Sztárhírek
Tudósok, akik megkérdőjelezték Einstein gravitációs elméletét. Klasszikus gravitációs elméletek
A gravitációs kölcsönhatás világunk négy alapvető kölcsönhatása egyike. A klasszikus mechanika keretein belül a gravitációs kölcsönhatást írják le törvény szerint egyetemes gravitáció Newton, aki kijelenti, hogy a gravitációs vonzás ereje két anyagi tömegpont között m 1 és m 2 távolság választja el egymástól R, arányos mindkét tömeggel és fordítottan arányos a távolság négyzetével – vagyis
.Itt G- gravitációs állandó, megközelítőleg egyenlő 
m³/(kg s²). A mínusz jel azt jelenti, hogy a testre ható erő irányában mindig egyenlő a testre irányuló sugárvektorral, vagyis a gravitációs kölcsönhatás mindig bármely test vonzásához vezet.
Az univerzális gravitáció törvénye az inverz négyzettörvény egyik alkalmazása, amely a sugárzás tanulmányozásában is előfordul (lásd például a fénynyomást), és egyenes következménye a sugárzás területének kvadratikus növekedésének. növekvő sugarú gömb, ami bármely egységnyi terület hozzájárulásának négyzetes csökkenéséhez vezet a teljes gömb területéhez.
Az égi mechanika legegyszerűbb problémája két test gravitációs kölcsönhatása az üres térben. Ezt a problémát analitikusan a végéig megoldják; megoldásának eredményét gyakran Kepler három törvénye formájában fogalmazzák meg.
A kölcsönható testek számának növekedésével a feladat drámaian bonyolultabbá válik. Így a már híres háromtest-probléma (vagyis a mozgás három test nem nulla tömegekkel) nem oldható meg analitikusan Általános nézet. Numerikus megoldásnál a megoldások instabilitása a kezdeti feltételekhez képest elég gyorsan fellép. A Naprendszerre alkalmazva ez az instabilitás lehetetlenné teszi a bolygók mozgásának előrejelzését százmillió évnél nagyobb léptékben.
Egyes speciális esetekben közelítő megoldást találhatunk. A legfontosabb eset az, amikor egy test tömege lényegesen nagyobb, mint a többi test tömege (például a Naprendszer és a Szaturnusz gyűrűinek dinamikája). Ebben az esetben első közelítésként feltételezhetjük, hogy a fénytestek nem lépnek kölcsönhatásba egymással, és Kepleri pályákon mozognak a hatalmas test körül. A köztük lévő kölcsönhatások a perturbációelmélet keretein belül figyelembe vehetők, és időbeli átlagolhatók. Ebben az esetben nem triviális jelenségek léphetnek fel, mint például rezonanciák, attraktorok, káosz stb. Az ilyen jelenségek egyértelmű példája a Szaturnusz gyűrűinek nem triviális szerkezete.
Annak ellenére, hogy megpróbálták leírni egy nagyszámú, megközelítőleg azonos tömegű vonzó testből álló rendszer viselkedését, ez a dinamikus káosz jelensége miatt nem valósítható meg.
Erős gravitációs mezők
Erős gravitációs mezőben, amikor együtt mozog relativisztikus sebességek, kezdenek megjelenni az általános relativitáselmélet hatásai:
- a gravitációs törvény eltérése Newton törvényétől;
- a gravitációs zavarok véges terjedési sebességével összefüggő potenciálok késése; a gravitációs hullámok megjelenése;
- nemlinearitási hatások: a gravitációs hullámok hajlamosak kölcsönhatásba lépni egymással, ezért a hullámok szuperpozíciójának elve erős mezők már nem végezték ki;
- a téridő geometriájának megváltoztatása;
- fekete lyukak megjelenése;
Gravitációs sugárzás
Az általános relativitáselmélet egyik fontos előrejelzése a gravitációs sugárzás, amelynek jelenlétét közvetlen megfigyelések még nem erősítették meg. Vannak azonban közvetett megfigyelési bizonyítékok a létezése mellett, nevezetesen: az energiaveszteség a bináris rendszerben a PSR B1913+16 pulzárral - a Hulse-Taylor pulzárral - jó összhangban van egy olyan modellel, amelyben ezt az energiát gravitációs sugárzás.
Gravitációs sugárzást csak változó kvadrupol vagy nagyobb többpólusú nyomatékú rendszerek képesek előállítani, ez a tény arra utal, hogy a legtöbb gravitációs sugárzás természetes források irányított, ami jelentősen megnehezíti annak észlelését. Gravitációs erő l-mezőforrás arányos (v / c) 2l + 2 , ha a többpólus elektromos típusú, és (v / c) 2l + 4 - ha a multipólus mágneses típusú, hol v a források jellemző mozgási sebessége a sugárzó rendszerben, és c- fénysebesség. Így a domináns momentum az elektromos típusú kvadrupólmomentum lesz, és a megfelelő sugárzás teljesítménye egyenlő:
Ahol K énj- a sugárzó rendszer tömegeloszlásának kvadrupólmomentumtenzora. Állandó 
(1/W) lehetővé teszi a sugárzási teljesítmény nagyságrendjének becslését.
1969-től (Weber kísérletei) napjainkig (2007. februárig) történtek kísérletek a gravitációs sugárzás közvetlen kimutatására. Az USA-ban, Európában és Japánban jelenleg több földi detektor működik (GEO 600), valamint egy projekt a Tatár Köztársaság űrgravitációs detektorára.
A gravitáció finom hatásai
A gravitációs vonzás és az idődilatáció klasszikus hatásai mellett az általános relativitáselmélet a gravitáció egyéb megnyilvánulásainak létezését is előrevetíti, amelyek szárazföldi körülmények között nagyon gyengék, ezért kimutatásuk és kísérleti igazolásuk igen nehézkes. Egészen a közelmúltig úgy tűnt, hogy e nehézségek leküzdése meghaladja a kísérletezők képességeit.
Közülük különösen az inerciális vonatkoztatási rendszerek (illetve a Lense-Thirring effektus) és a gravitomágneses tér elragadását nevezhetjük meg. 2005-ben a NASA pilóta nélküli gravitációs szondája B példátlan precíziós kísérletet végzett ezen hatások mérésére a Föld közelében, de teljes eredményét még nem tették közzé.
A gravitáció kvantumelmélete
A több mint fél évszázados próbálkozások ellenére a gravitáció az egyetlen olyan alapvető kölcsönhatás, amelyre még nem sikerült konzisztens renormalizálható kvantumelméletet felépíteni. Alacsony energiáknál azonban a kvantumtérelmélet szellemében a gravitációs kölcsönhatás a gravitonok cseréjeként ábrázolható - 2-es spinnel mérhető bozonok.
Standard gravitációs elméletek
Tekintettel arra, hogy a gravitáció kvantumhatásai a legszélsőségesebb kísérleti és megfigyelési körülmények között is rendkívül kicsik, még mindig nincs megbízható megfigyelésük. Az elméleti becslések azt mutatják, hogy az esetek túlnyomó többségében lehetséges a korlátozás klasszikus leírás gravitációs kölcsönhatás.
Létezik egy modern kanonikus klasszikus gravitációs elmélet - általános relativitáselmélet, és számos hipotézis és különböző fejlettségű elmélet, amelyek ezt tisztázzák, versenyeznek egymással (lásd az Alternatív gravitációs elméletek című cikket). Mindezek az elméletek nagyon hasonló előrejelzéseket adnak azon a közelítésen belül, amelyben a kísérleti teszteket jelenleg végzik. Az alábbiakban bemutatunk néhány alapvető, leginkább kidolgozott vagy ismert gravitációs elméletet.
- A gravitáció nem geometriai mező, hanem egy tenzorral leírt valós fizikai erőtér.
- A gravitációs jelenségeket a lapos Minkowski tér keretein belül kell figyelembe venni, amelyben az energia-impulzus és a szögimpulzus megmaradásának törvényei egyértelműen teljesülnek. Ekkor a testek mozgása a Minkowski-térben ekvivalens ezeknek a testeknek a tényleges Riemann-térben történő mozgásával.
- A metrika meghatározásához szükséges tenzoregyenleteknél figyelembe kell venni a graviton tömegét, és a Minkowski térmetrikához kapcsolódó mérőviszonyokat kell használni. Ez nem teszi lehetővé a gravitációs mező elpusztítását akár lokálisan sem, ha néhányat választasz megfelelő rendszer visszaszámlálás.
Az általános relativitáselmélethez hasonlóan az RTG-ben az anyag az anyag minden formájára vonatkozik (beleértve az elektromágneses teret is), magát a gravitációs mezőt kivéve. Az RTG elmélet következményei a következők: az általános relativitáselméletben megjósolt fekete lyukak mint fizikai objektumok nem léteznek; Az univerzum lapos, homogén, izotróp, álló és euklideszi.
Másrészt az RTG ellenzőinek nem kevésbé meggyőző érvei vannak, amelyek a következő pontokra csapódnak le:
Hasonló dolog történik az RTG-ben, ahol a második tenzoregyenletet vezetik be, hogy figyelembe vegyék a nem-euklideszi tér és a Minkowski-tér közötti kapcsolatot. A Jordan-Brans-Dicke elméletben a dimenzió nélküli illesztési paraméter jelenléte miatt lehetővé válik annak kiválasztása, hogy az elmélet eredményei egybeesjenek a gravitációs kísérletek eredményeivel.
| A gravitáció elméletei | ||||||||
|
Annak ellenére, hogy a gravitáció a leggyengébb kölcsönhatás az Univerzum objektumai között, jelentősége a fizikában és a csillagászatban óriási, hiszen bármilyen távolságra képes befolyásolni a fizikai tárgyakat a térben.
Ha érdeklődik a csillagászat iránt, valószínűleg elgondolkozott már azon, hogy mi az a fogalom, mint a gravitáció vagy az egyetemes gravitáció törvénye. A gravitáció az univerzális alapvető kölcsönhatás az Univerzum összes objektuma között.
A gravitáció törvényének felfedezése a híres angol fizikusnak, Isaac Newtonnak tulajdonítható. Valószínűleg sokan ismeritek az alma történetét, amely a híres tudós fejére esett. Ha azonban mélyebben belenéz a történelembe, láthatja, hogy a gravitáció jelenlétéről már jóval az ő korszaka előtt gondoltak az ókor filozófusai és tudósai, például Epikurosz. Azonban Newton volt az, aki először írta le a fizikai testek közötti gravitációs kölcsönhatást a klasszikus mechanika keretein belül. Elméletét egy másik híres tudós, Albert Einstein dolgozta ki, aki általános relativitáselméletében pontosabban írta le a gravitáció térbeli hatását, valamint a tér-idő kontinuumban betöltött szerepét.
Newton univerzális gravitációs törvénye kimondja, hogy két, egymástól távolságra elválasztott tömegpont közötti gravitációs vonzás ereje fordítottan arányos a távolság négyzetével és egyenesen arányos mindkét tömeggel. A gravitációs erő nagy hatótávolságú. Vagyis függetlenül attól, hogy egy tömegű test hogyan mozog, a klasszikus mechanikában gravitációs potenciálja pusztán ennek az objektumnak a helyzetétől függ. Ebben a pillanatban idő. Minél nagyobb egy tárgy tömege, annál nagyobb a gravitációs tere - annál erősebb a gravitációs ereje. Az űrobjektumok, például a galaxisok, a csillagok és a bolygók rendelkeznek a legnagyobb gravitációs erővel, és ennek megfelelően meglehetősen erős gravitációs mezőkkel.
Gravitációs mezők
A Föld gravitációs tere
A gravitációs tér az a távolság, amelyen belül gravitációs kölcsönhatás lép fel az Univerzum objektumai között. Minél nagyobb egy objektum tömege, annál erősebb a gravitációs tere - annál észrevehetőbb a hatása egy bizonyos térben lévő többi fizikai testre. Egy objektum gravitációs tere potenciális. Az előző állítás lényege, hogy ha két test közé bevezetjük a vonzás potenciális energiáját, akkor az nem fog megváltozni, miután az utóbbit egy zárt hurok mentén mozgatjuk. Innen következik egy másik híres törvény a potenciál és a potenciál összegének megmaradásáról kinetikus energia zárt körben.
Az anyagi világban a gravitációs mezőnek nagy jelentősége van. A Világegyetem összes anyagi tárgya birtokolja, amelynek tömege van. A gravitációs tér nemcsak az anyagot, hanem az energiát is befolyásolhatja. Az olyan nagy kozmikus objektumok gravitációs mezőinek hatására, mint a fekete lyukak, kvazárok és szupermasszív csillagok, naprendszerek, galaxisok és más csillagászati halmazok jönnek létre, amelyeket logikus szerkezet jellemez.
A legújabb tudományos adatok azt mutatják, hogy az Univerzum tágulásának híres hatása is a gravitációs kölcsönhatás törvényein alapul. Különösen az Univerzum tágulását segítik elő az erős gravitációs mezők, mind a kicsi, mind a legnagyobb objektumok.
Gravitációs sugárzás kettős rendszerben
A gravitációs sugárzás vagy gravitációs hullám egy olyan kifejezés, amelyet először a híres tudós, Albert Einstein vezetett be a fizikába és a kozmológiába. A gravitációs sugárzást a gravitációelméletben az anyagi tárgyak változó gyorsulású mozgása hozza létre. Egy tárgy gyorsulása során úgy tűnik, hogy egy gravitációs hullám „elszakad” tőle, ami a gravitációs mező oszcillációihoz vezet a környező térben. Ezt nevezik gravitációs hullámhatásnak.
Bár a gravitációs hullámokat Einstein általános relativitáselmélete, valamint más gravitációs elméletek is megjósolják, soha nem észlelték közvetlenül. Ez elsősorban rendkívüli kicsiségüknek köszönhető. A csillagászatban azonban vannak közvetett bizonyítékok, amelyek megerősíthetik ezt a hatást. Így a gravitációs hullám hatása a kettős csillagok konvergenciájának példáján figyelhető meg. A megfigyelések megerősítik, hogy a kettőscsillagok konvergenciája bizonyos mértékig függ e kozmikus objektumok energiaveszteségétől, amelyet feltehetően gravitációs sugárzásra fordítanak. A tudósok a közeljövőben megbízhatóan megerősíthetik ezt a hipotézist az Advanced LIGO és VIRGO teleszkópok új generációjával.
A modern fizikában a mechanikának két fogalma van: a klasszikus és a kvantum. A kvantummechanikát viszonylag nemrég fejlesztették ki, és alapvetően különbözik a klasszikus mechanikától. A kvantummechanikában az objektumoknak (kvantumoknak) nincs meghatározott helyzetük és sebességük, itt minden a valószínűségen alapul. Vagyis egy tárgy egy adott időpontban elfoglalhat egy bizonyos helyet a térben. Hogy hova költözik legközelebb, azt nem lehet megbízhatóan meghatározni, de csak nagy valószínűséggel.
A gravitáció érdekes hatása, hogy meg tudja hajlítani a tér-idő kontinuumot. Einstein elmélete azt állítja, hogy egy energiacsomó vagy bármilyen anyag körüli térben a téridő görbült. Ennek megfelelően az anyag gravitációs mezejének hatása alá eső részecskék pályája megváltozik, ami nagy valószínűséggel lehetővé teszi mozgásuk pályájának előrejelzését.
A gravitáció elméletei
Ma a tudósok több mint egy tucat különböző gravitációs elméletet ismernek. Klasszikus és alternatív elméletekre oszlanak. Az előbbi leghíresebb képviselője Isaac Newton klasszikus gravitációs elmélete, amelyet a híres brit fizikus talált fel még 1666-ban. Lényege abban rejlik, hogy egy hatalmas test a mechanikában gravitációs teret hoz létre maga körül, amely vonzza a kisebb tárgyakat. Utóbbiak viszont gravitációs mezővel is rendelkeznek, mint minden más anyagi objektum az Univerzumban.
A következő népszerű gravitációs elméletet a világhírű német tudós, Albert Einstein találta ki a 20. század elején. Einstein pontosabban tudta leírni a gravitációt mint jelenséget, és nemcsak a klasszikus mechanikában, hanem a kvantumvilágban is megmagyarázta hatását. Általános relativitáselmélete leírja, hogy egy erő, például a gravitáció képes befolyásolni a tér-idő kontinuumot, valamint az elemi részecskék térbeli pályáját.
Az alternatív gravitációs elméletek közül talán a relativisztikus elmélet érdemelné a legnagyobb figyelmet, amelyet honfitársunk, a híres fizikus, A.A. talált ki. Logunov. Einsteinnel ellentétben Logunov azt állította, hogy a gravitáció nem geometriai, hanem valódi, meglehetősen erős fizikai erőtér. Az alternatív gravitációs elméletek közül ismertek a skaláris, bimetrikus, kvázilineáris és mások is.
- Azok az emberek, akik az űrben jártak és visszatértek a Földre, eleinte meglehetősen nehéz megszokni bolygónk gravitációs hatásának erejét. Néha ez több hétig is eltart.
- Bebizonyosodott, hogy az emberi test súlytalan állapotban akár 1%-ot is elveszíthet tömegéből csontvelő havonta.
- A Naprendszer bolygói közül a Marsnak van a legkisebb gravitációs ereje, a Jupiternek pedig a legnagyobb.
- Az ismert bélbetegségeket okozó szalmonella baktériumok súlytalanságban aktívabban viselkednek, és képesek az emberi testre sokkal több kárt.
- Az Univerzum összes ismert csillagászati objektuma közül a fekete lyukak rendelkeznek a legnagyobb gravitációs erővel. Egy golflabda méretű fekete lyuknak ugyanolyan gravitációs ereje lehet, mint az egész bolygónknak.
- A Föld gravitációs ereje nem egyforma bolygónk minden szegletében. Például Kanadában, a Hudson-öbölben alacsonyabb, mint a földkerekség más régióiban.
Einstein általános relativitáselmélete adja meg a gravitáció általánosan elfogadott magyarázatát. Az általános relativitáselméletnek azonban számos problémája van, amelyek arra kényszerítenek bennünket, hogy alternatív gravitációs elméleteket keressünk. Valójában az a helyzet alakult ki, hogy a gravitációelmélet területén a tudomány két klánra oszlik, amelyek gyakorlatilag nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Anatolij Logunov, az Orosz Tudományos Akadémia akadémikusa arról beszél, hogy a gravitáció relativisztikus elmélete hogyan építi fel a világot, módosítva az általános relativitáselmélet törvényeit. 2003.01.21. (krónika 00:46:00)
Munkaanyagok
Téma áttekintése:
Alternatív gravitációs elméletek. A klasszikus gravitációs elmélet, amelyet Newton egyetemes gravitációs törvénye fejez ki, nem bizonyult teljesen pontosnak erős gravitációs mezők esetén. Ez azonban a legkevésbé sem akadályozza meg abban, hogy olyan esetekben használják, ahol a pontossága elegendő.
Az Albert Einstein által 1915-ben megalkotott általános relativitáselmélet (GR) ma a gravitáció általánosan elfogadott elmélete. Azonban számos problémája van, amelyek arra kényszerítenek bennünket, hogy alternatív gravitációs elméleteket keressünk.
Az egyik fő probléma az, hogy az általános relativitáselmélet klasszikus formájában nem egyeztethető össze kvantumelméletek mezők, amelyek a másik három alapvető fizikai kölcsönhatást írják le. (Igaz, pont Utóbbi időben kezdtek érkezni hírek, hogy bizonyos sikereket értek el ebben az irányban.)
További probléma, hogy a gravitáció a téridő görbületeként ír le, az általános relativitáselmélet feladja a téridő homogenitásának tulajdonságát, és ezen a tulajdonságon alapulnak az energia- és impulzusmegmaradás törvényei.
Az általános relativitáselmélet harmadik problémája szintén az energiához kapcsolódik, ezúttal magának a gravitációs mezőnek az energiájához. Ahhoz, hogy megértsük, mi történik, először vegyük figyelembe az elektromágneses teret. Fizikai mező lévén, maga is energiát és lendületet hordoz. Ráadásul az egyes elemi tértérfogatokban tárolt térenergia arányos a térerősség négyzetével. A referenciarendszer kiválasztásával megváltoztathatja az elektromos és mágneses mezők nagyságát a tér egy kiválasztott pontjában. Például a töltéssel együtt mozgó referenciakeret kiválasztásával annak mágneses tere nullára csökkenthető. Azonban egyetlen referenciarendszer sem képes teljesen tönkretenni az elektromágneses teret olyan ponton, ahol az egy másik referenciarendszer szempontjából nem nulla. Térjünk vissza a gravitációs térhez. Az általános relativitáselmélet alapja egy gravitációs térbe zuhanó lifttel végzett gondolatkísérlet. Azt állítják, hogy a liftben tartózkodó megfigyelő nem tud különbséget tenni a gravitációs mezőbe esés és a mezőn kívüli tartózkodás között. Vagyis egy szabadon eső megfigyelő referenciakeretében a gravitációs tér teljesen ki van zárva. Ebből az következik, hogy az általános relativitáselmélet gravitációs tere nem egy közönséges fizikai mező, amelynek bizonyos energiasűrűsége van a térben. A referenciarendszer megválasztása megváltoztathatja energiájának térbeli eloszlását. Ebben az értelemben a gravitációs mező energiájának nem lokalitásáról beszélnek az általános relativitáselméletben. Az asztrofizika területén sok szakértő ezt az általános relativitáselmélet jelentős hátrányának tartja. Ugyanakkor sok általános relativitáselmélet szakértő általában elutasítja ezt az állítást.
Végül talán a legnagyobb kifogás az általános relativitáselmélet ellen, hogy lehetővé teszi fekete lyukak kialakulását, amelyek középpontjában fizikai szingularitás található. A legtöbb fizikus meg van győződve arról, hogy a végtelenek megjelenése a fizikai elméletben azt jelenti, hogy túllépünk az alkalmazhatóság határain.
Az, hogy a felsorolt problémák megoldást igényelnek, mindenki számára nyilvánvaló. A különböző szakértői csoportok különböző utakon próbálnak járni ebben a kérdésben. Mindazonáltal mindegyik feltételesen két csoportra osztható - azokra, akik az általános relativitáselmélet alapját képező geometriai megközelítés szerint folytatják a keresést, és azokra, akik nem hajlandók összekapcsolni a gravitációs mezőt a téridő geometriájával.
Mivel az első irány szélesebb körben képviselteti magát a modern tudományos közösségben, a második út mentén létrehozott elméleteket összefoglalóan alternatív gravitációs elméleteknek nevezzük. A leghíresebb alternatív gravitációs elméletek közé tartozik A. A. Logunov relativisztikus gravitációs elmélete (RTG). A Szentpétervári Egyetemen Yu. V. Baryshev a gravitáció térelméletét (FTG) fejleszti.
Sajnos az elmúlt években meglehetősen egészségtelen helyzet alakult ki a gravitációelmélet területén. Azok a kutatók, akik továbbra is az általános relativitáselmélet szerint dolgoznak, gyakorlatilag figyelmen kívül hagyják az alternatív gravitációs elméletek területén végzett munkát, arra hivatkozva, hogy eddig minden megfigyelt tény az általános relativitáselmélet alapján magyarázható. Mindeközben munkájuk egyre inkább a tiszta matematika birodalmába kerül, és egyre kevésbé hozzáférhető a kísérleti ellenőrzés.
Ez valószínűleg annak tudható be, hogy egészen a közelmúltig a megfigyelések nem tették lehetővé a gravitációs elméletek különböző változatai közötti választást. A klasszikus relativisztikus hatások, mint például a fénysugarak elhajlása a Nap gravitációs mezejében vagy a Merkúr perihéliumának eltolódása, mindezek az elméletek ugyanúgy és első közelítéssel ugyanúgy írják le, mint az általános relativitáselmélet. Erősebb mezőkön vannak különbségek. És megnyilvánulásaik megfigyelése csak napjainkban válik lehetségessé.
A gravitációs elméletek új generációjának tesztelésére az egyik legígéretesebb tárgy a híres PSR1913+30 pulzár. Ebben a két neutroncsillagból álló közeli párban a gravitációs hullámok kibocsátása miatt igen jelentős energiaveszteségnek kell lennie. Sőt, a különböző gravitációs elméletek az energiaveszteség eltérő mértékét jósolják. Az elkövetkező néhány évben néhány elméletnek visszavonulnia kell az ebben a létesítményben végzett teszteredmények alapján.
Az általános relativitáselmélet fokozatosan problémákba ütközik a kozmológiai fronton. A labda életkorának adatai csillaghalmazok nehezen illeszkednek be az elmélet által megadott határidőkbe nagy durranás, az általános relativitáselmélet alapján. Az ősrobbanás elmélete azt jósolja, hogy az Univerzumban az anyag nagy léptékű eloszlásának egyenletesnek kell lennie. Az elmúlt években a megfigyelési adatok nyomása alatt folyamatosan nőtt az a skála, ahonnan a homogenitást meg kell figyelni.
Az alternatívák esetében sem megy minden simán. De problémáik egy kicsit más síkon vannak. A helyzet az, hogy amellett, hogy egészen komoly kutatók dolgoznak alternatív gravitációs elméleteket, sok ilyen van nagyobb számban amatőrök, akik, miután nem értik az általános relativitáselmélet nagyon nem triviális matematikai apparátusát, elkezdik saját elméleteiket létrehozni, alternatívnak nevezve azokat. Ezek az alakok gyakran tudományos fokozattal rendelkeznek (főleg a gravitációelmélettől távol eső területeken szerezték őket), és ennek köszönhetően bekerülnek a tudományos körökbe. Cikkeket küldenek tudományos folyóiratokba, felszólalnak konferenciákon, könyveket adnak ki saját nevelésű elméleteikről, amelyek hiányosságai (ha egyáltalán beszélhetünk hiányosságokról) nem állnak arányban a fenti általános relativitáselmélet elleni állításokkal.
Sajnos az általános relativitáselmélet sok támogatója számára az ilyen elméletek ugyanúgy néznek ki, mint az alternatív gravitációs elméletek meglehetősen komoly kutatásai. Valójában olyan helyzet állt elő, amelyben az általános relativitáselmélet tévedhetetlenségének dogmája (legalábbis a mögöttes geometriai megközelítés) érvényesül. Kiderült, hogy a gravitációs elmélet területén a tudomány két klánra oszlik, amelyek gyakorlatilag nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Ez a helyzet természetesen szomorúnak tűnik. Csak remélni lehet, hogy az új csillagászati adatok robbanásszerű felhalmozódása a közeljövőben arra kényszeríti ezt a két klánt, hogy kapcsolatba lépjenek egymással.
A programhoz szükséges anyagok:
Logunov A. A. a gravitáció relativisztikus elméletéről szóló cikkeiből.
A relativisztikus gravitációelmélet legyőzi az általános relativitáselmélet nehézségeit. Az új elmélet az anyagmegmaradás alapvető törvényein és a gravitációs tér Faraday-Maxwell típusú fizikai mezőként való felfogásán alapul. Megmagyaráz minden ismert megfigyelési és kísérleti adatot a gravitációról, és új ötleteket ad az Univerzum fejlődéséről, a gravitációs összeomlásról, a térről és az időről.
Mindenki jól tudja, hogy a minket körülvevő tér geometriája euklideszi. Megfigyelések révén fedezték fel, majd több mint 2 ezer évvel ezelőtt Eukleidész fogalmazta meg posztulátumok és axiómák formájában. Az euklideszi geometria alapjául szolgáló posztulátumok és axiómák nyilvánvaló állítások, amelyeket bizonyítás nélkül fogadunk el. Annyira természetesek, hogy szinte abszolút meggyőződés született ennek a geometriának az egyediségéről. A geométerek sok erőfeszítést tettek a posztulátumok és axiómák számának csökkentésére, minimálisra csökkentésére. Ezt úgy sikerült elérni, hogy néhányat eltávolítottak a többi közül. A matematikusok sok erőfeszítést tettek azért, hogy megszabaduljanak az ötödik posztulátumtól (egy adott egyenesen kívüli ponton keresztül csak egy egyenest lehet vele párhuzamosan húzni), de ez nem sikerült, bár a geométerek már több mint 2 éve tanulmányozzák ezt a problémát. Ezer év.
A mechanika, mint a testek mozgásának tudománya rohamos fejlődésének kezdete a 17. század közepére nyúlik vissza. A korszak mechanikája kísérleti tudomány volt. A hatalmas mennyiségű kísérleti adat összegzése eredményeként I. Newton megfogalmazta három híres dinamika- és gravitációs törvényét. Ez lehetővé tette az akkori testek mozgásával kapcsolatos problémák széles körének megoldását. Euklidész geometriája Newton törvényeiben testesült meg. Lényegében ettől a pillanattól kezdve a mechanikai jelenségek tanulmányozása nemcsak a Newton-törvények, hanem az euklideszi geometria tesztjévé is vált. Ekkor azonban ez még nem valósult meg, hiszen Eukleidész geometriájához, logikai sémaként való egyediségéhez nem férhetett kétség. És csak a XIX. N. I. Lobacsevszkij az ötödik posztulátum problémáját tanulmányozva Euklidész geometriájában arra a következtetésre jutott, hogy azt új posztulátummal kell helyettesíteni: egy síkon egy egyenesen kívüli ponton keresztül legalább két olyan egyenes halad át, amelyek nem metszik ezt. egy.
Célja az volt, hogy geometriát építsen ennek alapján új rendszer posztulátumok és axiómák. E program megvalósítása vezette Lobacsevszkijt a nem euklideszi geometria felfedezéséhez. Lobacsevszkij igen legnagyobb felfedezés, de kortársai, sőt jelentős tudósok is nemcsak nem értették meg, hanem ellenséges álláspontra helyezkedtek. Később Lobacsevszkij kutatásai lendületet adtak más geometriák felépítésének. Világossá vált, hogy végtelen számú geometria, mint logikai rendszer építhető fel, és csak a tapasztalat döntheti el, hogy ezek közül melyik valósul meg a körülöttünk lévő világban. A modern matematikai nyelvben a geometria szerkezetét teljesen meghatározza a szomszédos végtelenül közeli pontok távolságának négyzetének kifejezése. BAN BEN Derékszögű koordináták Az euklideszi térben az ilyen távolság négyzetének alakja: dll = dxx + dyy + dzz.
Itt dx, dy, dz koordináta-differenciálok. Valójában ez nem más, mint a Pitagorasz-tétel a háromdimenziós tér esetére, ha Eukleidész posztulátumaiból és axiómáiból indulunk ki. Ez az egyenlőség használható az euklideszi geometria definíciójának alapjául. Ha nem derékszögű koordinátákat használnánk, hanem más görbe vonalakat (például gömb alakú, hengeres stb.), akkor ezekben a koordinátákban a szomszédos pontok távolságának négyzete (jelöljük őket xi-vel) a következő alakot kapná: dll = ?ik(x)dxidxi. Ez a jelölési forma a matematikai nyelvben ugyanazon i és k indexek összegzését jelenti (i, k = 1, 2. 3). Az ?ik mennyiség meghatározza a geometria szerkezetét, és az euklideszi tér metrikus tenzorának nevezik. Az euklideszi geometriának van a legfontosabb tulajdonság: ebben mindig lehetőség van a teljes térben globális derékszögű koordináták bevezetésére, amelyekben a metrikus tenzornak csak az eggyel egyenlő átlós összetevői nem nullák. Ez azt jelenti, hogy az euklideszi tér „lapos”, vagy más szóval a görbület minden pontban nulla.
B. Riemann, N. I. Lobacsevszkij és K. F. Gauss ötletét kidolgozva, bevezette a geometriák egy speciális osztályát, az úgynevezett Riemann-féle geometriákat, amelyek csak egy végtelenül kicsiny területen esnek egybe az euklidesziekkel. A térgörbület alapfogalmát is általánosította. A Riemann-geometriában két szomszédos pont távolságának négyzete is dll = ?ik (x)dxidxk alakban van felírva, azzal az egyetlen alapvető különbséggel, hogy ebben nincsenek egységes derékszögű koordináták a teljes térben, amelyben a A metrikus tenzor mindenhol állandó, és átlós alakú lenne. Ez azt jelenti, hogy a Riemann-tér görbülete mindig nem nulla, és értéke a tér pontjától függ.
Milyen geometria játszódik le a természetben? Erre a kérdésre a választ csak a tapasztalatok alapján, vagyis a természeti jelenségek tanulmányozásával kaphatjuk meg. Míg a fizikában viszonylag kis sebességgel volt dolgunk, a tapasztalatok megerősítették, hogy terünk geometriája euklideszi, és az olyan fogalmak, mint a „hossz” és az „idő” abszolútak, és nem függenek a vonatkoztatási rendszertől. Az elektromágneses jelenségek, valamint a részecskék fénysebességhez közeli sebességű mozgásának vizsgálata oda vezetett, hogy csodálatos felfedezés: tér és idő egyetlen kontinuumot alkotnak; A két közeli pont (esemény) közötti távolság szerepét egy intervallumnak nevezett mennyiség játssza. Az intervallum derékszögű koordinátáiban megadott négyzetét a következő egyenlőség határozza meg: dss = ccdTT - dxx - dyy - dzz. Itt c a fénysebesség; T - idő. Az ilyen intervallum által meghatározott geometriát pszeudoeuklideszinek nevezzük, és négydimenziós tér ilyen geometriával - Minkowski tér. A dss intervallum négyzete lehet pozitív, negatív vagy nulla. Ez a felosztás abszolút. Az idő és a koordináták szinte egyenlően (négyzetesen) lépnek be az intervallumba, azzal az egyetlen alapvető különbséggel, hogy különböző előjelekkel rendelkeznek. Ez tükrözi az ilyenek közötti mély különbséget fizikai fogalmak, mint a „hosszúság” és „idő”. Az intervallum mérete nem függ a referenciakerettől, míg az idő és a hossza már nem abszolút fogalmak, ezek relatívak és a referenciarendszer megválasztásától függenek.
A dss intervallum rendelkezik ugyanaz a tekintet a referenciarendszerek végtelen osztályában, amelyek egymáshoz képest állandó, a fénysebességnél kisebb sebességgel mozognak. Az ilyen vonatkoztatási rendszerek inerciálisak, mert teljesül bennük a tehetetlenségi törvény. Az egyik inerciarendszerből a másikba való transzformációt, megőrizve egy intervallum alakját, Lorentz-transzformációnak nevezzük. A dss intervallumon alapuló inerciális referenciarendszerek osztályában megfogalmazott elméletet A. Einstein speciális relativitáselméletnek nevezte. A speciális relativitáselméletnek ez a korlátozott ismerete széles körben elterjedt, és szinte minden tankönyvet áthatott. A speciális relativitáselmélet alapjául szolgáló fogalmak azonban pontosan érvényesek a gyorsított referenciakeretekre.
Mivel a Minkowski-tér homogén és izotróp, ezért a matematika nyelvén maximum tízparaméteres mozgáscsoporttal rendelkezik (egy négyparaméteres fordításcsoport és egy hatparaméteres forgáscsoport), és ezért a megmaradás törvényei. energia - lendület és szögimpulzus - megy végbe benne, ill. Ez azt jelenti, hogy mindig lehet találni új x* változókat, amelyek a régi x változók függvényei, így amikor rájuk lépünk, az intervallum teljesen megtartja alakját: dss = ?ik(x*)dx*idx*k. Itt az új x* változókban a metrikus tenzor?ik(x*) összes összetevője megegyezik az előzővel. Így egy intervallum alakjának invarianciája a Minkowski-térben nem csak az inerciális vonatkoztatási rendszerek osztályára vonatkozik, hanem a gyorsított referenciarendszerek egy tetszőlegesen választott osztályára is. A Minkowski-tér ezen tulajdonsága a relativitás általános elveként van megfogalmazva: „Bármilyen fizikai vonatkoztatási rendszert is választunk (inerciális vagy nem inerciális), mindig jelezhetünk más rendszerek végtelen halmazát – azokat, amelyekben minden fizikai jelenség (beleértve a gravitációsakat is) ) a kezdeti vonatkoztatási rendszerhez hasonlóan fordulnak elő, így nincs és nem is rendelkezhetünk kísérleti képességgel annak megkülönböztetésére, hogy ebből a végtelen totalitásból melyik vonatkoztatási rendszerben vagyunk.” Ez azt jelenti, hogy amikor a felgyorsított vonatkoztatási rendszerekkel foglalkozunk, ne lépje túl a speciális relativitáselmélet kereteit . Ez az elv képezi a továbbiakban a gravitáció relativisztikus elméletének alapját, amelyről később lesz szó. Egyelőre rátérünk az Einstein által megalkotott gravitációs elméletre. Beszéljük meg alapelveit és nehézségeit.
A nem inerciális vonatkoztatási rendszerben egy szabad anyagi pont által tapasztalt gyorsulás a metrikus tenzor?ik első deriváltjain keresztül fejeződik ki a koordináták és az idő függvényében. Ez a tehetetlenségi erők egyetemességét tükrözi, amelyek a test tömegétől független gyorsulást okoznak. A gravitációs erők pontosan ugyanazzal a tulajdonsággal rendelkeznek, mivel a tapasztalatok szerint a test gravitációs tömege megegyezik a tehetetlenségi tömegével. A tehetetlenségi és gravitációs tömegek egyenlőségét alapvető ténynek tekintve Einstein arra a következtetésre jutott, hogy a gravitációs teret, akárcsak a tehetetlenségi erőket, metrikus tenzorral kell leírni. Ez azt jelenti, hogy a gravitációs mezőt nem egyetlen skaláris potenciál jellemzi, hanem tíz függvény, amelyek a metrikus tenzor összetevői. Ez volt a legfontosabb lépés a gravitációs erők megértésében, ami lehetővé tette Einsteinnek a gravitációs elmélet felépítésének sokéves kísérlete után, hogy felvesse azt a gondolatot, hogy a téridő nem pszeudoeuklideszi, hanem pszeudo-riemann-i (a jövőben egyszerűen azt fogjuk mondani, hogy Riemann).
Einstein a gravitációs teret a Riemann-tér metrikus tenzorával azonosította. Ez az ötlet lehetővé tette D. Hilbertnek és A. Einsteinnek, hogy egyenleteket kapjanak a gravitációs térre, azaz a Riemann-tér metrikus tenzorára. Ily módon épült fel az általános relativitáselmélet (GR).
Einstein előrejelzése a fénysugár eltérüléséről a Nap területén, majd ennek a hatásnak a kísérleti megerősítése, valamint a Merkúr perihéliumának eltolódásának magyarázata Einstein általános relativitáselméletének igazi diadala lett. . Sikerei ellenére azonban a GTO szinte születésétől fogva nehézségekkel néz szembe.
E. Schrödinger 1918-ban kimutatta, hogy a koordinátarendszer megfelelő megválasztásával a gömbszimmetrikus testen kívüli gravitációs tér energia-impulzusát jellemző összes komponens nullára csökkenthető, ez az eredmény először Einstein számára meglepőnek tűnt, de az elemzés után a következőképpen válaszolt: „Mi Schrödinger megfontolásait illeti, meggyőződésük az elektrodinamikával való analógiában rejlik, amelyben bármely mező feszültsége és energiasűrűsége nem nulla. Nem találok azonban okot arra, hogy miért lenne ez igaz a gravitációs mezőkre. A gravitációs mezők feszültségek és energiasűrűségek bevezetése nélkül is beállíthatók. Vagy még egyszer: "...egy végtelenül kicsi tartományhoz a koordinátákat mindig meg lehet választani úgy, hogy a gravitációs mező hiányzik belőle."
Látjuk, hogy Einstein tudatosan eltávolodott a mező mint anyagi szubsztancia klasszikus felfogásától, amelyet még lokálisan sem semmisíthet meg referenciakeret választása, és ezt az erők lokális egyenértékűségének elve nevében tette. a tehetetlenség és a gravitáció, amelyet az alapelv rangjára emelt, bár a fizikai ennek nem volt és nincs oka. Mindez ahhoz a gondolathoz vezetett, hogy lehetetlen a gravitációs energiát az űrben lokalizálni.
Az előzőhöz kapcsolódó másik nehézség az energia- és impulzusmegmaradás törvényeinek megfogalmazásával kapcsolatos. Először D. Gilbert mutatott rá. 1917-ben ezt írta: „Azt állítom... hogy az általános relativitáselmélethez, azaz a Hamilton-függvény általános invarianciája esetén olyan energiaegyenletek, amelyek... megfelelnek az ortogonálisan invariáns elméletek energiaegyenleteinek (értsd: térelmélet Minkowski tér ), egyáltalán nem létezik. Ezt a körülményt akár úgy is jelölhetném jellemző tulajdonságáltalános relativitáselmélet." Sajnos Hilbertnek ezt a kijelentését kortársai nem értették meg, hiszen sem maga Einstein, sem más fizikusok nem vették észre, hogy az általános relativitáselméletben az energia-impulzus és a szögimpulzus megmaradásának törvényei elvileg lehetetlenek.
De Einstein világosan megértette az anyag energia-impulzusa és a gravitációs tér megmaradásának törvényeinek alapvető jelentőségét együttvéve, ezért egyáltalán nem állt szándékában elhagyni őket. 1918-ban az általános relativitáselmélet keretein belül végzett egy tanulmányt, amelyben – mint írta – „az energia és a lendület fogalma olyan világosan kialakult, mint a klasszikus mechanikában”. Ugyanebben az évben F. Klein megerősítette Einstein eredményeit. Azóta a kérdés bemutatásakor Einsteint szó szerint követik. Úgy tűnik, hogy a probléma teljesen megoldódott, és Einstein soha nem tért vissza hozzá. A gondos elemzés azonban azt mutatja, hogy Einstein és Klein érvelése egy egyszerű, de alapvető tévedést tartalmaz, melynek lényege abban rejlik, hogy a J? értéke, amelyet Einstein az okoskodásában úgy operált, hogy összetevőit energiával és lendülettel azonosította, egyszerűen egyenlő nullával. Einsteinnek nem volt hivatott belátnia, hogy a GTR elfogadása szükségszerűen az alapvető természetvédelmi törvények elvetéséhez vezet, és ez utóbbi, amint megmutattuk, egyenesen arra a következtetésre vezet, hogy a test tehetetlenségi tömege (a GTR-ben meghatározottak szerint) nem egyenlő az aktív gravitációs tömegével. Ez azonban azt jelenti, hogy az általános relativitáselmélet nem tudja megmagyarázni e tömegek egyenlőségének kísérleti tényét, de Einstein úgy vélte, hogy éppen ez a tény az elméletének a következménye. Kiderült azonban, hogy ez nem így van. A megmaradási törvények hiányának fő oka a GTR-ben abban rejlik, hogy a Riemann-féle geometriában általános esetben nincs térmozgáscsoport, és ezért a téridőnek a megmaradási törvényekhez vezető szimmetriája sem. És bár ez utóbbi rendkívül nyilvánvaló volt a matematikusok számára, és a fizikusok láthatóan tudtak róla, a természetvédelmi törvények matematikai eredetének mély megértésének hiánya nem tette lehetővé az egyetlen dolgot. helyes következtetés hogy az általános relativitáselméletben nem létezhetnek természetvédelmi törvények. Einstein és Klein munkái, amelyekről fentebb írtunk, illuzórikus bizalmat keltettek az általános relativitáselmélet megőrzési törvényeinek jelenlétében. Ez a bizalom ma is tart. A riemanni geometria apparátusa kecsességének és szépségének köszönhetően olyan mértékben magával ragadta a gravitáción dolgozó fizikusokat, hogy szinte teljesen elválasztotta őket a fizikai valóságtól.
A matematikai konstrukciók fizikai jelentésének megadása fizikai elképzelések nélkül nagyon kétes tevékenység, de korunkban elterjedt. Így az általános relativitáselmélet elfogadása a fizika mögött meghúzódó számos alapelv elutasításához vezet. Először is, ez az anyag energia-impulzusának és szögimpulzusának, valamint a gravitációs mezőnek együttesen fennálló törvényeinek elutasítása. Másodszor, a gravitációs mezőnek a Faraday-Maxwell típusú klasszikus mezőként való ábrázolásának megtagadása, amelynek energia-impulzussűrűsége van. Sok általános relativitáselméletben foglalkozó fizikus számára ez még mindig nem világos, míg mások hajlamosak a megmaradási törvények elutasítását úgy tekinteni, mint a legnagyobb eredmény elmélet, amely megdöntötte az „energia” fogalmát. Azonban sem a makro-, sem a mikrokozmoszban nincs egyetlen kísérleti tény sem, amely közvetlenül vagy közvetve kétségbe vonná az anyagmegmaradás törvényeinek érvényességét. Ezért túl komolytalanok lennénk, ha megfelelő kísérleti okok nélkül szándékosan feladnánk ezeket a törvényeket. Természetvédelmi törvények nélkül egy elmélet nem lehet kielégítő. Az általános relativitáselmélet elutasítását a fizikai fogalmak logikája és a kísérleti tények egyaránt megszabják.
Hitelesítés az általános relativitáselméletnek, mint bizonyosnak fontos szakasz a gravitáció tanulmányozása során felvázolható az alapvető megmaradási törvények alapján felépített relativisztikus gravitációs elmélet alapelveinek lényege.
A gravitáció relativisztikus elmélete (RTG) a következő fizikai követelményeken alapul. Elméletileg szigorúan be kell tartani az energia-impulzus és a szögimpulzus megmaradásának törvényeit az anyag és a gravitációs tér együttesen. Az anyag az anyag minden formájára vonatkozik (beleértve az elektromágneses teret is), a gravitációs anyag kivételével. A megmaradási törvények az anyag általános dinamikus tulajdonságait tükrözik, és lehetővé teszik különböző formáihoz egységes jellemzők bevezetését. Az anyag általános dinamikai tulajdonságai a téridő geometriájának szerkezetében öltenek testet. Feltétlenül kiderül, hogy pszeudoeuklideszi (más szóval, az elmélet Minkowski térben épül fel). Így a geometriát nem megegyezés határozza meg, ahogy Poincaré hitte, hanem egyedileg a természetvédelmi törvények határozzák meg. A Minkowski-térnek, mint már említettük, van egy négyparaméteres fordításcsoport és egy hatparaméteres elforgatáscsoport. Ez az álláspont gyökeresen megkülönbözteti az RTG-t az általános relativitáselmélettől, és teljesen kivon minket a riemanni geometriából. A gravitációs teret szimmetrikus tenzor írja le, és egy valós fizikai tér energiával és impulzussűrűséggel. Ha ehhez a mezőhöz részecskék (mezőkvantumok) vannak társítva, akkor nyugalmi tömegük nulla legyen, mivel a gravitációs kölcsönhatás nagy hatótávolságú. Ebben az esetben a gravitációs tér valós és virtuális kvantumainak lehetnek 2-es és 0-s spinű állapotai.
A gravitációs tér e definíciója visszaadja neki a fizikai valóságot, mivel az már lokálisan sem semmisíthető meg a referenciarendszer megválasztásával, és ezért nincs (még lokális) ekvivalencia a gravitációs tér és a tehetetlenségi erők között. Ez a fizikai követelmény alapjaiban különbözteti meg az RTG-t az általános relativitáselmélettől. Einstein az általános relativitáselméletben a gravitációt a Riemann-tér metrikus tenzorával azonosította, de ez az út a gravitációs mező mint fizikai tér fogalmának elvesztéséhez, valamint a megmaradási törvények elvesztéséhez vezetett. A GTR ezen rendelkezésének elutasítását elsősorban az a vágy diktálja, hogy a gravitációelméletben megőrizzék ezeket az alapvető fizikai fogalmakat.
Maxwell egyenletrendszere az elektromágneses térre és az RTG egyenletekre. Hasonlóságuk az RTG egyik fő rendelkezését tükrözi, mely szerint a gravitációs teret energia- és impulzussűrűségű fizikai mezőnek tekintik, ehelyett a geometrizálás elvét bevezetik az elméletbe, a lényeget ami a következő: a gravitációs tér kölcsönhatása az anyaggal egyetemességéből adódóan úgy írható le, hogy a Фik tenzoros gravitációs teret a Minkowski-tér metrikus tenzor?ikjához kapcsoljuk. Ez mindig megtehető, hiszen függetlenül attól, hogy az anyag milyen formáját választjuk, a kezdeti fizikai egyenletek tartalmazni fogják a Minkowski-tér metrikus tenzorát. Nem is lehet másként, hiszen a fizikai folyamatok időben és térben mennek végbe.
Einstein szerint az anyag mozgása a Riemann-féle téridőben történik, de az általános relativitáselméletben nincs Minkowski tér. A geometrizálás elve szerint az anyag gravitációs tér hatására mozog a Minkowski térben. Az ilyen mozgás valóban egyenértékű valamely „hatékony” riemann térben való mozgással. Úgy tűnik, hogy a gravitációs tér megváltoztatja a fennmaradó mezők geometriáját. A Minkowski-tér jelenléte az RTG-ben lehetővé teszi, hogy a gravitációs mezőt egy közönséges fizikai mezőnek tekintsük Faraday-Maxwell szellemében, az energia-impulzushordozó szokásos tulajdonságaival.
Tehát nem az anyag mozgásának sajátos fizikai megnyilvánulásai, hanem annak legáltalánosabb dinamikus tulajdonságai határozzák meg a geometria szerkezetét, aminek egy fizikai elmélet alapját kell képeznie. A relativisztikus gravitációs elméletben (RTG) a geometriát nem a fény és a teszttestek mozgásának tanulmányozása alapján határozzák meg, hanem az anyag általános dinamikus tulajdonságai – megmaradási törvényei, amelyek nemcsak alapvető fontosságú, de kísérletileg is ellenőrizhető. Ebben az esetben a fény és a teszttestek mozgása a gravitációs mezőnek az anyagra gyakorolt egyszerű hatásának köszönhető a Minkowski térben. Így a Minkowski-tér és a gravitációs tér az eredeti, elsődleges fogalmak, a „hatékony” Riemann-tér pedig másodlagos fogalom, eredete a gravitációs térből és annak egyetemes cselekvés az anyagon. A geometriázási elv lényege a tehetetlenségi erők és a gravitációs mezők szétválasztásában rejlik. Ez az elválasztás azonban csak akkor valósítható meg fizikailag, ha a Minkowski-tér metrikus tenzora szerepel a gravitációs mező egyenleteiben. A GTR-ben, amint az a Hilbert-Einstein egyenletekből könnyen látható, az ilyen szétválasztás lehetetlen, mivel a riemann geometriában, amelyen a GTR alapul, nincs Minkowski tér fogalma. Ezért tévesek például azok az állítások, amelyek szerint az általános relativitáselmélet a Minkowski-tér fogalmai alapján nyerhető. A geometria elvén egyrészt teljesen kizárt Einstein azon ötlete, hogy a gravitációt a Riemann-tér metrikus tenzorával azonosítsa, másrészt Einstein riemann geometriai elképzelését fejlesztik ki. Ha a téridőt teljesen a metrikus tenzor határozza meg, akkor az anyagot az energia-impulzus tenzor jellemzi. Minden anyagforma esetében megvan a maga sajátos megjelenése. Az anyag és a gravitációs tér teljes energia-impulzus-tenzora a Minkowski-térben konzervált tenzor. A gravitáció univerzális természete miatt a gravitációs tér forrásaként kell szolgálnia az RTG egyenletekben. A relativisztikus gravitációelmélet teljes egyenletrendszere formálisan megkapható Maxwell elektrodinamikai egyenleteiből, ha a vektoros elektromágneses tér helyett az egyenletek bal oldalán a tenzoros gravitációs teret tesszük, és a megmaradt elektromágneses áramot a minden anyag energia-impulzus tenzora.
Természetesen egy ilyen következtetés egyszerűen heurisztikus eszköz, és semmiképpen sem állíthatja, hogy szigorú. De a korábban megfogalmazott RTG-elveken alapuló pontos megfontolás a helyi nyomtáv invarianciával kombinálva egyértelműen egy ilyen, 14 gravitációs egyenletből álló rendszerhez vezet. Négy további RTG mezőegyenlet határozza meg fizikai szerkezet gravitációs mezőt, és alapvetően különítsen el mindent, ami a tehetetlenségi erőkre vonatkozik, mindentől, ami a gravitációs mezőhöz kapcsolódik.
A maradék tíz egyenlet egybeesik a Hilbert-Einstein egyenletekkel, azzal az egyetlen alapvető különbséggel, hogy a bennük lévő mezőváltozók Minkowski-koordináták függvényei. Ez teljesen megváltoztatja fizikai tartalmukat, és megkülönbözteti őket az általános relativitáselmélet egyenleteitől. Az összes egyenlet általában kovariáns, azaz a Minkowski-tér minden referenciakeretében azonos formájú, és egyértelműen tartalmazza ennek a térnek a metrikus tenzorát. Ez azt jelenti, hogy a Minkowski-tér nemcsak a természetvédelmi törvényekben, hanem a fizikai jelenségek leírásában is tükröződik. Elméletünkben minden térkomponens (elektromágneses, gravitációs stb.) Minkowski térkoordináták függvénye. Ez alapvető fontosságú. A téregyenletrendszer megoldásával megállapítjuk az „effektív” Riemann-tér metrikus tenzorának függését mind a Minkowski-tér koordinátáitól, mind a G gravitációs állandótól. A megfelelő idő (az anyaggal együtt mozgó óra által mérve) Kiderül, hogy a Minkowski-tér koordinátáitól és a gravitációs állandótól függ. Így a megfelelő idő lefutását a gravitációs mező természete határozza meg.
A Minkowski-tér metrikus tenzorának jelenléte a téregyenletekben lehetővé teszi a tehetetlenségi erők és a gravitációs erők elkülönítését, és minden esetben megtalálja hatásukat bizonyos fizikai folyamatokra. Ezért a Minkowski tér fizikai, ezért megfigyelhető.
Jellemzői szükség esetén mindig ellenőrizhetők a fényjelek és a teszttestek „hatékony” riemann térben történő mozgására vonatkozó kísérleti adatok megfelelő feldolgozásával. „Ami azt a megfontolást illeti, hogy az egyenes, mint egy fénysugár, jobban megfigyelhető – írta egykor V. A. Fok –, annak nincs jelentősége: a definíciókban nem a közvetlen megfigyelhetőség, hanem a természettel való megfelelés a döntő. , legalábbis ez a megfeleltetés közvetett következtetésekkel jött létre.” A megfigyelhetőséget tehát nem primitíven, hanem általánosabb és mélyebb értelemben kell érteni a természethez való megfelelőségként.
Természetesen az RTG semmiképpen sem zárja ki annak lehetőségét, hogy az anyagot egy „hatékony” riemann térben leírjuk. Az RTG egyenletek tartalmazzák a Minkowski-tér metrikus tenzorát, ezért minden fizikai mezőt leíró függvény a teljes Minkowski téridőre egységes koordinátákkal van kifejezve, például Galilei (derékszögű) koordinátákkal. A Hilbert-Einstein egyenletek a gravitációs tér szerkezetét meghatározó egyenletekkel kombinálva új fizikai jelentést kapnak, miközben megváltoznak és jelentősen leegyszerűsödnek. Az anyag energia-impulzusának és a gravitációs térnek a megmaradásának törvényei együttesen az RTG egyenletek következményei, és a téridő pszeudoeuklideszi szerkezetét tükrözik. Az általános relativitáselmélet elvben a fentiek mindegyikét nélkülözi, mivel a Riemann-geometriában, ismételjük, nincs Minkowski-tér fogalma.
Most - az RTG néhány fizikai következményeiről. A 20-as évek elején A. A. Friedman a Hilbert-Einstein egyenleteket azzal a feltételezéssel oldva meg, hogy az anyag sűrűsége a tér minden pontjában azonos, és csak az időtől függ (Friedman homogén és izotróp Univerzum), felfedezte, hogy három nem modell -stacionárius Univerzum lehetséges ( Friedmann Univerzum modelljei). Az Univerzum minden típusát az adott pillanatban mért anyagsűrűség és a Hubble-állandó mérései alapján meghatározott, úgynevezett kritikus sűrűség közötti kapcsolat határozza meg. Ha az anyag sűrűsége nagyobb a kritikusnál, akkor az Univerzum zárt és véges térfogatú, de nincsenek határai. Ha az anyag sűrűsége kisebb vagy egyenlő, mint a kritikus sűrűség, akkor az Univerzum végtelen.
Arra a kérdésre, hogy ezek közül a modellek közül melyik valósul meg a természetben, az általános relativitáselmélet elvben nem tud határozott választ adni. Az RTG szerint Friedmann homogén és izotróp Univerzuma végtelen, és csak lapos lehet – háromdimenziós geometriája euklideszi. Ebben az esetben az Univerzumban az anyag sűrűsége pontosan megegyezik a kritikus sűrűséggel. Így az RTG előrejelzése szerint az Univerzumban léteznie kell „rejtett tömegnek”, amelynek sűrűsége csaknem 40-szerese a ma megfigyelt anyagsűrűségnek.
Az RTG másik fontos következménye az az állítás, hogy az Univerzumban az anyag teljes energiasűrűségének és a gravitációs mezőnek nullával kell egyenlőnek lennie.
A Friedmann-féle homogén és izotróp Univerzum fejlődésére vonatkozó RTG előrejelzés jelentősen eltér az általános relativitáselmélet következtetéseitől. Továbbá az általános relativitáselméletből az következik, hogy a három naptömegnél nagyobb tömegű objektumokat a gravitációs erőknek korlátlan ideig össze kell nyomniuk (összeomlásnak) egy véges, megfelelő időtartam alatt, végtelen sűrűséget érve el. Az ilyen típusú objektumokat fekete lyukaknak nevezzük. Nincs anyagi felületük, ezért a fekete lyukba eső test, amikor átlépi annak határát, nem találkozik semmivel, kivéve üres tér. A fekete lyuk belsejéből még a fény sem tud átjutni a határán. Más szóval, mindaz, ami egy fekete lyukban történik, elvileg nem tudható a külső szemlélő számára.
J. Wheeler a gravitációs összeomlást és az ebből eredő szingularitást (végtelen sűrűséget) minden idők egyik legnagyobb válságának tekintette az alapvető fizika számára. A gravitáció relativisztikus elmélete gyökeresen megváltoztatja a gravitációs összeomlás természetéről alkotott elképzeléseket. Ez a gravitációs idődilatáció jelenségéhez vezet, amelynek következtében a kísérő vonatkoztatási rendszerben egy hatalmas test összenyomódása véges megfelelő időben történik. Ugyanakkor ami a legfontosabb, az anyag sűrűsége véges marad és nem haladja meg az 1016 g/cm3-t, a test fényereje exponenciálisan csökken, a tárgy „feketévé válik”, de a fekete lyukakkal ellentétben mindig van anyaga. felület. Az ilyen objektumok, ha keletkeznek, összetett szerkezetűek, és nem történik gravitációs „önbezáródás”, ezért az anyag nem tűnik el a terünkből. Az RTG-ben a leeső teszttest megfelelő ideje mind a Minkowski-tér koordinátáitól, mind a G gravitációs állandótól függ, ezért a megfelelő idő lefutását a gravitációs tér természete határozza meg. Ez a körülmény vezet oda, hogy az úgynevezett Schwarzschild-sugárhoz közeledve a leeső teszttest megfelelő ideje korlátlanul lelassul.
Így az RTG szerint elvileg a természetben nem létezhetnek fekete lyukak - olyan objektumok, amelyekben végtelen sűrűségű anyagösszenyomódás következik be, és amelyeknek nincs anyagi felületük. Mindez alapvetően megkülönbözteti az RTG előrejelzéseket a GR előrejelzésektől. A masszív tárgyak összenyomása, ha a nyomás nem nulla, természetesen gyengébb lesz, mivel a belső nyomás zavarja a gravitációs vonzást. A valós objektumok evolúciója részletesebb tanulmányozást igényel az anyag állapotegyenletével, és ez egy nagyon érdekes probléma.
Az RTG elmagyarázza a Naprendszer gravitációs hatásaira vonatkozó megfigyelési és kísérleti adatok teljes készletét. A részletes elemzés azt mutatja, hogy az általános relativitáselmélet előrejelzései a Naprendszer gravitációs hatásaira kétértelműek, és egyes hatások esetében az önkényesség a G gravitációs állandóban az első sorrendben, mások esetében pedig a második sorrendben merül fel. Mi az oka ennek a kétértelműségnek? Az általános relativitáselméletben a Riemann-tér metrikus tenzorának komponenseinek bármely koordinátában történő meghatározásához meg kell adni az úgynevezett koordinátafeltételeket, amelyek nagyon tetszőlegesek és mindig nem kovariánsak (csak egy bizonyos kiválasztott koordinátára vonatkoznak rendszer). E feltételek típusától függően általános esetben szükségszerűen ugyanazon koordinátákon különböző metrikus tenzorokat kapunk. De az azonos koordinátákon lévő különböző metrikus tenzorok eltérő geodetikus értékeket is adnak, ami azt jelenti, hogy az általános relativitáselmélet előrejelzései a fény és a teszttestek mozgására szintén eltérőek lesznek.
Tehát a gravitáció relativisztikus elmélete, amely a megmaradási törvényekre és a gravitációs mezőről mint energia-impulzussűrűségű fizikai térre vonatkozó elképzelésekre épül, a geometria és a lokális szelvényváltozatlanság elveivel kombinálva megmagyaráz minden ismert megfigyelési és kísérleti adatot. adatokat a gravitációról, és új előrejelzéseket ad a Friedmann-univerzum kialakulásáról és a gravitációs összeomlásról.
Bibliográfia
Denisov V.I., Logunov A.A. A matematika modern problémái. A tudomány és a technológia eredményei. M., 1982.
Landau L. D., Lifshits Rövid tanfolyam elméleti fizika. M., 1969.
Logunov A. A. Új ötletek a térről, az időről és a gravitációról // Tudomány és emberiség: Nemzetközi Évkönyv. M., 1988.
Logunov A. A. Előadások a relativitáselméletről és a gravitációról. M., 1985.
Logunov A. A. A gravitációs tér elmélete. M., 2000 (2001).
Logunov A. A., Loskutov Yu. M. Az általános relativitáselmélet és a relativisztikus gravitációelmélet előrejelzéseinek kétértelműsége. M., 1986.
Logunov A. A., Mestvirishvili M. A. A relativisztikus gravitáció alapjai. M., 1982.
Klein F. A megmaradási törvények integrál formájáról és a térben zárt világ elméletéről // Einstein-gyűjtemény 1980–1981. M., 1985.
Fok V. A. A tér, az idő és a gravitáció elmélete. M., 1965.
Schrödinger E. A gravitációs térenergia összetevői/Einstein-gyűjtemény. 1980–1981. M., 1985.
Einstein A. Gyűjtemény tudományos munkák. M., 1965. T. 1.
201. számú téma
Adás 03.01.21
Időpont: 46:00.
Az emberiség ősidők óta gondolkodik a körülöttünk lévő világ működésén. Miért nő a fű, miért süt a Nap, miért nem tudunk repülni... Ez utóbbi egyébként mindig is különösen érdekelte az embereket. Most már tudjuk, hogy mindennek a gravitáció az oka. Hogy mi ez, és miért olyan fontos ez a jelenség az Univerzum skáláján, azt ma megvizsgáljuk.
Bevezető rész
A tudósok azt találták, hogy minden hatalmas test tapasztal kölcsönös vonzalom egymáshoz. Ezt követően kiderült, hogy ez a titokzatos erő határozza meg az égitestek állandó pályájukon való mozgását is. A gravitáció elméletét egy zseni fogalmazta meg, akinek hipotézisei előre meghatározták a fizika fejlődését az elkövetkező évszázadokban. Albert Einstein, a múlt század egyik legnagyobb elméje fejlesztette és folytatta (bár teljesen más irányban) ezt a tanítást.
A tudósok évszázadok óta figyelték a gravitációt, és megpróbálták megérteni és mérni. Végül az elmúlt néhány évtizedben még egy olyan jelenséget is az emberiség szolgálatába állítottak, mint a gravitáció (bizonyos értelemben persze). Mi ez, mi a szóban forgó kifejezés definíciója a modern tudományban?
Tudományos meghatározás
Ha tanulmányozza az ókori gondolkodók műveit, megtudhatja, hogy a latin „gravitas” szó „gravitációt”, „vonzást” jelent. Ma a tudósok ezt az anyagi testek közötti egyetemes és állandó kölcsönhatásnak nevezik. Ha ez az erő viszonylag gyenge, és csak olyan tárgyakra hat, amelyek sokkal lassabban mozognak, akkor Newton elmélete alkalmazható rájuk. Ha a helyzet fordítva van, akkor Einstein következtetéseit kell használni.
Azonnal tegyünk egy fenntartást: jelenleg a gravitáció természete elvileg nem teljesen érthető. Még mindig nem értjük teljesen, mi az.
Newton és Einstein elméletei
Isaac Newton klasszikus tanítása szerint minden test a tömegével egyenesen arányos, a köztük lévő távolság négyzetével fordítottan arányos erővel vonzza egymást. Einstein azzal érvelt, hogy a tárgyak közötti gravitáció a tér és az idő görbülete esetén nyilvánul meg (és a tér görbülete csak akkor lehetséges, ha van benne anyag).
Ez az elképzelés nagyon mély volt, de a modern kutatások némileg pontatlannak bizonyítják. Ma úgy tartják, hogy a térbeli gravitáció csak meghajlítja a teret: az időt le lehet lassítani, sőt meg is lehet állítani, de az ideiglenes anyag alakjának megváltoztatásának valóságát elméletileg nem erősítették meg. Emiatt az Einstein-féle klasszikus egyenlet még azt az esélyt sem adja meg, hogy a tér továbbra is befolyásolja az anyagot és a keletkező mágneses teret.
BAN BEN nagyobb mértékben Ismert a gravitáció (univerzális gravitáció) törvénye, melynek matematikai kifejezése pontosan Newtonhoz tartozik:
\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]
A γ a gravitációs állandóra utal (néha a G szimbólumot használjuk), amelynek értéke 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²).
Az elemi részecskék közötti kölcsönhatás
A minket körülvevő tér hihetetlen összetettsége nagyrészt a végtelen számú elemi részecskének köszönhető. Különféle kölcsönhatások is vannak köztük olyan szinteken, amelyeket csak sejteni tudunk. Az elemi részecskék közötti kölcsönhatások minden típusa azonban erősségében jelentősen különbözik.
Az általunk ismert legerősebb erők kötik össze az alkatrészeket atommag. Elválasztásukhoz valóban kolosszális mennyiségű energiát kell elköltenie. Ami az elektronokat illeti, azokat csak a közönséges energia „köti” az atommaghoz, ennek megállítására néha a leghétköznapibb energia eredményeként megjelenő energia. kémiai reakció. A gravitáció (már tudja, mi az) atomok és szubatomi részecskék formájában a kölcsönhatás legegyszerűbb típusa.
A gravitációs tér ebben az esetben olyan gyenge, hogy nehéz elképzelni. Furcsa módon ők „figyelik” az égitestek mozgását, amelyek tömegét néha elképzelhetetlen. Mindez a gravitáció két jellemzőjének köszönhetően lehetséges, amelyek különösen nagy fizikai testek esetén érvényesülnek:
- Az atomoktól eltérően jobban észrevehető a tárgytól távol. Így a Föld gravitációja még a Holdat is a mezőjében tartja, és a Jupiterből származó hasonló erő könnyedén támogatja egyszerre több műhold pályáját is, amelyek tömege meglehetősen összemérhető a Földével!
- Ráadásul mindig vonzást biztosít a tárgyak között, és a távolsággal ez az erő kis sebességgel gyengül.
A gravitáció többé-kevésbé koherens elméletének kialakulása viszonylag nemrég történt, és pontosan a bolygók és más égitestek mozgásának évszázados megfigyelései alapján. A feladatot nagyban megkönnyítette, hogy mindegyik légüres térben mozog, ahol egyszerűen nincs más valószínű kölcsönhatás. Galileo és Kepler, az akkori két kiváló csillagász legértékesebb megfigyeléseikkel segítette elő az új felfedezések terepet.
De csak a nagy Isaac Newton volt képes megalkotni a gravitáció első elméletét és matematikailag kifejezni. Ez volt a gravitáció első törvénye, amelynek matematikai ábrázolását fentebb mutatjuk be.
Newton és néhány elődjének következtetései
A körülöttünk lévő világban létező egyéb fizikai jelenségektől eltérően a gravitáció mindig és mindenhol megnyilvánul. Meg kell értenie, hogy az áltudományos körökben gyakran előforduló „nulla gravitáció” kifejezés rendkívül helytelen: még a súlytalanság sem jelenti az űrben azt, hogy egy személy ill. űrhajó valamilyen masszív tárgy vonzása nem hat.
Ezenkívül minden anyagi testnek van egy bizonyos tömege, amelyet a rájuk kifejtett erő és az e hatás által elért gyorsulás formájában fejeznek ki.
Így a gravitációs erők arányosak a tárgyak tömegével. Számszerűen kifejezhetők úgy, hogy megkapjuk mindkét vizsgált test tömegének szorzatát. Ezt az erőt szigorúan engedelmeskedik fordított kapcsolat az objektumok közötti távolság négyzetéből. Minden más kölcsönhatás teljesen másképp függ két test távolságától.
A mise, mint az elmélet sarokköve
A tárgyak tömege olyan különleges vitaponttá vált, amely köré Einstein egész modern gravitációs és relativitáselmélete épül. Ha emlékszel a másodikra, valószínűleg tudod, hogy a tömeg minden fizikai anyagi test kötelező jellemzője. Megmutatja, hogyan fog viselkedni egy tárgy, ha erőt fejtenek ki rá, függetlenül az eredetétől.
Mivel minden test (Newton szerint), amikor ki van téve külső erő gyorsulni, a tömeg határozza meg, hogy mekkora lesz ez a gyorsulás. Gondoljunk többet egyértelmű példa. Képzeljünk el egy robogót és egy buszt: ha pontosan ugyanannyi erőt alkalmazunk rájuk, akkor elérik különböző sebességek különböző időkre. A gravitáció elmélete mindezt megmagyarázza.
Mi a kapcsolat a tömeg és a gravitáció között?
Ha gravitációról beszélünk, akkor a tömeg ebben a jelenségben teljesen ellentétes szerepet játszik a tárgy erejével és gyorsulásával kapcsolatban. Ő maga a vonzalom elsődleges forrása. Ha veszünk két testet, és megnézzük, milyen erővel vonzzák a harmadik tárgyat, amely egyenlő távolságra van az első kettőtől, akkor az összes erő aránya megegyezik az első két tárgy tömegének arányával. Így a gravitációs erő egyenesen arányos a test tömegével.
Ha figyelembe vesszük Newton harmadik törvényét, láthatjuk, hogy pontosan ugyanazt mondja. A gravitációs erő, amely a vonzás forrásától egyenlő távolságra lévő két testre hat, közvetlenül függ ezen tárgyak tömegétől. BAN BEN Mindennapi élet arról az erőről beszélünk, amellyel egy testet a bolygó felszíne súlyaként vonz.
Összefoglalunk néhány eredményt. Tehát a tömeg szorosan összefügg a gyorsulással. Ugyanakkor ő határozza meg azt az erőt, amellyel a gravitáció hat a testre.
A testek gyorsulásának jellemzői gravitációs térben
Ez az elképesztő kettősség az oka annak, hogy ugyanabban a gravitációs térben teljesen különböző objektumok gyorsulása egyenlő lesz. Tegyük fel, hogy két testünk van. Az egyikhez rendeljünk z tömeget, a másikhoz Z tömeget. Mindkét tárgyat leejtjük a földre, ahol szabadon esnek.
Hogyan határozható meg a vonzóerők aránya? Ezt a legegyszerűbb matematikai képlet mutatja - z/Z. De a gravitációs erő hatására kapott gyorsulás teljesen azonos lesz. Egyszerűen fogalmazva, a test gyorsulása a gravitációs térben semmilyen módon nem függ a tulajdonságaitól.
Mitől függ a gyorsulás a leírt esetben?
Csak (!) függ az ezt a mezőt létrehozó objektumok tömegétől, valamint azok térbeli helyzetétől. A tömegnek és a különböző testek egyenlő gyorsulásának kettős szerepét a gravitációs térben viszonylag régóta fedezték fel. Ezek a jelenségek a következő nevet kapták: „Az egyenértékűség elve”. Ez a kifejezés még egyszer hangsúlyozza, hogy a gyorsulás és a tehetetlenség gyakran egyenértékű (természetesen bizonyos mértékig).
A G érték fontosságáról
Az iskolai fizikatanfolyamból emlékszünk arra a gyorsulásra szabadesés bolygónk felszínén (a Föld gravitációja) 10 m/s.² (természetesen 9,8, de a számítás megkönnyítése érdekében ezt az értéket használjuk). Így, ha nem veszi figyelembe a légellenállást (jelentős magasságban, rövid esési távolsággal), akkor a hatást akkor éri el, amikor a test 10 m/sec gyorsulásnövekedést ér el. minden másodperc. Tehát egy könyv, amely leesett egy ház második emeletéről, 30-40 m/sec sebességgel fog mozogni a repülés végére. Egyszerűen fogalmazva, 10 m/s a gravitáció „sebessége” a Földön belül.
A gravitáció gyorsulását a fizikai irodalomban „g” betűvel jelölik. Mivel a Föld alakja bizonyos mértékig inkább mandarinra, mint gömbre emlékeztet, ennek a mennyiségnek az értéke nem minden régiójában azonos. Tehát a pólusokon és a csúcsokon nagyobb a gyorsulás magas hegyek kisebb lesz.
A gravitáció még a bányászatban is fontos szerepet játszik. Ennek a jelenségnek a fizikája néha sok időt takaríthat meg. Így a geológusokat különösen érdekli a g tökéletesen pontos meghatározása, hiszen így kivételes pontossággal tárják fel és találják meg az ásványlelőhelyeket. Egyébként hogyan néz ki a gravitációs képlet, amelyben az általunk figyelembe vett mennyiség játszik fontos szerepet? Itt is van:
Jegyzet! Ebben az esetben a gravitációs képlet G alatt a „gravitációs állandót” jelenti, amelynek jelentését fentebb már megadtuk.
Egy időben Newton megfogalmazta a fenti elveket. Tökéletesen megértette az egységet és az egyetemességet, de nem tudta leírni e jelenség minden aspektusát. Ez a megtiszteltetés Albert Einsteint ért, aki az ekvivalencia elvét is meg tudta magyarázni. Neki köszönheti az emberiség a tér-idő kontinuum természetének modern megértését.
Relativitáselmélet, Albert Einstein művei
Isaac Newton idejében úgy tartották, hogy a referenciapontok valamilyen merev „rudak” formájában ábrázolhatók, amelyek segítségével megállapítható egy test helyzete egy térbeli koordináta-rendszerben. Ugyanakkor azt feltételezték, hogy minden megfigyelő, aki megjelöli ezeket a koordinátákat, ugyanabban az időtérben lesz. Azokban az években ezt a rendelkezést annyira kézenfekvőnek tartották, hogy megkérdőjelezésére vagy kiegészítésére nem tettek kísérletet. És ez érthető, mert bolygónk határain belül ebben a szabályban nincs eltérés.
Einstein bebizonyította, hogy a mérés pontossága valóban számítana, ha egy hipotetikus óra lényegesen lassabban mozogna, mint a fénysebesség. Egyszerűen fogalmazva, ha egy, a fénysebességnél lassabban mozgó megfigyelő két eseményt követ, akkor azok egyszerre történnek vele. Ennek megfelelően a második megfigyelő számára? amelyek sebessége azonos vagy nagyobb, az események különböző időpontokban történhetnek.
De hogyan kapcsolódik a gravitáció a relativitáselmélethez? Nézzük meg ezt a kérdést részletesen.
A relativitáselmélet és a gravitációs erők kapcsolata
Az elmúlt években hatalmas számú felfedezés született a szubatomi részecskék területén. Egyre erősebb az a meggyőződés, hogy hamarosan megtaláljuk a végső részecskét, amelyen túl világunk nem tud széttöredezni. Minél kitartóbbá válik annak kiderítése, hogy pontosan hogyan hatnak univerzumunk legkisebb „építőköveire” azok az alapvető erők, amelyeket a múlt században vagy még korábban fedeztek fel. Különösen kiábrándító, hogy a gravitáció természetét még nem magyarázták meg.
Éppen ezért a vizsgált területen Newton klasszikus mechanikájának „alkalmatlanságát” megalapozó Einstein után a kutatók a korábban megszerzett adatok teljes újragondolására összpontosítottak. Maga a gravitáció jelentős revízión esett át. Mi ez a szubatomi részecskék szintjén? Van ennek valami jelentősége ebben a csodálatos sokdimenziós világban?
Egyszerű megoldás?
Eleinte sokan azt feltételezték, hogy a Newton-féle gravitáció és a relativitáselmélet közötti ellentmondás egészen egyszerűen az elektrodinamika területéről származó analógiákkal magyarázható. Feltételezhető, hogy a gravitációs tér mágneses térként terjed, ami után az égitestek kölcsönhatásának „közvetítőjévé” nyilváníthatjuk, megmagyarázva a régi és az új elméletek közötti ellentmondásokat. A helyzet az, hogy akkor a szóban forgó erők relatív terjedési sebessége lényegesen kisebb lenne, mint a fénysebesség. Tehát hogyan függ össze a gravitáció és az idő?
Elvileg magának Einsteinnek is majdnem sikerült pontosan ilyen nézeteken alapuló relativisztikus elméletet felépítenie, de szándékát csak egy körülmény akadályozta meg. Az akkori tudósok egyike sem rendelkezett olyan információval, amely segíthetné a gravitáció „sebességének” meghatározását. De sok információ volt a nagy tömegek mozgásával kapcsolatban. Mint ismeretes, pontosan ezek voltak az erőteljes gravitációs mezők megjelenésének általánosan elfogadott forrásai.
A nagy sebesség nagymértékben befolyásolja a testek tömegét, és ez semmiben sem hasonlít a sebesség és a töltés kölcsönhatására. Minél nagyobb a sebesség, annál nagyobb a testtömeg. A probléma az, hogy az utóbbi érték automatikusan végtelenné válna, ha fénysebességgel vagy gyorsabban mozog. Ezért Einstein arra a következtetésre jutott, hogy nem gravitációs tér van, hanem tenzormező, amely leírásához még sok változót kell használni.
Követői arra a következtetésre jutottak, hogy a gravitáció és az idő gyakorlatilag nincs összefüggésben. Az a tény, hogy maga ez a tenzormező képes hatni a térre, de nem képes befolyásolni az időt. A zseniális modern fizikus, Stephen Hawking azonban más álláspontot képvisel. De ez egy teljesen más történet...
A gravitáció új elméletét, amelyet 2010-ben fogalmazott meg Erik Verlinde, az Amszterdami Egyetem kutatója, még mindig hevesen vitatják tudományos körök. Talán egyetlen ötlet sem váltana ki olyan heves vitákat, mint a sötét anyag hiánya az Univerzumban. Úgy tűnik, hogy Verlinde elméletének most megvan a lehetősége arra, hogy új bizonyítékokat kapjon. Ez a csillagászok folyamatos megfigyelésének köszönhető.
Meggyőző bizonyíték
A csillagászok jelenlegi kutatásait erős bizonyítékként üdvözölték a kialakuló gravitáció ötletére, ahol a gravitáció spontán módon keletkezhet, nem pedig a természet spontán rendezett entitása. Az összegyűjtött bizonyítékok egyelőre az igazolási szakaszban vannak, a vizsgálat eredményeit tudományos folyóiratokban nem publikálták. Ha azonban ez az elmélet hivatalos megerősítést kap, a világ ismét egy tudományos forradalom küszöbére áll. Csak most cáfolják meg Newton és Einstein feltételezéseit. Másrészt ez pontozhatja az i-t, mert a klasszikus és a kvantummechanika nem használható egyszerre.
A gravitáció nem valós?
Erik Verlinde hipotézise szerint a gravitáció nem valós. Ez az entrópiával vagy az univerzumban az energia visszafordíthatatlan disszipációjával kapcsolatos hatás. A kapott bizonyítékok nem cáfolják a kozmológiai állandók elméletét, amely azt állítja, hogy a galaxisokat sötét anyag veszi körül. Ezek az alapvető anyagok nem lépnek kölcsönhatásba a látható fénnyel, és nem észlelhetők földi műszerekkel. 
Mi a vita lényege?
A gravitációs elmélet hívei meg vannak győződve arról, hogy a sötét anyag több paraméterrel meghatározott elméleti részecske. A felbukkanó gravitáció elmélete azonban a kiterjesztett fizikai képletek. Így a két elmélet nem mond ellent egymásnak, hiszen az új változatban több változót vettek figyelembe a számítások alapjául.
Gravitációs lencsék
A csillagászati megfigyeléseket a gravitációs lencsék teszik lehetővé. Ezt a jelenséget általában a gravitációs térben lévő fénysugarak eltérülésével társítják. A lencsék segítségével megmagyarázható a különféle csillagászati objektumok több képének kialakulása. A nehéz tárgyakra irányuló fénytörést korábban a standard kozmológiai modell kiterjesztett tesztjeiben használták. 
Bár a kozmológiai kísérletekben még mindig nincs közvetlen utalás a lencsézésre, a tudósok meg tudják becsülni a várható lencsejelet a galaxisok vöröseltolódásához képest. Csoportosulásuk valószínűleg vonzóerők hatására megy végbe.
Az új elmélet megváltoztathatja az idő, a tér és a gravitáció megértését
Így a felbukkanó gravitáció meg akarja szüntetni az általános relativitáselméletet és a sötét anyagot. Így a tesztelés során megértheti, hogy az egyes objektumok hogyan léphetnek kapcsolatba egymással. Ha az általános relativitáselmélet megjósolja a valós Univerzum modelljét, akkor az új elképzelés izolált, gömb alakú és statikus rendszerekre is alkalmazható.
Carl Sagan szerint „a rendkívüli állításokhoz rendkívüli bizonyítékokra van szükség”. Addig is legyünk türelmesek, és várjuk meg a kialakulóban lévő gravitációs elmélet megerősítését.
