Oto prinsipləri. Ümumi Nisbilik Uyğundurmu? Fiziki reallığa uyğun gəlirmi?

Bu nəzəriyyə haqqında deyilirdi ki, onu dünyada yalnız üç nəfər başa düşür və riyaziyyatçılar ondan irəli gələnləri rəqəmlərlə ifadə etməyə çalışdıqda, müəllifin özü - Albert Eynşteyn zarafat etdi ki, indi onu başa düşməkdən əl çəkib.

Xüsusi və ümumi nisbilik dünyanın quruluşuna dair müasir elmi baxışların qurulduğu doktrinanın ayrılmaz hissələridir.

"Möcüzələr ili"

1905-ci ildə Almaniyanın aparıcı elmi nəşri olan Annalen der Physik (Fizika Salnamələri) 26 yaşlı Albert Eynşteynin bir-birinin ardınca dörd məqaləsini dərc etdi. Berndə patentləşdirmə ixtiraları. O, əvvəllər jurnalla əməkdaşlıq etmişdi, lakin bir il ərzində bu qədər məqalənin nəşri qeyri-adi hadisə idi. Onların hər birində yer alan fikirlərin dəyəri aydınlaşdıqda daha da qabarıq oldu.

Məqalələrin birincisində işığın kvant təbiəti haqqında fikirlər söylənilib, elektromaqnit şüalarının udulması və buraxılması prosesləri nəzərdən keçirilib. Bu əsasda ilk olaraq fotoelektrik effekt izah edildi - işığın fotonları ilə sökülən elektronların maddə tərəfindən emissiyası, bu vəziyyətdə buraxılan enerjinin miqdarını hesablamaq üçün düsturlar təklif edildi. Nisbilik nəzəriyyəsinin postulatları üçün deyil, kvant mexanikasının başlanğıcı olan fotoelektrik effektin nəzəri inkişafı üçün Eynşteyn 1922-ci ildə Fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görüləcək.

Başqa bir məqalədə mayedə asılı olan ən kiçik hissəciklərin Broun hərəkətinin tədqiqi əsasında fiziki statistikanın tətbiqi sahələrinin əsası qoyulmuşdur. Eynşteyn dalğalanmaların qanunauyğunluqlarını axtarmaq üçün üsullar təklif etdi - fiziki kəmiyyətlərin ən çox ehtimal olunan dəyərlərindən təsadüfi və təsadüfi sapmaları.

Və nəhayət, “Hərəkət edən cisimlərin elektrodinamikasına dair” və “Cismin ətaləti onun içindəki enerjidən asılıdırmı?” məqalələrində. fizika tarixində Albert Eynşteynin nisbilik nəzəriyyəsi, daha doğrusu onun birinci hissəsi - SRT - xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi kimi qeyd olunacaq şeyin mikroblarını ehtiva edirdi.

Mənbələr və sələflər

19-cu əsrin sonlarında bir çox fiziklərə elə gəlirdi ki, kainatın əksər qlobal problemləri həll olunub, əsas kəşflər edilib və bəşəriyyət yalnız texnoloji tərəqqini güclü surətdə sürətləndirmək üçün toplanmış biliklərdən istifadə etməli olacaq. Yalnız bəzi nəzəri uyğunsuzluqlar Kainatın efirlə dolu və dəyişməz Nyuton qanunlarına uyğun yaşayan harmonik mənzərəsini korladı.

Harmoniya Maksvellin nəzəri araşdırmaları ilə pozuldu. Onun elektromaqnit sahələrinin qarşılıqlı təsirini təsvir edən tənlikləri klassik mexanikanın hamılıqla qəbul edilmiş qanunlarına ziddir. Bu, Qalileonun nisbilik prinsipi işləməyi dayandırdıqda, dinamik istinad sistemlərində işığın sürətinin ölçülməsinə aid idi - işıq sürətində hərəkət edərkən bu cür sistemlərin qarşılıqlı təsirinin riyazi modeli elektromaqnit dalğalarının yox olmasına səbəb oldu.

Bundan əlavə, zərrəciklərin və dalğaların, makro və mikrokosmosun eyni vaxtda mövcudluğunu barışdırmalı olan efir aşkarlanmağa təslim olmadı. 1887-ci ildə Albert Mişelson və Edvard Morli tərəfindən aparılan təcrübə qaçılmaz olaraq unikal cihaz - interferometr tərəfindən qeyd edilməli olan "efir küləyi"ni aşkar etmək məqsədi daşıyırdı. Təcrübə tam bir il davam etdi - Yerin Günəş ətrafında tam çevrilmə vaxtı. Planet yarım il efir axınına qarşı hərəkət etməli idi, efir yarım il ərzində Yerin "yelkənlərinə üfürməli" idi, lakin nəticə sıfıra bərabər idi: efirin təsiri altında işıq dalğalarının yerdəyişməsi yox idi. tapılmışdır ki, bu da efirin mövcudluğuna şübhə ilə yanaşır.

Lorentz və Puankare

Fiziklər efiri aşkar etmək üçün aparılan təcrübələrin nəticələrinin izahını tapmağa çalışıblar. Hendrik Lorentz (1853-1928) öz riyazi modelini təklif etdi. O, kosmosun efirlə doldurulmasını canlandırdı, ancaq çox şərti və süni bir fərziyyə altında, efirdə hərəkət edərkən cisimlər hərəkət istiqamətində büzülə bilər. Bu modeli böyük Henri Puancare (1854-1912) tamamladı.

Bu iki alimin əsərlərində ilk dəfə olaraq nisbilik nəzəriyyəsinin əsas postulatlarını böyük ölçüdə təşkil edən anlayışlar meydana çıxdı və bu, Eynşteynin plagiatlıq ittihamlarının səngiməsinə imkan vermir. Bunlara eyni vaxtdalıq anlayışının şərtiliyi, işıq sürətinin sabitliyi fərziyyəsi daxildir. Puankare etiraf etdi ki, Nyutonun mexanika qanunları yüksək sürətlə təkrar işləməyi tələb edir, o, hərəkətin nisbiliyi haqqında bir nəticə çıxardı, lakin efir nəzəriyyəsinə tətbiq olundu.

Xüsusi Nisbilik - SRT

Elektromaqnit proseslərinin düzgün təsviri problemləri nəzəri inkişaflar üçün mövzu seçmək üçün motivasiya oldu və Eynşteynin 1905-ci ildə nəşr olunan məqalələrində müəyyən bir vəziyyətin - vahid və düzxətli hərəkətin şərhi var idi. 1915-ci ilə qədər qarşılıqlı təsirləri və qravitasiya qarşılıqlı təsirlərini izah edən ümumi nisbilik nəzəriyyəsi formalaşdı, lakin birincisi xüsusi adlandırılan nəzəriyyə idi.

Eynşteynin xüsusi nisbilik nəzəriyyəsini iki əsas postulatda ümumiləşdirmək olar. Birincisi Qalileonun nisbilik prinsipinin təsirini təkcə mexaniki proseslərə deyil, bütün fiziki hadisələrə də şamil edir. Daha ümumi formada deyilir: Bütün fiziki qanunlar bütün ətalət (birtərəfli düzxətli və ya istirahətdə hərəkət edən) istinad sistemləri üçün eynidir.

Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsini ehtiva edən ikinci ifadə: işığın vakuumda yayılma sürəti bütün inertial istinad sistemləri üçün eynidir. Bundan əlavə, daha qlobal bir nəticə çıxarılır: işığın sürəti təbiətdəki qarşılıqlı təsirlərin ötürülmə sürətinin maksimum dəyəridir.

SRT-nin riyazi hesablamalarında əvvəllər fiziki nəşrlərdə görünən E=mc² düsturu verilir, lakin Eynşteynin sayəsində elm tarixində ən məşhur və populyar oldu. Kütlə və enerjinin ekvivalentliyi haqqında nəticə nisbilik nəzəriyyəsinin ən inqilabi düsturudur. Kütləvi hər hansı bir cismin böyük miqdarda enerji ehtiva etməsi konsepsiyası nüvə enerjisindən istifadə sahəsində inkişafın əsası oldu və hər şeydən əvvəl atom bombasının yaranmasına səbəb oldu.

Xüsusi nisbi nəzəriyyənin effektləri

SRT-dən bir neçə nəticə çıxır ki, bunlar relativistik (nisbilik ingiliscəsi - nisbilik) effektləri adlanır. Zamanın genişlənməsi ən diqqət çəkənlərdən biridir. Onun mahiyyəti ondan ibarətdir ki, hərəkət edən istinad çərçivəsində vaxt daha yavaş keçir. Hesablamalar göstərir ki, Alpha Centauri ulduz sisteminə və geriyə 0,95 c sürətlə (c - işıq sürətidir) hipotetik uçuş edən kosmik gəmidə 7,3 il, Yerdə isə 12 il keçəcək. Bu cür misallar tez-tez nisbilik nəzəriyyəsini buklalar üçün izah edərkən, eləcə də əlaqəli əkiz paradoksu izah edərkən verilir.

Başqa bir təsir xətti ölçülərin azalmasıdır, yəni müşahidəçinin nöqteyi-nəzərindən ona nisbətən c-yə yaxın sürətlə hərəkət edən cisimlər hərəkət istiqamətində öz uzunluğundan daha kiçik xətti ölçülərə malik olacaqdır. Relyativistik fizikanın proqnozlaşdırdığı bu təsirə Lorentz daralması deyilir.

Relyativistik kinematikanın qanunlarına görə, hərəkət edən cismin kütləsi qalan kütlədən böyükdür. Bu təsir elementar hissəciklərin tədqiqi üçün cihazların hazırlanmasında xüsusilə əhəmiyyətli olur - LHC-nin (Böyük Adron Kollayderi) işini nəzərə almadan təsəvvür etmək çətindir.

məkan-zaman

SRT-nin ən vacib komponentlərindən biri bir vaxtlar Albertin tələbəsinə riyaziyyat müəllimi olmuş alman riyaziyyatçısı Hermann Minkovski tərəfindən təklif edilən vahid məkan-zamanın xüsusi konsepsiyası olan relativistik kinematikanın qrafik təsviridir. Eynşteyn.

Minkowski modelinin mahiyyəti qarşılıqlı əlaqədə olan obyektlərin mövqeyinin müəyyən edilməsinə tamamilə yeni yanaşmadır. Zamanın xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinə xüsusi diqqət yetirilir. Zaman klassik üçölçülü koordinat sisteminin dördüncü koordinatına çevrilmir, zaman mütləq dəyər deyil, kosmosun ayrılmaz xüsusiyyətidir, kosmos-zaman kontinuumu formasını alır, qrafik olaraq konus kimi ifadə edilir, bütün qarşılıqlı təsirlər baş verir.

Nisbilik nəzəriyyəsindəki belə bir boşluq daha ümumi xarakterə çevrilərək inkişafı ilə sonralar daha da əyriliyə məruz qaldı və bu, belə bir modeli qravitasiya qarşılıqlı təsirlərini də təsvir etmək üçün əlverişli etdi.

Nəzəriyyənin sonrakı inkişafı

SRT fiziklər arasında dərhal anlayış tapmadı, lakin tədricən dünyanı, xüsusən də fizika elminin əsas öyrənilməsi predmetinə çevrilən elementar hissəciklər dünyasını təsvir etmək üçün əsas vasitəyə çevrildi. Lakin SRT-ni cazibə qüvvələrinin izahı ilə tamamlamaq tapşırığı çox aktual idi və Eynşteyn ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin - GR prinsiplərini təkmilləşdirərək işini dayandırmadı. Bu prinsiplərin riyazi emalı kifayət qədər uzun müddət - təxminən 11 il çəkdi və burada fizikaya bitişik olan dəqiq elm sahələrinin mütəxəssisləri iştirak etdilər.

Beləliklə, o dövrün aparıcı riyaziyyatçısı, qravitasiya sahəsinin tənliklərinin həmmüəlliflərindən birinə çevrilən David Hilbert (1862-1943) çox böyük töhfə verdi. Onlar ümumi nisbilik nəzəriyyəsi və ya GR adını alan gözəl bir binanın tikintisində son daş idi.

Ümumi nisbilik - GR

Müasir cazibə sahəsi nəzəriyyəsi, "məkan-zaman" quruluşu nəzəriyyəsi, "kosmos-zaman" həndəsəsi, qeyri-inertial istinad sistemlərində fiziki qarşılıqlı təsirlər qanunu - bütün bunlar Albert Eynşteynin müxtəlif adlarıdır. ümumi nisbilik nəzəriyyəsi ilə təchiz edilmişdir.

Fizika elminin cazibə qüvvəsinə, müxtəlif ölçülü cisimlərin və sahələrin qarşılıqlı təsirinə dair baxışlarını uzun müddət müəyyən edən universal cazibə nəzəriyyəsi. Paradoksal olsa da, onun əsas çatışmazlığı onun mahiyyətinin qeyri-maddi, illüziya, riyazi təbiəti idi. Ulduzlar və planetlər arasında boşluq var idi, göy cisimləri arasındakı cazibə müəyyən qüvvələrin və ani qüvvələrin uzun məsafəli hərəkəti ilə izah edildi. Albert Eynşteynin ümumi nisbilik nəzəriyyəsi cazibə qüvvəsini fiziki məzmunla doldurdu, onu müxtəlif maddi obyektlərin birbaşa təması kimi təqdim etdi.

Cazibə qüvvəsinin həndəsəsi

Eynşteynin qravitasiya qarşılıqlı təsirlərini izah etdiyi əsas fikir çox sadədir. O, cazibə qüvvələrinin fiziki ifadəsini, ətrafda belə əyriliklərin əmələ gəldiyi obyektin kütləsindən təsirlənən kifayət qədər nəzərə çarpan xüsusiyyətlərə - metriklərə və deformasiyalara malik məkan-zaman olduğunu bəyan edir. Bir vaxtlar Eynşteynə hətta kosmosu dolduran elastik material mühiti kimi efir anlayışını kainat nəzəriyyəsinə qaytarmaq çağırışları da var idi. Vakuum kimi təsvir edilə bilən bir çox keyfiyyətlərə malik olan bir maddə adlandırmağın onun üçün çətin olduğunu da izah etdi.

Beləliklə, cazibə qüvvəsi SRT-də əyri olmayan kimi təyin edilmiş dördölçülü məkan-zamanın həndəsi xassələrinin təzahürüdür, lakin daha ümumi hallarda ona maddi cisimlərin hərəkətini təyin edən əyrilik verilir. Eynşteynin elan etdiyi ekvivalentlik prinsipinə uyğun olaraq eyni sürətlənmə.

Nisbilik nəzəriyyəsinin bu əsas prinsipi Nyutonun universal cazibə nəzəriyyəsinin bir çox “darboğazlarını” izah edir: işığın bəzi astronomik hadisələr zamanı kütləvi kosmik cisimlərin yanından keçdiyi zaman müşahidə olunan əyriliyi və cisimlərin düşməsinin eyni sürətlənməsi. kütləsindən asılı olmayaraq qədimlər.

Məkan əyriliyinin modelləşdirilməsi

Dummies üçün ümumi nisbilik nəzəriyyəsini izah edən ümumi bir nümunə, məkan-zamanın bir trambolin şəklində təmsil edilməsidir - qarşılıqlı təsir göstərən obyektləri təqlid edən obyektlərin (əksər hallarda topların) yerləşdirildiyi elastik nazik membran. Ağır toplar membranı bükür, onların ətrafında bir huni meydana gətirir. Səthə atılan daha kiçik bir top, cazibə qanunlarına tam uyğun olaraq hərəkət edir, tədricən daha kütləvi cisimlərin meydana gətirdiyi çökəkliklərə yuvarlanır.

Ancaq bu misal olduqca ixtiyaridir. Real məkan-zaman çoxölçülüdür, onun əyriliyi də elə elementar görünmür, lakin cazibə qüvvəsinin qarşılıqlı təsirinin formalaşması prinsipi və nisbilik nəzəriyyəsinin mahiyyəti aydınlaşır. Hər halda, cazibə nəzəriyyəsini daha məntiqli və tutarlı şəkildə izah edəcək bir fərziyyə hələ mövcud deyil.

Həqiqətin sübutları

Ümumi nisbilik tez bir zamanda müasir fizikanın üzərində qurula biləcəyi güclü bir təməl kimi görünməyə başladı. Nisbilik nəzəriyyəsi lap əvvəldən öz ahəng və ahəngdarlığı ilə heyran oldu, nəinki mütəxəssislər, çox keçmədən onun peyda olması müşahidələrlə təsdiqlənməyə başladı.

Merkuri orbitinin Günəşə ən yaxın nöqtəsi - perihelion - hələ 19-cu əsrin ortalarında kəşf edilmiş Günəş sistemindəki digər planetlərin orbitlərinə nisbətən tədricən dəyişir. Belə bir hərəkət - presessiya Nyutonun ümumdünya cazibə nəzəriyyəsi çərçivəsində ağlabatan izahat tapmamış, ümumi nisbilik nəzəriyyəsi əsasında dəqiqliklə hesablanmışdır.

1919-cu ildə baş verən Günəş tutulması ümumi nisbiliyin daha bir sübutu üçün fürsət yaratdı. Zarafatla özünü nisbilik nəzəriyyəsinin əsaslarını anlayan üç nəfərdən ikincisi adlandıran Artur Eddinqton, Eynşteynin işıq fotonlarının ulduzun yaxınlığından keçməsi zamanı proqnozlaşdırdığı kənarlaşmaları təsdiqlədi: tutulma zamanı, nisbilik nəzəriyyəsinin əsaslarını anlayanlar bəzi ulduzların görünən mövqeyi nəzərə çarpdı.

Saatın yavaşlamasını və ya cazibə qüvvəsinin qırmızı yerdəyişməsini aşkar etmək üçün eksperiment, ümumi nisbiliyin digər sübutları arasında Eynşteynin özü tərəfindən təklif edilmişdir. Yalnız uzun illərdən sonra lazımi eksperimental avadanlığı hazırlamaq və bu təcrübəni aparmaq mümkün oldu. Hündürlükdə bir-birindən aralı olan emitent və qəbuledicidən radiasiyanın qravitasiya tezliyinin yerdəyişməsi ümumi nisbi nəzəriyyənin proqnozlaşdırdığı sərhədlər daxilində olduğu ortaya çıxdı və bu təcrübəni aparan Harvard fizikləri Robert Pound və Glen Rebka ölçmələrin dəqiqliyini daha da artırdılar. , və nisbilik nəzəriyyəsinin düsturu yenidən doğru çıxdı.

Eynşteynin nisbilik nəzəriyyəsi ən əhəmiyyətli kosmik tədqiqat layihələrinin əsaslandırılmasında həmişə mövcuddur. Qısaca olaraq deyə bilərik ki, o, mütəxəssislərin, xüsusən də peyk naviqasiya sistemləri - GPS, QLONASS və s. ilə məşğul olanlar üçün mühəndis alətinə çevrilib. Ümumi nisbi nəzəriyyə ilə proqnozlaşdırılan siqnalların ləngimələrini nəzərə almadan cismin koordinatlarını hətta nisbətən kiçik bir məkanda da tələb olunan dəqiqliklə hesablamaq mümkün deyil. Xüsusilə, bir-birindən kosmik məsafələrlə ayrılmış obyektlərdən danışırıqsa, naviqasiyada səhv böyük ola bilər.

Nisbilik nəzəriyyəsinin yaradıcısı

Albert Eynşteyn nisbilik nəzəriyyəsinin əsaslarını dərc edəndə hələ gənc idi. Sonradan onun çatışmazlıqları və uyğunsuzluqları ona aydın oldu. Xüsusilə, GR-nin əsas problemi onun kvant mexanikasına çevrilməsinin qeyri-mümkünlüyü idi, çünki qravitasiya qarşılıqlı təsirlərinin təsviri bir-birindən köklü şəkildə fərqlənən prinsiplərdən istifadə edir. Kvant mexanikasında cisimlərin vahid məkan-zamanda qarşılıqlı təsiri nəzərə alınır və Eynşteynə görə bu fəzanın özü cazibə qüvvəsini əmələ gətirir.

Ümumi nisbilik və kvant fizikasının ziddiyyətlərini aradan qaldıracaq vahid sahə nəzəriyyəsi olan “mövcud olan hər şeyin düsturunu” yazmaq Eynşteynin uzun illər hədəfi idi, o, son saata qədər bu nəzəriyyə üzərində çalışsa da, uğur qazana bilmədi. Ümumi nisbilik problemləri bir çox nəzəriyyəçilər üçün dünyanın daha mükəmməl modellərinin axtarışında stimul oldu. Simli nəzəriyyələr, döngə kvant cazibəsi və bir çox başqaları belə ortaya çıxdı.

Ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin müəllifinin şəxsiyyəti tarixdə nisbilik nəzəriyyəsinin özünün elm üçün əhəmiyyəti ilə müqayisə oluna bilən iz qoydu. O, indiyə qədər biganə qalmır. Eynşteyn özü də təəccüblənirdi ki, niyə ona və onun işinə fizika ilə heç bir əlaqəsi olmayan insanlar tərəfindən bu qədər diqqət yetirilir. Şəxsi keyfiyyətləri, məşhur zəka, fəal siyasi mövqeyi və hətta ifadəli görünüşü sayəsində Eynşteyn Yer kürəsinin ən məşhur fiziklərinə, bir çox kitabların, filmlərin və kompüter oyunlarının qəhrəmanına çevrildi.

Ömrünün sonu çoxları tərəfindən dramatik şəkildə təsvir olunur: o, tənha idi, özünü planetdəki bütün həyat üçün təhlükəyə çevrilən ən dəhşətli silahın meydana çıxmasına görə məsuliyyət daşıyırdı, onun vahid sahə nəzəriyyəsi qeyri-real bir xəyal olaraq qaldı, lakin Eynşteynin sözləri: ölümündən az əvvəl söylənilən ən yaxşı nəticə sayıla bilər.onun Yer üzündə üzərinə düşən vəzifəni yerinə yetirməsi. Bununla mübahisə etmək çətindir.

Ümumi nisbilik nəzəriyyəsi(GR) 1915-1916-cı illərdə Albert Eynşteyn tərəfindən nəşr olunan cazibə qüvvəsinin həndəsi nəzəriyyəsidir. Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinin sonrakı inkişafı olan bu nəzəriyyə çərçivəsində belə bir fərziyyə irəli sürülür ki, qravitasiya effektləri fəza-zamanda yerləşən cisimlərin və sahələrin güc qarşılıqlı təsiri ilə deyil, zaman-məkan deformasiyası nəticəsində yaranır. özü, xüsusən də kütlə enerjisinin olması ilə əlaqələndirilir. Beləliklə, ümumi nisbi nəzəriyyədə, digər metrik nəzəriyyələrdə olduğu kimi, cazibə qüvvəsi qarşılıqlı təsir deyil. Ümumi nisbilik nəzəriyyəsi digər metrik cazibə nəzəriyyələrindən Eynşteynin tənliklərindən istifadə edərək fəza zamanının əyriliyini kosmosda mövcud olan maddə ilə əlaqələndirməklə fərqlənir.

Ümumi nisbilik hazırda müşahidələrlə yaxşı dəstəklənən ən uğurlu cazibə nəzəriyyəsidir. Ümumi nisbi nəzəriyyənin ilk uğuru Merkurinin perihelionunun anomal presessiyasını izah etmək oldu. Sonra, 1919-cu ildə Artur Eddinqton tam tutulma zamanı Günəşə yaxın işığın əyilməsini müşahidə etdiyini bildirdi və bu, ümumi nisbi nəzəriyyənin proqnozlarını təsdiq etdi.

O vaxtdan bəri bir çox digər müşahidələr və təcrübələr nəzəriyyənin proqnozlarının əhəmiyyətli bir hissəsini, o cümlədən qravitasiya vaxtının genişlənməsini, qravitasiyanın qırmızı yerdəyişməsini, qravitasiya sahəsində siqnal gecikməsini və indiyə qədər yalnız dolayı yolla qravitasiya şüalarını təsdiqlədi. Bundan əlavə, çoxsaylı müşahidələr ümumi nisbi nəzəriyyənin ən sirli və ekzotik proqnozlarından birinin - qara dəliklərin mövcudluğunun təsdiqi kimi şərh olunur.

Ümumi nisbi nəzəriyyənin böyük uğuruna baxmayaraq, elmi ictimaiyyətdə narahatçılıq var ki, qara dəliklər və ümumən məkan-zaman təklikləri nəzərə alınarkən aradan qaldırıla bilməyən riyazi fərqliliklərin meydana çıxması səbəbindən kvant nəzəriyyəsinin klassik həddi kimi yenidən formalaşdırıla bilməz. Bu problemi həll etmək üçün bir sıra alternativ nəzəriyyələr təklif edilmişdir. Mövcud eksperimental sübutlar göstərir ki, ümumi nisbilik nəzəriyyəsindən hər hansı bir sapma, əgər ümumiyyətlə varsa, çox kiçik olmalıdır.

Ümumi nisbi nəzəriyyənin əsas prinsipləri

Nyutonun cazibə nəzəriyyəsi uzun mənzilli qüvvə olan cazibə anlayışına əsaslanır: o, istənilən məsafədə dərhal hərəkət edir. Hərəkətin bu ani xarakter daşıması müasir fizikanın sahə paradiqması ilə və xüsusən də 1905-ci ildə Eynşteyn tərəfindən Puankare və Lorentsin əsərlərindən ilhamlanaraq yaradılmış xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi ilə bir araya sığmır. Eynşteynin nəzəriyyəsində heç bir məlumat vakuumda işığın sürətindən daha sürətli yayıla bilməz.

Riyazi olaraq Nyutonun cazibə qüvvəsi qravitasiya sahəsindəki cismin potensial enerjisindən alınır. Bu potensial enerjiyə uyğun olan qravitasiya potensialı Lorentz çevrilmələrində invariant olmayan Puasson tənliyinə tabedir. Qeyri-invariantlığın səbəbi odur ki, xüsusi nisbilik nəzəriyyəsindəki enerji skalyar kəmiyyət deyil, 4-vektorun zaman komponentinə daxil olur. Cazibə qüvvəsinin vektor nəzəriyyəsi Maksvellin elektromaqnit sahəsi nəzəriyyəsinə bənzəyir və qravitasiya dalğalarının mənfi enerjisinə gətirib çıxarır ki, bu da qarşılıqlı təsirin təbiəti ilə bağlıdır: cazibə qüvvəsindəki yüklər (kütlələr) kimi çəkilir, dəf edilmir. elektromaqnetizmdə. Beləliklə, Nyutonun cazibə nəzəriyyəsi xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinin fundamental prinsipi ilə - hər hansı inertial istinad sistemində təbiət qanunlarının dəyişməzliyi və ilk dəfə 1905-ci ildə Puankare tərəfindən öz elmi əsərində təklif edilmiş Nyuton nəzəriyyəsinin birbaşa vektor ümumiləşdirilməsi ilə bir araya sığmır. "Elektronun dinamikası haqqında" iş fiziki cəhətdən qeyri-qənaətbəxş nəticələrə gətirib çıxarır.

Eynşteyn təbiət qanunlarının istənilən istinad çərçivəsi ilə bağlı dəyişməzliyi prinsipinə uyğun gələn cazibə nəzəriyyəsini axtarmağa başladı. Bu axtarışın nəticəsi qravitasiya və ətalət kütləsinin eyniliyi prinsipinə əsaslanan ümumi nisbilik nəzəriyyəsi oldu.

Qravitasiya və ətalət kütlələrinin bərabərliyi prinsipi

Klassik Nyuton mexanikasında kütlənin iki anlayışı var: birincisi Nyutonun ikinci qanununa, ikincisi isə ümumdünya cazibə qanununa aiddir. Birinci kütlə - ətalət (və ya ətalət) - cismə təsir edən qeyri-cazibə qüvvəsinin onun sürətlənməsinə nisbətidir. İkinci kütlə - qravitasiya (və ya bəzən ağır deyildiyi kimi) - bədənin digər cisimlər tərəfindən cazibə qüvvəsini və öz cazibə qüvvəsini təyin edir. Ümumiyyətlə, bu iki kütlə təsvirdən də göründüyü kimi, müxtəlif təcrübələrdə ölçülür, ona görə də onlar bir-birinə ümumiyyətlə mütənasib olmaq məcburiyyətində deyillər. Onların ciddi mütənasibliyi həm qeyri-qravitasiya, həm də qravitasiya qarşılıqlı təsirlərində vahid bədən kütləsindən danışmağa imkan verir. Vahidlərin uyğun seçimi ilə bu kütlələri bir-birinə bərabərləşdirmək olar. Prinsip özü İsaak Nyuton tərəfindən irəli sürülmüş və kütlələrin bərabərliyi onun tərəfindən 10?3 nisbi dəqiqliklə eksperimental olaraq təsdiq edilmişdir. 19-cu əsrin sonunda Eötvös daha incə təcrübələr apararaq, prinsipin yoxlanılmasının dəqiqliyini 10?9-a çatdırdı. 20-ci əsrdə eksperimental üsullar kütlələrin bərabərliyini 10x12-10x13 nisbi dəqiqliklə təsdiqləməyə imkan verdi (Braginsky, Dicke və s.). Bəzən qravitasiya və ətalət kütlələrinin bərabərliyi prinsipinə zəif ekvivalentlik prinsipi deyilir. Albert Eynşteyn bunu ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin əsasına qoydu.

Geodeziya xətləri üzrə hərəkət prinsipi

Əgər qravitasiya kütləsi inertial kütləyə tam bərabərdirsə, onda yalnız cazibə qüvvələrinin hərəkət etdiyi cismin sürətlənməsi ifadəsində hər iki kütlə azalır. Buna görə də bədənin sürətlənməsi və deməli, onun trayektoriyası bədənin kütləsindən və daxili quruluşundan asılı deyildir. Əgər fəzada eyni nöqtədə olan bütün cisimlər eyni sürətlənmə alırsa, onda bu sürətlənmə cisimlərin xassələri ilə deyil, bu nöqtədə fəzanın özünün xüsusiyyətləri ilə əlaqələndirilə bilər.

Beləliklə, cisimlər arasında qravitasiya qarşılıqlı təsirinin təsviri cisimlərin hərəkət etdiyi məkan-zamanın təsvirinə endirilə bilər. Eynşteynin etdiyi kimi, cisimlərin ətalətlə, yəni öz istinad sistemindəki sürətlənmələrinin sıfıra bərabər olduğu şəkildə hərəkət etdiyini fərz etmək təbiidir. Sonra cisimlərin trayektoriyaları geodeziya xətləri olacaq, nəzəriyyəsi hələ 19-cu əsrdə riyaziyyatçılar tərəfindən işlənib hazırlanmışdır.

Geodeziya xətlərinin özlərini məkan zamanında ənənəvi olaraq interval və ya dünya funksiyası adlanan iki hadisə arasındakı məsafənin analoqunu təyin etməklə tapmaq olar. Üçölçülü fəzada və birölçülü zamanda (başqa sözlə, dördölçülü fəza-zamanda) interval metrik tensorun 10 müstəqil komponenti ilə verilir. Bu 10 ədəd kosmik metrikanı təşkil edir. O, müxtəlif istiqamətlərdə kosmos-zamanın iki sonsuz yaxın nöqtəsi arasındakı "məsafəni" müəyyən edir. Sürəti işıq sürətindən az olan fiziki cisimlərin dünya xətlərinə uyğun gələn geodeziya xətləri ən böyük uyğun zamanın xətləri olur, yəni bu trayektoriyanı izləyən bədənə bərk bərkidilmiş saatla ölçülən vaxtdır. Müasir təcrübələr cisimlərin geodeziya xətləri üzrə hərəkətini qravitasiya və ətalət kütlələrinin bərabərliyi ilə eyni dəqiqliklə təsdiq edir.

Məkan-zamanın əyriliyi

Əgər iki cisim bir-birinə paralel olan iki yaxın nöqtədən buraxılarsa, onda qravitasiya sahəsində onlar tədricən ya yaxınlaşacaqlar, ya da bir-birindən uzaqlaşacaqlar. Bu təsirə geodeziya xətlərinin kənarlaşması deyilir. Bənzər bir təsir, mərkəzdə kütləvi bir cismin yerləşdirildiyi bir rezin membran üzərində bir-birinə paralel olaraq iki top atıldığı təqdirdə birbaşa müşahidə edilə bilər. Toplar dağılacaq: membranı itələyən obyektə daha yaxın olan, daha uzaqdakı topa nisbətən mərkəzə daha güclü meyl edəcəkdir. Bu uyğunsuzluq (sapma) membranın əyriliyi ilə əlaqədardır. Eynilə, məkan-zamanda geodeziyanın sapması (cisimlərin trayektoriyalarının fərqliliyi) onun əyriliyi ilə əlaqələndirilir. Kosmos-zamanın əyriliyi onun metrik - metrik tensoru ilə unikal şəkildə müəyyən edilir. Ümumi nisbilik nəzəriyyəsi ilə alternativ cazibə nəzəriyyələri arasındakı fərq əksər hallarda materiya (qravitasiya sahəsi yaradan qeyri-qravitasiya təbiətli cisimlər və sahələr) ilə məkan-zamanın metrik xassələri arasındakı əlaqə yolu ilə müəyyən edilir. .

Məkan-zaman GR və güclü ekvivalentlik prinsipi

Çox vaxt səhv hesab olunur ki, ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin əsasını qravitasiya və ətalət sahələrinin ekvivalentliyi prinsipi təşkil edir və onu aşağıdakı kimi formalaşdırmaq olar:
Qravitasiya sahəsində yerləşən kifayət qədər kiçik yerli fiziki sistem, xüsusi nisbiliyin düz fəza-zamanına batırılmış sürətlənmiş (inertial istinad çərçivəsinə nisbətən) istinad sistemində yerləşən eyni sistemdən davranış baxımından fərqlənmir.

Bəzən eyni prinsip “xüsusi nisbiliyin yerli etibarlılığı” kimi qəbul edilir və ya “güclü ekvivalentlik prinsipi” adlanır.

Tarixən bu prinsip həqiqətən də ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin inkişafında böyük rol oynayıb və onun inkişafında Eynşteyn tərəfindən istifadə olunub. Bununla belə, nəzəriyyənin ən son formasında, əslində, o, ehtiva olunmur, çünki xüsusi nisbilik nəzəriyyəsində həm sürətlənmiş, həm də ilkin istinad çərçivəsində məkan-zaman əyri - düz və ümumi nisbilik nəzəriyyəsi hər hansı bir cisim tərəfindən əyilir və məhz onun əyriliyi cisimlərin qravitasiya cazibəsinə səbəb olur.

Qeyd etmək vacibdir ki, ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin məkan-zamanı ilə xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinin məkan-zamanı arasındakı əsas fərq onun əyriliyidir ki, bu da tenzor kəmiyyəti - əyrilik tenzoru ilə ifadə olunur. Xüsusi nisbiliyin məkan-zamanında bu tensor eyni şəkildə sıfıra bərabərdir və məkan-zaman düzdür.

Bu səbəbdən “ümumi nisbilik” adı tamamilə doğru deyil. Bu nəzəriyyə hal-hazırda fiziklər tərəfindən nəzərdən keçirilən bir sıra cazibə nəzəriyyələrindən yalnız biridir, halbuki xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi (daha doğrusu, onun məkan-zaman metrikliyi prinsipi) elmi ictimaiyyət tərəfindən ümumən qəbul edilir və təməlin təməl daşını təşkil edir. müasir fizikanın. Bununla belə, qeyd etmək lazımdır ki, ümumi nisbilikdən başqa inkişaf etmiş cazibə nəzəriyyələrinin heç biri zaman və təcrübə sınağından çıxmayıb.

Ümumi Nisbiliyin Əsas Nəticələri

Uyğunluq prinsipinə əsasən, zəif cazibə sahələrində ümumi nisbiliyin proqnozları sahənin gücü artdıqca artan kiçik korreksiyalarla Nyutonun universal cazibə qanununun tətbiqinin nəticələri ilə üst-üstə düşür.

Ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin ilk proqnozlaşdırılan və təsdiqlənmiş eksperimental nəticələri, ilk yoxlamanın xronoloji ardıcıllığı ilə aşağıda sadalanan üç klassik effekt idi:
1. Nyuton mexanikasının proqnozları ilə müqayisədə Merkuri orbitinin perihelionunun əlavə yerdəyişməsi.
2. Günəşin qravitasiya sahəsində işıq şüasının sapması.
3. Qravitasiyanın qırmızı yerdəyişməsi və ya qravitasiya sahəsində zamanın genişlənməsi.

Eksperimental olaraq yoxlanıla bilən bir sıra digər təsirlər də var. Onların arasında Günəşin və Yupiterin cazibə sahəsində elektromaqnit dalğalarının sapmasını və gecikməsini (Şapiro effekti), Lens-Thirring effektini (fırlanan cismin yanında giroskopun presessiyasını), qara rəngin varlığına dair astrofiziki sübutları qeyd edə bilərik. dəliklər, ikili ulduzların yaxın sistemləri tərəfindən qravitasiya dalğalarının emissiyası və Kainatın genişlənməsi üçün sübutlar.

İndiyə qədər ümumi nisbiliyi təkzib edən etibarlı eksperimental dəlil tapılmamışdır. Təsirlərin ölçülən dəyərlərinin ümumi nisbilik tərəfindən proqnozlaşdırılanlardan sapması 0,1% -dən çox deyil (yuxarıda göstərilən üç klassik hadisə üçün). Buna baxmayaraq, müxtəlif səbəblərə görə nəzəriyyəçilər ən azı 30 alternativ cazibə nəzəriyyəsi hazırlamışlar və onlardan bəziləri nəzəriyyəyə daxil olan parametrlərin uyğun qiymətləri üçün ümumi nisbiliyə yaxın nəticələr əldə etməyə imkan verir.

100 r ilk sifariş bonusu

İşin növünü seçin Buraxılış işi Semestr işi Referat Magistrlik dissertasiyası Təcrübə üzrə hesabat Məqalə Hesabatı İcmal Test işi Monoqrafiya Problemin həlli Biznes plan Sualların cavabları Yaradıcı iş İnşa Rəsm Kompozisiyaları Tərcümə Təqdimatlar Mətbəx Digər Mətnin unikallığının artırılması Namizədlik dissertasiyası Laboratoriya işi üzrə köməklik- xətt

Qiymət soruşun

Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi 20-ci əsrin əvvəllərində G. A. Lorentz, A. Puankare və A. Eynşteynin səyləri ilə işlənib hazırlanmışdır.

Eynşteynin postulatları

SRT tamamilə fiziki ciddilik səviyyəsində iki postulatdan (fərziyyədən) əldə edilir:

Eynşteynin nisbilik prinsipi etibarlıdır, Qalileonun nisbilik prinsipinin uzantısıdır.

İşığın sürəti bütün inertial istinad sistemlərində mənbəyin sürətindən asılı deyil.

SRT postulatlarının eksperimental yoxlanılması müəyyən dərəcədə fəlsəfi xarakterli problemlərə mane olur: fiziki məzmunundan asılı olmayaraq hər hansı bir nəzəriyyənin tənliklərini invariant formada yazmaq imkanı və "uzunluq" anlayışlarının şərhinin mürəkkəbliyi. , relativistik effektlər şəraitində "zaman" və "inertial istinad sistemi".

SRT-nin mahiyyəti

SRT-nin postulatlarının nəticələri relativistik olmayan, “klassik” hərəkət üçün Qaliley çevrilmələrini əvəz edən Lorentz çevrilmələridir. Bu çevrilmələr müxtəlif inertial istinad sistemlərindən müşahidə edilən eyni hadisələrin koordinatlarını və vaxtlarını əlaqələndirir.

Məhz onlar zamanın keçməsini ləngitmək və sürətlə hərəkət edən cisimlərin uzunluğunu qısaltmaq, cismin məhdudlaşdırıcı sürətinin mövcudluğu (bu işıq sürətidir), eyni vaxtdalıq anlayışının nisbiliyi kimi məşhur effektləri təsvir edir. (bir istinad çərçivəsindəki saatlara görə eyni vaxtda iki hadisə baş verir, lakin digər istinad sistemində saatlara görə fərqli vaxt nöqtələrində).

Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi çoxsaylı eksperimental təsdiqlər almışdır və şübhəsiz ki, tətbiq olunma sahəsində düzgün nəzəriyyədir. Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi bütün Kainatın miqyasında, eləcə də daha ümumi nəzəriyyə ilə - ümumi nisbilik nəzəriyyəsi ilə əvəz olunduğu güclü qravitasiya sahələri hallarında fəaliyyətini dayandırır. Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi mikrokosmosda da tətbiq olunur, onun kvant mexanikası ilə sintezi kvant sahə nəzəriyyəsidir.

Şərhlər

Kvant mexanikasında olduğu kimi, nisbilik nəzəriyyəsinin bir çox proqnozları əks-intuitivdir, inanılmaz və qeyri-mümkün görünür. Ancaq bu, nisbilik nəzəriyyəsinin səhv olduğu anlamına gəlmir. Əslində, ətrafımızdakı dünyanı necə gördüyümüz (və ya görmək istədiyimiz) və əslində necə olduğu çox fərqli ola bilər. Bir əsrdən çoxdur ki, dünya alimləri SRT-ni təkzib etməyə çalışırlar. Bu cəhdlərin heç biri nəzəriyyədə ən kiçik bir qüsur tapa bilmədi. Nəzəriyyənin riyazi cəhətdən düzgün olması faktı bütün formulaların ciddi riyazi forması və aydınlığı ilə sübut olunur. SRT-nin həqiqətən də dünyamızı təsvir etməsi böyük eksperimental təcrübə ilə sübut olunur. Bu nəzəriyyənin bir çox nəticələri praktikada istifadə olunur. Aydındır ki, “SRT-ni təkzib etmək” üçün bütün cəhdlər uğursuzluğa məhkumdur, çünki nəzəriyyənin özü Qalileonun üç postulatına (bir qədər genişlənmişdir) əsaslanır və bunun əsasında Nyuton mexanikasına, eləcə də əlavə postulata əsaslanır. bütün istinad çərçivələrində işığın sürətinin sabitliyi. Dördü müasir ölçmələrin maksimum dəqiqliyi daxilində heç bir şübhə yaratmır: 10-dan daha yaxşı - 12, bəzi aspektlərdə - 10 - 15-ə qədər. Üstəlik, onların yoxlanılmasının dəqiqliyi o qədər yüksəkdir ki, işıq sürətinin sabitliyi sayğacın - uzunluq vahidlərinin tərifi əsasında qoyulur, bunun nəticəsində ölçmələr metroloji tələblərə uyğun aparılarsa, işığın sürəti avtomatik olaraq sabit olur.

SRT qeyri-qravitasiya fiziki hadisələri çox yüksək dəqiqliklə təsvir edir. Lakin bu, onun aydınlaşdırılması və əlavə edilməsi imkanlarını istisna etmir. Məsələn, ümumi nisbilik nəzəriyyəsi qravitasiya hadisələrini nəzərə alan SRT-nin təkmilləşdirilməsidir. Kvant nəzəriyyəsinin inkişafı hələ də davam edir və bir çox fiziklər inanırlar ki, gələcək tam nəzəriyyə fiziki məna daşıyan bütün suallara cavab verəcək və həm SRT-ni kvant sahə nəzəriyyəsi ilə birlikdə, həm də sərhədlər daxilində ümumi nisbilik verəcəkdir. Çox güman ki, SRT Nyuton mexanikası ilə eyni aqibətlə üzləşəcək - onun tətbiq olunma sərhədləri dəqiq göstəriləcək. Eyni zamanda, belə bir maksimal ümumi nəzəriyyə hələ çox uzaq perspektivdir və heç də bütün elm adamları onun qurulmasının hətta mümkün olduğuna inanmırlar.

Ümumi nisbilik nəzəriyyəsi

Ümumi nisbilik hal-hazırda (2007) ən uğurlu qravitasiya nəzəriyyəsidir və müşahidələrlə yaxşı təsdiqlənir. Ümumi nisbi nəzəriyyənin ilk uğuru Merkurinin perihelionunun anomal presessiyasını izah etmək oldu. Daha sonra 1919-cu ildə Artur Eddinqton tam tutulma zamanı Günəşin yaxınlığında işığın əyilməsini müşahidə etdiyini bildirdi ki, bu da ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin proqnozlarını təsdiqlədi.Bundan əlavə, çoxsaylı müşahidələr ümumi nisbi nəzəriyyənin ən sirli və ekzotik proqnozlarından birini təsdiqləyən kimi şərh olunur - qara dəliklərin mövcudluğu.

Qravitasiya və ətalət kütlələrinin bərabərliyi prinsipi

Klassik Nyuton mexanikasında kütlənin iki anlayışı var: birincisi Nyutonun ikinci qanununa, ikincisi isə ümumdünya cazibə qanununa aiddir. Birinci kütlə - ətalət (və ya ətalət) - nisbətdir qeyri-qravitasiya onu sürətləndirmək üçün bədənə təsir edən qüvvə. İkinci kütlə qravitasiyadır (və ya bəzən adlandırıldığı kimi, ağır) - cismin başqa cisimlər tərəfindən cazibə qüvvəsini və öz cazibə qüvvəsini təyin edir. Ümumiyyətlə, bu iki kütlə təsvirdən də göründüyü kimi, müxtəlif təcrübələrdə ölçülür, ona görə də onlar bir-birinə ümumiyyətlə mütənasib olmaq məcburiyyətində deyillər. Onların ciddi mütənasibliyi həm qeyri-qravitasiya, həm də qravitasiya qarşılıqlı təsirlərində vahid bədən kütləsindən danışmağa imkan verir. Vahidlərin uyğun seçimi ilə bu kütlələri bir-birinə bərabərləşdirmək olar.

Geodeziya xətləri üzrə hərəkət prinsipi

Müasir təcrübələr cisimlərin geodeziya xətləri üzrə hərəkətini qravitasiya və ətalət kütlələrinin bərabərliyi ilə eyni dəqiqliklə təsdiq edir.

Məkan-zamanın əyriliyi

Ümumi Nisbiliyin Əsas Nəticələri

Nyuton mexanikasının proqnozları ilə müqayisədə Merkuri orbitinin perihelionunda əlavə sürüşmə.
Günəşin qravitasiya sahəsində işıq şüasının əyilməsi.
Qravitasiyanın qırmızı yerdəyişməsi və ya qravitasiya sahəsində zamanın genişlənməsi.

Ümumi nisbilik artıq bütün istinad çərçivələrinə tətbiq olunur (yalnız bir-birinə nisbətən sabit sürətlə hərəkət edənlərə deyil) və riyazi olaraq xüsusi ilə müqayisədə daha mürəkkəb görünür (bu, onların nəşri arasındakı on bir illik boşluğu izah edir). O, xüsusi hal kimi xüsusi nisbilik nəzəriyyəsini (və deməli Nyuton qanunlarını) ehtiva edir. Eyni zamanda, ümumi nisbilik nəzəriyyəsi bütün sələflərindən xeyli irəli gedir. Xüsusilə, cazibə qüvvəsinin yeni bir şərhini verir.

Ümumi nisbilik nəzəriyyəsi dünyanı dördölçülü edir: zaman üç məkan ölçüsünə əlavə olunur. Dörd ölçünün hamısı bir-birindən ayrılmazdır, ona görə də biz artıq üçölçülü dünyada olduğu kimi iki obyekt arasındakı məkan məsafəsindən deyil, onların bir-birindən məsafəsini birləşdirən hadisələr arasındakı məkan-zaman intervallarından danışırıq - hər ikisi zaman və məkanda. Yəni məkan və zaman dördölçülü məkan-zaman kontinuumu və ya sadəcə olaraq məkan-zaman kimi qəbul edilir. Bu kontinuumda bir-birinə nisbətən hərəkət edən müşahidəçilər hətta iki hadisənin eyni vaxtda baş verib-vermədiyi və ya birinin digərindən əvvəl olub-olmaması ilə bağlı fikir ayrılığına düşə bilərlər. Xoşbəxtlikdən bizim kasıb zehnimiz üçün səbəb-nəticə əlaqələrinin pozulmasına gəlmir - yəni iki hadisənin eyni vaxtda və fərqli ardıcıllıqla baş vermədiyi koordinat sistemlərinin mövcudluğu, hətta ümumi nisbilik nəzəriyyəsi belə imkan vermir.

Klassik fizika cazibə qüvvəsini bir çox təbii qüvvələr (elektrik, maqnit və s.) arasında adi qüvvə hesab edirdi. Cazibə qüvvəsi "uzun məsafəli hərəkət" ("boşluqdan keçmə") və müxtəlif kütlələrin cisimlərinə bərabər sürətlənmə vermək üçün heyrətamiz bir qabiliyyət təyin edildi.

Nyutonun ümumdünya cazibə qanunu bizə deyir ki, kainatdakı hər hansı iki cisim arasında qarşılıqlı cazibə qüvvəsi var. Bu baxımdan Yer Günəşin ətrafında fırlanır, çünki onların arasında qarşılıqlı cazibə qüvvələri mövcuddur.

Ümumi nisbilik isə bizi bu fenomenə başqa cür baxmağa məcbur edir. Bu nəzəriyyəyə görə, cazibə qüvvəsi kütlənin təsiri altında məkan-zamanın elastik toxumasının deformasiyasının (“əyrilik”) nəticəsidir (bu halda cisim nə qədər ağırdır, məsələn Günəş, məkan-zaman bir o qədər çox olur. altında "əyilir" və müvafiq olaraq onun cazibə sahəsi daha güclüdür). Kütləvi bir topun yerləşdirildiyi sıx şəkildə uzanmış bir kətanı (bir növ trambolin) təsəvvür edin. Topun ağırlığı altında kətan deformasiyaya uğrayır və onun ətrafında huni formalı depressiya əmələ gəlir. Ümumi nisbilik nəzəriyyəsinə görə, Yer Günəşin ətrafında ağır bir topun - Günəşin kosmos-zamanı "zərb etməsi" nəticəsində yaranan huninin konusu ətrafında yuvarlanan kiçik bir kürə kimi fırlanır. Bizə cazibə qüvvəsi kimi görünən isə, əslində, zaman-məkan əyriliyinin sırf zahiri təzahürüdür və Nyuton mənasında heç də qüvvə deyil. Bu günə qədər cazibə qüvvəsinin təbiəti haqqında ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin bizə verdiyindən daha yaxşı izahat tapılmamışdır.

Birincisi, müxtəlif kütləli cisimlər üçün sərbəst düşmə sürətlərinin bərabərliyi müzakirə olunur (kütləvi açar və yüngül kibrit masadan yerə bərabər sürətlə düşür). Eynşteynin qeyd etdiyi kimi, bu unikal xüsusiyyət cazibə qüvvəsini ətalətə çox bənzədir.

Əslində açar və kibrit özlərini elə aparırlar ki, sanki çəkisizlikdə ətalətlə hərəkət edir, otağın döşəməsi isə sürətlənmə ilə onlara doğru irəliləyirdi. Açar və matça çatdıqdan sonra döşəmə onların təsirini, sonra təzyiqini yaşayacaq, çünki. açarın və matçın ətaləti döşəmənin daha da sürətlənməsinə təsir göstərəcəkdi.

Bu təzyiqə (kosmonavtlar deyirlər - "aşırı yükləmə") ətalət qüvvəsi adlanır. Oxşar qüvvə həmişə sürətlənmiş istinad sistemlərində olan cisimlərə tətbiq edilir.

Əgər raket yer səthində sərbəst düşmə sürətinə (9,81 m/s) bərabər sürətlənmə ilə uçarsa, onda ətalət qüvvəsi açarın və kibritin çəkisi rolunu oynayacaqdır. Onların "süni" cazibə qüvvəsi Yerin səthindəki təbii cazibə ilə tamamilə eyni olacaq. Bu o deməkdir ki, istinad çərçivəsinin sürətlənməsi cazibə qüvvəsinə olduqca oxşar bir hadisədir.

Əksinə, sərbəst düşən liftdə, təbii cazibə kabin istinad sisteminin sürətlənmiş hərəkəti ilə açarı və kibriti "qovaraq" aradan qaldırılır. Təbii ki, klassik fizika bu misallarda cazibə qüvvəsinin həqiqi yaranması və yox olmasını görmür. Cazibə qüvvəsi yalnız sürətlənmə ilə təqlid edilir və ya kompensasiya olunur. Lakin ümumi nisbilikdə ətalət və cazibə qüvvəsi arasındakı oxşarlığın daha dərin olduğu qəbul edilir.

Eynşteyn ətalət və cazibə qüvvəsinin ekvivalentliyinin yerli prinsipini irəli sürərək bildirirdi ki, kifayət qədər kiçik məsafələr və müddətlər miqyasında bir hadisəni heç bir təcrübə ilə digərindən ayırmaq olmaz. Beləliklə, ümumi nisbilik dünya haqqında elmi anlayışı daha da dərindən dəyişdi. Nyuton dinamikasının birinci qanunu öz universallığını itirdi - məlum oldu ki, ətalətlə hərəkət əyri və sürətlənmiş ola bilər. Ağır kütlə anlayışına ehtiyac ortadan qalxdı. Kainatın həndəsəsi dəyişdi: birbaşa Evklid məkanı və vahid zaman əvəzinə əyri məkan-zaman, əyri dünya meydana gəldi. Elm tarixi heç vaxt kainatın fiziki fundamental prinsiplərinə baxışların belə kəskin şəkildə yenidən qurulmasını bilməmişdir.

Ümumi nisbilik nəzəriyyəsini sınaqdan keçirmək çətindir, çünki normal laboratoriya şəraitində onun nəticələri Nyutonun ümumdünya cazibə qanununun proqnozlaşdırdığı nəticələrlə demək olar ki, eynidir. Buna baxmayaraq, bir neçə mühüm təcrübə aparıldı və onların nəticələri nəzəriyyəni təsdiqlənmiş hesab etməyə imkan verir. Bundan əlavə, ümumi nisbilik kosmosda müşahidə etdiyimiz hadisələri izah etməyə kömək edir, bir nümunə günəşin yaxınlığından keçən işıq şüasıdır. İstər Nyuton mexanikası, istərsə də ümumi nisbi nəzəriyyə onun Günəşə (payız) tərəf yayınmalı olduğunu qəbul edir. Bununla belə, ümumi nisbilik şüanın iki dəfə yerdəyişməsini proqnozlaşdırır. Günəş tutulması zamanı müşahidələr Eynşteynin proqnozunun doğruluğunu sübut etdi. Başqa bir misal. Günəşə ən yaxın olan Merkuri planeti klassik Nyuton mexanikası baxımından izah olunmayan stasionar orbitdən kiçik sapmalara malikdir. Ancaq belə bir orbit GR düsturları ilə hesablama ilə verilir. Güclü cazibə sahəsində vaxtın yavaşlaması ağ cırtdanların - çox yüksək sıxlıqlı ulduzların şüalanmasında işıq salınımlarının tezliyinin azalması ilə izah olunur. Və son illərdə bu təsir laboratoriya şəraitində qeydə alınıb. Nəhayət, bütün kainatın quruluşu və tarixi haqqında elm olan müasir kosmologiyada ümumi nisbi nəzəriyyənin rolu çox mühümdür. Eynşteynin cazibə nəzəriyyəsinin çoxlu sübutları bu bilik sahəsində də tapılıb. Əslində, ümumi nisbi nəzəriyyə ilə proqnozlaşdırılan nəticələr Nyuton qanunları ilə proqnozlaşdırılan nəticələrdən yalnız super güclü cazibə sahələrinin mövcudluğunda nəzərəçarpacaq dərəcədə fərqlənir. Bu o deməkdir ki, ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin tam sınaqdan keçirilməsi üçün ya çox böyük cisimlərin ultra dəqiq ölçülməsi, ya da bizim adi intuitiv ideyalarımızın heç biri tətbiq olunmayan qara dəliklər tələb olunur. Beləliklə, nisbilik nəzəriyyəsinin sınaqdan keçirilməsi üçün yeni eksperimental üsulların işlənib hazırlanması eksperimental fizikanın ən mühüm vəzifələrindən biri olaraq qalır.

Nisbilik nəzəriyyəsi istənilən fiziki proseslər üçün etibarlı olan məkan-zaman qanunauyğunluqlarını nəzərə alan fiziki nəzəriyyədir. Kosmos-zamanın ən ümumi nəzəriyyəsi ümumi nisbilik nəzəriyyəsi (GR) və ya cazibə nəzəriyyəsi adlanır. Şəxsi (və ya xüsusi) nisbilik nəzəriyyəsində (SRT) yer-zamanın cazibə qüvvəsinin təsirini laqeyd edə biləcəyi dəqiqliklə etibarlı olan xüsusiyyətləri öyrənilir. (Fiziki ensiklopedik lüğət, 1995)

Zaman və Kütlə İşıq sürətinə yaxınlaşan cisim öz hərəkət oxu boyunca büzülür

Atom parçalanması Yeni atomların atom kütləsi və əmələ gələn hərəkət enerjisinin miqdarı ilkin atomun kütləsinə bərabərdir.

19-cu əsrin sonlarında Nyutonun kəşf etdiyi hərəkət və cazibə qanunları hesablamalar üçün geniş şəkildə istifadə edildi və getdikcə daha çox eksperimental sübutlar tapdı. Bu sahədə inqilabdan xəbər verən heç nə görünmürdü. Bununla belə, məsələ artıq təkcə mexanika ilə məhdudlaşmırdı: elektrik və maqnetizm sahəsində bir çox alimin eksperimental fəaliyyəti nəticəsində Maksvell tənlikləri meydana çıxdı. Fizika qanunları ilə bağlı problemlər buradan başladı. Maksvell tənlikləri elektrik, maqnetizm və işığı birləşdirir. Onlardan belə nəticə çıxır ki, elektromaqnit dalğalarının, o cümlədən işıq dalğalarının sürəti emitentin hərəkətindən asılı deyil və vakuumda təxminən 300 min km/s-ə bərabərdir. Bu heç bir şəkildə Nyuton və Qalileonun mexanikasına uyğun gəlmir. Tutaq ki, bir şar Yerə nisbətən 100.000 km/s sürətlə uçur. Sürəti 300 min km/s olan yüngül güllə ilə yüngül silahdan irəli atəş edək. Sonra Qalileonun düsturlarına görə sürətləri sadəcə toplamaq lazımdır ki, bu da güllənin Yerə nisbətən 400 min km/s sürətlə uçması deməkdir. İşıq sürətinin sabitliyi əldə edilmir!

Emitent hərəkət edərkən işığın sürətindəki dəyişikliyi aşkar etmək üçün çox səy göstərildi, lakin dahiyanə təcrübələrin heç biri müvəffəq olmadı. Onlardan ən dəqiqi olan Mişelson-Morli təcrübəsi belə mənfi nəticə verdi. Beləliklə, Maksvell tənliklərində nəsə səhvdir? Lakin onlar bütün elektrik və maqnit hadisələrini mükəmməl təsvir edirlər. Və sonra Henri Puankare təklif etdi ki, məsələ hələ tənliklərdə deyil, nisbilik prinsipindədir: bütün fiziki qanunlar, Nyutonun qanunları kimi təkcə mexaniki deyil, həm də elektrik qanunları, bir-birinə nisbətən bərabər hərəkət edən sistemlərdə eyni olmalıdır. düzxətli. 1904-cü ildə danimarkalı Hendrik Anton Lorentz, xüsusilə Maksvell tənlikləri üçün, hərəkət edən sistemin koordinatlarını stasionar və əksinə yenidən hesablamaq üçün yeni düsturlar əldə etdi. Ancaq bu, yalnız qismən kömək etdi: məlum oldu ki, Nyuton qanunları üçün bəzi çevrilmələrdən, Maksvell tənlikləri üçün isə başqalarından istifadə etmək lazımdır. Sual açıq qaldı.

Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi

Lorentsin təklif etdiyi dəyişikliklərin iki mühüm təsiri var idi. Məlum oldu ki, bir sistemdən digərinə keçid zamanı təkcə koordinatları deyil, həm də vaxtı transformasiyalara məruz qoymaq lazımdır. Bundan əlavə, Lorentz düsturlarına görə hesablanan hərəkət edən cismin ölçüsü dəyişdi - hərəkət istiqaməti boyunca kiçik oldu! Buna görə də, işıq sürətini aşan sürətlər bütün fiziki mənasını itirdi, çünki bu vəziyyətdə cisimlər sıfır ölçülərə qədər sıxıldı. Lorentsin özü də daxil olmaqla, bir çox fiziklər bu nəticələri sadəcə riyazi hadisə hesab edirdilər. Eynşteyn hakimiyyəti ələ alana qədər.

Nisbilik prinsipini Puankare, işıq sürətinin sabitliyini Maksvell çıxarıb, koordinatları çevirmək qaydalarını isə Lorentz icad edibsə, niyə nisbilik nəzəriyyəsi Eynşteynin adını daşıyır? Əvvəla, deyək ki, indiyə qədər danışdığımız hər şey yalnız “xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi” (SRT) deyilən nəzəriyyəyə aiddir. Məşhur inancın əksinə olaraq, Eynşteynin bu nəzəriyyəyə töhfəsi nəticələrin sadə ümumiləşdirilməsi ilə məhdudlaşmır. Birincisi, o, bütün tənlikləri cəmi iki postulata - nisbilik prinsipinə və işıq sürətinin sabitliyi prinsipinə əsaslanaraq əldə edə bildi. İkincisi, o anladı ki, Nyuton qanununa hansı düzəliş edilməlidir ki, o, dünyanın yeni mənzərəsindən kənara çıxmasın və Lorentsin transformasiyaları zamanı dəyişməsin. Bunun üçün klassik mexanikanın əvvəllər sarsılmaz iki əsasını - zamanın mütləqliyini və bədən kütləsinin sabitliyini tənqidi yanaşmaq lazım idi.

Mütləq heç nə

Nyuton mexanikasında ulduz vaxtı lal olaraq mütləq zamanla eyniləşdirilirdi və Eynşteynin nəzəriyyəsində hər istinad çərçivəsi özünəməxsus “yerli” vaxta uyğun gəlir və bütün Kainat üçün vaxtı ölçəcək saatlar yoxdur. Lakin zamanın nisbiliyi ilə bağlı nəticələr elektrodinamika ilə klassik mexanika arasındakı ziddiyyətləri aradan qaldırmaq üçün kifayət etmədi. Bu problem başqa bir klassik qala yıxıldıqda həll edildi - kütlənin sabitliyi. Eynşteyn Nyutonun qüvvənin sürətə mütənasibliyi ilə bağlı əsas qanununa dəyişikliklər etdi və işıq sürətinə yaxınlaşdıqda kütlənin qeyri-müəyyən olaraq artdığını aşkar etdi. Həqiqətən də, SRT-nin postulatlarından belə çıxır ki, işıq sürətindən böyük sürətin fiziki mənası yoxdur, bu o deməkdir ki, heç bir qüvvə artıq işıq sürəti ilə uçan cismin sürətini artıra bilməz, yəni. bu şərtlərdə qüvvət artıq sürətlənməyə səbəb olmaz! Bədənin sürəti nə qədər böyükdürsə, onu sürətləndirmək bir o qədər çətindir.

Və mütənasiblik əmsalı kütlə (və ya ətalət) olduğundan, bədənin kütləsi artan sürətlə artır.

Təcrübələrin nəticələri ilə Nyuton qanunları arasında açıq-aşkar ziddiyyətlərin və uyğunsuzluğun olmadığı bir vaxtda bu nəticəyə gəlinməsi diqqətəlayiqdir. Normal şəraitdə kütlənin dəyişməsi əhəmiyyətsizdir və onu eksperimental olaraq yalnız çox yüksək sürətlə, işıq sürətinə yaxın yerdə aşkar etmək olar. Hətta 8 km/s sürətlə uçan bir peyk üçün də kütlənin korreksiyası iki milyardda birdən çox olmayacaq. Lakin artıq 1906-cı ildə SRT-nin nəticələri yüksək sürətlə hərəkət edən elektronların tədqiqində təsdiqləndi: Kaufmanın təcrübələrində bu hissəciklərin kütləsində dəyişiklik qeydə alınıb. Müasir sürətləndiricilərdə isə xüsusi nisbilik nəzəriyyəsi nəzərə alınmadan klassik üsulla hesablamalar aparılarsa, hissəcikləri dağıtmaq sadəcə olaraq mümkün olmayacaq.

Lakin sonra məlum oldu ki, kütlənin qeyri-sabitliyi daha da əsaslı nəticə çıxarmağa imkan verir. Sürətin artması ilə kütlə artır, hərəkət enerjisi artır... Eyni şey deyilmi? Riyazi hesablamalar kütlə və enerjinin ekvivalentliyi haqqında fərziyyəni təsdiqlədi və 1907-ci ildə Eynşteyn özünün məşhur E = mc2 düsturunu aldı. SRT-nin əsas nəticəsi budur. Kütlə və enerji eynidir və bir-birinə çevrilir! Və əgər hansısa cisim (məsələn, uran atomu) birdən-birə ikiyə parçalanırsa, onların cəmi daha kiçik kütləsi var, onda kütlənin qalan hissəsi hərəkət enerjisinə keçir. Eynşteyn özü hesab edirdi ki, kütlədə dəyişiklik yalnız böyük enerji buraxılışları ilə müşahidə edilə bilər, çünki onun aldığı düsturdakı c2 əmsalı çox, çox böyükdür. Amma o da yəqin ki, bu nəzəri mülahizələrin bəşəriyyəti bu günə qədər aparacağını gözləmirdi. Atom bombasının yaradılması xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinin etibarlılığını yalnız çox yüksək qiymətə təsdiqlədi.

Belə görünür ki, nəzəriyyənin düzgünlüyünə şübhə etmək üçün heç bir səbəb yoxdur. Ancaq burada Eynşteynin sözlərini xatırlamağın vaxtı gəldi: "Təcrübə heç vaxt nəzəriyyəyə "hə" deməyəcək, lakin ən yaxşı halda "bəlkə" deyir, əksər hallarda sadəcə "yox" deyir. SRT postulatlarından birini, işıq sürətinin sabitliyini yoxlamaq üçün sonuncu, ən dəqiq təcrübə bu yaxınlarda, 2001-ci ildə Konstanz Universitetində (Almaniya) həyata keçirilmişdir. Daimi lazer dalğası ultra saf sapfirdən ibarət “qutu”ya yerləşdirilib, maye heliumun temperaturuna qədər soyudulur və yarım il ərzində işığın tezliyinin dəyişməsinə nəzarət edilirdi. Əgər işığın sürəti laboratoriyanın sürətindən asılı olsaydı, o zaman Yer orbitdə hərəkət etdikcə bu dalğanın tezliyi dəyişəcəkdi. Amma bu günə qədər heç bir dəyişiklik müşahidə edilməyib.

Ümumi nisbilik nəzəriyyəsi

1905-ci ildə Eynşteyn SRT-yə həsr olunmuş məşhur “Hərəkət edən cisimlərin elektrodinamikasına dair” əsərini nəşr etdirəndə yoluna davam etdi. O, əmin idi ki, STO səyahətin yalnız bir hissəsidir. Nisbilik prinsipi təkcə vahid və düzxətli hərəkət edənlərdə deyil, istənilən istinad sistemində etibarlı olmalıdır. Eynşteynin bu qənaəti sadəcə bir təxmin deyildi, o, eksperimental bir fakta, ekvivalentlik prinsipinə riayət edilməsinə əsaslanırdı. Bunun nə olduğunu izah edək. Hərəkət qanunlarına cismin sürətlənməsinin nə qədər çətin olduğunu göstərən “inertial” kütlə adlanan kütlə, cazibə qanunlarına isə cisimlər arasında cazibə qüvvəsini təyin edən “ağır” kütlə daxildir. Ekvivalentlik prinsipi bu kütlələrin bir-birinə tam bərabər olduğunu nəzərdə tutur, lakin bunun əslində belə olub olmadığını yalnız təcrübə təsdiq edə bilər. Ekvivalentlik prinsipindən belə çıxır ki, bütün cisimlər cazibə sahəsində eyni sürətlə hərəkət etməlidirlər. Hətta Qalileo da bu vəziyyəti yoxladı, əfsanəyə görə Piza qülləsindən müxtəlif cəsədləri atdı. Sonra ölçmə dəqiqliyi 1% idi, Nyuton onu 0,1%-ə çatdırdı və 1995-ci ilin son məlumatlarına görə, ekvivalentlik prinsipinin 5 x 10−13 dəqiqliyi ilə yerinə yetirildiyinə əmin ola bilərik.

Ekvivalentlik prinsipini və nisbilik prinsipini əsas götürən Eynşteyn on illik zəhmətdən sonra özünün cazibə nəzəriyyəsini və ya ümumi nisbilik nəzəriyyəsini (GR) yaratdı ki, bu nəzəriyyə bu günə qədər öz riyazi təfəkkürü ilə nəzəriyyəçiləri heyrətləndirməyə davam edir. gözəllik. Eynşteynin cazibə nəzəriyyəsində məkan və zaman heyrətamiz metamorfozalara məruz qaldı. Kütləsi olan cisimlərin öz ətrafında yaratdığı qravitasiya sahəsi ətrafdakı məkanı əyir. Bir topun trambolin üzərində uzandığını təsəvvür edin. Top nə qədər ağır olsa, trambolin mesh daha çox əyiləcək. Dördüncü ölçüyə çevrilən zaman isə kənarda dayanmır: qravitasiya sahəsi nə qədər böyükdürsə, zaman da bir o qədər yavaş axır.

Ümumi nisbi nəzəriyyənin ilk təsdiqlənmiş proqnozunu hələ 1915-ci ildə Eynşteyn özü etmişdir. Bu Merkurinin hərəkətinə aid idi. Bu planetin perihelionu (yəni Günəşə ən yaxın nöqtəsi) öz mövqeyini tədricən dəyişir. Yerdən yüz ildən artıq müşahidələr zamanı yerdəyişmə 43,1 qövs saniyəsi olub. Yalnız ümumi nisbilik nəzəriyyəsi bu dəyərin - 43 qövs saniyəsinin heyrətamiz dərəcədə dəqiq proqnozunu verə bildi. Növbəti addım 1919-cu ildə tam Günəş tutulması zamanı Günəşin qravitasiya sahəsində işıq şüalarının əyilməsini müşahidə etmək idi. O vaxtdan bəri bir çox belə təcrübələr aparıldı və onların hamısı ümumi nisbiliyi təsdiqləyir - dəqiqliyin daim artmasına baxmayaraq. Məsələn, 1984-cü ildə 0,3% idisə, 1995-ci ildə isə artıq 0,1%-dən az idi.

Atom saatlarının meydana gəlməsi ilə zamanın özünə gəldi. Bir saatı dağın başına, digərini isə onun ətəyinə qoymaq kifayətdir - və zamanın gedişatında fərqi tuta bilərsiniz! Qlobal yerləşdirmə peyk sistemlərinin meydana çıxması ilə nisbilik nəzəriyyəsi nəhayət elmi əyləncə kateqoriyasından sırf praktik sahəyə keçdi. Məsələn, GPS peykləri təxminən 20.000 km yüksəklikdə təxminən 4 km/s sürətlə uçur. Onlar Yerdən kifayət qədər uzaqda olduqları üçün, ümumi nisbi nəzəriyyəyə görə, onların üzərindəki saatlar gündə təxminən 45 mikrosaniyə (µs) irəliləyir, lakin yüksək sürətlə uçduqları üçün STR səbəbiylə eyni saatlar təxminən 7 geri qalır. gündəlik µs. Bu düzəlişlər nəzərə alınmasa, bir neçə gün ərzində bütün sistem yararsız hala düşəcək! Orbitə göndərilməzdən əvvəl, peyklərdəki atom saatları gündə təxminən 38 mikrosaniyə yavaş getmələri üçün tənzimlənir. Və belə bir tənzimləmədən sonra mənim sadə GPS qəbuledicimin hər gün nəhəng yer səthində koordinatlarımı düzgün göstərməsi mənim nisbilik nəzəriyyəsinə inamımı ciddi şəkildə gücləndirir.

Bütün bu uğurlar yalnız nisbilik üçün ovçuları alovlandırır. Bu gün özünə hörmət edən hər bir universitetdə Eynşteynin cazibə nəzəriyyəsinə görə işıq sürəti ilə yayılmalı olan qravitasiya dalğalarını axtarmaq üçün laboratoriya var. Onları hələ tapa bilməyiblər. Başqa bir büdrəmə isə ümumi nisbi nəzəriyyə ilə kvant mexanikası arasındakı əlaqədir. Onların hər ikisi eksperimentlə mükəmməl razılaşır, lakin bir-biri ilə tamamilə uyğun gəlmir. Bu, bir qədər 19-cu əsrin sonlarında klassik mexanika və elektromaqnetizmi xatırlatmırmı? Bəlkə də dəyişiklik gözləməyə dəyər.