existensen av a 1 och a 2 (och d?rf?r Horzhavas teori) kommer att bekr?ftas eller vederl?ggas.

Svarta h?l. I allm?n relativitetsteori ?r ett svart h?l ett objekt d?r den centrala delen, vanligtvis singular, ?r omgiven av en sf?risk yta som kallas h?ndelsehorisonten. Dess n?rvaro beror p? det faktum att det i allm?n relativitet finns en begr?nsande hastighet - det h?r ?r ljusets hastighet. Den huvudsakliga egenskapen hos ett svart h?l ?r att i generell relativitet kan ingen partikel, inget f?lt eller ens en ljussignal l?mna det, det vill s?ga g? bortom h?ndelsehorisonten.

Inom kronometrisk teori finns det ocks? l?sningar som beskriver f?rem?l som svarta h?l. Men l?t oss komma ih?g att i denna teori finns det ingen begr?nsande hastighet som kan fortplanta sig med en hastighet som ?r h?gre ?n ljusets hastighet och till och med omedelbart. Om denna m?jlighet fanns i den allm?nna relativitetsteorien, s? skulle sj?lva begreppet en h?ndelsehorisont f?rlora sin mening, eftersom det blir m?jligt att l?mna ett objekt samtidigt som det befinner sig b?de p? h?ndelsehorisonten och under det. I det h?r fallet verkar mots?gelser relaterade till systemets termodynamik, s?som en minskning av entropin. F?r n?rvarande ?r alla l?sningar f?r svarta h?l i Horzavas teori inte k?nda p? grund av sin ungdom, men bland de k?nda finns de som g?r att man kan undvika dessa komplikationer. Det visar sig att det i ett svart h?l, inom ramen f?r kronometrisk teori, kan finnas en s? kallad universell horisont. Den ligger under h?ndelsehorisonten ("n?rmare" singulariteten) och ?r anm?rkningsv?rd genom att den konstanta tiden dyker upp under den korsa inte hans. Detta inneb?r att en signal med j?mn o?ndlig hastighet (momentan) inte kan komma ut under denna mellanliggande horisont. Och f?r s?dana f?rem?l tas de ovan n?mnda mots?ttningarna bort.

I fig. Figur 12.2 visar det s? kallade Penrose-diagrammet ?ver ett svart h?l fr?n Schwarzschild. Po?ng i- Och i+ representerar hela det f?rflutnas tidsm?ssiga o?ndlighet och framtidens hela tidsm?ssiga o?ndlighet, punkt i 0 f?renar all rumslig o?ndlighet. Hetero Bi+ ?r h?ndelsehorisonten f?r ett Schwarzschild svart h?l - detta kan ses fr?n platsen f?r ljusk?glorna. Verkligen en kvadrat Bi + i 0 i– - allt detta ?r yttre rum-tid utanf?r h?ndelsehorisont, medan triangeln i + Bi+ ?r rum-tid under h?ndelsehorisont, varifr?n signalen inte kan g? till det yttre omr?det, och d?r den streckade linjen ?r singulariteten r = 0. ?verlagrat p? Schwarzschild-h?ldiagrammet ?r det svarta h?lsdiagrammet f?r den kronometriska teorin. Alla kurvor ansluter i 0 och i+ , ?r tv?rsnitten av det konstanta f?ltet f?r kronon j = konst, samma sak, konstant tid (samtidighet). Fettb?gen ?r den enda universell horisontz=? z + , under den, n?rmare singulariteten, b?gar i + i+ , som f?rbinder ?ndarna av den streckade linjen ?r ocks? sektioner av konstant tid (samtidigt). Det ?r tydligt att om en signal i den kronometriska teorin sprider sig till och med omedelbart, det vill s?ga l?ngs tv?rsnitten av samtidighet, kommer den inte att kunna korsa den universella horisonten och l?mna det kronometriska svarta h?let.

Kosmologi. P? universums skala har Horzhavas teori ocks? en chans att deklarera sin livskraft. L?t oss diskutera kosmologiska l?sningar i den nya teorin. De kommer att vara ungef?r desamma som i allm?n relativitet, med skillnaden att ist?llet f?r den vanliga gravitationskonstanten G den effektiva gravitationskonstanten kommer att visas G E. L?t oss nu komma ih?g den modifierade Newtons lag som diskuterades ovan. Det verkar sin egen effektiva gravitationskonstant, annorlunda ?n G, l?t oss beteckna det G I. Uppskattningar gjorda f?r skillnaden: | G I - G E| <= 0,1.

Det finns inget f?rbud mot att ett betydande v?rde f?r denna skillnad ska fastst?llas i framtiden, men det ?r ocks? m?jligt att den kommer att uteslutas.

Baserat p? generell relativitetsteori har en teori om kosmologiska st?rningar utvecklats som v?l ?verensst?mmer med observationer. Det till?ter till exempel att f?rklara strukturera, det vill s?ga f?rdelningen av galaxer och deras kluster i det observerbara omr?det av universum. Icke desto mindre, om, med ?kande observationsnoggrannhet, en anisotropi som inte f?ruts?gs av den allm?nna relativiteten uppt?cks, s?g, s? ?r detta en anledning att v?nda sig till Horzhavas teori. Khorzhavas teori ?r s? ung att det ?r osannolikt att den sj?lv och de slutsatser som dras p? grundval av den kan anses vara etablerade och allm?nt accepterade. Trots detta framst?r b?de teorin som helhet och slutsatserna som v?ldigt sp?nnande och viktiga.

Flerdimensionella modeller

Hej, Multidimensionality!
Victor Bokhinyuk

Under det senaste ?rhundradet har olika gravitationsteorier konstruerats, p? ett eller annat s?tt, som oberoende teorier, det vill s?ga "underifr?n". Under de senaste decennierna har situationen f?r?ndrats: konstruktionen av teorier om gravitation stimuleras av utvecklingen av grundl?ggande teorier, olika modeller gravitationen ?r en del av dem och "kristalliserar" inom gr?nserna f?r dessa teorier. Det vill s?ga deras skapelse kommer "uppifr?n". Som utmanare f?r "teorier om allting" inkluderar grundl?ggande teorier gravitation.

"Theory of Everything" m?ste fungera under de mest fantastiska f?rh?llanden, inklusive Planck energier. D? fungerar alla interaktioner som en. D?rf?r ?r konstruktionen av s?dana teorier till viss del extrapolering. Och ?verg?ngen fr?n en teori som fungerar under de mest allm?nna f?rh?llanden till v?r v?rlds villkor kommer att vara dess approximation, som kallas l?g energi. ?tminstone b?r observationseffekter i den "ungef?rliga teorin om allting" ske i den v?rld vi observerar. "Gravitationsdelen av teorin om allting" i l?genergigr?nsen tar den form vi ?r bekant med, och den m?ste klara alla tester som allm?n relativitet har klarat. Observera att vissa versioner av "teorin om allt" i l?genergigr?nsen inneh?ller allm?n relativitet som en gravitationsdel exakt.

En viktig egenskap hos fundamentala teorier ?r att som regel, b?de p? kosmologiska skalor och p? mikrov?rldsskalor, anv?nds en rum-tidsdimension st?rre ?n 4. Begreppet multidimensionellt rymd ?r n?dv?ndigt, till exempel, f?r superstr?ngteori, dvs allm?nt accepterad representerar den mest lovande h?genergiteorin som kombinerar kvantgravitation och teorin om s? kallade m?tf?lt. L?genergiimplikationerna av denna teori kr?ver till exempel en (9+1)-dimensionell fundamental rum-tid (ibland (10+1)-dimensionell), medan andra dimensioner ?r f?rbjudna.

Men hur kan det vara d?, vi k?nner oss bara 3 rumsliga och samtidigt O e m?tning? P? mikroskalor kompakteras ytterligare dimensioner (som om de rullats ihop till "r?r"), och detta ?r anledningen till att de inte b?r uppfattas av oss. Ett s?dant utrymme har symmetrier i ytterligare dimensioner, som besvaras av bevarandelagar f?r olika laddningar, precis som Minkowskis utrymmes symmetri besvaras av bevarandelagar f?r energiegenskaper.

Redan p? nuvarande teknikniv? kan experiment med acceleratorer vara viktiga f?r att bekr?fta grundl?ggande teorier. Till exempel, om s? kallade supersymmetriska partners av k?nda partiklar uppt?cks vid Large Hadron Collider vid CERN, kommer detta att inneb?ra att id?n om supersymmetri fungerar, och d?rf?r kan en mer avancerad teori om gravitation verkligen byggas inom ramen f?r str?ngteorin.

Men kan v?rlden ha ut?kade (icke-kompakterade) dimensioner? De f?rsta uttalandena om denna fr?ga gjordes 1983 av Valery Rubakov och Mikhail Shaposhnikov, som forts?tter att aktivt arbeta p? detta omr?de. De visade att i 5-dimensionell rum-tid (med 4-dimensionell rymd) kan all materia koncentreras i endast en 3-dimensionell del av rymden. Konceptet med modeller med branes uppst?r, d?r v?rlden som vi lever i effektivt fokuserad i 3-dimensionellt utrymme, och d?rf?r k?nner vi inte ytterligare ut?kade rumsliga dimensioner.

Under en tid v?ckte modeller av Rubakov-Shaposhnikov-typen inte mycket uppm?rksamhet. Intresset f?r dem b?rjade stimuleras, f?rst och fr?mst, av problemet med hierarkin av interaktioner, vilket inkluderar den extrema svagheten av gravitationsinteraktion. N?r man beskriver v?xelverkan mellan elementarpartiklar kan man gl?mma gravitationsv?xelverkan som en helt obetydlig ?ndring. Men om vi redan har ?tagit oss att f?rklara v?r v?rlds struktur, d? m?ste vi svara p? fr?gan om varf?r gravitationen ?r s? svag.

Det visar sig att flerdimensionella modeller med ut?kade extra dimensioner kan vara mycket anv?ndbara f?r att l?sa dessa problem. Det finns m?nga s?dana modeller. Den kanske mest k?nda ?r modellen som f?reslogs 1999 av de amerikanska kosmologerna Lisa Randall och Raman Sundrum. Faktum ?r att de erbj?d tv? modeller efter varandra.

I den f?rsta av dem ?r den 5-dimensionella v?rlden begr?nsad p? b?da sidor av tv? 4-dimensionella rum-tidssektioner, varav en ?r v?rt universum (tre rumsliga dimensioner plus en tid A Jag ?r koordinaten). Utrymmet mellan de tv? brorna ?r mycket b?jt p? grund av deras "mekaniska" p?frestning. Denna sp?nning leder till att alla fysiska partiklar och f?lt ?r koncentrerade p? endast en av br?narna och inte l?mnar den, med undantag f?r gravitationsinteraktion och str?lning. Det finns tyngdkraft p? denna bran, men den ?r v?ldigt svag, och det h?r ?r den v?rlden, d?r vi bor. P? den andra gr?nsen till den 5-dimensionella v?rlden, otillg?nglig f?r oss, ?r gravitationen tv?rtom v?ldigt stark, och all materia ?r mycket l?ttare och interaktionerna mellan materienspartiklar ?r svagare.

I den andra versionen avst?r Randall och Sundrum-modellen fr?n den andra gr?nsen. Teoretiker gillar den h?r modellen mer. Det till?ter dem att f?rvandla sin ?lskade str?ngteori i femdimensionell rumtid till vanlig kvantteori p? dess fyrdimensionella gr?ns. Utrymmet i denna modell ?r ocks? mycket kr?kt, och dess kr?kningsradie best?mmer den karakteristiska storleken p? den ytterligare femte rumsliga dimensionen. Det finns ingen slutgiltigt erk?nd modell med braner de ?r i en aktiv utvecklingsfas problem identifieras, l?ses, nya dyker upp, l?ses igen, etc.

I fig. Figur 12.3 (v?nster) representerar schematiskt en v?rld p? en kli, d?r ljus (fotoner) fortplantar sig inuti den, men inte kan l?mna sj?lva klian. I fig. 12.3 (h?ger) visar att om v?r v?rld var p? en bran, s? skulle den kunna "sv?va" i den stora vidden av ytterligare dimensioner som f?rblir otillg?ngliga f?r oss, eftersom ljuset vi ser (och inga andra f?lt f?rutom gravitation) inte kan l?mna v?r bran . Det kan finnas andra branv?rldar som flyter omkring oss.

En annan id? som leder till ?verv?gandet av flerdimensionella modeller ?r den s? kallade AdS/CFT-korrespondensen, som uppst?r som en av de specifika implementeringarna av superstr?ngteorin. Geometriskt betyder detta f?ljande. Flerdimensionell (vanligtvis 5-dimensionell) anti-de Sitter (AdS) rymdtid ?verv?gs. Utan detaljer ?r annonsutrymme en tidsrymd med konstant negativ kr?kning. ?ven om den ?r kr?kt har den samma antal symmetrier som platt rumtid av samma dimension, dvs den ?r maximalt symmetrisk . D?refter ?verv?ger vi den rumsliga gr?nsen f?r AdS-utrymmet i o?ndligheten, vars dimension ?r f?ljaktligen en mindre. S? f?r ett 5-dimensionellt annonsutrymme kommer gr?nsen att vara 4-dimensionell, det vill s?ga n?gonstans som liknar den rum-tid som vi lever i. Korrespondensen i sig inneb?r ett visst matematiskt samband mellan denna gr?ns och de s? kallade konforma (skalinvarianta) f?ltteorierna som kan ”leva” p? denna gr?ns. Till en b?rjan studerades denna korrespondens endast i rent matematiska termer, men f?r cirka 10 ?r sedan ins?g man att denna id? ocks? kan anv?ndas f?r att studera teorin om starka interaktioner i den starka kopplingsregimen, d?r konventionella metoder inte fungerar. Sedan dess har forskning som involverar (eller studerar) AdS/CFT-matchning bara tagit fart.

Av vad som s?gs i f?reg?ende stycke ?r det viktigt f?r v?r ?verv?gande att kr?kt rum-tid studeras - AdS-utrymme och dess gr?ns. Arbetsmodeller tar inte h?nsyn till idealiska AdS-utrymmen, utan mer komplexa l?sningar som beter sig som AdS n?r de asymptotiskt n?rmar sig gr?nsen. S?dan rum-tid kan vara en l?sning p? en eller annan multidimensionell teori om gravitation. Det vill s?ga, id?n med AdS/CFT-korrespondens ?r ett annat incitament f?r utvecklingen av multidimensionella teorier.

Ett av huvudproblemen med brane-modeller (och andra h?gdimensionella modeller) ?r att f?rst? hur n?ra de ?r verkligheten. L?t oss beskriva ett av de m?jliga testerna. L?t oss komma ih?g effekten av kvantavdunstning av Hawking svarta h?l. Den karakteristiska f?r?ngningstiden f?r svarta h?l som uppst?r vid explosioner av massiva stj?rnor ?r m?nga storleksordningar l?ngre ?n universums livstid; f?r supermassiva svarta h?l ?r det ?nnu st?rre. Men situationen f?r?ndras i fallet med Randall och Sundrums 5-dimensionella rumtid. Svarta h?l p? v?r bran (aka v?rt universum) borde avdunsta mycket snabbare. Det visar sig att ur synvinkeln av 5-dimensionell rum-tid, r?r sig de svarta h?len i v?rt universum med acceleration. D?rf?r borde de effektivt f?rlora energi (avdunsta ut?ver den normala Hawking-effekten) s? l?nge som storlekarna p? de krympande svarta h?len f?rblir st?rre ?n storleken p? den extra dimensionen (n?got som friktion med den dimensionen). Till exempel, om den karakteristiska storleken p? den extra dimensionen var 50 mikron, vilket ?r ganska m?tbart i laboratoriet, kunde svarta h?l av en solmassa inte leva mer ?n 50 tusen ?r. Om en s?dan h?ndelse intr?ffade framf?r v?ra ?gon skulle vi se hur r?ntgenk?llorna d?r materialet som faller p? det svarta h?let gl?dde pl?tsligt slocknade.

Svarta h?l i multidimensionell allm?n relativitetsteori

S?, steg f?r steg, blir flerdimensionella utrymmen en integrerad del av olika fysiska modeller. Samtidigt v?cker generaliseringen av allm?n relativitet till fler ?n fyra dimensioner (utan andra modifieringar och till?gg) ocks? mer och mer uppm?rksamhet, eftersom s?dan generell relativitet i vissa varianter i sig sj?lv ?r en del av nya teorier. Och detta ?r ett av de betydande incitamenten f?r att s?ka och studera m?jliga l?sningar multidimensionell allm?n relativitetsteori. Speciellt l?sningar f?r svarta h?l ?r intressanta och viktiga. Varf?r?

1) Dessa l?sningar kan utg?ra en teoretisk grund f?r analys av mikroskopiska svarta h?l i str?ngteorier, d?r de oundvikligen uppst?r.
2) AdS/SFT-korrespondensen kopplar samman egenskaperna hos D-dimensionella svarta h?l med egenskaperna hos kvantf?ltteorin p? den (D–1)-dimensionella gr?nsen, som vi kort diskuterade ovan.
3) Framtida experiment vid kolliderar antyder f?delsen av flerdimensionella svarta h?l. Deras registrering ?r om?jlig utan en uppfattning om deras egenskaper.
4) Och slutligen b?rjade studiet av l?sningar till klassisk 4-dimensionell generell relativitetsteori med studiet av svarta h?l – Schwarzschild-l?sningen. Det f?refaller naturligt att f?lja den historiska utvecklingens logik.

Intuitivt, ju fler dimensioner, desto mer varierande kommer egenskaperna hos teorins l?sningar att vara. Hur visar sig detta i svarta h?lsl?sningar? M?ngfalden av l?sningar inom multidimensionell generell relativitetsteori beror p? tv? nya funktioner: den icke-triviala dynamiken i rotationer och m?jligheten att bilda ut?kade h?ndelsehorisonter. L?t oss diskutera dem. I vanlig generell relativitetsteori med 4-dimensionell rum-tid oberoende rotation i 3-dimensionell rymd kan det vara bara en. Den definieras av sin axel (eller, vad som ?r densamma, av rotationsplanet vinkelr?tt mot det). I 5-dimensionell generell relativitetsteori blir rymden (utan tid) 4-dimensionell, men denna egenskap hos det 3-dimensionella rummet att ha en enda oberoende rotation bevaras. Men i 6-dimensionell allm?n relativitet, d?r rymden blir 5-dimensionell, tv? oberoende rotationer m?jliga, var och en med sin egen axel, etc. En annan ny egenskap som uppst?r f?r l?sningar i dimensioner st?rre ?n 4 ?r utseendet p? f?rl?ngda horisonter. Vad menar dem? Dessa ?r "svarta str?ngar" (endimensionella) och "svarta branes" av olika dimensioner.

Kombinationen av dessa tv? nya m?jligheter i olika varianter har lett till att det inom ramen f?r multidimensionell generell relativitetsteori har konstruerats en hel del l?sningar som svarta h?l, som har sin egen komplexa hierarki. I fig. 12.4 visar n?gra av dessa l?sningar. Om i 4-dimensionell allm?n relativitet h?ndelsehorisonten f?r k?nda svarta h?l som regel har en sf?risk form, f?r?ndras situationen avsev?rt i multidimensionalitet. Horisonter degenererar till str?ngar (som vi redan har n?mnt), kan vara i form av en torus etc. Man b?r komma ih?g att bilderna av horisonter i fig. 12.4 b?r tas n?got symboliskt, eftersom de i verkligheten ?r 3-dimensionella ytor i 4-dimensionell rymd.

Dessa formationer kallas inte l?ngre "svarta h?l", utan "svarta f?rem?l". De kan vara multianslutna, till exempel kallas ett svart h?l omgivet av en "svart torus" en "svart saturnus". Vissa av dessa objekt best?ms av instabila l?sningar, f?r en annan del visar det sig vara om?jligt att korrekt ber?kna de konserverade kvantiteterna, men m?nga har inte s?dana defekter. Trots alla de olika egenskaperna (acceptabla eller tvivelaktiga) och den utarbetade formen hos vissa objekt, har deras h?ndelsehorisonter samma grundl?ggande egenskap som horisonten f?r ett Schwarzschild svart h?l: historien om en materiell kropp efter dess korsning upph?r att vara tillg?nglig f?r en extern observat?r.

Den h?r bilden ser v?ldigt, v?ldigt exotisk ut och verkar inte ha n?gon relation till verkligheten. Men vem vet - en g?ng verkade l?sningar f?r svarta h?l l?ngt ifr?n verkligheten, men nu r?der det ingen tvekan om att dessa objekt befolkar universum ?verallt. Det ?r m?jligt att vi lever p? en kli, och den yttre 5-dimensionella v?rlden inneh?ller n?got som en "svart Saturnus", och dess inflytande p? klian kommer att uppt?ckas.

Bimetriska och massiv graviton teorier

L?t oss komma ih?g, f?r att beskriva svaga gravitationsv?gor, delade vi den dynamiska metriken f?r allm?n relativitet i metriken f?r platt rum-tid och st?rningar av metriken. Det visade sig att st?rningar i form av v?gor kan fortplanta sig i Minkowski-rymden, som spelar rollen som bakgrundsrymd. Bakgrunden kan vara b?jd, men m?ste f?rbli fixerad, d.v.s. dess metrik m?ste vara en l?sning p? allm?n relativitet. I den h?r bilden ?r bakgrundsrymdtidsmetriken och metriska st?rningar oberoende. Denna representation ?r en av varianterna av den bimetriska gravitationsteorin, d?r en metrik ?r k?nd och representerar bakgrunden rum-tid, och den andra, dynamisk, spelar rollen som gravitationsf?ltet som utbreder sig i den. I det h?r fallet induceras en s?dan beskrivning av GTR sj?lv.

Bimetriska teorier ?r dock konstruerade utan h?nvisning till f?rekomsten av allm?n relativitet, utan som oberoende teorier. Deras karakteristiska egenskaper ?r att bakgrunds- och dynamiska m?tt kombineras till ett effektivt m?tt, som i sin tur best?mmer den effektiva rum-tid d?r alla fysiska f?lt utbreder sig och samverkar. Som regel, i gr?nsen f?r svaga f?lt och l?ga hastigheter, sammanfaller f?ruts?gelserna av allm?nna relativitetsteorier och bimetriska teorier, och de uppfyller alla eller de flesta av de tester som den allm?nna relativitetsteorin ocks? m?ter. Varf?r uppm?rksammas bimetriska teorier? Deras design g?r det till exempel m?jligt att enklare och konsekvent best?mma konserverade kvantiteter. De har ocks? f?rdelar n?r det kommer till kvantisering.

Vanligtvis f?r bimetriska teorier finns det ?tminstone en grundl?ggande m?jlighet att best?mma "underl?gget" - bakgrunden rum-tid. Men detta kanske inte h?nder. Till exempel, utan h?nvisning till f?ltsvaghet (det vill s?ga exakt utan approximationer), kan generell relativitet omformuleras som en bimetrisk teori. I det h?r fallet ?r det i grunden om?jligt att komma p? ett experiment eller test f?r att best?mma bakgrundsrymdtiden, som d?rf?r spelar rollen som ett hj?lpmedel. Men endast effektiv rumtid ?r verklig och tillg?nglig f?r observation - det ?r i sj?lva verket den allm?nna relativitetens rum-tid.

En s?dan bimetrisk representation av allm?n relativitet kallas dess f?ltteoretiska formulering, i den meningen att gravitationsf?ltet betraktas p? lika villkor med alla andra fysiska f?lt i den extra (eftersom oobserverbara) bakgrunden rum-tid.

L?t oss nu g? tillbaka till gymnasiet och komma ih?g att l?rob?cker i fysik talar om den s? kallade v?g-partikeldualiteten. Vad betyder det? Det visar sig att utbredningen av ett visst f?lt kan betraktas, beroende p? f?rh?llandena, antingen som en partikel eller som en v?g. L?t oss ?terg? till elektrodynamik. En l?gfrekvent signal med tillr?cklig amplitud kommer snarare att spelas in som en v?g som anv?nder oscillationer av laddningar i dess f?lt. ? andra sidan ?r det mer sannolikt att en h?gfrekvent men svag signal detekteras som en partikel som sl?r ut en elektron i fotodetektorn. Fotonpartikeln ?r massl?s (med noll vilomassa). L?t oss v?nda oss till en annan v?lk?nd partikel - elektronen, den har massa. Men det visar sig att en v?g ocks? kan associeras med en elektron, trots dess "massivitet".

Efter detta, l?t oss komma ih?g gravitationsv?gor, som f?ruts?gs av allm?n relativitet. Inom ramen f?r den allm?nna relativitetsteorien motsvarar dessa v?gor partiklar med noll vilomassa - gravitoner. ?r det m?jligt att konstruera en gravitationsteori d?r gravitonen har icke-noll vilomassa? Varf?r inte, om en s?dan teori i svagf?ltsgr?nsen och gr?nsen f?r l?ga hastigheter sammanfaller med allm?n relativitetsteori och uppfyller dess tester. Historien om dessa teorier b?rjar med massiv gravitation, f?reslog av de schweiziska teoretikerna Markus Fierz (1912–2006) och Wolfgang Pauli 1939.

Sedan dess har varianter av s?dana teorier dykt upp mer eller mindre regelbundet. P? senare tid har intresset f?r dem ?kat p? grund av att varianter av den massiva gravitationsteorin uppst?r i grundl?ggande teorier som superstr?ngteori. I vissa modeller med branes ?r det den massiva gravitonen som ?r att f?redra. Massiva teorier om gravitation ?r i en viss mening ett slags bimetriska teorier: de gemensamt drag?r att ett dynamiskt tensorf?lt fortplantar sig i ett fast rum-tid, vilket som regel, i grunden observerbar. Vanligtvis, i gr?nsen, n?r gravitonmassan tenderar till noll, g?r s?dana teorier in i den allm?nna relativitetsteorien. Om de i gr?nsen f?r svaga f?lt och l?ga hastigheter sammanfaller med allm?n relativitet, s? avviker de i starka f?lt och p? kosmologiska skalor fr?n allm?n relativitet, vilket tyder p? andra effekter. Det kan till exempel visa sig att ist?llet f?r l?sningar f?r svarta h?l kommer l?sningar f?r singulariteter utan horisonter ("bara singulariteter") att dyka upp och ist?llet f?r ett expanderande universum kommer oscillerande universum att dyka upp.

Det ?r ?nnu inte m?jligt att direkt verifiera tillf?rlitligheten av dessa f?ruts?gelser. Detta ?r fortfarande f?rem?l f?r ytterligare forskning. Fram till nu har teorier om massiv gravitation haft en gemensam brist. deras l?sningar producerar vissa tillst?nd med negativ energi. Dessa tillst?nd kallas "andar" de kan inte f?rklaras inom ramen f?r rimliga begrepp, och d?rf?r ?r de o?nskade. Men helt nyligen har varianter av massiv gravitation utan "andar" dykt upp.

Newtons lag

Lagen om universell gravitation efter
diskussion i tredje behandlingen var
skickas f?r revision...
Folklore

Testa Newtons lag. Att f?rst? Newtons lag spelar fortfarande en mycket viktig roll f?r att f?rst? gravitationsbegreppet i allm?nhet. Hur kan vi under laboratorief?rh?llanden testa om vi lever p? en bran (eller n?gon annan flerdimensionell v?rld), ?ven om vi inte kan "g? ut" till en ytterligare dimension? L?t oss komma ih?g att gravitationen, till skillnad fr?n andra interaktioner, str?cker sig i alla fem dimensionerna. F?r att anv?nda detta faktum, l?t oss fundera ?ver den geometriska inneb?rden av Newtons lag. Som vi minns h?vdar han att gravitationskraften faller i omv?nd proportion till kvadraten p? avst?ndet ~ 1/ r 2. L?t oss nu komma ih?g en bild fr?n en skolbok i fysik, d?r verkan av en kraft beskrivs av kraftlinjer. P? den h?r bilden, kraften p? ett givet avst?nd r best?ms av t?theten av f?ltlinjer som "genomborrar" en sf?r med radie r: Ju st?rre sf?rens yta, desto l?gre t?thet av linjer och f?ljaktligen kraften. Och arean av en sf?r ?r proportionell r 2, varifr?n beroendet av avst?nd i Newtons lag f?ljer direkt. Men detta ?r i 3-dimensionellt utrymme, d?r sf?rens yta ?r proportionell r 2! I 4-dimensionellt utrymme kommer arean av den omgivande sf?ren att vara proportionell mot r 3, och f?ljaktligen kommer Newtons lag att ?ndras - gravitationskraften kommer att falla omv?nt proportionell mot kuben av avst?ndet ~ 1/ r 3 osv.

Om den omv?nda kublagen hade ?gt rum p? solsystemets skala, s? ?r det klart att den skulle ha formulerats av Newton. Det betyder att vi m?ste leta efter det i liten skala. Samtidigt ?r att testa Newtons lag ocks? viktigt f?r n?gra lovande flerdimensionella teorier, d?r ytterligare dimensioner kompakteras (kollapseras) och deras storlekar, naturligtvis, ?r mindre ?n planetariska. De kan dock n? tiotals mikrometer. N?r Randall och Sundrum f?rst f?reslog sin teori hade Newtons lag bara testats i meterskalor. Sedan dess har forskare gjort n?gra mycket komplexa (p? grund av tyngdkraftens svaghet) experiment med sm? torsionsbalanser, och nu har laboratoriegr?nserna reducerats avsev?rt och n?rmar sig storleken p? kompaktering.

Moderna m?tningar har fastst?llt att storleken p? den extra dimensionen inte ?r mer ?n 50 mikron. P? mindre skalor kan den omv?nda kvadratlagen bryta ner. I fig. Figur 12.5 visar ett diagram ?ver en torsionsbalans f?r att testa Newtons omv?nda kvadratlag. Sj?lva enheten ?r placerad i en vakuumkolv, noggrant isolerad fr?n buller och utrustad med ett modernt elektroniskt f?rskjutningsdetekteringssystem.

Det ?r tydligt att den h?r typen av experiment ?r fylld av enorma tekniska sv?righeter, och ytterligare framsteg ?r f?rknippade med att ta experimentet ut i rymden. Faktum ?r att sm? korrigeringar av Newtons lag ocks? leder till en ber?knad f?rskjutning av planetarisk perihel (tillsammans med Einsteins). M?nens laseravst?nd bekr?ftade Einstein-skiftet med en noggrannhet p? 10–11 radianer per ?rhundrade. Men i n?sta ordning kan effekten av vissa multidimensionella modeller manifestera sig.

De f?rsta f?rs?ken p? en s?dan plats utf?rdes i b?rjan av 60-talet av b?de amerikanska och sovjetiska forskare. Men laserstr?len var starkt spridd av ytan, och m?tnoggrannheten var l?g - upp till flera hundra meter. Situationen f?r?ndrades kraftigt efter att de amerikanska Apollo- och sovjetiska Luna-uppdragen levererade h?rnreflektorer till m?nen, som fortfarande anv?nds idag (tyv?rr avbr?ts det sovjetiska m?nprogrammet 1983).

Hur g?r det till? Lasern skickar en signal genom ett teleskop riktat mot en reflektor, och den exakta tidpunkten d? signalen s?nds ut registreras. Arean av str?len fr?n signalen p? m?nens yta ?r 25 km 2 (ytan f?r h?rnreflektorerna ?r cirka 1 m 2). Ljuset som reflekteras fr?n instrumentet p? m?nen ?terv?nder till teleskopet inom cirka en sekund och tar sedan cirka 30 pikosekunder. Fotonens restid g?r det m?jligt att best?mma avst?ndet och det g?rs nu med en noggrannhet p? cirka tv? centimeter, ibland n?r noggrannheten flera millimeter. Och detta ?r p? ett avst?nd mellan jorden och m?nen p? 384 500 km!

Modifierad Newtonsk dynamik (MOND). Men Newtons lag kan brytas p? skalor som ?r betydligt st?rre ?n planetsystem. Onormala r?relser och rotationer in stj?rnsystem"provocerade" s?kandet efter "m?rk materia", d?r galaxer, galaxhopar etc. ?r neds?nkta.

T?nk om Newtons lag i sig bryts p? dessa skalor? Den ursprungliga MOND-teorin utvecklades av den israeliska fysikern Mordechai Milgrom 1983 som ett alternativ till "m?rk materia." Avvikelser fr?n Newtons omv?nda kvadratlag enligt denna teori b?r observeras vid en viss acceleration, och inte p? ett visst avst?nd (kom ih?g Horzavas teori, d?r Newtons lag ?ndras p? grund av hastigheternas inverkan).

MOND f?rklarar framg?ngsrikt observerade r?relser i galaxer. Denna teori visar ocks? varf?r avvikelserna fr?n det f?rv?ntade rotationsm?nstret ?r st?rst i dv?rggalaxer.

Nackdelar med den ursprungliga teorin:

1) inkluderar inte relativistiska effekter s?som STR eller GTR;
2) lagarna f?r bevarande av energi, r?relsem?ngd och r?relsem?ngd bryts;
3) internt mots?gelsefullt, eftersom det f?ruts?ger olika galaktiska banor f?r gas och stj?rnor;
4) g?r det inte m?jligt att ber?kna gravitationslinser av galaxhopar.

Allt detta orsakade dess ytterligare betydande f?rb?ttring - med inf?randet av skal?ra f?lt, reduktion till en relativistisk form, etc. Varje f?r?ndring, som tog bort en inv?ndning, orsakade en annan, det finns ingen f?rdig teori ?nnu, men forskarna tappar inte optimism.

Anomali "Pionj?rer". De automatiska interplanet?ra stationerna Pioneer 10 och Pioneer 11 lanserades 1972 och 1973 f?r att studera Jupiter och Saturnus. De klarade helt sitt uppdrag att komma n?rmare dessa planeter och ?verf?ra data om dem, som de s?ger, fr?n f?rsta hand. Den sista signalen fr?n Pioneer 10 togs emot i b?rjan av 2003 efter mer ?n trettio ?r kontinuerlig drift. Vid det tillf?llet rymdskepp var redan 12 miljarder kilometer fr?n solen. I fig. 12.6 visar ett fotografi av Pioneer-10-apparaten.

Det som var f?rv?nande var det faktum att s? snart som pionj?rerna passerade Uranus omloppsbana (cirka 1980) b?rjade m?nniskor p? jorden m?rka att frekvensen av radiosignaler som skickades av enheterna skiftade till kortv?gsdelen av spektrumet, vilket inte borde vara fallet om deras r?relse motsvarar newtonsk dynamik (p?verkan av relativistiska effekter av allm?n relativitet p? ett s?dant avst?nd fr?n solen och planeterna ?r mycket svagare).

Ur en vardaglig synvinkel verkar effekten naturligtvis trivial - den ?r 10 miljarder g?nger mindre ?n den acceleration som vi upplever fr?n jordens gravitationsf?lt. Men det ?verstiger avsev?rt de relativistiska effekterna av allm?n relativitet! De mest banala f?rklaringarna till det mystiska fenomenet kan till exempel vara l?ckage av restgasformigt br?nsle fr?n motorer med l?g dragkraft, inbromsning kl. kosmiskt damm, etc. Men dessa effekter ?r tillf?lliga, och anomin har varit stabil i mer ?n 20 ?r.

Vissa forskare har undrat om Pioneer-anomali kan genereras av hittills ok?nda faktorer som endast verkar utanf?r solsystemet (en f?r?ndring i Newtons lag). ?ven modeller som involverade antimateria, m?rk materia och m?rk energi ?verv?gdes.

Den norske fysikern Kjell Tangen analyserade situationen ing?ende och kom till slutsatsen att ingen av de k?nda modifikationerna av tyngdlagen kan beskriva anomalien. Dessa f?r?ndringar borde faktiskt inte leda till en f?r?ndring i beskrivningen av r?relsen hos de yttre planeterna i solsystemet. Genom att ?ndra Newtons lag fick Tangen oundvikligen felaktiga resultat f?r att beskriva Uranus och Plutos r?relse.

Mysteriet med "pionj?rerna" l?stes ganska nyligen som ett resultat av 20 ?rs arbete av gruppen Vyacheslav Turyshev, en examen fr?n SAI MSU, som nu arbetar vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Pasadena. I annan tid koncernen hade fr?n 20 till 80 anst?llda. Relativt nyligen var det m?jligt att tillr?ckligt dechiffrera de mirakul?st bevarade ytterligare data fr?n pionj?rerna, som tidigare var otillg?ngliga p? grund av arkaiska filformat och informationsmedia (bandband). Inledningsvis analyserades mer ?n 20 faktorer som kunde leda till effekten. Gruppen hade till sitt f?rfogande en kopia av dubbla enheter lagrade i museet - den tredje Pioneer, kvar p? jorden efter tester f?re flygning, vilket gjorde det m?jligt att v?lja delarna av h?gsta kvalitet f?r rymden. Denna enhet har studerats grundligt.

En efter en avvisades av olika anledningar kandidater f?r effekten. ?ntligen ?r det bara en kvar m?jlig orsak, som har studerats med passion. Enheten ?r en parabolantenn f?r kommunikation med en diameter p? cirka 3 meter, utrustad med utrustning placerad i en n?got mindre l?da. Utrustningen h?ller s? l?nge tack vare energi atomiskt element, ing?r ocks? i denna l?da. Som ett resultat blir l?dan varm. Antennen ?r alltid orienterad mot jorden, s? att l?dan ?r bakom den.

Turyshevs grupp sammanst?llde en datorkarta ?ver v?rmef?rdelning genom hela apparaten. Det visade sig att den bakre delen av enheten (motsatt fr?n jorden) ?r n?got varmare ?n framsidan. Det vill s?ga att fler energirika fotoner l?mnar apparaten i motsatt riktning mot jorden ?n de som flyger mot jorden. Faktum ?r att "fotonmotorn" fungerar, vilket i det h?r fallet saktar ner "flyget" av enheter fr?n solsystemet. Ber?kningsdata st?mmer mycket bra ?verens med observerade effektdata. Kraften hos denna "motor" ?r j?mf?rbar med kraften i "rekylen" fr?n bilens str?lkastare, som ocks? saktar ner den som en fotonmotor. Denna figurativa j?mf?relse gjordes av Turyshev sj?lv.

Fr?gor uppst?r. Varf?r uppt?cktes effekten f?rst efter 8 ?r? Faktum ?r att det ocks? finns ett s?dant fenomen som solvinden. Tills enheterna n?dde Uranus omloppsbana var dess inflytande utbredd, och "anomalin" sj?nk helt enkelt in i den. Med st?rre avst?nd blev effekten av "anomalin" starkare ?n effekten av vinden och den uppt?cktes. Varf?r tror man att den anomala kraften ?r riktad mot solen, eftersom antennen ?r orienterad mot jorden? Faktum ?r att redan p? avst?nd fr?n Uranus omloppsbana, bana Jorden ses som en cirkel i ett litet h?rn av l?sningen. I det h?r fallet ?r det om?jligt att s?rskilja var antennen pekar (mot jorden, vid en annan punkt i jordens bana, mot solen) - det ?r ungef?r samma sak.

Sammanfatta. "Pionj?rernas" anomali f?rklaras av vanliga enkla fenomen och en ?versyn av Newtons lag och gravitationsteorier i allm?nhet kr?vs inte f?r att f?rklara den.

Vad kommer att ytterligare f?rb?ttra noggrannheten i observationer

Noggrannhet beskrivs mycket ofta
lider av felaktigheter.
Dmitrij Likhachev

Det ?r mycket viktigt att kontrollera best?ndighet grundl?ggande konstanter. F?r att g?ra detta j?mf?r de olika observationer av de mest avl?gsna objekten i universum med observationer i solsystemet, och dessa j?mf?rs med resultaten av laboratorieexperiment p? jorden och till och med med data som erh?llits inom geologi och paleontologi. Analysen anv?nder olika tidsramar s e-skalor, ? ena sidan, best?mda av kosmologisk och astrofysisk evolution, ? andra sidan, baserad p? moderna atomstandarder. Dessutom j?mf?rs fenomen som ?r v?sentligt beroende av dessa konstanter f?r olika tidsepoker.

F?r gravitationen ?r gravitationskonstanten i f?rsta hand viktig. Dess exakta betydelse ?r n?dv?ndig f?r att best?mma parametrarna f?r en viss alternativ teori, eller till och med f?r att best?mma dess livskraft - kom ih?g Horzavas teori. Konstansen hos parametrarna f?r planetbanor beror p? gravitationskonstantens stabilitet. Studier i solsystemet har bekr?ftat gravitationskonstantens of?r?nderlighet med en relativ noggrannhet p? 10 –13 till 10 –14 per ?r. Och m?tnoggrannheten f?rb?ttras hela tiden.

Hur viktigt ?r s?kandet efter gravitationsv?gor fr?n astronomiska k?llor n?r det g?ller att bygga en ny teori? I denna mening ?r det osannolikt att registreringen av gravitationsv?gor i sig omedelbart ger mycket information. Men faktumet att registreringen kommer att bekr?fta riktigheten modern forskning och det kommer att vara m?jligt att f?rkasta helt marginella teorier. F?rst senare, n?r det blir m?jligt att analysera detaljerna i str?lningen (som polarisation), kommer det att vara m?jligt att anv?nda den f?r att v?lja eller modifiera gravitationsteorier. Att best?mma hastigheten f?r gravitationsstr?lningen kommer ocks? att ge begr?nsningar f?r alternativa teorier, s?som den massiva gravitonen; etc.

Beh?vs n?got slags experimentellt genombrott f?r att skapa en ny teori eller v?lja bland de som redan byggts? Ja, sj?lvklart beh?vs ny och mer korrekt empirisk data. Men detta ska inte kallas ett genombrott, utan snarare resultatet av konsekventa anstr?ngningar. Sakernas tillst?nd ?r detta: under de senaste 100 ?ren har m?tnoggrannheten ?kat med 3–4 storleksordningar. Modern teknik De lovar att avsev?rt p?skynda processen. Enligt olika uppskattningar f?rv?ntas noggrannheten under de kommande 25–30 ?ren ?ka med ytterligare 3–5 storleksordningar. Och detta ger, enligt m?nga prognoser, all anledning (och vi f?rs?kte visa detta), om inte under de kommande ?ren, s? under de kommande 10–20 ?ren, att f?rv?nta sig otroligt intressanta och viktiga uppt?ckter. Dessutom tror de flesta forskare att en s?dan ?kning av noggrannheten kommer att r?cka f?r att fastst?lla en ny teori.