Nowa teoria grawitacji, sformułowana w 2010 roku przez badacza z Uniwersytetu w Amsterdamie Erika Verlinde, wciąż budzi gorące kontrowersje w kręgach naukowych. Być może żaden pomysł nie wywołałby tak gorących kontrowersji, jak brak ciemnej materii we Wszechświecie. Wydaje się, że teoria Verlinde’a ma teraz szansę otrzymać nowe dowody. Było to możliwe dzięki ciągłym obserwacjom astronomów.

Przekonujące dowody

Obecne badania astronomów zostały okrzyknięte mocnym dowodem na poparcie idei grawitacji wschodzącej, w przypadku której grawitacja może powstawać spontanicznie, a nie być spontanicznie uporządkowaną istotą natury. Zebrany materiał dowodowy znajduje się wprawdzie na etapie weryfikacji, a wyniki badania nie zostały opublikowane w czasopism naukowych. Jeśli jednak teoria ta zostanie oficjalnie potwierdzona, świat ponownie stanie u progu rewolucji naukowej. Dopiero teraz założenia Newtona i Einsteina zostaną obalone. Z drugiej strony może to oznaczać kropkę nad „i”, ponieważ mechaniki klasycznej i kwantowej nie można stosować jednocześnie.

Czy grawitacja nie jest prawdziwa?

Według hipotezy Erika Verlinde grawitacja nie jest rzeczywista. Jest to efekt związany z entropią, czyli nieodwracalnym rozproszeniem energii we Wszechświecie. Uzyskane dowody nie obalają teorii stałych kosmologicznych, która twierdzi, że galaktyki są otoczone ciemną materią. Te podstawowe substancje nie wchodzą w interakcję ze światłem widzialnym i nie można ich wykryć za pomocą instrumentów naziemnych.

Jaka jest istota sporu?

Zwolennicy teorii grawitacji są przekonani, że ciemna materia jest cząstką teoretyczną definiowaną przez kilka parametrów. Jednakże teoria grawitacji wyłaniającej się wywodzi się z rozszerzonych wzorów fizycznych. Zatem obie teorie nie mogą być ze sobą sprzeczne, gdyż w nowej wersji jako podstawę obliczeń uwzględniono więcej zmiennych.

Soczewkowanie grawitacyjne

Obserwacje astronomiczne są możliwe dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu. Zjawisko to zwykle wiąże się z ugięciem promieni świetlnych w polu grawitacyjnym. Soczewki można wykorzystać do wyjaśnienia powstawania wielu obrazów różnych obiektów astronomicznych. Załamanie światła skierowane na ciężkie obiekty było już wcześniej wykorzystywane w rozszerzonych testach standardowego modelu kosmologicznego.

Chociaż w eksperymentach kosmologicznych nadal nie ma bezpośrednich odniesień do soczewkowania, naukowcy mogą oszacować oczekiwany sygnał soczewkowania w odniesieniu do przesunięcia ku czerwieni galaktyk. Prawdopodobnie ich grupowanie następuje pod wpływem sił przyciągających.

Nowa teoria może zmienić rozumienie czasu, przestrzeni i grawitacji

Zatem wschodząca grawitacja chce pozbyć się ogólnej teorii względności i ciemnej materii. Dzięki temu podczas testowania można zrozumieć, w jaki sposób poszczególne obiekty mogą ze sobą oddziaływać. Jeśli ogólna teoria względności przewiduje model prawdziwego Wszechświata, to nowa koncepcja ma zastosowanie do układów izolowanych, sferycznych i statycznych.

Według Carla Sagana „nadzwyczajne twierdzenia wymagają niezwykłych dowodów”. Tymczasem bądźmy cierpliwi i poczekajmy na potwierdzenie powstającej teorii grawitacji.

W miarę postępu fizyki kwantowej naukowcy dowiadują się więcej o czarnych dziurach, ciemnej materii, ciemnej energii i innych zjawiskach kosmicznych. Nowe odkrycia stają się coraz trudniejsze do dopasowania do koncepcji grawitacji.

Poniżej znajdują się alternatywne poglądy dziewięciu naukowców na temat grawitacji.

1. Thomas Townsend Brown i urządzenie przeciwstawiające się grawitacji

Fizyk Thomas Townsend Brown (1905-1985) prowadził badania dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych i Departamentu Obrony. Później pracował jako konsultant w branży lotniczej.

Stworzył urządzenie, które zostało opatentowane pod nazwą „grawitator”. Według niego jego wynalazek obalił grawitację, a niektórzy naukowcy zgadzają się z tym stwierdzeniem. Pod wpływem ładunku wysokiego napięcia poruszał się w sposób, którego nie da się wytłumaczyć w oparciu o współczesne rozumienie grawitacji.

We wniosku patentowym Brown napisał, że grawitator działa w spoczynku względem wszechświata. Jest to sprzeczne ze szczególną teorią względności Alberta Einsteina, zgodnie z którą siła musi działać tak samo w odniesieniu do każdego układu odniesienia. Grawitator obalił także trzecie prawo Newtona, które głosi, że na każde działanie przypada równa i przeciwna reakcja.

W 1930 roku pułkownik Edward Deeds napisał: „Niektórzy naukowcy widzieli grawitator i byli zdumieni jego działaniem, szczerze mówiąc, że ruchów grawitatora zupełnie nie da się wytłumaczyć znanymi prawami fizyki”.

Niektórzy twierdzą, że ruchy grawitatora napędzane są wiatrem jonowym, co oznacza, że ​​zjonizowane cząstki wytwarzają siłę. Paul A. LaViolette był jednym z tych, którzy nie zgodzili się z tym wyjaśnieniem.

„Pomiary siły ciągu wykazały, że siła unosząca naelektryzowany dysk Browna była prawie 100 milionów razy większa niż wytwarzałby wiatr jonowy” – napisał LaViolette w swojej książce „Secrets of Antigravity Propulsion”.

2. Paul A. LaViolette: Czy rząd w tajemnicy buduje statek antygrawitacyjny?

LaViolette uzyskał doktorat na Uniwersytecie w Portland, a obecnie jest prezesem Fundacji Starburst, interdyscyplinarnego instytutu badawczego. W swojej książce pisze: „W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat w ramach tajnych programów lotniczych w Stanach Zjednoczonych i innych krajach opracowywano samolot zdolny pokonać grawitację. Te egzotyczne technologie należą do stosunkowo mało znanej dziedziny badań zwanej elektrograwitacją.”

LaViolette prześledził rozwój przemysłu od epoki Tesli do Browna w pierwszej połowie XX wieku. Według teorii Browna pola elektrostatyczne i grawitacyjne są zjednoczone, wyjaśnia LaViolette.

Efekt elektrograwitacyjny jest ignorowany, ponieważ „klasyczna elektrostatyka ani ogólna teoria względności nie spodziewają się takiego zjawiska” – pisze LaViolette.

3. NASA o ciemnej materii

Powyższe zdjęcie pokazuje rozmieszczenie ciemnej materii, galaktyk i gorącego gazu w centrum gromady galaktyk Abell 520, powstałej w wyniku masywnego zderzenia galaktyk. Foto: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee na Uniwersytecie Kalifornijskim i A. Mahdavi na Uniwersytecie Stanowym w San Francisco

Naukowcy wiedzą, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie. Uważają, że przyczyną tej ekspansji jest ciemna materia, ale nie wiedzą dokładnie, co to jest. Uważa się, że może obalić teorię grawitacji Einsteina.

Raport NASA na temat ciemnej materii wskazuje, że istnieje możliwość, że „teoria grawitacji Einsteina jest błędna”.

„Nie tylko wpływa na ekspansję Wszechświata, ale także determinuje zachowanie zwykłej materii w galaktykach i gromadach galaktyk” – czytamy w raporcie. - Być może rozwiązaniem problemu czarnej materii byłaby nowa teoria grawitacji. Możemy obserwować galaktyki tworzące gromady. Jeśli jednak okaże się, że potrzebna jest nowa teoria grawitacji, nie wiadomo, jaką formę ona przybierze”.

4. Tom van Flandern o problemie prędkości grawitacyjnej

Tom van Flandern (1940-2009) uzyskał stopień doktora astronomii na Uniwersytecie Yale w 1969 roku. Nie odrzucał całkowicie ogólnej teorii względności, ale uważał, że stwarza ona problemy. Teoria Einsteina była „raczej niekompletna niż błędna” – napisał w artykule „Prędkość grawitacji. Co mówią eksperymenty?”, opublikowanej w Physics Letter A w 1998 r.

Poruszył kwestię prędkości grawitacyjnej. W klasycznej teorii grawitacji Newtona prędkość grawitacji jest nieokreślona. A według ogólnej teorii względności grawitacja ma prędkość światła, wyjaśnia Van Flandern. Mówi, że w kręgach akademickich wolą omijać tę kontrowersję.

„Dokładnie ten sam dylemat pojawia się w wielu kwestiach” – pisze. - Dlaczego fotony ze Słońca poruszają się w kierunku, który nie jest równoległy do ​​kierunku przyspieszenia grawitacyjnego Ziemi względem Słońca? Dlaczego całkowite zaćmienie Słońca przez Księżyc osiąga szczyt, zanim się ustabilizuje? siły grawitacyjne Słońce i Księżyc? W jaki sposób pulsary podwójne przewidują swoje przyszłe położenie, prędkość i przyspieszenie szybciej, niż pozwala na to czas świetlny między nimi? Dlaczego czarne dziury mają grawitację, mimo że nic nie jest w stanie ich pokonać, ponieważ wymagałoby to prędkości większych niż prędkość światła?”

5. Wilian H. Cantrell: Teoria Einsteina nie wykracza poza koło logiczne

dr. William H. Cantrell – członek personelu technicznego w Massachusetts Lincoln Laboratory Instytut Technologii. Jest byłym profesorem nadzwyczajnym na Wydziale Inżynierii Elektronicznej Uniwersytetu w Teksasie.

Nakreślił niekonwencjonalny widok na temat teorii względności w czasopiśmie Infinite Energy organizacja non-profit Fundacja Nowej Energii (NEF).

Cantrell pisze: „Teoria względności wywarła ogromny wpływ na fizykę XX wieku, jest to fakt bezsporny. Teoria Einsteina jest podziwiana na całym świecie za genialne odkrycia, do których doprowadziła. Istnieją jednak grupy naukowców-dysydentów, którzy otwarcie to odrzucają i duże grupy badacze, którzy są do niej wrogo nastawieni, choć nie są świadomi alternatywnych podejść.”

„Powodem tej wrogości jest to, że Einstein zapożyczył matematykę Lorentza i Poincarégo, co pozwoliło mu zmodyfikować system pomiaru długości i czasu, zapewniając stałą prędkość światła dla wszystkich obserwatorów”.

„W takiej sytuacji racjonalni myśliciele musieliby się spieszyć, aby znaleźć alternatywne pomysły. Ale po co próbować obalać tak udaną teorię? Ano po pierwsze, żeby zrozumieć i opisać, jak faktycznie działa przyroda. A po drugie, dokonać nowego przełomu po usunięciu niezamierzonej bariery.”

Cantrell i podobni mu naukowcy uważają, że teoria Einsteina nie wykracza poza logiczne koło. Wyjaśnił to na następującym przykładzie: „Można postawić hipotezę, że Ziemia ma drugi Księżyc wykonany ze specjalnego zielonego sera, który jest przezroczysty dla światła”.

„Oczywiście brzmi to jak głupota, ale tego stwierdzenia nie można obalić eksperymentalnie. Teoria względności Einsteina ma ten sam problem.

6. Ruggero Maria Santilli: teoria względności jest sprzeczna z elektrodynamiką kwantową

Ruggero Maria Santilli studiował na uniwersytetach w Neapolu i Turynie, pracował jako nauczyciel wizytujący na Harvardzie, następnie założył Instytut badania teoretyczne. Santilli wymienia dziewięć rozbieżności pomiędzy ogólną teorią względności Einsteina a obecną wiedzą naukową. Niektóre z nich stwarzają problemy dla klasycznego rozumienia grawitacji.

Jedną z głównych sprzeczności jest to, że Einsteinowskie wyjaśnienie grawitacji nie zgadza się z elektrodynamiką kwantową, pisze Santilli w swoim artykule z 2006 roku „Dziewięć twierdzeń o niespójności ogólnej teorii względności”.

„Należy pamiętać, że elektrodynamika kwantowa jest jedną z najważniejszych i udowodnionych eksperymentalnie teorie naukowe w historii. Jest oczywiste, że szeroko rozpowszechniony pogląd, że pogląd Einsteina na grawitację jest ostateczny, jest podejściem nienaukowym” – pisze.

W czasopiśmie publikowane są artykuły kwestionujące ogólną i szczególną teorię względności Einsteina. Polityka wydawnicza czasopisma formułowana jest następująco: „Czasopismo zwraca uwagę na doniesienia potwierdzające, że teorie Einsteina są nadmiernie skomplikowane, potwierdzone jedynie w wąskich obszarach fizyki i prowadzą do logicznych sprzeczności”.

Tomek Bathell

Tom Bathall nie jest naukowcem, ale jako starszy redaktor „American Spectator” zgłębiał alternatywne teorie. W artykule „Przemyślenie teorii względności” pisze: „Podczas wyboru akceptowalne teorie Prostota jest często głównym kryterium. Ptolemejski system świata w skomplikowanej wersji może dokładnie przewidzieć położenie planet. Jednakże heliocentryczny system światowy jest znacznie prostszy, dlatego wolimy go.”

Zacytował Clifforda M. Willa z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, czołowego zwolennika teorii względności. „Trudno wyobrazić sobie życie bez szczególnej teorii względności... Wyobraźcie sobie wszystkie zjawiska w naszym świecie, w których odgrywa ona dużą rolę. Energia atomowa, słynne równanie E=mc2, pokazujące, jak masa zamienia się w kolosalne ilości energii.

Bathall twierdzi, że ograniczenia „odgrywają rolę”. Bethell pisze: „Jeśli nowa teoria wydaje się ‚niezastąpiona’, natychmiast zostanie uznana za błędną”.

7. Józef Polchiński: wątpliwości i pytania

Józef Połczyński. Foto: Lubos Motl

Joseph Polchinski, fizyk teoretyczny z Kavli Institute for Theoretical Physics na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, omawia ideę grawitacji w odniesieniu do czarnych dziur. Według teorii Eintaina czarne dziury powinny mieć ogromną siłę grawitacji.

Znany naukowiec Stephen Hawking stwierdził w latach 70., że materia może wyciekać z czarnych dziur, co jest paradoksem.

Jak wspomniano w pierwszej części artykułu, van Flandern zadał pytanie: „Jak czarne dziury mają grawitację, skoro nic nie jest w stanie ich pokonać, bo wymagałoby to prędkości większych niż prędkość światła?”

Polchinski powiedział PBS po tym, jak Hawking omówił niektóre nowe teorie na temat czarnych dziur: „Możliwe, że niektóre z naszych przekonań na temat mechaniki kwantowej i grawitacji są błędne i próbujemy dowiedzieć się, które z nich”.

„To jest trudność, ale mamy nadzieję, że ta trudność pozwoli nam pójść dalej” – powiedział.

8.Eric Verlinde: Teoria „złego dnia włosów”.

Profesor Erik Verlinde jest fizykiem teoretycznym zajmującym się teorią strun i profesorem w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w Amsterdamie.

Postrzega grawitację jako konsekwencję praw termodynamiki i wpływu takich czynników, jak temperatura, ciśnienie i struktura. Postrzeganie grawitacji, na przykład spadającego jabłka z drzewa, wiąże się z właściwością natury maksymalizującą nieporządek.

Artykuł w New York Times z 2010 roku opisuje jego pomysł jako teorię „dnia złej fryzury”. Włosy stają się kręcone pod wpływem ciepła i wilgoci, istnieje więcej możliwości kręcenia włosów niż prostych, a natura kocha różnorodność. Verlinde uważa, że ​​podobne zasady dotyczą rozmieszczenia obiektów w przestrzeni.

„Od dawna wiemy, że grawitacja nie istnieje” – Verlinde powiedział New York Times. „Czas ogłosić to publicznie”.

9. Juan Maldacena: „Teorię Einsteina należy zastąpić czymś kwantowo-mechanicznym”

Juana Maldaceny. Zdjęcie: Wikimedia Commons

W 1997 roku fizyk teoretyczny Juan Maldacena, obecnie profesor w Instytucie Studiów Zaawansowanych w Princeton, opracował teorię, która postrzega wszechświat jako zbiór bardzo drobnych wibrujących strun. To właśnie te struny wytwarzają grawitację. Struny są rodzajem hologramu wyświetlanego z niższego wymiaru układu kosmicznego, który jest prostszy, bardziej płaski i nie ma grawitacji.

W wywiadzie opublikowanym w zasobach edukacyjnych Learner.org Maldacena powiedziała: „Uważamy, że ogólną teorię względności Einsteina należy zastąpić czymś z mechaniki kwantowej, gdy omawiamy takie tematy, jak początek Wielkiego Wybuchu czy struktura czarnych dziur, gdzie materia rozpada się w bardzo małym obszarze czasoprzestrzeni, a rzeczy, które tam zachodzą, nie można opisać za pomocą klasycznych teorii. W takich przypadkach należy zastosować mechanikę kwantową. Teoria strun jest w trakcie rozwoju, została stworzona w celu opisu czasoprzestrzeni mechaniki kwantowej.”

*Zdjęcie wykonane przez mężczyznę skaczącego na skakance z Shutterstock

Wersja angielska

Czy zainstalowałbyś aplikację na swoim telefonie, aby czytać artykuły z serwisu epochtimes?

Pomiędzy wszystkimi ciałami materialnymi. W przybliżeniu małych prędkości i słabego oddziaływania grawitacyjnego opisuje to teoria grawitacji Newtona, w ogólnym przypadku ogólna teoria względności Einsteina. W granicy kwantowej oddziaływanie grawitacyjne rzekomo opisuje kwantowa teoria grawitacji, która nie została jeszcze opracowana.

Encyklopedyczny YouTube

1 / 5

✪ Wizualizacja grawitacji

✪ NAUKOWCY OSZUKUJĄ NAS OD URODZENIA. 7 wywrotowych FAKTÓW O GRAWITACJI. DENANSOWANIE KŁAMSTW NEWTONA I FIZYKÓW

✪ Grawitacja

✪ 10 interesujących faktów na temat grawitacji

✪ Alexander Chirtsov - Grawitacja: rozwój poglądów od Newtona do Einsteina

Napisy na filmie obcojęzycznym

Przyciąganie grawitacyjne

Prawo powszechnego ciążenia jest jednym z zastosowań prawa odwrotności kwadratów, które można znaleźć również w badaniu promieniowania (patrz na przykład Ciśnienie światła) i jest bezpośrednią konsekwencją kwadratowego wzrostu obszaru kula o rosnącym promieniu, co prowadzi do kwadratowego zmniejszenia udziału dowolnej powierzchni jednostkowej w powierzchni całej kuli.

Pole grawitacyjne, podobnie jak pole grawitacyjne, jest potencjalne. Oznacza to, że można wprowadzić energię potencjalną przyciągania grawitacyjnego pary ciał, a energia ta nie ulegnie zmianie po przesunięciu ciał po zamkniętej pętli. Z potencjalności pola grawitacyjnego wynika prawo zachowania sumy energii kinetycznej i potencjalnej, a przy badaniu ruchu ciał w polu grawitacyjnym często znacznie upraszcza się rozwiązanie. W ramach mechaniki Newtona oddziaływanie grawitacyjne ma charakter dalekiego zasięgu. Oznacza to, że niezależnie od tego, jak porusza się masywne ciało, w dowolnym punkcie przestrzeni potencjał grawitacyjny zależy jedynie od położenia ciała w w tej chwili czas.

Duże obiekty kosmiczne - planety, gwiazdy i galaktyki mają ogromną masę i dlatego tworzą znaczne pola grawitacyjne.

Grawitacja jest najsłabszym oddziaływaniem. Ponieważ jednak działa na wszystkich odległościach i wszystkie masy są dodatnie, jest mimo to bardzo ważną siłą we Wszechświecie. W szczególności oddziaływanie elektromagnetyczne między ciałami w skali kosmicznej jest niewielkie, ponieważ całkowity ładunek elektryczny tych ciał równy zeru(substancja jako całość jest elektrycznie obojętna).

Ponadto grawitacja, w przeciwieństwie do innych interakcji, ma uniwersalny wpływ na całą materię i energię. Nie odkryto żadnych obiektów, które w ogóle nie oddziaływałyby grawitacyjnie.

Grawitacja ze względu na swój globalny charakter odpowiada za skutki tak wielkoskalowe, jak budowa galaktyk, czarne dziury i ekspansja Wszechświata, a także za elementarne zjawiska astronomiczne - orbity planet i proste przyciąganie do powierzchni Ziemia i upadek ciał.

Grawitacja była pierwszą interakcją opisaną przez teorię matematyczną. Arystoteles (IV wiek p.n.e.) uważał, że ciała o różnych masach spadają z różną prędkością. I dopiero znacznie później (1589) Galileo Galilei eksperymentalnie ustalił, że tak nie jest – jeśli wyeliminowany zostanie opór powietrza, wszystkie ciała będą przyspieszać jednakowo. Prawo powszechnego ciążenia Izaaka Newtona (1687) dobrze opisywało ogólne zachowanie grawitacji. W 1915 roku Albert Einstein stworzył Ogólną Teorię Względności, która dokładniej opisuje grawitację w kategoriach geometrii czasoprzestrzeni.

Mechanika nieba i niektóre jej zadania

Najprostszym problemem mechaniki nieba jest oddziaływanie grawitacyjne dwóch ciał punktowych lub kulistych w pustej przestrzeni. Problem ten w ramach mechaniki klasycznej rozwiązuje się analitycznie w formie zamkniętej; wynik jego rozwiązania jest często formułowany w forma trójki Prawa Keplera.

W miarę wzrostu liczby oddziałujących ze sobą ciał zadanie staje się dramatycznie bardziej skomplikowane. Zatem słynnego już problemu trzech ciał (czyli ruchu trzech ciał o niezerowych masach) nie można rozwiązać analitycznie w widok ogólny. W przypadku rozwiązania numerycznego niestabilność rozwiązań względem warunków początkowych następuje dość szybko. W odniesieniu do Układu Słonecznego ta niestabilność nie pozwala nam dokładnie przewidzieć ruchu planet w skalach przekraczających sto milionów lat.

W niektórych szczególnych przypadkach możliwe jest znalezienie rozwiązania przybliżonego. Najważniejszy jest przypadek, gdy masa jednego ciała jest znacznie większa od masy innych ciał (przykłady: Układ Słoneczny i dynamika pierścieni Saturna). W tym przypadku w pierwszym przybliżeniu możemy założyć, że ciała świetliste nie oddziałują ze sobą i poruszają się po trajektoriach keplerowskich wokół masywnego ciała. Interakcje między nimi można uwzględnić w ramach teorii zaburzeń i uśrednić w czasie. W takim przypadku mogą wystąpić nietrywialne zjawiska, takie jak rezonanse, atraktory, chaos itp. Wyraźnym przykładem takich zjawisk jest złożona budowa pierścieni Saturna.

Pomimo prób dokładnego opisania zachowania systemu z duża liczba przyciąganie ciał o w przybliżeniu tej samej masie, nie jest to możliwe ze względu na zjawisko chaosu dynamicznego.

Silne pola grawitacyjne

W silnych polach grawitacyjnych, a także podczas poruszania się w polu grawitacyjnym z prędkościami relatywistycznymi, zaczynają pojawiać się efekty ogólnej teorii względności (GTR):

• zmiana geometrii czasoprzestrzeni;
  • w konsekwencji odchylenie prawa grawitacji od Newtona;
  • aw skrajnych przypadkach - pojawienie się czarnych dziur;
• opóźnienie potencjałów związane ze skończoną prędkością propagacji zaburzeń grawitacyjnych;
  • w konsekwencji pojawienie się fal grawitacyjnych;
• efekty nieliniowe: grawitacja ma tendencję do interakcji ze sobą, więc zasada superpozycji w silnych polach już nie obowiązuje.

Promieniowanie grawitacyjne

Jednym z ważnych przewidywań ogólnej teorii względności jest promieniowanie grawitacyjne, którego obecność została potwierdzona bezpośrednimi obserwacjami w 2015 roku. Wcześniej jednak pojawiły się mocne pośrednie dowody na jego istnienie, a mianowicie: straty energii w bliskich układach podwójnych zawierających zwarte obiekty grawitacyjne (takie jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury), w szczególności w słynnym układzie PSR B1913+16 (pulsar Halsa - Taylor) - są zgodne z ogólnym modelem względności, w którym energia ta jest odprowadzana właśnie przez promieniowanie grawitacyjne.

Promieniowanie grawitacyjne mogą być generowane jedynie przez układy o zmiennych momentach kwadrupolowych lub wyższych momentach wielobiegunowych, fakt ten sugeruje, że promieniowanie grawitacyjne większości źródeł naturalnych ma charakter kierunkowy, co znacznie komplikuje jego wykrywanie. Moc grawitacji N-źródło pola jest proporcjonalne (v / do) 2 n + 2 (\ displaystyle (v/c) ^ (2n + 2)), jeśli wielobiegun jest typu elektrycznego, oraz (v / do) 2 n + 4 (\ displaystyle (v/c) ^ (2n + 4))- jeśli multipol jest typu magnetycznego, gdzie w jest charakterystyczną prędkością ruchu źródeł w układzie promieniującym, oraz C- prędkość światła. Zatem momentem dominującym będzie moment kwadrupolowy typu elektrycznego, a moc odpowiedniego promieniowania jest równa:

L = 1 5 sol do 5 ⟨ re 3 Q ja jot re t 3 re 3 Q ja jot re t 3 ⟩ , (\ Displaystyle L = (\ Frac (1) (5)) (\ Frac (G) (c ^ (5))) \ lewy\lange (\frac (d^(3)Q_(ij))(dt^(3)))(\frac (d^(3)Q^(ij))(dt^(3)))\prawy \rangle,)

Gdzie Q ja jot (\ displaystyle Q_ (ij))- kwadrupolowy tensor momentu rozkładu masy układu promieniującego. Stały sol do 5 = 2,76 × 10 - 53 (\ Displaystyle (\ Frac (G) (c ^ (5))) = 2,76 \ razy 10 ^ (-53)}(1/W) pozwala nam oszacować rząd wielkości mocy promieniowania.

Od 1969 r. (eksperymenty Webera (Angielski)) podejmuje się próby bezpośredniego wykrycia promieniowania grawitacyjnego. W USA, Europie i Japonii w chwila obecna istnieje kilka działających detektorów naziemnych (LIGO, VIRGO, TAMA (Angielski), GEO 600), a także projekt kosmicznego detektora grawitacyjnego LISA (Laser Interferometer Space Antenna). W Centrum Naukowym Badań Fal Grawitacyjnych Dulkyn w Republice Tatarstanu opracowywany jest w Rosji detektor naziemny.

Subtelne efekty grawitacji

Oprócz klasycznych efektów przyciągania grawitacyjnego i dylatacji czasu, ogólna teoria względności przewiduje istnienie innych przejawów grawitacji, które w warunkach ziemskich są bardzo słabe i dlatego ich wykrycie i weryfikacja eksperymentalna są bardzo trudne. Do niedawna pokonanie tych trudności wydawało się przekraczać możliwości eksperymentatorów.

Do nich można w szczególności zaliczyć opór inercjalnych układów odniesienia (czyli efekt Lense-Thirringa) oraz pole grawitomagnetyczne. W 2005 roku należąca do NASA automatyczna sonda grawitacyjna B przeprowadziła bezprecedensowy precyzyjny eksperyment, aby zmierzyć te efekty w pobliżu Ziemi. Przetwarzanie uzyskanych danych prowadzono do maja 2011 roku i potwierdziło istnienie i wielkość skutków precesji geodezyjnej i oporu inercyjnych układów odniesienia, choć z nieco mniejszą niż pierwotnie zakładano dokładnością.

Po intensywnych pracach nad analizą i wyodrębnieniem szumów pomiarowych ostateczne wyniki misji ogłoszono na konferencji prasowej w NASA-TV 4 maja 2011 r. i opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters. Zmierzona wartość precesji geodezyjnej wynosiła −6601,8±18,3 milisekundłuków rocznie i efekt porywania - −37,2±7,2 milisekundyłuków rocznie (porównaj z wartościami teoretycznymi -6606,1 mas/rok i -39,2 mas/rok).

Klasyczne teorie grawitacji

Ze względu na to, że kwantowe efekty grawitacji są niezwykle małe nawet w najbardziej ekstremalnych i obserwacyjnych warunkach, nadal nie ma ich wiarygodnych obserwacji. Z szacunków teoretycznych wynika, że ​​w zdecydowanej większości przypadków można ograniczyć się do klasycznego opisu oddziaływania grawitacyjnego.

Istnieje współczesna kanoniczna klasyczna teoria grawitacji - ogólna teoria względności oraz wiele hipotez wyjaśniających i teorii o różnym stopniu rozwoju, konkurujących ze sobą. Wszystkie te teorie dają bardzo podobne przewidywania w ramach przybliżeń, w jakich obecnie przeprowadza się testy eksperymentalne. Poniżej znajduje się kilka podstawowych, najlepiej rozwiniętych i znanych teorii grawitacji.

Ogólna teoria względności

Jednak ogólna teoria względności została potwierdzona eksperymentalnie do niedawna (2012). Ponadto wiele alternatywnych do Einsteina, ale standardowych dla współczesnej fizyki podejść do formułowania teorii grawitacji prowadzi do wyniku zbieżnego z ogólną teorią względności w przybliżeniu niskoenergetycznym, które jako jedyne jest obecnie dostępne do weryfikacji eksperymentalnej.

Teoria Einsteina-Cartana

Podobny podział równań na dwie klasy występuje także w RTG, gdzie wprowadza się drugie równanie tensorowe, aby uwzględnić związek przestrzeni nieeuklidesowej z przestrzenią Minkowskiego. Dzięki obecności w teorii Jordana-Bransa-Dicke'a parametru bezwymiarowego staje się możliwy taki dobór go, aby wyniki teorii pokrywały się z wynikami eksperymentów grawitacyjnych. Co więcej, w miarę jak parametr dąży do nieskończoności, przewidywania teorii coraz bardziej zbliżają się do ogólnej teorii względności, dlatego nie da się obalić teorii Jordana-Bransa-Dicke'a żadnym eksperymentem potwierdzającym ogólną teorię względności.

Kwantowa teoria grawitacji

Pomimo ponad pół wieku prób, grawitacja jest jedyną podstawową interakcją, dla której nie powstała jeszcze ogólnie przyjęta, spójna teoria kwantowa. Przy niskich energiach, w duchu kwantowej teorii pola, oddziaływanie grawitacyjne można przedstawić jako wymianę grawitonów - bozonów o spinie 2. Jednakże uzyskanej teorii nie można renormalizować i dlatego uważa się ją za niezadowalającą.

W ostatnich dziesięcioleciach opracowano kilka obiecujących podejść do rozwiązania problemu kwantyzacji grawitacji: teorię strun, pętlową grawitację kwantową i inne.

Teoria strun

Zamiast cząstek i czasoprzestrzeni tła pojawiają się w nim struny i ich wielowymiarowe analogi -

Od czasów starożytnych ludzkość zastanawiała się, jak działa otaczający nas świat. Dlaczego rośnie trawa, dlaczego świeci słońce, dlaczego nie możemy latać… To ostatnie, nawiasem mówiąc, zawsze było przedmiotem szczególnego zainteresowania ludzi. Teraz wiemy, że przyczyną wszystkiego jest grawitacja. Czym jest i dlaczego to zjawisko jest tak ważne w skali Wszechświata, zastanowimy się dzisiaj.

Część wprowadzająca

Naukowcy odkryli, że wszystkie masywne ciała odczuwają wzajemne przyciąganie. Następnie okazało się, że ta tajemnicza siła determinuje także ruch ciał niebieskich po ich stałych orbitach. Sama teoria grawitacji została sformułowana przez geniusza, którego hipotezy przesądziły o rozwoju fizyki na wiele stuleci. Naukę tę rozwinął i kontynuował (aczkolwiek w zupełnie innym kierunku) Albert Einstein, jeden z największe umysły minionego stulecia.

Przez wieki naukowcy obserwowali grawitację oraz próbowali ją zrozumieć i zmierzyć. Wreszcie w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci został oddany w służbę ludzkości (w w pewnym sensie oczywiście) nawet takie zjawisko jak grawitacja. Co to jest, jaka jest definicja omawianego terminu we współczesnej nauce?

Definicja naukowa

Jeśli przestudiujesz dzieła starożytnych myślicieli, możesz dowiedzieć się, że łacińskie słowo „gravitas” oznacza „grawitację”, „przyciąganie”. Dziś naukowcy nazywają to uniwersalną i stałą interakcją pomiędzy ciałami materialnymi. Jeśli siła ta jest stosunkowo słaba i działa tylko na obiekty, które poruszają się znacznie wolniej, wówczas ma do nich zastosowanie teoria Newtona. Jeżeli sytuacja jest odwrotna, należy skorzystać z wniosków Einsteina.

Zróbmy od razu zastrzeżenie: obecnie sama natura grawitacji nie jest w zasadzie w pełni poznana. Nadal nie do końca rozumiemy, co to jest.

Teorie Newtona i Einsteina

Według klasycznej nauki Izaaka Newtona wszystkie ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do ich masy, odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości jaka je dzieli. Einstein argumentował, że grawitacja pomiędzy obiektami objawia się w przypadku zakrzywienia przestrzeni i czasu (a zakrzywienie przestrzeni jest możliwe tylko wtedy, gdy znajduje się w niej materia).

Pomysł ten był bardzo głęboki, ale współczesne badania dowodzą, że jest nieco niedokładny. Dziś uważa się, że grawitacja w przestrzeni jedynie zagina przestrzeń: czas można spowolnić, a nawet zatrzymać, jednak realność zmiany kształtu tymczasowej materii nie została teoretycznie potwierdzona. Dlatego klasyczne równanie Einsteina nie przewiduje nawet możliwości, że przestrzeń będzie nadal wpływać na materię i powstałe pole magnetyczne.

Najbardziej znane jest prawo grawitacji (powszechna grawitacja), którego matematyczne wyrażenie należy do Newtona:

\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ odnosi się do stałej grawitacji (czasami używany jest symbol G), której wartość wynosi 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²).

Oddziaływanie cząstek elementarnych

Niesamowita złożoność otaczającej nas przestrzeni wynika w dużej mierze z nieskończonej liczby cząstek elementarnych. Istnieją również różne interakcje między nimi na poziomach, których możemy się jedynie domyślać. Jednak wszystkie rodzaje interakcji między cząstkami elementarnymi różnią się znacznie pod względem siły.

Najpotężniejsze znane nam siły wiążą elementy razem jądro atomowe. Aby je rozdzielić, trzeba wydać naprawdę kolosalną ilość energii. Jeśli chodzi o elektrony, są one „związane” z jądrem jedynie zwykłą energią, aby ją zatrzymać, czasami energią, która pojawia się w wyniku najzwyklejszej reakcja chemiczna. Grawitacja (już wiesz, co to jest) w postaci atomów i cząstek subatomowych jest najłatwiejszym rodzajem interakcji.

Pole grawitacyjne w tym przypadku jest tak słabe, że trudno je sobie wyobrazić. Co dziwne, to oni „monitorują” ruch ciał niebieskich, których masy czasami nie można sobie wyobrazić. Wszystko to jest możliwe dzięki dwóm cechom grawitacji, które są szczególnie widoczne w przypadku dużych ciał fizycznych:

• W odróżnieniu od atomowych jest bardziej zauważalny w pewnej odległości od obiektu. Zatem grawitacja Ziemi utrzymuje nawet Księżyc w swoim polu, a podobna siła Jowisza z łatwością obsługuje orbity kilku satelitów jednocześnie, z których masa każdego jest porównywalna z masą Ziemi!
• Ponadto zawsze zapewnia przyciąganie między obiektami, a wraz z odległością siła ta słabnie przy małej prędkości.

Stworzenie mniej lub bardziej spójnej teorii grawitacji nastąpiło stosunkowo niedawno, a właśnie w oparciu o wyniki wielowiekowych obserwacji ruchu planet i innych ciał niebieskich. Zadanie znacznie ułatwił fakt, że wszystkie poruszają się w próżni, gdzie po prostu nie ma innych prawdopodobnych interakcji. Galileusz i Kepler, dwaj wybitni astronomowie tamtych czasów, swoimi najcenniejszymi obserwacjami pomogli przygotować grunt pod nowe odkrycia.

Ale tylko wielki Izaak Newton był w stanie stworzyć pierwszą teorię grawitacji i wyrazić ją matematycznie. Była to pierwsza zasada grawitacji, której matematyczne przedstawienie przedstawiono powyżej.

Wnioski Newtona i niektórych jego poprzedników

W przeciwieństwie do innych zjawisk fizycznych występujących w otaczającym nas świecie, grawitacja objawia się zawsze i wszędzie. Musisz zrozumieć, że termin „zero grawitacji”, często spotykany w kręgach pseudonaukowych, jest wyjątkowo niepoprawny: nawet nieważkość w kosmosie nie oznacza, że ​​dana osoba lub statek kosmiczny przyciąganie jakiegoś masywnego obiektu nie działa.

Ponadto wszystkie ciała materialne mają określoną masę, wyrażoną w postaci przyłożonej do nich siły i przyspieszenia uzyskanego w wyniku tego wpływu.

Zatem siły grawitacyjne są proporcjonalne do masy obiektów. Można je wyrazić liczbowo, uzyskując iloczyn mas obu rozpatrywanych ciał. Siła ta ściśle przestrzega odwrotnej zależności do kwadratu odległości między obiektami. Wszystkie inne oddziaływania zależą zupełnie inaczej od odległości pomiędzy dwoma ciałami.

Masa jako kamień węgielny teorii

Masa obiektów stała się szczególnym punktem spornym, wokół którego zbudowana jest cała współczesna teoria grawitacji i względności Einsteina. Jeśli pamiętasz Drugie, prawdopodobnie wiesz, że masa jest obowiązkową cechą każdego fizycznego ciała materialnego. Pokazuje, jak obiekt zachowa się, jeśli zostanie przyłożona do niego siła, niezależnie od jego pochodzenia.

Ponieważ wszystkie ciała (według Newtona) przyspieszają pod wpływem siły zewnętrznej, to masa określa, jak duże będzie to przyspieszenie. Spójrzmy na bardziej zrozumiały przykład. Wyobraź sobie hulajnogę i autobus: jeśli przyłożysz do nich dokładnie tę samą siłę, osiągną różną prędkość w różnym czasie. Wszystko to wyjaśnia teoria grawitacji.

Jaki jest związek pomiędzy masą a grawitacją?

Jeśli mówimy o grawitacji, to masa w tym zjawisku pełni rolę zupełnie odwrotną do tej, jaką pełni w odniesieniu do siły i przyspieszenia obiektu. To ona jest głównym źródłem samego przyciągania. Jeśli weźmiesz dwa ciała i spojrzysz na siłę, z jaką przyciągają trzeci obiekt, który znajduje się w równych odległościach od pierwszych dwóch, wówczas stosunek wszystkich sił będzie równy stosunkowi mas dwóch pierwszych obiektów. Zatem siła ciężkości jest wprost proporcjonalna do masy ciała.

Jeśli rozważymy Trzecie Prawo Newtona, zobaczymy, że mówi ono dokładnie to samo. Siła grawitacji, która działa na dwa ciała znajdujące się w równych odległościach od źródła przyciągania, zależy bezpośrednio od masy tych obiektów. W życiu codziennym mówimy o sile, z jaką ciało przyciągane jest do powierzchni planety, jako o jego ciężarze.

Podsumujmy niektóre wyniki. Zatem masa jest ściśle powiązana z przyspieszeniem. Jednocześnie to ona określa siłę, z jaką grawitacja będzie działać na ciało.

Cechy przyspieszania ciał w polu grawitacyjnym

Ta niesamowita dwoistość powoduje, że w tym samym polu grawitacyjnym przyspieszenia zupełnie różnych obiektów będą równe. Załóżmy, że mamy dwa ciała. Jednemu z nich przypiszemy masę z, a drugiemu masę Z. Oba ciała spadają na ziemię, gdzie spadają swobodnie.

Jak określa się stosunek sił przyciągania? Pokazuje to najprostszy wzór matematyczny- z/Z. Ale przyspieszenie, jakie otrzymają w wyniku siły grawitacji, będzie absolutnie takie samo. Mówiąc najprościej, przyspieszenie, jakie posiada ciało w polu grawitacyjnym, nie zależy w żaden sposób od jego właściwości.

Od czego zależy przyspieszenie w opisywanym przypadku?

Zależy to tylko (!) od masy obiektów tworzących to pole, a także od ich położenia przestrzennego. Podwójna rola masy i jednakowego przyspieszenia różnych ciał w polu grawitacyjnym jest odkrywana od stosunkowo dawna. Zjawiska te otrzymały następującą nazwę: „Zasada równoważności”. Termin ten po raz kolejny podkreśla, że ​​przyspieszenie i bezwładność są często równoważne (oczywiście do pewnego stopnia).

O znaczeniu wartości G

Ze szkolnych zajęć z fizyki pamiętamy, że przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni naszej planety (grawitacja Ziemi) wynosi 10 m/s² (oczywiście 9,8, ale tę wartość stosuje się dla uproszczenia obliczeń). Zatem jeśli nie uwzględnimy oporów powietrza (na dużej wysokości i przy niewielkiej drodze upadku), efekt uzyskamy w momencie, gdy ciało uzyska przyrost przyspieszenia o 10 m/s. co sekundę. Zatem książka, która spadła z drugiego piętra domu, pod koniec lotu będzie poruszać się z prędkością 30-40 m/s. Mówiąc najprościej, 10 m/s to „prędkość” grawitacji wewnątrz Ziemi.

Przyspieszenie grawitacyjne w literaturze fizycznej jest oznaczone literą „g”. Ponieważ kształt Ziemi bardziej przypomina mandarynkę niż kulę, wartość tej wielkości nie jest jednakowa we wszystkich jej obszarach. Zatem przyspieszenie jest większe na biegunach, a na szczytach wysokich gór staje się mniejsze.

Nawet w przemyśle wydobywczym grawitacja odgrywa ważną rolę. Fizyka tego zjawiska może czasem zaoszczędzić sporo czasu. Dlatego geolodzy są szczególnie zainteresowani idealnie dokładnym określeniem g, ponieważ pozwala to na eksplorację i lokalizację złóż minerałów z wyjątkową dokładnością. Swoją drogą, jak wygląda wzór na grawitację, w którym wielkość, którą rozważaliśmy, odgrywa ważną rolę? Oto ona:

Uważać na! W tym przypadku wzór na grawitację oznacza przez G „stałą grawitacyjną”, której znaczenie podaliśmy już powyżej.

Swego czasu Newton sformułował powyższe zasady. Doskonale rozumiał zarówno jedność, jak i uniwersalność, nie potrafił jednak opisać wszystkich aspektów tego zjawiska. Zaszczyt ten przypadł Albertowi Einsteinowi, który także potrafił wyjaśnić zasadę równoważności. To jemu ludzkość zawdzięcza współczesne zrozumienie samej natury kontinuum czasoprzestrzennego.

Teoria względności, dzieła Alberta Einsteina

W czasach Izaaka Newtona wierzono, że punkty odniesienia można przedstawić w postaci pewnego rodzaju sztywnych „prętów”, za pomocą których ustala się położenie ciała w przestrzennym układzie współrzędnych. Jednocześnie założono, że wszyscy obserwatorzy wyznaczający te współrzędne znajdą się w tej samej przestrzeni czasowej. W tamtych latach przepis ten uznawano za na tyle oczywisty, że nie próbowano go podważać ani uzupełniać. I jest to zrozumiałe, ponieważ w granicach naszej planety nie ma odchyleń tę zasadę NIE.

Einstein udowodnił, że dokładność pomiaru miałaby naprawdę znaczenie, gdyby hipotetyczny zegar poruszał się znacznie wolniej niż prędkość światła. Mówiąc najprościej, jeśli jeden obserwator, poruszając się wolniej niż prędkość światła, śledzi dwa zdarzenia, to wydarzą się one dla niego w tym samym czasie. Odpowiednio, dla drugiego obserwatora? których prędkość jest taka sama lub większa, zdarzenia mogą wystąpić w różnym czasie.

Ale jaki związek ma grawitacja z teorią względności? Przyjrzyjmy się temu pytaniu szczegółowo.

Związek teorii względności z siłami grawitacyjnymi

W ostatnie lata zrobiony ogromna ilość odkrycia w dziedzinie cząstek subatomowych. Coraz silniejsze jest przekonanie, że wkrótce odnajdziemy ostatnią cząstkę, poza którą nasz świat nie może się rozdrobnić. Tym bardziej nagląca staje się potrzeba dokładnego zbadania, w jaki sposób na najmniejsze „elementy składowe” naszego wszechświata wpływają te podstawowe siły, które odkryto w ubiegłym stuleciu, a nawet wcześniej. Szczególnie rozczarowujące jest to, że sama natura grawitacji nie została jeszcze wyjaśniona.

Dlatego po Einsteinie, który stwierdził „niekompetencję” mechaniki klasycznej Newtona w rozpatrywanym obszarze, badacze skupili się na całkowitym ponownym przemyśleniu uzyskanych wcześniej danych. Sama grawitacja przeszła poważną rewizję. Co to jest na poziomie cząstek subatomowych? Czy ma to jakieś znaczenie w tym niesamowitym wielowymiarowym świecie?

Proste rozwiązanie?

Początkowo wielu zakładało, że rozbieżność między grawitacją Newtona a teorią względności można wyjaśnić po prostu poprzez analogie z dziedziny elektrodynamiki. Można założyć, że pole grawitacyjne rozchodzi się jak pole magnetyczne, po czym można je uznać za „mediatora” w oddziaływaniach ciał niebieskich, wyjaśniającego wiele niespójności pomiędzy starą i nową teorią. Faktem jest, że wówczas względne prędkości propagacji omawianych sił byłyby znacznie mniejsze od prędkości światła. Jak więc grawitacja i czas są ze sobą powiązane?

W zasadzie samemu Einsteinowi prawie udało się skonstruować teorię relatywistyczną opartą właśnie na takich poglądach, ale tylko jedna okoliczność przeszkodziła mu w realizacji tego zamiaru. Żaden z ówczesnych naukowców nie posiadał żadnych informacji, które mogłyby pomóc w określeniu „prędkości” grawitacji. Ale było wiele informacji związanych z ruchami dużych mas. Jak wiadomo, były one właśnie ogólnie przyjętym źródłem pojawienia się potężnych pól grawitacyjnych.

Wysokie prędkości znacznie wpływają na masy ciał i w niczym nie przypomina to interakcji prędkości i ładunku. Im większa prędkość, tym większa masa ciała. Problem w tym, że ostatnia wartość automatycznie stałaby się nieskończona, gdyby poruszała się z prędkością światła lub większą. Dlatego Einstein doszedł do wniosku, że nie istnieje pole grawitacyjne, ale pole tensorowe, aby opisać, jakich znacznie więcej zmiennych należy użyć.

Jego zwolennicy doszli do wniosku, że grawitacja i czas są praktycznie niezwiązane. Faktem jest, że samo to pole tensorowe może oddziaływać na przestrzeń, ale nie jest w stanie wpływać na czas. Jednak genialny współczesny fizyk Stephen Hawking ma inny punkt widzenia. Ale to zupełnie inna historia...

Teorie grawitacji alternatywne do ogólnej teorii względności

Nic nie sprawia, że ​​nasze życie jest takie

przyjemne, bo nieuniknione

alternatywny.

Mądrość ludowa

Wszystko płynie, wszystko się zmienia. Był czas, kiedy wydawało się, że nie trzeba marzyć o lepszej teorii grawitacji niż teoria Newtona. Ale krok po kroku ogólna teoria względności „zajęła swoje miejsce w Słońcu”. Do jej setnych urodzin pozostało zaledwie kilka lat. Jaki jest jego status teraz? Bez wątpienia Ogólna Teoria Względności jest najpopularniejszą teorią grawitacji, przede wszystkim w astrofizyce i kosmologii. Teoria budowy i ewolucji gwiazd, zwłaszcza na końcowe etapy; efekty na powierzchni obiektów zwartych i bardzo gęstych; modele kosmologiczne w różne epoki ewolucji i wielu innych rzeczy nie można w zadowalający sposób obliczyć bez zastosowania ogólnej teorii względności. W oparciu o efekty przewidywane przez Ogólną Teorię Względności powstają całe obszary badań - poszukiwanie fal grawitacyjnych, badanie soczewek grawitacyjnych itp. Będąc częścią fizyki teoretycznej, Ogólna Teoria Względności jest również wykorzystywana w wielu badaniach podstawowych.

Faktycznie, zaraz po potwierdzeniu klasycznymi testami, ogólna teoria względności zyskała niespotykaną dotąd popularność. Ale oczywiście mierząc odchylenie promienia światła od odległej gwiazdy w polu grawitacyjnym Słońca, przemieszczenie peryheliów planet w Układzie Słonecznym, a także czerwone przesunięcie grawitacyjne w polu ziemskim, sprawa się nie zakończyła i nie mogła zakończyć. Od czasu ukończenia projektu w 1915 r. zarówno podstawowe zasady, jak i równania są stale testowane i ponownie testowane z coraz większą precyzją. Nie uzyskano jednak żadnych wyników sprzecznych z ogólną teorią względności. Co więcej, od dawna jest używany w celów praktycznych, takie jak obliczanie orbit satelitów, planet i trajektorii pojazdów międzyplanetarnych.

Można powiedzieć, że efekty ogólnej teorii względności są już wykorzystywane w życiu codziennym: do zwiększania dokładności systemów nawigacji i śledzenia, takich jak GPS. Na orbicie na wysokości 20 000 km stale krąży od 24 do 27 satelitów. Aby poprawić dokładność, wykorzystuje się sygnały z kilku satelitów wymieniających sygnały z urządzeniami na Ziemi. Wymaga to ścisłej synchronizacji zegarów we wszystkich lokalizacjach. Okazuje się, że dokładność zegarów atomowych nie jest wystarczająca. Należy wziąć pod uwagę spowolnienie zegara, które zgodnie z ogólną teorią względności zachodzi w polu grawitacyjnym Ziemi. Innymi słowy, ten sam zegar na Ziemi działa wolniej niż na orbicie. Dla wysokości 20 000 km różnica ta wynosi 38 μs dziennie i będzie prowadzić do błędu w określeniu odległości do 10 m. Aby zrekompensować ten efekt, prędkość zegara „zgodnie z paszportem” na orbicie jest bardziej dostosowywana powoli. Jeśli zostaną obniżone z orbity i umieszczone obok tych na Ziemi, będą opóźnione o 38 mikrosekund dziennie.

Do tej pory nasza prezentacja faktycznie pokazała sukcesy GTR i wydawać by się mogło, że w związku z tym różowym obrazem, poza GTR, nie brano pod uwagę innych teorii, nie zaproponowano nic innego, albo wszystko „nieeinsteinowskie” zostało całkowicie odrzucone na bok . Zupełnie nie. Działania mające na celu stworzenie teorii grawitacji były i pozostają bardzo energiczne. Rozwój teorii oraz ich aktywne i wszechstronne testowanie szły ramię w ramię przez cały XX wiek i później.

Większość testów można podzielić na specjalne klasy zaproponowane przez amerykańskiego relatywistę Clifforda Willa w 2001 roku:

Najprostsze powody.

Zasada równoważności Einsteina.

Sparametryzowany formalizm postnewtonowski.

O zgodności z dwiema ostatnimi klasami porozmawiamy poniżej, ale teraz porozmawiajmy o tym, jakie są „najprostsze podstawy”?

Na początku lat 70. grupa naukowców z California Institute of Technology, pod przewodnictwem ideologa projektu LIGO, profesora Kipa Thorne’a, a także Clifforda Willa i tajwańskiego fizyka Wei-Tou Ni, sporządziła listę teorii grawitacji XX wieku. Dla każdej teorii zadawano następujące pytania dotyczące problemu najprostszych fundamentów:

Czy teoria jest spójna?

Czy jest kompletny?

Czy jest ona zgodna, w granicach kilku odchyleń standardowych, ze wszystkimi dotychczasowymi eksperymentami?

Kryterium „zgodności ze wszystkimi dotychczasowymi eksperymentami” zastępowano często kryterium „zgodności z większością konsekwencji mechaniki Newtona i szczególnej teorii względności”.

Wewnętrzna spójność teorii niemetrycznych obejmuje m.in. wymagania, aby ich rozwiązania nie zawierały tachionów, hipotetycznych cząstek poruszających się z prędkościami większymi od światła; brak problemów w zachowaniu pól w nieskończoności itp.

Aby teoria grawitacji była kompletna, musi być w stanie opisać wyniki dowolnego możliwego eksperymentu i musi być spójna z innymi teoriami fizycznymi potwierdzonymi eksperymentalnie. Na przykład każda teoria, która nie jest w stanie przewidzieć na podstawie pierwszych zasad ruchu planet lub zachowania zegarów atomowych, jest niekompletna.

Przykładem niekompletnej i niespójnej teorii jest teoria grawitacji Newtona w połączeniu z równaniami Maxwella. W takiej teorii światło (podobnie jak fotony) jest odchylane przez pole grawitacyjne (aczkolwiek o połowę słabsze niż w ogólnej teorii względności), ale światło (podobnie jak fale elektromagnetyczne) nie.

Jeśli teoria nie spełniała tych kryteriów, to jednak nie spieszyli się z jej odrzuceniem. Jeśli teoria była niekompletna w swoich podstawach, grupa próbowała ją uzupełnić niewielkimi zmianami, zwykle redukując teorię w przypadku braku grawitacji do szczególnej teorii względności. Dopiero po tym zapadła decyzja, czy warto się nad tym głębiej zastanawiać. W latach 70. na uwagę zasługiwało kilkadziesiąt teorii. Trudno powiedzieć, ale w ciągu ostatnich dwóch, trzech dekad ich liczba mogła osiągnąć setkę lub więcej. Wszystko zależy od odpowiedzi na pytanie, co uważa się za jedną teorię, a co za klasę teorii. Dlatego selekcja według różnych kryteriów prowadzona jest teraz i z jeszcze większą pasją. Jest to niezwykle ważne, ponieważ istnieją przesłanki, że w nadchodzących dziesięcioleciach, czy to w małej, czy w dużej skali, albo jednocześnie, ogólna teoria względności ulegnie zmianie.

Weryfikacja ogólnej teorii względności w skali układów planetarnych

Przypomnijmy teraz, że podstawą GTR jako teorii metrycznej jest zasada równoważności i postulat ruchu wzdłuż geodezji. Wiadomo, że zasady te, jeśli zostaną ustalone z absolutną dokładnością, spełniają jedynie teorie „czysto” metryczne (z niewielkimi zastrzeżeniami), czyli teorie, w których pole grawitacyjne jest reprezentowane jedynie przez tensor metryczny. Okazuje się, że ogólna teoria względności jest tylko najprostsza opcja teoria metryki. Nie naruszając w żaden sposób tych podstaw, można sobie wyobrazić niezliczoną (bez przesady) różnorodność teorii metrycznych. Jak zatem można zmienić teorię? Co w tym przypadku jest do ogarnięcia? Oczywiście tylko eksperyment i obserwacja mogą wszystko ułożyć na swoim miejscu. Ale klasyfikacja alternatywnych propozycji wymaga własnej strategii.

Prace nad standardowym formalizmem do testowania alternatywnych modeli grawitacji rozpoczął w 1922 roku Arthur Eddington (1882–1944). Udoskonalanie tego formalizmu w taki czy inny sposób trwało przez dziesięciolecia, a amerykańscy fizycy Clifford Will i Kenneth Nordvedt ukończyli prace w 1972 roku. Zaproponowali tzw. sparametryzowany formalizm postnewtonowski (PPN). Jest przeznaczony dla teorii czysto metrycznych lub z efektywną metryką reprezentującą zakrzywioną czasoprzestrzeń, w której zachodzą interakcje fizyczne. Uwzględniane są jedynie odchylenia od mechaniki Newtona, więc formalizm ma zastosowanie tylko w słabych polach. Ogólnie istnieje 10 parametrów PPN. W przypadku ogólnej teorii względności 2 z nich są równe jeden, a pozostałych 8 jest równych zero.

W jaki sposób formalizm PPN jest przydatny w sprawdzaniu ogólnej teorii względności? Nowe technologie umożliwiają dość dokładne śledzenie ruchów ciał niebieskich, a współczesny standardowy test działa w następujący sposób. Korzystając z ogólnych równań teorii względności, w formie PPN obliczane są trajektorie ciał Układu Słonecznego. Ten typ okazuje się najbardziej konstruktywny. Następnie porównuje się je z danymi obserwacyjnymi. Współczesny wynik jest taki, że zgodność teoretycznych parametrów PPN ogólnej teorii względności z obserwowanymi potwierdza się z dokładnością do dziesiątych do setnych procenta - jest to bardzo duża dokładność.

Inny dokładne testy- są to obserwacje podwójnych pulsarów: obecnie znanych jest kilkanaście układów składających się z dwóch gwiazd neutronowych; Oprócz tego istnieją układy składające się z pulsara radiowego i białego karła, one również nadają się do testów. Na podstawie tych obserwacji obliczane są parametry orbity. Okazuje się, że odchylenia od wartości Keplera pokrywają się z odchyleniami przewidywanymi przez Ogólną Teorię Względności, również z dokładnością do dziesiątych i setnych procenta. Eksperci są bardzo optymistyczni, jeśli chodzi o perspektywy zwiększenia dokładności badania podwójnych pulsarów. Opiera się ona na fakcie, że gwiazdy neutronowe mają rozmiary dziesiątek kilometrów w układach o orbitach o rozmiarach milionów kilometrów. W takich układach gwiazdy są w rzeczywistości obiektami punktowymi. Ich struktura wewnętrzna, ruchy wewnętrzne, a także odkształcenia nie mają praktycznie żadnego wpływu na trajektorie. Natomiast w Układzie Słonecznym wszystkie te czynniki, a także wpływ licznych „sąsiadów”, znacząco ograniczają poprawę dokładności. Podsumowując, można powiedzieć, że w skali układów planetarnych ogólna teoria względności została potwierdzona z dużą dokładnością, a dokładność pomiarów będzie wzrastać.

Konieczność modyfikacji GTO

Najpierw musimy zmienić swoje życie,

po przerobieniu możesz śpiewać.

Władimir Majakowski

Jednak badania nad tworzeniem alternatywnych teorii ogólnej teorii względności, głównie metrycznych, nie kończą się. Dlaczego? Jak już powiedziano, ogólna teoria względności została dobrze potwierdzona w skali Układu Słonecznego. Testowanie teorii w większej lub mniejszej skali jest znacznie trudniejsze. Ogólna teoria względności, jak każda inna teoria, jest jedynie modelem opisującym rzeczywiste zjawiska. Dlatego rzeczywista natura może pokrywać się z przewidywaniami ogólnej teorii względności w skali układów planetarnych, ale różnić się w innych skalach.

Jednocześnie wiele współczesnych danych teoretycznych i empirycznych sugeruje, że tak właśnie powinno być i konieczne są modyfikacje. Na przykład w wielu rozwiązaniach ogólnej teorii względności konieczne jest uwzględnienie silnych pól grawitacyjnych, ogromnych gęstości itp. A to wymaga kwantyzacji pola grawitacyjnego. Mimo znacznych wysiłków nie udało się osiągnąć zdecydowanego sukcesu na tym polu. Sugeruje to, że w małych skalach, gdzie wymagana jest kwantyzacja, należy zmodyfikować teorię grawitacji. Z drugiej strony wielu czołowych ekspertów skłonnych jest interpretować niedawne odkrycie przyspieszonej ekspansji Wszechświata jako efekt geometryczny, który można „uzyskać” modyfikując ogólną teorię względności w skalach kosmologicznych. Niezależnie od tego wyniki badań z zakresu fizyki oddziaływań fundamentalnych prowadzą do konieczności zmian w ogólnej teorii względności w dużej i małej skali.

Jeśli chodzi o realne teorie, nie ma ustalonego rozróżnienia terminologicznego na teorie alternatywne, zmodyfikowane lub nowe. Wszystkie one w taki czy inny sposób rozwijają ogólną teorię względności, ponieważ nie mogą działać gorzej w skalach, w których jest to potwierdzone. Opracowując modyfikacje ogólnej teorii względności lub nowe teorie, autorzy porównują je z ogólną teorią względności w odpowiednich reżimach w taki sam sposób, w jaki ogólną teorię względności porównuje się z grawitacją Newtona. Jeśli ktoś chce, trzeba spełnić tę samą zasadę korespondencji, tyle że na nowym etapie poznania.

Obecnie na wielu konferencjach poświęconych teorii grawitacji całe sekcje poświęcone są uogólnionym (lub alternatywnym) teoriom, publikowane są osobne zbiory na ten temat, a niektóre teorie stają się coraz bardziej niezależne. Jakie są najpopularniejsze i najbardziej obiecujące kierunki tego rozwoju?

Po pierwsze, GTR jest teorią czysto metryczną (lub czysto tensorową). Oznacza to, że geometria czasoprzestrzeni i materii wpływają na siebie bez pośredników. Istnieje nieskończona liczba takich teorii, które można skonstruować (o czym już mówiliśmy) i są one aktywnie rozwijane. Z reguły równania tych teorii różnią się od równań ogólnej teorii względności tym, że są uzupełnione wyrazami kwadratowymi i wyższymi rzędami dotyczącymi krzywizny. Terminy dodatkowe zwykle wprowadzane są z małymi współczynnikami, które zapewniają zgodność z obserwacjami, powiedzmy, w skali układów planetarnych, ale znacząco zmieniają rozwiązania w skalach kosmologicznych.

Inna klasa teorii alternatywnych charakteryzuje się tym, że wzajemne oddziaływanie geometrii i materii odbywa się poprzez dodatkowe pole, najczęściej pole skalarne lub wektorowe. Jednakże udział tych dziedzin może nie być znaczący. Odchylenie współczesnych teorii alternatywnych od ogólnej teorii względności należy wyrazić różnicą odpowiednich parametrów PPN. Aby ocenić zasadność teorii odmiennej od GTR (w celu jej przetestowania), należy zarejestrować odchylenia od wartości parametrów PPN w GTR na poziomie 10–6–10–8. Oznacza to, że dokładność pomiarów, zarówno w Układzie Słonecznym, jak i w pulsarach podwójnych, musi zostać poprawiona o 1–3 rzędy wielkości.

Teoria grawitacji Horzavy

Teoria ta jest jedną z odmian wektorowo-tensorowych teorii grawitacji i jest obecnie być może najpopularniejszą. Dlatego o niej mówimy. Teorię zaproponował w 2009 roku amerykański „teoretyk strun” Czeskie pochodzenie Piotr Horżawa. Różni się nieco od konwencjonalnych teorii tensora wektorowego, ponieważ zamiast pola wektorowego wykorzystuje gradient skalarny. Z jednej strony zachowane są właściwości teorii wektorowych, z drugiej strony istnieją same w sobie specyficzne, użyteczne właściwości.

Pamiętajmy jeszcze raz, że konsekwentni teoria kwantowa Nie było możliwe stworzenie grawitacji, w której nie byłoby rozbieżności na podstawie ogólnej teorii względności. Dlatego proponowane są różne modyfikacje, które w skalach kwantowych znacznie odbiegają od ogólnej teorii względności i stają się „nadające się” do kwantyzacji. Aby to zrobić, podczas ich konstruowania zmieniają się niektóre zasady leżące u podstaw ogólnej teorii względności, tj. okazują się łamane. Oczywiście to naruszenie musi być na tyle małe, aby nie zaprzeczało badaniom laboratoryjnym i aby wpływ teorii na skalę układów planetarnych, tam gdzie jest dobra zgodność z obserwacjami, nie uległ zmianie. Dokładnie taka jest teoria Horzhavy. Nie będziemy Wam mówić, jak niezwykłe jest to w sensie kwantyzacji, to trochę na marginesie tematu książki, ale opowiemy o jego właściwościach jako teorii grawitacji – jak i jak różnią się one od podobnych właściwości Ogólnego Względność.

Niezmienniczość Lorentza. Omawialiśmy już fakt, że ogólna teoria względności niejako „wyrosła” ze szczególnej teorii względności - mechaniki dużych prędkości porównywalnych z prędkością światła. Przypomnijmy, że w SRT wszystkie inercyjne układy odniesienia poruszające się względem siebie ruchem jednostajnym i prostoliniowym są równoważne. Należy pamiętać o pomiarze czasu w SRT. W każdej inercyjnej ramce odniesienia zegar działa we własnym tempie, różniącym się od częstotliwości taktowania innych porównywanych klatek. Jednakże nie można wybrać ani „najlepszego”, ani „najgorszego” tempa, jeśli zegary są strukturalnie identyczne. Oznacza to, że czas właściwy każdego układu inercjalnego jest równy w stosunku do pozostałych. Oznacza to, że w SRT nie ma dedykowanego upływu czasu.

Powiedzieliśmy również, że w języku geometrycznym niezmienność STR przy przejściu z jednego inercjalnego układu odniesienia do drugiego jest równoważna niezmienności w przypadku rotacji Lorentza w płaskiej czasoprzestrzeni. W ogólnej teorii względności, w związku z „włączeniem” grawitacji i co za tym idzie zakrzywieniem czasoprzestrzeni, niemożliwa jest już niezmienniczość Lorentza w całej czasoprzestrzeni. Niemniej jednak ogólna teoria względności pozostaje niezmienna Lorentza lokalnie, to znaczy w małym sąsiedztwie każdego obserwatora. Ta niezmienność jest jedną z zasad leżących u podstaw GTR i jest powiązana z zasadą zgodności pomiędzy GTR i SRT.

Teoria chronometryczna. W wielu modyfikacjach ogólnej teorii względności naruszana jest lokalna niezmienność Lorentza. Wśród nich jest teoria Horzhavy. Ostatnio szczególną popularnością cieszy się jedna z jego implementacji, tzw. „realna” („zdrowa”) wersja nieprojekcyjna, opracowana przez amerykańskich fizyków Diego Blasa i Oriola Pujolasa oraz naszego rodaka Siergieja Sibiriakowa. Efekty omówione poniżej odnoszą się głównie do tej modyfikacji ogólnej teorii względności.

Czym więc teoria Horzhavy różni się od ogólnej teorii względności? Oprócz wszystkich zwykłych dziedzin ogólnej teorii względności dodawane jest pole skalarne φ, ale nie w zwykły sposób. Kierunek jego zmiany w czasoprzestrzeni wyznacza specjalnie wybrany kierunek czasu, dlatego pole skalarne nazywane jest polem chrononowym. Wtedy powierzchnie o stałych wartościach pola skalarnego są powierzchniami o stałym czasie, czyli „jednoczesności”. Pole skalarne wchodzi do równań tylko poprzez pochodne, dlatego nie należy bać się nieskończonych wartości pola chrononowego. Istotna jest tylko jej zmiana, a nie jej wartości. Ponieważ istnieje wybrany kierunek w czasoprzestrzeni, istnieją wybrane układy odniesienia. Nie jest to charakterystyczne ani dla STR, ani GTR, ale jest charakterystyczne dla teorii tensora wektorowego. Dla jasności podamy prosty przykład „zabawki”. Jednym z rozwiązań nowej teorii jest płaska czasoprzestrzeń (jak w STR) plus pole chrononowe, które okazuje się być właśnie czasem, φ = t. W STR możemy poruszać się za pomocą transformacji Lorentza z jednego układu współrzędnych x, t do innego x", t", gdzie czas płynie inaczej. W nowej teorii nie możemy, gdyż wartość pola skalarnego nie zmienia się podczas transformacji współrzędnych, a jest to czas. Zatem tutaj, w przeciwieństwie do stacji paliw, znajduje się zegar odliczający przydzielony czas.

Ponieważ w ogólnej teorii względności pole grawitacyjne jest polem metryki czasoprzestrzeni, jasne jest, dlaczego nową teorię nazywa się chronometryczną. Dopuszczalne ograniczenia parametrów teorii chronometrycznej pozwalają uniknąć rozbieżności podczas kwantyzacji. Powtórzmy raz jeszcze: taki był główny cel jego budowy. Ale to teoretyczny sukces, a obecnie prawie niemożliwe jest przetestowanie efektów kwantowych tego poziomu.

Nowa teoria musi jednak zmienić się także w przypadku klasycznych (niekwantowych) przejawów. A to pozwala udowodnić lub obalić jego prawo do istnienia. Następnie pokażemy, w jakich zjawiskach klasycznych i jak bardzo teoria chronometryczna różni się od ogólnej teorii względności, czy efekty nowej teorii można zidentyfikować w obserwacjach i zilustrujemy różnicę dla niektórych modeli teoretycznych. Aby to zrobić, omówimy najbardziej uderzające, naszym zdaniem, przykłady.

Promieniowanie fal grawitacyjnych. Pamiętajmy, że fala grawitacyjna w ogólnej teorii względności jest poprzeczna, tensorowa, ma dwie polaryzacje i rozchodzi się z prędkością światła. Fale grawitacyjne istnieją również w teorii Horzavy. Jednakże oprócz dwóch wspomnianych już polaryzacji tensora istnieje skalarny stopień swobody. Oznacza to, że pod wpływem takiej fali do ruchu cząstek testowych dodane zostaną przemieszczenia podłużne (w kierunku propagacji fali). Ważne jest to, że składowa tensorowa i skalarna mają różne prędkości propagacji. Poza tym obie prędkości, w zależności od parametrów modelu Horzhava, muszą przekraczać (!) prędkość światła, choć tylko nieznacznie. Te różnice w stosunku do ogólnej teorii względności są interesujące, ale niestety na razie tylko teoretyczne. Nadal nie ma bezpośredniej detekcji fal grawitacyjnych, więc zarejestrowanie zauważonych różnic wydaje się kwestią odległej przyszłości.

Niemniej jednak istnieje pośrednie potwierdzenie istnienia promieniowania grawitacyjnego. Są to obserwacje podwójnych pulsarów, zmniejszenie rozmiaru ich orbit wskazuje na utratę energii na skutek promieniowania fal grawitacyjnych. Efekt ten jest zgodny z ogólną teorią względności ze względną dokładnością 10-2, jak już omawialiśmy. Ale przewidywania ogólnej teorii względności i teorii Horzhava są różne. Dlatego też, jeśli to drugie jest wykonalne, istnieje szansa, że ​​dalszy wzrost dokładności ujawni te różnice i wyjaśni parametry nowej teorii.

Interakcja cząstek. Natychmiastowa akcja. Teraz w teorii chronometrycznej rozważymy oddziaływanie pola grawitacyjnego z materią. Omówimy tylko pierwsze (liniowe) przybliżenie, które może być dostępne dla obserwacji. W tej kolejności efekty związane z naruszeniem niezmienności Lorentza są tłumione z powodu różne powody, ale pole chrononowe jest obecne, jest ono uwzględniane w sposób niezmienniczy Lorentza w tak zwanej metryce efektywnej. Oznacza to, że metryka GTR ulega modyfikacji i materia rozchodzi się nie w pierwotnej czasoprzestrzeni, ale w jakiejś efektywnej czasoprzestrzeni i to w sposób uniwersalny. Być może w przyszłości to właśnie ta interakcja pozwoli nam odkryć klasyczne zjawiska reprezentowane przez teorię chronometryczną.

W przybliżeniu słabych pól i małych prędkości grawitacja newtonowska powinna stać się granicą teorii grawitacji. W tym ostatnim oddziaływanie dwóch cząstek reprezentuje słynne prawo Newtona, gdzie siła jest proporcjonalna do mas, stała grawitacji jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości, ale nie zależy od prędkości tych cząstek. Obecność pola chrononu zmienia i uzupełnia to prawo w następujący sposób. Stała grawitacyjna zmienia się nieznacznie, teraz nazywa się ją efektywną i pojawia się zależność od prędkości. Możliwość wykrycia tych efektów jest określona przez stałe sprzężenia teorii chronometrycznej.

Wpływ pola chrononowego objawia się także tym, że niektóre oddziaływania mogą propagować się natychmiastowo (!), czyli z nieskończoną prędkością. Jak wyciągnięto taki wniosek? Zazwyczaj równania na zaburzenia zawierają operator falowy, który składa się z dwóch części: przestrzennej i czasowej. Odwrotnością współczynnika drugiej części jest kwadrat prędkości propagacji zaburzeń. Całkowity brak drugiej części oznacza, że ​​prędkość ta jest nieskończona. Część równań teorii Horżavy ma właśnie taką strukturę. W tym miejscu wypada dokonać analogii z teorią Newtona. W nim, podobnie jak w teorii chronometrii, uwypukla się upływ czasu („czas absolutny”) i natychmiastowo rozprzestrzenia się oddziaływanie grawitacyjne.

Ryż. 1. Zdarzenia przyczynowo powiązane w teorii SRT i Horzhavy

Jak sobie wyobrazić błyskawiczną dystrybucję? Wyobraźmy sobie powierzchnię o stałym czasie, wówczas sygnał rozchodzący się na niej (czyli bez zmiany czasu) natychmiast pokonuje dowolną odległość. Jest to niedopuszczalne w takich teoriach relatywistycznych jak STR czy GTR. Spójrzmy na diagram na ryc. 1. Rozważmy trzy punkty w przestrzeni: A, B i C. W chwili t = 0 punkty te odpowiadają zdarzeniom A0, B0, C0, które w ramach SRT nie są ze sobą powiązane przyczynowo. Dopiero w chwili t1 zdarzenie A0 zostaje powiązane przyczynowo ze zdarzeniem B1 w punkcie B, a w chwili t2 ze zdarzeniem C2 w punkcie C. Tak jak powinno być w SRT (czyli ogólnej teorii względności), propagacja sygnałów jest ściśle powiązane i ograniczone stożkami świetlnymi. W teorii Horjavy może to nie dotyczyć niektórych interakcji. Natychmiastowa propagacja oznacza, że ​​wszystkie trzy zdarzenia A0, B0, C0 w chwili t = 0 nastąpiły w wyniku jednego natychmiastowo rozchodzącego się sygnału, czyli mogą być ze sobą powiązane przyczynowo. Taka „fantastyczna” możliwość nie ogranicza jednak w sposób zdecydowany teorii chronometrycznej. Odrębność kierunku czasu sprawia, że ​​pojęcie jednoczesności jest jednoznacznie zdefiniowane, zatem nie ma problemów z przyczynowością, nawet tak egzotyczną.

Układ Słoneczny. Aby przetestować dowolną teorię grawitacji podczas pomiaru ruchów w układzie planetarnym, stosuje się formalizm PPN. Jak w każdej teorii wektorów, teoria Horjavy musi zawierać efekty uprzywilejowanego układu odniesienia. Prowadzi to do tego, że parametry PPN grupy α okazują się niezerowe. Rzeczywiście, oprócz dwóch parametrów PPN właściwych ogólnej teorii względności, teoria chronometryczna ma jeszcze dwa: α1 i α2. Aby uniknąć sprzeczności z obserwacjami, muszą one być odpowiednio małe: α1 ≤ 10-4 i α2 ≤ 10-7 Poczekamy na wzrost dokładności pomiarów, wtedy być może istnienie α1 i α2 (a co za tym idzie teoria Horzhavy) sprawi, że zostać potwierdzone lub obalone.

Czarne dziury. W ogólnej teorii względności czarna dziura to obiekt, którego centralna część, zwykle pojedyncza, jest otoczona kulistą powierzchnią zwaną horyzontem zdarzeń. Jego obecność wynika z faktu, że w ogólnej teorii względności istnieje prędkość graniczna - jest to prędkość światła. Główną właściwością czarnej dziury jest to, że zgodnie z ogólną teorią względności żadna cząstka, żadne pole, ani nawet sygnał świetlny nie może jej opuścić, czyli wyjść poza horyzont zdarzeń.

W teorii chronometrii istnieją również rozwiązania opisujące obiekty takie jak czarne dziury. Pamiętajmy jednak, że w tej teorii nie ma prędkości granicznej; oddziaływania mogą rozchodzić się z prędkością większą od prędkości światła, a nawet natychmiastowo. Gdyby taka możliwość istniała w ogólnej teorii względności, wówczas samo pojęcie horyzontu zdarzeń straciłoby na znaczeniu, ponieważ możliwe stałoby się opuszczenie obiektu znajdującego się zarówno na horyzoncie zdarzeń, jak i pod nim. W tym przypadku pojawiają się sprzeczności związane z termodynamiką układu, takie jak spadek entropii. Obecnie nie są znane wszystkie rozwiązania czarnych dziur w teorii Horzavy ze względu na jej młodość, ale wśród znanych są takie, które pozwalają uniknąć tych komplikacji. Okazuje się, że w czarnej dziurze w ramach teorii chronometrycznej może istnieć tzw. horyzont uniwersalny. Leży poniżej horyzontu zdarzeń („bliżej” osobliwości) i jest niezwykły, ponieważ stałe powierzchnie czasowe poniżej go nie przecinają. Oznacza to, że spod tego pośredniego horyzontu nie może wyjść sygnał o nawet nieskończonej prędkości (chwilowej). I dla takich obiektów powyższe sprzeczności zostają usunięte.

Na ryc. Rysunek 2 przedstawia tak zwany diagram Penrose'a czarnej dziury Schwarzschilda. Punkty i– i i+ reprezentują całą czasową nieskończoność przeszłości i całą czasową nieskończoność przyszłości, punkt i0 jednoczy całą przestrzenną nieskończoność. Linia Bi+ to horyzont zdarzeń czarnej dziury Schwarzschilda - można to zobaczyć na podstawie położenia stożków świetlnych. Rzeczywiście, kwadrat Bi+i0i– to cała zewnętrzna czasoprzestrzeń poza horyzontem zdarzeń, podczas gdy trójkąt i+Bi+ to czasoprzestrzeń poniżej horyzontu zdarzeń, skąd sygnał nie może przejść do obszaru zewnętrznego i gdzie linia przerywana to osobliwość r = 0. Na diagramie dziur Schwarzschilda nałożony jest diagram czarnej dziury z teorii chronometrycznej. Wszystkie krzywe łączące i0 i i+ są odcinkami pola stałego chrononu j = const, to samo, stały czas (jednoczesność). Gruby łuk to ten sam uniwersalny horyzont ζ= ζ+, poniżej niego, bliżej osobliwości, łuki i+ i+ łączące końce linii łamanej również są odcinkami czasu stałego (jednoczesności). Oczywiste jest, że jeśli sygnał w teorii chronometrycznej rozchodzi się nawet natychmiastowo, to znaczy wzdłuż przekrojów jednoczesności, to nie będzie w stanie przekroczyć uniwersalnego horyzontu i opuścić chronometrycznej czarnej dziury.

Ryż. 2. Schemat chronometrycznej czarnej dziury

Kosmologia. W skali Wszechświata teoria Horzhava również ma szansę zadeklarować swoją żywotność. Omówmy rozwiązania kosmologiczne w nowej teorii. Będą one w przybliżeniu takie same jak w ogólnej teorii względności, z tą różnicą, że zamiast zwykłej stałej grawitacyjnej G pojawi się efektywna stała grawitacyjna GE. Przypomnijmy sobie teraz zmodyfikowane prawo Newtona omówione powyżej. Pojawia się własna efektywna stała grawitacyjna, różna od G, oznaczmy ją GI. Szacunki dotyczą różnicy: |GI - GE | ≤ 0,1.

Nie ma zakazu, aby w przyszłości wyznaczona została istotna wartość tej różnicy, ale możliwe jest również jej wykluczenie.

W oparciu o ogólną teorię względności opracowano teorię zaburzeń kosmologicznych, która jest dobrze zgodna z obserwacjami. Pozwala na przykład wyjaśnić budowę, czyli rozmieszczenie galaktyk i ich gromad w obserwowalnym obszarze Wszechświata. Niemniej jednak, jeśli wraz ze wzrostem dokładności obserwacji odkryta zostanie, powiedzmy, anizotropia nieprzewidziana przez ogólną teorię względności, wówczas jest to powód, aby zwrócić się do teorii Horzhavy. Teoria Chorżawy jest na tyle młoda, że ​​jest mało prawdopodobne, aby ona sama i wnioski z niej wyciągnięte można było uznać za ustalone i powszechnie akceptowane. Mimo to zarówno teoria jako całość, jak i wnioski są bardzo intrygujące i ważne.

Modele wielowymiarowe

W ciągu ostatniego stulecia konstruowano różne teorie grawitacji, w ten czy inny sposób, jako teorie niezależne, to znaczy „od dołu”. W ostatnich dziesięcioleciach sytuacja uległa zmianie: konstruowanie teorii grawitacji jest stymulowane rozwojem teorii fundamentalnych, wchodzą w ich skład różne modele grawitacji i „krystalizują się” w granicach tych teorii. Oznacza to, że ich stworzenie pochodzi „z góry”. Jako pretendenci do „teorii wszystkiego” do teorii fundamentalnych zalicza się grawitację.

„Teoria wszystkiego” musi działać w najbardziej fantastycznych warunkach, w tym w energiach Plancka. Wtedy wszystkie interakcje działają jak jedna. Dlatego konstruowanie takich teorii jest w pewnym stopniu ekstrapolacją. I przejście od teorii, która jak najbardziej się sprawdza warunki ogólne, do warunków naszego świata będzie jego przybliżenie, które nazywamy niskoenergetycznym. Przynajmniej efekty obserwacyjne w „przybliżonej teorii wszystkiego” powinny mieć miejsce w świecie, który obserwujemy. „Grawitacyjna część teorii wszystkiego” w limicie niskiej energii przyjmuje postać, którą znamy i musi przejść wszystkie testy, które przeszła ogólna teoria względności. Należy pamiętać, że niektóre wersje „teorii wszystkiego” w limicie niskiej energii zawierają GTR dokładnie jako część grawitacyjną.

Ważną właściwością teorii fundamentalnych jest to, że z reguły zarówno w skalach kosmologicznych, jak i w skalach mikroświata używany jest wymiar czasoprzestrzenny większy niż 4. Pojęcie przestrzeni wielowymiarowej jest konieczne na przykład w teorii superstrun, która jest ogólnie przyjęta, stanowi najbardziej obiecującą teorię wysokich energii, która łączy grawitację kwantową i teorię tzw. pól cechowania. Niskoenergetyczne implikacje tej teorii wymagają na przykład (9+1)-wymiarowej podstawowej czasoprzestrzeni (czasami (10+1)-wymiarowej), podczas gdy inne wymiary są zabronione.

Ale jak to możliwe, skoro odczuwamy tylko 3 wymiary przestrzenne i jeden czasowy? W mikroskali dodatkowe wymiary ulegają zagęszczeniu (jakby zwinięte w „rurki”) i dlatego nie powinny być przez nas dostrzegane. Taka przestrzeń ma symetrie w dodatkowych wymiarach, na które odpowiadają prawa zachowania dla różnych ładunków, tak jak na symetrie przestrzeni Minkowskiego odpowiadają prawa zachowania właściwości energetycznych.

Już na obecnym poziomie technologii eksperymenty na akceleratorach mogą być istotne dla potwierdzenia podstawowych teorii. Przykładowo, jeśli w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN odkryto tzw. supersymetrycznych partnerów znanych cząstek, będzie to oznaczać, że idea supersymetrii się sprawdza, a co za tym idzie rzeczywiście w jej ramach można zbudować bardziej zaawansowaną teorię grawitacji. teoria strun.

Ale czy świat może mieć rozszerzone (nieskompaktowane) wymiary? Pierwsze wypowiedzi w tej sprawie złożyli w 1983 roku Walery Rubakow i Michaił Szaposznikow, którzy nadal aktywnie działają w tym obszarze. Pokazali, że w pięciowymiarowej czasoprzestrzeni (z przestrzenią czterowymiarową) cała materia może być skoncentrowana jedynie w trójwymiarowej części przestrzeni. Powstaje koncepcja modeli branowych, gdzie świat, w którym żyjemy, jest efektywnie skoncentrowany w przestrzeni trójwymiarowej, w związku z czym nie doświadczamy dodatkowych, rozszerzonych wymiarów przestrzennych.

Przez pewien czas modele typu Rubakov-Shaposhnikov nie cieszyły się dużym zainteresowaniem. Zainteresowanie nimi zaczęto stymulować przede wszystkim problematyką hierarchii oddziaływań, obejmującą skrajną słabość oddziaływania grawitacyjnego. Opisując oddziaływanie cząstek elementarnych, można zapomnieć o oddziaływaniu grawitacyjnym jako o zupełnie nieistotnej zmianie. Jeśli jednak podjęliśmy się już wyjaśnienia budowy naszego świata, to musimy odpowiedzieć sobie na pytanie, dlaczego grawitacja jest tak słaba.

Okazuje się, że modele wielowymiarowe z rozszerzonymi dodatkowymi wymiarami mogą być bardzo przydatne do rozwiązywania tych problemów. Jest wiele takich modeli. Być może najbardziej znany jest model zaproponowany w 1999 roku przez amerykańskich kosmologów Lisę Randall i Ramana Sundrum. Tak naprawdę oferowali dwa modele jeden po drugim.

W pierwszym z nich pięciowymiarowy świat ograniczony jest z obu stron dwoma 4-wymiarowymi odcinkami czasoprzestrzeni, z których jednym jest nasz Wszechświat (trzy wymiary przestrzenne plus jedna współrzędna czasowa). Przestrzeń pomiędzy dwiema branami jest silnie zakrzywiona ze względu na ich „mechaniczne” naprężenia. Napięcie to prowadzi do tego, że wszystkie cząstki i pola fizyczne skupiają się tylko na jednej z bram i nie opuszczają jej, z wyjątkiem oddziaływania grawitacyjnego i promieniowania. Na tej branie istnieje grawitacja, ale jest ona bardzo słaba i taki jest świat, w którym żyjemy. Na drugiej, niedostępnej dla nas granicy pięciowymiarowego świata, grawitacja, przeciwnie, jest bardzo silna, a cała materia jest znacznie lżejsza, a oddziaływania pomiędzy cząsteczkami materii słabsze.

W drugiej wersji model Randalla i Sundrum rezygnuje z drugiej granicy. Teoretycy bardziej lubią ten model. Pozwala im przekształcić ukochaną teorię strun w pięciowymiarowej czasoprzestrzeni w zwykłą teorię kwantową na jej czterowymiarowej granicy. Przestrzeń w tym modelu jest również silnie zakrzywiona, a jej promień krzywizny wyznacza charakterystyczną wielkość dodatkowego piątego wymiaru przestrzennego. Nie ma ostatecznie uznanego modelu bran; są one w aktywnej fazie rozwoju; problemy są identyfikowane, rozwiązywane, pojawiają się nowe, rozwiązywane ponownie itp.

Na ryc. Rysunek 3 (po lewej) schematycznie przedstawia świat na branie, w którym światło (fotony) rozchodzi się w jego wnętrzu, ale nie może opuścić samej brany. Na ryc. 3 (po prawej) pokazuje, że gdyby nasz świat znajdował się na branie, to mógłby „unosić się” w wielkiej przestrzeni dodatkowych wymiarów, które pozostają dla nas niedostępne, ponieważ światło, które widzimy (a żadne inne pola poza grawitacją) nie może opuścić naszej brany . Wokół nas mogą istnieć inne światy brane.

Ryż. 3. Braneworld i kilka rozłącznych bram

Inną koncepcją skłaniającą do rozważenia modeli wielowymiarowych jest tzw. korespondencja AdS/CFT, która pojawia się jako jedna ze specyficznych implementacji teorii superstrun. Geometrycznie oznacza to co następuje. Rozważana jest wielowymiarowa (zwykle pięciowymiarowa) czasoprzestrzeń anty-de Sittera (AdS). Bez szczegółów przestrzeń AdS jest czasoprzestrzenią o stałej ujemnej krzywiźnie. Choć jest zakrzywiona, ma taką samą liczbę symetrii jak płaska czasoprzestrzeń tego samego wymiaru, czyli jest maksymalnie symetryczna. Następnie rozważamy granicę przestrzenną przestrzeni AdS w nieskończoności, której wymiar jest odpowiednio o jeden mniejszy. Zatem dla 5-wymiarowej przestrzeni AdS granica będzie 4-wymiarowa, czyli gdzieś podobna do czasoprzestrzeni, w której żyjemy. Sama zgodność oznacza pewne matematyczne powiązanie tej granicy z tzw. konforemnymi (niezmiennymi skali) teoriami pola, które mogą „żyć” na tej granicy. Początkowo badano tę zgodność wyłącznie w kategoriach czysto matematycznych, ale około 10 lat temu zdano sobie sprawę, że pomysł ten można wykorzystać również do badania teorii oddziaływań silnych w reżimie silnego sprzężenia, gdzie konwencjonalne metody nie sprawdzają się. Od tego czasu badania dotyczące (lub analizujące) dopasowywania AdS/CFT nabrały tempa.

Z tego, co powiedziano w poprzednim akapicie, dla naszych rozważań ważne jest, że badana jest zakrzywiona czasoprzestrzeń – przestrzeń AdS i jej granica. Modele robocze nie uwzględniają idealnych przestrzeni AdS, ale coś więcej złożone rozwiązania, które zachowują się jak AdS, gdy asymptotycznie zbliżają się do granicy. Taka czasoprzestrzeń może być rozwiązaniem tej czy innej wielowymiarowej teorii grawitacji. Oznacza to, że idea korespondencji AdS/CFT jest kolejną zachętą do rozwoju teorii wielowymiarowych.

Jednym z głównych problemów związanych z modelami bran (i innymi modelami wielowymiarowymi) jest zrozumienie, jak blisko są one rzeczywistości. Opiszmy jeden z możliwych testów. Przypomnijmy efekt parowania kwantowego czarnych dziur Hawkinga. Charakterystyczny czas parowania czarnych dziur powstających w wyniku eksplozji masywnych gwiazd jest o wiele rzędów wielkości dłuższy niż czas życia Wszechświata; w przypadku supermasywnych czarnych dziur jest jeszcze większa. Sytuacja zmienia się jednak w przypadku pięciowymiarowej czasoprzestrzeni Randalla i Sundrum. Czarne dziury na naszej branie (czyli naszym Wszechświecie) powinny wyparowywać znacznie szybciej. Okazuje się, że z punktu widzenia 5-wymiarowej czasoprzestrzeni czarne dziury naszego Wszechświata poruszają się z przyspieszeniem. Dlatego muszą skutecznie tracić energię (odparowywać oprócz normalnego efektu Hawkinga), o ile wymiary kurczących się czarnych dziur pozostają większe niż dodatkowy wymiar(coś w rodzaju tarcia w tym wymiarze). Przykładowo, jeśli charakterystyczny rozmiar dodatkowego wymiaru wynosiłby 50 mikronów, co jest całkiem mierzalne w laboratorium, to czarne dziury o jednej masie Słońca nie mogłyby żyć dłużej niż 50 tysięcy lat. Gdyby takie zdarzenie wydarzyło się na naszych oczach, widzielibyśmy, jak nagle zgasły źródła promieniowania rentgenowskiego, w których świeciła materia spadająca na czarną dziurę.

Czarne dziury w wielowymiarowej ogólnej teorii względności

I tak, krok po kroku, przestrzenie wielowymiarowe stają się integralną częścią różnych modeli fizycznych. Jednocześnie uogólnienie ogólnej teorii względności na więcej niż cztery wymiary (bez innych modyfikacji i uzupełnień) również przyciąga coraz większą uwagę, ponieważ taka ogólna teoria względności w niektórych wariantach sama jest częścią nowych teorii. Jest to jedna z istotnych zachęt do poszukiwania i badania możliwych rozwiązań wielowymiarowej ogólnej teorii względności. W szczególności interesujące i ważne są rozwiązania dotyczące czarnych dziur. Dlaczego?

1) Rozwiązania te mogą stanowić teoretyczną podstawę do analizy mikroskopijnych czarnych dziur w teoriach strun, tam gdzie nieuchronnie one powstają.

2) Zgodność AdS/SFT łączy właściwości D-wymiarowych czarnych dziur z właściwościami kwantowej teorii pola na granicy (D–1)-wymiarowej, co pokrótce omówiliśmy powyżej.

3) Przyszłe eksperymenty w zderzaczach sugerują narodziny wielowymiarowych czarnych dziur. Ich rejestracja jest niemożliwa bez wiedzy o ich właściwościach.

4) I wreszcie badanie rozwiązań klasycznej czterowymiarowej ogólnej teorii względności rozpoczęło się od badania czarnych dziur - rozwiązania Schwarzschilda. Kierowanie się logiką rozwoju historycznego wydaje się naturalne.

Intuicyjnie im więcej wymiarów, tym bardziej zróżnicowane będą właściwości rozwiązań teorii. Jak to się objawia w roztworach czarnych dziur? Różnorodność rozwiązań w wielowymiarowej ogólnej teorii względności wynika z dwóch nowych cech: nietrywialnej dynamiki obrotów oraz możliwości tworzenia rozszerzonych horyzontów zdarzeń. Omówmy je. W zwykłej ogólnej teorii względności z czterowymiarową czasoprzestrzenią może nastąpić tylko jeden niezależny obrót w przestrzeni trójwymiarowej. Wyznacza go jego oś (lub, co jest tym samym, prostopadła do niej płaszczyzna obrotu). W pięciowymiarowej ogólnej teorii względności przestrzeń (bez czasu) staje się czterowymiarowa, ale ta właściwość przestrzeni trójwymiarowej polegająca na pojedynczym niezależnym obrocie zostaje zachowana. Ale w 6-wymiarowej ogólnej teorii względności, gdzie przestrzeń staje się 5-wymiarowa, możliwe są dwa niezależne obroty, każdy z własną osią itp. Kolejną nową właściwością, która pojawia się w przypadku rozwiązań w wymiarach większych niż 4, jest pojawienie się rozszerzonych horyzontów. Co one oznaczają? Są to „czarne struny” (jednowymiarowe) i „czarne brany” o różnych wymiarach.

Połączenie tych dwóch nowych możliwości w różnych odmianach doprowadziło do tego, że w ramach wielowymiarowej ogólnej teorii względności skonstruowano wiele rozwiązań takich jak czarne dziury, które mają własną złożoną hierarchię. Na ryc. 4 pokazuje niektóre z tych rozwiązań. Jeśli w czterowymiarowej ogólnej teorii względności horyzont zdarzeń znanych czarnych dziur z reguły ma kształt kulisty, to w wielowymiarowości sytuacja znacznie się zmienia. Horyzonty degenerują się w struny (jak już wspomnieliśmy), mogą mieć kształt torusa itp. Należy pamiętać, że obrazy horyzontów na ryc. 4 należy traktować nieco symbolicznie, gdyż w rzeczywistości są to trójwymiarowe powierzchnie w 4-wymiarowej przestrzeni.

Ryż. 4. Stacjonarne 5-wymiarowe czarne dziury

Formacje te nie są już nazywane „czarnymi dziurami”, ale „czarnymi obiektami”. Mogą być ze sobą powiązane, np. czarna dziura otoczona „czarnym torusem” nazywana jest „czarnym saturnem”. Część z tych obiektów jest wyznaczona rozwiązaniami niestabilnymi, dla innej części poprawne obliczenie wielkości zachowanych okazuje się niemożliwe, ale wiele z nich nie posiada takich defektów. Jednak pomimo całej różnorodności właściwości (dopuszczalnych lub wątpliwych) i skomplikowanego kształtu niektórych obiektów, ich horyzonty zdarzeń mają tę samą podstawową właściwość, co horyzont czarnej dziury Schwarzschilda: historia ciała materialnego po jego przecięciu przestaje być oczywista dostępne dla zewnętrznego obserwatora.

Ten obraz wygląda bardzo, bardzo egzotycznie i wydaje się, że nie ma żadnego związku z rzeczywistością. Ale kto wie – kiedyś rozwiązania dotyczące czarnych dziur wydawały się odległe od rzeczywistości, ale teraz nie ma wątpliwości, że obiekty te zamieszkują Wszechświat wszędzie. Możliwe, że żyjemy na branie, a zewnętrzny 5-wymiarowy świat zawiera coś w rodzaju „czarnego Saturna” i zostanie wykryty jego wpływ na branę.

Teorie bimetryczne i masywnego grawitonu

Pamiętajmy, że aby opisać słabe fale grawitacyjne, podzieliliśmy metrykę dynamiczną ogólnej teorii względności na metrykę płaskiej czasoprzestrzeni i zaburzenia tej metryki. Okazało się, że zaburzenia w postaci fal mogą propagować się w przestrzeni Minkowskiego, która pełni rolę przestrzeni tła. Tło może być zakrzywione, ale musi pozostać stałe, tj. jego metryka musi być rozwiązaniem ogólnej teorii względności. Na tym zdjęciu metryka czasoprzestrzeni tła i perturbacje metryczne są niezależne. Przedstawienie to jest jednym z wariantów bimetrycznej teorii grawitacji, gdzie jedna metryka jest znana i reprezentuje czasoprzestrzeń tła, a druga, dynamiczna, pełni rolę rozchodzącego się w niej pola grawitacyjnego. W w tym przypadku taki opis jest indukowany przez samą ogólną teorię względności.

Jednak teorie bimetryczne są konstruowane bez odniesienia do istnienia ogólnej teorii względności, ale jako niezależne teorie. Ich charakterystyczną cechą jest to, że metryki tła i dynamiki są łączone w metrykę efektywną, która z kolei określa efektywną czasoprzestrzeń, w której rozchodzą się i oddziałują wszystkie pola fizyczne. Z reguły w granicach słabych pól i małych prędkości przewidywania ogólnej teorii względności i teorii bimetrycznej są zbieżne i spełniają wszystkie lub większość testów, które spełnia również ogólna teoria względności. Dlaczego zwraca się uwagę na teorie bimetryczne? Na przykład ich konstrukcja umożliwia prostsze i spójne określanie ilości konserwowanych. Mają także zalety, jeśli chodzi o kwantyzację.

Zwykle w przypadku teorii bimetrycznych istnieje przynajmniej zasadnicza możliwość określenia „podkładu” – czasoprzestrzeni tła. Ale to może się nie zdarzyć. Na przykład, bez odniesienia do słabości pola (czyli dokładnie bez przybliżeń), ogólną teorię względności można przeformułować jako teorię bimetryczną. W tym przypadku zasadniczo niemożliwe jest wymyślenie eksperymentu lub testu w celu określenia czasoprzestrzeni tła, która zatem pełni rolę pomocniczą. Jednak tylko efektywna czasoprzestrzeń jest rzeczywista i dostępna do obserwacji - w rzeczywistości jest to czasoprzestrzeń Ogólnej Teorii Względności.

Taka bimetryczna reprezentacja ogólnej teorii względności nazywana jest jej sformułowaniem w teorii pola w tym sensie, że pole grawitacyjne jest rozpatrywane na równi ze wszystkimi innymi polami fizycznymi w pomocniczej (ponieważ nieobserwowalnej) czasoprzestrzeni tła.

Wróćmy teraz do liceum i pamiętajmy, że podręczniki fizyki mówią o tzw. dualizmie korpuskularno-falowym. Co to znaczy? Okazuje się, że propagację określonego pola można rozpatrywać, w zależności od warunków, albo jako cząstkę, albo jako falę. Wróćmy ponownie do elektrodynamiki. Sygnał o niskiej częstotliwości i wystarczającej amplitudzie zostanie zarejestrowany raczej jako fala, wykorzystując oscylacje ładunków w swoim polu. Z drugiej strony, sygnał o wysokiej częstotliwości, ale słaby jest bardziej prawdopodobne, że zostanie wykryty jako cząstka, która wybija elektron w fotodetektorze. Cząstka fotonu jest bezmasowa (z zerową masą spoczynkową). Przejdźmy do innej dobrze znanej cząstki - elektronu, ma masę. Okazuje się jednak, że falę można skojarzyć również z elektronem, pomimo jego „masywności”.

W dalszej kolejności pamiętajmy o falach grawitacyjnych, które przewiduje ogólna teoria względności. W ramach ogólnej teorii względności falom tym odpowiadają cząstki o zerowej masie spoczynkowej – grawitony. Czy można skonstruować teorię grawitacji, w której grawiton ma niezerową masę spoczynkową? Dlaczego nie, jeśli taka teoria w granicy słabego pola i granicy małych prędkości pokrywa się z ogólną teorią względności i spełnia jej testy. Historia tych teorii zaczyna się od masywnej grawitacji, zaproponowanej przez szwajcarskich teoretyków Markusa Fierza (1912–2006) i Wolfganga Pauliego w 1939 r.

Od tego czasu warianty takich teorii pojawiały się mniej więcej regularnie. Ostatnio zainteresowanie nimi wzrosło, gdy w podstawowych teoriach, takich jak teoria superstrun, pojawiają się warianty masywnej grawitacji. W niektórych modelach z branami preferowany jest masywny grawiton. Masywne teorie grawitacji są w pewnym sensie rodzajem teorii bimetrycznych: ich wspólną cechą jest to, że dynamiczne pole tensorowe rozchodzi się w ustalonej czasoprzestrzeni, która z reguły jest zasadniczo obserwowalna. Zwykle w granicy, gdy masa grawitonu dąży do zera, takie teorie wchodzą w zakres ogólnej teorii względności. Jeśli w granicach słabych pól i małych prędkości pokrywają się z ogólną teorią względności, to w silnych polach i w skalach kosmologicznych odbiegają od ogólnej teorii względności, sugerując inne efekty. Przykładowo może się okazać, że zamiast rozwiązań dla czarnych dziur pojawią się rozwiązania dla osobliwości bez horyzontów („nagie osobliwości”), a zamiast rozszerzającego się wszechświata pojawią się wszechświaty oscylujące.

Nie ma jeszcze możliwości bezpośredniego sprawdzenia wiarygodności tych przewidywań; pozostaje to przedmiotem dalszych badań. Do tej pory teorie masywnej grawitacji miały wspólną wadę; ich rozwiązania dawały pewne stany negatywna energia. Stany te nazywane są „duchami”; nie da się ich wyjaśnić w ramach rozsądnych pojęć i dlatego są niepożądane. Jednak niedawno pojawiły się warianty masywnej grawitacji bez „duchów”.

Prawo Newtona

Prawo powszechnego ciążenia po

dyskusja w trzecim czytaniu była taka

przesłane do sprawdzenia...

Folklor

Sprawdzanie prawa Newtona. Zrozumienie prawa Newtona jest nadal bardzo ważne ważną rolę aby ogólnie zrozumieć idee dotyczące grawitacji. Jak możemy sprawdzić w warunkach laboratoryjnych, czy żyjemy na branie (lub jakimś innym wielowymiarowym świecie), choć nie możemy „wyjść” do dodatkowego wymiaru? Pamiętajmy, że grawitacja, w przeciwieństwie do innych oddziaływań, rozciąga się we wszystkich pięciu wymiarach. Aby wykorzystać ten fakt, zastanówmy się nad geometrycznym znaczeniem prawa Newtona. Jak pamiętamy stwierdza, że ​​siła oddziaływania grawitacyjnego maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości ~1/r2. Przypomnijmy sobie teraz obrazek ze szkolnego podręcznika do fizyki, na którym działanie siły opisuje się liniami siły. Na takim obrazie siła przy danej odległości r jest określona przez gęstość linii siły „przebijających” kulę o promieniu r: im większa powierzchnia kuli, tym mniejsza gęstość linii i odpowiednio siła. A powierzchnia kuli jest proporcjonalna do r2, co bezpośrednio wynika z zależności od odległości w prawie Newtona. Ale to jest w przestrzeni trójwymiarowej, gdzie powierzchnia kuli jest proporcjonalna do r2! W przestrzeni 4-wymiarowej pole otaczającej kuli będzie proporcjonalne do r3 i odpowiednio zmieni się prawo Newtona - siła oddziaływania grawitacyjnego spadnie odwrotnie proporcjonalnie do sześcianu odległości ~ 1/r3, itp.

Gdyby prawo odwrotnego sześcianu miało miejsce w skali Układu Słonecznego, wówczas jest jasne, że sformułowałoby je Newton. Oznacza to, że musimy go szukać na małą skalę. Jednocześnie przetestowanie prawa Newtona jest również ważne dla niektórych obiecujących teorii wielowymiarowych, w których dodatkowe wymiary ulegają zagęszczeniu (zapadnięciu), a ich rozmiary są oczywiście mniejsze niż planetarne. Mogą jednak osiągnąć dziesiątki mikrometrów. Kiedy Randall i Sundrum po raz pierwszy zaproponowali swoją teorię, prawo Newtona zostało przetestowane jedynie w skali metrowej. Od tego czasu naukowcy przeprowadzili kilka bardzo skomplikowanych (ze względu na słabość grawitacji) eksperymentów z maleńkimi wagami skrętnymi i obecnie granice laboratoryjne zostały znacznie obniżone i zbliżają się do rozmiarów zagęszczenia.

Ryż. 5. Bilans skrętny do sprawdzania prawa odwrotności kwadratów

Współczesne pomiary wykazały, że rozmiar dodatkowego wymiaru nie przekracza 50 mikronów. W mniejszych skalach prawo odwrotnych kwadratów może się załamać. Na ryc. Rysunek 5 przedstawia schemat wagi skrętnej do testowania prawa odwrotnych kwadratów Newtona. Samo urządzenie umieszczone jest w kolbie próżniowej, starannie odizolowanej od hałasu i wyposażonej w nowoczesny elektroniczny system detekcji przemieszczeń.

Oczywiste jest, że tego rodzaju eksperyment jest obarczony ogromnymi trudnościami technologicznymi, a dalszy postęp wiąże się z przeniesieniem eksperymentu w kosmos. Faktem jest, że niewielkie poprawki do prawa Newtona prowadzą również do obliczonego przesunięcia peryheliów planet (wraz z Einsteinem). Laserowy pomiar Księżyca potwierdził przesunięcie Einsteina z dokładnością 10–11 radianów na stulecie. Ale w następnej kolejności może ujawnić się efekt niektórych modeli wielowymiarowych.

Pierwsze próby lokalizacji takiej lokalizacji podejmowali już na początku lat 60. XX wieku zarówno badacze amerykańscy, jak i radzieccy. Jednak wiązka lasera była silnie rozproszona przez powierzchnię, a dokładność pomiaru była niska – do kilkuset metrów. Sytuacja uległa znacznej zmianie po dostarczeniu na Księżyc przez amerykańską misję Apollo i radziecką Luna reflektorów narożnych, które są w użyciu do dziś (niestety radziecki program księżycowy został odwołany w 1983 roku).

Jak to się dzieje? Laser wysyła sygnał przez teleskop skierowany na reflektor i rejestrowany jest dokładny czas emisji sygnału. Powierzchnia wiązki sygnału na powierzchni Księżyca wynosi 25 km2 (powierzchnia reflektorów narożnych wynosi około 1 m2). Światło odbite od instrumentu na Księżycu powraca do teleskopu w ciągu około jednej sekundy, a następnie zajmuje około 30 pikosekund. Czas podróży fotonu pozwala określić odległość, a obecnie odbywa się to z dokładnością do około dwóch centymetrów, czasami dokładność sięga kilku milimetrów. A to w odległości między Ziemią a Księżycem wynoszącej 384 500 km!

Zmodyfikowana dynamika Newtona (MOND). Ale prawo Newtona można naruszyć w skalach znacznie większych niż układy planetarne. Anomalne ruchy i rotacje w układach gwiazdowych „sprowokowały” poszukiwania „ciemnej materii”, w której zanurzone są galaktyki, gromady galaktyk itp.

Co się stanie, jeśli samo prawo Newtona zostanie naruszone na tych wagach? Oryginalna teoria MOND została opracowana przez izraelskiego fizyka Mordechaja Milgroma w 1983 roku jako alternatywa dla „ciemnej materii”. Odchylenia od prawa odwrotności kwadratów Newtona według tej teorii należy obserwować przy pewnym przyspieszeniu, a nie w pewnej odległości (pamiętajcie teorię Horzavy, gdzie prawo Newtona zmienia się pod wpływem prędkości).

MOND z powodzeniem wyjaśnia zaobserwowane ruchy w galaktykach. Teoria ta pokazuje również, dlaczego odchylenia od oczekiwanego wzorca rotacji są największe w galaktykach karłowatych.

Wady oryginalnej teorii:

1) nie uwzględnia efektów relatywistycznych typu STR czy GTR;

2) naruszone są prawa zachowania energii, pędu i momentu pędu;

3) wewnętrznie sprzeczne, ponieważ przewiduje różne orbity galaktyczne dla gazu i gwiazd;

4) nie pozwala na obliczenie soczewkowania grawitacyjnego przez gromady galaktyk.

Wszystko to spowodowało jego dalsze znaczące udoskonalenie – poprzez włączenie pól skalarnych, redukcję do postaci relatywistycznej itp. Każda zmiana, usunięcie jednego zastrzeżenia, powodowała kolejne, nie ma jeszcze skończonej teorii, ale badacze nie tracą optymizmu.

Anomalia „Pionierzy”. Automatyczne stacje międzyplanetarne Pioneer 10 i Pioneer 11 zostały wystrzelone w latach 1972 i 1973 w celu badania Jowisza i Saturna. Całkowicie poradzili sobie z misją zbliżenia się do tych planet i przekazania danych o nich, jak mówią, z pierwszej ręki. Ostatni sygnał z Pioneera 10 odebrano na początku 2003 roku, po ponad trzydziestu latach ciągłej pracy. W tym momencie statek kosmiczny znajdowała się już 12 miliardów kilometrów od Słońca. Na ryc. 12.6 pokazuje fotografię aparatu Pioneer-10.

Zaskakujący był fakt, że gdy tylko Pionierzy minęli orbitę Urana (około 1980 r.), ludzie na Ziemi zaczęli zauważać, że częstotliwość sygnałów radiowych wysyłanych przez te urządzenia przesuwa się do krótkofalowej części widma, co nie powinno mieć miejsca, jeśli ich ruch odpowiada dynamice newtonowskiej (wpływ efektów relatywistycznych ogólnej teorii względności przy takiej odległości od Słońca i planet jest znacznie słabszy).

Z codziennego punktu widzenia efekt wydaje się oczywiście banalny – jest 10 miliardów razy mniejszy od przyspieszenia, jakiego doświadczamy z ziemskiego pola grawitacyjnego. Ale znacznie przewyższa relatywistyczne skutki ogólnej teorii względności! Najbardziej powszechnym wyjaśnieniem tajemniczego zjawiska może być na przykład wyciek resztkowego paliwa gazowego z silników o niskim ciągu, hamowanie na kosmicznym pyle itp. Efekty te są jednak tymczasowe, a anomalia utrzymuje się na stabilnym poziomie od ponad 20 lat. .

Niektórzy naukowcy zastanawiali się, czy anomalia Pioneera może być generowana przez nieznane dotąd czynniki, działające wyłącznie poza Układem Słonecznym (zmiana prawa Newtona). Rozważano nawet modele obejmujące antymaterię, ciemną materię i ciemną energię.

Norweski fizyk Kjell Tangen wszechstronnie przeanalizował sytuację i doszedł do wniosku, że żadna ze znanych modyfikacji prawa grawitacji nie jest w stanie opisać anomalii. Rzeczywiście zmiany te nie powinny prowadzić do zmiany opisu ruchu planet zewnętrznych Układu Słonecznego. Zatem zmieniając prawo Newtona, Tangen nieuchronnie otrzymał nieprawidłowe wyniki opisu ruchu Urana i Plutona.

Zagadka „Pionierów” została rozwiązana całkiem niedawno, w wyniku 20 lat pracy grupy Wiaczesława Turyszewa, absolwenta SAI MSU, obecnie pracującego w Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA w Pasadenie. W różnych okresach grupa liczyła od 20 do 80 pracowników. Stosunkowo niedawno udało się w wystarczającym stopniu rozszyfrować cudownie zachowane dodatkowe dane z Pionierów, wcześniej niedostępne ze względu na archaiczne formaty plików i nośników informacji (kasety taśmowe). Początkowo przeanalizowano ponad 20 czynników, które mogły mieć wpływ na dany efekt. Grupa dysponowała przechowywanym w muzeum egzemplarzem bliźniaczego urządzenia – trzeciego Pioneera, pozostawionego na Ziemi po testach przed lotem, które umożliwiły wyselekcjonowanie najwyższej jakości części do lotów kosmicznych. To urządzenie zostało dokładnie zbadane.

Jeden po drugim, przez różne powody, kandydaci na efekt zostali odrzuceni. Wreszcie został już tylko jeden możliwy powód, który studiowano z pasją. Urządzenie jest anteną paraboliczną do komunikacji o średnicy około 3 metrów, wyposażoną w osprzęt umieszczony w nieco mniejszym pudełku. Sprzęt wytrzymuje tak długo dzięki energii pierwiastka atomowego, również umieszczonego w tym pudełku. W rezultacie pudełko nagrzewa się. Antena jest zawsze skierowana w stronę Ziemi, tak aby skrzynka znajdowała się za nią.

Grupa Turysheva sporządziła komputerową mapę rozkładu ciepła w całym aparacie. Okazało się, że tylna część urządzenia (przeciwna do Ziemi) jest nieco cieplejsza niż przód. Oznacza to, że fotony o większej energii opuszczają aparat w kierunku przeciwnym do Ziemi niż fotony lecące w stronę Ziemi. Tak naprawdę działa „silnik fotonowy”, który w tym przypadku spowalnia „lot” urządzeń z Układu Słonecznego. Dane obliczeniowe są bardzo dobrze zgodne z danymi dotyczącymi zaobserwowanych efektów. Moc tego „silnika” jest porównywalna z mocą „odrzutu” reflektorów samochodu, który jednocześnie spowalnia go niczym silnik fotonowy. To przenośne porównanie przedstawił sam Turyshev.

Pojawiają się pytania. Dlaczego efekt odkryto dopiero po 8 latach? Faktem jest, że istnieje również takie zjawisko jak wiatr słoneczny. Dopóki urządzenia nie dotarły na orbitę Urana, jego wpływ był przeważający, a „anomalia” po prostu w nim zatonęła. Przy większej odległości efekt „anomalii” stał się silniejszy niż wpływ wiatru i został odkryty. Dlaczego uważa się, że anomalna siła skierowana jest w stronę Słońca, skoro antena jest skierowana w stronę Ziemi? Faktem jest, że już w pewnej odległości od orbity Urana orbita Ziemi jest postrzegana jako okrąg w małym kącie rozwarcia. W tym przypadku nie da się rozróżnić, gdzie skierowana jest antena (na Ziemię, w inny punkt orbity Ziemi, na Słońce) - to w przybliżeniu to samo.

Podsumujmy. Anomalię „Pionierów” można wytłumaczyć zwykłymi, prostymi zjawiskami i do jej wyjaśnienia nie jest wymagana rewizja prawa Newtona i teorii grawitacji w ogóle.

Co jeszcze bardziej poprawi dokładność obserwacji

Dokładność bardzo często

okazuje się nieprawdziwy.

Dmitrij Lichaczow

Bardzo ważne jest sprawdzenie stałości stałych podstawowych. W tym celu porównują różne obserwacje najodleglejszych obiektów we Wszechświecie z obserwacjami w Układzie Słonecznym, a te porównują z wynikami eksperymentów laboratoryjnych na Ziemi, a nawet z danymi uzyskanymi w geologii i paleontologii. W analizie wykorzystano różne skale czasowe, z jednej strony wyznaczone przez ewolucję kosmologiczną i astrofizyczną, z drugiej, oparte na współczesnych wzorcach atomowych. Dodatkowo porównuje się zjawiska, które w istotny sposób zależą od tych stałych, dla różnych epok.

W przypadku grawitacji najważniejsza jest stała grawitacji. Jej dokładne znaczenie jest konieczne, aby określić parametry konkretnej alternatywnej teorii, a nawet określić jej wykonalność – przypomnijmy sobie teorię Horzavy. Stałość parametrów orbit planet zależy od stabilności stałej grawitacyjnej. Badania w Układzie Słonecznym potwierdziły niezmienność stałej grawitacyjnej ze względną dokładnością od 10–13 do 10–14 rocznie. A dokładność pomiaru stale się poprawia.

Jak ważne dla budowania nowej teorii jest poszukiwanie fal grawitacyjnych ze źródeł astronomicznych? W tym sensie samo zarejestrowanie fal grawitacyjnych raczej nie przyniesie od razu wielu informacji. Ale fakt rejestracji ostatecznie potwierdzi słuszność współczesnych badań i możliwe będzie odrzucenie całkowicie marginalnych teorii. Dopiero później, gdy możliwa stanie się analiza szczegółów promieniowania (np. polaryzacji), będzie można je wykorzystać do selekcji lub modyfikacji teorii grawitacji. Określenie prędkości promieniowania grawitacyjnego zapewni również ograniczenia alternatywnym teoriom, takim jak masywny grawiton; itp.

Czy potrzebny jest jakiś eksperymentalny przełom, aby stworzyć nową teorię, czy też wybrać jedną z już zbudowanych? Tak, oczywiście, potrzebne są nowe i dokładniejsze dane empiryczne. Ale nie należy tego nazywać przełomem, ale raczej wynikiem konsekwentnych wysiłków. Stan rzeczy jest taki: w ciągu ostatnich 100 lat dokładność pomiarów wzrosła o 3–4 rzędy wielkości. Nowoczesne technologie Obiecują znacznie przyspieszyć proces. Według różnych szacunków oczekuje się, że w ciągu najbliższych 25–30 lat dokładność wzrośnie o kolejne 3–5 rzędów wielkości. A to, według wielu prognoz, daje podstawy (i staraliśmy się to pokazać), jeśli nie w nadchodzących latach, to w ciągu najbliższych 10–20 lat, można spodziewać się niezwykle ciekawych i ważnych odkryć. Ponadto większość badaczy uważa, że ​​taki wzrost dokładności wystarczy do ustalenia nowej teorii.