Einstein'ın yerçekimi teorisine meydan okuyan bilim adamları. Klasik yerçekimi teorileri

Yerçekimi etkileşimi dünyamızdaki dört temel etkileşimden biridir. Klasik mekanik çerçevesinde yerçekimi etkileşimi anlatılmaktadır. kanunen evrensel yerçekimi Newton, iki maddi kütle noktası arasındaki çekim kuvvetinin M 1 ve M 2 mesafeye göre ayrılmış R, hem kütlelerle orantılı hem de uzaklığın karesiyle ters orantılıdır; yani

.

Burada G- yerçekimi sabiti, yaklaşık olarak eşittir m³/(kg·s²). Eksi işareti, cisme etki eden kuvvetin her zaman vücuda yönelik yarıçap vektörüne eşit olduğu, yani yerçekimi etkileşiminin her zaman herhangi bir cismin çekimine yol açtığı anlamına gelir.

Evrensel çekim yasası, radyasyon çalışmasında da ortaya çıkan (örneğin, Işık Basıncına bakınız) ters kare yasasının uygulamalarından biridir ve alandaki ikinci dereceden artışın doğrudan bir sonucudur. yarıçapı artan küre, bu da herhangi bir birim alanın tüm kürenin alanına katkısında ikinci dereceden bir azalmaya yol açar.

Gök mekaniğinin en basit problemi, boş uzaydaki iki cismin yerçekimsel etkileşimidir. Bu problem analitik olarak sonuna kadar çözülür; çözümünün sonucu genellikle Kepler'in üç yasası biçiminde formüle edilir.

Etkileşen cisimlerin sayısı arttıkça görev dramatik biçimde daha karmaşık hale gelir. Böylece, zaten meşhur olan üç cisim problemi (yani hareket üç beden sıfır olmayan kütlelerle) analitik olarak çözülemez genel görünüm. Sayısal bir çözümde, çözümlerin başlangıç ​​koşullarına göre kararsızlığı oldukça hızlı bir şekilde ortaya çıkar. Bu istikrarsızlık, Güneş Sistemi'ne uygulandığında yüz milyon yıldan daha büyük ölçeklerde gezegenlerin hareketini tahmin etmeyi imkansız hale getiriyor.

Bazı özel durumlarda yaklaşık bir çözüm bulmak mümkündür. En önemli durum, bir cismin kütlesinin diğer cisimlerin kütlesinden önemli ölçüde daha büyük olmasıdır (örnekler: güneş sistemi ve Satürn halkalarının dinamikleri). Bu durumda, ilk yaklaşım olarak, hafif cisimlerin birbirleriyle etkileşime girmediğini ve büyük cisim etrafında Kepler yörüngeleri boyunca hareket ettiğini varsayabiliriz. Aralarındaki etkileşimler pertürbasyon teorisi çerçevesinde dikkate alınabilir ve zaman içinde ortalaması alınabilir. Bu durumda rezonanslar, çekiciler, kaos vb. gibi önemsiz olmayan olaylar ortaya çıkabilir. Bu tür olayların açık bir örneği, Satürn'ün halkalarının önemsiz olmayan yapısıdır.

Yaklaşık olarak aynı kütleye sahip çok sayıda çekici cisimden oluşan bir sistemin davranışını tanımlama çabalarına rağmen, dinamik kaos olgusu nedeniyle bu yapılamaz.

Güçlü yerçekimi alanları

Güçlü yer çekimi alanlarında hareket ederken göreceli hızlar genel göreliliğin etkileri ortaya çıkmaya başlar:

• yerçekimi yasasının Newton'unkinden sapması;
• yerçekimi bozukluklarının sonlu yayılma hızıyla ilişkili potansiyellerin gecikmesi; yerçekimi dalgalarının ortaya çıkışı;
• Doğrusal olmayan etkiler: Yerçekimi dalgaları birbirleriyle etkileşime girme eğilimindedir, bu nedenle dalgaların süperpozisyonu ilkesi güçlü alanlar artık idam edilmedi;
• uzay-zamanın geometrisini değiştirmek;
• kara deliklerin ortaya çıkışı;

Yerçekimi radyasyonu

Genel göreliliğin önemli tahminlerinden biri, varlığı henüz doğrudan gözlemlerle doğrulanmayan yerçekimi radyasyonudur. Bununla birlikte, varlığını destekleyen dolaylı gözlemsel kanıtlar da mevcuttur: PSR B1913+16 pulsarı (Hulse-Taylor pulsarı) ile ikili sistemdeki enerji kayıpları, bu enerjinin pulsar tarafından taşındığı bir modelle iyi bir uyum içindedir. yerçekimi radyasyonu.

Yerçekimi radyasyonu yalnızca değişken dört kutuplu veya daha yüksek çok kutuplu momentlere sahip sistemler tarafından üretilebilir; bu gerçek, çoğu sistemin yerçekimi radyasyonunun doğal kaynaklar Yönlü, bu da tespitini önemli ölçüde zorlaştırıyor. Yerçekimi gücü ben-alan kaynağı orantılıdır (v / C) 2ben + 2 , eğer çok kutuplu elektrik tipi ise ve (v / C) 2ben + 4 - eğer çok kutuplu manyetik tipte ise, burada v yayılan sistemdeki kaynakların karakteristik hareket hızıdır ve C- ışık hızı. Böylece, baskın moment elektrik tipinin dört kutuplu momenti olacaktır ve karşılık gelen radyasyonun gücü şuna eşittir:

Nerede Q BenJ- yayılan sistemin kütle dağılımının dört kutuplu moment tensörü. Devamlı (1/W) radyasyon gücünün büyüklük sırasını tahmin etmemizi sağlar.

1969'dan (Weber'in deneyleri) günümüze (Şubat 2007) kadar, yerçekimi radyasyonunu doğrudan tespit etmek için girişimlerde bulunuldu. ABD, Avrupa ve Japonya'da şu anda çalışan birkaç yer tabanlı dedektör (GEO 600) ve Tataristan Cumhuriyeti'nin uzay yerçekimi dedektörü projesi bulunmaktadır.

Yer çekiminin ince etkileri

Kütleçekimsel çekim ve zaman genişlemesinin klasik etkilerine ek olarak, genel görelilik teorisi, yerçekiminin, karasal koşullar altında çok zayıf olan ve bu nedenle tespit edilmesi ve deneysel olarak doğrulanması çok zor olan başka belirtilerinin de varlığını öngörür. Yakın zamana kadar bu zorlukların üstesinden gelmek deneycilerin yeteneklerinin ötesinde görünüyordu.

Bunların arasında özellikle eylemsiz referans çerçevelerinin sürüklenmesini (veya Lense-Thirring etkisini) ve gravitomanyetik alanı sayabiliriz. 2005 yılında NASA'nın robotik Yerçekimi Sondası B, Dünya yakınında bu etkileri ölçen, doğruluğu eşi benzeri görülmemiş bir deney gerçekleştirdi, ancak tam sonuçları henüz yayınlanmadı.

Kuantum yerçekimi teorisi

Yarım asırdan fazla süren çabalara rağmen kütleçekimi, tutarlı bir yeniden normalleştirilebilir kuantum teorisinin henüz oluşturulamadığı tek temel etkileşimdir. Bununla birlikte, düşük enerjilerde, kuantum alan teorisinin ruhuna uygun olarak, yerçekimsel etkileşim, spin 2'ye sahip graviton - ayar bozonlarının değişimi olarak temsil edilebilir.

Standart yerçekimi teorileri

Kütle çekiminin kuantum etkilerinin en uç deneysel ve gözlemsel koşullar altında bile son derece küçük olması nedeniyle, bunlara ilişkin güvenilir gözlemler hâlâ mevcut değildir. Teorik tahminler, vakaların büyük çoğunluğunda sınırlamanın mümkün olduğunu göstermektedir. klasik açıklama yerçekimi etkileşimi.

Modern bir kanonik klasik yerçekimi teorisi vardır - genel görelilik teorisi ve birbirleriyle rekabet eden, farklı gelişim derecelerine sahip birçok açıklayıcı hipotez ve teori vardır (Alternatif yerçekimi teorileri makalesine bakın). Bu teorilerin tümü, halihazırda deneysel testlerin yürütüldüğü yaklaşım dahilinde birbirine çok benzer tahminler yapmaktadır. Aşağıda birkaç temel, en iyi geliştirilmiş veya bilinen yerçekimi teorileri yer almaktadır.

• Yerçekimi geometrik bir alan değil, tensör tarafından tanımlanan gerçek bir fiziksel kuvvet alanıdır.

• Yerçekimi fenomeni, enerji-momentum ve açısal momentumun korunumu yasalarının açıkça karşılandığı düz Minkowski uzayı çerçevesinde düşünülmelidir. O halde cisimlerin Minkowski uzayındaki hareketi, bu cisimlerin efektif Riemann uzayındaki hareketine eşdeğerdir.

• Tensör denklemlerinde metriği belirlemek için graviton kütlesi dikkate alınmalı ve Minkowski uzay metriği ile ilişkili ayar koşulları kullanılmalıdır. Bu, bazı seçimlerle yerçekimi alanının yerel olarak bile yok edilmesine izin vermez. uygun sistem geri sayım.

Genel görelilikte olduğu gibi, RTG'de de madde, yerçekimi alanının kendisi hariç, maddenin tüm formlarını (elektromanyetik alan dahil) ifade eder. RTG teorisinin sonuçları şu şekildedir: Genel Görelilik'te tahmin edilen fiziksel nesneler olarak kara delikler yoktur; Evren düz, homojen, izotrop, durağan ve Öklidyendir.

Öte yandan, RTG karşıtlarının daha az ikna edici argümanları da yok; bunlar özetle aşağıdaki noktalara dayanıyor:

Benzer bir şey, Öklid dışı uzay ile Minkowski uzayı arasındaki bağlantıyı hesaba katmak için ikinci tensör denkleminin tanıtıldığı RTG'de de meydana gelir. Jordan-Brans-Dicke teorisinde boyutsuz bir uyum parametresinin varlığı nedeniyle, teorinin sonuçlarının yerçekimi deneylerinin sonuçlarıyla örtüşecek şekilde seçilmesi mümkün hale gelir.

Yerçekimi teorileri

Newton'un klasik yerçekimi teorisi Genel görelilik teorisi Kuantum yerçekimi Alternatif Genel göreliliğin matematiksel formülasyonu Büyük gravitonlu yerçekimi Geometrodinamik (İngilizce) Yarı klasik yerçekimi

Yerçekiminin evrendeki nesneler arasındaki en zayıf etkileşim olmasına rağmen, fizik ve astronomideki önemi çok büyüktür, çünkü uzayda herhangi bir mesafedeki fiziksel nesneleri etkileyebilir.

Astronomi ile ilgileniyorsanız, muhtemelen yerçekimi veya evrensel çekim yasası gibi bir kavramın ne olduğunu merak etmişsinizdir. Yerçekimi, Evrendeki tüm nesneler arasındaki evrensel temel etkileşimdir.

Yer çekimi kanununun keşfi ünlü İngiliz fizikçi Isaac Newton'a atfedilir. Muhtemelen çoğunuz ünlü bilim adamının başına düşen elmanın hikayesini biliyorsunuzdur. Ancak tarihin derinliklerine bakarsanız, yerçekiminin varlığının, antik çağın filozofları ve bilim adamları, örneğin Epikuros tarafından, kendi döneminden çok önce düşünüldüğünü görebilirsiniz. Ancak fiziksel cisimler arasındaki çekimsel etkileşimi klasik mekanik çerçevesinde ilk açıklayan Newton'du. Teorisi, genel görelilik teorisinde yerçekiminin uzaydaki etkisini ve uzay-zaman sürekliliğindeki rolünü daha doğru bir şekilde tanımlayan başka bir ünlü bilim adamı Albert Einstein tarafından geliştirildi.

Newton'un evrensel çekim yasası, birbirinden mesafeyle ayrılan iki kütle noktası arasındaki çekim kuvvetinin, mesafenin karesiyle ters orantılı ve her iki kütleyle doğru orantılı olduğunu belirtir. Yer çekimi kuvveti uzun menzillidir. Yani, kütlesi olan bir cisim nasıl hareket ederse etsin, klasik mekanikte onun çekim potansiyeli tamamen bu cismin yerdeki konumuna bağlı olacaktır. şu anda zaman. Bir nesnenin kütlesi ne kadar büyük olursa, yerçekimi alanı da o kadar büyük olur; sahip olduğu yerçekimi kuvveti de o kadar güçlü olur. Galaksiler, yıldızlar ve gezegenler gibi uzay nesneleri en büyük çekim kuvvetine ve buna bağlı olarak oldukça güçlü çekim alanlarına sahiptir.

Yerçekimi alanları

Dünyanın yerçekimi alanı

Yerçekimi alanı, Evrendeki nesneler arasında yerçekimsel etkileşimin meydana geldiği mesafedir. Bir nesnenin kütlesi ne kadar büyük olursa, yerçekimi alanı da o kadar güçlü olur; belirli bir alandaki diğer fiziksel cisimler üzerindeki etkisi o kadar belirgin olur. Bir nesnenin çekim alanı potansiyeldir. Önceki ifadenin özü, iki cisim arasına potansiyel çekim enerjisini dahil ederseniz, ikincisini kapalı bir döngü boyunca hareket ettirdikten sonra değişmeyeceğidir. Buradan potansiyel ve potansiyel toplamının korunumuna ilişkin bir başka ünlü yasa ortaya çıkar. kinetik enerji kapalı bir döngüde.

Maddi dünyada yerçekimi alanı büyük önem taşımaktadır. Evrendeki kütlesi olan tüm maddi nesneler ona sahiptir. Yerçekimi alanı yalnızca maddeyi değil aynı zamanda enerjiyi de etkileyebilir. Mantıksal bir yapı ile karakterize edilen güneş sistemleri, galaksiler ve diğer astronomik kümeler, kara delikler, kuasarlar ve süper kütleli yıldızlar gibi büyük kozmik nesnelerin yerçekimi alanlarının etkisinden kaynaklanmaktadır.

Son bilimsel veriler, Evrenin genişlemesinin meşhur etkisinin aynı zamanda çekimsel etkileşim yasalarına da dayandığını göstermektedir. Özellikle Evrenin genişlemesi, hem küçük hem de en büyük nesnelerin güçlü çekim alanları tarafından kolaylaştırılmaktadır.

İkili sistemde yerçekimi radyasyonu

Yerçekimi radyasyonu veya yerçekimi dalgası, fizik ve kozmolojiye ilk kez ünlü bilim adamı Albert Einstein tarafından tanıtılan bir terimdir. Yerçekimi teorisindeki yerçekimsel radyasyon, maddi nesnelerin değişken ivmeyle hareket etmesiyle üretilir. Bir nesnenin hızlanması sırasında, bir yerçekimi dalgası ondan "kopuyor" gibi görünüyor, bu da çevredeki uzayda yerçekimi alanının salınımlarına yol açıyor. Buna yerçekimi dalgası etkisi denir.

Kütleçekim dalgaları, Einstein'ın genel görelilik kuramı ve diğer kütleçekim kuramları tarafından tahmin edilse de, hiçbir zaman doğrudan tespit edilememiştir. Bu öncelikle aşırı küçüklüklerinden kaynaklanmaktadır. Ancak astronomide bu etkiyi doğrulayabilecek dolaylı kanıtlar vardır. Böylece çift yıldızların yakınsaması örneğinde kütleçekim dalgasının etkisi gözlemlenebilir. Gözlemler, çift yıldızların yakınsama oranının bir dereceye kadar bu kozmik nesnelerden kaynaklanan ve muhtemelen kütleçekimsel radyasyona harcanan enerji kaybına bağlı olduğunu doğrulamaktadır. Bilim insanları yakın gelecekte yeni nesil Gelişmiş LIGO ve VIRGO teleskoplarını kullanarak bu hipotezi güvenilir bir şekilde doğrulayabilecekler.

Modern fizikte iki mekanik kavramı vardır: klasik ve kuantum. Kuantum mekaniği nispeten yakın zamanda geliştirildi ve klasik mekanikten temelde farklı. Kuantum mekaniğinde nesnelerin (kuanta) belirli konumları ve hızları yoktur; burada her şey olasılığa dayanmaktadır. Yani bir nesne, zamanın belirli bir noktasında uzayda belirli bir yeri işgal edebilir. Bundan sonra nereye taşınacağı güvenilir bir şekilde belirlenemez, ancak yalnızca yüksek derecede olasılıkla belirlenebilir.

Yer çekiminin ilginç bir etkisi de uzay-zaman sürekliliğini bükebilmesidir. Einstein'ın teorisi, bir grup enerjinin veya herhangi bir maddi maddenin etrafındaki uzayda uzay-zamanın kavisli olduğunu belirtir. Buna göre, bu maddenin yerçekimi alanının etkisi altına giren parçacıkların yörüngesi değişir, bu da hareketlerinin yörüngesini yüksek olasılıkla tahmin etmeyi mümkün kılar.

Yerçekimi teorileri

Bugün bilim insanları bir düzineden fazla farklı yerçekimi teorisini biliyor. Klasik ve alternatif teoriler olarak ikiye ayrılırlar. İlkinin en ünlü temsilcisi, ünlü İngiliz fizikçi tarafından 1666'da icat edilen Isaac Newton'un klasik yerçekimi teorisidir. Bunun özü, mekanikteki devasa bir cismin kendi etrafında daha küçük nesneleri çeken bir yerçekimi alanı oluşturmasıdır. Buna karşılık, ikincisi de Evrendeki diğer maddi nesneler gibi bir çekim alanına sahiptir.

Bir sonraki popüler yerçekimi teorisi, 20. yüzyılın başında dünyaca ünlü Alman bilim adamı Albert Einstein tarafından icat edildi. Einstein, yerçekimini bir fenomen olarak daha doğru bir şekilde tanımlayabildi ve ayrıca onun yalnızca klasik mekanikte değil, aynı zamanda kuantum dünyasındaki eylemini de açıklayabildi. Genel görelilik teorisi, yerçekimi gibi bir kuvvetin uzay-zaman sürekliliğini ve ayrıca temel parçacıkların uzaydaki yörüngesini etkileme yeteneğini açıklar.

Alternatif yerçekimi teorileri arasında belki de en büyük ilgiyi yurttaşımız ünlü fizikçi A.A.'nın icat ettiği görelilik teorisi hak ediyor. Logunov. Logunov, Einstein'ın aksine, yerçekiminin geometrik değil, gerçek, oldukça güçlü bir fiziksel kuvvet alanı olduğunu savundu. Alternatif yerçekimi teorileri arasında skaler, bimetrik, yarı doğrusal ve diğerleri de bilinmektedir.

1. Uzayda bulunup Dünya'ya dönen insanlar için, gezegenimizin yerçekimi etkisinin gücüne alışmak ilk başta oldukça zordur. Bazen bu birkaç hafta sürer.
2. Ağırlıksız durumdaki insan vücudunun kütlenin %1'ine kadar kaybedebileceği kanıtlanmıştır. kemik iliği ayda.
3. Güneş sistemindeki gezegenler arasında yer çekimi kuvveti en az olan Mars, en büyük olan ise Jüpiter'dir.
4. Bağırsak hastalıklarına neden olduğu bilinen salmonella bakterileri, ağırlıksız durumda daha aktif davranır ve insan vücudunaçok daha fazla zarar.
5. Evrendeki bilinen tüm astronomik nesneler arasında kara delikler en büyük çekim kuvvetine sahiptir. Golf topu büyüklüğünde bir kara delik, tüm gezegenimizle aynı çekim kuvvetine sahip olabilir.
6. Dünyadaki yer çekimi kuvveti gezegenimizin her köşesinde aynı değildir. Örneğin Kanada'nın Hudson Körfezi bölgesinde dünyanın diğer bölgelerine göre daha düşüktür.

Einstein'ın genel görelilik teorisi, yerçekiminin genel olarak kabul edilen açıklamasını sağlar. Ancak genel göreliliğin bizi alternatif çekim teorileri aramaya zorlayan bir takım sorunları var. Aslında durum, yerçekimi teorisi alanında bilimin pratikte birbiriyle etkileşime girmeyen iki klana ayrıldığı şekilde gelişti. Rusya Bilimler Akademisi akademisyeni Anatoly Logunov, göreli çekim teorisinin dünyayı nasıl yapılandırdığını ve genel görelilik yasalarını nasıl değiştirdiğini anlatıyor. 21.01.2003 (kronik 00:46:00)

Çalışma malzemeleri

Konuya genel bakış:

Alternatif yerçekimi teorileri. Newton'un evrensel çekim yasasıyla ifade edilen klasik çekim teorisinin, güçlü çekim alanları durumunda tamamen doğru olmadığı ortaya çıktı. Ancak bu, doğruluğunun yeterli olduğu durumlarda kullanılmasını hiçbir şekilde engellemez.

1915 yılında Albert Einstein tarafından oluşturulan genel görelilik teorisi (GTR), bugün genel olarak kabul edilen yerçekimi teorisidir. Ancak bizi alternatif yerçekimi teorileri aramaya zorlayan bir takım sorunları var.

Ana sorunlardan biri, klasik haliyle genel göreliliğin kuantum teorileri diğer üç temel fiziksel etkileşimi tanımlayan alanlar. (Doğru, tam da son zamanlarda Bu yönde belirli başarılar elde edildiğine dair raporlar gelmeye başladı.)

Diğer bir sorun ise, Genel Göreliliğin, kütle çekimini uzay-zamanın eğriliği olarak tanımlayarak uzay-zamanın homojenliği özelliğini terk etmesi ve enerjinin ve momentumun korunumu yasalarının bu özelliğe dayanmasıdır.

Genel göreliliğin üçüncü problemi de enerjiyle ilgilidir, bu sefer bizzat kütleçekim alanının enerjisiyle. Neler olduğunu anlamak için öncelikle elektromanyetik alanı ele alalım. Fiziksel bir alan olduğundan kendisi de enerji ve momentum taşır. Ayrıca, uzayın her temel hacminde depolanan alan enerjisi, alan kuvvetinin karesiyle orantılıdır. Bir referans sistemi seçerek uzayda seçilen bir noktada elektrik ve manyetik alanların büyüklüğünü değiştirebilirsiniz. Örneğin, yük ile birlikte hareket eden bir referans çerçevesi seçilerek manyetik alanı sıfıra indirilebilir. Ancak hiçbir referans sistemi seçimi, başka bir referans sistemi açısından sıfır olmayan bir noktada elektromanyetik alanı tamamen yok edemez. Yerçekimi alanına geri dönelim. Genel göreliliğin temeli, bir asansörün yerçekimi alanına düşmesiyle yapılan bir düşünce deneyidir. Asansördeki bir gözlemcinin, yerçekimi alanına düşmek ile herhangi bir alanın dışında olmak arasında ayrım yapamayacağı ileri sürülüyor. Yani, serbestçe düşen bir gözlemcinin referans çerçevesinde yerçekimi alanı tamamen iptal edilir. Buradan Genel Görelilik'in çekim alanının uzayda belirli bir enerji yoğunluğuna sahip sıradan bir fiziksel alan olmadığı sonucu çıkıyor. Referans sisteminin seçimi, enerjisinin mekansal dağılımını değiştirebilir. Bu anlamda genel görelilikte çekim alanı enerjisinin mekansızlığından söz ederler. Astrofizik alanındaki pek çok uzman, bunun genel göreliliğin önemli bir dezavantajı olduğunu düşünüyor. Aynı zamanda pek çok genel görelilik uzmanı da genellikle bu iddiayı reddediyor.

Son olarak genel göreliliğe karşı belki de en büyük şikâyet, merkezinde fiziksel bir tekilliğin yer aldığı kara deliklerin ortaya çıkmasına izin vermesidir. Fizikçilerin çoğu, fiziksel teoride sonsuzlukların ortaya çıkmasının, onun uygulanabilirliğinin sınırlarının ötesine geçmek anlamına geldiğine inanıyor.

Listelenen sorunların çözüm gerektirdiği gerçeği herkesçe açıktır. Farklı uzman grupları bu konuda farklı yollar izlemeye çalışıyor. Ancak hepsini şartlı olarak iki gruba ayırmak mümkündür: Genel Görelilik teorisinin temelini oluşturan geometrik yaklaşım doğrultusunda araştırmalarını sürdürenler ve çekim alanını uzay-zaman geometrisine bağlamayı reddedenler.

Birinci yön modern bilim camiasında daha geniş bir şekilde temsil edildiğinden, ikinci yol boyunca oluşturulan teorilere toplu olarak alternatif yerçekimi teorileri adı verilir. Yer çekiminin en ünlü alternatif teorileri arasında A. A. Logunov'un göreli yerçekimi teorisi (RTG) bulunmaktadır. St. Petersburg Üniversitesi'nde Yu. V. Baryshev, yerçekiminin alan teorisini (FTG) geliştiriyor.

Ne yazık ki son yıllarda yerçekimi teorisi alanında oldukça sağlıksız bir durum gelişti. Genel Görelilik doğrultusunda çalışmaya devam eden araştırmacılar, şu ana kadar gözlemlenen tüm gerçeklerin Genel Görelilik temelinde açıklanabildiğini öne sürerek alternatif yerçekimi teorileri alanındaki çalışmaları neredeyse görmezden geliyorlar. Bu arada, çalışmaları giderek saf matematik alanına doğru ilerliyor ve deneysel doğrulama için giderek daha az erişilebilir hale geliyor.

Bunun nedeni muhtemelen çok yakın zamana kadar gözlemlerin yerçekimi teorilerinin farklı versiyonları arasında seçim yapmamıza izin vermemesiydi. Işık ışınlarının Güneş'in çekim alanında bükülmesi veya Merkür'ün günberi noktasının kayması gibi klasik görelilik etkileri, tüm bu teoriler aynı şekilde ve ilk yaklaşım olarak genel görelilik ile aynı şekilde açıklanır. Daha güçlü alanlarda farklılıklar ortaya çıkar. Ve onların tezahürlerini gözlemlemek ancak günümüzde mümkün oluyor.

Yeni nesil yerçekimi teorilerini test etmek için en umut verici nesnelerden biri ünlü pulsar PSR1913+30'dur. Bu yakın iki nötron yıldızı çiftinde, kütleçekim dalgalarının yayılmasından dolayı çok önemli enerji kayıpları olmalıdır. Dahası, farklı yerçekimi teorileri farklı enerji kaybı oranlarını öngörüyor. Önümüzdeki birkaç yıl içinde, bu tesisteki test sonuçlarına göre bazı teorilerin kullanımdan kalkması gerekecek.

Genel görelilik, kozmolojik cephede yavaş yavaş sorunlar yaşamaya başlıyor. Top yaş verileri yıldız kümeleri Teorinin tahsis ettiği zaman sınırlarına uymayı zor buluyorum büyük patlama genel göreliliğe dayanmaktadır. Big Bang teorisi, Evrendeki maddenin büyük ölçekli dağılımının aynı olması gerektiğini öngörüyor. Son yıllarda homojenliğin gözlemlenmesi gereken ölçek, gözlemsel verilerin baskısı altında sürekli artmaktadır.

Alternatifler için de her şey yolunda gitmiyor. Ancak onların sorunları biraz farklı bir düzlemde yatıyor. Gerçek şu ki, alternatif yerçekimi teorileri geliştiren oldukça ciddi araştırmacıların yanı sıra, pek çok teori var. daha büyük sayı Genel göreliliğin önemsiz olmayan matematiksel aygıtını anlayamayan amatörler, kendi teorilerini yaratmaya ve onlara alternatif adını vermeye başlarlar. Çoğu zaman bu rakamlar bilimsel derecelere sahiptir (çoğunlukla yerçekimi teorisinden uzak alanlarda elde edilmiştir) ve bu sayede bilimsel çevrelere dahil edilirler. Bilimsel dergilere makaleler gönderiyorlar, konferanslarda konuşuyorlar, kendi geliştirdikleri teoriler hakkında kitaplar yayınlıyorlar; bunların eksiklikleri (eğer eksikliklerden bahsedebilirsek) genel göreliliğe karşı yukarıdaki iddialarla orantısız.

Ne yazık ki, genel göreliliğin birçok destekçisi için bu tür teoriler, alternatif yerçekimi teorileri alanındaki oldukça ciddi araştırmalarla aynı görünüyor. Aslında Genel Göreliliğin yanılmazlığı dogmasının (en azından onun temelini oluşturan geometrik yaklaşımın) geçerli olduğu bir durum ortaya çıkmıştır. Yerçekimi teorisi alanında bilimin pratikte birbiriyle etkileşime girmeyen iki klana bölündüğü ortaya çıktı. Bu durum elbette üzücü görünüyor. Çok yakın gelecekte yeni astronomik verilerin patlayıcı birikiminin bu iki klanı temasa geçmeye zorlayacağını umabiliriz.

Program için materyaller:

A. A. Logunov'un göreceli yerçekimi teorisi hakkındaki makalelerinden.

Görelilik teorisi, genel görelilik teorisinin karşılaştığı zorlukların üstesinden gelir. Yeni teori, maddenin korunumunun temel yasalarına ve Faraday-Maxwell tipinde fiziksel bir alan olarak yerçekimi alanı kavramına dayanmaktadır. Yerçekimiyle ilgili bilinen tüm gözlemsel ve deneysel verileri açıklıyor ve Evrenin gelişimi, kütleçekimsel çöküş, uzay ve zaman hakkında yeni fikirler veriyor.

Herkes bizi çevreleyen uzayın geometrisinin Öklidyen olduğunun bilincindedir. Gözlemler yoluyla keşfedildi ve 2 bin yıldan fazla bir süre önce Öklid tarafından varsayımlar ve aksiyomlar şeklinde formüle edildi. Öklid geometrisinin altında yatan varsayımlar ve aksiyomlar, kanıt olmadan kabul edilen açık ifadelerdir. O kadar doğaldırlar ki, bu geometrinin benzersizliğine neredeyse mutlak bir inanış yaratılmıştır. Geometriciler, varsayımların ve aksiyomların sayısını en aza indirgemek için çok çaba harcadılar. Bu, bazılarının diğerlerinden çıkarılmasıyla başarıldı. Matematikçiler beşinci varsayımdan kurtulmak için çok çaba harcadılar (belirli bir çizginin dışındaki bir noktadan ona paralel yalnızca bir çizgi çizebilirsiniz), ancak geometriciler bu problemi 2'den fazla süredir incelemelerine rağmen bunu başaramadılar. bin yıl.

Mekaniğin cisimlerin hareketi bilimi olarak hızlı gelişiminin başlangıcı 17. yüzyılın ortalarına kadar uzanır. O dönemin mekaniği deneysel bir bilimdi. Muazzam miktarda deneysel verinin özetlenmesi sonucunda I. Newton, üç ünlü dinamik yasasını ve yerçekimi yasasını formüle etti. Bu, o dönemde cisimlerin hareketiyle ilgili çok çeşitli sorunların çözülmesini mümkün kıldı. Öklid geometrisi Newton yasalarında somutlaşmıştı. Esasen, bu andan itibaren mekanik olayların incelenmesi yalnızca Newton yasalarının değil, aynı zamanda Öklid geometrisinin de sınanması haline geldi. Ancak o zamanlar Öklid geometrisi ve onun mantıksal şema olarak benzersizliği konusunda hiçbir şüphe olmadığından bu henüz gerçekleşmemişti. Ve sadece 19. yüzyılda. Öklid geometrisindeki beşinci postüla problemini inceleyen N.I. Lobachevsky, onu yeni bir postüla ile değiştirmenin gerekli olduğu sonucuna vardı: bir düzlemdeki bir çizginin dışındaki bir noktadan, bununla kesişmeyen en az iki çizgi geçmektedir. bir.

Amacı geometriyi inşa etmekti. yeni sistem varsayımlar ve aksiyomlar. Bu programın uygulanması Lobaçevski'yi Öklid dışı geometrinin keşfine götürdü. Lobaçevski yaptı en büyük keşif ancak çağdaşları, hatta önde gelen bilim adamları bile onu anlamamakla kalmadı, aynı zamanda düşmanca bir tavır da aldılar. Daha sonra Lobaçevski'nin araştırması diğer geometrilerin inşasına ivme kazandırdı. Mantıksal sistemler olarak sonsuz sayıda geometrinin oluşturulabileceği ve çevremizdeki dünyada bunlardan hangisinin gerçekleştirileceğine yalnızca deneyimin karar verebileceği açık hale geldi. Modern matematik dilinde geometrinin yapısı tamamen komşu sonsuz yakın noktalar arasındaki mesafenin karesinin ifadesiyle belirlenir. İÇİNDE Kartezyen koordinatlarÖklid uzayında böyle bir mesafenin karesi şu şekildedir: dll = dxx + dyy + dzz.

Burada dx, dy, dz koordinat diferansiyelleridir. Aslında Öklid'in postüla ve aksiyomlarından hareket edersek, bu üç boyutlu uzay durumu için Pisagor teoreminden başka bir şey değildir. Bu eşitlik Öklid geometrisinin tanımı için temel olarak kullanılabilir. İçinde Kartezyen koordinatlar değil, diğer bazı eğrisel koordinatlar (örneğin, küresel, silindirik vb.) Kullansaydık, bu koordinatlardaki komşu noktalar arasındaki mesafenin karesi (bunları xi olarak gösterelim) şu şekli alırdı: dll = ?ik(x)dxidxi. Matematik dilindeki bu gösterim şekli, aynı i ve k indeksleri (i, k = 1, 2, 3) üzerinden toplama anlamına gelir. ?ik miktarı geometrinin yapısını belirler ve Öklid uzayının metrik tensörü olarak adlandırılır. Öklid geometrisi en önemli mülk: içinde, metrik tensörün yalnızca tümü bire eşit olan köşegen bileşenlerinin sıfırdan farklı olduğu, tüm uzay boyunca küresel Kartezyen koordinatları tanıtmak her zaman mümkündür. Bu, Öklid uzayının "düz" olduğu, başka bir deyişle her noktadaki eğriliğin sıfır olduğu anlamına gelir.

N. I. Lobachevsky ve K. F. Gauss'un fikrini geliştiren B. Riemann, yalnızca sonsuz küçük bir bölgede Öklid geometrileriyle örtüşen, Riemann geometrileri adı verilen özel bir geometri sınıfını tanıttı. Ayrıca uzay eğriliğinin temel kavramını da genelleştirdi. Riemann geometrisinde, iki komşu nokta arasındaki mesafenin karesi de dll = ?ik (x)dxidxk formunda yazılır; buradaki tek temel fark, tüm uzay boyunca tekdüze Kartezyen koordinatların bulunmamasıdır. metrik tensör her yerde sabit olacak ve çapraz bir şekle sahip olacaktır. Bu, Riemann uzayındaki eğriliğin her zaman sıfırdan farklı olduğu ve değerinin uzaydaki noktaya bağlı olduğu anlamına gelir.

Doğada ne tür geometriler bulunur? Bu sorunun cevabı ancak deneyime dayanarak, yani doğa olaylarını inceleyerek elde edilebilir. Fizikte nispeten düşük hızlarla uğraşırken, deneyimler uzayımızın geometrisinin Öklidyen olduğunu, "uzunluk" ve "zaman" gibi kavramların mutlak olduğunu ve referans sistemine bağlı olmadığını doğruladı. Elektromanyetik olayların yanı sıra parçacıkların ışık hızına yakın hızlardaki hareketinin incelenmesi, inanılmaz keşif: uzay ve zaman tek bir süreklilik oluşturur; İki yakın nokta (olay) arasındaki mesafenin rolü, aralık adı verilen bir nicelik tarafından oynanır. Kartezyen koordinatlardaki aralığın karesi şu eşitlikle belirlenir: dss = ccdTT - dxx - dyy - dzz. Burada c ışık hızıdır; T - zamanı. Böyle bir aralıkla tanımlanan geometriye sözde Öklid denir ve dört boyutlu uzay böyle bir geometriyle - Minkowski uzayı. dss aralığının karesi pozitif, negatif veya sıfır olabilir. Bu bölünme mutlaktır. Zaman ve koordinatlar aralığa neredeyse eşit (kare) olarak girerler; tek temel fark, farklı işaretlere sahip olmalarıdır. Bu, aralarındaki derin farkı yansıtıyor fiziksel kavramlar"uzunluk" ve "zaman" gibi. Aralığın boyutu referans çerçevesine bağlı değildir; zaman ve uzunluk ise artık mutlak kavramlar Bunlar görecelidir ve referans sisteminin seçimine bağlıdır.

Dss aralığı aynı görünüm birbirlerine göre ışık hızından daha düşük sabit bir hızla hareket eden sonsuz bir referans sistemi sınıfında. Bu tür referans sistemleri eylemsizdir çünkü eylemsizlik yasası onlarda karşılanmıştır. Aralığın biçimini koruyarak bir eylemsiz sistemden diğerine yapılan dönüşümlere Lorentz dönüşümleri denir. Dss aralığına dayalı eylemsiz referans sistemleri sınıfında formüle edilen teori, A. Einstein tarafından özel görelilik teorisi olarak adlandırıldı. Özel göreliliğin bu sınırlı anlayışı geniş çapta yayıldı ve neredeyse tüm ders kitaplarına nüfuz etti. Ancak özel görelilik teorisinin temelini oluşturan kavramlar, hızlandırılmış referans çerçeveleri için kesinlikle geçerlidir.

Minkowski uzayı homojen ve izotrop olduğundan, matematik dilinde maksimum on parametrelik bir hareket grubuna (dört parametreli öteleme grubu ve altı parametreli dönme grubu) ve dolayısıyla korunum yasalarına sahiptir. İçinde sırasıyla enerji - momentum ve açısal momentum - yer alır. Bu, eski x değişkenlerinin fonksiyonları olan yeni x* değişkenlerini her zaman bulabileceğiniz anlamına gelir; öyle ki, bunlara taşınırken aralık tamamen formunu korur: dss = ?ik(x*)dx*idx*k. Burada yeni x* değişkenlerinde metrik tensör?ik(x*)'in tüm bileşenleri öncekiyle aynıdır. Böylece, Minkowski uzayında bir aralığın şeklinin değişmezliği yalnızca eylemsiz referans sistemleri sınıfı için değil, aynı zamanda keyfi olarak seçilmiş hızlandırılmış referans sistemleri sınıfı için de meydana gelir. Minkowski uzayının bu özelliği, genelleştirilmiş görelilik ilkesi olarak formüle edilmiştir: "Hangi fiziksel referans sistemini seçersek seçelim (eylemsiz veya eylemsiz), her zaman sonsuz sayıda başka sistem kümesini gösterebiliriz - tüm fiziksel olayların (kütleçekimsel olanlar dahil) içinde yer aldığı sistemler. ) başlangıç ​​referans çerçevesiyle aynı şekilde meydana gelir, dolayısıyla bu sonsuz bütünlükten hangi özel referans çerçevesinde konumlandığımızı ayırt etmeye yönelik herhangi bir deneysel yeteneğe sahip değiliz ve olamayız." Bu, hızlandırılmış referans çerçeveleriyle uğraşırken, özel görelilik teorisinin çerçevesi dışına çıkmayın. Bu prensip ayrıca daha sonra tartışılacak olan göreli çekim teorisinin temelini oluşturacaktır. Şimdilik Einstein'ın yarattığı yerçekimi teorisine dönüyoruz. Temel ilkelerini ve zorluklarını tartışalım.

Eylemsiz olmayan bir referans çerçevesindeki serbest bir malzeme noktasının deneyimlediği ivme, metrik tensorik'in koordinatlara ve zamana göre birinci türevleri aracılığıyla ifade edilir. Bu, cismin kütlesinden bağımsız olarak ivmeye neden olan eylemsizlik kuvvetlerinin evrenselliğini yansıtır. Yerçekimi kuvvetleri tamamen aynı özelliğe sahiptir, çünkü deneyimlerin gösterdiği gibi, bir cismin yerçekimi kütlesi eylemsizlik kütlesine eşittir. Atalet ve kütleçekim kütlelerinin eşitliğini temel bir gerçek olarak gören Einstein, atalet kuvvetleri gibi kütleçekim alanının da bir metrik tensörle tanımlanması gerektiği sonucuna vardı. Bu, yerçekimi alanının herhangi bir skaler potansiyelle değil, metrik tensörün bileşenleri olan on fonksiyonla karakterize edildiği anlamına gelir. Oldu en önemli adım Yerçekimi kuvvetlerini anlamada bu, Einstein'ın uzun yıllar boyunca bir yer çekimi teorisi oluşturma girişimlerinden sonra, uzay-zamanın sözde Öklidyen değil, sözde Riemannian olduğu fikrini öne sürmesine olanak tanıdı (gelecekte basitçe şöyle diyeceğiz: Riemannian).

Einstein yerçekimi alanını Riemann uzayının metrik tensörüyle tanımladı. Bu fikir, D. Hilbert ve A. Einstein'ın yerçekimi alanı için, yani Riemann uzayının metrik tensörü için denklemler elde etmesine olanak sağladı. Bu şekilde genel görelilik teorisi (GR) inşa edildi.

Einstein'ın bir ışık ışınının Güneş alanında sapacağına ilişkin tahmini ve ardından bu etkinin deneysel olarak doğrulanması ve ayrıca Merkür'ün günberisindeki kaymanın açıklanması, Einstein'ın genel görelilik teorisinin gerçek bir zaferi oldu. . Ancak başarılarına rağmen GTO neredeyse doğduğu andan itibaren zorluklarla karşı karşıya kaldı.

E. Schrödinger, 1918'de, uygun bir koordinat sistemi seçimiyle, küresel simetrik bir cismin dışındaki yerçekimi alanının enerji-momentumunu karakterize eden tüm bileşenlerin sıfıra indirgenebileceğini gösterdi. İlk başta bu sonuç Einstein'a şaşırtıcı geldi, ancak daha sonra. analizine şu şekilde yanıt verdi: “Schrödinger'in düşüncelerinin ikna ediciliği, herhangi bir alanın voltajının ve enerji yoğunluğunun sıfırdan farklı olduğu elektrodinamik ile olan benzerliğinden kaynaklanmaktadır. Ancak aynı şeyin yerçekimi alanları için de geçerli olması gerektiğine dair bir neden bulamıyorum. Yerçekimi alanları, voltaj ve enerji yoğunluğu uygulanmadan ayarlanabilir." Veya yine: "...sonsuz küçük bir bölge için koordinatlar her zaman yerçekimi alanının olmayacağı şekilde seçilebilir."

Einstein'ın, bir referans çerçevesinin seçimiyle yerel olarak bile asla yok edilemeyecek maddi bir madde olarak alan şeklindeki klasik alan kavramından bilinçli olarak uzaklaştığını ve bunu kuvvetlerin yerel eşdeğerliği ilkesi adına yaptığını görüyoruz. Atalet ve yerçekiminin temel prensip mertebesine yükselttiği, ancak fiziksel olmasına rağmen bunun hiçbir nedeni yoktu. Bütün bunlar, yerçekimi enerjisini uzayda lokalize etmenin imkansız olduğu fikrine yol açtı.

Önceki zorlukla bağlantılı bir diğer zorluk, enerjinin ve momentumun korunumu yasalarının formüle edilmesiyle ilgiliydi. İlk olarak D. Gilbert tarafından işaret edildi. 1917'de şunları yazdı: "İddia ediyorum ki... genel görelilik teorisi için, yani Hamilton fonksiyonunun genel değişmezliği durumunda, enerji denklemleri... ortogonal olarak değişmez teorilerdeki enerji denklemlerine karşılık gelir (yani alan teorisi). Minkowski uzayı) hiç mevcut değil. Hatta bu durumu şu şekilde işaretleyebilirim: karakteristik özellik genel görelilik teorisi." Ne yazık ki Hilbert'in bu açıklaması çağdaşları tarafından anlaşılmadı, çünkü ne Einstein'ın kendisi ne de diğer fizikçiler genel görelilik içinde enerji-momentum ve açısal momentumun korunumu yasalarının prensipte imkansız olduğunu fark etmediler.

Ancak Einstein, enerjinin korunumu yasalarının, maddenin momentumunun ve yerçekimi alanının birlikte ele alınmasının temel önemini açıkça anladı ve bu nedenle bunlardan vazgeçmeye hiç niyetli değildi. 1918 yılında genel görelilik çerçevesinde, kendi yazdığı gibi, "enerji ve momentum kavramlarının klasik mekanikteki kadar net bir şekilde kurulduğu" bir çalışma yaptı. Aynı yıl F. Klein, Einstein'ın sonuçlarını doğruladı. O zamandan beri bu konuyu sunarken Einstein tam anlamıyla takip edildi. Sorun tamamen çözülmüş gibi görünüyor ve Einstein bir daha bu konuya geri dönmedi. Ancak dikkatli bir analiz, Einstein ve Klein'ın akıl yürütmelerinin basit ama temel bir hata içerdiğini gösterir. Bunun özü, Einstein'ın, bileşenlerini enerji ve momentumla özdeşleştirerek akıl yürütmesinde kullandığı J? değerinin basitçe olmasıdır. sıfıra eşittir. Einstein, GTR'nin kabul edilmesinin mutlaka temel korunum yasalarının reddedilmesine yol açacağını ve ikincisinin, gösterdiğimiz gibi, doğrudan bir cismin eylemsizlik kütlesinin (GTR'de tanımlandığı gibi) olmadığı sonucuna varacağını görmeye mahkum değildi. aktif yerçekimi kütlesine eşittir. Ancak bu, Genel Göreliliğin bu kütlelerin eşitliğine ilişkin deneysel gerçeği açıklayamayacağı anlamına gelir; ancak Einstein, teorisinin bir sonucu olanın tam olarak bu gerçek olduğuna inanıyordu. Ancak durumun böyle olmadığı ortaya çıktı. Genel Görelilikte korunum yasalarının bulunmamasının ana nedeni, Riemann geometrisinde, genel durumda, uzayda hareket grubunun olmaması ve dolayısıyla korunum yasalarına yol açan uzay-zaman simetrisinin bulunmamasıdır. Ve ikincisi matematikçiler için son derece açık olmasına ve görünüşe göre fizikçilerin bunu bilmesine rağmen, yine de korunum yasalarının matematiksel kökenlerine ilişkin derin bir anlayış eksikliği, tek şeyi yapmamıza izin vermedi. doğru sonuç genel görelilikte korunum yasalarının olamayacağını. Yukarıda yazdığımız Einstein ve Klein'ın çalışmaları, genel görelilikteki korunum yasalarının varlığına dair yanıltıcı bir güven yarattı. Bu güven bugün de devam ediyor. Riemann geometrisinin aparatı, zarafeti ve güzelliği nedeniyle, yerçekimi üzerinde çalışan fizikçileri, onları neredeyse tamamen fiziksel gerçeklikten ayıracak kadar büyüledi.

Matematiksel yapılara fiziksel fikirler olmadan fiziksel anlam vermek çok şüpheli bir faaliyettir, ancak günümüzde yaygındır. Dolayısıyla genel görelilik kavramının kabul edilmesi, fiziğin temelini oluşturan bir takım temel ilkelerin reddedilmesine yol açmaktadır. Birincisi, bu, maddenin enerji-momentum ve açısal momentumunun korunumu yasalarının ve yerçekimi alanının birlikte ele alınmasının reddedilmesidir. İkincisi, yerçekimi alanını, enerji-moment yoğunluğuna sahip Faraday-Maxwell tipi klasik bir alan olarak temsil etmenin reddedilmesi. Genel görelilik ile ilgilenen birçok fizikçi için bu hala belirsizdir; diğerleri ise korunum yasalarının reddedilmesini bir zorunluluk olarak görme eğilimindedir. en büyük başarı“Enerji” gibi bir kavramı alaşağı eden teori. Ancak ne makrokozmosta ne de mikrokozmosta, maddenin korunumu yasalarının geçerliliğine doğrudan veya dolaylı olarak şüphe düşürecek tek bir deneysel olgu yoktur. Bu nedenle, uygun deneysel gerekçeler olmadan bu yasaları kasten terk edersek çok anlamsız oluruz. Korunum yasaları olmadan bir teori tatmin edici olamaz. Genel göreliliğin reddedilmesi hem fiziksel kavramların mantığı hem de deneysel gerçekler tarafından belirlenir.

Genel göreliliğe kesin olarak itibar etmek önemli aşama Yerçekimi çalışmasında, temel korunum yasalarına dayanarak inşa edilen göreceli yerçekimi teorisinin ilkelerinin özü özetlenebilir.

Göreli yerçekimi teorisi (RTG) aşağıdaki fiziksel gereksinimlere dayanmaktadır. Teorik olarak, madde için enerji-momentum ve açısal momentumun korunumu yasalarına ve birlikte ele alındığında yerçekimi alanına kesinlikle uyulmalıdır. Madde, yerçekimi maddesi hariç, maddenin tüm formlarını (elektromanyetik alan dahil) ifade eder. Korunum yasaları, maddenin genel dinamik özelliklerini yansıtır ve çeşitli formları için tek tip özellikler ortaya koymayı mümkün kılar. Maddenin genel dinamik özellikleri uzay-zaman geometrisinin yapısında somutlaşmıştır. Zorunlu olarak sözde Öklidyen olduğu ortaya çıkıyor (başka bir deyişle teori Minkowski uzayında inşa edilmiş). Dolayısıyla geometri, Poincaré'nin inandığı gibi anlaşmayla belirlenmez, korunum yasaları tarafından benzersiz bir şekilde belirlenir. Minkowski uzayı, daha önce de belirtildiği gibi, dört parametreli bir öteleme grubuna ve altı parametreli bir dönme grubuna sahiptir. Bu konum RTG'yi genel görelilik teorisinden kökten ayırır ve bizi Riemann geometrisinin tamamen dışına çıkarır. Yerçekimi alanı simetrik bir tensör tarafından tanımlanır ve enerji ve momentum yoğunluğuna sahip gerçek bir fiziksel alandır. Parçacıklar (alan kuantası) bu alanla ilişkiliyse, yerçekimi etkileşimi uzun menzilli olduğundan, sıfır dinlenme kütlesine sahip olmaları gerekir. Bu durumda, yerçekimi alanının gerçek ve sanal kuantaları, spinleri 2 ve 0 olan durumlara sahip olabilir.

Yerçekimi alanının bu tanımı, artık referans sisteminin seçimiyle yerel olarak bile yok edilemeyeceği için fiziksel gerçekliği ona geri verir ve bu nedenle yerçekimi alanı ile eylemsizlik kuvvetleri arasında (hatta yerel) bir eşdeğerlik yoktur. Bu fiziksel gereklilik temel olarak RTG'yi genel görelilikten ayırır. Genel görelilikte Einstein, yerçekimini Riemann uzayının metrik tensörüyle tanımladı, ancak bu yol, fiziksel bir alan olarak yerçekimi alanı kavramının kaybolmasına ve aynı zamanda korunum yasalarının kaybolmasına yol açtı. GTR'nin bu hükmünün reddedilmesi, öncelikle yerçekimi teorisindeki bu temel fiziksel kavramları koruma arzusundan kaynaklanmaktadır.

Maxwell'in elektromanyetik alan için denklem sistemi ve RTG denklemleri. Benzerlikleri, yerçekimi alanının enerji ve momentum yoğunluğuna sahip fiziksel bir alan olarak kabul edildiği RTG'nin ana hükümlerinden birinin bir yansımasıdır. Bunun yerine, geometrinin özü olan geometri ilkesi teoriye dahil edilmiştir. ki bu şu şekildedir: Yerçekimi alanının madde ile etkileşimi, evrenselliği nedeniyle, tensör yerçekimi alanı Фik'in Minkowski uzayının metrik tensöreğine bağlanmasıyla açıklanmaktadır. Bu her zaman yapılabilir, çünkü maddenin hangi biçimini seçersek seçelim, başlangıç ​​fiziksel denklemleri Minkowski uzayının metrik tensörünü içerecektir. Aksi olamaz çünkü fiziksel süreçler zaman ve mekanda meydana gelir.

Einstein'a göre maddenin hareketi Riemann uzay-zamanında gerçekleşir ancak genel görelilikte Minkowski uzayı yoktur. Geometri ilkesine göre madde, yerçekimi alanının etkisi altında Minkowski uzayında hareket eder. Böyle bir hareket aslında bazı "etkili" Riemann uzayındaki harekete eşdeğerdir. Yerçekimi alanı geri kalan alanların geometrisini değiştiriyor gibi görünüyor. RTG'de Minkowski uzayının varlığı, yerçekimi alanını, bir enerji-momentum taşıyıcısının olağan özelliklerine sahip, Faraday-Maxwell ruhuna uygun olarak sıradan bir fiziksel alan olarak düşünmemize olanak tanır.

Dolayısıyla, fiziksel bir teorinin temelini oluşturması gereken geometrinin yapısını belirleyen, maddenin hareketinin belirli fiziksel belirtileri değil, onun en genel dinamik özellikleridir. Göreli yerçekimi teorisinde (RTG), geometri, ışığın ve test cisimlerinin hareketinin incelenmesine dayanarak değil, maddenin genel dinamik özelliklerine - yalnızca korunum yasalarına - dayanarak belirlenir. temel öneme sahip olmakla birlikte deneysel olarak da doğrulanabilir. Bu durumda ışığın ve test cisimlerinin hareketi, yerçekimi alanının Minkowski uzayındaki madde üzerindeki basit etkisinden kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla, Minkowski uzayı ve yerçekimi alanı orijinal, birincil kavramlardır ve "etkili" Riemann uzayı, kökeni yerçekimi alanına ve onun etkisine bağlı olarak ikincil bir kavramdır. evrensel eylem madde üzerinde. Geometri ilkesinin özü, eylemsizlik kuvvetleri ile yerçekimi alanlarının ayrılmasında yatmaktadır. Ancak bu ayırma fiziksel olarak ancak Minkowski uzayının metrik tensörünün yerçekimi alanı denklemlerine dahil edilmesiyle gerçekleştirilebilir. GTR'de doğrudan Hilbert-Einstein denklemlerinden de kolaylıkla görülebileceği gibi böyle bir ayrım imkansızdır çünkü GTR'nin dayandığı Riemann geometrisinde Minkowski uzayı kavramı yoktur. Dolayısıyla örneğin Minkowski uzayı kavramlarına dayanarak genel göreliliğin elde edilebileceği yönündeki ifadeler hatalıdır. Geometrileştirme ilkesinde bir yandan Einstein'ın yerçekimini Riemann uzayının metrik tensörüyle özdeşleştirme fikri tamamen dışlanırken, diğer yandan Einstein'ın Riemann geometrisi fikri geliştirildi. Uzay-zaman tamamen metrik tensör tarafından belirleniyorsa, madde enerji-momentum tensörüyle karakterize edilir. Her maddenin kendine özgü bir görünümü vardır. Minkowski uzayındaki madde ve yerçekimi alanının toplam enerji-momentum tensörü korunan bir tensördür. Yer çekiminin evrensel doğası gereği, RTG denklemlerinde yer çekimi alanının kaynağı olarak görev yapmalıdır. Göreli yerçekimi teorisinin tam denklem sistemi, denklemlerin sol tarafına vektör elektromanyetik alanı yerine tensör yerçekimi alanını koyarsak ve korunan elektromanyetik akımı şu şekilde değiştirirsek, Maxwell'in elektrodinamik denklemlerinden resmi olarak elde edilebilir. tüm maddelerin enerji-momentum tensörü.

Elbette böyle bir sonuç yalnızca sezgisel bir yöntemdir ve hiçbir şekilde kesinlik iddiasında bulunamaz. Ancak daha önce belirtilen RTG ilkelerine dayanan kesin bir değerlendirme, yerel ayar değişmezliği ile birlikte açıkça 14 yerçekimi denkleminden oluşan böyle bir sisteme yol açar. Dört ek RTG alan denklemi şunları belirler: fiziksel yapı yerçekimi alanı ve eylemsizlik kuvvetleriyle ilgili olan her şeyi yerçekimi alanıyla ilgili olan her şeyden temel olarak ayırın.

Geriye kalan on denklem, Hilbert-Einstein denklemleriyle örtüşür; tek temel fark, içlerindeki alan değişkenlerinin Minkowski koordinatlarının fonksiyonları olmasıdır. Bu durum onların fiziksel içeriğini tamamen değiştiriyor ve onları genel görelilik denklemlerinden ayırıyor. Tüm denklemler genellikle ortak değişkendir, yani Minkowski uzayının tüm referans çerçevelerinde aynı forma sahiptirler ve bu uzayın metrik tensörünü açıkça içerirler. Bu, Minkowski uzayının yalnızca korunum yasalarında değil aynı zamanda fiziksel olayların tanımında da yansıtıldığı anlamına gelir. Teorimizdeki tüm alan bileşenleri (elektromanyetik, yerçekimi vb.) Minkowski uzay koordinatlarının fonksiyonlarıdır. Bu temel bir öneme sahiptir. Alan denklemleri sistemini çözerek, "etkili" Riemann uzayının metrik tensörünün hem Minkowski uzayının koordinatlarına hem de yerçekimi sabiti G'ye bağımlılığını kurarız. Uygun zaman (maddeyle birlikte hareket eden bir saat tarafından ölçülür) Minkowski uzayının koordinatlarına ve yerçekimi sabitine bağlı olduğu ortaya çıktı. Dolayısıyla uygun zamanın seyri, yerçekimi alanının doğası tarafından belirlenir.

Alan denklemlerinde Minkowski uzayının metrik tensörünün varlığı, atalet kuvvetlerini yerçekimi kuvvetlerinden ayırmayı ve her durumda bunların belirli fiziksel süreçler üzerindeki etkilerini bulmayı mümkün kılar. Bu nedenle Minkowski uzayı fizikseldir ve dolayısıyla gözlemlenebilir.

Gerekirse özellikleri, ışık sinyallerinin ve test gövdelerinin "etkili" Riemann uzayındaki hareketine ilişkin deneysel verilerin uygun şekilde işlenmesiyle her zaman kontrol edilebilir. V. A. Fok bir keresinde şöyle yazmıştı: "Bir ışık ışını gibi düz bir çizginin daha doğrudan gözlemlenebilir olduğu düşüncesine gelince, bunun hiçbir önemi yoktur: tanımlarda belirleyici olan doğrudan gözlemlenebilirlik değil, doğaya uygunluktur." en azından bu benzerlik dolaylı çıkarımlar yoluyla kurulmuştur.” Dolayısıyla gözlemlenebilirliğin ilkel anlamda değil, daha genel ve daha derin anlamda doğaya uygunluk olarak anlaşılması gerekir.

Elbette RTG, maddeyi "etkili" bir Riemann uzayında tanımlama olasılığını hiçbir şekilde dışlamaz. RTG denklemleri Minkowski uzayının metrik tensörünü içerir ve bu nedenle fiziksel alanları tanımlayan tüm fonksiyonlar, Minkowski uzay-zamanının tamamı için tekdüze koordinatlarla, örneğin Galilean (Kartezyen) koordinatlarla ifade edilir. Hilbert-Einstein denklemleri, yer çekimi alanının yapısını belirleyen denklemlerle birleşince, değişerek önemli ölçüde basitleşirken yeni bir fiziksel anlam kazanıyor. Maddenin enerji-momentumunun ve yerçekimi alanının korunumu yasaları, birlikte ele alındığında, RTG denklemlerinin sonuçlarıdır ve uzay-zamanın sözde Öklid yapısını yansıtır. Prensip olarak genel görelilik yukarıdakilerin hepsinden yoksundur, çünkü tekrarlıyoruz, Riemann geometrisinde Minkowski uzayı kavramı yoktur.

Şimdi - RTG'nin bazı fiziksel sonuçları hakkında. 20'li yılların başında, Hilbert-Einstein denklemlerini uzaydaki her noktadaki madde yoğunluğunun aynı olduğu ve yalnızca zamana bağlı olduğu (Friedman'ın homojen ve izotropik Evreni) varsayımı altında çözen A. A. Friedman, üç olmayan bir model keşfetti. -durağan Evren mümkündür (Friedmann'ın Evren modelleri). Her Evren türü, belirli bir andaki maddenin yoğunluğu ile Hubble sabitinin ölçümlerine dayanarak belirlenen kritik yoğunluk adı verilen yoğunluk arasındaki ilişkiyle belirlenir. Maddenin yoğunluğu kritik değerden büyükse, Evren kapalıdır ve sonlu bir hacme sahiptir, ancak sınırları yoktur. Maddenin yoğunluğu kritik yoğunluktan küçükse veya ona eşitse, o zaman Evren sonsuzdur.

Doğada bu modellerden hangisinin gerçekleştiği sorusuna Genel Görelilik prensip olarak kesin bir cevap veremez. RTG'ye göre Friedmann'ın homojen ve izotropik Evreni sonsuzdur ve yalnızca düz olabilir; üç boyutlu geometrisi Öklidyendir. Bu durumda Evrendeki maddenin yoğunluğu tam olarak kritik yoğunluğa eşittir. Böylece RTG, Evren'de yoğunluğunun bugün gözlemlenen madde yoğunluğundan neredeyse 40 kat daha fazla "gizli kütle" olması gerektiğini öngörüyor.

RTG'nin bir diğer önemli sonucu ise Evrendeki maddenin toplam enerji yoğunluğunun ve çekim alanının sıfıra eşit olması gerektiği ifadesidir.

Friedmann'ın homojen ve izotropik Evreninin gelişimine ilişkin RTG tahmini, Genel Göreliliğin sonuçlarından önemli ölçüde farklıdır. Ayrıca, genel göreliliğe göre, kütlesi üç güneş kütlesini aşan nesnelerin, sonlu bir uygun zaman periyodu boyunca yerçekimi kuvvetleri tarafından süresiz olarak sıkıştırılması (çökmesi) ve sonsuz bir yoğunluğa ulaşması gerektiği sonucu çıkar. Bu tür nesnelere kara delik denir. Maddi bir yüzeye sahip değillerdir ve bu nedenle kara deliğe düşen bir cisim, sınırını geçerken başka hiçbir şeyle karşılaşmayacaktır. boş alan. Bir kara deliğin iç kısmından ışık bile onun sınırından kaçamaz. Başka bir deyişle, bir kara deliğin içinde olup biten her şey, prensip olarak, dışarıdan bir gözlemci tarafından bilinemez.

J. Wheeler, yerçekimsel çöküşü ve bunun sonucunda ortaya çıkan tekilliği (sonsuz yoğunluk), temel fizik açısından tüm zamanların en büyük krizlerinden biri olarak değerlendirdi. Göreli kütleçekimi teorisi, kütleçekimsel çöküşün doğası hakkındaki fikirleri kökten değiştirir. Bu, büyük bir cismin eşlik eden referans çerçevesinde sıkıştırılmasının sonlu bir uygun zamanda meydana gelmesinden dolayı yerçekimsel zaman genişlemesi olgusuna yol açar. Aynı zamanda en önemlisi, maddenin yoğunluğunun sınırlı kalması ve 1016 g/cm3'ü geçmemesi, cismin parlaklığının katlanarak azalması, cismin "siyaha dönmesi", ancak kara deliklerden farklı olarak her zaman bir malzemeye sahip olmasıdır. yüzey. Bu tür nesneler ortaya çıkarsa karmaşık bir yapıya sahiptir ve yerçekimsel bir "kendi kendine kapanma" meydana gelmez ve bu nedenle madde alanımızdan kaybolmaz. RTG'de düşen bir test cismi için uygun zaman, hem Minkowski uzayının koordinatlarına hem de yerçekimi sabiti G'ye bağlıdır ve bu nedenle uygun zamanın seyri, yerçekimi alanının doğası tarafından belirlenir. Düşen bir test cismi için uygun zamanın, Schwarzschild yarıçapı olarak adlandırılan bölgeye yaklaştıkça süresiz olarak yavaşladığı gerçeğine yol açan da bu durumdur.

Bu nedenle, RTG'ye göre, prensipte, doğada felaket derecede güçlü bir madde sıkışmasının meydana geldiği ve maddi bir yüzeye sahip olmayan nesneler olan hiçbir kara delik var olamaz. Bütün bunlar temel olarak RTG tahminlerini GR tahminlerinden ayırıyor. Basınç sıfır olmadığında büyük kütleli nesnelerin sıkıştırılması elbette daha zayıf olacaktır çünkü iç basınç yerçekimsel çekime müdahale eder. Gerçek nesnelerin evrimi, maddenin hal denklemi kullanılarak yapılan daha detaylı bir çalışmayı gerektirir ve çok ilginç bir problemdir.

RTG, Güneş Sistemindeki yerçekimi etkilerine ilişkin mevcut tüm gözlemsel ve deneysel verileri açıklar. Ayrıntılı bir analiz, Genel Görelilik'in Güneş Sistemindeki yerçekimi etkilerine ilişkin tahminlerinin belirsiz olduğunu ve bazı etkiler için keyfiliğin, yerçekimi sabiti G'deki birinci dereceden ve diğerleri için ikinci dereceden ortaya çıktığını göstermektedir. Bu belirsizliğin nedeni nedir? Genel görelilikte, Riemann uzayının metrik tensörünün herhangi bir koordinattaki bileşenlerini belirlemek için, çok keyfi olan ve her zaman ortak değişken olmayan (yalnızca seçilen belirli bir koordinatla ilgilidir) sözde koordinat koşullarının belirtilmesi gerekir. sistemi). Bu koşulların türüne bağlı olarak, genel durumda aynı koordinatlarda zorunlu olarak farklı metrik tensörler elde edeceğiz. Ancak aynı koordinatlardaki farklı metrik tensörler aynı zamanda farklı jeodezikler de verecektir; bu, ışığın ve test cisimlerinin hareketi için genel göreliliğin tahminlerinin de farklı olacağı anlamına gelir.

Dolayısıyla, enerji-moment yoğunluğuna sahip fiziksel bir alan olarak yerçekimi alanı hakkındaki korunum yasaları ve fikirlerine dayanarak inşa edilen göreceli yerçekimi teorisi, geometrileştirme ve yerel ayar değişmezliği ilkeleriyle birlikte bilinen tüm gözlemsel ve deneyselleri açıklar. Yerçekimi ile ilgili veriler ve Friedmann Evreni'nin gelişimi ve kütleçekimsel çöküş hakkında yeni tahminler veriyor.

Kaynakça

Denisov V.I., Logunov A.A. Modern matematik problemleri. Bilim ve teknolojinin sonuçları. M., 1982.

Landau L.D., Lifshits Kısa kurs teorik fizik. M., 1969.

Logunov A. A. Uzay, zaman ve yerçekimi hakkında yeni fikirler // Bilim ve insanlık: Uluslararası Yıllığı. M., 1988.

Logunov A. A. Görelilik ve yerçekimi teorisi üzerine dersler. M., 1985.

Logunov A. A. Yerçekimi alanı teorisi. M., 2000 (2001).

Logunov A. A., Loskutov Yu. M. Genel görelilik teorisinin ve göreceli yerçekimi teorisinin tahminlerinin belirsizliği. M., 1986.

Logunov A. A., Mestvirishvili M. A. Göreli yerçekiminin temelleri. M., 1982.

Klein F. Korunum yasalarının integral formu ve mekansal olarak kapalı bir dünya teorisi üzerine // Einstein koleksiyonu 1980–1981. M., 1985.

Fok V. A. Uzay, zaman ve yerçekimi teorisi. M., 1965.

Schrödinger E. Yerçekimi alanı enerjisinin bileşenleri/Einstein koleksiyonu. 1980–1981. M., 1985.

Einstein A. Koleksiyonu bilimsel çalışmalar. M., 1965.T.1.

Konu No. 201

Yayın 01/21/03

Zamanlama: 46:00.

Antik çağlardan beri insanlık, etrafımızdaki dünyanın nasıl çalıştığını düşündü. Neden çimen büyüyor, neden Güneş parlıyor, neden uçamıyoruz... Bu arada ikincisi her zaman insanların özel ilgisini çekmiştir. Artık her şeyin sebebinin yerçekimi olduğunu biliyoruz. Ne olduğunu ve bu fenomenin Evren ölçeğinde neden bu kadar önemli olduğunu bugün ele alacağız.

Giriş kısmı

Bilim adamları, tüm büyük cisimlerin deneyimlediğini buldu karşılıklı çekim birbirlerine. Daha sonra bu gizemli kuvvetin gök cisimlerinin sabit yörüngelerindeki hareketlerini de belirlediği ortaya çıktı. Yerçekimi teorisinin kendisi, hipotezleri gelecek yüzyıllar boyunca fiziğin gelişimini önceden belirleyen bir dahi tarafından formüle edildi. Geçen yüzyılın en büyük beyinlerinden biri olan Albert Einstein, bu öğretiyi (tamamen farklı bir yönde de olsa) geliştirdi ve sürdürdü.

Bilim insanları yüzyıllardır yerçekimini gözlemlemiş, onu anlamaya ve ölçmeye çalışmışlardır. Son olarak, son birkaç on yılda, yerçekimi gibi bir olgu bile insanlığın hizmetine sunuldu (bir anlamda elbette). Nedir bu, söz konusu terimin modern bilimdeki tanımı nedir?

Bilimsel tanım

Antik düşünürlerin eserlerini incelerseniz Latince "gravitas" kelimesinin "yerçekimi", "cazibe" anlamına geldiğini öğrenebilirsiniz. Bugün bilim adamları buna maddi cisimler arasındaki evrensel ve sürekli etkileşim adını veriyor. Bu kuvvet nispeten zayıfsa ve yalnızca çok daha yavaş hareket eden nesnelere etki ediyorsa, o zaman Newton'un teorisi onlara uygulanabilir. Eğer durum tam tersi ise Einstein'ın vardığı sonuçlardan faydalanılmalıdır.

Hemen bir rezervasyon yapalım: Şu anda yerçekiminin doğası prensipte tam olarak anlaşılmamıştır. Hala ne olduğunu tam olarak anlamış değiliz.

Newton ve Einstein'ın Teorileri

Isaac Newton'un klasik öğretisine göre tüm cisimler birbirlerini kütleleriyle doğru, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çekerler. Einstein, nesneler arasındaki çekimin uzay ve zamanın bükülmesi durumunda kendini gösterdiğini (ve uzayın eğriliğinin ancak içinde madde varsa mümkün olabileceğini) savundu.

Bu fikir çok derindi ama modern araştırmalar bunun bir bakıma hatalı olduğunu kanıtlıyor. Bugün uzaydaki yerçekiminin yalnızca uzayı büktüğüne inanılıyor: Zaman yavaşlatılabilir ve hatta durdurulabilir, ancak geçici maddenin şeklini değiştirmenin gerçekliği teorik olarak doğrulanmadı. Bu nedenle Einstein'ın klasik denklemi, uzayın maddeyi ve bunun sonucunda ortaya çıkan manyetik alanı etkilemeye devam etme ihtimalini bile öngörmüyor.

İÇİNDE daha büyük ölçüde Matematiksel ifadesi tam olarak Newton'a ait olan yerçekimi yasası (evrensel çekim) bilinmektedir:

\[ F = γ \frac[-1,2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ, değeri 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²) olan yer çekimi sabitini ifade eder (bazen G sembolü kullanılır).

Temel parçacıklar arasındaki etkileşim

Çevremizdeki uzayın inanılmaz karmaşıklığı büyük ölçüde sonsuz sayıdaki temel parçacıklardan kaynaklanmaktadır. Aralarında ancak tahmin edebileceğimiz düzeyde çeşitli etkileşimler de vardır. Bununla birlikte, temel parçacıklar arasındaki her türlü etkileşimin güçleri önemli ölçüde farklılık gösterir.

Bileşenleri birbirine bağlayan bildiğimiz en güçlü kuvvetler atom çekirdeği. Onları ayırmak için gerçekten muazzam miktarda enerji harcamanız gerekir. Elektronlara gelince, çekirdeğe yalnızca sıradan enerjiyle "bağlanırlar". Bunu durdurmak için bazen en sıradan enerji ortaya çıkar. kimyasal reaksiyon. Atomlar ve atom altı parçacıklar biçimindeki yerçekimi (ne olduğunu zaten biliyorsunuz) en kolay etkileşim türüdür.

Bu durumda yerçekimi alanı o kadar zayıf ki hayal edilmesi zor. İşin tuhafı, kütlesini hayal etmek bazen imkansız olan gök cisimlerinin hareketini "izleyenler" onlardır. Bütün bunlar, özellikle büyük fiziksel bedenlerde belirgin olan yerçekiminin iki özelliği sayesinde mümkündür:

• Atomik olanlardan farklı olarak, nesneden belli bir mesafede daha belirgindir. Böylece, Dünya'nın yerçekimi Ay'ı bile kendi alanında tutar ve Jüpiter'den gelen benzer bir kuvvet, her birinin kütlesi Dünya'nınkiyle oldukça karşılaştırılabilir olan birkaç uydunun yörüngelerini aynı anda kolayca destekler!
• Ayrıca nesneler arasında daima çekim sağlar ve mesafe arttıkça bu kuvvet küçük bir hızda zayıflar.

Az çok tutarlı bir yerçekimi teorisinin oluşumu nispeten yakın zamanda gerçekleşti ve tam olarak gezegenlerin ve diğer gök cisimlerinin hareketlerine ilişkin asırlık gözlemlerin sonuçlarına dayanıyordu. Görev, hepsinin başka olası etkileşimlerin olmadığı bir boşlukta hareket etmesi gerçeğiyle büyük ölçüde kolaylaştırıldı. O dönemin iki önemli gökbilimcisi Galileo ve Kepler, en değerli gözlemleriyle yeni keşiflere zemin hazırlamaya yardımcı oldular.

Ancak ilk yerçekimi teorisini yalnızca büyük Isaac Newton yaratabildi ve bunu matematiksel olarak ifade edebildi. Bu, matematiksel gösterimi yukarıda sunulan ilk yerçekimi yasasıydı.

Newton ve bazı öncüllerinin sonuçları

Çevremizdeki dünyada var olan diğer fiziksel olayların aksine, yerçekimi kendini her zaman ve her yerde gösterir. Sahte bilimsel çevrelerde sıklıkla bulunan "sıfır yerçekimi" teriminin son derece yanlış olduğunu anlamalısınız: uzayda ağırlıksızlık bile bir kişinin veya uzay aracı bazı büyük nesnelerin çekiciliği etki etmez.

Ayrıca tüm maddi cisimlerin kendilerine uygulanan kuvvet ve bu etki nedeniyle elde edilen ivme şeklinde ifade edilen belirli bir kütlesi vardır.

Bu nedenle yerçekimi kuvvetleri nesnelerin kütlesiyle orantılıdır. Söz konusu her iki cismin kütlelerinin çarpımı elde edilerek sayısal olarak ifade edilebilirler. Bu güç kesinlikle itaat eder ters ilişki nesneler arasındaki mesafenin karesinden. Diğer tüm etkileşimler tamamen farklı şekilde iki cisim arasındaki mesafelere bağlıdır.

Teorinin temel taşı olarak kütle

Nesnelerin kütlesi, Einstein'ın tüm modern yerçekimi ve görelilik teorisinin etrafında inşa edildiği özel bir tartışma noktası haline geldi. İkinciyi hatırlıyorsanız, muhtemelen kütlenin herhangi bir fiziksel maddi bedenin zorunlu bir özelliği olduğunu biliyorsunuzdur. Kökeni ne olursa olsun, bir nesneye kuvvet uygulandığında nasıl davranacağını gösterir.

Çünkü tüm cisimler (Newton'a göre) maruz kaldıklarında dış kuvvet Hızlanırsanız, bu ivmenin ne kadar büyük olacağını belirleyen kütledir. Daha fazlasını düşünelim açık örnek. Bir scooter ve bir otobüs hayal edin: Eğer onlara tam olarak aynı kuvveti uygularsanız, farklı hızlar farklı zamanlar için. Yerçekimi teorisi tüm bunları açıklıyor.

Kütle ve yerçekimi arasındaki ilişki nedir?

Yerçekimi hakkında konuşursak, bu fenomendeki kütle, bir nesnenin kuvveti ve ivmesi ile ilgili olarak oynadığı rolün tamamen tersi bir rol oynar. Cazibenin birincil kaynağı odur. İki cisim alırsanız ve ilk ikisinden eşit uzaklıkta bulunan üçüncü bir nesneyi çektikleri kuvvete bakarsanız, tüm kuvvetlerin oranı ilk iki nesnenin kütlelerinin oranına eşit olacaktır. Yani yer çekimi kuvveti cismin kütlesiyle doğru orantılıdır.

Newton'un Üçüncü Yasasını dikkate alırsak, tam olarak aynı şeyi söylediğini görebiliriz. Çekim kaynağından eşit uzaklıkta bulunan iki cisme etki eden yerçekimi kuvveti doğrudan bu nesnelerin kütlesine bağlıdır. İÇİNDE günlük yaşam Bir cismin gezegenin yüzeyine onun ağırlığı olarak çekilmesini sağlayan kuvvetten bahsediyoruz.

Bazı sonuçları özetleyelim. Yani kütle ivmeyle yakından ilişkilidir. Aynı zamanda yerçekiminin vücuda etki edeceği kuvveti de belirleyen odur.

Yerçekimi alanında cisimlerin hızlanmasının özellikleri

Bu şaşırtıcı ikilik, aynı çekim alanında tamamen farklı nesnelerin ivmelerinin eşit olmasının nedenidir. İki bedenimiz olduğunu varsayalım. Bunlardan birine z kütlesini, diğerine de Z kütlesini atayalım. Her iki cisim de yere bırakılıyor ve orada serbestçe düşüyorlar.

Çekici kuvvetlerin oranı nasıl belirlenir? En basit matematiksel formül olan z/Z ile gösterilir. Ancak yer çekimi kuvvetinin bir sonucu olarak aldıkları ivme kesinlikle aynı olacaktır. Basitçe söylemek gerekirse, bir cismin yerçekimi alanında sahip olduğu ivme hiçbir şekilde onun özelliklerine bağlı değildir.

Açıklanan durumda ivme neye bağlıdır?

Bu sadece (!) bu alanı oluşturan nesnelerin kütlesine ve bunların mekansal konumlarına bağlıdır. Yerçekimi alanında kütlenin ikili rolü ve farklı cisimlerin eşit ivmesi nispeten uzun bir süredir keşfedilmiştir. Bu fenomen şu adı aldı: “Eşdeğerlik ilkesi.” Bu terim, ivme ve ataletin çoğu zaman (tabii ki belli bir dereceye kadar) eşdeğer olduğunu bir kez daha vurgulamaktadır.

G değerinin önemi hakkında

Okul fizik dersinden ivmeyi hatırlıyoruz serbest düşüş gezegenimizin yüzeyinde (Dünya'nın yerçekimi) 10 m/sn²'dir (tabii ki 9,8, ancak hesaplama kolaylığı için bu değer kullanılmıştır). Bu nedenle, hava direncini hesaba katmazsanız (kısa bir düşme mesafesi ile önemli bir yükseklikte), vücut 10 m/sn'lik bir ivme artışı elde ettiğinde etkiyi elde edersiniz. her saniye. Yani bir evin ikinci katından düşen bir kitap, uçuşunun sonunda 30-40 m/sn hızla hareket edecektir. Basitçe söylemek gerekirse 10 m/s, Dünya'daki yerçekiminin “hızıdır”.

Fizik literatüründe yer çekiminin ivmesi “g” harfiyle gösterilmektedir. Dünyanın şekli küreden çok mandalinaya benzediği için bu miktarın değeri her bölgede aynı değildir. Yani kutuplarda ve tepelerde ivme daha yüksektir yüksek dağlar küçülür.

Madencilik endüstrisinde bile yerçekimi önemli bir rol oynamaktadır. Bu olgunun fiziği bazen çok fazla zaman kazandırabilir. Bu nedenle jeologlar, özellikle g'nin mükemmel doğrulukta belirlenmesiyle ilgilenirler; çünkü bu, onların maden yataklarını olağanüstü bir doğrulukla keşfetmelerine ve bulmalarına olanak tanır. Bu arada, dikkate aldığımız miktarın önemli bir rol oynadığı yerçekimi formülü neye benziyor? İşte:

Dikkat etmek! Bu durumda yerçekimi formülü G ile yukarıda anlamını verdiğimiz “yerçekimi sabiti” anlamına gelir.

Bir zamanlar Newton yukarıdaki ilkeleri formüle etti. Hem birliği hem de evrenselliği mükemmel bir şekilde anladı, ancak bu olgunun tüm yönlerini tanımlayamadı. Bu onur, eşdeğerlik ilkesini de açıklayabilen Albert Einstein'a düştü. İnsanlığın uzay-zaman sürekliliğinin doğasına ilişkin modern anlayışı ona borçludur.

Görelilik teorisi, Albert Einstein'ın eserleri

Isaac Newton'un zamanında, referans noktalarının, bir cismin uzaysal koordinat sistemindeki konumunun belirlendiği bir tür sert "çubuklar" biçiminde temsil edilebileceğine inanılıyordu. Aynı zamanda bu koordinatları işaretleyen tüm gözlemcilerin aynı zaman uzayında olacağı varsayılmıştır. O yıllarda bu hüküm o kadar açık görülüyordu ki, ona karşı çıkmak veya onu tamamlamak için hiçbir girişimde bulunulmamıştı. Ve bu anlaşılabilir bir durum çünkü gezegenimizin sınırları içinde bu kuralda herhangi bir sapma yok.

Einstein, varsayımsal bir saatin ışık hızından çok daha yavaş hareket etmesi durumunda ölçümün doğruluğunun gerçekten önemli olacağını kanıtladı. Basitçe söylemek gerekirse, ışık hızından daha yavaş hareket eden bir gözlemci iki olayı takip ederse, bu olaylar onun için aynı anda gerçekleşecektir. Buna göre ikinci gözlemci için? Hızı aynı veya daha büyük olan cisimlerde olaylar farklı zamanlarda meydana gelebilir.

Peki yerçekiminin görelilik teorisiyle nasıl bir ilişkisi var? Bu soruya ayrıntılı olarak bakalım.

Görelilik teorisi ile yerçekimi kuvvetleri arasındaki bağlantı

Son yıllarda atom altı parçacıklar alanında çok sayıda keşif yapıldı. Dünyamızın ötesinde parçalanamayacağı son parçacığı bulmak üzere olduğumuza dair inanç güçleniyor. Evrenimizin en küçük “yapı taşlarının” geçen yüzyılda, hatta daha önce keşfedilen temel kuvvetlerden tam olarak nasıl etkilendiğini bulma ihtiyacı daha da ısrarcı hale geliyor. Yer çekiminin doğasının henüz açıklanmamış olması özellikle hayal kırıklığı yaratıyor.

Bu nedenle, Newton'un klasik mekaniğinin söz konusu alanda "yetersizliğini" ortaya koyan Einstein'ın ardından araştırmacılar, daha önce elde edilen verilerin tamamen yeniden düşünülmesine odaklandılar. Yerçekiminin kendisi büyük bir revizyondan geçti. Atomaltı parçacık seviyesinde nedir? Bu şaşırtıcı çok boyutlu dünyada bunun bir önemi var mı?

Basit çözüm mü?

İlk başta pek çok kişi, Newton'un kütleçekimi ile görelilik teorisi arasındaki tutarsızlığın, elektrodinamik alanından analojiler çizerek oldukça basit bir şekilde açıklanabileceğini varsaydı. Yerçekimi alanının manyetik bir alan gibi yayıldığı varsayılabilir, bundan sonra gök cisimlerinin etkileşimlerinde bir "aracı" olarak ilan edilebilir, bu da eski ve yeni teoriler arasındaki tutarsızlıkların çoğunu açıklar. Gerçek şu ki, o zaman söz konusu kuvvetlerin göreceli yayılma hızları ışık hızından önemli ölçüde düşük olacaktır. Peki yerçekimi ve zaman arasında nasıl bir ilişki vardır?

Prensip olarak, Einstein'ın kendisi de tam olarak bu tür görüşlere dayalı bir görelilik kuramı oluşturmayı neredeyse başardı, ancak yalnızca bir durum onun niyetini engelledi. O zamanın hiçbir bilim adamının yerçekiminin "hızını" belirlemeye yardımcı olabilecek hiçbir bilgisi yoktu. Ancak geniş kitlelerin hareketlerine ilişkin pek çok bilgi vardı. Bilindiği gibi, güçlü yerçekimi alanlarının ortaya çıkmasının genel olarak kabul edilen kaynağı bunlardı.

Yüksek hızlar cisimlerin kütlelerini büyük ölçüde etkiler ve bu hiçbir şekilde hız ve yükün etkileşimine benzemez. Hız ne kadar yüksek olursa vücut kütlesi de o kadar büyük olur. Sorun, ışık hızında veya daha hızlı hareket edildiğinde ikinci değerin otomatik olarak sonsuz hale gelmesidir. Bu nedenle Einstein, daha birçok değişkenin kullanılması gerektiğini açıklamak için bir yerçekimi alanının değil, bir tensör alanının olduğu sonucuna vardı.

Takipçileri yerçekimi ile zamanın pratik olarak ilgisiz olduğu sonucuna vardı. Gerçek şu ki, bu tensör alanının kendisi uzaya etki edebilir ancak zamanı etkileyemez. Ancak parlak modern fizikçi Stephen Hawking'in farklı bir bakış açısı var. Ama bu tamamen farklı bir hikaye...

Amsterdam Üniversitesi araştırmacısı Erik Verlinde tarafından 2010 yılında formüle edilen yeni yerçekimi teorisi, bilimsel çevrelerde hâlâ hararetle tartışılıyor. Belki de hiçbir fikir Evrende karanlık maddenin yokluğu kadar hararetli tartışmalara neden olamaz. Görünüşe göre Verlinde'nin teorisi artık yeni kanıtlar elde etme fırsatına sahip. Bu, gökbilimcilerin devam eden gözlemleri sayesinde mümkün oldu.

İkna edici kanıtlar

Gökbilimciler tarafından yapılan mevcut araştırma, yerçekiminin kendiliğinden düzenli bir doğa varlığı olmaktan ziyade kendiliğinden ortaya çıkabileceği, ortaya çıkan yerçekimi fikrine yönelik güçlü bir kanıt olarak övüldü. Şu ana kadar toplanan kanıtlar doğrulama aşamasındadır ve çalışmanın sonuçları bilimsel dergilerde yayınlanmamıştır. Ancak bu teorinin resmi olarak doğrulanması halinde dünya bir kez daha bilimsel devrimin eşiğine gelmiş olacak. Ancak şimdi Newton ve Einstein'ın varsayımları çürütülecek. Öte yandan, bu i'leri noktalayabilir çünkü klasik ve kuantum mekaniği aynı anda kullanılamaz.

Yer çekimi gerçek değil mi?

Erik Verlinde'nin hipotezine göre yerçekimi gerçek değildir. Bu, entropi veya Evrendeki enerjinin geri döndürülemez şekilde dağılmasıyla ilişkili bir etkidir. Elde edilen kanıtlar, galaksilerin karanlık maddeyle çevrili olduğunu öne süren kozmolojik sabitler teorisini çürütmüyor. Bu temel maddeler görünür ışıkla etkileşime girmez ve yerdeki cihazlar kullanılarak tespit edilemez.

Anlaşmazlığın özü nedir?

Yerçekimi teorisinin taraftarları, karanlık maddenin çeşitli parametrelerle tanımlanan teorik bir parçacık olduğuna inanıyorlar. Bununla birlikte, ortaya çıkan yerçekimi teorisi genişletilmiş bir teoriden geliyor. fiziksel formüller. Dolayısıyla, yeni versiyonda hesaplamaların temeli olarak daha fazla değişken dikkate alındığından, her iki teori de birbiriyle çelişmeyebilir.

Yerçekimi merceklenmesi

Yerçekimsel mercekleme sayesinde astronomik gözlemler mümkün olmaktadır. Bu fenomen genellikle ışık ışınlarının yerçekimi alanında sapması ile ilişkilidir. Çeşitli astronomik nesnelerin çoklu görüntülerinin oluşumunu açıklamak için mercekler kullanılabilir. Ağır nesnelere yönelik ışık kırılması daha önce standart kozmolojik modelin genişletilmiş testlerinde kullanılmıştı.

Her ne kadar kozmolojik deneylerde merceklenmeye doğrudan bir atıf bulunmasa da bilim insanları, galaksilerin kırmızıya kaymasıyla ilişkili olarak beklenen merceklenme sinyalini tahmin edebiliyorlar. Muhtemelen gruplanmaları çekici güçlerin etkisi altında gerçekleşir.

Yeni teori zaman, uzay ve yerçekimi anlayışını değiştirebilir

Böylece ortaya çıkan kütleçekimi, genel görelilik ve karanlık maddeyi ortadan kaldırmak istiyor. Böylece test yaparken bireysel nesnelerin birbirleriyle nasıl etkileşime girebileceğini anlayabilirsiniz. Eğer genel görelilik gerçek Evrenin bir modelini öngörüyorsa, bu yeni fikir izole edilmiş, küresel ve statik sistemlere uygulanabilir.

Carl Sagan'a göre "olağanüstü iddialar olağanüstü kanıtlar gerektirir." Bu arada sabırlı olalım ve ortaya çıkan yerçekimi teorisinin doğrulanmasını bekleyelim.