Erirelatiivsusteooria (STR).
SRT põhineb kahel põhimõttel või postulaadil, mis ei selgita, miks asjad peaksid juhtuma just nii ja mitte teisiti. Nende aktsepteerimisele rajatud teooria võimaldab aga täpselt kirjeldada maailmas toimuvaid sündmusi.
Kõik füüsikalised seadused peavad kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides välja nägema ühesugused.
Valguse kiirus vaakumis ei muutu, kui valgusallika liikumisseisund muutub.
Esimesest põhimõttest tulenevad tagajärjed:
- · Mitte ainult mehaanilise liikumise seadused, nagu see oli klassikalises mehaanikas, vaid ka teiste füüsikaliste nähtuste seadused peaksid kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides ühesugused välja nägema või ilmnema.
- · Kõik inertsiaalsed referentssüsteemid on võrdsed. Seetõttu ei ole eelistatud tugiraamistikku, olgu selleks Maa või eeter.
Eetri kui absoluutse võrdlussüsteemi kontseptsioonil puudub füüsiline tähendus.
Teisest põhimõttest tulenevad tagajärjed:
- · Maailmas ei ole lõpmatult suurt füüsikalise interaktsiooni levimise kiirust.
- · Füüsilises maailmas ei toimu vastastikmõju valguse kiirust ületavatel kiirustel koheselt.
SRT kahest põhimõttest koos tulenevad tagajärjed:
- · Maailmas ei toimu samaaegseid sündmusi.
- · Ruumi ja aega on võimatu käsitleda üksteisest sõltumatute füüsilise maailma omadustena.
Lorentzi teisendustel on füüsiline tähendus. Ruzavin G.I. Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid: õpik ülikoolidele. - M.: Kultuur ja sport, ÜHTSUS, 2006.
Ruumi ja aja seose tõestust saab illustreerida järgmise näitega, mille puhul tuleb silmas pidada, et SRT järgi levib valgus kõigis inertsiaalsetes tugikaadrites ühesuguse kiirusega. Oletame, et füüsikaliste sündmuste kirjeldamisel on kaks võrdset inertsiaalset referentssüsteemi, st igaüks annab objektiivse kirjelduse: raudteeplatvormil seisev inimene (hooldaja) ja sama kiirusega liikuva rongi reisija. platvormile ja statsionaarsele hooldajale. Reisija pea kohal on elektripirn, mis vilgub hetkel, kui vaguni aknal istuv reisija ja perroonil seisev majahoidja satuvad rongi liikumisel täpselt vastakuti. Klassikaline mehaanika kirjeldab seda sündmust järgmiselt.
Ajal on absoluutne tähendus, seega ei sõltu see sündmuste ruumilisest liikumisest. Hooldaja seisab, reisija liigub, aga aja rütm on neil sama. STO pakub veel ühe lahenduse:
Vagunis oleva reisija jaoks jõuab valgus korraga vaguni mõlemale seinale, kuna kõigis inertsiaalsetes võrdlusraamides liigub valgus igas suunas sama kiirusega.
Hooldajal on teistsugune seisukoht. Ta ütleb, et valgus jõuab tagaseinani (rongi edenedes liigub valguse poole) varem kui vaguni esiseinani, kuna see jõuab sellele rongi edenedes järele.
Lisaks, kui paned rongi valvuri ja reisija kellale ette sama aja, siis jaamavalvuri jaoks näitab vaguni tagaseinal olev kell kella sihverplaadil olevast erinevat aega. esisein. Need näitavad, et valgus jõuab tagaseinani enne esiseina. Järelikult käivad mõned kellad kiiremini, teised aeglasemalt. Seega on ruum ja aeg SRT järgi omavahel seotud ega ole absoluutsed, nagu oli Galileo ja Newtoni puhul, vaid suhtelised: kella kiirus sõltub selle asukohast ruumis, tema asukoha asukoht ruumis mõjutab kella kiirus.
Teenindusjaamade puudused:
See käsitleb ainult inertsiaalseid võrdlussüsteeme. Kuid enamik võrdlussüsteeme on reaalses elus mitteinertsiaalsed (kiirendus ja kiirus muutuvad ajas).
See ei võta arvesse gravitatsioonijõu mõju valgusele Nende STR-i puuduste kõrvaldamise otsingud viisid GTR-i loomiseni.
Üldrelatiivsusteooria (GTR).
Üldrelatiivsusteooria põhineb kahel põhimõttel või postulaadil:
- · Relatiivsusteooria põhimõte.
- · Raskete ja inertsete kehamasside samaväärsuse põhimõte.
Esimene põhimõte ütleb, et füüsikaseadused peaksid olema ühesuguse kujuga mitte ainult inertsiaalsetes, vaid ka mitteinertsiaalsetes tugisüsteemides, st inertsiaalseid tugiraamistikke ei tohiks pidada privilegeeritud tugiraamistikeks, nagu seda tegi klassikaline mehaanika. . Analüüsides sama kiirendusega liikuvaid mitteinertsiaalseid referentssüsteeme, jõudis Einstein ootamatule järeldusele, et nendes süsteemides tekib gravitatsiooninähtusega sarnane nähtus ühtlases gravitatsiooniväljas. Homogeenne gravitatsiooniväli on omamoodi abstraktsioon või idealiseerimine. Sellel väljal on gravitatsioonijõul sama suurusjärk kõigis selle suundades ja igas punktis. Seda sarnasust arvesse võttes jõudis A. Einstein järeldusele, et gravitatsiooni saab tekitada või hävitada üleminekul kiirendusega liikuvale referentssüsteemile. Näiteks kui inimene on akendeta liftis väljaspool gravitatsioonijõudu, siis on ta kaaluta olekus. Kõik teda ümbritsevad objektid ja teda ennast ei tõmba liftikorrusele. Kui tõmbate lifti vaimselt köie abil üles kiirusega, mis on võrdne Maa vaba langemise kiirendusega, siis tunneb see inimene gravitatsioonijõu mõju, mis on sarnane gravitatsioonijõule ühtlases gravitatsiooniväljas, kus igas punktis on kehade vabalangemise kiirendus sama suur. Tegelikult on välise tugiraamistiku põhjal õige öelda, et lift, selle korrus, liigub inimese ja selles olevate objektide poole.
Raske ja inertse massi samaväärsuse põhimõte. See põhimõte sisaldab vastust küsimusele, mille Einstein endale esitas: millest sõltub gravitatsiooni toime, kuidas see määratakse? Newtoni füüsikas sõltub gravitatsioon ainult kehade massist. Galileo poolt avastatud kehade vaba langemise seadusest järeldub, et keha raske ja inertse massi vahel on proportsionaalne seos, mis võimaldab eeldada, et nende kehamasside vahel pole olulist erinevust, kui räägime gravitatsioonijõu mõju.
Kuna kogu soojus langeb olenemata nende kaalust sama kiirendusega, viitab see sellele, et kehade inertsiaalmass on võrdeline nende gravitatsioonimassiga. Suhtumine Mi ? mi (kus mi on mis tahes keha inertsiaalmass, Mi on sama keha gravitatsioonimass) jääb kehade vabalangemise ajal konstantseks kõigil temperatuuridel, sõltumata nende tegelikust füüsikalisest olemusest (puidust või metallist jne). Ungari füüsik Eötvös tõestas 1890. aastal eksperimentaalselt Galileo-Newtoni füüsika oletuse paikapidavust keha proportsionaalsete inertsiaal- ja gravitatsioonimasside kohta. Newtoni puhul oli see suhe alla 10-8 (M1,/m1< 10-8). В дальнейшем эта величина оказалась еще меньше, что позволяет говорить о равенстве, эквивалентности этих масс тела.
Analüüsides keha inertsiaalse ja raske massi proportsionaalse vastavuse füüsikalist tähendust, samuti gravitatsioonijõu toime sarnasust konstantse kiirendusega liikuvas mitteinertsiaalses tugisüsteemis tekkiva nähtusega, Einstein jõudis järeldusele, et gravitatsioonijõud ei sõltu kehade massist. Loomulikult tekkis küsimus: millest see sõltub? Einstein andis sellele küsimusele järgmise vastuse: teoreetilisest vaatenurgast on alust väita, et gravitatsioonijõud on samaväärne ruumi kõverusega ja ruumi kõverus on samaväärne gravitatsiooni toimega. Selles lahenduses antakse inertsjõule, mida Newtoni füüsikas peeti ebareaalseks jõuks, reaalne staatus. Näiteks rongi liikumisel jälgivad reisijad rongist väljapoole jäävate objektide näivat liikumist vastassuunas. Einsteini teooria annab sellele jõule tõelise tähenduse. Oletame, et on olemas lift, mis on kinnitatud trossi külge nii, et selles paiknevaid objekte gravitatsioonijõud ei mõjuta. Seejärel asuvad objektid liftikorruse suhtes samal joonel. Trossi läbilõikamise hetkel tekib inertsiaalne jõud, mis kipub säilitama iga objekti algset asendit liftis. Kuna gravitatsioonijõud on suunatud Maa keskpunkti poole, ei ole iga liftiobjekti inertsiaaljõu suund sama, vaid sõltub selle kaugusest lifti keskpunktist. Mõne objekti puhul on see suunatud ülespoole, kus gravitatsioonijõud on Maa keskpunktiga risti. Teistes kohtades liftis on inertsiaaljõu suund gravitatsioonijõu suuna suhtes teatud nurga all. Selle tulemusena muutub langeva lifti sees olev ruum kõveraks. Vaatlejale väljaspool lifti ei asu objektid põrandaga paralleelsel sirgel horisontaalsel joonel, vaid kõverjoonel. Valgus sellises ruumis ei levi mitte sirgjooneliselt, nagu SRT nõuab, vaid mööda kõverat joont.
Üldrelatiivsusteooria tagajärjed.
Valgus kõveras aegruumis ei saa levida sama kiirusega, nagu nõuab SRT. Gravitatsiooniallika lähedal levib see aeglasemalt kui sellest kaugel.
Gravitatsiooniallikale lähenedes kella kiirus aeglustub.
Struktuuris ruum - aeg - energia (aine, väli, kiirgus) on võimalikud moodustised, struktuurid, kus gravitatsioonijõud, mida kujutab kõverustensori vastav väärtus, on nii tugev, et energia ei saa sellest struktuurist välja pääseda, nagu omamoodi "must auk" valguse, välja ja aine kujul. Einsteini gravitatsioonivõrrand sisaldab 10 komponendist koosnevat "energia-impulsi" tensorit, mis kirjeldab keha kiirendust liikuvas keskkonnas. Lisades sellele tensorile info (komponendid) liikuvas keskkonnas endas mõjuvate jõudude kohta, kus keha asub, saadakse võrrandisüsteem Universumis toimuvate evolutsiooniprotsesside kirjeldamiseks.
Loonud üldrelatiivsusteooria, osutas A. Einstein kolmele nähtusele, mille seletused tema ja Newtoni teooriaga andsid erinevaid tulemusi: Merkuuri orbiidi tasandi pöörlemine, Päikese lähedalt mööduvate valguskiirte kõrvalekaldumine ja punanihe. massiivsete kehade pinnalt kiirgava valguse spektrijoontest. Merkuuri orbiidi tasandi pöörlemise mõju avastas astronoom Leverrier (1811-1877). Newtoni teooria ei andnud sellele nähtusele seletust. Jutt käib Merkuuri orbiidi tasandi pöörlemisest ümber ellipsi peatelje, mida mööda Merkuur ümber Päikese liigub.
A. Einsteini üldrelatiivsusteooria järgi ei saa planeedid, mis sooritavad täispöörde ümber Päikese, naasta samasse kohta, vaid liiguvad veidi ettepoole ja nende orbiidid pöörlevad aeglaselt oma tasapinnas. Seda mõju ennustas A. Einstein. Arvutuste kontrollimine langes täpselt kokku üldrelatiivsusteooria ennustustega. Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid : õpik üliõpilastele / toim. V.N. Lavrinenko, V.P. Ratnikova. - 4. väljaanne, muudetud. ja täiendav - M.: UNITY-DANA, 2008.
Mõõteväljade teooria loomise idee on tihedalt seotud üldrelatiivsusteooria arenguga. Saksa matemaatik G. Weyl (1862--1943) sõnastas oma töös “Ruum, aeg ja mateeria” (1918) põhimõtte, mille kohaselt peavad füüsikalised seadused olema muutumatud (oma kujuga) skaala muutuste suhtes. mõõtmine aegruumisüsteemides.aine. Mõõtmisskaalade teisenemine või muutus võib aegruumi struktuurides olla kas homogeenne või ebahomogeenne ühest punktist teise.
Ebahomogeenseid teisendusi nimetatakse gabariiditeisendusteks. Üldrelatiivsusteoorias ei sõltu pikkus- ja ajaskaala vaatleja asukohast, ajast ja liikumisolekust. G. Weyli teooria lubab aegruumi struktuurides lihtsalt ajaskaalade muutmist.
Kumerat ruumi võib ette kujutada järgmiselt. Kui venitate õhukese kummitüki ja asetate selle keskele raske eseme, vajub selle all olev kumm alla. Kui nüüd veeretada väikest palli mööda seda klappi, tõmmatakse see süvendi poole. Kui süvend on sügav, pöörleb pall selle süvendi moodustanud objekti ümber.
Esimene füüsik, kes võttis entusiastlikult vastu tegevuskvanti avastamise ja arendas selle loovalt välja, oli A. Einstein. 1905. aastal kandis ta hiilgava idee kvantiseeritud energia neeldumisest ja vabanemisest soojuskiirguse ajal üle kiirgusele üldiselt ja seega põhjendas ta uut valgusdoktriini. Kui M. Planck (1900) kvantiseeris ainult materjali ostsillaatori energiat, siis Einstein võttis kasutusele idee valguskiirguse enda diskreetsest kvantstruktuurist, pidades viimast valguskvantide ehk footonite vooluks (fotoniteooria valgus). Seega vastutab Einstein 1922. aastal A. Comptoni eksperimentaalselt avastatud footoni teoreetilise avastamise eest.
Idee valgusest kui kiiresti liikuvate kvantide voost oli äärmiselt julge, peaaegu julge ja vähesed uskusid selle õigsusse. Esiteks ei nõustunud M. Planck ise kvanthüpoteesi laiendamisega valguse kvantteooriale, viidates oma kvantvalemis vaid enda käsitletud musta keha soojuskiirguse seadustele.
A. Einstein tegi ettepaneku, et me räägime universaalse olemusega loodusseadusest. Vaadamata tagasi optikas valitsevatele seisukohtadele, rakendas ta Plancki hüpoteesi valguse kohta ja jõudis järeldusele, et valguse korpuskulaarne struktuur tuleks ära tunda. Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid : õpik üliõpilastele / toim. V.N. Lavrinenko, V.P. Ratnikova. - 4. väljaanne, muudetud. ja täiendav - M.: UNITY-DANA, 2008.
A. Einsteini valguse kvantteooria ehk footoniteooria väitis, et valgus on lainenähtus, mis ruumis pidevalt levib. Ja samas on valgusenergia, et olla füüsiliselt efektiivne, koondunud ainult teatud kohtadesse, seega on valgusel katkendlik struktuur. Valgust võib käsitleda kui jagamatute energiaterade, valguskvantide või footonite voogu. Nende energia määrab Plancki tegevuse elementaarkvant ja vastav arv vibratsioone. Erinevat värvi valgus koosneb erineva energiaga valguskvantidest.
Einsteini idee valguskvantidest aitas mõista ja visualiseerida fotoelektrilise efekti nähtust, mille põhiolemus on elektronide väljalöömine ainest elektromagnetlainete mõjul. Katsed on näidanud, et fotoelektrilise efekti olemasolu või puudumist ei määra mitte langeva laine intensiivsus, vaid selle sagedus. Kui eeldada, et iga elektroni lööb välja üks footon, siis saab selgeks järgmine: efekt ilmneb ainult siis, kui footoni energia ja järelikult ka sagedus on piisavalt kõrge, et ületada elektroni ja aine vahelised sidumisjõud. .
Fotoelektrilise efekti sellise tõlgenduse õigsus (selle töö eest sai Einstein 1922. aastal Nobeli füüsikapreemia) leidis 10 aastat hiljem kinnitust Ameerika füüsiku R.E. Millikan (1868 - 1953). Avastas 1923. aastal Ameerika füüsik A.H. Compton (1892–1962) nähtus (Comptoni efekt), mida täheldatakse vabade elektronidega aatomite kokkupuutel väga kõva röntgenikiirgusega, kinnitas taas ja lõpuks valguse kvantteooriat. See teooria on üks eksperimentaalselt enim kinnitatud füüsikalisi teooriaid. Kuid valguse laineline olemus oli interferentsi ja difraktsiooni katsetega juba kindlalt kindlaks tehtud.
Tekkis paradoksaalne olukord: avastati, et valgus ei käitu mitte ainult laine, vaid ka kehakeste vooluna. Difraktsiooni- ja interferentsikatsetes ilmnevad selle laineomadused ja fotoelektrilises efektis selle korpuskulaarsed omadused. Sel juhul osutus footon väga eriliseks korpuskliks. Selle diskreetsuse põhiomadus – selle omane energiaosa – arvutati puhtalt lainekarakteristiku – sageduse – kaudu.
Nagu kõik suured loodusteaduslikud avastused, oli ka uuel valgusdoktriinil fundamentaalne teoreetiline ja epistemoloogiline tähtsus. Vana seisukoht looduslike protsesside järjepidevuse kohta, mida M. Planck põhjalikult kõigutas, tõrjus Einstein välja palju suuremast füüsikanähtuste väljast.
Kaasaegne relativistlik kosmoloogia ehitab Universumi mudeleid, alustades A. Einsteini poolt üldises relatiivsusteoorias (GTR) kasutusele võetud gravitatsiooni põhivõrrandist. Likhin A.F. Kaasaegse loodusteaduse mõisted: õpik. - M.: TK Welby, kirjastus Prospekt, 2006.
Üldrelatiivsusteooria põhivõrrand seob ruumi geomeetria (täpsemalt meetrilise tensori) aine tiheduse ja jaotumisega ruumis. Esimest korda teaduses ilmus universum füüsilise objektina. Teooria sisaldab selle parameetreid: mass, tihedus, suurus, temperatuur.
Einsteini gravitatsioonivõrrandil pole mitte ühte, vaid palju lahendusi, mis seletab paljude universumi kosmoloogiliste mudelite olemasolu. Esimese mudeli töötas välja A. Einstein 1917. aastal. Ta lükkas tagasi Newtoni kosmoloogia postulaadid ruumi absoluutsuse ja lõpmatuse kohta. Vastavalt A. Einsteini kosmoloogilisele Universumi mudelile on maailmaruum homogeenne ja isotroopne, aine jaotub selles keskmiselt ühtlaselt ning masside gravitatsioonilist külgetõmmet kompenseerib universaalne kosmoloogiline tõukejõud. A. Einsteini mudel on olemuselt statsionaarne, kuna ruumimeetrikat peetakse ajast sõltumatuks. Universumi olemasolu on lõpmatu, s.t. sellel pole algust ega lõppu ning ruum on piiritu, kuid piiratud.
Universum A. Einsteini kosmoloogilises mudelis on paigal, ajas lõpmatu ja ruumis piiritu.
See mudel tundus tol ajal üsna rahuldav, kuna see oli kooskõlas kõigi teadaolevate faktidega. Kuid A. Einsteini välja pakutud uued ideed ergutasid edasist uurimist ja peagi muutus probleemi käsitlus otsustavalt.
Samal 1917. aastal pakkus Hollandi astronoom W. de Sitter (1872-1934) välja teise mudeli, mis oli ühtlasi ka gravitatsioonivõrrandite lahendus. Sellel lahendusel oli omadus, et see eksisteeriks isegi siis, kui oleks olemas "tühi" ainevaba universum. Kui sellisesse universumisse ilmusid massid, siis lakkas lahendus olemast paigal: masside vahel tekkis mingi kosmiline tõuge, mis kippus neid üksteisest eemale viima. Paisumise tendents sai W. de Sitteri sõnul märgatavaks alles väga suurte vahemaade tagant.
1922. aastal ilmus vene matemaatik ja geofüüsik A.A. Friedman (1888 - 1925) lükkas tagasi klassikalise kosmoloogia postulaadi Universumi statsionaarsest olemusest ja sai lahenduse A. Einsteini võrranditele, mis kirjeldavad universumit "paisuva" ruumiga.
Einsteini relatiivsusteooria kvantgravitatsioon
Üldrelatiivsusteooria koos erirelatiivsusteooriaga on Albert Einsteini hiilgav töö, kes 20. sajandi alguses muutis füüsikute suhtumist maailma. Sada aastat hiljem on üldrelatiivsusteooria maailma fundamentaalne ja kõige olulisem füüsikateooria, mis koos kvantmehaanikaga väidab end olevat üks kahest "kõige teooria" nurgakivist. Üldrelatiivsusteooria kirjeldab gravitatsiooni kui aegruumi (üldises relatiivsusteoorias üheks tervikuks ühendatud) kõveruse tagajärge massi mõjul. Tänu üldrelatiivsusteooriale on teadlased tuletanud palju konstante, katsetanud hunnikut seletamatuid nähtusi ja jõudnud selliste asjadeni nagu mustad augud, tumeaine ja tumeenergia, Universumi paisumine, Suur Pauk ja palju muud. GTR pani veto ka valguse kiiruse ületamisele, püüdes meid sellega sõna otseses mõttes meie ümbrusesse (Päikesesüsteemi), kuid jättis lünga ussiaukude näol – lühikesed võimalikud teed läbi aegruumi.
Revolutsiooniline füüsik kasutas oma kuulsaima ja elegantseima võrrandi leidmiseks pigem oma kujutlusvõimet kui keerukat matemaatikat. Einstein on tuntud kummaliste, kuid tõeste nähtuste ennustamise poolest, nagu astronaudid kosmoses vananevad aeglasemalt kui inimesed Maal ja tahkete objektide kuju, mis muutuvad suure kiirusega.
Huvitav on aga see, et kui võtta kätte koopia Einsteini 1905. aasta relatiivsusteooria algupärasest paberist, on seda üsna lihtne dešifreerida. Tekst on lihtne ja selge ning võrrandid on enamasti algebralised – iga gümnaasiumiõpilane saab neist aru.
Seda seetõttu, et keeruline matemaatika ei olnud kunagi Einsteini tugevaim külg. Ta armastas visuaalselt mõelda, oma kujutlusvõimes katseid teha ja neid läbi mõelda, kuni füüsilised ideed ja põhimõtted kristallselgeks said.
Siit said alguse Einsteini mõtteeksperimendid, kui ta oli vaid 16-aastane, ja kuidas need viisid ta lõpuks kaasaegse füüsika kõige revolutsioonilisema võrrandini.
Selleks ajaks Einsteini elus oli tema halvasti varjatud põlgus oma saksa juurte ja Saksamaa autoritaarsete õpetamismeetodite vastu juba oma osa võtnud ning ta oli keskkoolist välja visatud, mistõttu kolis ta Zürichisse lootuses osaleda Šveitsi Föderaalses Instituudis. Tehnoloogia (ETH).
Kuid kõigepealt otsustas Einstein veeta ühe aasta ettevalmistusi naaberlinna Aarau koolis. Siinkohal avastas ta end peagi mõtlemast, mis tunne oleks valgusvihu kõrval joosta.
Einstein oli juba füüsikatunnis õppinud, mis on valguskiir: võnkuvate elektri- ja magnetväljade kogum, mis liigub kiirusega 300 000 kilomeetrit sekundis, valguse mõõdetud kiirus. Kui ta jookseks läheduses sama kiirusega, mõistis Einstein, võib ta enda kõrval näha palju võnkuvaid elektri- ja magnetvälju, mis oleksid justkui kosmosesse tardunud.
Kuid see oli võimatu. Esiteks rikuksid statsionaarsed väljad Maxwelli võrrandeid, matemaatilisi seadusi, mis on aluseks kõigele, mida füüsikud teadsid elektrist, magnetismist ja valgusest. Need seadused olid (ja on siiani) üsna ranged: kõik lained neil väljadel peavad liikuma valguse kiirusel ega tohi paigal seista, ei mingeid erandeid.
Mis veelgi hullem, statsionaarsed väljad ei sobinud relatiivsusprintsiibiga, mis oli füüsikutele teada juba Galilei ja Newtoni päevilt 17. sajandil. Põhimõtteliselt ütleb relatiivsuspõhimõte, et füüsikaseadused ei saa sõltuda sellest, kui kiiresti te liigute: saate mõõta ainult ühe objekti kiirust teise suhtes.
Kuid kui Einstein seda põhimõtet oma mõtteeksperimendis rakendas, tekkis vastuolu: relatiivsusteooria järgi pidi kõik, mida ta valguskiire lähedal liikudes näeb, sealhulgas statsionaarsed väljad, olema midagi ilmalikku, mida füüsikud võivad laboris luua. Kuid keegi pole seda kunagi täheldanud.
See probleem kummitab Einsteini veel 10 aastat, kuna ta õppis ja töötas ETH-s ning kolis edasi Šveitsi pealinna Berni, kus temast sai Šveitsi patendiameti eksamineerija. Seal lahendab ta paradoksi lõplikult.
1904: Liikuva rongi valguse mõõtmine
See ei olnud kerge. Einstein proovis kõiki lahendusi, mida ta suutis mõelda, kuid miski ei töötanud. Peaaegu meeleheitel hakkas ta mõtlema lihtsa, kuid samas radikaalse lahenduse peale. Võib-olla töötasid Maxwelli võrrandid kõige jaoks, arvas ta, kuid valguse kiirus oli alati olnud konstantne.
Teisisõnu, kui näete valguskiirt mööda lendamas, pole vahet, kas selle allikas liigub teie poole, teist eemale, teist eemale või kuhugi mujale, ja pole vahet, kui kiiresti selle allikas on. liigub. Valguse kiirus, mida mõõdate, on alati 300 000 kilomeetrit sekundis. Muuhulgas tähendas see seda, et Einstein ei näe kunagi statsionaarseid võnkuvaid välju, kuna ta ei suuda kunagi tabada valguskiirt.
See oli ainus viis, kuidas Einstein nägi Maxwelli võrrandite ja relatiivsusprintsiibi ühitamist. Esmapilgul oli sellel lahendusel aga oma saatuslik viga. Hiljem selgitas ta seda teise mõtteeksperimendiga: kujutage ette kiirt, mis lastakse mööda raudteetammi, samal ajal kui rong möödub samas suunas näiteks kiirusega 3000 kilomeetrit sekundis.
Keegi muldkeha lähedal seisja peaks mõõtma valgusvihu kiirust ja saama standardarvuks 300 000 kilomeetrit sekundis. Kuid keegi rongis näeb valgust liikumas kiirusega 297 000 kilomeetrit sekundis. Kui valguse kiirus ei ole konstantne, peaks Maxwelli võrrand vankri sees teistsugune välja nägema, järeldas Einstein ja siis rikutaks relatiivsuspõhimõtet.
See näiline vastuolu andis Einsteinile pea aastase pausi. Kuid siis, ühel ilusal 1905. aasta maikuu hommikul, kõndis ta tööle koos oma parima sõbra Michel Bessoga, inseneriga, keda ta teadis Zürichi tudengipõlvest saadik. Kaks meest rääkisid nagu alati Einsteini dilemmast. Ja äkki nägi Einstein lahendust. Ta töötas selle kallal terve öö ja kui nad järgmisel hommikul kohtusid, ütles Einstein Bessole: "Aitäh. Ma lahendasin probleemi täielikult."
Mai 1905: välk tabab liikuvat rongi
Einsteini ilmutus seisnes selles, et suhtelises liikumises olevad vaatlejad tajuvad aega erinevalt: on täiesti võimalik, et ühe vaatleja seisukohalt toimuvad kaks sündmust üheaegselt, kuid teise vaatleja seisukohast eri aegadel. Ja mõlemal vaatlejal on õigus.
Hiljem illustreeris Einstein oma seisukohta teise mõtteeksperimendiga. Kujutage ette, et vaatleja seisab taas raudtee kõrval ja temast kihutab mööda rong. Sel hetkel, kui rongi keskpunkt vaatlejast möödub, lööb välk rongi mõlemasse otsa. Kuna välk lööb vaatlejast samal kaugusel, siseneb nende valgus tema silmadesse samal ajal. Oleks aus öelda, et välk lööb üheaegselt.
Samal ajal istub teine vaatleja täpselt rongi keskel. Tema vaatenurgast läbib kahe välgutabamuse valgus sama kaugele ja valguse kiirus on igas suunas sama. Aga kuna rong liigub, peab tagumisest välgust tulev valgus läbima suurema vahemaa, mistõttu jõuab see vaatlejani mõni hetk hiljem kui algusest peale tulnud valgus. Kuna valgusimpulsid saabuvad erinevatel aegadel, siis võib järeldada, et välgulöögid ei ole üheaegsed – üks toimub kiiremini.
Einstein mõistis, et just see samaaegsus on suhteline. Ja kui te sellega nõustute, lahendatakse kummalised efektid, mida me praegu relatiivsusteooriaga seostame, lihtsa algebra abil.
Einstein pani oma mõtted palavikuliselt kirja ja esitas oma töö avaldamiseks. Pealkiri oli "Liikuvate kehade elektrodünaamikast" ja see peegeldas Einsteini katset ühendada Maxwelli võrrandid relatiivsuspõhimõttega. Besso pälvis erilise tänu.
September 1905: mass ja energia
See esimene töö ei jäänud aga viimaseks. Einstein oli relatiivsusteooria kinnisideeks kuni 1905. aasta suveni ja septembris esitas ta avaldamiseks teise töö, seekord tagantjärele.
See põhines teisel mõtteeksperimendil. Kujutage ette puhkeasendit, ütles ta. Kujutage nüüd ette, et see kiirgab samaaegselt kahte identset valgusimpulssi vastassuundades. Objekt jääb paigale, kuid kuna iga impulss kannab teatud hulga energiat minema, siis objektis sisalduv energia väheneb.
Nüüd kirjutas Einstein, kuidas see protsess liikuva vaatleja jaoks välja näeks? Tema vaatenurgast jätkab objekt lihtsalt sirgjoonelist liikumist, samal ajal kui kaks impulssi ära lendavad. Kuid isegi kui kahe impulsi kiirus jääb samaks – valguse kiirus – on nende energia erinev. Impulssil, mis liigub edasi liikumissuunas, on suurem energia kui sellel, mis liigub vastupidises suunas.
Lisades veidi algebrat, näitas Einstein, et selle järjekindluse tagamiseks ei pea objekt kaotama mitte ainult valgusimpulsside väljasaatmisel energiat, vaid ka massi. Või peaks mass ja energia olema omavahel asendatavad. Einstein kirjutas üles võrrandi, mis neid ühendab. Ja sellest sai kõige kuulsam võrrand teaduse ajaloos: E = mc 2.
Einsteini relatiivsusteooria on mulle alati tundunud abstraktne ja arusaamatu. Proovime kirjeldada Einsteini relatiivsusteooriat lihtsate sõnadega. Kujutage ette, et viibite õues tugeva vihmaga ja tuul puhub teie selja tagant. Kui hakkad kiiresti jooksma, ei lange vihmapiisad selga. Tilgad tulevad aeglasemalt või ei ulatu üldse selga, see on teaduslikult tõestatud tõsiasi ja vihmasajuga saad seda ise kontrollida. Kujutage nüüd ette, kui pööraksite ümber ja jookseksite vihmaga vastutuult, tabaksid piisad teie riideid ja nägu tugevamini, kui lihtsalt seistes.
Teadlased arvasid varem, et valgus toimib tuulise ilmaga nagu vihm. Nad arvasid, et kui Maa liiguks ümber Päikese ja Päike liiguks ümber galaktika, siis oleks võimalik mõõta nende liikumise kiirust ruumis. Nende arvates tuleb neil vaid mõõta valguse kiirust ja selle muutumist kahe keha suhtes.
Teadlased tegid seda ja leidis midagi väga imelikku. Valguse kiirus oli sama, olenemata sellest, kuidas kehad liikusid ja mis suunas mõõtmisi tehti.
See oli väga imelik. Kui võtta olukorda vihmasajuga, siis tavaolukorras mõjutavad vihmapiisad olenevalt sinu liigutustest rohkem või vähem. Nõus, oleks väga imelik, kui vihmasadu puhuks sulle võrdse jõuga selga nii jooksmisel kui ka peatumisel.
Teadlased on avastanud, et valgusel ei ole samu omadusi kui vihmapiiskadel või muul universumis. Olenemata sellest, kui kiiresti te liigute ja mis suunas liigute, jääb valguse kiirus alati samaks. See on väga segane ja ainult Albert Einstein suutis seda ebaõiglust valgustada.
Einstein ja teine teadlane Hendrik Lorentz leidsid, et on ainult üks viis selgitada, kuidas see kõik juhtuda saab. See on võimalik ainult siis, kui aeg aeglustub.
Kujutage ette, mis juhtuks, kui aeg teie jaoks aeglustuks ja te ei teaks, et liigute aeglasemalt. Tunnete, et kõik muu toimub kiiremini., kõik teie ümber liigub nagu filmis edasikerimisega.
Kujutagem nüüd ette, et olete jälle tuulise vihmasaju käes. Kuidas on võimalik, et vihm mõjutab sind samamoodi isegi siis, kui jooksed? Selgub, et kui sa üritasid vihma eest põgeneda, siis teie aeg aeglustuks ja vihm kiireneks. Vihmapiisad tabaksid selga sama kiirusega. Teadlased nimetavad seda aega dilatatsiooniks. Ükskõik kui kiiresti te ka ei liiguks, teie aeg aeglustub, vähemalt valguse kiiruse puhul on see väljend tõsi.
Mõõtmete duaalsus
Teine asi, mille Einstein ja Lorentz välja mõtlesid, oli see, et kaks inimest erinevates tingimustes võivad saada erinevad arvutatud väärtused ja kõige kummalisem on see, et neil mõlemal on õigus. See on veel üks kõrvalmõju, kui valgus liigub alati sama kiirusega.
Teeme mõtteeksperimendi
Kujutage ette, et seisate oma toa keskel ja olete paigaldanud lambi otse ruumi keskele. Kujutage nüüd ette, et valguse kiirus on väga aeglane ja näete, kuidas see liigub, kujutage ette, et lülitate lambi põlema.
Niipea, kui lambi sisse lülitate, hakkab valgus levima ja süttima. Kuna mõlemad seinad on samal kaugusel, jõuab valgus mõlemale seinale korraga.
Kujutage nüüd ette, et teie toas on suur aken ja teie sõber sõidab mööda. Ta näeb midagi muud. Talle tundub, et teie tuba liigub paremale ja kui lülitate lambi sisse, näeb ta vasakpoolset seina liikumas valguse poole. ja parem sein eemaldub valgusest. Ta näeb, et valgus tabas kõigepealt vasakut seina ja seejärel paremat. Talle tundub, et tuli ei valgustanud mõlemat seina korraga.
Einsteini relatiivsusteooria järgi saavad mõlemad seisukohad õiged. Teie vaatevinklist tabab valgus mõlemat seina korraga. Teie sõbra vaatenurgast pole see nii. Pole midagi valesti.
Seetõttu ütlevad teadlased, et "samaaegsus on suhteline". Kui mõõdate kahte asja, mis peaksid juhtuma samal ajal, siis ei saa keegi, kes liigub erineva kiirusega või erinevas suunas, neid samamoodi mõõta kui teie.
See tundub meile väga kummaline, sest valguse kiirus on meie jaoks hetkeline ja me liigume sellega võrreldes väga aeglaselt. Kuna valguse kiirus on nii suur, ei märka me valguse kiirust enne, kui teeme spetsiaalseid katseid.
Mida kiiremini objekt liigub, seda lühem ja väiksem see on
Veel üks väga kummaline kõrvalmõju et valguse kiirus ei muutu. Valguse kiirusel muutuvad liikuvad asjad lühemaks.
Jällegi kujutame ette, et valguse kiirus on väga aeglane. Kujutage ette, et reisite rongis ja olete vaguni keskele lambi paigaldanud. Kujutage nüüd ette, et lülitate lambi põlema, nagu toas.
Valgus levib ja jõuab samaaegselt nii auto ees kui ka taga seintele. Nii saate isegi vankri pikkust mõõta, mõõtes, kui kaua kulus valguse mõlemale poole jõudmiseks.
Teeme arvutused:
Kujutagem ette, et 10 meetri läbimiseks kulub 1 sekund ja valguse levimiseks lambist vankri seinale kulub 1 sekund. See tähendab, et lamp asub 10 meetri kaugusel auto mõlemast küljest. Kuna 10 + 10 = 20, siis see tähendab, et auto pikkus on 20 meetrit.
Kujutagem nüüd ette, et teie sõber on tänaval ja vaatab möödasõitvat rongi. Pidage meeles, et ta näeb asju erinevalt. Vankri tagasein liigub lambi poole ja esisein eemaldub sellest. Nii ei puuduta tuli korraga auto esi- ja tagaseina. Valgus jõuab kõigepealt taha ja seejärel ette.
Seega, kui mõõdate koos sõbraga valguse levimise kiirust lambist seintele, saate erinevaid väärtusi, kuid teaduslikust seisukohast on mõlemad arvutused õiged. Ainult sinul on mõõtude järgi vankri pikkus sama suur, aga sõbral on vankri pikkus väiksem.
Pidage meeles, et kõik sõltub sellest, kuidas ja millistel tingimustel te mõõtmisi teete. Kui viibiksite valguse kiirusel liikuva raketi sees, ei tunneks te midagi ebatavalist, erinevalt teie liikumist mõõtvatest maapealsetest inimestest. Sa ei saaks arugi, et aeg liigub sinu jaoks aeglasemalt või et laeva esi- ja tagaosa olid järsku teineteisele lähedasemaks saanud.
Samas, kui sa lendaksid raketiga, siis sulle tunduks, nagu lendaksid kõik planeedid ja tähed sinust valguskiirusel mööda. Sel juhul, kui proovite mõõta nende aega ja suurust, siis loogiliselt võttes peaks nende jaoks aeg aeglustuma ja nende suurused vähenema, eks?
See kõik oli väga kummaline ja arusaamatu, aga Einstein pakkus välja lahenduse ja ühendas kõik need nähtused üheks relatiivsusteooriaks.
Nad ütlevad, et Albert Einsteinil oli hetkega epifaania. Väidetavalt sõitis teadlane Bernis (Šveits) trammiga, vaatas tänavakella ja mõistis järsku, et kui tramm nüüd valguse kiirusele kiirendaks, siis tema tajumisel see kell peatuks - ja aega polekski. See viis ta sõnastamiseni relatiivsusteooria ühe keskse postulaadi – et erinevad vaatlejad tajuvad tegelikkust erinevalt, sealhulgas selliseid fundamentaalseid suurusi nagu kaugus ja aeg.
Teaduslikult öeldes mõistis Einstein sel päeval, et iga füüsilise sündmuse või nähtuse kirjeldus sõltub sellest võrdlussüsteemid, milles vaatleja asub. Kui trammireisija näiteks kukub prillid maha, siis tema jaoks kukuvad need vertikaalselt alla ja tänaval seisval jalakäijal kukuvad prillid alla paraboolina, kuna prillide kukkumise ajal liigub tramm. Igaühel on oma tugiraamistik.
Kuid kuigi sündmuste kirjeldused muutuvad ühest raamistikust teise liikudes, on ka universaalseid asju, mis jäävad muutumatuks. Kui klaaside kukkumise kirjeldamise asemel esitada küsimus nende kukkumist põhjustava loodusseaduse kohta, siis on vastus sellele sama nii statsionaarses koordinaatsüsteemis kui ka liikuvas koordinaadis vaatlejal. süsteem. Hajutatud liikumise seadus kehtib võrdselt nii tänaval kui trammis. Teisisõnu, kui sündmuste kirjeldamine sõltub vaatlejast, siis loodusseadused temast ei sõltu, st nagu teaduskeeles tavaliselt öeldakse, muutumatu. See on see, mida see kõik puudutab relatiivsuspõhimõte.
Nagu iga hüpoteesi, tuli ka relatiivsuspõhimõtet testida, seostades seda reaalsete loodusnähtustega. Relatiivsusprintsiibist tuletas Einstein kaks eraldiseisvat (ehkki omavahel seotud) teooriat. Eri- või erirelatiivsusteooria tuleneb seisukohast, et loodusseadused on ühesugused kõikidele konstantsel kiirusel liikuvatele referentssüsteemidele. Üldrelatiivsusteooria laiendab seda põhimõtet mis tahes tugiraamistikule, sealhulgas neile, mis liiguvad koos kiirendusega. Erirelatiivsusteooria ilmus 1905. aastal ja matemaatiliselt keerukama üldrelatiivsusteooria lõpetas Einstein 1916. aastaks.
Erirelatiivsusteooria
Enamiku paradoksaalsetest ja intuitiivsetest mõjudest, mis ilmnevad valguse kiirusele lähedasel kiirusel liikudes, ennustab erirelatiivsusteooria. Tuntuim neist on kella aeglustamise efekt ehk aja laiendamise efekt. Vaatleja suhtes liikuv kell läheb tema jaoks aeglasemalt kui täpselt sama kell tema kätes.
Aeg koordinaatsüsteemis, mis liigub vaatleja suhtes valguse kiirusele lähedase kiirusega, venitatakse ja objektide ruumiline ulatus (pikkus) piki liikumissuuna telge, vastupidi, surutakse kokku. See efekt, tuntud kui Lorentz-Fitzgeraldi kontraktsioon, kirjeldas 1889. aastal Iiri füüsik George Fitzgerald (1851-1901) ja laiendas 1892. aastal hollandlane Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgeraldi reduktsioon selgitab, miks Michelson-Morley eksperiment Maa liikumise kiiruse määramiseks avakosmoses "eetri tuule" mõõtmise abil andis negatiivse tulemuse. Hiljem lülitas Einstein need võrrandid erirelatiivsusteooriasse ja täiendas neid sarnase massi teisendusvalemiga, mille kohaselt suureneb ka keha mass, kui keha kiirus läheneb valguse kiirusele. Seega kiirusel 260 000 km/s (87% valguse kiirusest) kahekordistub objekti mass puhkealal paikneva vaatleja seisukohast.
Alates Einsteini ajast on kõik need ennustused, ükskõik kui vastuolus terve mõistusega ka ei tundu, leidnud täielikku ja otsest eksperimentaalset kinnitust. Ühes kõige paljastavamas eksperimendis asetasid Michigani ülikooli teadlased regulaarseid üle Atlandi lende tegeva lennuki pardale ülitäpsed aatomkellad ning pärast iga kodulennujaama naasmist võrdlesid nad oma näitu kontrollkellaga. Selgus, et lennuki kell jäi tasapisi kontrollkellast aina enam maha (nii-öelda, kui räägime sekundi murdosadest). Viimase poole sajandi jooksul on teadlased uurinud elementaarosakesi tohutute riistvarakomplekside abil, mida nimetatakse kiirenditeks. Nendes kiirendatakse laetud subatomiliste osakeste (nagu prootonid ja elektronid) kiired valguse kiirusele lähedase kiiruseni, seejärel tulistatakse erinevate tuumasihtmärkide pihta. Sellistes kiirendites tehtud katsetes on vaja arvestada kiirendatud osakeste massi suurenemisega - vastasel juhul ei anna katse tulemused lihtsalt mõistlikku tõlgendamist. Ja selles mõttes on erirelatiivsusteooria juba ammu liikunud hüpoteetiliste teooriate kategooriast rakenduslike inseneritööriistade valdkonda, kus seda kasutatakse samaväärselt Newtoni mehaanikaseadustega.
Tulles tagasi Newtoni seaduste juurde, tahaksin eriti märkida, et kuigi erirelatiivsusteooria on väliselt vastuolus klassikalise Newtoni mehaanika seadustega, reprodutseerib see tegelikult peaaegu täpselt kõik tavalised Newtoni seaduste võrrandid, kui seda rakendada liikuvate kehade kirjeldamisel. valguse kiirusest oluliselt väiksematel kiirustel. See tähendab, et erirelatiivsusteooria ei tühista Newtoni füüsikat, vaid laiendab ja täiendab seda.
Relatiivsusteooria põhimõte aitab mõista ka seda, miks selles maailma struktuurimudelis nii olulist rolli mängib valguse kiirus, mitte ükski teine – seda küsivad paljud neist, kes esimest korda valguse kiirusega kokku puutusid. relatiivsusteooria. Valguse kiirus paistab silma ja omab erilist rolli universaalse konstandina, sest selle määrab loodusteaduslik seadus. Relatiivsuspõhimõttest tulenevalt valguse kiirus vaakumis c on sama mis tahes võrdlussüsteemis. See näib olevat vastuolus terve mõistusega, kuna selgub, et liikuvast allikast (ükskõik kui kiiresti see liigub) ja paigalseisvast allikast tulev valgus jõuab vaatlejani samal ajal. See on aga tõsi.
Tänu oma erilisele rollile loodusseadustes on valguse kiirusel üldrelatiivsusteoorias keskne koht.
Üldrelatiivsusteooria
Üldrelatiivsusteooria kehtib kõigi võrdlussüsteemide kohta (ja mitte ainult nende suhtes, mis liiguvad üksteise suhtes konstantsel kiirusel) ja näib matemaatiliselt palju keerulisem kui eriteooria (mis seletab üheteistaastase vahe nende avaldamise vahel). See hõlmab erijuhuna erirelatiivsusteooriat (ja seega ka Newtoni seadusi). Samas läheb üldine relatiivsusteooria palju kaugemale kui kõik tema eelkäijad. Eelkõige annab see gravitatsiooni uue tõlgenduse.
Üldrelatiivsusteooria muudab maailma neljamõõtmeliseks: kolmele ruumimõõtmele lisandub aeg. Kõik neli mõõdet on lahutamatud, seega ei räägi me enam kahe objekti vahelisest ruumilisest kaugusest, nagu see on kolmemõõtmelises maailmas, vaid sündmuste vahelistest aegruumi intervallidest, mis ühendavad oma kauguse üksteisest – mõlemad ajas ja ruumis. See tähendab, et ruumi ja aega käsitletakse neljamõõtmelise aegruumi kontiinumina või lihtsalt aegruumi. Selles kontiinuumis võivad üksteise suhtes liikuvad vaatlejad isegi eriarvamusel olla selles, kas kaks sündmust toimusid samaaegselt või kas üks eelnes teisele. Meie vaese mõistuse õnneks ei jõua see põhjus-tagajärg seoste rikkumiseni – ehk isegi üldine relatiivsusteooria ei luba koordinaatsüsteemide olemasolu, milles kaks sündmust ei toimuks samaaegselt ja erinevalt. järjestused.
Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus ütleb meile, et universumi mis tahes kahe keha vahel on vastastikune külgetõmbejõud. Sellest vaatenurgast pöörleb Maa ümber Päikese, kuna nende vahel toimivad vastastikused tõmbejõud. Üldrelatiivsusteooria sunnib meid aga sellele nähtusele teisiti vaatama. Selle teooria kohaselt on gravitatsioon aegruumi elastse koe deformatsiooni (“kõveruse”) tagajärg massi mõjul (mida raskem on keha, näiteks Päike, seda rohkem aegruum “paindub” alla. see ja vastavalt, seda tugevam on selle gravitatsioonijõuväli). Kujutage ette tihedalt venitatud lõuendit (omamoodi batuut), millele asetatakse massiivne pall. Kuuli raskuse all lõuend deformeerub ja selle ümber moodustub lehtrikujuline lohk. Üldrelatiivsusteooria järgi tiirleb Maa ümber Päikese nagu väike kuul, mis on lastud veerema ümber lehtri koonuse, mis tekkis raske palli – Päikese – aegruumi “tõukamise” tulemusena. Ja see, mis meile tundub gravitatsioonijõuna, on tegelikult sisuliselt aegruumi kõveruse puhtalt väline ilming, mitte aga newtoni arusaamise järgi jõud. Siiani pole gravitatsiooni olemuse kohta paremat selgitust kui üldine relatiivsusteooria.
Üldrelatiivsusteooria testimine on keeruline, kuna tavalistes laboritingimustes on selle tulemused peaaegu täpselt samad, mida Newtoni gravitatsiooniseadus ennustab. Sellegipoolest viidi läbi mitmeid olulisi katseid ja nende tulemused lubavad teooriat kinnitatuks lugeda. Lisaks aitab üldrelatiivsusteooria seletada nähtusi, mida me kosmoses jälgime, nagu Merkuuri väikesed kõrvalekalded paigalseisvast orbiidist, mis on klassikalise Newtoni mehaanika seisukohalt seletamatud, või kaugete tähtede elektromagnetkiirguse paindumine selle läbimisel. Päikese vahetus läheduses.
Tegelikult erinevad üldrelatiivsusteooria ennustatud tulemused märkimisväärselt Newtoni seaduste järgi ennustatud tulemustest ainult ülitugevate gravitatsiooniväljade olemasolul. See tähendab, et üldise relatiivsusteooria täielikuks testimiseks vajame väga massiivsete objektide ülitäpseid mõõtmisi või musti auke, mille puhul ükski meie tavaline intuitiivne idee ei kehti. Seega jääb eksperimentaalfüüsika üheks olulisemaks ülesandeks uute eksperimentaalsete meetodite väljatöötamine relatiivsusteooria testimiseks.
GTO ja RTG: mõned aktsendid
1. Lugematutes raamatutes – monograafiates, õpikutes ja populaarteaduslikes väljaannetes, aga ka erinevat tüüpi artiklites – on lugejad harjunud nägema viiteid üldisele relatiivsusteooriale (GTR) kui meie sajandi ühele suurimale saavutusele, imelisele. teooria, tänapäevase füüsika ja astronoomia asendamatu tööriist. Samal ajal saavad nad A. A. Logunovi artiklist teada, et tema arvates tuleks GTR-ist loobuda, et see on halb, ebajärjekindel ja vastuoluline. Seetõttu nõuab GTR asendamist mõne teise teooriaga ja täpsemalt A. A. Logunovi ja tema kaastöötajate konstrueeritud relativistliku gravitatsiooniteooriaga (RTG).
Kas selline olukord on võimalik, kui paljud inimesed eksivad oma hinnangus enam kui 70 aastat eksisteerinud ja uuritud GTR-ile ning ainult vähesed inimesed eesotsas A. A. Logunoviga said tõesti aru, et GTR tuleb ära visata? Tõenäoliselt ootab enamik lugejaid vastust: see on võimatu. Tegelikult saan vastata ainult täpselt vastupidiselt: “see” on põhimõtteliselt võimalik, sest me ei räägi religioonist, vaid teadusest.
Erinevate religioonide ja usutunnistuste rajajad ja prohvetid lõid ja loovad oma “pühad raamatud”, mille sisu on kuulutatud ülimaks tõeks. Kui keegi kahtleb, siis seda hullem on tema jaoks ketser ja sellest tulenevad tagajärjed, sageli isegi verised. Parem on üldse mitte mõelda, vaid uskuda, järgides ühe kirikujuhi tuntud valemit: "Ma usun, sest see on absurdne." Teaduslik maailmavaade on põhimõtteliselt vastupidine: see nõuab mitte midagi enesestmõistetavana, lubab kõiges kahelda ega tunnista dogmasid. Uute faktide ja kaalutluste mõjul pole mitte ainult võimalik, vaid ka vajalik, kui see on põhjendatud, muuta oma seisukohta, asendada ebatäiuslik teooria täiuslikumaga või, ütleme, kuidagi üldistada vana teooriat. Sarnane on olukord ka üksikisikute puhul. Religioossete doktriinide rajajaid peetakse eksimatuks ja näiteks katoliiklaste seas tunnistatakse eksimatuks isegi elav inimene - "valitsev" paavst. Teadus ei tunne eksimatuid inimesi. Suurel, mõnikord isegi erakordsel lugupidamisel, mida füüsikud (selguse mõttes räägin füüsikutest) oma eriala suurte esindajate, eriti selliste titaanide nagu Isaac Newton ja Albert Einstein vastu, ei ole kuidagi seotud pühakute kanoniseerimisega. jumalikustamine. Ja suured füüsikud on inimesed ja kõigil inimestel on oma nõrkused. Kui me räägime teadusest, mis meid siin ainult huvitab, siis ei olnud suurimatel füüsikutel alati kõiges õigus, nende austamine ja nende teenete tunnustamine ei põhine mitte eksimatusel, vaid sellel, et neil õnnestus teadust rikastada märkimisväärsete saavutustega. , et näha kaugemale ja sügavamale kui nende kaasaegsed.
2. Nüüd on vaja peatuda füüsikaliste fundamentaalsete teooriate nõuetel. Esiteks peab selline teooria olema oma rakendatavuse osas täielik või, nagu ma lühidalt ütlen, olema järjepidev. Teiseks peab füüsikateooria olema füüsilise reaalsusega adekvaatne või lihtsamalt öeldes kooskõlas katsete ja vaatlustega. Võib nimetada ka muid nõudeid, eeskätt matemaatika seaduste ja reeglite järgimist, kuid see kõik on vihjatud.
Selgitagem öeldut klassikalise, mitterelativistliku mehaanika näitel - Newtoni mehaanika, mida rakendatakse mõne "punktosakese" liikumise põhimõtteliselt lihtsamale probleemile. Nagu teada, võib sellise osakese rolli taevamehaanika probleemides täita terve planeet või selle satelliit. Laske hetkes sisse t 0 osake on punktis A koordinaatidega xiA(t 0) ja sellel on kiirus v iA(t 0) (Siin i= l, 2, 3, sest punkti asukohta ruumis iseloomustavad kolm koordinaati ja kiirus on vektor). Siis, kui kõik osakesele mõjuvad jõud on teada, võimaldavad mehaanika seadused määrata asukoha B ja osakeste kiirus v i igal järgneval ajal t st leida täpselt määratletud väärtused xiB(t) ja v iB(t). Mis juhtuks, kui kasutatud mehaanika seadused ei annaks ühemõttelist vastust ja näiteks meie näites ennustasid nad, et osake hetkel t võib asuda kas punktis B või hoopis teises kohas C? On selge, et selline klassikaline (mitte-kvantide) teooria oleks puudulik või mainitud terminoloogias vastuoluline. Seda tuleks kas täiendada, muutes selle üheselt mõistetavaks, või üldse ära visata. Newtoni mehaanika, nagu öeldud, on järjekindel – see annab üheselt mõistetavad ja täpselt määratletud vastused küsimustele oma pädevus- ja rakendusvaldkonnas. Newtoni mehaanika rahuldab ka teist mainitud nõuet – selle alusel saadud tulemused (ja täpsemalt koordinaatväärtused x i(t) ja kiirus v i (t)) on kooskõlas vaatluste ja katsetega. Seetõttu põhines kogu taevamehaanika – planeetide ja nende satelliitide liikumise kirjeldus – esialgu täielikult ja täie eduga Newtoni mehaanikal.
3. Kuid 1859. aastal avastas Le Verrier, et Päikesele lähima planeedi Merkuuri liikumine erineb mõnevõrra Newtoni mehaanika ennustatust. Täpsemalt selgus, et periheel – planeedi elliptilise orbiidi Päikesele lähim punkt – pöörleb nurkkiirusega 43 kaaresekundit sajandis, mis erineb sellest, mida võiks eeldada, kui võtta arvesse kõiki teadaolevaid häireid teistelt planeetidelt ja nende satelliidid. Juba varem puutusid Le Verrier ja Adams kokku sisuliselt sarnase olukorraga tol ajal teadaoleva Päikesest kõige kaugema planeedi Uraani liikumist analüüsides. Ja nad leidsid seletuse arvutuste ja vaatluste lahknevusele, mis viitab sellele, et Uraani liikumist mõjutab veelgi kaugem planeet, mida nimetatakse Neptuuniks. 1846. aastal avastati Neptuun tegelikult oma ennustatud asukohast ja seda sündmust peetakse õigustatult Newtoni mehaanika võidukäiguks. Täiesti loomulikult püüdis Le Verrier nimetatud anomaaliat Merkuuri liikumises seletada veel tundmatu planeedi olemasoluga – antud juhul siis kindla planeediga Vulcan, mis liigub Päikesele veelgi lähemale. Kuid teist korda "trikk ebaõnnestus" - Vulkaanit pole olemas. Seejärel hakati püüdma muuta Newtoni universaalse gravitatsiooniseadust, mille järgi gravitatsioonijõud Päikese-planeedi süsteemile rakendudes muutub vastavalt seadusele.
kus ε on mingi väike väärtus. Muide, sarnast tehnikat kasutatakse (kuigi edutult) meie päevil mõne ebaselge astronoomiaküsimuse selgitamiseks (räägime varjatud massi probleemist; vt nt tsiteeritud autori raamatut “Füüsikast ja astrofüüsikast” allpool, lk 148). Kuid selleks, et hüpotees areneks teooriaks, on vaja lähtuda mõnest printsiibist, näidata parameetri ε väärtus ja koostada järjepidev teoreetiline skeem. See ei õnnestunud kellelgi ja Merkuuri periheeli pöörlemise küsimus jäi lahtiseks kuni 1915. aastani. Just siis, keset Esimest maailmasõda, kui nii vähesed tundsid huvi füüsika ja astronoomia abstraktsete probleemide vastu, viis Einstein (umbes 8-aastase intensiivse pingutuse järel) lõpule üldise relatiivsusteooria loomise. Seda viimast GTR-i aluse ehitamise etappi käsitleti kolmes lühikeses artiklis, millest teatati ja mis kirjutati 1915. aasta novembris. Neist teises, 11. novembril teatatud, arvutas Einstein üldrelatiivsusteooria alusel Merkuuri periheeli lisatiheduse võrreldes Newtoni omaga, mis osutus võrdseks (radiaanides planeedi pöörde kohta ümber päike)
Ja c= 3·10 10 cm s –1 – valguse kiirus. Viimasele avaldisele (1) liikudes kasutati Kepleri kolmandat seadust
| a 3 = | GM ☼ | T 2 |
| 4π 2 |
Kus T– planeedi revolutsiooni periood. Kui asendame valemiga (1) kõigi suuruste parimad hetkel teadaolevad väärtused ja teeme ka elementaarse teisenduse radiaanidest pöörde kohta pöördeks kaaresekundites (märk ″) sajandi kohta, siis saame väärtuse Ψ = 42 ″,98 / sajand. Vaatlused nõustuvad selle tulemusega praegu saavutatud täpsusega umbes ± 0″,1 / sajandil (Einstein kasutas oma esimeses töös vähem täpseid andmeid, kuid vea piirides saavutas ta teooria ja vaatluste vahel täieliku kokkuleppe). Valem (1) on toodud ülal, esiteks selleks, et teha selgeks selle lihtsus, mis matemaatiliselt keerulistes füüsikalistes teooriates, sealhulgas paljudel juhtudel üldrelatiivsusteoorias, nii sageli puudub. Teiseks, ja see on peamine, on punktist (1) selge, et periheeli pöörlemine tuleneb üldrelatiivsusteooriast, ilma et oleks vaja kaasata uusi tundmatuid konstante või parameetreid. Seetõttu sai Einsteini saadud tulemusest tõeline üldrelatiivsusteooria triumf.
Minu teadaolevas parimas Einsteini biograafias on väljendatud ja põhjendatud arvamus, et Merkuuri periheeli pöörlemise seletus oli "kõige võimsam emotsionaalne sündmus Einsteini kogu teaduslikus elus ja võib-olla kogu tema elus". Jah, see oli Einsteini parim tund. Aga ainult enda pärast. Mitmel põhjusel (piisab, kui mainida sõda) oli GR enda jaoks nii selle teooria kui ka selle looja maailmaareenile pääsemiseks "parim tund" veel üks sündmus, mis leidis aset 4 aastat hiljem – 1919. aastal. Fakt on see, et et samas töös, milles valem (1) saadi, tegi Einstein olulise ennustuse: Päikese lähedalt mööduvad valguskiired peavad painduma ja nende kõrvalekalle peaks olema
|
(2) |
Kus r on lähim vahemaa kiire ja Päikese keskpunkti vahel ja r☼ = 6,96·10 10 cm – Päikese raadius (täpsemalt päikese fotosfääri raadius); seega on maksimaalne jälgitav kõrvalekalle 1,75 kaaresekundit. Ükskõik kui väike selline nurk ka poleks (ligikaudu sellise nurga all paistab täiskasvanud inimest 200 km kauguselt), sai seda juba tol ajal optilisel meetodil mõõta, pildistades taevatähti Päikese läheduses. Just need vaatlused tegid kaks Inglise ekspeditsiooni täieliku päikesevarjutuse ajal 29. mail 1919. aastal. Kiirte kõrvalekaldumise mõju Päikese väljas tehti kindlalt kindlaks ja on kooskõlas valemiga (2), kuigi mõju väiksuse tõttu oli mõõtmiste täpsus madal. Välistatud oli aga poole suurem kõrvalekalle kui vastavalt punktile (2), st 0″,87. Viimane on väga oluline, sest kõrvalekalle on 0″,87 (koos r = r☼) saab juba Newtoni teooriast (selle valguse kõrvalekaldumise võimaluse gravitatsiooniväljas märkis Newton ja valemi (2) järgi poole võrra väiksem kõrvalekaldenurga avaldis saadi 1801. aastal; teine asi on et see ennustus ununes ja Einstein ei teadnud sellest). 6. novembril 1919 teatati ekspeditsioonide tulemustest Londonis Kuningliku Seltsi ja Kuningliku Astronoomiaühingu ühisel koosolekul. Millise mulje nad jätsid, selgub sellest, mida esimees J. J. Thomson sellel koosolekul ütles: „See on gravitatsiooniteooriaga seoses Newtonist saadik kõige olulisem tulemus... See on üks inimmõtte suurimaid saavutusi. .”
Nagu nägime, on üldrelatiivsusteooria mõju päikesesüsteemile väga väike. Seda seletatakse asjaoluga, et Päikese gravitatsiooniväli (rääkimata planeetidest) on nõrk. Viimane tähendab, et Päikese Newtoni gravitatsioonipotentsiaal
Meenutagem nüüd kooli füüsikakursusest tuntud tulemust: planeetide ringikujuliste orbiitide jaoks |φ ☼ | = v 2, kus v on planeedi kiirus. Seetõttu saab gravitatsioonivälja nõrkust iseloomustada visuaalsema parameetriga v 2 / c 2, mis Päikesesüsteemi puhul, nagu nägime, ei ületa väärtust 2,12·10 – 6. Maa orbiidil v = 3 10 6 cm s – 1 ja v 2 / c 2 = 10 – 8, Maa lähedaste satelliitide puhul v ~ 8 10 5 cm s – 1 ja v 2 / c 2 ~ 7 ·10 – 10 . Järelikult, testides nimetatud üldrelatiivsusteooria mõjusid isegi hetkel saavutatud täpsusega 0,1%, st veaga, mis ei ületa 10–3 mõõdetud väärtusest (näiteks valguskiirte kõrvalekaldumine Päikese väljas), ei võimalda veel üldrelatiivsusteooriat kõikehõlmavalt testida järjekorra mõistete täpsusega
Võime vaid unistada, et saaksime vajaliku täpsusega mõõta näiteks päikesesüsteemi kiirte kõrvalekaldeid. Asjakohaste katsete projekte aga juba arutatakse. Seoses eelnevaga ütlevad füüsikud, et üldrelatiivsusteooriat on testitud peamiselt vaid nõrga gravitatsioonivälja puhul. Aga ühte olulist asjaolu me (mina igal juhul) millegipärast päris pikka aega isegi ei märganud. Just pärast esimese Maa satelliidi starti 4. oktoobril 1957 hakkas kosmosenavigatsioon kiiresti arenema. Marsile ja Veenusele maanduvate instrumentide jaoks, Phobose jms lähedal lennates, on vaja kuni meetri täpsusega arvutusi (kaugustel Maast umbes sada miljardit meetrit), kui üldrelatiivsusteooria mõjud on üsna märkimisväärsed. Seetõttu tehakse nüüd arvutusi arvutusskeemide alusel, mis võtavad orgaaniliselt arvesse üldrelatiivsusteooriat. Mäletan, kuidas mitu aastat tagasi ei saanud üks kõneleja – kosmosenavigatsiooni spetsialist – isegi mu küsimustest üldrelatiivsustesti täpsuse kohta aru. Ta vastas: me võtame oma inseneriarvutustes arvesse üldrelatiivsusteooriat, me ei saa teisiti töötada, kõik selgub õigesti, mida veel tahta? Muidugi võite soovida palju, kuid ärge unustage, et GTR pole enam abstraktne teooria, vaid seda kasutatakse "tehnilistes arvutustes".
4. Kõige eelneva valguses tundub A. A. Logunovi kriitika GTR-i suhtes eriti üllatav. Kuid vastavalt selle artikli alguses öeldule on seda kriitikat võimatu ilma analüüsita kõrvale heita. Veelgi suuremal määral on ilma üksikasjaliku analüüsita võimatu teha otsust A. A. Logunovi pakutud RTG - relativistliku gravitatsiooniteooria kohta.
Kahjuks on populaarteaduslike väljaannete lehekülgedel sellist analüüsi täiesti võimatu teha. Oma artiklis A. A. Logunov tegelikult ainult deklareerib ja kommenteerib oma seisukohta. Ma ei saa siin ka midagi muud teha.
Seega usume, et GTR on järjekindel füüsikateooria – kõikidele õigesti ja selgelt püstitatud küsimustele, mis on selle rakendatavuse valdkonnas lubatavad, annab GTR ühemõttelise vastuse (viimane kehtib eelkõige signaalide viiteaja kohta planeetide asukoha määramisel). Sellel ei ole üldrelatiivsusteooriat ega mingeid matemaatilisi või loogilisi defekte. Siiski on vaja selgitada, mida asesõna “meie” kasutamisel mõeldakse eespool. “Meie” olen loomulikult mina ise, aga ka kõik need nõukogude ja välismaa füüsikud, kellega mul tuli arutleda üldrelatiivsusteooria üle ja mõnel juhul ka selle A. A. Logunovi kriitika üle. Suur Galileo ütles neli sajandit tagasi: teaduses on ühe arvamus väärtuslikum kui tuhande arvamus. Teisisõnu, teadusvaidlusi ei otsustata häälteenamusega. Kuid teisest küljest on täiesti ilmne, et paljude füüsikute arvamus on üldiselt palju veenvam või õigemini usaldusväärsem ja kaalukam kui ühe füüsiku arvamus. Seetõttu on siin oluline üleminek “mina”-lt “meie”-le.
Loodetavasti on kasulik ja asjakohane teha veel mõned kommentaarid.
Miks A. A. Logunovile GTR nii väga ei meeldi? Peamine põhjus on selles, et üldrelatiivsusteoorias puudub energia ja impulsi mõiste meile elektrodünaamikast tuttaval kujul ning tema sõnul keeldutakse „gravitatsioonivälja kujutamisest klassikalise Faraday-Maxwelli tüüpi väljana. , millel on täpselt määratletud energia-impulsi tihedus". Jah, viimane on mõnes mõttes tõsi, aga seda seletab see, et “Riemanni geomeetrias puudub üldjuhul vajalik sümmeetria nihkete ja pöörete suhtes ehk puudub... grupp aegruumi liikumisest." Ajaruumi geomeetria üldrelatiivsusteooria järgi on Riemanni geomeetria. Seetõttu kalduvad valguskiired Päikese lähedalt möödudes sirgjoonest kõrvale.
Möödunud sajandi matemaatika üks suurimaid saavutusi oli Lobatševski, Bolyai, Gaussi, Riemanni ja nende järgijate mitteeukleidilise geomeetria loomine ja arendamine. Siis tekkis küsimus: milline on tegelikult selle füüsilise aegruumi geomeetria, milles me elame? Nagu öeldud, on GTR-i järgi see geomeetria mitteeukleidiline, Riemanni ja mitte Minkowski pseudoeukleidiline geomeetria (seda geomeetriat kirjeldab lähemalt A. A. Logunovi artikkel). See Minkowski geomeetria oli, võib öelda, erirelatiivsusteooria (STR) produkt ja asendas Newtoni absoluutse aja ja absoluutse ruumi. Vahetult enne SRT loomist 1905. aastal üritasid nad viimast samastada liikumatu Lorentzi eetriga. Kuid Lorentzi eeter kui absoluutselt liikumatu mehaaniline meedium loobuti, kuna kõik katsed selle keskkonna olemasolu märgata ebaõnnestusid (pean silmas Michelsoni katset ja mõnda muud katset). Hüpotees, et füüsiline aegruum on tingimata täpselt Minkowski ruum, mida A. A. Logunov aktsepteerib kui fundamentaalset, on väga kaugeleulatuv. See sarnaneb mõnes mõttes hüpoteesidega absoluutsest ruumist ja mehaanilisest eetrist ning, nagu meile tundub, jääb ja jääb täiesti alusetuks seni, kuni selle kasuks osutatakse mis tahes vaatlustel ja katsetel põhinevaid argumente. Ja sellised argumendid, vähemalt praegu, puuduvad täielikult. Viited analoogiale elektrodünaamikaga ja möödunud sajandi tähelepanuväärsete füüsikute Faraday ja Maxwelli ideaalidele ei ole selles osas veenvad.
5. Kui rääkida elektromagnetvälja ja seega ka elektrodünaamika ja gravitatsioonivälja erinevusest (GR on just sellise välja teooria), siis tuleb tähele panna järgmist. Referentssüsteemi valides on võimatu hävitada (taandada nullini) isegi lokaalselt (väikeses piirkonnas) kogu elektromagnetvälja. Seega, kui elektromagnetvälja energiatihedus
| W = | E 2 + H 2 |
| 8π |
(E Ja H– vastavalt elektri- ja magnetvälja tugevus) erineb mõnes võrdlussüsteemis nullist, siis erineb see nullist mis tahes muus võrdlussüsteemis. Gravitatsiooniväli sõltub jämedalt öeldes palju tugevamalt võrdlussüsteemi valikust. Seega ühtlane ja konstantne gravitatsiooniväli (st kiirendust põhjustav gravitatsiooniväli g sellesse paigutatud, koordinaatidest ja ajast sõltumatud osakesed) saab ühtlaselt kiirendatud võrdlusraamile üleminekul täielikult “hävitada” (nulli viia). Selle asjaolu, mis moodustab "võrdväärsuse põhimõtte" peamise füüsilise sisu, märkis Einstein esmakordselt 1907. aastal avaldatud artiklis ja see oli esimene üldrelatiivsusteooria loomise teel.
Kui gravitatsiooniväli puudub (eriti selle põhjustatud kiirendus g on võrdne nulliga), siis on ka sellele vastava energia tihedus võrdne nulliga. Siit on selge, et energia (ja impulsi) tiheduse küsimuses peab gravitatsioonivälja teooria elektromagnetvälja teooriast radikaalselt erinema. See väide ei muutu, kuna üldiselt ei saa gravitatsioonivälja võrdlusraami valikuga “hävitada”.
Einstein mõistis seda juba enne 1915. aastat, kui ta lõpetas üldrelatiivsusteooria loomise. Nii kirjutas ta 1911. aastal: "Muidugi on võimatu asendada ühtegi gravitatsioonivälja gravitatsiooniväljata süsteemi liikumisolekuga, nagu on võimatu muundada suvaliselt liikuva keskkonna kõiki punkte puhkama läbi gravitatsioonivälja. relativistlik transformatsioon." Ja siin on väljavõte 1914. aasta artiklist: „Kõigepealt teeme veel ühe märkuse, et vältida tekkivat arusaamatust. Tavalise kaasaegse relatiivsusteooria (me räägime SRT-st - V.L.G.) teatud õigusega pooldaja nimetab materiaalse punkti kiirust näiliseks. Nimelt oskab ta valida võrdlussüsteemi nii, et vaadeldaval hetkel on materiaalse punkti kiirus võrdne nulliga. Kui on olemas materiaalsete punktide süsteem, millel on erinevad kiirused, siis ta ei saa enam juurutada sellist võrdlussüsteemi, et kõigi materiaalsete punktide kiirused selle süsteemi suhtes muutuksid nulliks. Sarnaselt võib meie vaatenurgast lähtuv füüsik nimetada gravitatsioonivälja näiliseks, kuna võrdlusraami sobiva kiirenduse valikuga võib ta saavutada, et teatud aegruumi punktis muutub gravitatsiooniväli nulliks. Siiski on tähelepanuväärne, et gravitatsioonivälja kadumine teisenduse kaudu ei ole üldiselt saavutatav laiendatud gravitatsiooniväljade puhul. Näiteks ei saa Maa gravitatsioonivälja sobiva võrdlusraami valimisel nulliga võrdseks teha. Lõpuks, juba 1916. aastal, vastates üldrelatiivsusteooria kriitikale, rõhutas Einstein veel kord sama asja: „Ei saa kuidagi väita, et gravitatsioonivälja on mingilgi määral seletatud puhtalt kinemaatiliselt: „kinemaatiline, mittedünaamiline arusaam. gravitatsioonist” on võimatu. Me ei saa ühtegi gravitatsioonivälja lihtsalt kiirendades ühte Galilei koordinaatsüsteemi teise suhtes, kuna sel viisil on võimalik saada ainult teatud struktuuriga välju, mis aga peavad järgima samu seadusi nagu kõik teised gravitatsiooniväljad. See on samaväärsuse põhimõtte teine sõnastus (eriti selle põhimõtte rakendamiseks gravitatsiooni suhtes).
Gravitatsiooni "kinemaatilise mõistmise" võimatus koos ekvivalentsuse põhimõttega määrab üldrelatiivsusteoorias ülemineku Minkowski pseudoeukleidilisest geomeetriast Riemanni geomeetriale (selles geomeetrias on aegruum üldiselt nullist erinev kõverus; sellise kõveruse olemasolu eristab "tõelist" gravitatsioonivälja "kinemaatilisest"). Gravitatsioonivälja füüsikalised omadused määravad, korrakem, energia ja impulsi rolli radikaalse muutuse üldrelatiivsusteoorias võrreldes elektrodünaamikaga. Samas ei takista nii Riemanni geomeetria kasutamine kui ka võimetus rakendada elektrodünaamikast tuttavaid energiakontseptsioone, nagu juba eespool rõhutatud, tõsiasja, et GTR-ist järeldub ja saab arvutada üsna üheselt mõistetavaid väärtusi kõikidele vaadeldavatele suurustele. (valguskiirte kõrvalekalde nurk, orbiidi elementide muutused planeetide ja kaksikpulsarite puhul jne jne).
Tõenäoliselt oleks kasulik tähele panna tõsiasja, et üldrelatiivsusteooria saab sõnastada ka elektrodünaamikast tuttaval kujul, kasutades energia-impulsi tiheduse mõistet (selle kohta vt Ya. B. Zeldovitši ja L. P. Grištšuki viidatud artiklit. Mis aga tutvustatakse aadressil Sel juhul on Minkowski ruum puhtalt fiktiivne (jälgimatu) ja me räägime ainult samast üldrelatiivsusteooriast, mis on kirjutatud mittestandardsel kujul Vahepeal korrakem seda, A. A. Logunov peab Minkowski ruumi kasutatavaks tema poolt relativistlikus gravitatsiooniteoorias (RTG) reaalne füüsiline ja seega vaadeldav ruum.
6. Sellega seoses on eriti oluline selle artikli pealkirjas esinevatest küsimustest teine: kas GTR vastab füüsilisele reaalsusele? Teisisõnu, mida ütleb kogemus – kõrgeim kohtunik mis tahes füüsikalise teooria saatuse üle otsustamisel? Sellele probleemile – üldrelatiivsusteooria eksperimentaalsele kontrollile – on pühendatud arvukalt artikleid ja raamatuid. Järeldus on üsna kindel – kõik olemasolevad katse- või vaatlusandmed kas kinnitavad üldrelatiivsusteooriat või ei räägi sellele vastu. Kuid nagu me juba märkisime, on üldrelatiivsusteooria kontrollimine läbi viidud ja see toimub peamiselt ainult nõrgas gravitatsiooniväljas. Lisaks on mis tahes katsel piiratud täpsus. Tugevates gravitatsiooniväljades (jämedalt öeldes juhul, kui suhe |φ| / c 2 ei piisa; vt eespool) Üldrelatiivsusteooria ei ole veel piisavalt kontrollitud. Sel eesmärgil on nüüd võimalik praktiliselt kasutada ainult väga kauge kosmosega seotud astronoomilisi meetodeid: neutrontähtede, topeltpulsarite, "mustade aukude", Universumi paisumise ja ehituse uurimine, nagu öeldakse, "suures ruumis". ” – tohututes avarustes, mõõdetuna miljonites ja miljardites valgusaastates. Selles suunas on juba palju tehtud ja tehakse. Piisab, kui mainida topeltpulsari PSR 1913+16 uuringuid, mille puhul (nagu üldiselt neutrontähtede puhul) parameeter |φ| / c 2 on juba umbes 0,1. Lisaks oli sel juhul võimalik tuvastada tellimuse mõju (v / c) 5 on seotud gravitatsioonilainete emissiooniga. Lähikümnenditel avaneb veelgi rohkem võimalusi protsesside uurimiseks tugevates gravitatsiooniväljades.
Selle hingematva uurimistöö juhttäht on eelkõige üldrelatiivsusteooria. Samal ajal arutatakse loomulikult ka mõningaid muid võimalusi – teisi, nagu mõnikord öeldakse, alternatiivseid gravitatsiooniteooriaid. Näiteks üldrelatiivsusteoorias, nagu Newtoni universaalse gravitatsiooni teoorias, on gravitatsioonikonstant G peetakse tõepoolest püsivaks väärtuseks. Üks kuulsamaid gravitatsiooniteooriaid, üldistav (või täpsemalt laiendav) üldrelatiivsusteooria, on teooria, milles gravitatsiooni "konstanti" peetakse uueks skalaarfunktsiooniks - koordinaatidest ja ajast sõltuvaks suuruseks. Vaatlused ja mõõtmised näitavad siiski, et võimalikud suhtelised muutused G aja jooksul väga väike - ilmselt mitte rohkem kui sada miljardit aastas, see tähendab | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения G võiks rolli mängida. Pange tähele, et isegi hoolimata ebastabiilsuse küsimusest G oletus eksisteerimisest reaalses aegruumis, lisaks gravitatsiooniväljale g ik, ka mõni skalaarväli ψ on tänapäeva füüsika ja kosmoloogia põhisuund. Teistes alternatiivsetes gravitatsiooniteooriates (nende kohta vt eespool märkuses 8 mainitud K. Willi raamatut) muudetakse või üldistatakse GTR-i teistmoodi. Vastavale analüüsile muidugi vastu ei saa, sest GTR pole dogma, vaid füüsikateooria. Lisaks teame, et üldrelatiivsusteooria, mis on mittekvantideooria, tuleb ilmselgelt üldistada kvantpiirkonnale, mis pole teadaolevate gravitatsioonikatsete jaoks veel kättesaadav. Loomulikult ei saa te meile sellest kõigest siin rohkem rääkida.
7. A. A. Logunov, alustades GTR-i kriitikast, on rohkem kui 10 aastat ehitanud mingit alternatiivset gravitatsiooniteooriat, mis erineb GTR-ist. Samal ajal on töö käigus palju muutunud ja teooria nüüdseks aktsepteeritud versiooni (see on RTG) esitletakse eriti üksikasjalikult artiklis, mis võtab enda alla umbes 150 lehekülge ja sisaldab ainult umbes 700 nummerdatud valemit. Ilmselgelt on RTG üksikasjalik analüüs võimalik ainult teadusajakirjade lehekülgedel. Alles pärast sellist analüüsi saab öelda, kas RTG on järjepidev, kas see ei sisalda matemaatilisi vastuolusid jne. Minu arusaamise järgi erineb RTG GTR-ist ainult osa GTR-i lahenduste valiku poolest - kõik RTG diferentsiaalvõrrandite lahendused rahuldavad GTR võrrandeid, aga kuidas ütlevad RTG autorid, mitte vastupidi. Samas tehakse järeldus, et globaalsete küsimuste osas (lahendused kogu aegruumi või selle suurte piirkondade jaoks, topoloogia jne) on RTG ja GTR erinevused üldiselt radikaalsed. Mis puudutab kõiki Päikesesüsteemis tehtud katseid ja vaatlusi, siis minu arusaamist mööda ei saa RTG üldrelatiivsusteooriaga vastuolus olla. Kui see nii on, siis Päikesesüsteemis teadaolevate katsete põhjal on võimatu eelistada RTG-d (võrreldes GTR-iga). Mis puudutab “mustaid auke” ja universumit, siis RTG autorid väidavad, et nende järeldused erinevad oluliselt üldrelatiivsusteooria järeldustest, kuid meil pole teada konkreetseid vaatlusandmeid, mis RTG kasuks tunnistaksid. Sellises olukorras on A. A. Logunovi RTG (kui RTG tõesti erineb GTR-ist sisuliselt, mitte ainult esitusviisi ja ühe võimaliku koordinaattingimuste klassi valiku poolest; vt Ya. B. Zeldovitši artiklit ja L. P. Grištšuk) võib pidada ainult üheks aktsepteeritavaks, põhimõtteliselt alternatiivseks gravitatsiooniteooriaks.
Mõned lugejad võivad olla ettevaatlikud selliste klauslite suhtes nagu: "kui see on nii", "kui RTG tõesti erineb GTR-ist". Kas ma üritan end sel moel vigade eest kaitsta? Ei, ma ei karda eksida ainuüksi veendumuse tõttu, et veatuse taga on ainult üks - üldse mitte töötada ja antud juhul mitte arutada teaduslikke küsimusi. Teine asi on see, et austus teaduse vastu, selle iseloomu ja ajaloo tundmine julgustavad ettevaatlikkust. Kategoorilised väited ei viita alati tõelise selguse olemasolule ega aita üldiselt kaasa tõe väljaselgitamisele. A. A. Logunovi RTG tänapäevasel kujul sõnastati üsna hiljuti ja seda pole teaduskirjanduses veel üksikasjalikult käsitletud. Seetõttu ei ole mul selle kohta loomulikult lõplikku arvamust. Lisaks on võimatu ja isegi kohatu arutada populaarteaduslikus ajakirjas mitmeid esile kerkivaid probleeme. Samal ajal tundub muidugi tänu lugejate suurele huvile gravitatsiooniteooria vastu selle teemade, sealhulgas vastuoluliste, kättesaadaval tasemel käsitlemine Teaduse ja Elu lehekülgedel õigustatud.
Seega, juhindudes targast „enim eelistatud riigi põhimõttest”, tuleks RTG-d nüüd pidada alternatiivseks gravitatsiooniteooriaks, mis vajab asjakohast analüüsi ja arutelu. Kellele see teooria (RTG) meeldib, kellele see huvi pakub, siis keegi ei viitsi (ja loomulikult ei tohiks ka segada) selle väljatöötamisega, soovitades võimalikke eksperimentaalse kontrollimise viise.
Samas pole põhjust väita, et GTR on praegu kuidagi kõigutatud. Pealegi näib üldrelatiivsusteooria rakendusala olevat väga lai ja selle täpsus on väga kõrge. See on meie arvates objektiivne hinnang asjade hetkeseisule. Kui me räägime maitsetest ja intuitiivsetest hoiakutest ning maitsel ja intuitsioonil on teaduses oluline roll, kuigi neid ei saa tõenditena esitada, siis siin tuleb liikuda "meie" juurest "mina" juurde. Seega, mida rohkem mul oli ja pean tegelema üldise relatiivsusteooria ja selle kriitikaga, seda enam tugevneb mulje selle erakordsest sügavusest ja ilust.
Tõepoolest, nagu trükises märgitud, oli ajakirja “Teadus ja Elu” nr 4 1987 tiraaž 3 miljonit 475 tuhat eksemplari. Viimastel aastatel oli tiraaž vaid mõnikümmend tuhat eksemplari, ületades 40 tuhande piiri alles 2002. aastal. (märkus – A. M. Krainev).
Muide, 1987. aastal möödub 300 aastat Newtoni suurepärase raamatu “Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted” esmaavaldamisest. Tutvumine selle teose loomise ajalooga, rääkimata teosest endast, on väga õpetlik. Sama kehtib aga kogu Newtoni tegevuse kohta, millega mittespetsialistidel polegi nii lihtne tutvuda. Selleks võin soovitada S. I. Vavilovi väga head raamatut “Isaac Newton”, see tuleks uuesti välja anda. Mainin ka oma Newtoni aastapäeva puhul kirjutatud artiklit, mis avaldati ajakirjas “Uspekhi Fizicheskikh Nauk”, v. 151, nr 1, 1987, lk. 119.
Pöörde suurusjärk on antud tänapäevaste mõõtmiste järgi (Le Verrier’l oli pööre 38 sekundit). Tuletame selguse mõttes meelde, et Päike ja Kuu on Maa pealt nähtavad umbes 0,5 kaarekraadise nurga all – 1800 kaaresekundit.
A. Pals “Peen on Issand...” Albert Einsteini teadus ja elu. Oxfordi ülikool. Press, 1982. Soovitaks avaldada selle raamatu venekeelne tõlge.
Viimane on võimalik täieliku päikesevarjutuse ajal; Pildistades sama taevast osa näiteks kuus kuud hiljem, kui Päike on taevasfäärile liikunud, saame võrdluseks pildi, mis ei moondu kiirte kõrvalekaldumisel gravitatsioonivälja mõjul. Päikesest.
Üksikasjalikumalt pean viidata Ya. B. Zeldovitši ja L. P. Grištšuki artiklile, mis avaldati hiljuti ajakirjas Uspekhi Fizicheskikh Nauk (149. kd, lk 695, 1986), samuti seal viidatud kirjandust, eelkõige L. D. Faddejevi artikkel (“Advances in Physical Sciences”, kd. 136, lk 435, 1982).
Vt joonealune märkus 5.
Vt K. Will. "Gravitatsioonifüüsika teooria ja eksperiment." M., Energoiedat, 1985; vt ka V. L. Ginzburg. Füüsikast ja astrofüüsikast. M., Nauka, 1985 ja seal näidatud kirjandus.
A. A. Logunov ja M. A. Mestvirišvili. "Gravitatsiooni relativistliku teooria alused." Ajakiri "Physics of Elementary Particles and the Atomic Nucleus", kd 17, number 1, 1986.
A. A. Logunovi teostes on ka teisi väiteid ja konkreetselt arvatakse, et signaali viivitusaja jaoks, näiteks Merkuuri asukoha määramisel Maalt, erineb RTG-st saadud väärtus GTR-i järgmisest. Täpsemalt väidetakse, et üldrelatiivsusteooria ei anna üldse üheselt ennustust signaali viivitusaegade kohta, see tähendab, et üldrelatiivsusteooria on ebajärjekindel (vt eespool). Selline järeldus, nagu meile tundub, on aga arusaamatuse vili (sellele viitavad näiteks Ya. B. Zeldovitši ja L. P. Grištšuki viidatud artikkel, vt joonealune märkus 5): erinevad tulemused üldrelatiivsusteoorias. erinevate koordinaatsüsteemide kasutamisel saadakse ainult seetõttu, et , mis võrdleb erinevatel orbiitidel paiknevaid planeete, millel on seetõttu erinev pöördeperiood Päikese ümber. Maast tulevate signaalide viiteajad teatud planeedi asukoha määramisel üldrelatiivsusteooria ja RTG järgi langevad kokku.
Vt joonealune märkus 5.
Üksikasjad uudishimulikele
 |
Valguse ja raadiolainete kõrvalekaldumine Päikese gravitatsiooniväljas. Tavaliselt võetakse Päikese idealiseeritud mudelina staatilist sfääriliselt sümmeetrilist raadiusega kuuli R☼ ~ 6,96·10 10 cm, päikesemass M☼ ~ 1,99·10 30 kg (332958 korda suurem kui Maa mass). Valguse kõrvalekalle on maksimaalne nende kiirte puhul, mis vaevu Päikest puudutavad, st millal R ~ R☼ , ja võrdne: φ ≈ 1″,75 (kaaresekundeid). See nurk on väga väike - ligikaudu selle nurga all on täiskasvanud inimene nähtav 200 km kauguselt ja seetõttu oli kiirte gravitatsioonikõveruse mõõtmise täpsus kuni viimase ajani madal. Viimaste optiliste mõõtmiste, mis tehti päikesevarjutuse ajal 30. juunil 1973, viga oli ligikaudu 10%. Tänapäeval on tänu ülipika põhjaga (üle 1000 km) raadiointerferomeetrite tulekule nurkade mõõtmise täpsus järsult suurenenud. Raadiointerferomeetrid võimaldavad usaldusväärselt mõõta nurkkaugusi ja nurkade muutusi suurusjärgus 10–4 kaaresekundit (~ 1 nanoradiaan).
Joonisel on kujutatud ainult ühe kaugest allikast tuleva kiirte kõrvalekaldumine. Tegelikkuses on mõlemad kiired painutatud.
GRAVITSIOONI POTENTSIAAL
1687. aastal ilmus Newtoni põhiteos “Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted” (vt “Teadus ja elu” nr 1, 1987), milles sõnastati universaalse gravitatsiooni seadus. See seadus ütleb, et mis tahes kahe materjaliosakese vaheline tõmbejõud on võrdeline nende massiga M Ja m ja pöördvõrdeline kauguse ruuduga r nende vahel:
| F = G | mm | . |
| r 2 |
Proportsionaalsustegur G hakati nimetama gravitatsioonikonstandiks, on vaja ühildada mõõtmed Newtoni valemi paremal ja vasakul küljel. Newton ise näitas seda oma aja kohta väga suure täpsusega G– suurus on konstantne ja seetõttu on tema avastatud gravitatsiooniseadus universaalne.
Kaks ligitõmbavat punktimassi M Ja m esinevad võrdselt ka Newtoni valemis. Teisisõnu võime arvata, et need mõlemad toimivad gravitatsioonivälja allikatena. Kuid konkreetsetes probleemides, eriti taevamehaanika puhul, on üks kahest massist teisega võrreldes sageli väga väike. Näiteks Maa mass M 3 ≈ 6 · 10 24 kg on palju väiksem kui Päikese mass M☼ ≈ 2 · 10 30 kg või näiteks satelliidi mass m≈ 10 3 kg ei saa võrrelda Maa massiga ja seetõttu ei avalda see praktiliselt mingit mõju Maa liikumisele. Sellist massi, mis ise gravitatsioonivälja ei häiri, vaid toimib sondina, millele see väli mõjub, nimetatakse katsemassiks. (Samamoodi on elektrodünaamikas kasutusel "testlaengu", st sellise, mis aitab tuvastada elektromagnetvälja.) Kuna katsemass (või testlaeng) annab väljale tühise väikese panuse, sellise massi korral muutub väli "väliseks" ja seda saab iseloomustada suurusega, mida nimetatakse pingeks. Sisuliselt gravitatsioonist tingitud kiirendus g on Maa gravitatsioonivälja intensiivsus. Newtoni mehaanika teine seadus annab siis punktkatsemassi liikumisvõrrandid m. Näiteks nii lahendatakse ballistika ja taevamehaanika probleeme. Pange tähele, et enamiku nende probleemide jaoks on Newtoni gravitatsiooniteoorial isegi tänapäeval üsna piisav täpsus.
Pinge, nagu ka jõud, on vektorsuurus, st kolmemõõtmelises ruumis määratakse see kolme arvuga - komponendid piki üksteisega risti asetsevaid Descartes'i telgesid X, juures, z. Koordinaadisüsteemi muutmisel – ja sellised toimingud pole füüsikaliste ja astronoomiliste probleemide puhul haruldased – teisendatakse vektori ristkoordinaadid mingil, kuigi mitte keerulisel, kuid sageli tülikal viisil. Seetõttu oleks vektori väljatugevuse asemel mugav kasutada vastavat skalaarset suurust, millest saaks mõne lihtsa retsepti abil väljale iseloomuliku jõu - tugevuse. Ja selline skalaarne suurus on olemas - seda nimetatakse potentsiaaliks ja üleminek pingele toimub lihtsa diferentseerimisega. Sellest järeldub, et massi tekitatud Newtoni gravitatsioonipotentsiaal M, on võrdne
siit ka võrdus |φ| = v 2 .
Matemaatikas nimetatakse Newtoni gravitatsiooniteooriat mõnikord "potentsiaaliteooriaks". Kunagi oli elektriteooria mudeliks Newtoni potentsiaali teooria ja siis Maxwelli elektrodünaamikas tekkinud ideed füüsikalisest väljast stimuleerisid omakorda Einsteini üldise relatiivsusteooria tekkimist. Üleminek Einsteini relativistlikust gravitatsiooniteooriast Newtoni gravitatsiooniteooria erijuhule vastab täpselt mõõtmeteta parameetri väikeste väärtuste piirkonnale |φ| / c 2 .
