9 listopada 2016 o 19:53

Zmodyfikowana teoria grawitacji wyjaśnia na swój sposób budowę Wszechświata

• Nauka popularna,
• Fizyka,
• Astronomia

Profesor Erik Verlinde z Uniwersytetu w Amsterdamie opracował nową hipotezę dotyczącą grawitacji. Naukowiec opublikował niedawno swoje ustalenia w kilku publikacjach naukowych. Główną część hipotezy zaproponował już w 2010 roku. Jego głównym przesłaniem jest to, że grawitacja nie jest podstawową siłą natury, a raczej zjawiskiem przypadkowym.

Według Verlinde grawitacja wynika ze zmian w głównych fragmentach informacji przechowywanych w samej strukturze przestrzeni i czasu. Twierdzi, że grawitację tłumaczy się pewną różnicą w gęstości entropii w przestrzeni między dwoma ciałami i w otaczającej przestrzeni. W ten sposób wyjaśnia przyciąganie dwóch makroskopowych ciał wzrostem całkowitej entropii wraz ze zmniejszeniem odległości między ciałami. Innymi słowy, system po prostu przechodzi w bardziej prawdopodobny makrostan.

W swojej pracy z 2010 roku naukowiec pokazał, jak drugie prawo Newtona, które może wyjaśnić spadanie jabłek z drzewa lub stabilną orbitę sztucznego satelity Ziemi, może być szczególnym przejawem oddziaływania tych elementarnych bloków materii. „Prawa Newtona nie działają na poziomie mikro, ale działają na poziomie jabłek i planet. Można to porównać do ciśnienia gazu. Same cząsteczki gazu nie wytwarzają ciśnienia, ale pewna objętość gazu tak” – stwierdził naukowiec w 2010 roku. Według Verlinde zachowanie gwiazd w galaktykach, które zdaniem wielu naukowców jest niezgodne z ogólnie przyjętymi wyobrażeniami o czasoprzestrzeni, można wyjaśnić bez wprowadzania dodatkowego czynnika, jakim jest ciemna materia.

Ciemna materia w astronomii i kosmologii, a także w fizyce teoretycznej jest hipotetyczną formą materii, która nie emituje promieniowanie elektromagnetyczne i nie wchodzi z nim w bezpośrednią interakcję. Ta właściwość tej formy materii uniemożliwia jej bezpośrednią obserwację. Wniosek o istnieniu ciemnej materii wysunięto na podstawie licznych, zgodnych ze sobą, lecz pośrednich oznak zachowania obiektów astrofizycznych i wywoływanych przez nie efektów grawitacyjnych. Poznanie natury ciemnej materii pomoże rozwiązać problem ukrytej masy, który w szczególności polega na anomalnie dużej prędkości obrotowej zewnętrznych obszarów galaktyk.

Faktem jest, że zewnętrzne obszary galaktyk obracają się wokół centrum znacznie szybciej, niż powinny. Naukowcy już dawno obliczyli prędkość rotacji galaktyk, jeśli gwiazdy, planety, mgławice, czyli materia widzialna, to cała materia istniejąca we Wszechświecie. W rzeczywistości coś znacznie zwiększa grawitację, dlatego zewnętrzne obszary galaktyki wirują szybciej, niż powinny. Aby wyznaczyć to „coś”, naukowcy zasugerowali możliwość istnienia niewidzialnej materii, która jednak ma znaczący wpływ na wszystkie obiekty w widzialnej części Wszechświata. Co więcej, według obliczeń, ciemnej materii powinno być kilka razy więcej niż zwykłej materii. Mówiąc dokładniej, uważa się, że 80% materii w naszej widzialnej części Wszechświata to ciemna materia.

Pierwszymi, którzy przeprowadzili dokładne i wiarygodne obliczenia, które wykazały istnienie ciemnej materii, byli astronomowie Vera Rubin z Carnegie Institution i Kent Ford. Wyniki pomiarów wykazały, że większość gwiazd w galaktykach spiralnych porusza się po orbicie z w przybliżeniu tą samą prędkością kątową, co prowadzi do wniosku, że gęstość masy w galaktykach jest taka sama dla obszarów, w których zlokalizowana jest większość gwiazd, oraz dla tych obszarów (przy krawędzi dysku), gdzie jest niewiele gwiazd.

Pomimo tego, że większość naukowców uznaje istnienie ciemnej materii, nie ma bezpośrednich dowodów na jej istnienie. Wszystkie te dowody mają charakter poszlakowy.

Według Erica Verlinde wszystko można wyjaśnić bez dodawania do współczesnego modelu istnienia Wszechświata tajemniczej materii, której nie da się wykryć. Verlinde twierdzi, że jego hipoteza została przetestowana i dokładnie przewiduje prędkość rotacji gwiazd wokół centrum naszej galaktyki, a także prędkość rotacji zewnętrznych obszarów innych galaktyk wokół wspólnego centrum.

„Nowa wizja teorii grawitacji jest zgodna z obserwacjami naukowców. „Ogólnie rzecz biorąc, grawitacja po prostu nie zachowuje się tak dobrze w dużych skalach, jak przewiduje teoria Einsteina” – powiedział Verlinde.

Na pierwszy rzut oka podstawowe zasady hipotezy Verlinde'a są podobne do zasad innych hipotez, w tym MOND (zmodyfikowanej dynamiki Newtona). Ale w rzeczywistości tak nie jest: MOND po prostu modyfikuje ogólnie przyjętą teorię, korzystając z jej zasad i przepisów. Ale hipoteza holenderska działa na nowych zasadach, punkt wyjścia jest inny.

W hipotezie znalazło miejsce zasada holograficzna, sformułowana przez nauczyciela Verlinde Gerarda 't Hoofta (nagrodę Nobla w 1999 r.) i naukowca Leonarda Susskinda (Uniwersytet Stanforda). Zgodnie z tą zasadą można opisać całą informację we Wszechświecie jako gigantyczna wyimaginowana kula wokół niej Teoria na granicach badanego obszaru przestrzeni powinna zawierać co najwyżej jeden stopień swobody na obszar Plancka nasz wszechświat nie jest tylko projekcją, jest całkiem realny.

I ten dodatkowe informacje To jest właśnie powód szybszej rotacji zewnętrznych obszarów galaktyk w porównaniu z wartościami obliczonymi. Prawdziwe informacje w naszym Wszechświecie mogą wyjaśnić jeszcze jeden dodatkowy czynnik – ciemną energię, jak się obecnie powszechnie uważa główny powód nieprzerwana ekspansja Wszechświata. Co więcej, jak wynika z 1998 r Laureaci Nagrody Nobla Saul Perlmutter, Saul Perlmutter, Brian Schmidt i Adam Riess, tempo ekspansji Wszechświata nie jest stałe, jak wcześniej sądzono, tempo to stale rośnie. Ogólnie przyjęta teoria głosi, że ciemna energia stanowi około 70% zawartości Wszechświata, a naukowcy starają się znaleźć jej ślady w mikrofalowym promieniowaniu tła.

Profesor twierdzi, że wielu fizyków pracuje obecnie nad rewizją teorii grawitacji i nastąpił już pewien postęp w tej dziedzinie. Zdaniem Holendra nauka stoi na progu rewolucji, która może zmienić wyobrażenia ludzi na temat natury przestrzeni, czasu i grawitacji.

Jednocześnie wielu fizyków nadal wierzy, że ciemna energia i materia istnieją. I tak Sesandri Nadathur z Uniwersytetu w Portsmouth (Wielka Brytania) opublikowała swoją pracę w zeszłym miesiącu

Ogólna teoria względności Einsteina dostarcza ogólnie przyjętego wyjaśnienia grawitacji. Ogólna teoria względności stwarza jednak szereg problemów, które zmuszają nas do poszukiwania alternatywnych teorii grawitacji. Faktycznie rozwinęła się sytuacja, że ​​w dziedzinie teorii grawitacji nauka dzieli się na dwa klany, które praktycznie nie oddziałują ze sobą. Akademik Rosyjskiej Akademii Nauk Anatolij Łogunow opowiada o tym, jak relatywistyczna teoria grawitacji konstruuje świat, modyfikując prawa ogólnej teorii względności. 21.01.2003 (kronika 00:46:00)

Materiały robocze

Przegląd tematu:

Alternatywne teorie grawitacji. Klasyczna teoria grawitacji, wyrażona prawem powszechnego ciążenia Newtona, okazała się nie do końca trafna w przypadku silnych pól grawitacyjnych. Nie przeszkadza to jednak bynajmniej w zastosowaniu go tam, gdzie jego dokładność jest wystarczająca.

Stworzona w 1915 roku przez Alberta Einsteina ogólna teoria względności (GTR) jest dziś powszechnie akceptowaną teorią grawitacji. Ma jednak szereg problemów, które zmuszają nas do poszukiwania alternatywnych teorii grawitacji.

Jednym z głównych problemów jest to, że w swojej klasycznej formie ogólna teoria względności jest niezgodna z kwantowymi teoriami pola, które opisują pozostałe trzy podstawowe interakcje fizyczne. (To prawda, że ​​ostatnio pojawiły się doniesienia, że ​​poczyniono pewne postępy w tym kierunku.)

Innym problemem jest to, że Ogólna Teoria Względności opisując grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni porzuca własność jednorodności czasoprzestrzeni i to właśnie na tej właściwości opierają się prawa zachowania energii i pędu.

Trzeci problem ogólnej teorii względności również wiąże się z energią, tym razem z energią samego pola grawitacyjnego. Aby zrozumieć, co się dzieje, rozważmy najpierw pole elektromagnetyczne. Będąc polem fizycznym, samo w sobie niesie energię i pęd. Co więcej, energia pola zmagazynowana w każdej elementarnej objętości przestrzeni jest proporcjonalna do kwadratu natężenia pola. Wybierając układ odniesienia, można zmieniać wielkość pól elektrycznych i magnetycznych w wybranym punkcie przestrzeni. Na przykład wybierając układ odniesienia poruszający się wraz z ładunkiem, jego pole magnetyczne można zredukować do zera. Jednakże żaden wybór układu odniesienia nie jest w stanie całkowicie zniszczyć pola elektromagnetycznego w punkcie, w którym z punktu widzenia innego układu odniesienia nie jest ono równe zero. Wróćmy do pola grawitacyjnego. Podstawą ogólnej teorii względności jest eksperyment myślowy z windą spadającą w polu grawitacyjnym. Twierdzi się, że obserwator w windzie nie będzie w stanie rozróżnić pomiędzy wpadnięciem w pole grawitacyjne a przebywaniem poza jakimkolwiek polem. Oznacza to, że w układzie odniesienia swobodnie spadającego obserwatora pole grawitacyjne jest całkowicie zniesione. Wynika z tego, że pole grawitacyjne ogólnej teorii względności nie jest zwykłym polem fizycznym, które ma określoną gęstość energii w przestrzeni. Wybór układu odniesienia może zmienić rozkład przestrzenny jego energii. W tym sensie mówią o nielokalności energii pola grawitacyjnego w ogólnej teorii względności. Wielu ekspertów w dziedzinie astrofizyki uważa to za istotną wadę ogólnej teorii względności. Jednocześnie wielu specjalistów od ogólnej teorii względności generalnie odrzuca to twierdzenie.

Wreszcie, być może największym zarzutem wobec ogólnej teorii względności jest to, że pozwala ona na pojawianie się czarnych dziur, w centrum których znajduje się fizyczna osobliwość. Większość fizyków jest przekonana, że ​​pojawienie się nieskończoności w teorii fizycznej oznacza wyjście poza granice jej stosowalności.

To, że wymienione problemy wymagają rozwiązań, jest oczywiste dla każdego. Różne grupy specjalistów próbują podążać różnymi ścieżkami w tej kwestii. Wszystkich jednak warunkowo można podzielić na dwie grupy – tych, którzy kontynuują poszukiwania zgodnie z podejściem geometrycznym leżącym u podstaw Ogólnej teorii względności, oraz tych, którzy nie chcą powiązać pola grawitacyjnego z geometrią czasoprzestrzeni.

Ponieważ pierwszy kierunek jest szerzej reprezentowany we współczesnym środowisku naukowym, teorie powstałe w ramach drugiej ścieżki nazywane są zbiorczo alternatywnymi teoriami grawitacji. Do najsłynniejszych alternatywnych teorii grawitacji należy relatywistyczna teoria grawitacji (RTG) A. A. Logunowa. Na Uniwersytecie w Petersburgu Yu. V. Baryshev opracowuje teorię pola grawitacyjnego (FTG).

Niestety, w ostatnich latach w dziedzinie teorii grawitacji rozwinęła się dość niezdrowa sytuacja. Badacze kontynuujący prace zgodnie z Ogólną Teorią Względności praktycznie ignorują prace z zakresu alternatywnych teorii grawitacji, powołując się na fakt, że wszystkie dotychczas zaobserwowane fakty można wyjaśnić na podstawie Ogólnej Teorii Względności. Tymczasem ich prace coraz bardziej przesuwają się w obszar czystej matematyki i stają się coraz mniej dostępne do weryfikacji eksperymentalnej.

Prawdopodobnie wynika to z faktu, że do niedawna obserwacje nie pozwalały nam dokonać wyboru różne wersje teorie grawitacji. Klasyczne efekty relatywistyczne, takie jak załamanie promieni świetlnych w polu grawitacyjnym Słońca czy przesunięcie peryhelium Merkurego, wszystkie te teorie opisują w ten sam sposób i, w pierwszym przybliżeniu, w taki sam sposób, jak ogólna teoria względności. Różnice występują w silniejszych polach. A obserwacja ich przejawów staje się możliwa dopiero w naszych czasach.

Jednym z najbardziej obiecujących obiektów do testowania nowej generacji teorii grawitacji jest słynny pulsar PSR1913+30. W tej bliskiej parze dwóch gwiazd neutronowych muszą wystąpić bardzo znaczne straty energii w wyniku emisji fal grawitacyjnych. Co więcej, różne teorie grawitacji przewidują różne szybkości utraty energii. W ciągu najbliższych kilku lat niektóre teorie będą musiały zostać wycofane ze względu na wyniki testów przeprowadzonych w tym ośrodku.

Stopniowo ogólna teoria względności ma problemy na froncie kosmologicznym. Dane dotyczące wieku gromad kulistych trudno dopasować do ram czasowych wyznaczonych przez teorię Wielkiego Wybuchu opartą na ogólnej teorii względności. Teoria Wielkiego Wybuchu przewiduje, że wielkoskalowy rozkład materii we Wszechświecie powinien być równomierny. W ostatnich latach pod presją danych obserwacyjnych skala, z której należy obserwować jednorodność, stale rośnie.

W przypadku rozwiązań alternatywnych również nie wszystko przebiega gładko. Ale ich problemy leżą na nieco innej płaszczyźnie. Faktem jest, że oprócz całkiem poważnych badaczy rozwijających alternatywne teorie grawitacji jest ich wielu większa liczba amatorzy, którzy nie rozumiejąc bardzo nietrywialnego aparatu matematycznego ogólnej teorii względności, zaczynają tworzyć własne teorie, nazywając je alternatywnymi. Często postacie te posiadają stopnie naukowe (uzyskane głównie w dziedzinach odległych od teorii grawitacji) i dzięki temu włączane są do kręgów naukowych. Wysyłają artykuły do czasopism naukowych, przemawiają na konferencjach, publikują książki na temat swoich własnych teorii, których wady (jeśli w ogóle możemy mówić o niedociągnięciach) są nieproporcjonalne do powyższych twierdzeń przeciwko Ogólnej Teorii Względności.

Niestety dla wielu zwolenników ogólnej teorii względności teorie takie wyglądają tożsame z całkiem poważnymi badaniami z zakresu alternatywnych teorii grawitacji. Faktycznie powstała sytuacja, w której obowiązuje dogmat o nieomylności ogólnej teorii względności (wg. co najmniej, co stanowi podstawę podejścia geometrycznego). Okazuje się, że w dziedzinie teorii grawitacji nauka dzieli się na dwa klany, które praktycznie nie oddziałują ze sobą. Ta sytuacja wygląda oczywiście smutno. Można mieć tylko nadzieję, że gwałtowne gromadzenie się nowych danych astronomicznych w najbliższej przyszłości zmusi te dwa klany do nawiązania kontaktu.

Materiały do ​​programu:

Z artykułów A. A. Logunowa na temat relatywistycznej teorii grawitacji.

Relatywistyczna teoria grawitacji pokonuje trudności, jakie napotyka ogólna teoria względności. Nowa teoria opiera się na podstawowych prawach zachowania materii oraz koncepcji pola grawitacyjnego jako pola fizycznego typu Faradaya-Maxwella. Wyjaśnia wszystkie znane dane obserwacyjne i eksperymentalne dotyczące grawitacji oraz dostarcza nowych pomysłów na temat rozwoju Wszechświata, zapadnięcia się grawitacji, przestrzeni i czasu.

Wszyscy doskonale wiedzą, że geometria otaczającej nas przestrzeni jest euklidesowa. Została ona odkryta poprzez obserwacje, a następnie ponad 2 tysiące lat temu sformułowana przez Euklidesa w formie postulatów i aksjomatów. Postulaty i aksjomaty leżące u podstaw geometrii euklidesowej są oczywistymi twierdzeniami, akceptowanymi bez dowodu. Są na tyle naturalne, że powstało niemal absolutne przekonanie o wyjątkowości tej geometrii. Geometrzy włożyli wiele wysiłku w zmniejszenie liczby postulatów i aksjomatów, aby zredukować je do minimum. Osiągnięto to poprzez usunięcie niektórych z nich z pozostałych. Matematycy włożyli wiele wysiłku, aby pozbyć się piątego postulatu (przez punkt poza daną prostą można poprowadzić tylko jedną prostą do niej równoległą), ale nie udało im się to, chociaż geometrzy badają ten problem od ponad 2 lat tysiąc lat.

Początek szybkiego rozwoju mechaniki jako nauki o ruchu ciał datuje się na połowę XVII wieku. Mechanika tego okresu była nauką eksperymentalną. W wyniku podsumowania ogromnej ilości danych eksperymentalnych I. Newton sformułował swoje trzy słynne prawa dynamiki i prawo grawitacji. Umożliwiło to rozwiązanie szerokiego zakresu problemów dotyczących ruchu ciał na ten czas. Geometria Euklidesa została zawarta w prawach Newtona. Zasadniczo od tego momentu badanie zjawisk mechanicznych stało się nie tylko sprawdzianem praw Newtona, ale także geometrii euklidesowej. Jednak w tamtym czasie nie zdano sobie z tego jeszcze sprawy, ponieważ nie było wątpliwości co do geometrii Euklidesa, co do jej wyjątkowości jako schematu logicznego. I dopiero w XIX w. N.I. Łobaczewski, badając problem piątego postulatu w geometrii Euklidesa, doszedł do wniosku, że należy go zastąpić nowym postulatem: przez punkt poza prostą na płaszczyźnie przechodzą co najmniej dwie linie, które tego nie przecinają jeden.

Jego celem było zbudowanie geometrii w oparciu o nowy system postulatów i aksjomatów. Realizacja tego programu doprowadziła Łobaczewskiego do odkrycia geometrii nieeuklidesowej. Łobaczewski dokonał wielkiego odkrycia, ale jego współcześni, nawet główni naukowcy, nie tylko go nie zrozumieli, ale zajęli wrogie stanowisko. Później badania Łobaczewskiego stały się impulsem do konstrukcji innych geometrii. Stało się jasne, że można skonstruować nieskończoną liczbę geometrii jako układów logicznych i tylko doświadczenie może zadecydować, która z nich zostanie zrealizowana w otaczającym nas świecie. Na nowoczesnych język matematyczny strukturę geometrii całkowicie określa wyrażenie kwadratu odległości pomiędzy sąsiednimi, nieskończenie bliskimi punktami. We współrzędnych kartezjańskich przestrzeni euklidesowej kwadrat tej odległości ma postać: dll = dxx + dyy + dzz.

Tutaj dx, dy, dz to różnice współrzędnych. W rzeczywistości jest to nic innego jak twierdzenie Pitagorasa dla przypadku przestrzeni trójwymiarowej, jeśli wyjdziemy od postulatów i aksjomatów Euklidesa. Równość tę można wykorzystać jako podstawę do zdefiniowania geometrii euklidesowej. Gdybyśmy użyli w nim nie współrzędnych kartezjańskich, ale innych krzywoliniowych (na przykład kulistych, cylindrycznych itp.), to kwadrat odległości między sąsiednimi punktami w tych współrzędnych (oznaczmy je xi) przyjąłby postać: dll = ?ik(x)dxidxi. Ta forma zapisu w języku matematycznym oznacza sumowanie po tych samych wskaźnikach i oraz k (i, k = 1, 2, 3). Wielkość ?ik określa strukturę geometrii i nazywana jest tensorem metrycznym przestrzeni euklidesowej. Geometria euklidesowa ma najważniejszą właściwość: zawsze można wprowadzić globalne współrzędne kartezjańskie w całej przestrzeni, w której tylko składowe diagonalne tensora metrycznego, wszystkie równe jeden, są niezerowe. Oznacza to, że przestrzeń euklidesowa jest „płaska”, czyli innymi słowy, krzywizna w każdym punkcie wynosi zero.

B. Riemann, rozwijając ideę N. I. Łobaczewskiego i K. F. Gaussa, wprowadził specjalną klasę geometrii, zwaną riemannowskimi, które pokrywają się z euklidesowymi tylko w nieskończenie małym obszarze. Uogólnił także podstawową koncepcję krzywizny przestrzeni. W geometrii riemannowskiej kwadrat odległości pomiędzy dwoma sąsiednimi punktami zapisuje się także w postaci dll = ?ik (x)dxidxk, z tą tylko zasadniczą różnicą, że nie ma w niej jednakowych współrzędnych kartezjańskich na całej przestrzeni, w której tensor metryczny byłby stały wszędzie i miałby kształt ukośny. Oznacza to, że krzywizna w przestrzeni Riemanna jest zawsze różna od zera, a jej wartość zależy od punktu w przestrzeni.

Jaka geometria występuje w przyrodzie? Odpowiedź na to pytanie można uzyskać jedynie na podstawie doświadczenia, czyli badania zjawisk naturalnych. O ile w fizyce mieliśmy do czynienia ze stosunkowo małymi prędkościami, doświadczenie potwierdziło, że geometria naszej przestrzeni jest euklidesowa, a pojęcia takie jak „długość” i „czas” są absolutne i niezależne od układu odniesienia. Badanie zjawisk elektromagnetycznych, a także ruchu cząstek z prędkościami bliskimi prędkości światła doprowadziło do niesamowitego odkrycia: przestrzeń i czas tworzą jedno kontinuum; Rolę odległości pomiędzy dwoma bliskimi sobie punktami (zdarzeniami) pełni wielkość zwana odstępem. Kwadrat przedziału we współrzędnych kartezjańskich wyznacza równość: dss = ccdTT – dxx – dyy – dzz. Tutaj c jest prędkością światła; T - czas. Geometria określona przez taki przedział nazywa się pseudoeuklidesową, a przestrzeń czterowymiarowa o takiej geometrii nazywa się przestrzenią Minkowskiego. Kwadrat przedziału dss może być dodatni, ujemny lub zerowy. Podział ten jest absolutny. Czas i współrzędne wchodzą w przedział prawie równo (do kwadratu), z tą tylko zasadniczą różnicą, że mają różne znaki. Odzwierciedla to głęboką różnicę między takimi pojęciami fizycznymi, jak „długość” i „czas”. Wielkość przedziału nie jest zależna od układu odniesienia, natomiast czas i długość nie są już pojęciami absolutnymi, lecz mają charakter względny i zależą od wyboru układu odniesienia.

Przedział dss ma tę samą postać w nieskończonej klasie układów odniesienia poruszających się jeden względem drugiego ze stałą prędkością mniejszą niż prędkość światła. Takie układy odniesienia są inercjalne, ponieważ jest w nich spełniona zasada bezwładności. Transformacje z jednego układu inercjalnego do drugiego, z zachowaniem formy przedziału, nazywane są transformacjami Lorentza. Teorię sformułowaną w klasie inercjalnych układów odniesienia bazujących na przedziale dss nazwał A. Einstein szczególną teorią względności. To ograniczone zrozumienie szczególnej teorii względności rozprzestrzeniło się szeroko i przeniknęło prawie wszystkie podręczniki. Jednakże koncepcje leżące u podstaw szczególnej teorii względności obowiązują dokładnie w przypadku przyspieszonych układów odniesienia.

Ponieważ przestrzeń Minkowskiego jest jednorodna i izotropowa, to w języku matematyki ma maksymalnie dziesięcioparametrową grupę ruchu (czteroparametrową grupę przesunięć i sześcioparametrową grupę obrotów), a zatem zasady zachowania zachodzi w nim odpowiednio energia - pęd i moment pędu. Oznacza to, że zawsze można znaleźć nowe zmienne x* będące funkcjami starych zmiennych x takie, że przy przejściu do nich przedział całkowicie zachowuje swoją postać: dss = ?ik(x*)dx*idx*k. Tutaj, w nowych zmiennych x*, wszystkie składowe tensor?ik(x*) metryki są takie same jak poprzednio. Zatem niezmienność kształtu przedziału w przestrzeni Minkowskiego występuje nie tylko dla klasy inercjalnych układów odniesienia, ale także dla dowolnie wybranej klasy przyspieszonych układów odniesienia. Tę własność przestrzeni Minkowskiego formułuje się w postaci uogólnionej zasady względności: „Jakikolwiek fizyczny układ odniesienia wybierzemy (inercyjny czy nieinercyjny), zawsze możemy wskazać nieskończony zbiór innych układów – takich, w których wszystkie zjawiska fizyczne (w tym grawitacyjne) ) zachodzą w ten sam sposób w początkowym układzie odniesienia, więc nie mamy i nie możemy mieć żadnej eksperymentalnej możliwości rozróżnienia, w którym konkretnym układzie odniesienia od tej nieskończonej całości się znajdujemy. nie wykraczajcie poza ramy szczególnej teorii względności. Zasada ta będzie dalej stanowić podstawę relatywistycznej teorii grawitacji, która zostanie omówiona później. Na razie przejdźmy do teorii grawitacji stworzonej przez Einsteina. Omówmy jego podstawowe zasady i trudności.

Przyspieszenie, jakiego doświadcza swobodny punkt materialny w nieinercjalnym układzie odniesienia, wyraża się za pomocą pierwszych pochodnych tensorczyka metrycznego względem współrzędnych i czasu. Odzwierciedla to powszechność sił bezwładności, które powodują przyspieszenie niezależne od masy ciała. Siły grawitacyjne mają dokładnie tę samą właściwość, ponieważ, jak pokazuje doświadczenie, masa grawitacyjna ciała jest równa jego masie bezwładności. Uznając równość mas bezwładności i grawitacji za fundamentalny fakt, Einstein doszedł do wniosku, że pole grawitacyjne, podobnie jak siły bezwładności, powinno być opisywane za pomocą tensora metrycznego. Oznacza to, że pole grawitacyjne charakteryzuje się nie jednym potencjałem skalarnym, ale dziesięcioma funkcjami będącymi składowymi tensora metrycznego. Był to ważny krok w zrozumieniu sił grawitacji, który pozwolił Einsteinowi po wielu latach prób zbudowania teorii grawitacji wysunąć tezę, że czasoprzestrzeń nie jest pseudoeuklidesowa, ale pseudoriemannowska (w przyszłości powiemy po prostu riemannowskie).

Einstein utożsamił pole grawitacyjne z tensorem metrycznym przestrzeni Riemanna. Pomysł ten pozwolił D. Hilbertowi i A. Einsteinowi otrzymać równania pola grawitacyjnego, czyli tensora metrycznego przestrzeni Riemanna. W ten sposób zbudowana została ogólna teoria względności (GR).

Przewidywanie Einsteina dotyczące odchylenia promienia światła w polu Słońca, a następnie eksperymentalne potwierdzenie tego efektu, a także wyjaśnienie przesunięcia peryhelium Merkurego, stało się prawdziwym triumfem ogólnej teorii względności Einsteina . Jednak pomimo swoich sukcesów, GTO niemal od samego początku borykało się z trudnościami.

E. Schrödinger wykazał w 1918 r., że poprzez odpowiedni dobór układu współrzędnych wszystkie składowe charakteryzujące energię pędu pola grawitacyjnego na zewnątrz sferycznie symetrycznego ciała można sprowadzić do zera. Wynik ten początkowo wydał się Einsteinowi zaskakujący, ale potem po analizie odpowiedział następująco: „Co jeśli chodzi o rozważania Schrödingera, to ich przekonywalność polega na analogii z elektrodynamiką, w której napięcia i gęstość energii dowolnego pola są niezerowe. Nie mogę jednak znaleźć powodu, dla którego to samo miałoby dotyczyć pól grawitacyjnych. Pola grawitacyjne można wyznaczać bez wprowadzania napięć i gęstości energii. Albo znowu: „...dla nieskończenie małego obszaru współrzędne można zawsze dobrać w taki sposób, aby nie było w nim pola grawitacyjnego.”

Widzimy, że Einstein świadomie odszedł od klasycznej koncepcji pola jako substancji materialnej, której nawet lokalnie nigdy nie da się zniszczyć poprzez wybór układu odniesienia, i uczynił to w imię lokalnej zasady równoważności sił bezwładności i grawitacji, którą podniósł do rangi zasady podstawowej, choć fizycznej nie było i nie ma ku temu powodu. Wszystko to doprowadziło do wniosku, że nie da się zlokalizować energii grawitacyjnej w przestrzeni.

Kolejna trudność, powiązana z poprzednią, dotyczy sformułowania praw zachowania energii i pędu. Po raz pierwszy zwrócił na to uwagę D. Gilbert. W 1917 roku pisał: „Twierdzę..., że dla ogólnej teorii względności, czyli w przypadku ogólnej niezmienności funkcji Hamiltona, równania energii, które... odpowiadają równaniom energii w teoriach ortogonalnie niezmienniczych (czyli teorii pola w Przestrzeń Minkowskiego) w ogóle nie istnieje. Mógłbym nawet oznaczyć tę okoliczność jako cecha charakterystyczna ogólna teoria względności.” Niestety, to stwierdzenie Hilberta nie zostało zrozumiane przez jego współczesnych, ponieważ ani sam Einstein, ani inni fizycy nie zdawali sobie sprawy, że w ogólnej teorii względności prawa zachowania pędu energii i momentu pędu są w zasadzie niemożliwe.

Ale Einstein jasno rozumiał podstawowe znaczenie praw zachowania pędu energii materii i pola grawitacyjnego razem wziętych i dlatego wcale nie miał zamiaru ich porzucać. W 1918 roku przeprowadził badania w ramach ogólnej teorii względności, w których, jak napisał, „pojęcia energii i pędu są ustalone równie jasno, jak w mechanice klasycznej”. W tym samym roku F. Klein potwierdził wyniki Einsteina. Od tego czasu podczas prezentacji tę kwestię dosłownie podążaj za Einsteinem. Wydawać by się mogło, że problem został całkowicie rozwiązany i Einstein nigdy do niego nie wrócił. Jednak wnikliwa analiza pokazuje, że rozumowanie Einsteina i Kleina zawiera prosty, ale zasadniczy błąd. Jego istota polega na tym, że wartość J?, którą Einstein operował w swoim rozumowaniu, utożsamiając jego składowe z energią i pędem, jest po prostu. równy zeru. Einsteinowi nie było dane widzieć, że przyjęcie GTR koniecznie prowadzi do odrzucenia podstawowych praw zachowania, a to ostatnie, jak pokazaliśmy, prowadzi bezpośrednio do wniosku, że masa bezwładności ciała (w rozumieniu GTR) nie jest równa równa jego aktywnej masie grawitacyjnej. Oznacza to jednak, że ogólna teoria względności nie może wyjaśnić eksperymentalnego faktu równości tych mas, ale Einstein uważał, że to właśnie ten fakt był konsekwencją jego teorii. Okazało się jednak, że tak nie było. Główną przyczyną braku praw zachowania w GTR jest fakt, że w geometrii Riemanna w ogólnym przypadku nie ma grupy ruchu przestrzeni, a zatem nie ma symetrii czasoprzestrzeni prowadzącej do praw zachowania. I choć to ostatnie było dla matematyków niezwykle oczywiste i fizycy najwyraźniej o tym wiedzieli, to jednak brak głębokiego zrozumienia matematycznych źródeł praw zachowania nie pozwolił nam wyciągnąć jedynego prawidłowego wniosku, że praw zachowania nie może być w ogólnej teorii względności. Prace Einsteina i Kleina, o których pisaliśmy powyżej, stworzyły iluzoryczną pewność co do istnienia praw zachowania w ogólnej teorii względności. To zaufanie trwa do dziś. Aparat geometrii Riemanna swoim wdziękiem i pięknem urzekł fizyków zajmujących się grawitacją do tego stopnia, że ​​niemal całkowicie oddzielił ich od rzeczywistości fizycznej.

Nadawanie fizycznego znaczenia konstrukcjom matematycznym bez idei fizycznych jest działaniem bardzo wątpliwym, ale powszechnym w naszych czasach. Zatem przyjęcie koncepcji ogólnej teorii względności prowadzi do odrzucenia szeregu podstawowych zasad leżących u podstaw fizyki. Po pierwsze, jest to odrzucenie łącznie praw zachowania pędu energii i pędu materii oraz pola grawitacyjnego. Po drugie, odmowa przedstawienia pola grawitacyjnego jako klasycznego pola typu Faradaya-Maxwella, które ma gęstość energii i pędu. Dla wielu fizyków zajmujących się ogólną teorią względności jest to nadal niejasne, inni natomiast skłonni są uważać odrzucenie praw zachowania za największe osiągnięcie teorii, która obaliła takie pojęcie jak „energia”. Jednak ani w makro, ani w mikrokosmosie nie ma ani jednego faktu doświadczalnego, który bezpośrednio lub pośrednio podałby w wątpliwość słuszność praw zachowania materii. Bylibyśmy zatem zbyt niepoważni, gdybyśmy celowo porzucili te prawa bez odpowiednich podstaw doświadczalnych. Bez praw zachowania teoria nie może być zadowalająca. Odrzucenie ogólnej teorii względności podyktowane jest zarówno logiką pojęć fizycznych, jak i faktami eksperymentalnymi.

Uznawanie ogólnej teorii względności za coś pewnego ważny etap w badaniu grawitacji można zarysować istotę zasad relatywistycznej teorii grawitacji, zbudowanej w oparciu o podstawowe prawa zachowania.

Relatywistyczna teoria grawitacji (RTG) opiera się na następujących wymaganiach fizycznych. Teoretycznie należy ściśle przestrzegać praw zachowania pędu energii i momentu pędu materii oraz pola grawitacyjnego łącznie. Materia odnosi się do wszystkich form materii (w tym pola elektromagnetycznego) z wyjątkiem grawitacji. Prawa zachowania odzwierciedlają ogólne właściwości dynamiczne materii i umożliwiają wprowadzenie jednolitych charakterystyk dla różnych jej form. Ogólne właściwości dynamiczne materii są zawarte w strukturze geometrii czasoprzestrzeni. Z konieczności okazuje się, że jest to pseudoeuklidesowe (innymi słowy, teoria jest zbudowana w przestrzeni Minkowskiego). Zatem geometria nie jest określona w drodze umowy, jak sądził Poincaré, ale jest jednoznacznie określona przez prawa ochrony. Przestrzeń Minkowskiego, jak już wspomniano, ma czteroparametrową grupę translacji i sześcioparametrową grupę rotacji. Stanowisko to radykalnie odróżnia RTG od ogólnej teorii względności i całkowicie wyprowadza nas z geometrii riemannowskiej. Pole grawitacyjne opisane jest tensorem symetrycznym i jest rzeczywistym polem fizycznym o gęstości energii i pędu. Jeżeli cząstki (kwanty pola) są powiązane z tym polem, to powinny mieć zerową masę spoczynkową, gdyż oddziaływanie grawitacyjne ma charakter dalekiego zasięgu. W tym przypadku kwanty rzeczywiste i wirtualne pola grawitacyjnego mogą mieć stany o spinach 2 i 0.

Ta definicja pola grawitacyjnego przywraca mu rzeczywistość fizyczną, ponieważ nie można go już zniszczyć nawet lokalnie przez wybór układu odniesienia, a zatem nie ma (nawet lokalnej) równoważności między polem grawitacyjnym a siłami bezwładności. Ten wymóg fizyczny zasadniczo odróżnia RTG od ogólnej teorii względności. Einstein w ogólnej teorii względności utożsamiał grawitację z tensorem metrycznym przestrzeni Riemanna, ale droga ta doprowadziła do utraty koncepcji pola grawitacyjnego jako pola fizycznego, a także do utraty praw zachowania. Odrzucenie tego przepisu OWU podyktowane jest przede wszystkim chęcią zachowania tych podstawowych pojęć fizycznych w teorii grawitacji.

Układ równań Maxwella dla pola elektromagnetycznego i równania RTG. Ich podobieństwo jest odzwierciedleniem jednego z głównych zapisów RTG, zgodnie z którym pole grawitacyjne uważa się za pole fizyczne o gęstości energii i pędu. Zamiast tego do teorii wprowadza się zasadę geometryzacji, istotę co brzmi następująco: oddziaływanie pola grawitacyjnego z materią, ze względu na jego powszechność, opisuje się poprzez połączenie tensorowego pola grawitacyjnego Фik z tensorkiem metrycznym przestrzeni Minkowskiego. Zawsze można to zrobić, gdyż niezależnie od tego, jaką formę materii wybierzemy, jej początkowe równania fizyczne będą uwzględniały tensor metryczny przestrzeni Minkowskiego. Nie może być inaczej, gdyż procesy fizyczne zachodzą w czasie i przestrzeni.

Według Einsteina ruch materii zachodzi w czasoprzestrzeni riemannowskiej, natomiast w ogólnej teorii względności nie ma przestrzeni Minkowskiego. Zgodnie z zasadą geometryzacji materia porusza się w przestrzeni Minkowskiego pod wpływem pola grawitacyjnego. Ruch taki jest w istocie równoznaczny z ruchem w jakiejś „efektywnej” przestrzeni riemannowskiej. Pole grawitacyjne wydaje się zmieniać geometrię pozostałych pól. Obecność przestrzeni Minkowskiego w RTG pozwala uznać pole grawitacyjne za zwykłe pole fizyczne w duchu Faradaya-Maxwella z jego typowymi właściwościami nośnika energii i pędu.

Zatem to nie poszczególne fizyczne przejawy ruchu materii, ale jej najbardziej ogólne właściwości dynamiczne determinują strukturę geometrii, która powinna stanowić podstawę teorii fizycznej. W relatywistycznej teorii grawitacji (RTG) geometrię wyznacza się nie na podstawie badania ruchu światła i ciał testowych, ale na podstawie ogólnych właściwości dynamicznych materii - jej praw zachowania, które mają nie tylko fundamentalne znaczenie ale także weryfikowalne doświadczalnie. W tym przypadku ruch ciał świetlnych i testowych wynika z prostego działania pola grawitacyjnego na materię w przestrzeni Minkowskiego. Zatem przestrzeń Minkowskiego i pole grawitacyjne są pojęciami pierwotnymi, pierwotnymi, a „efektywna” przestrzeń riemannowska jest pojęciem wtórnym, wynikającym z powstania pola grawitacyjnego i jego powszechnego oddziaływania na materię. Istota zasady geometryzacji polega na oddzieleniu sił bezwładności i pól grawitacyjnych. Ale to oddzielenie można fizycznie zrealizować tylko wtedy, gdy metryczny tensor przestrzeni Minkowskiego zostanie uwzględniony w równaniach pola grawitacyjnego. W GTR, jak widać bezpośrednio z równań Hilberta-Einsteina, taki rozdział jest niemożliwy, gdyż w geometrii riemannowskiej, na której opiera się GTR, nie ma pojęcia przestrzeni Minkowskiego. Dlatego np. błędne są twierdzenia, że ​​ogólną teorię względności można otrzymać w oparciu o pojęcia przestrzeni Minkowskiego. W zasadzie geometryzacji z jednej strony całkowicie wyklucza się Einsteinowską koncepcję utożsamiania grawitacji z metrycznym tensorem przestrzeni Riemanna, z drugiej strony rozwija się Einsteinowska koncepcja geometrii Riemanna. Jeśli czasoprzestrzeń jest całkowicie określona przez tensor metryczny, wówczas materię charakteryzuje tensor energii i pędu. Każda forma materii ma swój specyficzny wygląd. Całkowity tensor energii i pędu materii i pola grawitacyjnego w przestrzeni Minkowskiego jest tensorem zachowanym. Ze względu na uniwersalny charakter grawitacji powinna ona służyć jako źródło pola grawitacyjnego w równaniach RTG. Kompletny układ równań relatywistycznej teorii grawitacji można formalnie otrzymać z równań Maxwella dla elektrodynamiki, jeśli zamiast wektorowego pola elektromagnetycznego po lewej stronie równań umieścimy tensorowe pole grawitacyjne, a zachowany prąd elektromagnetyczny zastąpimy tensor energii i pędu całej materii.

Oczywiście taki wniosek jest po prostu narzędziem heurystycznym i w żaden sposób nie może wymagać rygoru. Jednak dokładne rozważenie oparte na wcześniej podanych zasadach RTG w połączeniu z lokalną niezmiennością cechowania jednoznacznie prowadzi do właśnie takiego układu 14 równań grawitacyjnych. Cztery dodatkowe równania pola RTG określają fizyczną strukturę pola grawitacyjnego i zasadniczo oddzielają wszystko, co dotyczy sił bezwładności, od wszystkiego, co dotyczy pola grawitacyjnego.

Pozostałe dziesięć równań pokrywa się z równaniami Hilberta-Einsteina, z tą tylko zasadniczą różnicą, że zawarte w nich zmienne pola są funkcjami współrzędnych Minkowskiego. To całkowicie zmienia ich zawartość fizyczną i odróżnia je od ogólnych równań teorii względności. Wszystkie równania są na ogół kowariantne, to znaczy mają tę samą postać we wszystkich układach odniesienia przestrzeni Minkowskiego i wyraźnie zawierają tensor metryczny tej przestrzeni. Oznacza to, że przestrzeń Minkowskiego znajduje odzwierciedlenie nie tylko w prawach konserwatorskich, ale także w opisie zjawiska fizyczne. Wszystkie składowe pola (elektromagnetycznego, grawitacyjnego itp.) w naszej teorii są funkcjami współrzędnych przestrzennych Minkowskiego. Ma to fundamentalne znaczenie. Rozwiązując układ równań pola, ustalamy zależność tensora metrycznego „efektywnej” przestrzeni riemannowskiej zarówno od współrzędnych przestrzeni Minkowskiego, jak i od stałej grawitacyjnej G. Czas właściwy (mierzony przez poruszający się z materią zegar) okazuje się zależeć od współrzędnych przestrzeni Minkowskiego i stałej grawitacji. Zatem przebieg czasu właściwego wyznacza natura pola grawitacyjnego.

Obecność tensora metrycznego przestrzeni Minkowskiego w równaniach pola pozwala oddzielić siły bezwładności od sił grawitacyjnych i we wszystkich przypadkach znaleźć ich wpływ na określone procesy fizyczne. Dlatego przestrzeń Minkowskiego jest fizyczna, a zatem obserwowalna.

Jego charakterystykę, jeśli zajdzie taka potrzeba, zawsze można sprawdzić poprzez odpowiednie przetworzenie danych eksperymentalnych dotyczących ruchu sygnałów świetlnych i ciał testowych w „efektywnej” przestrzeni riemannowskiej. „Jeśli chodzi o to, że linię prostą, podobnie jak promień światła, można zaobserwować bardziej bezpośrednio” – napisał kiedyś V. A. Fok – „nie ma to znaczenia: w definicjach decyduje nie bezpośrednia obserwowalność, ale zgodność z naturą , przynajmniej tę zgodność ustalono na drodze pośrednich wniosków”. Zatem obserwowalność należy rozumieć nie w sposób prymitywny, ale w sposób bardziej ogólny w głębokim sensie jako zgodność z naturą.

Oczywiście RTG w żaden sposób nie wyklucza możliwości opisu materii w „efektywnej” przestrzeni riemannowskiej. Równania RTG zawierają tensor metryczny przestrzeni Minkowskiego, dlatego wszystkie funkcje opisujące pola fizyczne wyrażone są we współrzędnych jednolitych dla całej czasoprzestrzeni Minkowskiego, np. we współrzędnych Galileusza (kartezjańskiego). Równania Hilberta-Einsteina w połączeniu z równaniami wyznaczającymi strukturę pola grawitacyjnego zyskują nowe znaczenie fizyczne, ulegają jednocześnie zmianie i znacznemu uproszczeniu. Prawa zachowania energii pędu materii i pola grawitacyjnego łącznie są konsekwencjami równań RTG i odzwierciedlają pseudoeuklidesową strukturę czasoprzestrzeni. W zasadzie ogólna teoria względności jest pozbawiona tego wszystkiego, ponieważ w geometrii Riemanna, powtarzamy, nie ma pojęcia przestrzeni Minkowskiego.

Teraz - o niektórych fizycznych konsekwencjach RTG. Na początku lat dwudziestych A. A. Friedman rozwiązując równania Hilberta-Einsteina przy założeniu, że gęstość materii w każdym punkcie przestrzeni jest taka sama i zależy tylko od czasu (Wszechświat jednorodny i izotropowy Friedmana), odkrył, że trzy modele nie możliwe są -stacjonarny Wszechświat (modele Wszechświata Friedmanna). Każdy typ Wszechświata jest zdeterminowany zależnością pomiędzy gęstością materii w w tej chwili oraz tzw. gęstość krytyczna, wyznaczana na podstawie pomiarów stałej Hubble'a. Jeśli gęstość materii jest większa od krytycznej, wówczas Wszechświat jest zamknięty i ma skończoną objętość, ale nie ma granic. Jeśli gęstość materii jest mniejsza lub równa gęstości krytycznej, wówczas Wszechświat jest nieskończony.

Na pytanie, który z tych modeli jest realizowany w przyrodzie, ogólna teoria względności w zasadzie nie może dać jednoznacznej odpowiedzi. Według RTG jednorodny i izotropowy Wszechświat Friedmanna jest nieskończony i może być tylko płaski – jego trójwymiarowa geometria jest euklidesowa. W tym przypadku gęstość materii we Wszechświecie jest dokładnie równa gęstości krytycznej. Tym samym RTG przewiduje, że we Wszechświecie powinna znajdować się „ukryta masa”, której gęstość jest prawie 40 razy większa niż gęstość materii obserwowanej obecnie.

Kolejną ważną konsekwencją RTG jest stwierdzenie, że całkowita gęstość energii materii i pola grawitacyjnego we Wszechświecie musi być równa zeru.

Przewidywania RTG dotyczące rozwoju jednorodnego i izotropowego Wszechświata Friedmanna znacznie różnią się od wniosków wynikających z Ogólnej Teorii Względności. Co więcej, z ogólnej teorii względności wynika, że ​​obiekty o masie przekraczającej trzy masy Słońca muszą być nieskończenie ściskane przez siły grawitacyjne (zapadać się) w skończonym okresie właściwego czasu, osiągając nieskończoną gęstość. Obiekty tego typu nazywane są czarnymi dziurami. Nie mają one powierzchni materialnej, dlatego też ciało wpadające do czarnej dziury, przekraczając jej granicę, nie napotka nic poza pustą przestrzenią. Z wnętrza czarnej dziury nawet światło nie może uciec przez jej granicę. Innymi słowy, wszystko, co dzieje się wewnątrz czarnej dziury, w zasadzie nie jest dostępne dla zewnętrznego obserwatora.

J. Wheeler uważał zapadnięcie się grawitacyjne i wynikającą z niego osobliwość (nieskończoną gęstość) za jeden z największych kryzysów wszech czasów w fizyce podstawowej. Relatywistyczna teoria grawitacji radykalnie zmienia poglądy na temat natury zapadnięcia się grawitacji. Prowadzi to do zjawiska grawitacyjnego dylatacji czasu, w wyniku którego ściskanie masywnego ciała w towarzyszącym mu układzie odniesienia następuje w skończonym czasie własny czas. Jednocześnie co najważniejsze, gęstość substancji pozostaje skończona i nie przekracza 1016 g/cm3, jasność ciała maleje wykładniczo, obiekt „staje się czarny”, ale w przeciwieństwie do czarnych dziur zawsze ma materię powierzchnia. Takie obiekty, jeśli powstają, mają złożoną strukturę i nie następuje grawitacyjne „samozamykanie”, w związku z czym materia nie znika z naszej przestrzeni. W RTG czas właściwy spadającego ciała testowego zależy zarówno od współrzędnych przestrzeni Minkowskiego, jak i od stałej grawitacyjnej G, dlatego też o przebiegu czasu właściwego decyduje natura pola grawitacyjnego. To właśnie ta okoliczność powoduje, że właściwy czas opadania ciała testowego zwalnia w nieskończoność w miarę zbliżania się do tzw. promienia Schwarzschilda.

Zatem zdaniem RTG w naturze w zasadzie nie mogą istnieć żadne czarne dziury – obiekty, w których następuje katastrofalnie silna kompresja materii do nieskończonej gęstości i które nie posiadają materialnej powierzchni. Wszystko to zasadniczo odróżnia prognozy RTG od prognoz GR. Ściskanie masywnych obiektów, gdy ciśnienie nie jest równe zero, będzie oczywiście słabsze, ponieważ ciśnienie wewnętrzne zakłóca przyciąganie grawitacyjne. Ewolucja obiektów rzeczywistych wymaga bardziej szczegółowych badań z wykorzystaniem równania stanu materii i jest bardzo ciekawym problemem.

RTG wyjaśnia cały dostępny zestaw danych obserwacyjnych i eksperymentalnych dotyczących efektów grawitacyjnych w Układzie Słonecznym. Szczegółowa analiza pokazuje, że przewidywania Ogólnej Teorii Względności dla efektów grawitacyjnych w Układzie Słonecznym są niejednoznaczne, a dla niektórych efektów dowolność powstaje w zakresie pierwszego rzędu w stałej grawitacyjnej G, a dla innych – w zakresie drugiego rzędu. Jaki jest powód tej niejednoznaczności? W ogólnej teorii względności, aby wyznaczyć składowe tensora metrycznego przestrzeni Riemanna w dowolnych współrzędnych, konieczne jest określenie tzw. warunków współrzędnych, które są bardzo arbitralne i zawsze niekowariantne (odnoszą się tylko do pewnej wybranej współrzędnej system). W zależności od rodzaju tych warunków, w ogólnym przypadku, w tych samych współrzędnych, koniecznie otrzymamy różne tensory metryczne. Jednak różne tensory metryczne w tych samych współrzędnych dadzą również inną geodezję, co oznacza, że ​​przewidywania ogólnej teorii względności dotyczące ruchu światła i ciał testowych również będą różne.

Zatem relatywistyczna teoria grawitacji, zbudowana w oparciu o prawa zachowania i wyobrażenia o polu grawitacyjnym jako polu fizycznym o gęstości energii i pędu, w połączeniu z zasadami geometrii i niezmienności cechowania lokalnego, wyjaśnia wszystkie znane obserwacyjne i eksperymentalne danych na temat grawitacji i daje nowe przewidywania dotyczące rozwoju Wszechświata Friedmanna i zapadnięcia się grawitacji.

Bibliografia

Denisov V.I., Logunov A.A. Współczesne problemy matematyki. Wyniki nauki i techniki. M., 1982.

Landau L. D., Lifshits Krótki kurs fizyka teoretyczna. M., 1969.

Logunov A. A. Nowe pomysły na temat przestrzeni, czasu i grawitacji // Nauka i ludzkość: Rocznik Międzynarodowy. M., 1988.

Logunov A. A. Wykłady z teorii względności i grawitacji. M., 1985.

Logunov A. A. Teoria pola grawitacyjnego. M., 2000 (2001).

Logunov A. A., Loskutov Yu. M. Niejednoznaczność przewidywań ogólnej teorii względności i relatywistycznej teorii grawitacji. M., 1986.

Logunov A. A., Mestvirishvili M. A. Podstawy relatywistycznej grawitacji. M., 1982.

Klein F. O postaci integralnej praw zachowania i teorii świata zamkniętego przestrzennie // zbiór Einsteina 1980–1981. M., 1985.

Fok V. A. Teoria przestrzeni, czasu i grawitacji. M., 1965.

Schrödinger E. Składniki energii pola grawitacyjnego/kolekcja Einsteina. 1980–1981. M., 1985.

Einstein A. Zbiór prac naukowych. M., 1965. T. 1.

Temat nr 201

Transmisja 21.01.03

Czas: 46:00.

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 danym momencie.

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 wynosi zero (materia 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

Najprostsze zadanie mechanika niebiańska jest oddziaływaniem grawitacyjnym dwóch ciał punktowych lub kulistych w pustej przestrzeni. Problem ten w ramach mechaniki klasycznej rozwiązuje się analitycznie w formie zamkniętej; wynik jego rozwiązania często formułuje się w postaci trzech praw 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 układu dużej liczby przyciągających się ciał o w przybliżeniu tej samej masie, nie da się tego zrobić 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 istniały 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 (Hals pulsar – Taylor) – są zgodne z ogólnym modelem teorii 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. Siła 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 szumu pomiarowego 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 ostatnie dziesięciolecia 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 to zrobić 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 dekad nawet takie zjawisko jak grawitacja zostało oddane na służbę ludzkości (oczywiście w pewnym sensie). 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 poruszające 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 ze sobą składniki jądra atomowego. Aby je rozdzielić, trzeba wydać naprawdę kolosalną ilość energii. Jeśli chodzi o elektrony, to są one „przyczepiane” do jądra jedynie za pomocą zwykłych elektronów, aby je zatrzymać, czasami wystarczy energia, która pojawia się w wyniku najzwyklejszej reakcji chemicznej. 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 ​​na osobę lub statek kosmiczny nie wpływa grawitacja jakiegoś masywnego obiektu.

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. każdą 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 jest w pewnym stopniu bardziej przypomina mandarynkę niż kulkę, wartość tej wartości nie jest taka sama we wszystkich jej obszarach. Zatem przyspieszenie jest większe na biegunach i na szczytach wysokie góry staje się mniejszy.

Nawet w przemyśle wydobywczym grawitacja odgrywa ważną rolę. Fizyka tego zjawiska może czasem zaoszczędzić sporo czasu. Dlatego geolodzy są szczególnie zainteresowani ideałem precyzyjna definicja g, gdyż pozwala to na poszukiwanie i odkrywanie złóż kopalin 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

Zrobione w ostatnich latach 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 ustalenia, 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...

W miarę postępu fizyki kwantowej naukowcy dowiadują się coraz 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 Amerykanina marynarka wojenna i Ministerstwo 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 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 zunifikowane, 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 w San Francisco Uniwersytet Państwowy

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 siły grawitacyjne Słońca i Księżyca zrównają się? 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 jest członkiem personelu technicznego w MIT Lincoln Laboratory. 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 Badań Teoretycznych. 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 teorii naukowych 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 „Rethinking Relativity” pisze: „Przy wyborze akceptowalnych teorii często głównym kryterium jest prostota. Ptolemejski system świata w bardziej 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 zajmuje ona duże miejsce. 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.

Słynny 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 kwantowo-mechanicznym, gdy tematy takie jak początek Wielki Wybuch, czyli strukturę czarnych dziur, gdzie rozpad materii zachodzi w bardzo małym obszarze czasoprzestrzeni, a tego, co się tam dzieje, nie da się opisać za pomocą klasycznych teorii. W takich przypadkach warto skorzystać mechanika kwantowa. 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?