Teoria magnetike e gravitetit. Teoria relativiste e gravitetit

Ndërsa fizika kuantike përparon, shkencëtarët po mësojnë më shumë rreth vrimave të zeza, lëndës së errët, energjisë së errët dhe fenomeneve të tjera kozmike. Zbulimet e reja janë gjithnjë e më të vështira për t'u përshtatur në konceptin e gravitetit.

Më poshtë janë pikëpamjet alternative të nëntë shkencëtarëve mbi gravitetin.

1 Thomas Townsend Brown dhe pajisja që sfidon gravitetin

Fizikani Thomas Townsend Brown (1905-1985) bëri kërkime për Marinën e SHBA dhe Departamentin e Mbrojtjes. Më vonë ai punoi si konsulent në industrinë e aviacionit.

Ai krijoi një pajisje që u patentua me emrin "gravitator". Sipas tij, shpikja e tij hodhi poshtë gravitetin, dhe disa shkencëtarë pajtohen me këtë deklaratë. Nën ndikimin e një ngarkese me tension të lartë, ajo lëvizi në atë mënyrë që nuk mund të shpjegohet bazuar në kuptimin modern të gravitetit.

Në aplikimin për patentë, Brown shkroi se graviatori vepron në qetësi në lidhje me universin. Kjo është në kundërshtim me teorinë speciale të relativitetit të Albert Ajnshtajnit, sipas së cilës forca duhet të veprojë njësoj në lidhje me çdo kornizë referimi. Gravitatori hodhi poshtë gjithashtu ligjin e tretë të Njutonit, i cili thotë se për çdo veprim ka një reagim të barabartë dhe të kundërt.

Në vitin 1930, koloneli Edward Deeds shkroi: "Disa shkencëtarë kanë parë një gravitator dhe ata u mahnitën nga veprimi i tij, duke thënë sinqerisht se lëvizjet e një gravitatori janë krejtësisht të pamundura të shpjegohen me ligjet e njohura të fizikës".

Disa kanë thënë se lëvizjet e gravitatorit kontrollohen nga era jonike, domethënë grimcat e jonizuara krijojnë forcë. Paul A. LaViolette ishte ndër ata që nuk ishin dakord me këtë shpjegim.

"Projekt matjet kanë treguar se forca që ngre diskun e elektrizuar të Brown është gati 100 milionë herë më e madhe se ajo që mund të krijojë një erë jonike," shkroi LaViolette në librin e tij "Sekretet e shtytjes kundër gravitetit".

2. Paul A. LaViolette: A po ndërton qeveria fshehurazi një anije kundër gravitetit?

LaViolette mori doktoraturën e tij nga Universiteti i Portlandit dhe aktualisht është President i Fondacionit Starburst, një institut kërkimor në fusha ndërdisiplinore. Ai shkruan në librin e tij: “Gjatë dekadave të fundit, programet sekrete të hapësirës ajrore në Shtetet e Bashkuara dhe vende të tjera janë angazhuar në krijimin e një avioni të aftë për të sfiduar gravitetin. Këto teknologji ekzotike i përkasin një zone relativisht pak të njohur të kërkimit të quajtur elektrograviteti.

LaViolette gjurmoi zhvillimin e kësaj industrie nga epoka e Teslës deri në Brown në gjysmën e parë të shekullit të 20-të. Sipas teorive të Brown, fushat elektrostatike dhe gravitacionale janë të kombinuara, shpjegon LaViolette.

Efekti elektrogravitacional injorohet sepse "një fenomen i tillë nuk supozohet nga elektrostatika klasike apo relativiteti i përgjithshëm", shkruan LaViolette.

3. NASA mbi materien e errët

Ky imazh tregon shpërndarjen e materies së errët, galaktikave dhe gazit të nxehtë në qendër të grumbullimit të galaktikave Abell 520, i cili u formua si rezultat i një përplasjeje masive të galaktikave. Foto: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee në Universitetin e Kalifornisë dhe A. Mahdavi në Universitetin Shtetëror të San Franciskos

Shkencëtarët e dinë se universi po zgjerohet me një ritëm në rritje. Ata besojnë se materia e errët është shkaku i këtij zgjerimi, por ata nuk e dinë saktësisht se çfarë është. Supozohet se ajo hedh poshtë teorinë e gravitetit të Ajnshtajnit.

Një raport i NASA-s mbi materien e errët thotë se ekziston mundësia që “teoria e gravitetit të Ajnshtajnit të jetë e gabuar”.

"Ai jo vetëm që ndikon në zgjerimin e Universit, por gjithashtu përcakton sjelljen e materies së zakonshme në galaktikat dhe grupimet e galaktikave," thotë raporti. - Ndoshta një teori e re e gravitetit mund të jetë zgjidhja e problemit të materies së zezë. Ne mund të vëzhgojmë se si galaktikat formojnë grupime. Por nëse rezulton se nevojitet një teori e re e gravitetit, nuk dihet se çfarë forme do të marrë.

4. Tom van Flandern mbi problemin e shpejtësisë së gravitetit

Tom van Flandern (1940-2009) mori doktoraturën në astronomi nga Universiteti Yale në vitin 1969. Ai nuk e hodhi poshtë plotësisht relativitetin e përgjithshëm, por besonte se kishte probleme me të. Teoria e Ajnshtajnit ishte "e paplotë dhe jo e gabuar", shkroi ai në artikullin "Shpejtësia e gravitetit". Çfarë thonë eksperimentet?", botuar në Physics Letter A në 1998.

Ai ngriti çështjen e shpejtësisë së gravitetit. Në teorinë klasike të gravitetit të Njutonit, shpejtësia e gravitetit nuk është e përcaktuar. Dhe në relativitetin e përgjithshëm, graviteti është me shpejtësinë e dritës, shpjegon Van Flandern. Ai thotë se ka një preferencë në akademi për të zgjidhur këtë polemikë.

“E njëjta dilemë lind në shumë pyetje,” shkruan ai. - Pse fotonet nga dielli lëvizin në një drejtim që nuk është paralel me drejtimin e nxitimit gravitacional të Tokës në lidhje me Diellin? Pse një eklips total i Diellit nga Hëna arrin kulmin përpara se forcat gravitacionale të Diellit dhe Hënës të barazohen? Si e parashikojnë pulsarët binar pozicionin, shpejtësinë dhe nxitimin e tyre në të ardhmen më shpejt se sa lejon koha e dritës ndërmjet tyre? Pse vrimat e zeza kanë gravitacion pavarësisht se asgjë nuk mund t'i kapërcejë ato, sepse kjo do të kërkonte një shpejtësi më të madhe se shpejtësia e dritës?

5. Willian H. Cantrell: Teoria e Ajnshtajnit nuk shkon përtej rrethit logjik

Dr. William H. Cantrell është anëtar i stafit teknik në Laboratorin Lincoln të MIT. Në të kaluarën, ai ishte një profesor ndihmës në Departamentin e Inxhinierisë Elektronike në Universitetin e Teksasit.

Ai paraqiti një pamje jokonvencionale të teorisë së relativitetit në revistën Infinite Energy, botuar nga organizata jofitimprurëse New Energy Foundation (NEF).

Cantrell shkruan: “Teoria e relativitetit ka pasur një ndikim të madh në fizikën e shekullit të 20-të, ky është një fakt i padiskutueshëm. Teoria e Ajnshtajnit admirohet në të gjithë botën për zbulimet e shkëlqyera në të cilat çoi. Megjithatë, ka grupe shkencëtarësh disidentë që e refuzojnë haptazi, dhe grupe akoma më të mëdha studiuesish që nuk e pëlqejnë atë, megjithëse nuk janë të vetëdijshëm për qasje alternative.

“Arsyeja për këtë mospëlqim është se Ajnshtajni huazoi matematikën e Lorencit dhe Poincare-it dhe kjo e lejoi atë të modifikonte sistemin e matjes së gjatësisë dhe kohës, duke e bërë shpejtësinë e dritës të jetë konstante për të gjithë vëzhguesit”.

“Në një situatë të tillë, mendimtarët racionalë do të duhet të nxitojnë në kërkim të ideve alternative. Por pse përpiqemi të hedhim poshtë një teori kaq të suksesshme? Epo, së pari, për të kuptuar dhe përshkruar se si funksionon në të vërtetë natyra. Dhe së dyti, për të bërë një përparim të ri, pasi të hiqet barriera e paqëllimshme.

Cantrell dhe shkencëtarë si ai besojnë se teoria e Ajnshtajnit nuk shkon përtej rrethit logjik. Ai e shpjegoi këtë me shembullin e mëposhtëm: "Dikush mund të hipotezojë se Toka ka një hënë të dytë të bërë nga një djathë i veçantë jeshil që është transparent ndaj dritës."

“Sigurisht, kjo tingëllon si marrëzi, por kjo deklaratë nuk mund të përgënjeshtrohet në mënyrë empirike. Me teorinë e relativitetit të Ajnshtajnit, i njëjti problem."

6. Ruggiero Maria Santilli: Teoria e relativitetit kundërshton elektrodinamikën kuantike

Ruggiero Maria Santilli studioi në Universitetet e Napolit dhe Torinos, ai punoi si pedagog vizitor në Harvard, më pas themeloi Institutin për Kërkime Teorike. Santilli rendit nëntë mospërputhje midis teorisë së përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit dhe njohurive aktuale shkencore. Disa prej tyre krijojnë probleme për të kuptuarit klasik të gravitetit.

Një nga polemikat kryesore është se shpjegimi i Ajnshtajnit për gravitetin nuk është në përputhje me elektrodinamikën kuantike, shkruan Santilli në punimin e tij të vitit 2006, Nëntë Teoremat e Mospërputhjes së Relativitetit të Përgjithshëm.

“Duhet të mbahet mend se elektrodinamika kuantike është një nga teoritë shkencore më domethënëse dhe më të provuara eksperimentalisht në histori. Natyrisht, pikëpamja e përhapur që e konsideron pikëpamjen e Ajnshtajnit për gravitetin si përfundimtare është një qasje joshkencore”, shkruan ai.

Revista boton artikuj që hedhin dyshime mbi teorinë e përgjithshme dhe speciale të relativitetit të Ajnshtajnit. Politika editoriale e revistës është formuluar si më poshtë: "Revista i kushton vëmendje raporteve që konfirmojnë se teoritë e Ajnshtajnit janë tepër të ndërlikuara, të konfirmuara vetëm në fusha të ngushta të fizikës dhe të çojnë në kontradikta logjike".

Tom Bethall

Tom Bathall nuk është një shkencëtar, por ai hulumtoi teori alternative ndërsa shërbente si redaktor i lartë i American Spectator. Në Rimendimin e Relativitetit, ai shkruan: “Kur zgjidhen teoritë e pranueshme, thjeshtësia është shpesh kriteri kryesor. Sistemi Ptolemaik i botës në një version të komplikuar mund të parashikojë me saktësi pozicionin e planetëve. Sidoqoftë, sistemi heliocentrik i botës është shumë më i thjeshtë, kështu që ne e preferojmë atë."

Ai citoi Clifford M. Villa nga Universiteti i Uashingtonit, një përkrahës kryesor i relativitetit. “Është e vështirë të imagjinohet jeta pa teorinë speciale të relativitetit… Thjesht imagjinoni të gjitha fenomenet në botën tonë në të cilat ajo zë një vend të madh. Energjia atomike, ekuacioni i famshëm E=mc2, që tregon se si masa shndërrohet në një sasi kolosale energjie.

Bathall thotë se kufizimet "luajnë rolin e tyre". Bathall shkruan: "Nëse një teori e re duket 'e domosdoshme', ajo menjëherë do të etiketohet si e gabuar".

7. Joseph Polchinski: dyshime dhe pyetje

Joseph Polchinski. Foto: Lubos Motl

Joseph Polchinski, një fizikan teorik në Institutin Kavli për Fizikën Teorike në Universitetin e Kalifornisë në Santa Barbara, diskuton gjithashtu idenë e gravitetit në lidhje me vrimat e zeza. Sipas teorisë së Ajnshtajnit, vrimat e zeza duhet të kenë një forcë të madhe tërheqëse.

Shkencëtari i famshëm Stephen Hawking deklaroi në vitet '70 se materia mund të rrjedhë nga vrimat e zeza, gjë që është një paradoks.

Siç u përmend në pjesën e parë të artikullit, van Flandern pyeti veten: "Si e kanë vrimat e zeza gravitet, pavarësisht se asgjë nuk mund t'i kapërcejë ato, sepse kjo do të kërkonte një shpejtësi më të madhe se shpejtësia e dritës?"

Polchinski i tha PBS pasi Hawking diskutoi disa teori të reja rreth vrimave të zeza: "Është e mundur që disa nga pikëpamjet tona rreth mekanikës kuantike dhe gravitetit janë të gabuara, dhe ne po përpiqemi të kuptojmë se cilat prej tyre."

“Kjo është një vështirësi, por ne shpresojmë se kjo vështirësi do të na lejojë të ecim përpara”, tha ai.

8. Eric Verlinde: Teoria e ditës së gabuar të flokëve

Profesor Eric Verlinde është një fizikant teorik në fushën e teorisë së fijeve dhe profesor në Institutin për Fizikën Teorike në Universitetin e Amsterdamit.

Ai e sheh gravitetin si pasojë e ligjeve të termodinamikës dhe ndikimit të faktorëve të tillë si temperatura, presioni dhe struktura. Perceptimi i gravitetit, si p.sh. një mollë që bie nga një pemë, është për shkak të vetive të natyrës për të maksimizuar çrregullimin.

Një artikull i New York Times i vitit 2010 e përshkruan idenë e tij si një teori të "ditës së gabuar të flokëve". Flokët bëhen kaçurrela në nxehtësi dhe lagështi, ka më shumë mënyra që flokët t'i bëjnë flokët kaçurrela sesa t'i drejtojnë, dhe natyra i pëlqen variacioni. Parime të ngjashme vlejnë për shpërndarjen e objekteve në hapësirë, thotë Verlinde.

“Ne e kemi ditur për një kohë të gjatë që graviteti nuk ekziston”, tha Verlinde për New York Times. "Ka ardhur koha për ta shpallur atë publikisht."

9. Juan Maldacena: "Teoria e Ajnshtajnit duhet të zëvendësohet nga diçka mekanike kuantike"

Juan Maldacena. Foto: Wikimedia Commons

Në vitin 1997, fizikani teorik Juan Maldacena, i cili aktualisht është profesor në Institutin për Studime të Avancuara të Princetonit, zhvilloi një teori që e sheh universin si një koleksion vargjesh vibruese shumë të holla. Janë këto vargje që krijojnë gravitetin. Vargjet janë një lloj hologrami i projektuar nga një sistem hapësinor me dimensione më të ulëta, i cili është më i thjeshtë, më i sheshtë dhe nuk ka gravitet.

Në një intervistë të postuar në burimin arsimor Learner.org, Maldacena tha: “Ne besojmë se teoria e përgjithshme e relativitetit të Ajnshtajnit duhet të zëvendësohet nga diçka mekanike kuantike kur bëhet fjalë për tema të tilla si fillimi i Big Bengut, ose struktura e të zezës. vrimat, ku prishja e materies ndodh në një rajon shumë të vogël të hapësirës kohore dhe gjërat që ndodhin atje nuk mund të përshkruhen duke përdorur teoritë klasike. Në raste të tilla, duhet të përdoret mekanika kuantike. Teoria e fijeve është në proces të zhvillimit, ajo u krijua për të përshkruar hapësirën kohore mekanike kuantike.

*Njeriu duke kërcyer me litar foto nga Shutterstock

versioni anglisht

A do të instalonit një aplikacion për leximin e artikujve të epokës në telefonin tuaj?

Teoria e përgjithshme e relativitetit të Ajnshtajnit ofron një shpjegim të pranuar përgjithësisht për gravitetin. Megjithatë, relativiteti i përgjithshëm ka një sërë problemesh që e bëjnë të nevojshme kërkimin e teorive alternative të gravitetit. Në fakt është krijuar situata që në fushën e teorisë së gravitetit shkenca ndahet në dy klane që praktikisht nuk ndërveprojnë me njëri-tjetrin. Për mënyrën se si teoria relativiste e gravitetit strukturon botën, duke modifikuar ligjet e teorisë së përgjithshme të relativitetit - Akademiku i Akademisë Ruse të Shkencave Anatoly Logunov. 21.01.2003 (chr.00:46:00)

Materialet e punës

Pasqyrë e temës:

Teoritë alternative të gravitetit. Teoria klasike e gravitetit, e shprehur me ligjin e Njutonit të gravitetit universal, doli të ishte jo mjaft e saktë në rastin e fushave të forta gravitacionale. Megjithatë, kjo nuk e pengon aspak përdorimin e tij në rastet kur saktësia e tij është e mjaftueshme.

E krijuar në vitin 1915 nga Albert Einstein, teoria e përgjithshme e relativitetit (GR) është sot teoria e njohur botërisht e gravitetit. Megjithatë, ajo ka një sërë problemesh që e bëjnë të nevojshme kërkimin e teorive alternative të gravitetit.

Një nga problemet kryesore është se, në formën e tij klasike, relativiteti i përgjithshëm është i papajtueshëm me teoritë kuantike të fushës, të cilat përshkruajnë tre ndërveprimet e tjera themelore fizike. (Vërtetë, shumë kohët e fundit ka pasur raporte se është bërë njëfarë progresi në këtë drejtim.)

Një problem tjetër është se, duke e përshkruar gravitetin si një lakim të hapësirë-kohës, relativiteti i përgjithshëm heq dorë nga vetia e homogjenitetit të hapësirë-kohës, dhe pikërisht në këtë veti bazohen ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit.

Problemi i tretë i relativitetit të përgjithshëm lidhet gjithashtu me energjinë, këtë herë me energjinë e vetë fushës gravitacionale. Për të kuptuar se çfarë po ndodh, le të shqyrtojmë së pari fushën elektromagnetike. Duke qenë një fushë fizike, ajo vetë mbart energji dhe vrull. Për më tepër, energjia e fushës e ruajtur në çdo vëllim elementar të hapësirës është proporcionale me katrorin e forcës së fushës. Duke zgjedhur një sistem referimi, ju mund të ndryshoni madhësinë e fushave elektrike dhe magnetike në një pikë të zgjedhur në hapësirë. Për shembull, duke zgjedhur një kornizë referimi që lëviz së bashku me ngarkesën, mund të zvogëlohet fusha e saj magnetike në zero. Megjithatë, asnjë zgjedhje e kornizës së referencës nuk mund të shkatërrojë plotësisht fushën elektromagnetike në një pikë ku, nga pikëpamja e një kuadri tjetër referimi, ajo nuk është e barabartë me zero. Le të kthehemi në fushën gravitacionale. Themelet e relativitetit të përgjithshëm bazohen në një eksperiment mendimi me një ashensor që bie në një fushë gravitacionale. Është argumentuar se një vëzhgues në një ashensor nuk do të jetë në gjendje të bëjë dallimin midis rënies në një fushë gravitacionale dhe të qenit jashtë çdo fushe. Kjo do të thotë, në kuadrin e referencës së një vëzhguesi që bie lirisht, fusha gravitacionale është plotësisht e anuluar. Prandaj rrjedh se fusha gravitacionale e relativitetit të përgjithshëm nuk është një fushë fizike e zakonshme që ka një densitet të caktuar energjie në hapësirë. Zgjedhja e sistemit të referencës mund të ndryshojë shpërndarjen hapësinore të energjisë së tij. Në këtë kuptim, flitet për jolokalitetin e energjisë së fushës gravitacionale në relativitetin e përgjithshëm. Shumë specialistë në fushën e astrofizikës e konsiderojnë këtë si një mangësi të konsiderueshme të relativitetit të përgjithshëm. Në të njëjtën kohë, shumë specialistë të relativitetit të përgjithshëm e refuzojnë këtë pretendim krejtësisht.

Së fundi, ndoshta pretendimi më i madh për relativitetin e përgjithshëm është se ai lejon shfaqjen e vrimave të zeza, në qendër të të cilave ka një singularitet fizik. Shumica e fizikanëve janë të bindur se shfaqja e pafundësive në një teori fizike do të thotë të shkosh përtej kufijve të zbatueshmërisë së saj.

Fakti që problemet e listuara duhet të adresohen është i qartë për të gjithë. Grupe të ndryshme specialistësh po përpiqen të shkojnë në këtë çështje në mënyra të ndryshme. Sidoqoftë, të gjithë ata mund të ndahen me kusht në dy grupe - ata që vazhdojnë të kërkojnë në përputhje me qasjen gjeometrike që qëndron në themel të GR, dhe ata që refuzojnë të lidhin fushën gravitacionale me gjeometrinë hapësirë-kohë.

Meqenëse drejtimi i parë përfaqësohet më gjerësisht në komunitetin modern shkencor, teoritë e krijuara në mënyrën e dytë quhen kolektivisht teori alternative të gravitetit. Ndër teoritë alternative më të famshme të gravitetit është teoria relativiste e gravitetit (RTG) nga A. A. Logunov. Në Universitetin e Shën Petersburgut, Yu. V. Baryshev zhvillon teorinë e fushës së gravitetit (FTG).

Fatkeqësisht, vitet e fundit në fushën e teorisë së gravitetit po zhvillohet një situatë mjaft e pashëndetshme. Studiuesit që vazhdojnë të punojnë në përputhje me relativitetin e përgjithshëm praktikisht injorojnë punën në fushën e teorive alternative të gravitetit, duke përmendur faktin se deri më tani të gjitha faktet e vëzhguara mund të shpjegohen në bazë të relativitetit të përgjithshëm. Ndërkohë, puna e tyre po kalon gjithnjë e më shumë në fushën e matematikës së pastër dhe po bëhet gjithnjë e më pak e aksesueshme për verifikim eksperimental.

Kjo ndoshta për faktin se, deri vonë, vëzhgimet nuk e lejonin njeriun të zgjidhte midis versioneve të ndryshme të teorive të gravitetit. Efektet relativiste klasike, të tilla si lakimi i rrezeve të dritës në fushën gravitacionale të Diellit ose zhvendosja e perihelionit të Mërkurit, të gjitha këto teori përshkruajnë në të njëjtën mënyrë dhe në përafrimin e parë në të njëjtën mënyrë si relativiteti i përgjithshëm. Dallimet vijnë në fusha më të forta. Dhe vëzhgimi i manifestimeve të tyre bëhet i mundur vetëm në ditët tona.

Një nga objektet më premtuese për testimin e një gjenerate të re të teorive të gravitetit është pulsari i famshëm PSR1913+30. Në këtë çift të ngushtë, të përbërë nga dy yje neutron, duhet të ketë humbje shumë të konsiderueshme energjie për emetimin e valëve gravitacionale. Për më tepër, teori të ndryshme të gravitetit parashikojnë shkallë të ndryshme të humbjes së energjisë. Gjatë viteve të ardhshme, disa teori do të duhet të tërhiqen nga testi në këtë institucion.

Gradualisht GR ka probleme edhe në frontin kozmologjik. Të dhënat mbi moshën e grupimeve të yjeve globulare vështirë se përshtaten në kornizat kohore të përcaktuara nga teoria e Big Bengut bazuar në relativitetin e përgjithshëm. Teoria e Big Bengut parashikon që shpërndarja në shkallë të gjerë e materies në univers duhet të jetë uniforme. Vitet e fundit, shkalla nga e cila duhet vëzhguar homogjeniteti është rritur vazhdimisht nën presionin e të dhënave vëzhguese.

Jo gjithçka shkon mirë edhe për alternativat. Por problemet e tyre qëndrojnë në një plan paksa të ndryshëm. Fakti është se përveç studiuesve mjaft seriozë që zhvillojnë teori alternative të gravitetit, ka një numër shumë më të madh amatorësh në botë të cilët, pasi nuk arritën të kuptojnë aparatin matematikor shumë jo të parëndësishëm të relativitetit të përgjithshëm, fillojnë të krijojnë teoritë e tyre. , duke i quajtur ato alternative. Shpesh këto shifra kanë grada shkencore (të marra kryesisht në zona larg teorisë së gravitetit) dhe për shkak të kësaj ato përfshihen në komunitetin shkencor. Ata dërgojnë artikuj në revista shkencore, flasin në konferenca, botojnë libra për teoritë e tyre vendase, mangësitë e të cilave (nëse mund të flitet për mangësi këtu) janë të pakrahasueshme me pretendimet e mësipërme për relativitetin e përgjithshëm.

Fatkeqësisht, për shumë mbështetës të relativitetit të përgjithshëm, teori të tilla duken njësoj si kërkime mjaft serioze në fushën e teorive alternative të gravitetit. Në fakt, është krijuar një situatë në të cilën vepron dogma e pagabueshmërisë së relativitetit të përgjithshëm (të paktën, qasja gjeometrike që qëndron në themel të tij). Rezulton se në fushën e teorisë së gravitetit, shkenca ndahet në dy klane, të cilat praktikisht nuk ndërveprojnë me njëri-tjetrin. Kjo situatë, natyrisht, duket e trishtueshme. Mund të shpresohet vetëm se akumulimi shpërthyes i të dhënave të reja astronomike në të ardhmen shumë të afërt do t'i detyrojë këto dy klane të vijnë në kontakt.

Materialet për programin:

Nga artikujt e A. A. Logunov mbi teorinë relativiste të gravitetit.

Teoria relativiste e gravitetit bën të mundur tejkalimin e vështirësive që has teoria e përgjithshme e relativitetit. Teoria e re bazohet në ligjet themelore të ruajtjes së materies dhe konceptin e fushës gravitacionale si fushë fizike e tipit Faraday-Maxwell. Ai shpjegon të gjitha të dhënat e njohura vëzhguese dhe eksperimentale mbi gravitetin dhe jep ide të reja rreth zhvillimit të Universit, kolapsit gravitacional, hapësirës dhe kohës.

Të gjithë e dinë mirë se gjeometria e hapësirës përreth nesh është Euklidiane. Ai u zbulua përmes vëzhgimeve, dhe më pas mbi 2 mijë vjet më parë u formulua nga Euklidi në formën e postulateve dhe aksiomave. Postulatet dhe aksiomat që qëndrojnë në themel të gjeometrisë Euklidiane janë pohime të dukshme të pranuara pa prova. Ato janë aq të natyrshme sa është krijuar një bindje pothuajse absolute në veçantinë e kësaj gjeometrie. Gjeometrit kanë bërë shumë përpjekje për të reduktuar numrin e postulateve dhe aksiomave, për t'i reduktuar ato në minimum. Kjo pati sukses kur disa prej tyre u përftuan nga pjesa tjetër. Matematikanët shpenzuan shumë përpjekje për të hequr qafe postulatin e pestë (përmes një pike jashtë një vije të caktuar, mund të vizatohet vetëm një vijë paralele me të), por kjo nuk ishte e mundur, megjithëse gjeometritë janë marrë me këtë problem për më shumë se 2 mijë vjet.

Fillimi i zhvillimit të shpejtë të mekanikës si shkencë e lëvizjes së trupave daton në mesin e shekullit të 17-të. Mekanika e asaj periudhe ishte një shkencë eksperimentale. Si rezultat i përgjithësimit të një sasie të madhe të të dhënave eksperimentale, I. Newton formuloi tre ligjet e tij të famshme të dinamikës dhe ligjin e gravitetit. Kjo bëri të mundur zgjidhjen e një game të gjerë problemesh për atë kohë në lidhje me lëvizjen e trupave. Gjeometria e Euklidit u mishërua në ligjet e Njutonit. Në thelb, që nga ai moment, studimi i fenomeneve mekanike u bë jo vetëm një provë e ligjeve të Njutonit, por edhe e gjeometrisë Euklidiane. Megjithatë, në atë kohë kjo nuk ishte realizuar ende, pasi nuk kishte asnjë dyshim në gjeometrinë e Euklidit, në veçantinë e saj si një skemë logjike. Dhe vetëm në shekullin XIX. N. I. Lobachevsky, duke studiuar problemin e postulatit të pestë në gjeometrinë e Euklidit, arriti në përfundimin se ishte e nevojshme ta zëvendësoni atë me një postulat të ri: të paktën dy linja të drejta kalojnë nëpër një pikë jashtë një vije të drejtë në një plan që nuk kryqëzohen. këtë.

Qëllimi i tij ishte të ndërtonte gjeometrinë në bazë të një sistemi të ri postulatesh dhe aksiomash. Zbatimi i këtij programi e çoi Lobachevsky në zbulimin e gjeometrisë jo-Euklidiane. Lobachevsky bëri zbulimin më të madh, por bashkëkohësit e tij, madje edhe shkencëtarët e shquar, jo vetëm që nuk e kuptuan, por morën një pozicion armiqësor. Studimi i mëvonshëm i Lobachevsky ishte shtysa për ndërtimin e gjeometrive të tjera. U bë e qartë se një grup i pafund gjeometrish si sisteme logjike mund të ndërtohen, dhe vetëm përvoja është në gjendje të vendosë se cila prej tyre realizohet në botën përreth nesh. Në gjuhën moderne matematikore, struktura e gjeometrisë jepet plotësisht nga katrori i distancës midis pikave fqinje pafundësisht të afërta. Në koordinatat karteziane të hapësirës Euklidiane, katrori i një largësie të tillë është: dll = dxx + dyy + dzz.

Këtu dx, dy, dz janë diferenciale koordinative. Në thelb, kjo nuk është gjë tjetër veçse teorema e Pitagorës për rastin e hapësirës tredimensionale, nëse do të vijojmë nga postulatet dhe aksiomat e Euklidit. Kjo barazi mund të merret si bazë për përkufizimin e gjeometrisë Euklidiane. Nëse nuk do të përdornim në të koordinatat karteziane, por disa të tjera lakuar (për shembull, sferike, cilindrike, etj.), atëherë katrori i distancës midis pikave ngjitur në këto koordinata (i shënojmë me xi) do të merrte formën: dll = ?ik(x)dxidxi. Kjo formë shkrimi në gjuhën matematikore nënkupton përmbledhjen mbi të njëjtat indekse i dhe k (i, k = 1, 2. 3). Madhësia ik përcakton strukturën e gjeometrisë dhe quhet tensori metrikë i hapësirës Euklidiane. Gjeometria Euklidiane ka vetinë më të rëndësishme: është gjithmonë e mundur të futen në të koordinatat globale karteziane në të gjithë hapësirën, në të cilën vetëm përbërësit diagonale të tenzorit metrikë, të cilët janë të gjithë të barabartë me një, janë jozero. Kjo do të thotë se hapësira Euklidiane është "e sheshtë", ose, me fjalë të tjera, lakimi në secilën nga pikat e saj është i barabartë me zero.

B. Riemann, duke zhvilluar idenë e N. I. Lobachevsky dhe K. F. Gauss, prezantoi një klasë të veçantë gjeometrish, të quajtur Riemannian, të cilat përkojnë me Euklidianin vetëm në një rajon pafundësisht të vogël. Ai gjithashtu përgjithësoi konceptin themelor të lakimit të hapësirës. Në gjeometrinë Riemanniane, katrori i distancës midis dy pikave fqinje shkruhet gjithashtu në formën që do të ishte një formë diagonale. Kjo do të thotë se lakimi në një hapësirë Riemannian është gjithmonë jo zero, dhe vlera e saj varet nga një pikë në hapësirë.

Çfarë lloj gjeometrie zë vend në natyrë? Përgjigja për këtë pyetje mund të merret vetëm në bazë të përvojës, domethënë duke studiuar fenomenet e natyrës. Ndërsa në fizikë kishim të bënim me shpejtësi relativisht të ulëta, përvoja konfirmoi se gjeometria e hapësirës sonë është Euklidiane dhe koncepte të tilla si "gjatësia" dhe "koha" janë absolute dhe nuk varen nga korniza e referencës. Studimi i fenomeneve elektromagnetike, si dhe lëvizja e grimcave me shpejtësi afër shpejtësisë së dritës, çoi në një zbulim të mahnitshëm: hapësira dhe koha formojnë një vazhdimësi të vetme; rolin e distancës ndërmjet dy pikave të afërta (ngjarjeve) e luan një sasi e quajtur interval. Katrori i intervalit në koordinatat karteziane përcaktohet nga ekuacioni: dss = ccdTT - dxx - dyy - dzz. Këtu c është shpejtësia e dritës; T - koha. Gjeometria e përcaktuar nga një interval i tillë quhet pseudo-Euklidiane, dhe hapësira katërdimensionale me një gjeometri të tillë quhet hapësirë Minkowski. Katrori i intervalit dss mund të jetë një vlerë pozitive, negative ose zero. Kjo ndarje është absolute. Koha dhe koordinatat hyjnë në interval pothuajse në mënyrë të barabartë (në një katror), me ndryshimin e vetëm thelbësor është se ato kanë shenja të ndryshme. Kjo pasqyron ndryshimin e thellë midis koncepteve të tilla fizike si "gjatësia" dhe "koha". Madhësia e intervalit nuk varet nga korniza e referencës, ndërsa koha dhe gjatësia nuk janë më koncepte absolute, ato janë relative dhe varen nga zgjedhja e kornizës së referencës.

Intervali dss ka të njëjtën formë në një klasë të pafundme sistemesh referimi që lëvizin njëri në raport me tjetrin me një shpejtësi konstante më të vogël se shpejtësia e dritës. Korniza të tilla të referencës janë inerciale, sepse ligji i inercisë përmbushet në to. Transformimet nga një kornizë inerciale në tjetrën, duke ruajtur formën e një intervali, quhen shndërrime të Lorencit. Teoria e formuluar në klasën e sistemeve të referencës inerciale bazuar në intervalin dss, A. Ajnshtajni e quajti teorinë speciale të relativitetit. Ky kuptim i kufizuar i relativitetit special është bërë i përhapur dhe ka gjetur rrugën e tij në pothuajse të gjitha tekstet shkollore. Sidoqoftë, konceptet që qëndrojnë në themel të teorisë speciale të relativitetit janë saktësisht të vlefshme edhe për kornizat e përshpejtuara të referencës.

Meqenëse hapësira e Minkowskit është homogjene dhe izotropike, atëherë në gjuhën e matematikës ajo ka një grup maksimumi dhjetë parametrash të lëvizjes (grupi i përkthimit me katër parametra dhe grupi i rrotullimit me gjashtë parametra), dhe për këtë arsye, ligjet e ruajtjes së energjisë - momenti dhe momenti këndor, përkatësisht, zënë vend në të. Kjo do të thotë se është gjithmonë e mundur të gjesh ndryshore të reja x* që janë funksione të tilla të ndryshoreve të vjetra x që kur kalojnë tek to, intervali ruan plotësisht formën e tij: dss = ?ik(x*)dx*idx*k. Këtu, në ndryshoret e reja x*, të gjithë përbërësit e tensorit metrikë?ik(x*) janë të njëjtë si më parë. Kështu, pandryshueshmëria e formës së një intervali në hapësirën Minkowski ndodh jo vetëm për klasën e kornizave inerciale të referencës, por edhe për një klasë të zgjedhur në mënyrë arbitrare të kornizave të përshpejtuara të referencës. Kjo veti e hapësirës Minkowski formulohet si një parim i përgjithësuar i relativitetit: "Çfarëdo kuadri fizik të referencës që zgjedhim (inercial ose joinercial), gjithmonë mund të specifikoni një grup të pafund sistemesh të tjera - ato në të cilat të gjitha fenomenet fizike (përfshirë ato gravitacionale) veprojnë në të njëjtën mënyrë me kornizën origjinale të referencës, kështu që ne nuk kemi dhe nuk mund të kemi asnjë mundësi eksperimentale për të dalluar se në cilën kornizë referimi nga ky grup i pafund jemi "Kjo do të thotë se kur kemi të bëjmë me korniza të përshpejtuara të referencës , ne nuk shkojmë përtej teorisë speciale të relativitetit . Ky parim do të merret më tej si bazë e teorisë relativiste të gravitetit, e cila do të diskutohet më vonë. Ndërkohë, ne i drejtohemi teorisë së gravitetit të krijuar nga Ajnshtajni. Le të diskutojmë parimet dhe vështirësitë e tij kryesore.

Nxitimi i përjetuar nga një pikë e lirë materiale në një kornizë referimi jo inerciale shprehet në termat e derivateve të parë të tensorit metrikë?ik në lidhje me koordinatat dhe kohën. Kjo pasqyron universalitetin e forcave të inercisë, të cilat shkaktojnë një përshpejtim që nuk varet nga masa e trupit. Forcat gravitacionale kanë saktësisht të njëjtën veti, pasi, siç tregon përvoja, masa gravitacionale e një trupi është e barabartë me masën e tij inerciale. Duke e konsideruar barazinë e masave inerciale dhe gravitacionale si një fakt themelor, Ajnshtajni arriti në përfundimin se fusha gravitacionale, ashtu si forcat e inercisë, duhet të përshkruhet nga një tensor metrikë. Kjo do të thotë që fusha gravitacionale nuk karakterizohet nga ndonjë potencial skalar, por nga dhjetë funksione që janë përbërës të tensorit metrikë. Ky ishte hapi më i rëndësishëm për të kuptuar forcat e gravitetit, i cili i lejoi Ajnshtajnit, pas shumë vitesh përpjekjesh për të ndërtuar një teori të gravitetit, të parashtronte idenë se hapësira-koha nuk është pseudo-Euklidiane, por pseudo-Riemaniane (në ajo që vijon do të themi thjesht Riemannian).

Ajnshtajni identifikoi fushën gravitacionale me tensorin metrikë të hapësirës Riemanniane. Kjo ide i lejoi D. Hilbertit dhe A. Ajnshtajnit të merrnin ekuacione për fushën gravitacionale, domethënë për tensorin metrikë të hapësirës Riemanniane. Në këtë mënyrë u ndërtua teoria e përgjithshme e relativitetit (GR).

Parashikimi i Ajnshtajnit për devijimin e një rreze drite në fushën e Diellit, dhe më pas konfirmimi eksperimental i këtij efekti, si dhe shpjegimi i zhvendosjes në perihelion të Mërkurit, u bënë një triumf i vërtetë i teorisë së përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit. . Megjithatë, me gjithë sukseset e saj, OTO është përballur me vështirësi pothuajse që nga lindja e saj.

E. Schrödinger në vitin 1918 tregoi se me një zgjedhje të përshtatshme të sistemit të koordinatave, të gjithë komponentët që karakterizojnë momentin energjetik të fushës gravitacionale mund të reduktohen në zero jashtë një trupi sferikisht simetrik. Në fillim, ky rezultat iu duk i habitshëm për Ajnshtajnin, por më pas , pas analizës, ai u përgjigj si më poshtë: “Për sa i përket konsideratave të Shrodingerit, bindshmëria e tyre qëndron në analogjinë me elektrodinamikën, në të cilën tensionet dhe densiteti i energjisë i çdo fushe janë jozero. Megjithatë, nuk mund të gjej një arsye pse e njëjta gjë duhet të jetë rasti për fushat gravitacionale. Fushat gravitacionale mund të vendosen pa futur strese dhe densitet të energjisë. Ose përndryshe: "... për një rajon pafundësisht të vogël, koordinatat mund të zgjidhen gjithmonë në atë mënyrë që fusha gravitacionale të mungojë në të."

Ne shohim se Ajnshtajni u largua me vetëdije nga koncepti klasik i një fushe si një substancë materiale, e cila as në nivel lokal nuk mund të shkatërrohet kurrë nga zgjedhja e një kuadri referimi, dhe ai e bëri këtë në emër të parimit lokal të ekuivalencës së forcat e inercisë dhe gravitetit, të cilat ai i ngriti në rangun e një parimi themelor, megjithëse fizik Nuk kishte arsye për këtë dhe nuk ka asnjë. E gjithë kjo çoi në idenë e pamundësisë së lokalizimit të energjisë gravitacionale në hapësirë.

Një vështirësi tjetër që lidhet me atë të mëparshmen lidhet me formulimin e ligjeve të ruajtjes së energjisë dhe momentit. Për herë të parë është vënë në dukje nga D. Hilbert. Në vitin 1917, ai shkroi: "Unë pohoj ... se për teorinë e përgjithshme të relativitetit, d.m.th., në rastin e pandryshueshmërisë së përgjithshme të funksionit Hamiltonian, ekuacionet e energjisë, të cilat ... korrespondojnë me ekuacionet e energjisë në ortogonalisht invariante teoritë (që do të thotë teoria e fushës në hapësirën Minkowski) nuk ekziston fare. Unë madje mund ta vërej këtë rrethanë si një tipar karakteristik i teorisë së përgjithshme të relativitetit. Fatkeqësisht, kjo deklaratë e Hilbertit nuk u kuptua nga bashkëkohësit e tij, pasi as vetë Ajnshtajni dhe as fizikanët e tjerë nuk e kuptuan se në relativitetin e përgjithshëm ligjet e ruajtjes së energjisë-momentit dhe momentit këndor janë në parim të pamundura.

Por Ajnshtajni e kuptoi qartë rëndësinë themelore të ligjeve të ruajtjes së energjisë-momentit të materies dhe fushës gravitacionale të marra së bashku, dhe për këtë arsye nuk do t'i braktiste fare. Në vitin 1918, ai kreu një studim brenda kuadrit të relativitetit të përgjithshëm, në të cilin, siç shkroi ai, "konceptet e energjisë dhe momentit vendosen po aq qartë sa në mekanikën klasike". Në të njëjtin vit, F. Klein konfirmoi rezultatet e Ajnshtajnit. Që atëherë, Ajnshtajni është ndjekur fjalë për fjalë në prezantimin e kësaj çështjeje. Duket se problemi u zgjidh plotësisht dhe Ajnshtajni nuk iu kthye kurrë. Megjithatë, një analizë e kujdesshme tregon se arsyetimi i Ajnshtajnit dhe Kleinit përmban një gabim të thjeshtë por themelor.Thelbi i tij qëndron në faktin se vlera e J?, të cilën Ajnshtajni veproi në arsyetimin e tij, duke identifikuar përbërësit e tij me energjinë dhe vrullin, është thjesht e barabartë me zero. Ajnshtajni nuk ishte i destinuar të shihte se pranimi i relativitetit të përgjithshëm çon domosdoshmërisht në refuzimin e ligjeve themelore të ruajtjes, dhe kjo e fundit, siç kemi treguar, të çon drejtpërdrejt në përfundimin se masa inerciale e një trupi (siç përcaktohet në relativitetin e përgjithshëm) nuk është e barabartë me masën e tij aktive gravitacionale. Por kjo do të thotë se relativiteti i përgjithshëm nuk mund të shpjegojë faktin eksperimental të barazisë së këtyre masave, dhe në fakt Ajnshtajni besonte se ishte ai që ishte pasojë e teorisë së tij. Megjithatë, doli se nuk ishte kështu. Arsyeja kryesore për mungesën e ligjeve të ruajtjes në relativitetin e përgjithshëm qëndron në faktin se në gjeometrinë Riemanniane, në rastin e përgjithshëm, nuk ekziston një grup lëvizjesh të hapësirës dhe, për rrjedhojë, nuk ka simetri hapësirë-kohë që çon në ligje të ruajtjes. . Dhe megjithëse kjo e fundit ishte jashtëzakonisht e dukshme për matematikanët, dhe fizikantët, me sa duket, dinin për të, megjithatë, mungesa e një kuptimi të thellë të origjinës matematikore të ligjeve të ruajtjes nuk na lejoi të nxjerrim përfundimin e vetëm të saktë se nuk mund të ketë konservim ligjet në relativitetin e përgjithshëm. Veprat e Ajnshtajnit dhe Kleinit, për të cilat shkruam më lart, krijuan një besim iluziv në ekzistencën e ligjeve të ruajtjes në relativitetin e përgjithshëm. Ky besim vazhdon edhe sot e kësaj dite. Aparati i gjeometrisë Riemanniane, për shkak të elegancës dhe bukurisë së tij, i mahniti fizikantët e përfshirë në gravitetin në një masë të tillë, saqë pothuajse plotësisht i shkëputi ata nga realiteti fizik.

Dhënia e kuptimit fizik ndërtimeve matematikore pa ide fizike është një profesion shumë i dyshimtë, por është i përhapur edhe në kohën tonë. Kështu, pranimi i konceptit të relativitetit të përgjithshëm çon në refuzimin e një sërë parimesh themelore që qëndrojnë në themel të fizikës. Së pari, është një refuzim i ligjeve të ruajtjes së momentit të energjisë dhe momentit këndor të materies dhe fushës gravitacionale të marra së bashku. Së dyti, refuzimi i paraqitjes së fushës gravitacionale si fushë klasike e tipit Faraday-Maxwell, e cila ka një densitet energji-moment. Për shumë fizikanë të përfshirë në relativitetin e përgjithshëm, kjo është ende e paqartë, ndërsa të tjerë priren ta konsiderojnë refuzimin e ligjeve të ruajtjes si arritjen më të madhe të teorisë që rrëzoi një koncept të tillë si "energjia". Megjithatë, as në botën makro dhe as në atë mikro nuk ekziston një fakt i vetëm eksperimental që hedh dyshime drejtpërdrejt ose tërthorazi mbi vlefshmërinë e ligjeve të ruajtjes së materies. Prandaj, do të ishim shumë joserioze nëse me vetëdije do t'i braktisnim këto ligje pa bazat e duhura eksperimentale. Pa ligjet e ruajtjes, teoria nuk mund të jetë e kënaqshme. Refuzimi i relativitetit të përgjithshëm diktohet si nga logjika e koncepteve fizike ashtu edhe nga faktet eksperimentale.

Duke i kushtuar haraç relativitetit të përgjithshëm si një fazë të caktuar të rëndësishme në studimin e gravitetit, mund të thuhet thelbi i parimeve të teorisë relativiste të gravitetit, të ndërtuar mbi bazën e ligjeve themelore të ruajtjes.

Teoria relativiste e gravitetit (RTG) bazohet në kërkesat fizike të mëposhtme. Në teori, ligjet e ruajtjes së energjisë-momentit dhe momentit këndor për lëndën dhe fushën gravitacionale, të marra së bashku, duhet të respektohen rreptësisht. Substanca i referohet të gjitha formave të materies (përfshirë fushën elektromagnetike) me përjashtim të gravitacionit. Ligjet e ruajtjes pasqyrojnë vetitë e përgjithshme dinamike të materies dhe bëjnë të mundur prezantimin e karakteristikave të përbashkëta për format e ndryshme të saj. Vetitë e përgjithshme dinamike të materies mishërohen në strukturën e gjeometrisë hapësirë-kohë. Domosdoshmërisht rezulton të jetë pseudo-Euklidiane (me fjalë të tjera, teoria është ndërtuar në hapësirën Minkowski). Kështu, gjeometria nuk jepet me marrëveshje, siç besonte Poincare, por përcaktohet në mënyrë unike nga ligjet e ruajtjes. Hapësira Minkowski, siç u përmend tashmë, ka një grup përkthimi me katër parametra dhe një grup rrotullimi me gjashtë parametra. Kjo dispozitë e dallon thelbësisht RTG nga teoria e përgjithshme e relativitetit dhe na nxjerr plotësisht nga gjeometria Riemanniane. Fusha gravitacionale përshkruhet nga një tensor simetrik dhe është një fushë fizike reale me energji dhe densitet të momentit. Nëse kjo fushë krahasohet me grimcat (kuantet e fushës), atëherë ato duhet të kenë masë pushimi zero, pasi ndërveprimi gravitacional është me rreze të gjatë. Në këtë rast, kuantet reale dhe virtuale të fushës gravitacionale mund të kenë gjendje me rrotullime 2 dhe 0.

Një përkufizim i tillë i fushës gravitacionale i kthen asaj një realitet fizik, pasi ajo nuk mund të shkatërrohet më as në nivel lokal nga zgjedhja e një kuadri referimi, dhe për këtë arsye nuk ka asnjë ekuivalencë (madje edhe lokale) midis fushës gravitacionale dhe forcave të inercia. Kjo kërkesë fizike e dallon thelbësisht RTG nga GR. Ajnshtajni në relativitetin e përgjithshëm e identifikoi gravitetin me tensorin metrikë të hapësirës Riemannian, por kjo rrugë çoi në humbjen e konceptit të fushës gravitacionale si fushë fizike, si dhe në humbjen e ligjeve të ruajtjes. Refuzimi i kësaj dispozite të relativitetit të përgjithshëm diktohet kryesisht nga dëshira për të ruajtur këto koncepte themelore fizike në teorinë e gravitetit.

Sistemi i ekuacioneve të Maksuellit për ekuacionet e fushës elektromagnetike dhe RTG. Ngjashmëria e tyre është pasqyrim i një prej dispozitave kryesore të RTG, sipas së cilës fusha gravitacionale konsiderohet si një fushë fizike me energji dhe densitet të momentit, në vend të kësaj, parimi i gjeometrizimit futet në teori, thelbi i të cilit është si vijon: bashkëveprimi i fushës gravitacionale me lëndën, për shkak të universalitetit të saj, përshkruhet duke lidhur fushën gravitacionale tensore Фik me tensorin metrikë?ik të hapësirës Minkowski. Kjo mund të bëhet gjithmonë, pasi çfarëdo forme të materies që zgjedhim, ekuacionet e saj fizike fillestare do të përfshijnë tensorin metrikë të hapësirës Minkowski. Nuk mund të jetë ndryshe, pasi proceset fizike vazhdojnë në kohë dhe hapësirë.

Sipas Ajnshtajnit, lëvizja e materies ndodh në hapësirën-kohën Riemanniane, ndërsa në relativitetin e përgjithshëm nuk ka hapësirë Minkowski. Sipas parimit të gjeometrizimit, materia lëviz në hapësirën Minkowski nën veprimin e një fushe gravitacionale. Një lëvizje e tillë është me të vërtetë ekuivalente me lëvizjen në një hapësirë "efektive" Riemanniane. Fusha gravitacionale, si të thuash, ndryshon gjeometrinë e fushave të tjera. Prania e hapësirës Minkowski në RTG na lejon të konsiderojmë fushën gravitacionale si një fushë fizike të zakonshme në frymën e Faraday-Maxwell me vetitë e saj të zakonshme të një transportuesi energjie-moment.

Pra, jo manifestime të veçanta fizike të lëvizjes së materies, por vetitë e saj më të përgjithshme dinamike përcaktojnë strukturën e gjeometrisë, e cila duhet të jetë në themel të teorisë fizike. Në teorinë relativiste të gravitetit (RTG), gjeometria përcaktohet jo në bazë të studimit të lëvizjes së dritës dhe trupave testues, por në bazë të vetive të përgjithshme dinamike të materies - ligjet e ruajtjes së saj, të cilat nuk janë vetëm me rëndësi themelore. , por edhe të verifikuara eksperimentalisht. Në këtë rast, lëvizja e dritës dhe trupave testues është për shkak të veprimit të thjeshtë të fushës gravitacionale mbi materien në hapësirën Minkowski. Kështu, hapësira Minkowski dhe fusha gravitacionale janë konceptet fillestare, parësore, dhe hapësira "efektive" Riemannian është një koncept dytësor, i cili i detyrohet origjinës së saj fushës gravitacionale dhe veprimit të saj universal mbi materien. Vetë thelbi i parimit të gjeometrizimit qëndron në ndarjen e forcave të inercisë dhe fushës gravitacionale. Por kjo ndarje mund të realizohet vetëm fizikisht kur ekuacionet për fushën gravitacionale përfshijnë tensorin metrikë të hapësirës Minkowski. Në relativitetin e përgjithshëm, siç është e lehtë të shihet drejtpërdrejt nga ekuacionet Hilbert-Ajnshtajn, një ndarje e tillë është e pamundur, pasi në gjeometrinë Riemanniane, mbi të cilën bazohet relativiteti i përgjithshëm, nuk ekziston koncepti i hapësirës Minkowski. Prandaj, për shembull, pohimet se GR mund të merret bazuar në konceptet e hapësirës Minkowski janë të gabuara. Në parimin e gjeometrizimit, nga njëra anë, ideja e Ajnshtajnit për identifikimin e gravitetit me tensorin metrik të hapësirës Riemannian përjashtohet plotësisht, dhe nga ana tjetër, zhvillohet ideja e Ajnshtajnit për gjeometrinë Riemanniane. Nëse hapësira-koha përcaktohet plotësisht nga tensori metrikë, atëherë materia karakterizohet nga tensori i saj energji-moment. Për çdo formë të materies, ajo ka formën e saj specifike. Tenzori total energji-moment i materies dhe fushës gravitacionale në hapësirën Minkowski është një tensor i konservuar. Duke pasur parasysh karakterin universal të gravitetit, ai duhet të shërbejë si burim i fushës gravitacionale në ekuacionet RTG. Sistemi i plotë i ekuacioneve të teorisë relativiste të gravitacionit mund të merret zyrtarisht nga ekuacionet e Maksuellit për elektrodinamikën, nëse në vend të fushës elektromagnetike vektoriale në anën e majtë të ekuacioneve vendosim fushën gravitacionale tensor dhe zëvendësojmë rrymën elektromagnetike të konservuar me tensori energji-moment i gjithë materies.

Sigurisht, një përfundim i tillë është thjesht një mjet heuristik dhe në asnjë mënyrë nuk mund të pretendojë të jetë rigoroz. Por një konsideratë e saktë mbi bazën e parimeve RTG të përshkruara më herët, në lidhje me pandryshueshmërinë e matësit lokal, në mënyrë të paqartë çon në një sistem të tillë prej 14 ekuacionesh gravitacionale. Katër ekuacione shtesë të fushës RTG përcaktojnë strukturën fizike të fushës gravitacionale dhe ndajnë në thelb gjithçka që lidhet me forcat inerciale nga gjithçka që lidhet me fushën gravitacionale.

Dhjetë ekuacionet e mbetura përkojnë me ekuacionet Hilbert-Ajnshtajn, me ndryshimin e vetëm themelor që variablat e fushës në to janë funksione të koordinatave Minkowski. Kjo ndryshon plotësisht përmbajtjen e tyre fizike dhe i dallon ato nga ekuacionet GR. Të gjitha ekuacionet janë përgjithësisht kovariante, d.m.th., ato kanë të njëjtën formë në të gjitha kornizat e referencës së hapësirës Minkowski, dhe ato përfshijnë në mënyrë eksplicite tensorin metrikë të kësaj hapësire. Kjo do të thotë se hapësira Minkowski reflektohet jo vetëm në ligjet e ruajtjes, por edhe në përshkrimin e fenomeneve fizike. Të gjithë komponentët e fushës (elektromagnetike, gravitacionale, etj.) në teorinë tonë janë funksione të koordinatave hapësinore Minkowski. Kjo është e një rëndësie themelore. Duke zgjidhur sistemin e ekuacioneve të fushës, vendosim varësinë e tenzorit metrikë të hapësirës "efektive" Riemannian si nga koordinatat e hapësirës Minkowski ashtu edhe nga konstanta gravitacionale G. Koha e duhur (e matur nga orët që lëvizin së bashku me lëndën) kthehet varet nga koordinatat e hapësirës Minkowski dhe konstanta gravitacionale. Kështu, rrjedha e kohës së duhur përcaktohet nga natyra e fushës gravitacionale.

Prania e tenzorit metrik të hapësirës Minkowski në ekuacionet e fushës bën të mundur ndarjen e forcave inerciale nga ato gravitacionale dhe në të gjitha rastet gjetjen e ndikimit të tyre në procese të caktuara fizike. Prandaj, hapësira Minkowski është fizike dhe, rrjedhimisht, e vëzhgueshme.

Karakteristikat e tij, nëse është e nevojshme, gjithmonë mund të verifikohen me përpunimin e duhur të të dhënave eksperimentale mbi lëvizjen e sinjaleve të dritës dhe trupave testues në hapësirën "efektive" të Riemannit. "Sa i përket konsideratës se një vijë e drejtë, si një rreze drite, është më drejtpërdrejt e vëzhgueshme," shkroi V.A. korrespondenca u krijua nga konkluzionet indirekte." Kështu, vëzhgueshmëria duhet të kuptohet jo në një primitive, por në një mënyrë më të përgjithshme dhe më të përgjithshme dhe kuptim më i thellë, si një përshtatshmëri ndaj natyrës.

Natyrisht, RTG nuk e përjashton aspak mundësinë e përshkrimit të materies në një hapësirë "efektive" Riemanniane. Ekuacionet RTG përmbajnë tensorin metrikë të hapësirës Minkowski, dhe për këtë arsye të gjitha funksionet që përshkruajnë fushat fizike shprehen në koordinata të përbashkëta për të gjithë hapësirën-kohën Minkowski, për shembull, në koordinatat galileane (karteziane). Ekuacionet Hilbert-Ajnshtajn, në lidhje me ekuacionet që përcaktojnë strukturën e fushës gravitacionale, marrin një kuptim të ri fizik, ndërsa ndryshojnë dhe thjeshtohen ndjeshëm. Ligjet e ruajtjes së energjisë-momentit të materies dhe fushës gravitacionale, të marra së bashku, janë pasoja të ekuacioneve RTG dhe pasqyrojnë strukturën pseudo-Euklidiane të hapësirë-kohës. Në parim, relativiteti i përgjithshëm është i privuar nga të gjitha sa më sipër, pasi në gjeometrinë Riemanniane, ne e përsërisim, nuk ka asnjë koncept të hapësirës Minkowski.

Tani - për disa pasoja fizike të RTG. Në fillim të viteve 1920, A. A. Fridman, duke zgjidhur ekuacionet Hilbert-Ajnshtajn me supozimin se dendësia e materies në çdo pikë të hapësirës është e njëjtë dhe varet vetëm nga koha (universi homogjen dhe izotropik i Friedmann-it), zbuloi se tre modele të Universi jo-stacionar është i mundur ( Modelet e universit të Friedmann-it). Çdo lloj universi përcaktohet nga raporti midis densitetit të materies në një moment të caktuar dhe të ashtuquajturës dendësi kritike, e përcaktuar në bazë të matjes së konstantës Hubble. Nëse dendësia e materies është më e madhe se ajo kritike, atëherë Universi është i mbyllur dhe ka një vëllim të fundëm, por nuk ka kufij. Nëse dendësia e materies është më e vogël ose e barabartë me atë kritike, atëherë Universi është i pafund.

Pyetjes se cili prej këtyre modeleve është realizuar në natyrë, relativiteti i përgjithshëm, në parim, nuk mund të japë një përgjigje të caktuar. Sipas RTG, Universi homogjen dhe izotropik i Friedmann-it është i pafund dhe mund të jetë vetëm i sheshtë - gjeometria e tij tredimensionale është Euklidiane. Në këtë rast, dendësia e materies në univers është saktësisht e barabartë me densitetin kritik. Kështu, RTG parashikon se duhet të ketë një "masë të fshehur" në Univers, dendësia e së cilës është pothuajse 40 herë më e lartë se dendësia e materies që vërehet sot.

Një tjetër pasojë e rëndësishme e RTG është pohimi se dendësia totale e energjisë e materies dhe fusha gravitacionale në Univers duhet të jetë e barabartë me zero.

Parashikimi RTG për zhvillimin e Universit homogjen dhe izotropik të Friedmann-it ndryshon ndjeshëm nga përfundimet e relativitetit të përgjithshëm. Më tej, nga relativiteti i përgjithshëm rrjedh se objektet me një masë që tejkalon tre masa diellore, gjatë një intervali të kufizuar të kohës së duhur, duhet të ngjeshen pafundësisht nga forcat gravitacionale (kolapsi), ndërsa arrijnë një densitet të pafund. Objektet e këtij lloji quhen vrima të zeza. Ata nuk kanë një sipërfaqe materiale, dhe për këtë arsye një trup që bie në një vrimë të zezë, kur kalon kufirin e saj, nuk do të ndeshet vetëm me hapësirën boshe. Edhe drita nuk mund të largohet nga zona e brendshme e një vrime të zezë përmes kufirit të saj. Me fjalë të tjera, gjithçka që ndodh brenda një vrime të zezë, në parim, nuk është e njohur për një vëzhgues të jashtëm.

J. Wheeler e konsideroi kolapsin gravitacional dhe singularitetin që rezulton (dendësia e pafundme) si një nga krizat më të mëdha të të gjitha kohërave për fizikën themelore. Teoria relativiste e gravitetit ndryshon rrënjësisht konceptin e natyrës së kolapsit gravitacional. Ajo çon në fenomenin e zgjerimit të kohës gravitacionale, për shkak të të cilit ngjeshja e një trupi masiv në kornizën e referencës lëvizëse ndodh në një kohë të caktuar të kufizuar. Në të njëjtën kohë, ajo që është më e rëndësishmja, dendësia e materies mbetet e fundme dhe nuk i kalon 1016 g/cm në kubik, shkëlqimi i trupit zvogëlohet në mënyrë eksponenciale, objekti "ngjyhet", por ndryshe nga vrimat e zeza, ai gjithmonë ka një material. sipërfaqe. Objekte të tilla, nëse lindin, kanë një strukturë komplekse, ndërsa nuk ndodh "vetëmbyllja" gravitacionale, dhe për këtë arsye substanca nuk zhduket nga hapësira jonë. Në RTG, koha e duhur për një trup testues në rënie varet nga koordinatat e hapësirës Minkowski dhe nga konstanta gravitacionale G, dhe, rrjedhimisht, rrjedha e kohës së duhur përcaktohet nga natyra e fushës gravitacionale. Është kjo rrethanë që çon në faktin se koha e duhur për një trup testues në rënie ngadalësohet pafundësisht ndërsa i afrohet të ashtuquajturës rreze Schwarzschild.

Kështu, sipas RTG, asnjë vrimë e zezë - objekte në të cilat ndodh ngjeshja katastrofike e fortë e materies deri në dendësi të pafundme dhe që nuk kanë një sipërfaqe materiale - në parim nuk mund të ekzistojnë në natyrë. E gjithë kjo i dallon në thelb parashikimet RTG nga parashikimet GR. Tkurrja e objekteve masive kur presioni nuk është zero sigurisht që do të jetë më i dobët pasi presioni i brendshëm kundërshton tërheqjen gravitacionale. Evolucioni i objekteve reale kërkon një studim më të detajuar duke përdorur ekuacionin e gjendjes së materies dhe është një problem shumë interesant.

RTG shpjegon të gjithë grupin e të dhënave vëzhguese dhe eksperimentale për efektet gravitacionale në sistemin diellor. Një analizë e detajuar tregon se parashikimet GR për efektet gravitacionale në sistemin diellor janë të paqarta, dhe për disa efekte, arbitrariteti ndodh në termat e rendit të parë në konstantën gravitacionale G, dhe për të tjerët, në termat e rendit të dytë. Cila është arsyeja e kësaj paqartësie? Në relativitetin e përgjithshëm, për të përcaktuar përbërësit e tensorit metrikë të një hapësire të Riemanit në çdo koordinatë, është e nevojshme të vendosen të ashtuquajturat kushte koordinative, të cilat janë shumë arbitrare dhe gjithmonë jo bashkëvariante (referojuni vetëm një sistemi të caktuar koordinativ të zgjedhur ). Në varësi të formës së këtyre kushteve, në të njëjtat koordinata, në rastin e përgjithshëm, do të marrim domosdoshmërisht tensorë të ndryshëm metrikë. Por tensorë të ndryshëm metrikë në të njëjtat koordinata do të japin gjeodezikë të ndryshme, që do të thotë se parashikimet GR për lëvizjen e dritës dhe trupat e provës do të jenë gjithashtu të ndryshme.

Pra, teoria relativiste e gravitetit, e ndërtuar mbi bazën e ligjeve të ruajtjes dhe ideve për fushën gravitacionale si një fushë fizike me një densitet energji-moment, në kombinim me parimet e gjeometrizimit dhe pandryshueshmërisë së matësit lokal, shpjegon të gjitha të njohura vëzhguese dhe eksperimentale. të dhëna mbi gravitetin dhe jep parashikime të reja rreth zhvillimit të Universit të Friedmann-it dhe kolapsit gravitacional.

Bibliografi

Denisov V.I., Logunov A.A. Problemet moderne të matematikës. Rezultatet e shkencës dhe teknologjisë. M., 1982.

Landau LD, Lifshits Kurs i shkurtër i fizikës teorike. M., 1969.

Logunov A. A. Ide të reja rreth hapësirës, kohës dhe gravitetit // Shkenca dhe Njerëzimi: Libri Vjetar Ndërkombëtar. M., 1988.

Logunov AA Leksione mbi teorinë e relativitetit dhe gravitacionit. M., 1985.

Logunov A. A. Teoria e fushës gravitacionale. M., 2000 (2001).

Logunov AA, Loskutov Yu. M. Paqartësia e parashikimeve të teorisë së përgjithshme të relativitetit dhe teorisë relativiste të gravitetit. M., 1986.

Logunov A. A., Mestvirishvili M. A. Bazat e gravitetit relativist. M., 1982.

Klein F. Mbi formën integrale të ligjeve të ruajtjes dhe teorinë e një bote të mbyllur në hapësirë//Koleksioni i Ajnshtajnit.1980–1981. M., 1985.

Fock V. A. Teoria e hapësirës, kohës dhe gravitetit. M., 1965.

Schrödinger E. Përbërësit e energjisë së fushës gravitacionale / Koleksioni i Ajnshtajnit. 1980–1981 M., 1985.

Einstein A. Koleksion punimesh shkencore. M., 1965. T. 1.

Tema #201

Transmetuar më 21.01.03

Orari 46:00.

Midis të gjithë trupave materialë. Në përafrimin e shpejtësive të ulëta dhe ndërveprimit të dobët gravitacional, ai përshkruhet nga teoria e gravitetit të Njutonit, në rastin e përgjithshëm përshkruhet nga teoria e përgjithshme e relativitetit të Ajnshtajnit. Në kufirin kuantik, ndërveprimi gravitacional supozohet se përshkruhet nga graviteti i teorisë kuantike, i cili ende nuk është zhvilluar.

YouTube enciklopedik

1 / 5

✪ Vizualizimi i gravitetit

✪ SHKENCËTARËT NA QIJNË QË NË LINDJE. 7 FAKTE SEDITARE PËR GRAVITETIN. EKSPOZIMI I GENJESHTRAVE TE NJUTONIT DHE FIZIKANTEVE

✪ Graviteti

✪ 10 fakte interesante rreth gravitetit

✪ Alexander Chirtsov - Graviteti: zhvillimi i pamjeve nga Njutoni te Ajnshtajni

Titra

Tërheqja gravitacionale

Ligji i gravitetit universal është një nga aplikimet e ligjit katror të anasjelltë, i cili haset edhe në studimin e rrezatimit (shih, për shembull, Presioni e dritës), dhe që është pasojë e drejtpërdrejtë e një rritjeje kuadratike të sipërfaqes së një sferë me një rritje në rreze, e cila çon në një ulje kuadratike të kontributit të çdo njësie të zonës në zonën e të gjithë sferës.

Fusha gravitacionale, si dhe fusha e forcës-gravitetit, është potencialisht . Kjo do të thotë se është e mundur të futet energjia potenciale e tërheqjes gravitacionale të një çifti trupash dhe kjo energji nuk do të ndryshojë pasi të lëvizni trupat përgjatë një konture të mbyllur. Potencialiteti i fushës gravitacionale përfshin ligjin e ruajtjes së shumës së energjisë kinetike dhe potenciale, dhe kur studion lëvizjen e trupave në një fushë gravitacionale, shpesh thjeshton shumë zgjidhjen. Në kuadrin e mekanikës Njutoniane, ndërveprimi gravitacional është me rreze të gjatë. Kjo do të thotë se pavarësisht se si lëviz një trup masiv, në çdo pikë të hapësirës potenciali gravitacional varet vetëm nga pozicioni i trupit në një moment të caktuar kohor.

Objektet e mëdha hapësinore - planetët, yjet dhe galaktikat kanë një masë të madhe dhe, për rrjedhojë, krijojnë fusha të rëndësishme gravitacionale.

Graviteti është forca më e dobët. Megjithatë, duke qenë se ajo vepron në të gjitha distancat dhe të gjitha masat janë pozitive, ajo është megjithatë një forcë shumë e rëndësishme në univers. Në veçanti, ndërveprimi elektromagnetik midis trupave në një shkallë kozmike është i vogël, pasi ngarkesa totale elektrike e këtyre trupave është zero (substanca në tërësi është elektrikisht neutrale).

Gjithashtu, graviteti, ndryshe nga ndërveprimet e tjera, është universal në efektin e tij në të gjithë lëndën dhe energjinë. Nuk është gjetur asnjë objekt që nuk ka fare ndërveprim gravitacional.

Për shkak të natyrës së tij globale, graviteti është përgjegjës për efekte të tilla në shkallë të gjerë si struktura e galaktikave, vrimat e zeza dhe zgjerimi i universit, dhe për fenomenet elementare astronomike - orbitat e planetëve, dhe për tërheqjen e thjeshtë në sipërfaqen e Tokës dhe trupat që bien.

Graviteti ishte ndërveprimi i parë i përshkruar nga një teori matematikore. Aristoteli (shek. IV para Krishtit) besonte se objektet me masa të ndryshme bien me shpejtësi të ndryshme. Dhe vetëm shumë më vonë (1589) Galileo Galilei përcaktoi eksperimentalisht se kjo nuk është kështu - nëse rezistenca e ajrit eliminohet, të gjithë trupat përshpejtohen në mënyrë të barabartë. Ligji i gravitetit i Isak Njutonit (1687) ishte një përshkrim i mirë i sjelljes së përgjithshme të gravitetit. Në vitin 1915, Albert Einstein krijoi Teorinë e Përgjithshme të Relativitetit, e cila përshkruan më saktë gravitetin në termat e gjeometrisë hapësirë-kohë.

Mekanika qiellore dhe disa nga detyrat e saj

Detyra më e thjeshtë e mekanikës qiellore është bashkëveprimi gravitacional i dy trupave pika ose sferikë në hapësirën boshe. Ky problem në kuadrin e mekanikës klasike zgjidhet analitikisht në formë të mbyllur; rezultati i zgjidhjes së tij shpesh formulohet në formën e tre ligjeve të Keplerit.

Ndërsa numri i trupave ndërveprues rritet, problemi bëhet shumë më i ndërlikuar. Kështu, problemi tashmë i famshëm me tre trupa (d.m.th., lëvizja e tre trupave me masa jo zero) nuk mund të zgjidhet analitikisht në një formë të përgjithshme. Me një zgjidhje numerike, megjithatë, paqëndrueshmëria e zgjidhjeve në lidhje me kushtet fillestare vendoset mjaft shpejt. Kur aplikohet në sistemin diellor, kjo paqëndrueshmëri e bën të pamundur parashikimin e saktë të lëvizjes së planetëve në shkallë që tejkalojnë njëqind milionë vjet.

Në disa raste të veçanta, është e mundur të gjendet një zgjidhje e përafërt. Më i rëndësishmi është rasti kur masa e një trupi është dukshëm më e madhe se masa e trupave të tjerë (shembuj: sistemi diellor dhe dinamika e unazave të Saturnit). Në këtë rast, në përafrimin e parë, mund të supozojmë se trupat e dritës nuk ndërveprojnë me njëri-tjetrin dhe lëvizin përgjatë trajektoreve Kepleriane rreth një trupi masiv. Ndërveprimet ndërmjet tyre mund të merren parasysh në kuadrin e teorisë së perturbimit dhe të mesatarizohen me kalimin e kohës. Në këtë rast, mund të shfaqen dukuri jo të parëndësishme, si rezonanca, tërheqëse, rastësi, etj. Një shembull i mirë i fenomeneve të tilla është struktura komplekse e unazave të Saturnit.

Pavarësisht përpjekjeve për të përshkruar me saktësi sjelljen e një sistemi të një numri të madh trupash tërheqës me përafërsisht të njëjtën masë, kjo nuk është e mundur për shkak të fenomenit të kaosit dinamik.

Fusha të forta gravitacionale

Në fushat e forta gravitacionale, si dhe kur lëvizni në një fushë gravitacionale me shpejtësi relativiste, efektet e teorisë së përgjithshme të relativitetit (GR) fillojnë të shfaqen:

ndryshimi në gjeometrinë e hapësirë-kohës;
- si pasojë, devijimi i ligjit të gravitetit nga Njutoniani;
- dhe në raste ekstreme - shfaqja e vrimave të zeza;
vonesa e potencialeve të lidhura me shqetësimet e shpejtësisë së fundme përhapjes gravitacionale;
- si pasojë, shfaqja e valëve gravitacionale;
Efektet jolineare: graviteti tenton të ndërveprojë me vetveten, kështu që parimi i mbivendosjes në fusha të forta nuk është më i vlefshëm.

Rrezatimi gravitacional

Një nga parashikimet e rëndësishme të relativitetit të përgjithshëm është rrezatimi gravitacional, prania e të cilit u konfirmua nga vëzhgimet e drejtpërdrejta në vitin 2015. Megjithatë, edhe më parë kishte prova indirekte me peshë në favor të ekzistencës së saj, përkatësisht: humbjet e energjisë në sistemet e afërta binare që përmbajnë objekte kompakte gravituese (të tilla si yjet neutron ose vrimat e zeza), në veçanti, në sistemin e famshëm PSR B1913 + 16 (Huls pulsar - Taylor) - janë në përputhje të mirë me modelin GR, në të cilin kjo energji merret pikërisht nga rrezatimi gravitacional.

Rrezatimi gravitacional mund të gjenerohet vetëm nga sisteme me momente katërpolëshe të ndryshueshme ose më të larta, ky fakt sugjeron që rrezatimi gravitacional i shumicës së burimeve natyrore është i drejtuar, gjë që e ndërlikon ndjeshëm zbulimin e tij. Fuqia e gravitetit n-burimi policor është proporcional (v / c) 2 n + 2 (\stil ekrani (v/c)^(2n+2)), nëse shumëpoli është i tipit elektrik, dhe (v / c) 2n + 4 (\style ekrani (v/c)^(2n+4))- nëse shumëpoli është i tipit magnetik , ku vështë shpejtësia karakteristike e burimeve në sistemin rrezatues, dhe cështë shpejtësia e dritës. Kështu, momenti dominues do të jetë momenti katërpolësh i tipit elektrik, dhe fuqia e rrezatimit përkatës është e barabartë me:

L = 1 5 G c 5 ⟨ d 3 Q i j d t 3 d 3 Q i j d t 3 ⟩ , (\displaystyle L=(\frac (1)(5))(\frac (G)(c^(5)))\ majtas\langle (\frac (d^(3)Q_(ij))(dt^(3)))(\frac (d^(3)Q^(ij))(dt^(3)))\djathtas \rangle ,)

Ku Q i j (\displaystyle Q_(ij))është tensori i momentit katërpolësh të shpërndarjes së masës së sistemit rrezatues. Konstante G c 5 = 2 , 76 × 10 − 53 (\displaystyle (\frac (G)(c^(5)))=2,76\herë 10^(-53))(1/W) bën të mundur vlerësimin e rendit të madhësisë së fuqisë së rrezatimit.

Që nga viti 1969 (eksperimentet e Weber (anglisht)), po bëhen përpjekje për të zbuluar drejtpërdrejt rrezatimin gravitacional. Në SHBA, Evropë dhe Japoni, aktualisht ekzistojnë disa detektorë operativë me bazë tokësore (LIGO, VIRGO, TAMA (anglisht), GEO 600), si dhe projekti LISA (Laser Interferometer Space Antenna) i detektorit gravitacional hapësinor). Detektori me bazë tokësore në Rusi po zhvillohet në Qendrën Shkencore për Kërkimin e Valëve Gravitacionale "Dulkyn" të Republikës së Tatarstanit.

Efektet delikate të gravitetit

Përveç efekteve klasike të tërheqjes gravitacionale dhe zgjerimit të kohës, teoria e përgjithshme e relativitetit parashikon ekzistencën e manifestimeve të tjera të gravitetit, të cilat janë shumë të dobëta në kushte tokësore dhe për këtë arsye zbulimi dhe verifikimi i tyre eksperimental është shumë i vështirë. Deri vonë, tejkalimi i këtyre vështirësive dukej përtej aftësive të eksperimentuesve.

Midis tyre, në veçanti, mund të emërtojmë shtjellimin e sistemeve të referencës inerciale (ose efektin Lense-Thirring) dhe fushën gravitomagnetike. Në vitin 2005, anija kozmike e automatizuar Gravity Probe B e NASA-s kreu një eksperiment me saktësi të paparë për të matur këto efekte pranë Tokës. Përpunimi i të dhënave të marra u krye deri në maj 2011 dhe konfirmoi ekzistencën dhe madhësinë e efekteve të precesionit gjeodezik dhe zvarritjes së kornizave të referencës inerciale, megjithëse me një saktësi pak më të vogël se sa ishte supozuar fillimisht.

Pas punës intensive në analizën dhe nxjerrjen e zhurmës së matjes, rezultatet përfundimtare të misionit u shpallën në një konferencë shtypi në NASA-TV më 4 maj 2011 dhe u botuan në Physical Review Letters. Vlera e matur e precesionit gjeodezik ishte −6601.8±18.3 milisekonda harqe në vit, dhe efekti i tërheqjes - −37,2±7,2 milisekonda harqe në vit (krahasoni me vlerat teorike prej -6606.1 mas/vit dhe -39.2 mas/vit).

Teoritë klasike të gravitetit

Për shkak të faktit se efektet kuantike të gravitetit janë jashtëzakonisht të vogla edhe në kushtet më ekstreme dhe të vëzhgueshme, ende nuk ka vëzhgime të besueshme të tyre. Vlerësimet teorike tregojnë se në shumicën dërrmuese të rasteve njeriu mund të kufizohet në përshkrimin klasik të ndërveprimit gravitacional.

Ekziston një teori moderne kanonike klasike e gravitetit - teoria e përgjithshme e relativitetit, dhe shumë hipoteza dhe teori të shkallëve të ndryshme të zhvillimit që e përsosin atë dhe konkurrojnë me njëra-tjetrën. Të gjitha këto teori japin parashikime shumë të ngjashme brenda përafrimit në të cilin aktualisht po kryhen testet eksperimentale. Më poshtë janë disa nga teoritë kryesore, më të zhvilluara ose të njohura të gravitetit.

Teoria e përgjithshme e relativitetit

Megjithatë, GR është konfirmuar eksperimentalisht deri vonë (2012). Për më tepër, shumë alternativa ndaj Ajnshtajnit, por standarde për fizikën moderne, për formulimin e teorisë së gravitetit çojnë në një rezultat që përkon me relativitetin e përgjithshëm në përafrimin me energji të ulët, i cili është i vetmi i disponueshëm tani për verifikim eksperimental.

Teoria Einstein-Cartan

Një ndarje e ngjashme e ekuacioneve në dy klasa ndodh edhe në RTG, ku ekuacioni i dytë tensor futet për të marrë parasysh lidhjen midis hapësirës jo-Euklidiane dhe hapësirës Minkowski. Për shkak të pranisë së një parametri pa dimension në teorinë Jordan - Brans - Dicke, bëhet e mundur zgjedhja e tij në mënyrë që rezultatet e teorisë të përkojnë me rezultatet e eksperimenteve gravitacionale. Në të njëjtën kohë, ndërsa parametri priret në pafundësi, parashikimet e teorisë bëhen gjithnjë e më afër relativitetit të përgjithshëm, kështu që është e pamundur të përgënjeshtrohet teoria Jordan-Brance-Dicke me ndonjë eksperiment që konfirmon teorinë e përgjithshme të relativitetit.

teoria kuantike e gravitetit

Pavarësisht më shumë se gjysmë shekulli përpjekjesh, graviteti është i vetmi ndërveprim themelor për të cilin ende nuk është ndërtuar një teori e qëndrueshme kuantike e pranuar përgjithësisht. Në energjitë e ulëta, në frymën e teorisë së fushës kuantike, bashkëveprimi gravitacional mund të përfaqësohet si një shkëmbim gravitonesh - bozone matës me spin 2. Megjithatë, teoria që rezulton nuk është e rinormalizueshme, dhe për këtë arsye konsiderohet e pakënaqshme.

Në dekadat e fundit, janë zhvilluar disa qasje premtuese për zgjidhjen e problemit të kuantizimit të gravitetit: teoria e fijeve, graviteti kuantik i ciklit dhe të tjera.

Teoria e fijeve

Në të, në vend të grimcave dhe sfondit hapësirë-kohë, ka vargje dhe homologët e tyre shumëdimensionale -

Ndërveprimi gravitacional është një nga katër ndërveprimet themelore në botën tonë. Brenda mekanikës klasike, ndërveprimi gravitacional përshkruhet nga ligji i gravitetit Njutoni, i cili thotë se forca e tërheqjes gravitacionale ndërmjet dy pikave materiale të masës m 1 dhe m 2 të ndara sipas distancës R, është në përpjesëtim me të dyja masat dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës - d.m.th.

Këtu G- konstante gravitacionale, e barabartë me përafërsisht m³/(kg s²). Shenja minus do të thotë që forca që vepron në trup është gjithmonë e barabartë në drejtim me vektorin e rrezes të drejtuar ndaj trupit, domethënë, bashkëveprimi gravitacional gjithmonë çon në tërheqjen e çdo trupi.

Ligji i gravitetit universal është një nga aplikimet e ligjit të kundërt katror, i cili haset edhe në studimin e rrezatimit (shih, për shembull, Presioni i Dritës), dhe që është pasojë e drejtpërdrejtë e rritjes kuadratike të sipërfaqes së sfera me rreze në rritje, e cila çon në një ulje kuadratike të kontributit të çdo njësie të sipërfaqes në sipërfaqen e të gjithë sferës.

Detyra më e thjeshtë e mekanikës qiellore është bashkëveprimi gravitacional i dy trupave në hapësirën boshe. Ky problem zgjidhet në mënyrë analitike deri në fund; rezultati i zgjidhjes së tij shpesh formulohet në formën e tre ligjeve të Keplerit.

Ndërsa numri i trupave ndërveprues rritet, problemi bëhet shumë më i ndërlikuar. Pra, problemi tashmë i famshëm me tre trupa (d.m.th., lëvizja e tre trupave me masa jo zero) nuk mund të zgjidhet analitikisht në një formë të përgjithshme. Me një zgjidhje numerike, paqëndrueshmëria e zgjidhjeve në lidhje me kushtet fillestare vendoset mjaft shpejt. Kur aplikohet në sistemin diellor, kjo paqëndrueshmëri e bën të pamundur parashikimin e lëvizjes së planetëve në shkallë që tejkalojnë njëqind milionë vjet.

Në disa raste të veçanta, është e mundur të gjendet një zgjidhje e përafërt. Më i rëndësishmi është rasti kur masa e një trupi është dukshëm më e madhe se masa e trupave të tjerë (shembuj: sistemi diellor dhe dinamika e unazave të Saturnit). Në këtë rast, në përafrimin e parë, mund të supozojmë se trupat e dritës nuk ndërveprojnë me njëri-tjetrin dhe lëvizin përgjatë trajektoreve Kepleriane rreth një trupi masiv. Ndërveprimet ndërmjet tyre mund të merren parasysh në kuadrin e teorisë së shqetësimeve dhe të mesatarizohen me kalimin e kohës. Në këtë rast, mund të lindin dukuri jo të parëndësishme, si rezonanca, tërheqëse, rastësi, etj. Një shembull i mirë i fenomeneve të tilla është struktura jo e parëndësishme e unazave të Saturnit.

Pavarësisht përpjekjeve për të përshkruar sjelljen e një sistemi të një numri të madh trupash tërheqës me përafërsisht të njëjtën masë, kjo nuk mund të bëhet për shkak të fenomenit të kaosit dinamik.

Fusha të forta gravitacionale

Në fushat e forta gravitacionale, kur lëvizni me shpejtësi relativiste, efektet e relativitetit të përgjithshëm fillojnë të shfaqen:

devijimi i ligjit të gravitetit nga Njutoniani;
vonesa potenciale e lidhur me shpejtësinë e kufizuar të përhapjes së perturbimeve gravitacionale; shfaqja e valëve gravitacionale;
efektet jolineare: valët gravitacionale priren të ndërveprojnë me njëra-tjetrën, kështu që parimi i mbivendosjes së valëve në fusha të forta nuk është më i vlefshëm;
ndryshimi në gjeometrinë e hapësirë-kohës;
shfaqja e vrimave të zeza;

Rrezatimi gravitacional

Një nga parashikimet e rëndësishme të relativitetit të përgjithshëm është rrezatimi gravitacional, prania e të cilit ende nuk është konfirmuar nga vëzhgimet e drejtpërdrejta. Sidoqoftë, ka prova indirekte vëzhguese në favor të ekzistencës së tij, përkatësisht: humbja e energjisë në sistemin binar me pulsarin PSR B1913+16 - pulsari Hulse-Taylor - është në përputhje të mirë me modelin në të cilin kjo energji mbartet. nga rrezatimi gravitacional.

Rrezatimi gravitacional mund të gjenerohet vetëm nga sisteme me momente katërpolëshe të ndryshueshme ose më të larta, ky fakt sugjeron që rrezatimi gravitacional i shumicës së burimeve natyrore është i drejtuar, gjë që e ndërlikon ndjeshëm zbulimin e tij. Fuqia e gravitetit l-burimi policor është proporcional (v / c) 2l + 2 , nëse shumëpoli është i tipit elektrik, dhe (v / c) 2l + 4 - nëse shumëpoli është i tipit magnetik , ku vështë shpejtësia karakteristike e burimeve në sistemin rrezatues, dhe cështë shpejtësia e dritës. Kështu, momenti dominues do të jetë momenti katërpolësh i tipit elektrik, dhe fuqia e rrezatimit përkatës është e barabartë me:

Ku P ijështë tensori i momentit katërpolësh të shpërndarjes së masës së sistemit rrezatues. Konstante (1/W) bën të mundur vlerësimin e rendit të madhësisë së fuqisë së rrezatimit.

Që nga viti 1969 (eksperimentet e Weber-it (anglisht)) dhe deri më sot (shkurt 2007), janë bërë përpjekje për të zbuluar drejtpërdrejt rrezatimin gravitacional. Në SHBA, Evropë dhe Japoni, aktualisht funksionojnë disa detektorë me bazë tokësore (GEO 600), si dhe një projekt për një detektor gravitacional hapësinor të Republikës së Tatarstanit.

Efektet delikate të gravitetit

Midis tyre, në veçanti, mund të përmendim tërheqjen e kornizave të referencës inerciale (ose efektin Lense-Thirring) dhe fushën gravitomagnetike. Në vitin 2005, Sonda robotike Gravity B e NASA-s kreu një eksperiment me saktësi të paparë për të matur këto efekte pranë Tokës, por rezultatet e plota nuk janë publikuar ende.

teoria kuantike e gravitetit

Pavarësisht më shumë se gjysmë shekulli përpjekjesh, graviteti është i vetmi ndërveprim themelor për të cilin ende nuk është ndërtuar një teori kuantike e qëndrueshme e rinormalizueshme. Megjithatë, në energji të ulëta, në frymën e teorisë së fushës kuantike, bashkëveprimi gravitacional mund të përfaqësohet si një shkëmbim gravitonesh - bozone matës me spin 2.

Teoritë standarde të gravitetit

Për shkak të faktit se efektet kuantike të gravitetit janë jashtëzakonisht të vogla edhe në kushtet më ekstreme eksperimentale dhe vëzhguese, ende nuk ka vëzhgime të besueshme të tyre. Vlerësimet teorike tregojnë se në shumicën dërrmuese të rasteve njeriu mund të kufizohet në përshkrimin klasik të ndërveprimit gravitacional.

Ekziston një teori moderne kanonike klasike e gravitetit - teoria e përgjithshme e relativitetit, dhe shumë hipoteza që e përsosin atë dhe teori të shkallëve të ndryshme të zhvillimit që konkurrojnë me njëra-tjetrën (shih artikullin Teoritë alternative të gravitetit). Të gjitha këto teori japin parashikime shumë të ngjashme brenda përafrimit në të cilin aktualisht po kryhen testet eksperimentale. Më poshtë janë disa nga teoritë kryesore, më të zhvilluara ose të njohura të gravitetit.

Graviteti nuk është një fushë gjeometrike, por një fushë reale e forcës fizike e përshkruar nga një tensor.

Dukuritë gravitacionale duhet të konsiderohen brenda kornizës së hapësirës së sheshtë Minkowski, në të cilën ligjet e ruajtjes së momentit të energjisë dhe momentit këndor janë përmbushur pa mëdyshje. Atëherë lëvizja e trupave në hapësirën Minkowski është e barabartë me lëvizjen e këtyre trupave në hapësirën efektive Riemannian.

Në ekuacionet tensore, për të përcaktuar metrikën, duhet të merret parasysh masa e gravitonit, dhe gjithashtu të përdoren kushtet e matësit që lidhen me metrikën e hapësirës Minkowski. Kjo nuk lejon shkatërrimin e fushës gravitacionale edhe në nivel lokal duke zgjedhur një kornizë të përshtatshme referimi.

Ashtu si në relativitetin e përgjithshëm, në RTG, materia i referohet të gjitha formave të materies (duke përfshirë fushën elektromagnetike), me përjashtim të vetë fushës gravitacionale. Pasojat e teorisë RTG janë si më poshtë: vrimat e zeza si objekte fizike të parashikuara në relativitetin e përgjithshëm nuk ekzistojnë; Universi është i sheshtë, homogjen, izotropik, i palëvizshëm dhe Euklidian.

Nga ana tjetër, nuk ka argumente më pak bindëse të kundërshtarëve të RTG-së, të cilat përfundojnë në pikat e mëposhtme:

Një gjë e ngjashme ndodh në RTG, ku ekuacioni i dytë tensor futet për të marrë parasysh lidhjen midis hapësirës jo-Euklidiane dhe hapësirës Minkowski. Për shkak të pranisë së një parametri të përshtatshëm pa dimension në teorinë Jordan-Brans-Dicke, bëhet e mundur që të zgjidhet në mënyrë që rezultatet e teorisë të përkojnë me rezultatet e eksperimenteve gravitacionale.

Teoritë e gravitetit

Teoria klasike e gravitetit të Njutonit	Teoria e përgjithshme e relativitetit	graviteti kuantik	Alternativa
	Formulimi matematikor i relativitetit të përgjithshëm Graviteti me gravitonin masiv Gjeometridinamikë (anglisht)		Graviteti gjysmëklasik (anglisht)

Alternativa e teorive të gravitetit ndaj relativitetit të përgjithshëm

Asgjë nuk e bën jetën tonë të tillë

e këndshme aq edhe e pashmangshme

alternativë.

urtësi popullore

Gjithçka rrjedh, gjithçka ndryshon. Ishte një kohë kur dukej se nuk kishte asnjë arsye për të dëshiruar një teori më të mirë të gravitetit se ajo e Njutonit. Por hap pas hapi, teoria e përgjithshme e relativitetit "zuri vendin e saj nën diell". Kanë mbetur vetëm pak vite para ditëlindjes së saj të 100-të. Cili është statusi i saj tani? Pa dyshim, relativiteti i përgjithshëm është teoria më e kërkuar e gravitetit, kryesisht në astrofizikë dhe kozmologji. Teoria e strukturës dhe evolucionit të yjeve, veçanërisht në fazat përfundimtare; efektet në sipërfaqen e objekteve kompakte dhe super të dendura; Modelet kozmologjike në epoka të ndryshme të evolucionit dhe shumë gjëra të tjera nuk mund të llogariten në mënyrë të kënaqshme pa përdorimin e relativitetit të përgjithshëm. Në bazë të efekteve të parashikuara nga relativiteti i përgjithshëm, krijohen fusha të tëra kërkimi - kërkimi i valëve gravitacionale, studimi i lenteve gravitacionale, etj. Duke qenë pjesë e fizikës teorike, relativiteti i përgjithshëm përdoret gjithashtu në shumë studime themelore.

Në fakt, menjëherë pasi u konfirmua nga testet klasike, relativiteti i përgjithshëm fitoi një popullaritet të paparë. Por, sigurisht, duke matur devijimin e një rreze drite të një ylli të largët në fushën gravitacionale të Diellit, zhvendosjen e perihelioneve të planetëve në Sistemin Diellor, si dhe zhvendosjen gravitacionale të kuqe në fushën e Tokës, çështja nuk mbaroi dhe nuk mund të mbaronte. Që nga përfundimi i tij në 1915, si parimet bazë ashtu edhe ekuacionet janë testuar dhe ri-testuar vazhdimisht me saktësi gjithnjë në rritje. Megjithatë, nuk u mor asnjë rezultat që do të kundërshtonte GR. Për më tepër, ai është përdorur prej kohësh për qëllime praktike, të tilla si llogaritja e orbitave të satelitëve, planetëve dhe trajektoreve të automjeteve ndërplanetare.

Mund të themi se efektet e relativitetit të përgjithshëm tashmë po përdoren në jetën e përditshme: për të përmirësuar saktësinë e sistemeve të navigimit dhe gjurmimit si GPS. Vazhdimisht në orbita në një lartësi prej 20,000 km ka nga 24 deri në 27 satelitë. Për të përmirësuar saktësinë, përdoren sinjale nga disa satelitë, shkëmbimi i sinjalit me pajisjet në Tokë. Kjo kërkon sinkronizim të rreptë të orëve në të gjitha objektet. Rezulton se saktësia e orëve atomike nuk është e mjaftueshme. Është e nevojshme të merret parasysh ngadalësimi i orës, i cili ndodh, sipas relativitetit të përgjithshëm, në fushën gravitacionale të Tokës. Me fjalë të tjera, e njëjta orë në Tokë ecën më ngadalë sesa në orbitë. Për një lartësi prej 20,000 km, kjo diferencë është 38 μs në ditë dhe do të çojë në një gabim në përcaktimin e distancës deri në 10 m. Për të kompensuar këtë efekt, ora e "pasaportës" në orbitë rregullohet më ngadalë. Nëse ato ulen nga orbita dhe vendosen pranë atyre tokësore, ato do të vonohen me 38 mikrosekonda në ditë.

Deri më tani, prezantimi ynë ka demonstruar në të vërtetë sukseset e GR dhe mund të duket se për shkak të kësaj tabloje rozë, përveç GR, nuk janë marrë parasysh teori të tjera, nuk është propozuar asgjë tjetër, ose gjithçka "jo-ajnshtajnike" ka qenë. krehur mënjanë. Aspak. Aktiviteti për krijimin e teorive të gravitetit ishte dhe mbetet shumë i ashpër. Zhvillimi i teorive dhe testimi i tyre aktiv dhe gjithëpërfshirës shkuan paralelisht përgjatë shekullit të 20-të dhe më gjerë.

Shumica e çeqeve mund t'u caktohen klasave speciale të propozuara nga relativisti amerikan Clifford Will në 2001:

Bazat më të thjeshta.

Parimi i ekuivalencës i Ajnshtajnit.

Formalizmi post-njutonian i parametrizuar.

Më poshtë do të flasim për korrespondencën me dy klasat e fundit, dhe tani do të diskutojmë se cilat janë "bazat e thjeshta"?

Në fillim të viteve 1970, një grup shkencëtarësh nga Instituti i Teknologjisë në Kaliforni, të udhëhequr nga ideologu i projektit LIGO, Profesor Kip Thorne, si dhe Clifford Will dhe fizikani tajvanez Wei-Tou Ni, përpiluan një listë të teorive të gravitetit të shekulli i 20-të. Për secilën teori, ata bënë pyetjet e mëposhtme për problemin e themeleve më të thjeshta:

A është teoria në përputhje me vetveten?

A është e plotë?

A pajtohet, brenda disa devijimeve standarde, me të gjitha eksperimentet e kryera deri më sot?

Kriteri i "përputhshmërisë me të gjitha eksperimentet e kryera deri më sot" shpesh është zëvendësuar nga kriteri i "përputhshmërisë me shumicën e implikimeve të mekanikës Njutoniane dhe relativitetit special".

Vetë-konsistenca e teorive jometrike përfshin kërkesat, për shembull, që zgjidhjet e saj të mos përmbajnë takione, grimca hipotetike që lëvizin me shpejtësi më të madhe se shpejtësia e dritës; mungesa e problemeve në sjelljen e fushave në pafundësi etj.

Që një teori e gravitetit të jetë e plotë, ajo duhet të jetë në gjendje të përshkruajë rezultatet e çdo eksperimenti të imagjinueshëm, duhet të jetë në përputhje me teoritë e tjera fizike që janë verifikuar me eksperiment. Për shembull, çdo teori që nuk mund të parashikojë nga parimet e para lëvizjen e planetëve ose sjelljen e orëve atomike është e paplotë.

Një shembull i një teorie jo të plotë dhe jo-konsistente është teoria e gravitacionit e Njutonit e kombinuar me ekuacionet e Maksuellit. Në një teori të tillë, drita (si fotonet) devijohet nga fusha gravitacionale (edhe pse dy herë më e dobët se në relativitetin e përgjithshëm), por drita (si valët elektromagnetike) jo.

Nëse një teori nuk i plotësonte këto kritere, atëherë megjithatë nuk nxitohej të hidhej poshtë. Nëse një teori ishte e paplotë në themelet e saj, grupi përpiqej ta plotësonte atë me ndryshime të vogla, zakonisht duke e reduktuar teorinë në mungesë të gravitetit në relativitetin special. Vetëm pas kësaj u konkludua nëse ishte e denjë për shqyrtim të mëtejshëm. Ka pasur disa dhjetëra teori që meritojnë vëmendje në vitet '70. Është e vështirë të thuhet, por gjatë dy-tre dekadave të fundit, numri i tyre mund të ketë arritur në njëqind ose më shumë. Gjithçka varet nga përgjigjja e pyetjes se çfarë konsiderohet një teori dhe çfarë është një klasë teorish. Prandaj, përzgjedhja sipas kritereve të ndryshme bëhet edhe tani, dhe me predikim edhe më të madh. Kjo është jashtëzakonisht e rëndësishme, pasi ekzistojnë parakushte që në dekadat e ardhshme, qoftë në shkallë të vogël, qoftë në shkallë të gjerë, ose në të njëjtën kohë, relativiteti i përgjithshëm do të ndryshojë.

Verifikimi i relativitetit të përgjithshëm në shkallën e sistemeve planetare

Tani le të kujtojmë se baza e relativitetit të përgjithshëm si teori metrike është parimi i ekuivalencës dhe postulati i lëvizjes përgjatë gjeodezisë. Dihet se këto themele, nëse vendosen me saktësi absolute, kënaqen vetëm me teori "të pastra" metrike (me rezerva të vogla), d.m.th., teori ku fusha gravitacionale përfaqësohet vetëm nga një tensor metrikë. Rezulton se relativiteti i përgjithshëm është vetëm versioni më i thjeshtë i teorisë metrike. Pa shkelur aspak këto baza, është e mundur të imagjinohet një grup i panumërt (pa ekzagjerim) teorish metrike. Atëherë, si mund të ndryshohet teoria? Çfarë të kapni në këtë rast? Sigurisht, vetëm eksperimenti dhe vëzhgimi mund të vendosë gjithçka në vendin e vet. Por për të klasifikuar propozimet alternative, ju duhet strategjia juaj.

Puna mbi një formalizëm standard për testimin e modeleve alternative të gravitetit filloi që në vitin 1922 nga Arthur Eddington (1882-1944). Përmirësimi i këtij formalizmi, në një mënyrë apo tjetër, vazhdoi për dekada, dhe fizikanët amerikanë Clifford Will dhe Kenneth Nordvedt e përfunduan punën në 1972. Ata propozuan të ashtuquajturin formalizëm të parametrizuar post-Njutonian (PPN). Ai është projektuar për teori ose thjesht metrike ose me një metrikë efektive që përfaqëson hapësirën-kohën e lakuar ku ndodhin ndërveprimet fizike. Vetëm devijimet nga mekanika e Njutonit merren parasysh, kështu që formalizmi është i zbatueshëm vetëm në fusha të dobëta. Në përgjithësi, ekzistojnë 10 parametra PPN. Në rastin e relativitetit të përgjithshëm, 2 prej tyre janë të barabarta me një, dhe 8 të tjerat janë të barabarta me zero.

Pse është i dobishëm formalizmi PPN në kontrollimin e relativitetit të përgjithshëm? Teknologjitë e reja bëjnë të mundur gjurmimin e saktë të lëvizjeve të trupave qiellorë, dhe kontrolli standard modern është si më poshtë. Është në formën PPN që trajektoret e trupave në sistemin diellor llogariten duke përdorur ekuacionet GR. Ky lloj është më konstruktivi. Më pas ato krahasohen me të dhënat e vëzhgimit. Rezultati modern është i tillë që korrespondenca e parametrave teorikë PPN të relativitetit të përgjithshëm me ato të vëzhguara konfirmohet me një saktësi prej të dhjetave deri në të qindtat e përqindjes - kjo është një saktësi shumë e lartë.

Teste të tjera të sakta janë vëzhgimet e pulsarëve binarë: sistemet që përbëhen nga dy yje neutrone, rreth një duzinë prej tyre tani janë të njohura. Përveç kësaj, ekzistojnë sisteme që përbëhen nga një pulsar radio dhe një xhuxh i bardhë, ato janë gjithashtu të përshtatshme për prova. Bazuar në këto vëzhgime, llogariten parametrat e orbitave. Rezulton se devijimet nga vlerat Kepleriane përkojnë me devijimet e parashikuara nga relativiteti i përgjithshëm, gjithashtu me një saktësi prej të dhjetave dhe të qindave të përqindjes. Specialistët janë shumë optimistë për perspektivat për rritjen e saktësisë në studimin e saktë të pulsarëve të dyfishtë. Ajo bazohet në faktin se yjet neutron janë me madhësi dhjetëra kilometra në sisteme me orbita prej miliona kilometrash. Në sisteme të tilla, yjet janë në fakt objekte me pikë. Struktura e tyre e brendshme, lëvizjet e brendshme dhe deformimet praktikisht nuk ndikojnë në trajektoret. Në të kundërt, në sistemin diellor, të gjithë këta faktorë, si dhe ndikimi i "fqinjëve" të shumtë, kufizojnë ndjeshëm rritjen e saktësisë. Duke përmbledhur, mund të themi se relativiteti i përgjithshëm është konfirmuar me saktësi të lartë në shkallën e sistemeve planetare dhe saktësia e matjeve do të rritet.

Nevoja e modifikimit të GR

Së pari ju duhet të ndryshoni jetën tuaj.

ribërë - mund të këndosh.

Vladimir Mayakovsky

Megjithatë, kërkimet mbi krijimin e teorive alternative të relativitetit të përgjithshëm, kryesisht ato metrike, nuk ndalen. Pse? Relativiteti i përgjithshëm është vërtetuar mirë, siç u tha sapo, në shkallën e sistemit diellor. Testimi i teorisë në shkallë më të mëdha ose më të vogla është shumë më i vështirë. Relativiteti i përgjithshëm, si çdo teori tjetër, është vetëm një model për përshkrimin e fenomeneve reale. Prandaj, natyra reale mund të përkojë me parashikimet e relativitetit të përgjithshëm në shkallët e sistemeve planetare, por të ndryshojë në shkallët e tjera.

Në të njëjtën kohë, shumë të dhëna moderne teorike dhe empirike sugjerojnë se kështu duhet të jetë dhe modifikimet janë të nevojshme. Për shembull, në shumë zgjidhje të relativitetit të përgjithshëm është e nevojshme të merren parasysh fusha të forta gravitacionale, dendësi të mëdha, etj. Dhe kjo kërkon kuantizimin e fushës gravitacionale. Pavarësisht përpjekjeve të konsiderueshme, suksesi vendimtar në këtë fushë nuk është arritur. Kjo sugjeron që në shkallë të vogla ku kërkohet kuantizimi, teoria gravitacionale duhet të modifikohet. Nga ana tjetër, shumë ekspertë kryesorë janë të prirur ta interpretojnë zbulimin e fundit të zgjerimit të përshpejtuar të Universit si një efekt gjeometrik që mund të "marrë" duke modifikuar relativitetin e përgjithshëm në shkallë kozmologjike. Pavarësisht nga kjo, rezultatet e hulumtimit në fizikën e ndërveprimeve themelore çojnë në nevojën për ndryshime në relativitetin e përgjithshëm në shkallë të mëdha dhe të vogla.

Për sa i përket teorive të qëndrueshme, nuk ka ndonjë ndryshim të përcaktuar terminologjik për teoritë alternative, të modifikuara ose të reja. Të gjithë ata, në një mënyrë apo tjetër, zhvillojnë relativitetin e përgjithshëm, pasi nuk duhet të punojnë më keq në peshoren ku është konfirmuar. Kur zhvillojnë modifikime të relativitetit të përgjithshëm ose teorive të reja, autorët i krahasojnë ato me relativitetin e përgjithshëm në regjimet përkatëse në të njëjtën mënyrë siç krahasohet relativiteti i përgjithshëm me gravitetin e Njutonit. Nëse dëshironi, i njëjti parim i korrespondencës duhet të përmbushet, por në një raund të ri njohjeje.

Aktualisht, në shumë konferenca mbi teorinë e gravitetit, seksione të tëra i kushtohen teorive të përgjithësuara (ose alternative), botohen koleksione të veçanta për këtë temë, disa teori po bëhen gjithnjë e më të pavarura. Cilat janë drejtimet kryesore më të njohura dhe më premtuese në këto zhvillime?

Së pari, relativiteti i përgjithshëm është një teori thjesht metrike (ose thjesht tensore). Kjo do të thotë se gjeometria e hapësirë-kohës dhe e materies ndikojnë njëra-tjetrën pa ndërmjetës. Ka një numër të pafund teorish të tilla (siç kemi diskutuar tashmë), dhe ato janë duke u zhvilluar në mënyrë aktive. Si rregull, ekuacionet e këtyre teorive ndryshojnë nga ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm në atë që ato plotësohen me terma kuadratikë dhe të rendit më të lartë për sa i përket lakimit. Termat shtesë zakonisht hyjnë me koeficientë të vegjël, të cilët sigurojnë marrëveshje me vëzhgimet, të themi, në shkallët e sistemeve planetare, por ndryshojnë ndjeshëm zgjidhjet në shkallët kozmologjike.

Një klasë tjetër e teorive alternative karakterizohet nga fakti se gjeometria dhe materia ndikojnë njëra-tjetrën përmes një fushe shtesë, më së shpeshti një fushë skalare ose vektoriale. Megjithatë, kontributi i këtyre fushave nuk mund të jetë i rëndësishëm. Devijimi i teorive alternative moderne nga relativiteti i përgjithshëm duhet të shprehet në ndryshimin e parametrave përkatës PPN. Për të vlerësuar qëndrueshmërinë e një teorie të ndryshme nga GR (për ta testuar atë), është e nevojshme të regjistrohen devijimet nga vlerat e parametrave PPN në GR në nivelin 10-6-10-8. Kjo do të thotë që saktësia e matjeve si në Sistemin Diellor ashtu edhe në pulsarët binare duhet të përmirësohet me 1-3 rend të madhësisë.

Teoria e gravitetit të Horzhava

Kjo teori është një nga variantet e teorive vektor-tensore të gravitetit dhe, ndoshta, më e popullarizuara për momentin. Kjo është arsyeja pse ne po flasim për të. Teoria u propozua në vitin 2009 nga një teoricien amerikan i "stringut" me origjinë çeke, Petr Horzhava. Ai është disi i ndryshëm nga teoritë e zakonshme vektor-tensori, pasi përdor një gradient skalar në vend të një fushe vektoriale. Nga njëra anë, vetitë e teorive të vektorit ruhen, nga ana tjetër, ekzistojnë vetitë e tyre specifike të dobishme.

Le të kujtojmë edhe një herë se nuk ishte e mundur të krijohej një teori e qëndrueshme kuantike e gravitetit, në të cilën nuk do të kishte divergjenca, në bazë të relativitetit të përgjithshëm. Prandaj, propozohen modifikime të ndryshme, të cilat në shkallë kuantike ndryshojnë ndjeshëm nga relativiteti i përgjithshëm dhe bëhen "të përshtatshëm" për kuantizim. Për ta bërë këtë, kur ato ndërtohen, disa nga parimet që qëndrojnë në themel të GR ndryshohen, d.m.th., shkelen. Natyrisht, kjo shkelje duhet të jetë aq e vogël sa të mos kundërshtojë testet laboratorike dhe që funksionimi i teorisë të mos ndryshojë në shkallët e sistemeve planetare, ku ka përputhje të mirë me vëzhgimet. Kjo është pikërisht teoria Horzhava. Ne nuk do të flasim se sa i shquar është për sa i përket kuantizimit, kjo është disi larg temës së librit, por do të flasim për vetitë e tij si një teori gravitacionale - në çfarë dhe sa ndryshojnë ato nga vetitë e ngjashme të relativitetit të përgjithshëm .

Invarianca e Lorencit. Ne kemi diskutuar tashmë faktin se relativiteti i përgjithshëm, si të thuash, "u rrit" nga teoria speciale e relativitetit - mekanika e shpejtësive të larta të krahasueshme me shpejtësinë e dritës. Kujtojmë se në SRT të gjitha kornizat e referencës inerciale që lëvizin në mënyrë uniforme dhe drejtvizore në raport me njëri-tjetrin janë ekuivalente. Është e rëndësishme të kujtojmë matjet e kohës në SRT. Në çdo kornizë inerciale të referencës, ora funksionon me ritmin e vet, ndryshe nga ritmi i orës së sistemeve të tjera, nëse ato krahasohen. Megjithatë, nuk mund të zgjedhësh as ritmin "më të mirë" ose "më të keq" nëse orët janë strukturore identike. Domethënë, koha e duhur e çdo sistemi inercial është e barabartë në raport me të tjerët. Kjo do të thotë se nuk ka rrjedhë të dedikuar kohore në SRT.

Ne thamë gjithashtu se, në gjuhën gjeometrike, pandryshueshmëria në SRT në kalimin nga një kornizë inerciale e referencës në tjetrën është ekuivalente me pandryshueshmërinë nën rrotullimet e Lorencit në të gjithë hapësirën-kohën e sheshtë. Në relativitetin e përgjithshëm, për shkak të "ndezjes" së gravitetit dhe, në përputhje me rrethanat, lakimit të hapësirë-kohës, pandryshueshmëria e Lorencit në të gjithë hapësirën kohë nuk është më e mundur. Megjithatë, GR mbetet Lorentz invariant lokalisht, domethënë në një lagje të vogël të secilit vëzhgues. Kjo pandryshueshmëri është një nga parimet që qëndron në themel të GR dhe lidhet me parimin e korrespondencës midis GR dhe SRT.

teoria kronometrike. Në një sërë modifikimesh të relativitetit të përgjithshëm, është pikërisht pandryshueshmëria lokale e Lorencit që cenohet. Ndër to është edhe teoria Horzhava. Kohët e fundit, një nga zbatimet e tij, i ashtuquajturi version joprojektiv "i shëndetshëm", i zhvilluar nga fizikanët amerikanë Diego Blas dhe Oriol Puyolas dhe bashkatdhetari ynë Sergei Sibiryakov, ka qenë veçanërisht i popullarizuar. Efektet e diskutuara më poshtë lidhen kryesisht me këtë modifikim të relativitetit të përgjithshëm.

Pra, si ndryshon teoria e Horzhavas nga relativiteti i përgjithshëm? Përveç të gjitha fushave të zakonshme të relativitetit të përgjithshëm, shtohet një fushë skalare φ, por jo në mënyrën e zakonshme. Drejtimi i ndryshimit të saj në hapësirë-kohë përcakton drejtimin e zgjedhur posaçërisht të kohës.Prandaj fusha skalare quhet fushë kronike. Atëherë sipërfaqet e vlerave konstante të fushës skalare janë sipërfaqet e kohës konstante, ose "njëkohësia". Fusha skalare hyn në ekuacione vetëm përmes derivateve, kështu që nuk duhet të keni frikë nga vlerat e pafundme të fushës së krononit. Vetëm ndryshimi i tij është thelbësor, jo vlera e tij. Meqenëse ka një drejtim të dalluar në hapësirë-kohë, ekzistojnë korniza të dallueshme referimi. Kjo nuk është karakteristikë as për SRT dhe as për GR, por është karakteristikë e teorive vektor-tensori. Për qartësi, ne japim shembullin më të thjeshtë të "lodrës". Një nga zgjidhjet e teorisë së re është një hapësirë-kohë e sheshtë (si në SRT) plus një fushë krononi, e cila rezulton të jetë vetëm koha, φ = t. Në SRT, mund të kalojmë me ndihmën e transformimeve të Lorencit nga një sistem koordinativ x, t në një tjetër x", t", ku koha rrjedh ndryshe. Në teorinë e re, ne nuk mundemi, pasi vlera e fushës skalare nuk ndryshon gjatë transformimeve të koordinatave, dhe kjo është koha. Kështu, këtu, ndryshe nga SRT, ka orë që numërojnë kohën e caktuar.

Meqenëse në relativitetin e përgjithshëm fusha gravitacionale është fusha e metrikës hapësirë-kohë, është e qartë pse teoria e re quhet kronometrike. Kufizimet e pranueshme në parametrat e teorisë kronometrike bëjnë të mundur shmangien e divergjencës gjatë kuantizimit. Edhe një herë, ky ishte qëllimi kryesor i ndërtimit të tij. Por ky është një sukses teorik dhe vështirë se është e mundur të testohen efektet kuantike të një niveli të tillë tani.

Megjithatë, teoria e re duhet të ndryshojë edhe në manifestimet klasike (jo kuantike). Dhe kjo bën të mundur vërtetimin ose hedhjen poshtë të së drejtës së saj për të ekzistuar. Më pas, do të tregojmë se në cilat dukuri klasike dhe sa ndryshon teoria kronometrike nga relativiteti i përgjithshëm, nëse është e mundur të zbulohen efektet e teorisë së re në vëzhgime dhe do të ilustrojmë ndryshimin për disa modele teorike. Për ta bërë këtë, ne do të diskutojmë shembujt më të mrekullueshëm, sipas mendimit tonë.

Rrezatimi me valë gravitacionale. Kujtojmë se një valë gravitacionale në relativitetin e përgjithshëm është tërthore, tensore, ka dy polarizime dhe përhapet me shpejtësinë e dritës. Valët gravitacionale ekzistojnë edhe në teorinë e Horzhavas. Megjithatë, përveç dy polarizimeve të tensoreve të përmendura tashmë, ekziston një shkallë skalar lirie. Kjo do të thotë se nën veprimin e një vale të tillë lëvizjes së grimcave testuese do t'i shtohen zhvendosje gjatësore (në drejtim të përhapjes së valës). Është e rëndësishme që komponentët tensor dhe skalar të kenë shpejtësi të ndryshme përhapjeje. Përveç kësaj, të dyja shpejtësitë, në varësi të parametrave të modelit Horzhava, duhet të kalojnë (!) shpejtësinë e dritës, edhe pse vetëm pak. Këto dallime nga relativiteti i përgjithshëm janë interesante, por për fat të keq deri më tani vetëm teorikisht. Deri më tani, nuk ka të paktën zbulim të drejtpërdrejtë të valëve gravitacionale, kështu që rregullimi i dallimeve të vërejtura duket se është çështje e së ardhmes së largët.

Sidoqoftë, ekziston një konfirmim indirekt i ekzistencës së rrezatimit gravitacional. Këto janë vëzhgime të pulsarëve binare, ulja e madhësisë së orbitave të tyre tregon humbjen e energjisë për rrezatimin e valëve gravitacionale. Ky efekt është në përputhje me relativitetin e përgjithshëm me një saktësi relative prej 10-2, siç kemi diskutuar tashmë. Por parashikimet e relativitetit të përgjithshëm dhe teoria e Horzhava janë të ndryshme. Prandaj, nëse kjo e fundit është e zbatueshme, atëherë ekziston mundësia që tashmë një rritje e mëtejshme e saktësisë të zbulojë këto dallime dhe të përsosë parametrat e teorisë së re.

Ndërveprimi i grimcave. Veprim i menjëhershëm. Tani, për teorinë kronometrike, le të shqyrtojmë ndërveprimin e fushës gravitacionale me materien. Le të diskutojmë vetëm përafrimin e parë (linear), i cili mund të vërehet. Në këtë renditje, efektet që lidhen me shkeljen e pandryshueshmërisë së Lorencit shtypen për arsye të ndryshme, por fusha e krononit është e pranishme, ajo përfshihet në mënyrë invariante Lorentz në të ashtuquajturën metrikë efektive. Kjo do të thotë, metrika GR modifikohet dhe materia përhapet jo në hapësirën-kohën origjinale, por në një hapësirë-kohë efektive dhe në një mënyrë universale. Ndoshta në të ardhmen është ky ndërveprim që do të bëjë të mundur zbulimin e dukurive klasike të përfaqësuara nga teoria kronometrike.

Në përafrimin e fushave të dobëta dhe shpejtësive të ulëta, graviteti i Njutonit duhet të bëhet kufiri i teorisë gravitacionale. Në këtë të fundit, bashkëveprimi i dy grimcave përfaqësohet nga ligji i njohur i Njutonit, ku forca është proporcionale me masat, konstanta e gravitetit, në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës, por nuk varet nga shpejtësitë e këtyre. grimcat. Prania e fushës së krononit modifikon dhe plotëson këtë ligj si më poshtë. Konstanta gravitacionale ndryshon pak, tani quhet efektive dhe shfaqet një varësi nga shpejtësia. Mundësia e zbulimit të këtyre efekteve përcaktohet nga konstantat e bashkimit të teorisë kronometrike.

Ndikimi i fushës së krononit manifestohet gjithashtu në faktin se disa ndërveprime mund të përhapen në çast (!), domethënë me shpejtësi të pafundme. Si arrihet ky përfundim? Zakonisht, ekuacionet për perturbacionet përmbajnë një operator valor, i cili përbëhet nga dy pjesë: hapësinore dhe kohore. Reciproku i koeficientit në pjesën e dytë është katrori i shpejtësisë së përhapjes së perturbimit. Mungesa e plotë e pjesës së dytë do të thotë se kjo shpejtësi është e pafundme. Është kjo strukturë që kanë disa nga ekuacionet e teorisë Horzhava. Këtu është e përshtatshme të bëjmë një analogji me teorinë e Njutonit. Në të, ashtu si në teorinë kronometrike, veçohet kalimi i kohës (“koha absolute”) dhe bashkëveprimi gravitacional përhapet në çast.

Oriz. 1. Ngjarje të ndërlidhura shkakësore në teorinë SRT dhe Horzhava

Si të imagjinoni shpërndarjen e menjëhershme? Imagjinoni një sipërfaqe të kohës konstante, atëherë sinjali, duke u përhapur mbi të (d.m.th., pa ndryshuar kohën), udhëton në çast çdo distancë. Kjo është e papranueshme në teori të tilla relativiste si SRT ose GR. Le të kthehemi te diagrami në Fig. 1. Konsideroni tre pika në hapësirë: A, B dhe C. Në momentin t = 0, këto pika korrespondojnë me ngjarjet A0, B0, C0, të cilat, në kuadrin e SRT, nuk kanë lidhje shkakore. Vetëm në momentin t1 ngjarja A0 lidhet në mënyrë kauzale me ngjarjen B1 në pikën B dhe në momentin t2 me ngjarjen C2 në pikën C. Siç duhet të jetë në SRT (ose GR), përhapja e sinjaleve është e lidhur ngushtë. dhe i kufizuar nga kone të lehta. Në teorinë e Horzhavës, për disa ndërveprime, kjo mund të mos jetë kështu. Përhapja e menjëhershme do të thotë që të tre ngjarjet A0, B0, C0, në kohën t = 0, ndodhën si pasojë e një sinjali që përhapet në çast, domethënë ato mund të lidhen në mënyrë shkakësore. Megjithatë, kjo mundësi "fantastike" nuk e kufizon në mënyrë vendimtare teorinë kronometrike. Theksi në drejtimin e kohës do të thotë që koncepti i njëkohshmërisë është i përcaktuar në mënyrë unike, kështu që nuk ka probleme me kauzalitetin, edhe nëse është kaq ekzotik.

Sistem diellor. Për të testuar çdo teori gravitacionale kur matni lëvizjet në një sistem planetar, përdoret formalizmi PPN. Si në çdo teori vektoriale, edhe në teorinë e Horzhavas duhet të jenë të pranishme efektet e një kuadri të privilegjuar referimi, gjë që çon në faktin se parametrat PPN të grupit α rezultojnë të jenë jo zero. Në të vërtetë, përveç dy parametrave PPN të qenësishëm në GR, teoria kronometrike ka edhe dy të tjera: α1 dhe α2. Për të shmangur kontradiktat me vëzhgimet, ato duhet të jenë mjaft të vogla: α1 ≤ 10-4 dhe α2 ≤ 10-7 Do të presim që saktësia e matjes të përmirësohet, pastaj, ndoshta, ekzistenca e α1 dhe α2 (dhe rrjedhimisht teoria e Horzhava) do të konfirmohet ose refuzohet.

Vrimat e zeza. Në relativitetin e përgjithshëm, një vrimë e zezë përfaqëson një objekt ku pjesa qendrore, zakonisht njëjës, është e rrethuar nga një sipërfaqe sferike e quajtur horizonti i ngjarjeve. Prania e tij është për faktin se në relativitetin e përgjithshëm ekziston një shpejtësi kufizuese - kjo është shpejtësia e dritës. Vetia kryesore e një vrime të zezë është se në relativitetin e përgjithshëm asnjë grimcë, asnjë fushë, madje edhe një sinjal drite nuk mund ta lërë atë, domethënë të shkojë përtej horizontit të ngjarjeve.

Ekzistojnë gjithashtu zgjidhje në teorinë kronometrike që përshkruajnë objekte si vrimat e zeza. Megjithatë, le të kujtojmë se në këtë teori nuk ka shpejtësi kufizuese, është e mundur që ndërveprimet të përhapen me një shpejtësi më të madhe se shpejtësia e dritës dhe madje në çast. Nëse kjo mundësi do të ishte në relativitetin e përgjithshëm, atëherë vetë koncepti i horizontit të ngjarjes do të humbiste kuptimin e tij, pasi bëhet e mundur të largohesh nga objekti, duke qenë si në horizontin e ngjarjeve ashtu edhe nën të. Në këtë rast shfaqen kontradikta të lidhura me termodinamikën e sistemit, si p.sh. zvogëlimi i entropisë. Aktualisht, të gjitha zgjidhjet për vrimat e zeza në teorinë e Horzhavës nuk dihen për shkak të rinisë së saj, por ndër të njohurat ka edhe ato që lejojnë shmangien e këtyre komplikimeve. Rezulton se në kuadrin e teorisë kronometrike mund të ketë një të ashtuquajtur horizont universal në një vrimë të zezë. Ai shtrihet nën horizontin e ngjarjeve ("më afër" singularitetit) dhe është i shquar në atë që sipërfaqet e kohës konstante poshtë tij nuk e kalojnë atë. Kjo do të thotë që një sinjal me shpejtësi edhe të pafundme (i menjëhershëm) nuk mund të largohet nga ky horizont i ndërmjetëm. Dhe për objekte të tilla hiqen kontradiktat e lartpërmendura.

Në fig. 2 tregon të ashtuquajturin diagramë Penrose të një vrime të zezë Schwarzschild. Pikat i– dhe i+ përfaqësojnë të gjithë pafundësinë kohore të së kaluarës dhe të gjithë pafundësinë kohore të së ardhmes, pika i0 bashkon të gjithë pafundësinë hapësinore. Linja Bi+ është horizonti i ngjarjeve të një vrime të zezë Schwarzschild - kjo mund të shihet nga rregullimi i konëve të dritës. Në të vërtetë, katrori Bi+i0i– është e gjithë hapësirë-koha e jashtme jashtë horizontit të ngjarjeve, ndërsa trekëndëshi i+Bi+ është hapësirë-koha nën horizontin e ngjarjeve, nga ku sinjali nuk mund të shkojë në rajonin e jashtëm, dhe ku vija e thyer është singulariteti r = 0. Diagrami i vrimës së zezë të teorisë kronometrike mbivendoset në diagramin e vrimës Schwarzschild. Të gjitha kthesat që lidhin i0 dhe i+ janë seksione të fushës së krononit konstant j = konst, e njëjta gjë, kohë konstante (njëkohësi). Harku i trashë është i njëjti horizont universal ζ= ζ+, nën të, më afër singularitetit, harqet i+ i+ që lidhin skajet e vijës së thyer janë gjithashtu seksione të kohës konstante (simultane). Është e qartë se nëse sinjali në teorinë kronometrike përhapet edhe në çast, domethënë përgjatë seksioneve të njëkohshmërisë, atëherë ai nuk mund të kalojë horizontin universal dhe të largohet nga vrima e zezë kronometrike.

Oriz. 2. Diagrami i një vrime të zezë kronometrike

Kozmologjia. Në shkallën e Universit, teoria e Horzhavas gjithashtu ka një shans për të deklaruar qëndrueshmërinë e saj. Le të diskutojmë zgjidhjet kozmologjike në teorinë e re. Ato do të jenë afërsisht të njëjta si në relativitetin e përgjithshëm, me ndryshimin që në vend të konstantës së zakonshme gravitacionale G, do të shfaqet konstanta gravitacionale efektive GE. Tani le të kujtojmë ligjin e modifikuar të Njutonit, i cili u përmend më lart. Aty shfaqet konstanta e saj efektive gravitacionale, e ndryshme nga G, le ta shënojmë GI. Bëhen vlerësime për diferencën: |GI - GE | ≤ 0.1.

Nuk ka asnjë ndalim që në të ardhmen të përcaktohet një vlerë e konsiderueshme për këtë diferencë, por është gjithashtu e mundur që të përjashtohet.

Në bazë të relativitetit të përgjithshëm, është zhvilluar një teori e perturbimeve kozmologjike në përputhje me vëzhgimet. Ai lejon, për shembull, të shpjegojë strukturën, domethënë shpërndarjen e galaktikave dhe grupimeve të tyre në rajonin e vëzhgueshëm të Universit. Megjithatë, nëse një rritje në saktësinë e vëzhgimeve zbulon, le të themi, anizotropinë e paparashikuar nga relativiteti i përgjithshëm, atëherë kjo është një arsye për t'iu drejtuar teorisë së Horzhava. Teoria e Khorzhava është aq e re sa nuk ka gjasa që ajo dhe konkluzionet e nxjerra në bazë të saj të mund të konsiderohen të vërtetuara dhe të njohura nga të gjithë. Pavarësisht kësaj, si teoria në tërësi, ashtu edhe përfundimet duken të jenë shumë intriguese dhe të rëndësishme.

Modele shumëdimensionale

Gjatë gjithë shekullit të kaluar, teori të ndryshme të gravitetit u ndërtuan, në një mënyrë apo tjetër, si teori të pavarura, pra "nga poshtë". Në dekadat e fundit situata ka ndryshuar: ndërtimi i teorive të gravitetit nxitet nga zhvillimi i teorive themelore, modele të ndryshme të gravitetit janë pjesë e tyre dhe “kristalizohen” brenda kufijve të këtyre teorive. Dmth krijimi i tyre shkon “nga lart”. Si pretendentë për një "teori të gjithçkaje", teoritë themelore përfshijnë gravitetin.

"Teoria e gjithçkaje" duhet të funksionojë në kushtet më fantastike, duke përfshirë energjitë e Planck. Atëherë të gjitha ndërveprimet veprojnë si një e vetme. Prandaj, ndërtimi i teorive të tilla është, në një masë të caktuar, një ekstrapolim. Dhe kalimi nga një teori që funksionon në kushtet më të përgjithshme në kushtet e botës sonë do të jetë përafrimi i saj, i cili quhet energji e ulët. Së paku, efektet vëzhguese në "teorinë e përafërt të gjithçkaje" duhet të ndodhin në botën që vëzhgojmë. "Pjesa gravitacionale e teorisë së gjithçkaje" në kufirin e energjisë së ulët merr formën e njohur për ne dhe duhet të kalojë të gjitha testet që kaloi GR. Vini re se disa versione të "teorisë së gjithçkaje" në kufirin e ulët të energjisë përmbajnë GR pikërisht si pjesa gravitacionale.

Një veti e rëndësishme e teorive themelore është se, si rregull, si në shkallët kozmologjike ashtu edhe në shkallët e mikrokozmosit, përdoret një dimension hapësirë-kohë më i madh se 4. Koncepti i hapësirës shumëdimensionale është i nevojshëm, për shembull, për superstring. teoria, e cila, pa dyshim, përfaqëson teorinë më premtuese të energjive të larta, duke kombinuar gravitetin kuantik dhe teorinë e të ashtuquajturave fusha matës. Implikimet me energji të ulët të kësaj teorie kërkojnë, për shembull, një hapësirë-kohë themelore (9+1)-dimensionale (nganjëherë (10+1)-dimensionale), ndërsa dimensionet e tjera janë të ndaluara.

Por si të jemi atëherë, ne ndjejmë vetëm 3 dimensione hapësinore dhe një dimension kohor? Në mikro shkallë, përmasat shtesë kompaktohen (si të palosen në "tuba") dhe kjo është arsyeja pse ato nuk duhet të perceptohen nga ne. Një hapësirë e tillë ka simetri në përmasa shtesë, të cilat korrespondojnë me ligjet e ruajtjes për ngarkesa të ndryshme, ashtu si simetritë e hapësirës Minkowski korrespondojnë me ligjet e ruajtjes për karakteristikat e energjisë.

Tashmë në nivelin aktual të teknologjisë, eksperimentet mbi përshpejtuesit mund të jenë të rëndësishme për të konfirmuar teoritë themelore. Për shembull, nëse të ashtuquajturat partnerë supersimetrikë të grimcave të njohura zbulohen në Përplasësin e Madh të Hadronit në CERN, kjo do të nënkuptojë se ideja e supersimetrisë funksionon, dhe kështu një teori më e avancuar e gravitetit mund të ndërtohet vërtet brenda kornizës. të teorisë së fijeve.

Por a mund të ketë bota dimensione të zgjeruara (të pakompaktuara)? Deklaratat e para në këtë drejtim u bënë në vitin 1983 nga Valery Rubakov dhe Mikhail Shaposhnikov, të cilët vazhdojnë të punojnë në mënyrë aktive në këtë fushë. Ata treguan se në një hapësirë-kohë 5-dimensionale (me hapësirë 4-dimensionale), e gjithë lënda mund të përqendrohet vetëm në një seksion hapësinor 3-dimensional. Koncepti i modeleve brane lind, ku bota në të cilën jetojmë është e përqendruar në mënyrë efektive në hapësirën 3-dimensionale, dhe për këtë arsye ne nuk ndjejmë dimensione hapësinore shtesë të zgjeruara.

Për disa kohë modelet si Rubakov-Shaposhnikov nuk tërhoqën shumë vëmendje. Interesi për to filloi të stimulohej, para së gjithash, nga problemi i hierarkisë së ndërveprimeve, i cili përfshin dobësinë ekstreme të ndërveprimit gravitacional. Duke përshkruar ndërveprimin e grimcave elementare, mund të harrohet ndërveprimi gravitacional si një korrigjim krejtësisht i parëndësishëm. Por nëse tashmë kemi marrë përsipër të shpjegojmë strukturën e botës sonë, atëherë duhet t'i përgjigjemi pyetjes se pse graviteti është kaq i dobët.

Doli se modelet shumëdimensionale me dimensione shtesë të zgjeruara mund të jenë shumë të dobishme për zgjidhjen e këtyre problemeve. Ka shumë modele të tilla. Ndoshta më i famshmi është modeli i propozuar në vitin 1999 nga kozmologët amerikanë Lisa Randall dhe Raman Sundrum. Madje, ata ofruan dy modele njëri pas tjetrit.

Në të parën prej tyre, bota 5-dimensionale kufizohet nga dy anët nga dy seksione hapësinore-kohore 4-dimensionale, njëra prej të cilave është Universi ynë (tre dimensione hapësinore plus një koordinatë kohore). Hapësira midis dy branes është shumë e lakuar për shkak të stresit të tyre "mekanik". Ky tension çon në faktin se të gjitha grimcat dhe fushat fizike janë të përqendruara vetëm në njërën prej branes dhe nuk e lënë atë, me përjashtim të ndërveprimit gravitacional dhe rrezatimit. Ka gravitacion në këtë branë, por është shumë i dobët, dhe kjo është bota në të cilën jetojmë. Në kufirin tjetër të botës 5-dimensionale, të paarritshme për ne, graviteti, përkundrazi, është shumë i fortë, dhe e gjithë lënda është shumë më e lehtë dhe ndërveprimet midis grimcave të materies janë më të dobëta.

Në versionin e dytë të modelit Randall dhe Sundrum, kufiri i dytë është i përjashtuar. Teoricienët e duan më shumë këtë model. Kjo i lejon ata të kthejnë teorinë e tyre të preferuar të fijeve në hapësirë-kohën pesë-dimensionale në një teori të zakonshme kuantike në kufirin e saj katërdimensional. Hapësira në këtë model është gjithashtu e lakuar fort, dhe rrezja e saj e lakimit përcakton madhësinë karakteristike të dimensionit të pestë hapësinor shtesë. Nuk ka asnjë model të njohur definitivisht me brane, ato janë në fazën aktive të zhvillimit, problemet identifikohen, zgjidhen, shfaqen të reja, zgjidhen sërish etj.

Në fig. Figura 3 (majtas) është një paraqitje skematike e një bote në një brane, ku drita (fotonet) përhapet brenda branës, por nuk mund të largohet nga vetë brani. Në fig. 3 (djathtas) tregon se nëse bota jonë do të ishte në një gjendje, atëherë ajo mund të "notonte" në hapësirën e madhe të dimensioneve shtesë që mbeten të paarritshme për ne, pasi drita që ne shohim (dhe asnjë fushë tjetër përveç gravitacionit) nuk mund të largohet krunde. Mund të ketë bota të tjera brane që lundrojnë përkrah nesh.

Oriz. 3. Bota brane dhe disa brane që nuk mbivendosen

Një ide tjetër që çon në shqyrtimin e modeleve shumëdimensionale është e ashtuquajtura korrespondencë AdS/CFT, e cila lind si një nga zbatimet konkrete të teorisë së superstringut. Gjeometrikisht, kjo do të thotë si vijon. Konsiderohet një hapësirë-kohë shumëdimensionale (më shpesh, 5-dimensionale) anti-desitter (AdS). Pa detaje, AdS-space është një hapësirë-kohë e lakimit negativ konstant. Edhe pse është e lakuar, ajo ka të njëjtin numër simetrish si një hapësirë-kohë e sheshtë me të njëjtin dimension, domethënë është maksimalisht simetrike. Më tej, marrim parasysh kufirin hapësinor pafundësisht të largët të hapësirës AdS, dimensioni i së cilës, përkatësisht, është më pak me një. Pra, për një hapësirë AdS 5-dimensionale, kufiri do të jetë 4-dimensional, domethënë diku i ngjashëm me hapësirën-kohën në të cilën jetojmë. Vetë korrespondenca nënkupton një lidhje të caktuar matematikore të këtij kufiri me të ashtuquajturat teori të fushës konformale (të pandryshueshme në shkallë) që mund të "jetojnë" në këtë kufi. Në fillim, kjo korrespondencë u studiua vetëm në terma thjesht matematikorë, por rreth 10 vjet më parë u kuptua se kjo ide mund të përdoret edhe për të studiuar teorinë e ndërveprimeve të forta në regjimin e bashkimit të fortë, ku metodat konvencionale nuk funksionojnë. Që atëherë, studimet që përfshijnë (ose studiojnë) pajtueshmërinë me AdS/CFT kanë marrë vetëm vrull.

Nga sa u tha në paragrafin e mëparshëm, është e rëndësishme për shqyrtimin tonë që ne po studiojmë hapësirë-kohë të lakuar - hapësirën AdS dhe kufirin e saj. Modelet e punës nuk marrin parasysh hapësirat ideale të AdS, por zgjidhjet më komplekse që sillen si AdS kur i afrohen kufirit në mënyrë asimptotike. Një hapësirë-kohë e tillë mund të jetë një zgjidhje për një ose një tjetër teori shumëdimensionale të gravitetit. Kjo do të thotë, ideja e përputhjes së AdS/CFT është një tjetër nga stimujt për zhvillimin e teorive shumëdimensionale.

Një nga problemet kryesore me modelet brane (dhe modelet e tjera me dimensione të larta) është të kuptuarit se sa afër janë ato me realitetin. Le të përshkruajmë një nga testet e mundshme. Kujtoni efektin e avullimit kuantik të vrimave të zeza Hawking. Koha karakteristike e avullimit për vrimat e zeza që lindin nga shpërthimet e yjeve masive është shumë herë më e gjatë se jeta e universit; për vrimat e zeza supermasive është edhe më i madh. Por situata ndryshon në rastin e hapësirë-kohës 5-dimensionale të Randall dhe Sundrum. Vrimat e zeza në branin tonë (aka universi ynë) duhet të avullojnë shumë më shpejt. Rezulton se nga pikëpamja e hapësirës-kohës 5-dimensionale, vrimat e zeza të Universit tonë po lëvizin me nxitim. Prandaj, ato duhet të humbasin në mënyrë efektive energjinë (avullojnë përveç efektit të zakonshëm Hawking) për sa kohë që madhësitë e vrimave të zeza në tkurrje mbeten më të mëdha se madhësia e dimensionit shtesë (diçka si fërkimi kundër këtij dimensioni). Për shembull, nëse madhësia karakteristike e dimensionit shtesë ishte 50 mikron, mjaft e matshme në laborator, atëherë vrimat e zeza të një mase diellore nuk mund të jetonin më shumë se 50 mijë vjet. Nëse një ngjarje e tillë do të ndodhte para syve tanë, atëherë do të shihnim se si burimet e rrezeve X, në të cilat shkëlqente materiali që binte në vrimën e zezë, papritmas dalin jashtë.

Vrimat e zeza në relativitetin e përgjithshëm shumëdimensional

Pra, hap pas hapi, hapësirat shumëdimensionale bëhen pjesë përbërëse e modeleve të ndryshme fizike. Në të njëjtën kohë, përgjithësimi i relativitetit të përgjithshëm në më shumë se katër dimensione (pa modifikime dhe shtesa të tjera) tërheq gjithnjë e më shumë vëmendje, pasi një relativitet i tillë i përgjithshëm në disa raste është vetë pjesë e teorive të reja. Dhe ky është një nga stimujt thelbësorë për kërkimin dhe studimin e zgjidhjeve të mundshme për relativitetin e përgjithshëm shumëdimensional. Në veçanti, zgjidhjet për vrimat e zeza janë me interes dhe rëndësi. Pse?

1) Këto zgjidhje mund të jenë një bazë teorike për analizën e vrimave të zeza mikroskopike në teoritë e fijeve, ku ato lindin në mënyrë të pashmangshme.

2) Korrespondenca AdS/SFT lidh vetitë e vrimave të zeza D-dimensionale me vetitë e teorisë kuantike të fushës në kufirin (D–1)-dimensionale, të cilën e diskutuam shkurtimisht më sipër.

3) Eksperimentet e ardhshme në përplasësit sugjerojnë lindjen e vrimave të zeza shumëdimensionale. Regjistrimi i tyre është i pamundur pa një ide mbi pronat e tyre.

4) Dhe së fundi, studimi i zgjidhjeve të relativitetit të përgjithshëm 4-dimensional klasik filloi me studimin e vrimave të zeza - zgjidhja Schwarzschild. Duket e natyrshme të ndjekësh logjikën e zhvillimit historik.

Është intuitivisht e qartë se sa më shumë dimensione, aq më të ndryshme do të jenë vetitë e zgjidhjeve të teorisë. Si shfaqet kjo në zgjidhjet për vrimat e zeza? Shumëllojshmëria e zgjidhjeve në relativitetin e përgjithshëm shumëdimensional është për shkak të dy veçorive të reja: dinamikës jo të parëndësishme të rrotullimeve dhe mundësisë së formimit të horizonteve të zgjeruara të ngjarjeve. Le t'i diskutojmë ato. Në relativitetin e përgjithshëm të zakonshëm me hapësirë-kohë 4-dimensionale, mund të ketë vetëm një rrotullim të pavarur në hapësirën 3-dimensionale. Përcaktohet nga boshti i tij (ose, çfarë është i njëjtë, nga rrafshi i rrotullimit pingul me të). Në GR 5-dimensionale, hapësira (pa kohë) bëhet 4-dimensionale, por kjo veti e hapësirës 3-dimensionale për të pasur një rrotullim të vetëm të pavarur ruhet. Por në GR 6-dimensionale, ku hapësira bëhet 5-dimensionale, janë të mundshme dy rrotullime të pavarura, secila me boshtin e vet, etj. Një veçori tjetër e re që ndodh për zgjidhjet në dimensione më të mëdha se 4 është shfaqja e horizonteve të zgjeruara. Çfarë nënkuptohet me to? Këto janë "vargje të zeza" (njëdimensionale) dhe "brane të zeza" të dimensioneve të ndryshme.

Kombinimi i këtyre dy mundësive të reja në variacione të ndryshme ka çuar në faktin se në kuadrin e relativitetit të përgjithshëm shumëdimensional, janë ndërtuar shumë zgjidhje të tipit të vrimës së zezë, të cilat kanë hierarkinë e tyre komplekse. Në fig. 4 tregon disa nga këto zgjidhje. Nëse në relativitetin e përgjithshëm 4-dimensional horizonti i ngjarjeve të vrimave të zeza të njohura, si rregull, ka një formë sferike, atëherë në shumëdimensionale situata ndryshon ndjeshëm. Horizontet degjenerohen në vargje (siç e kemi përmendur tashmë), mund të jenë në formë torusi etj. Duhet të kihet parasysh se imazhet e horizonteve në fig. 4-të duhet të merren simbolikisht deri në një farë mase, pasi ato janë në realitet sipërfaqe 3D në hapësirën 4D.

Oriz. 4. Vrimat e zeza 5-dimensionale të palëvizshme

Këto formacione nuk quhen më “vrima të zeza”, por “objekte të zeza”. Ato mund të lidhen shumëfish, për shembull, një vrimë e zezë e rrethuar nga një "torus i zi" quhet "saturn i zi". Disa nga këto objekte përcaktohen nga zgjidhje të paqëndrueshme, për pjesën tjetër është e pamundur të llogariten saktë sasitë e konservuara, por shumë nuk kanë defekte të tilla. Megjithatë, përkundër gjithë shumëllojshmërisë së vetive (të pranueshme ose të dyshimta) dhe formës fantastike të disa objekteve, horizontet e tyre të ngjarjeve kanë të njëjtën veti bazë si horizonti i një vrime të zezë Schwarzschild: historia e një trupi material pasi e kapërcen atë pushon së qeni. të arritshme për një vëzhgues të jashtëm.

Kjo foto duket shumë, shumë ekzotike dhe, siç duket, nuk ka asnjë lidhje me realitetin. Por kush e di - dikur zgjidhjet për vrimat e zeza dukeshin larg realitetit, por tani nuk ka dyshim se këto objekte banojnë në Univers kudo. Është e mundur që ne jetojmë në një brane dhe bota e jashtme 5D përfshin diçka si "Saturni i zi" dhe efekti i tij në bran do të zbulohet.

Teoritë bimetrike dhe teoritë me një graviton masiv

Kujtojmë se për të përshkruar valët e dobëta gravitacionale, ne ndajmë metrikën dinamike të relativitetit të përgjithshëm në metrikën e hapësirës-kohës së sheshtë dhe shqetësimet e metrikës. Doli se perturbimet në formën e valëve mund të përhapen në hapësirën Minkowski, e cila luan rolin e hapësirës së sfondit. Sfondi mund të jetë gjithashtu i lakuar, por ai duhet të mbetet i fiksuar, d.m.th., metrika e tij duhet të jetë një zgjidhje e relativitetit të përgjithshëm. Në këtë foto, perturbimet metrike dhe metrike të sfondit hapësirë-kohë janë të pavarura. Një paraqitje e tillë është një nga variantet e teorisë bimetrike të gravitetit, ku një metrikë njihet dhe përfaqëson sfondin hapësirë-kohë, dhe e dyta, dinamike, luan rolin e fushës gravitacionale që përhapet në të. Në këtë rast, një përshkrim i tillë nxitet nga vetë GR.

Megjithatë, teoritë bimetrike ndërtohen gjithashtu pa referenca për ekzistencën e relativitetit të përgjithshëm, por si teori të pavarura. Karakteristikat e tyre karakteristike janë se sfondi dhe metrikat dinamike kombinohen në një metrikë efektive, e cila nga ana tjetër përcakton hapësirën-kohën efektive, ku të gjitha fushat fizike përhapen dhe ndërveprojnë. Si rregull, në kufirin e një fushe të dobët dhe shpejtësive të ulëta, parashikimet e relativitetit të përgjithshëm dhe teorive bimetrike përkojnë, dhe ato plotësojnë të gjitha ose shumicën e testeve që korrespondon gjithashtu relativiteti i përgjithshëm. Pse ka një fokus në teoritë bimetrike? Dizajni i tyre, për shembull, bën të mundur përcaktimin më të thjeshtë dhe të qëndrueshëm të sasive të konservuara. Ata gjithashtu kanë përparësi në kuantizimin.

Zakonisht, për teoritë bimetrike, ekziston të paktën një mundësi themelore për të përcaktuar "pjellën" - sfondin hapësirë-kohë. Por kjo mund të mos ndodhë. Për shembull, pa iu referuar dobësisë së fushës (d.m.th., saktësisht, pa përafërsi), relativiteti i përgjithshëm mund të riformulohet si një teori bimetrike. Në këtë rast, është thelbësisht e pamundur të dalësh me një eksperiment ose provë për të përcaktuar hapësirën-kohë të sfondit, e cila për këtë arsye luan rolin e një ndihmësi. Dhe vetëm hapësira-koha efektive është reale dhe e arritshme për vëzhgime - është, në fakt, hapësira-koha e relativitetit të përgjithshëm.

Një paraqitje e tillë bimetrike e relativitetit të përgjithshëm quhet formulimi i saj teorik i fushës, në kuptimin që fusha gravitacionale konsiderohet në baza të barabarta me të gjitha fushat e tjera fizike në hapësirën-kohë të sfondit ndihmës (pasi të pavëzhgueshme).

Tani le të kthehemi në shkollën e mesme dhe të kujtojmë se tekstet e fizikës flasin për të ashtuquajturin dualitet valë-grimcë. Çfarë do të thotë? Rezulton se përhapja e një fushe ose e një tjetre mund të konsiderohet, në varësi të kushteve, qoftë si grimcë ose si valë. Le të kthehemi te elektrodinamika. Një sinjal me frekuencë të ulët me amplitudë të mjaftueshme do të fiksohet, përkundrazi, si një valë me ndihmën e lëkundjeve të ngarkesës në fushën e tij. Nga ana tjetër, një sinjal me frekuencë të lartë por të dobët ka më shumë gjasa të zbulohet si një grimcë që rrëzon një elektron në një fotodetektor. Fotoni i grimcave është pa masë (me masë pushimi zero). Le të kthehemi te një grimcë tjetër e njohur - elektroni, ai ka masë. Por rezulton se një elektron gjithashtu mund të krahasohet me një valë, pavarësisht "masivitetit" të tij.

Pas kësaj, le të kujtojmë valët gravitacionale që parashikohen nga relativiteti i përgjithshëm. Në kuadrin e relativitetit të përgjithshëm, këto valë korrespondojnë me grimca me masë pushimi zero - gravitone. A është e mundur të ndërtohet një teori e tillë e gravitetit në të cilën gravitoni ka një masë pushimi jo zero? Pse jo, nëse një teori e tillë në kufirin e fushës së dobët dhe kufirin e shpejtësive të ulëta do të përkojë me relativitetin e përgjithshëm dhe do të kënaqë testet e tij. Historia e këtyre teorive fillon me gravitetin masiv të propozuar nga teoricienët zviceranë Markus Firz (1912–2006) dhe Wolfgang Pauli në 1939.

Që atëherë, variante të teorive të tilla janë shfaqur pak a shumë rregullisht. Kohët e fundit, interesi për to është rritur për faktin se variantet e teorisë masive të gravitetit shfaqen në teoritë themelore, siç është teoria e superstrings. Në disa modele me brane, është gravitoni masiv ai që preferohet më shumë. Teoritë masive të gravitetit janë, në një kuptim të caktuar, një lloj teorie bimetrike: tipari i tyre i përbashkët është se fusha dinamike tensore përhapet në një hapësirë-kohë fikse, e cila, si rregull, është thelbësisht e vëzhgueshme. Zakonisht, në kufi, kur masa e gravitonit tenton në zero, teori të tilla kalojnë në relativitetin e përgjithshëm. Nëse në kufirin e një fushe të dobët dhe shpejtësive të ulëta ato përkojnë me relativitetin e përgjithshëm, atëherë në fusha të forta dhe në shkallë kozmologjike ato ndryshojnë nga relativiteti i përgjithshëm, duke sugjeruar efekte të tjera. Për shembull, mund të rezultojë që në vend të zgjidhjeve për vrimat e zeza do të ketë zgjidhje për singularitetet pa horizonte ("singularitete të zhveshura"), në vend të një universi në zgjerim, shfaqen universe oshiluese.

Nuk është ende e mundur të verifikohet drejtpërdrejt besueshmëria e këtyre parashikimeve; kjo mbetet objekt i hulumtimit të mëtejshëm. Deri më tani, teoritë e gravitetit masiv kanë pasur një të metë të përbashkët, zgjidhjet e tyre japin disa gjendje me energji negative. Këto gjendje quhen "shpirtra", ato nuk mund të shpjegohen brenda kornizës së ideve të arsyeshme, dhe për këtë arsye ato janë të padëshirueshme. Sidoqoftë, fjalë për fjalë kohët e fundit, janë shfaqur opsione për gravitet masiv pa "shpirtra".

ligji i Njutonit

Ligji i gravitetit universal pas

debati në leximin e tretë ishte

dërguar për rishikim...

Folklori

Testimi i ligjit të Njutonit. Kuptimi i ligjit të Njutonit ende luan një rol shumë të rëndësishëm në kuptimin e konceptit të gravitetit në përgjithësi. Si mund të kontrollojmë në laborator nëse jetojmë në një brane (ose ndonjë botë tjetër shumëdimensionale), megjithëse nuk mund të "dalemi" në një dimension shtesë? Kujtoni se graviteti, ndryshe nga forcat e tjera, përhapet në të pesë dimensionet. Për të përdorur këtë fakt, le të habitemi nga kuptimi gjeometrik i ligjit të Njutonit. Siç e kujtojmë, ai thotë se forca e bashkëveprimit gravitacional bie në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës ~ 1/r2. Tani le të kujtojmë një foto nga një tekst shkollor i fizikës, ku veprimi i një force përshkruhet me vija të forcës. Në një pamje të tillë, forca në një distancë të caktuar r përcaktohet nga dendësia e linjave të forcës që "shpojnë" një sferë me rreze r: sa më e madhe të jetë zona e sferës, aq më e ulët është densiteti i linjës dhe, në përputhje me rrethanat, forca. Dhe zona e sferës është proporcionale me r2, nga e cila varet drejtpërdrejt varësia nga distanca në ligjin e Njutonit. Por kjo është në hapësirën 3-dimensionale, ku sipërfaqja e sferës është proporcionale me r2! Në hapësirën 4-dimensionale, zona e sferës përreth do të jetë proporcionale me r3, dhe, në përputhje me rrethanat, ligji i Njutonit do të ndryshojë - forca e ndërveprimit gravitacional do të bjerë anasjelltas si kubi i distancës ~ 1/r3, etj.

Nëse ligji i kubeve të anasjellta do të ndodhte në shkallën e sistemit diellor, atëherë është e qartë se ai do të ishte formuluar nga Njutoni. Kështu që ju duhet ta kërkoni atë në një shkallë të vogël. Në të njëjtën kohë, verifikimi i ligjit të Njutonit është gjithashtu i rëndësishëm për disa teori shumëdimensionale premtuese, ku dimensionet shtesë kompaktohen (palohen) dhe dimensionet e tyre, natyrisht, janë më të vogla se ato planetare. Sidoqoftë, ato mund të arrijnë dhjetëra mikrometra. Kur Randall dhe Sundrum propozuan për herë të parë teorinë e tyre, ligji i Njutonit u testua vetëm në shkallë prej metrash. Që atëherë, shkencëtarët kanë bërë disa nga eksperimentet më komplekse (për shkak të dobësisë së gravitetit) me pesha të vogla rrotulluese, dhe tani kufijtë laboratorikë janë ulur ndjeshëm dhe po i afrohen madhësive të ngjeshjes.

Oriz. 5. Bilanci rrotullues për kontrollimin e ligjit të kundërt të katrorit

Matjet moderne kanë vërtetuar se madhësia e dimensionit shtesë nuk është më shumë se 50 mikron. Në shkallë më të vogla, ligji i katrorit të kundërt mund të shkelet. Në fig. 5 është një diagram i një ekuilibri rrotullues për testimin e ligjit katror të anasjelltë të Njutonit. Vetë pajisja vendoset në një balonë vakum, e izoluar me kujdes nga zhurma dhe e pajisur me një sistem elektronik modern të zbulimit të zhvendosjes.

Është e qartë se eksperimentet e këtij lloji shoqërohen me vështirësi teknologjike kolosale dhe përparimi i mëtejshëm shoqërohet me marrjen e eksperimentit në hapësirë. Fakti është se korrigjimet e vogla të ligjit të Njutonit çojnë gjithashtu në zhvendosjen e llogaritur të perihelioneve planetare (së bashku me atë të Ajnshtajnit). Gama me lazer e Hënës konfirmoi zhvendosjen e Ajnshtajnit brenda 10-11 radianëve në shekull. Por në rendin tjetër, efekti i disa modeleve shumëdimensionale mund të shfaqet.

Përpjekjet e para për një vend të tillë u bënë në fillim të viteve '60 nga studiuesit amerikanë dhe sovjetikë. Por rrezja lazer u shpërnda fort nga sipërfaqja dhe saktësia e matjes ishte e ulët - deri në disa qindra metra. Situata ndryshoi në mënyrë dramatike pasi misionet amerikane Apollo dhe misionet Sovjetike Luna dërguan reflektorë qoshe në Hënë, të cilët përdoren ende sot (për fat të keq, programi Sovjetik i Hënës u kufizua në 1983).

Si ndodh kjo? Lazeri dërgon një sinjal përmes një teleskopi të drejtuar nga një reflektor, ndërsa regjistron me saktësi kohën kur sinjali u emetua. Zona e rrezes nga sinjali në sipërfaqen hënore është 25 km2 (sipërfaqja e reflektorëve të qosheve është rreth 1 m2). Drita e reflektuar nga instrumenti në Hënë kthehet në teleskop për rreth një sekondë, pastaj vazhdon për rreth 30 pikosekonda. Koha e udhëtimit të një fotoni bën të mundur përcaktimin e distancës dhe kjo tani bëhet me një saktësi prej rreth dy centimetrash, ndonjëherë saktësia arrin disa milimetra. Dhe kjo është në një distancë midis Tokës dhe Hënës prej 384,500 km!

Dinamika Njutoniane e Modifikuar (MOND). Por ligji i Njutonit mund të shkelet në shkallë shumë më të mëdha se sistemet planetare. Lëvizjet dhe rrotullimet anormale në sistemet yjore “provokuan” kërkimin e “materies së errët” në të cilën janë zhytur galaktikat, grupimet e galaktikave etj.

Por çka nëse vetë ligji i Njutonit shkelet në këto shkallë? Teoria origjinale MOND u zhvillua nga fizikani izraelit Mordechai Milgrom në 1983 si një alternativë ndaj "materies së errët". Devijimet nga ligji i katrorit të anasjelltë të Njutonit sipas kësaj teorie duhet të vërehen me një nxitim të caktuar, e jo në një distancë të caktuar (kujtoni teorinë e Horzhavas, ku ligji i Njutonit ndryshon për shkak të ndikimit të shpejtësive).

MOND shpjegon me sukses lëvizjet e vëzhguara në galaktika. Kjo teori tregon gjithashtu pse devijimet nga modeli i pritshëm i rrotullimit janë më të mëdha në galaktikat xhuxh.

Disavantazhet e teorisë origjinale:

1) nuk përfshin efekte relativiste si SRT ose GR;

2) shkelen ligjet e ruajtjes së energjisë, momentit dhe momentit këndor;

3) kontradiktore nga brenda, pasi parashikon orbita të ndryshme galaktike për gazin dhe yjet;

4) e bën të pamundur llogaritjen e lenteve gravitacionale nga grupimet e galaktikave.

E gjithë kjo shkaktoi përmirësimin e saj të mëtejshëm domethënës - me përfshirjen e fushave skalare, reduktimin në një formë relativiste, etj. Çdo ndryshim, duke hequr një kundërshtim, shkaktonte një tjetër, nuk ka ende një teori të plotë, por studiuesit nuk e humbasin optimizmin.

Anomali "Pionerë". Stacionet automatike ndërplanetare Pioneer-10 dhe Pioneer-11 u nisën në 1972 dhe 1973 për të studiuar Jupiterin dhe Saturnin. Ata e përballuan plotësisht misionin e tyre për t'iu afruar këtyre planetëve dhe për të transmetuar të dhëna të dorës së parë rreth tyre, siç thonë ata. Sinjali i fundit nga Pioneer 10 u mor në fillim të vitit 2003 pas më shumë se tridhjetë vjet funksionimi të vazhdueshëm. Në atë moment, anija kozmike ishte tashmë 12 miliardë kilometra larg Diellit. Në fig. 12.6 tregon një fotografi të aparatit Pioneer-10.

Befasi ishte fakti se sapo Pionierët kaluan orbitën e Uranit (rreth vitit 1980), ata filluan të vunë re në Tokë se frekuenca e sinjaleve radio të dërguara nga pajisjet u zhvendos në pjesën me valë të shkurtër të spektrit, i cili duhet të jo nëse lëvizja e tyre korrespondon me dinamikën e Njutonit (ndikimi i efekteve relativiste të GR në një distancë të tillë nga Dielli dhe planetët është shumë më i dobët).

Nga pikëpamja e përditshme, efekti, natyrisht, duket si një gjë e vogël - është 10 miliardë herë më pak se nxitimi që përjetojmë nga fusha gravitacionale e Tokës. Por ai i tejkalon shumë efektet relativiste të relativitetit të përgjithshëm! Shpjegimet më banale për fenomenin misterioz mund të jenë, për shembull, rrjedhja e mbetjeve të karburantit të gaztë nga motorët e vegjël me shtytje, frenimi në pluhur kozmik, etj. Por këto efekte janë të përkohshme dhe anomalia ka qenë e qëndrueshme për më shumë se 20 vjet.

Disa shkencëtarë pyesnin veten nëse anomalia e Pioneerit nuk mund të krijohej nga faktorë të panjohur deri më tani që veprojnë vetëm jashtë sistemit diellor (një ndryshim në ligjin e Njutonit). Madje janë marrë parasysh edhe modelet që përfshijnë antimaterinë, lëndën e errët dhe energjinë e errët.

Fizikani norvegjez Kjell Tangen analizoi në mënyrë gjithëpërfshirëse situatën dhe arriti në përfundimin se asnjë nga modifikimet e njohura të ligjit të gravitetit nuk mund të përshkruajë anomalinë. Në të vërtetë, këto ndryshime nuk duhet të çojnë në një ndryshim në përshkrimin e lëvizjes së planetëve të jashtëm të sistemit diellor. Kështu, duke ndryshuar ligjin e Njutonit, Tangen në mënyrë të pashmangshme mori rezultate të pasakta për përshkrimin e lëvizjes së Uranit dhe Plutonit.

Gjëegjëza e "Pionerëve" u zgjidh kohët e fundit si rezultat i punës 20 vjeçare nga grupi i Vyacheslav Turyshev, i diplomuar në SAI të Universitetit Shtetëror të Moskës, që tani punon në Laboratorin e Propulsionit Jet të NASA-s (JPL) në Pasadena. Në periudha të ndryshme, grupi përbëhej nga 20 deri në 80 punonjës. Relativisht kohët e fundit, ishte e mundur të deshifroheshin mjaftueshëm të dhënat shtesë të ruajtura mrekullisht nga Pionierët, të cilat më parë ishin të paarritshme për shkak të formateve arkaike të skedarëve dhe mediave të informacionit (kaseta). Fillimisht u analizuan më shumë se 20 faktorë që mund të çonin në një efekt. Në dispozicion të grupit ishte një kopje e binjakëve të mbajtur në muze - i treti "Pioneri", i mbetur në Tokë pas testeve para fluturimit, të cilat bënë të mundur përzgjedhjen e pjesëve më cilësore për hapësirën. Kjo pajisje është studiuar tërësisht.

Një nga një, për arsye të ndryshme, kandidatët për efekt u refuzuan. Më në fund, mbeti vetëm një shkak i mundshëm, i cili iu nënshtrua kërkimit me paragjykim. Pajisja është një antenë parabolike për komunikim me diametër rreth 3 metra, e pajisur me pajisje të vendosura në një kuti pak më të vogël. Pajisja funksionon kaq gjatë falë energjisë së elementit atomik të vendosur edhe në këtë kuti. Si rezultat, kutia nxehet. Antena është gjithmonë e orientuar në tokë, kështu që kutia është prapa saj.

Grupi i Turyshev përpiloi një hartë kompjuterike të shpërndarjes së nxehtësisë në të gjithë aparatin. Doli se pjesa e pasme e aparatit (përballë Tokës) është pak më e ngrohtë se pjesa e përparme. Kjo do të thotë, në drejtim të kundërt nga Toka, më shumë fotone energjikë largohen nga aparati sesa ato që fluturojnë drejt Tokës. Në fakt, funksionon “motori i fotonit”, i cili në këtë rast ngadalëson “fluturimin” e pajisjeve nga sistemi diellor. Të dhënat e llogaritjes përputhen shumë mirë me të dhënat e efektit të vëzhguar. Fuqia e këtij "motori" është e krahasueshme me fuqinë e "mbrapshtjes" së fenerëve të një makine, e cila gjithashtu e ngadalëson atë si një motor fotoni. Ky krahasim figurativ është bërë nga vetë Turyshev.

Ka pyetje. Pse efekti u zbulua vetëm pas 8 vjetësh? Fakti është se ekziston ende një fenomen i tillë si era diellore. Derisa pajisjet arritën në orbitën e Uranit, ndikimi i tij ishte i përhapur dhe "anomalia" thjesht u fundos në të. Në një distancë më të madhe, efekti i "anomalisë" u bë më i fortë se efekti i erës dhe u zbulua. Pse besohet se forca anormale drejtohet drejt Diellit, sepse antena është e orientuar drejt Tokës? Fakti është se tashmë në një distancë nga orbita e Uranit, orbita e Tokës shihet si një rreth në një kënd të vogël zgjidhjeje. Në këtë rast, është e pamundur të dallosh se ku po shikon antena (në Tokë, në një pikë tjetër në orbitën e Tokës, në Diell) - kjo është për të njëjtën gjë.

Përmblidhni. Anomalia e "Pionerëve" shpjegohet nga fenomene të thjeshta të zakonshme dhe nuk kërkohet një rishikim i ligjit të Njutonit dhe teorive gravitacionale në përgjithësi për ta shpjeguar atë.

Çfarë do të përmirësojë më tej saktësinë e vëzhgimeve

Saktësia shumë shpesh

bëhet e pasaktë.

Dmitry Likhachev

Është shumë e rëndësishme të kontrollohet qëndrueshmëria e konstantave themelore. Për këtë, vëzhgimet e ndryshme të objekteve më të largëta në Univers krahasohen me vëzhgimet në sistemin diellor, dhe ato krahasohen me rezultatet e eksperimenteve laboratorike në Tokë dhe madje edhe me të dhënat e marra në gjeologji dhe paleontologji. Analiza përdor shkallë të ndryshme kohore, nga njëra anë, për shkak të evolucionit kozmologjik dhe astrofizik, nga ana tjetër, bazuar në standardet moderne atomike. Gjithashtu, dukuritë që varen ndjeshëm nga këto konstante krahasohen për epoka të ndryshme.

Për gravitacionin, konstanta gravitacionale është kryesisht e rëndësishme. Vlera e saktë e saj është e nevojshme për të përcaktuar parametrat e kësaj apo asaj teorie alternative, apo edhe për të përcaktuar qëndrueshmërinë e saj - mbani mend teorinë e Horzhava. Qëndrueshmëria e parametrave të orbitave planetare varet nga qëndrueshmëria e konstantës gravitacionale. Hulumtimet në sistemin diellor konfirmuan pandryshueshmërinë e konstantës gravitacionale me një saktësi relative prej 10-13 deri në 10-14 në vit. Dhe saktësia e matjes po përmirësohet vazhdimisht.

Sa i rëndësishëm është kërkimi i valëve gravitacionale nga burimet astronomike në drejtim të ndërtimit të një teorie të re? Në këtë kuptim, regjistrimi i valëve gravitacionale në vetvete nuk ka gjasa të japë menjëherë shumë informacion. Por fakti i regjistrimit më në fund do të konfirmojë korrektësinë e kërkimit modern dhe do të jetë e mundur të refuzohen teoritë krejtësisht margjinale. Vetëm më vonë, kur të bëhet e mundur të analizohen detajet e rrezatimit (për shembull, polarizimi), do të jetë e mundur të përdoret për të zgjedhur ose modifikuar teoritë gravitacionale. Përcaktimi i shpejtësisë së rrezatimit gravitacional do të japë gjithashtu kufizime në teoritë alternative, për shembull, me një graviton masiv; etj.

A nevojitet një lloj zbulimi eksperimental për të krijuar një teori të re apo për të zgjedhur nga ato të ndërtuara tashmë? Po, sigurisht, nevojiten të dhëna empirike të reja dhe më të sakta. Por kjo nuk duhet të quhet një përparim, por më tepër rezultat i përpjekjeve të vazhdueshme. Gjendja e punëve është si më poshtë: gjatë 100 viteve të fundit, saktësia e matjes është rritur me 3-4 rend të madhësisë. Teknologjitë moderne premtojnë të përshpejtojnë ndjeshëm procesin. Sipas vlerësimeve të ndryshme, pritet që në 25-30 vitet e ardhshme saktësia të rritet me 3-5 renditje të tjera të madhësisë. Dhe kjo, sipas shumë parashikimeve, jep baza të plota (dhe ne u përpoqëm ta tregojmë këtë), nëse jo në vitet e ardhshme, atëherë në 10-20 vitet e ardhshme, të presim zbulime jashtëzakonisht interesante dhe të rëndësishme. Përveç kësaj, shumica e studiuesve besojnë se një rritje e tillë e saktësisë do të jetë e mjaftueshme për të vendosur për një teori të re.

Artikulli i mëparshëm: Llojet e foljeve në Rusisht Artikulli vijues: Rregullat për përcaktimin e valencës dhe gjendjes së oksidimit