Obecná teorie relativity a speciální teorie relativity
Teorie relativity“ je
Obecná teorie relativity byla původněvydal Albert Einstein v roce 1915. Před obecnou relativitou byla gravitace považována za „sílu“, která působí mezi hmotnými objekty.
Einsteinova obecná teorie relativity však tento pohled na gravitaci změnila. Podle obecné teorie relativity se náš vesmír skládá ze 3 prostorových dimenzí + 1 časové dimenze.
Společně tyto dimenze tvoří čtyřrozměrnýkontinuum známé jako struktura časoprostoru. Objekty, které mají hmotnost, vytvářejí zakřivení ve struktuře časoprostoru. Toto zakřivení časoprostoru je zodpovědné za gravitaci.
Obecná teorie relativity (GR)
Obecná teorie relativity popisuje gravitacijako zakřivení časoprostoru. Obecná teorie relativity předpověděla existenci černých děr a jejich vlastnosti ještě dříve, než byly objeveny.
Obecná relativita je založena na poliEinsteinovy rovnice, které jsou nelineární a je velmi obtížné je vyřešit. Podle obecné relativity objekty, které mají hmotnost, ohýbají strukturu časoprostoru. Čím větší je hmotnost, tím větší je ohyb. Obecná relativita má řadu důsledků, které jsou diskutovány níže.
Nejslavnější raný test obecné relativity bylmožné díky úplnému zatmění Slunce v roce 1919. Arthur Eddington ukázal, že zdánlivé polohy hvězd se mění blízko Slunce přesně podle předpovědí obecné relativity
Základní principy obecné relativity:
- Potřeba upravit Newtonovu teorii gravitace
Newtonova klasická teorie gravitace je založena nakoncept gravitace, což je síla dlouhého dosahu: působí okamžitě na jakoukoli vzdálenost. Tato okamžitá povaha akce je neslučitelná s konceptem pole v moderní fyzice. V teorii relativity nemůže žádná interakce cestovat rychleji, než je rychlost světla ve vakuu.
- Princip rovnosti gravitačních a setrvačných hmot
V nerelativistické mechanice existují dva koncepty hmotnosti: první odkazuje na druhý Newtonův zákon a druhý na zákon univerzální gravitace.
První mše- inertní (nebo inerciální) - existuje vztahnegravitačnísíla působící na těleso, aby jej urychlila.Druhá mše- gravitační - určuje sílu přitahování tělesa jinými tělesy a vlastní přitahovací sílu.
Tyto dvě hmotnosti se měří, jak je patrné z popisu,v různých experimentech proto nemusí být vůbec spojeny, a to ještě více - vzájemně úměrně. Jejich experimentálně stanovená přísná proporcionalita však umožňuje hovořit o jediné tělesné hmotě v negravitačních i gravitačních interakcích. Vhodným výběrem jednotek je možné tyto masy navzájem rovnat.
- Princip pohybu podél geodetických čar
Pokud je gravitační hmotnost přesněsetrvačné, pak ve výrazu pro zrychlení těla, na které působí pouze gravitační síly, se obě hmoty redukují. Zrychlení těla, a tedy jeho trajektorie, tedy nezávisí na hmotnosti a vnitřní struktuře těla. Pokud všechna tělesa ve stejném bodě v prostoru obdrží stejné zrychlení, pak toto zrychlení nelze spojit s vlastnostmi těles, ale s vlastnostmi samotného prostoru v tomto bodě.
- Časoprostorové zakřivení
Pokud vypustíte dvě těla ze dvou blízkých bodůvzájemně rovnoběžně, pak se v gravitačním poli postupně začnou k sobě buď přibližovat, nebo vzdalovat. Tento efekt se nazývá odchylka geodetické linie.
Lze pozorovat podobný účinekpřímo, pokud spustíte dvě koule navzájem rovnoběžně po gumové membráně, na které je uprostřed umístěn masivní předmět. Kuličky se rozptýlí: ten, který byl blíže k objektu tlačícího přes membránu, bude mít sklon do středu silněji než vzdálenější míč. Tento nesoulad (odchylka) je způsoben zakřivením membrány.
- Obecná časoprostorová relativita a silný princip ekvivalence
Hlavní rozdíl mezi časoprostorem obecné relativity ačasoprostorový SRT je jeho zakřivení, které je vyjádřeno tenzorovou veličinou - tenzorem zakřivení. V časoprostoru SRT se tento tenzor shodně rovná nule a časoprostor je plochý.
Z tohoto důvodu to není úplně správnénázev "obecná teorie relativity". Tato teorie je pouze jednou z řady teorií gravitace, kterými se v současnosti fyzikové zabývají, zatímco speciální teorie relativity (přesněji její princip metriky časoprostoru) je vědeckou komunitou obecně přijímána a tvoří základní kámen základ moderní fyziky.
Žádná z ostatních rozvinutých teorií gravitace, kromě obecné relativity, neobstála ve zkoušce času a experimentu, to znamená, že všechny, s výjimkou obecné relativity, zůstaly pouze hypotézami.
Speciální teorie relativity (SRT)
Než půjdeme dále, musíme to nejprve pochopitpohyb je relativní.Představte si například, že stojíte na pěšině a vidíte autobus projíždějící po silnici nějakou konstantní rychlostí „v“.
Nyní pro lidi v autobuse každý z nichodpočívá ve vztahu k sobě navzájem. Ale pro vás se všichni pohybují s autobusem určitou rychlostí „v“. Osoba, která se zdá pozorovateli nehybně v jednom referenčním rámci, se nemusí nutně zdát nehybná jinému pozorovateli v jiném referenčním rámci - pohyb tedy není absolutní, ale relativní.
- Synchronizace času
SRT postuluje možnost stanoveníjednotný čas v rámci tohoto inerciálního referenčního systému synchronizačním postupem dvou hodin umístěných v libovolných bodech ISO (inerciální systém hlášení).
- Zarovnání jednotky
Aby bylo zajištěno, že měření jsou prováděna v různých ISOlze vzájemně porovnávat, je nutné koordinovat jednotky měření mezi referenčními systémy. Jednotky délky tak mohou být konzistentní porovnáním délkových standardů ve směru kolmém k relativnímu pohybu inerciálních referenčních soustav.
Může to být například nejkratší vzdálenostmezi trajektoriemi dvou částic pohybujících se rovnoběžně s osami x a x’ a mající různé, ale konstantní souřadnice (y, z) a (y’,z’). Ke koordinaci časových jednotek můžete použít identicky konstruované hodiny, například atomové.
- Prostor a čas jsou homogenní
Přírodní zákony jsou stejné ve všech souřadnicových systémech pohybujících se přímočaře a jednotně vůči sobě navzájem. Znamená to, žeformulářzávislost fyzikálních zákonů načasoprostorové souřadnice musí být stejné ve všech ISO, to znamená, že zákony jsou neměnné s ohledem na přechody mezi ISO. Princip relativity zakládá rovnost všech ISO.
Vzhledem k druhému Newtonovu zákonu lze argumentovatže pokud je rychlost určitého tělesa v daném IFR konstantní (zrychlení je nulové), pak musí být konstantní ve všech ostatních IFR. Někdy se to bere pro definici inerciálních referenčních systémů.
- Princip stálosti rychlosti světla
Princip konstantní rychlosti světla je v rozporuklasická mechanika a konkrétně zákon sčítání rychlostí. Při odvození posledně jmenovaného je použit pouze Galileův princip relativity a implicitní předpoklad stejného času ve všech ISO.
Z platnosti druhého postulátu tedy vyplývá, že čas musí býtrelativní- není to stejné v různých ISO.Z toho nutně vyplývá, že „vzdálenosti“ musí být také relativní. Ve skutečnosti, pokud světlo urazí vzdálenost mezi dvěma body za nějaký čas a v jiném systému - v jiném čase a navíc stejnou rychlostí, pak z toho vyplývá, že vzdálenost v tomto systému musí být jiná.
Co je podstatou nové „teorie všeho“?
Dva profesoři formulovali novou teoriiInženýrství na NC State University: Larry M. Silverberg a Jeffrey W. Eischen. Výsledky své práce a matematický aparát, který vytvořili, publikovali v časopise Physics Essays.
Popsat interakci hmoty, prostoruAmeričtí vědci zavedli koncept „energetického fragmentu“. To je podle nich základní a nedělitelná struktura, ze které se skládá celý nám známý Vesmír – od subatomárních částic až po hvězdy a galaxie.
Silverberg a Aishen navrhují udělat následujícíkrok v chápání světa lidstvem. Podle nich na současné úrovni ve fyzice existuje dichotomie vlny a částice. Ten druhý – prvek hmoty – existuje v určitém bodě prostoru. Zatímco vlna existuje všude kromě bodu, odkud byla vysílána.
„Fragmenty energie“ spojují tyto dvě entity.Podle autorů článku energie vždy „proudí“ oblastmi prostoru a času. Tyto toky nikde nezačínají ani nekončí, ani se nikdy neprotínají.
Myšlenka streamů, které byly pojmenovány„Fragmenty energie“ vznikly při pokusu o matematický popis nekonečně tekoucí energie. Teorie je založena na nejefektivnějším modelu. Toky v něm jsou určeny jednoduchou rovnicí A = -⍺ / r, kde ⍺ je intenzita ar je funkcí vzdálenosti.
Jeffrey a Larry jako důkaz aplikovali svá zjištění na dvě z nejslavnějších potvrzení Einsteinovy teorie. Je to o kalkulacianomální precese perihélia MerkuruAgravitační výchylka světla.
Abnormální posunutí perihelionu Merkuru- rys pohybu objevený v roce 1859planeta Merkur, která sehrála výjimečnou roli v dějinách fyziky. Tento posun se ukázal být prvním pohybem nebeského tělesa, které se neřídilo Newtonovým zákonem univerzální gravitace. Fyzici byli postaveni před nutnost hledat způsoby, jak upravit nebo zobecnit teorii gravitace.
Hledání bylo korunováno úspěchem v roce 1915, kdyAlbert Einstein vyvinul obecnou teorii relativity (GR); z rovnic obecné relativity následovala přesně stejná hodnota posunutí, která byla ve skutečnosti pozorována. Později byla změřena podobná posunutí oběžných drah několika dalších nebeských těles, jejichž hodnoty se shodovaly také s těmi, které předpovídala obecná relativita.
Gravitační vychylování světla - změna směru šíření světla vgravitační pole. Je to důsledek zásady rovnocennosti. Poprvé to vypočítal A. Einstein v roce 1916. Důležitým důsledkem gravitačního vychýlení světla je účinek gravitační čočky v astronomii.
Je nová teorie jednodušší a pohodlnější?
Výsledky získané s přihlédnutím k „fragmentům energie“ se shodovaly s výsledky v rámci teorie relativity. Zda byly jednodušší, není uvedeno.
Hodnocení světové vědecké komunity
Protože je veřejně dostupná pouze krátká verzeprezentace teorie, je těžké posoudit, jak moc teorie Silverberga a Aishena obstojí v kritice. Larryho esej je zveřejněna na The Conversation a poskytuje pouze dva důkazy.
Pokud přitahuje práce amerických vědcůdostatečná pozornost vědecké komunity, možná vznikne diskuse. V jejím průběhu se ukáže, jak užitečná je nová teorie pro vědu, ať už je nadbytečná, nebo zda obsahuje zásadní nedostatky.
Přečtěte si více:
Potrat a věda: co se stane s dětmi, které porodí
NASA zveřejnila fotografii Země z Měsíce, která byla pořízena v roce 1968
Podívejte se na nejkrásnější obrázky Hubbla. Co viděl dalekohled za 30 let?