Ogolna teoria wzgl?dno?ci
(OTW) ? teoria
ci??enia
autorstwa
Alberta Einsteina
, ogłoszona w 1915 roku
[a]
. Jest to wspołczesny
paradygmat
opisu grawitacji ? najdokładniejszy potwierdzony model tego
oddziaływania
, poprawiaj?cy
prawo powszechnego ci??enia
Newtona, potrzebny zwłaszcza do opisu silnych
pol
oraz cało?ciowej (globalnej) budowy
Wszech?wiata
. OTW to przykład
teorii pola
, ktora jest jednocze?nie:
Ta druga cecha odro?nia OTW od wcze?niejszej teorii Newtona i czyni j? bli?sz?
elektrodynamice Maxwella
. OTW to jedna z
geometrycznych
teorii oddziaływa? ? ruch ciał wynika w niej z
zakrzywienia czasoprzestrzeni
, a potencjał grawitacyjny odpowiada krzywi?nie. Zale?no?? tej wielko?ci od
energii
i
p?du
?rodła jest zadana
rownaniem Einsteina
? układem dziesi?ciu
nieliniowych
rowna? ro?niczkowych cz?stkowych
, opisuj?cych
przestrze? pseudoriemannowsk?
. Podstawowe postulaty tej teorii, na ktorych opieraj? si? rownania pola, to:
OTW wyja?niła pewne obserwacje trudne do pogodzenia z teori? Newtona, a tak?e przewidziała dalsze zjawiska, po raz pierwszy potwierdzone w 1919 roku przez
Arthura Eddingtona
, co przyniosło Einsteinowi ?wiatow? sław?
[
potrzebny przypis
]
. Na teorii Einsteina zbudowano te?
modele kosmologiczne
, w tym
model FLRW
, ktory poprawnie opisał
rozszerzanie si? obserwowalnego Wszech?wiata
oraz potwierdzony po?niej
Wielki Wybuch
. Oprocz tego dzi?ki OTW odkryto grawitacyjn?
dylatacj? czasu
istotn? dla technologii
GPS
,
soczewkowanie grawitacyjne
,
czarne dziury
oraz
fale czasoprzestrzeni
, co stworzyło nowe metody i obszary bada?
astrofizyki
. Za rozwoj OTW oraz jej potwierdzenie przyznano kilka
Nagrod Nobla w dziedzinie fizyki
oraz inne wyro?nienia naukowe jak
Medal Copleya
,
Nagroda Alberta Einsteina
,
Nagroda Wolfa
w dziedzinie fizyki czy
Nagroda Fizyki Fundamentalnej
; powstały całe
towarzystwa badawcze
po?wi?cone rozwijaniu tej teorii i blisko powi?zanych tematow
[1]
.
Mimo doskonałej zgodno?ci z obserwacjami OTW prawdopodobnie nie jest teori? ostateczn?. Poszukiwane s? modele
kwantowej grawitacji
, ktore mog? usun?? jej anomalne rozwi?zania jak
osobliwo?ci
oraz
zamkni?te krzywe czasopodobne
, a dzi?ki temu lepiej opisa? czarne dziury, Wielki Wybuch i ekstremalne oddziaływania
cz?stek elementarnych
, przy ktorych siła ci??enia staje si? porownywalna z pozostałymi
oddziaływaniami podstawowymi
. Oprocz tego
astronomiczne
problemy
ciemnej materii
i
ciemnej energii
probuje si? rozwi?za? nie tylko postulowaniem nowych
substancji
, ale te? modyfikacj? rowna? Einsteina. Sam tworca OTW pracował nad jej rewizjami, w tym nad
unifikacj?
tej teorii z
elektrodynamik?
. Jego strategi? zarzucono
[
potrzebny przypis
]
, jednak cz??? fizykow ?ywi podobne nadzieje ? poszukiwana kwantowa teoria grawitacji mogłaby by? poł?czona z teoriami innych sił; cel ten bywa nazywany
teori? wszystkiego
.
Droga do OTW, geometrie nieeuklidesowe
[
edytuj
|
edytuj kod
]
Gauss
dostrzegł jako pierwszy, ?e geometria przestrzeni fizycznej nie musi by? euklidesowa. Zauwa?ył on, ?e mo?liwe jest budowanie logicznie spojnej i prawidłowej z matematycznego punktu widzenia geometrii, odrzucaj?c pi?ty z
aksjomatow Euklidesa
o prostych rownoległych. Nigdy jednak nie opublikował swoich przemy?le? na ten temat, uwa?aj?c, ?e nie zostan? wła?ciwie zrozumiane. Gauss nie odnosił swoich idei do rzeczywisto?ci fizycznej, a rozwijał je jedynie jako teorie matematyczne.
Za tworc? geometrii nieeuklidesowych uwa?a si? wspołcze?nie
Janosa Bolyai
, ktory jako pierwszy ogłosił prace, w ktorych podał przykłady tego rodzaju geometrii. Powa?ny wkład do tej dziedziny wniosł
Georg Riemann
, konstruuj?c swoj? teori?
rozmaito?ci ro?niczkowych
. Bardzo istotn?, cho? czysto techniczn? rol? otwieraj?c? mo?liwo?ci budowy OTW Einsteina odegrali Christofel,
Ricci
i inni tworcy
rachunku tensorowego
. Znacz?cy wkład nale?ał zwłaszcza do Bianchiego, ktory udowodnił to?samo?ci nazwane jego imieniem.
W ?yciu codziennym mo?na tak?e zaobserwowa? geometrie nieeuklidesowe. Na przykład powierzchnia Ziemi jest
sfer?
i jako taka posiada pewn? krzywizn?, za? suma k?tow w trojk?tach na globusie jest wi?ksza ni? 180 stopni. Istniej? tak?e pomiary, w przypadku ktorych mo?na bezpo?rednio wykry?, ?e geometria czasoprzestrzeni jest nieeuklidesowa. Przykładem jest
do?wiadczenie Pounda-Rebki
(1959), w ktorym wykryto zmian?
długo?ci fali
?wiatła pochodz?cego od ?rodła
kobaltowego
, wznosz?cego si? przeciwko sile grawitacji na wysoko?? 22,5 metra, w szybie znajduj?cym si? w Jefferson Physical Laboratory w
Harvard
University. Tak?e
zegary atomowe
w
satelitach
GPS
kr???cych wokoł Ziemi musz? uwzgl?dnia? poprawk? zwi?zan? z efektami grawitacji. Przykłady te jednak nie były dost?pne w czasach Gaussa i Riemanna.
Podstawow? ide? teorii wzgl?dno?ci jest to, ?e nie mo?emy mowi? o wielko?ciach fizycznych takich jak
pr?dko??
czy
przyspieszenie
, nie okre?laj?c wcze?niej
układu odniesienia
, oraz ?e układ odniesienia definiuje si? poprzez wybor pewnego punktu w czasoprzestrzeni, z ktorym jest on zwi?zany. Oznacza to, ?e wszelki ruch okre?la si? i mierzy wzgl?dem innych okre?lonych układow odniesienia. W ramach tej teorii, inaczej ni? w szczegolnej teorii wzgl?dno?ci, ktora podawała opis ruchu w inercjalnych (nieprzyspieszaj?cych) układach odniesienia, opis ruchu prowadzony jest w dowolnych układach odniesienia, inercjalnych lub nieinercjalnych. Podstawowym zało?eniem jest takie sformułowanie praw fizycznych i opisu ruchu, aby miały one identyczn? posta? matematyczn? bez wzgl?du na u?ywany do opisu układ odniesienia, st?d konieczno?? zastosowania rachunku tensorowego. Jednym z postulatow ogolnej teorii wzgl?dno?ci jest
zasada rownowa?no?ci
, mowi?ca, ?e nie mo?na (lokalnie) rozro?ni? spadku swobodnego w polu grawitacyjnym od ruchu w układzie inercjalnym. Z postulatu tego wynika, ?e masa bezwładna i grawitacyjna s? sobie rownowa?ne. Dokładniej rowno?? mas: grawitacyjnej i bezwładnej okre?lana jest mianem słabej zasady rownowa?no?ci (WEP), natomiast pełna zasada rownowa?no?ci Einsteina głosi, ?e wynik dowolnego, lokalnego do?wiadczenia niegrawitacyjnego jest niezale?ny od pr?dko?ci swobodnie spadaj?cego układu odniesienia i jest zgodny z przewidywaniami STW (tzw. lokalna niezmienniczo?? lorentzowska) i wynik ten jest niezale?ny od miejsca i czasu (tzw. lokalna niezmienniczo?? na poło?enie). W badaniach wykazano, ?e ogolna teoria wzgl?dno?ci jest sprzeczna z
zasad? Macha
.
OTW mowi, ?e z dan? dokładno?ci? mo?na definiowa? jedynie lokalne układy odniesienia, dla sko?czonych przedziałow czasu i ograniczonych obszarow w przestrzeni. Jest to analogia z rysowaniem map fragmentow powierzchni Ziemi ? nie mo?na sporz?dzi? mapy obejmuj?cej cał? powierzchni? Ziemi bez deformacji.
Zasady dynamiki Newtona
s? w ogolnej teorii wzgl?dno?ci zachowane w lokalnych układach odniesienia. W szczegolno?ci cz?stki, na ktore nie działa ?adna siła, poruszaj? si? po liniach prostych w lokalnych inercjalnych układach odniesienia. Jednak je?eli linie te si? przedłu?y, to nie otrzymujemy linii prostych, lecz krzywe zwane
geodezyjnymi
. Dlatego te?
pierwsza zasada dynamiki Newtona
zostaje zast?piona przez zasad? poruszania si? po geodezyjnej.
Odro?niamy
inercjalne układy
odniesienia, w ktorych ciała fizyczne nie zmieniaj? swojego stanu ruchu, je?eli nie oddziałuj? z ?adnym innym ciałem fizycznym, od nieinercjalnych układow odniesienia, w ktorych poruszaj?ce si? ciała maj? przyspieszenie pochodz?ce od układu odniesienia. W tych drugich pojawia si? pozorna siła wynikaj?ca z przyspieszenia samego układu odniesienia, a nie z oddziaływania z innym ciałem fizycznym. W zwi?zku z tym np. odczuwamy sił? od?rodkow? wtedy, gdy samochod, b?d?cy naszym układem odniesienia, skr?ca. Podobnie obserwujemy
Efekt Coriolisa
i tzw.
sił? od?rodkow?
wtedy, gdy układem odniesienia jest ciało b?d?ce w
ruchu obrotowym
(na przykład b?k-zabawka lub
Ziemia
). Zasada rownowa?no?ci w ogolnej teorii wzgl?dno?ci mowi, ?e w układzie lokalnym nie mo?na przeprowadzi? do?wiadczenia, dzi?ki ktoremu dałoby si? odro?ni? spadek swobodny w polu grawitacyjnym od ruchu jednostajnego przy braku pola grawitacyjnego. Mowi?c w skrocie, w układzie odniesienia zwi?zanym z ciałem spadaj?cym swobodnie nie ma grawitacji. Oznacza to, ?e obserwowana na powierzchni Ziemi grawitacja jest sił? obserwowan? w układzie odniesienia zwi?zanym z materi? na powierzchni, ktora nie jest ?wolna”, lecz na ktor? oddziałuje materia z wn?trza Ziemi i sytuacja ta jest analogiczna do sytuacji w skr?caj?cym samochodzie.
Matematycznie, Einstein modeluje czasoprzestrze? przy pomocy czterowymiarowej
pseudoriemannowskiej rozmaito?ci
, a z jego
rownania pola
wynika, ?e krzywizna rozmaito?ci w punkcie jest bezpo?rednio zwi?zana z
tensorem
napi??-energii w tym punkcie; tensor ten jest miar? g?sto?ci materii i energii. Krzywizna okre?la sposob, w jaki materia si? porusza, a materia okre?la sposob, w jaki przestrze? si? zakrzywia. Rownanie pola nie jest dowiedzione w sposob jednoznaczny i istnieje mo?liwo?? zaproponowania innych modeli, pod warunkiem, ?e nie b?d? stały w sprzeczno?ci z obserwacjami.
Ogolna teoria wzgl?dno?ci wyro?nia si? spo?rod innych teorii grawitacji swoj? prostot? powi?zania materii i krzywizny, chocia? wci?? nie istnieje teoria unifikacji pomi?dzy ogoln? teori? wzgl?dno?ci a
mechanik? kwantow?
i nie potrafimy zast?pi? rownania pola bardziej ogolnym prawem kwantowym. Niewielu fizykow w?tpi w to, ?e taka
teoria wszystkiego
b?dzie zawierała w sobie ogoln? teori? wzgl?dno?ci, tak jak ogolna teoria wzgl?dno?ci zawiera w sobie prawo powszechnego ci??enia Newtona w zakresie nierelatywistycznym.
Rownanie pola Einsteina zawiera parametr zwany
stał? kosmologiczn?
ktora została wprowadzona przez Einsteina po to, aby Wszech?wiat pozostał statyczny (tzn. nierozszerzaj?cy i niezapadaj?cy si?). Ta proba zako?czyła si? niepowodzeniem z dwoch powodow: statyczny Wszech?wiat opisywany przez t? teori? byłby niestabilny, co wi?cej, obserwacje prowadzone przez
Hubble’a
dekad? po?niej pokazały, ?e nasz Wszech?wiat nie jest statyczny, lecz si?
rozszerza
. Dlatego te? zrezygnowano ze stałej
lecz ostatnie obserwacje
supernowych typu Ia
wskazuj? na to, ?e by? mo?e nale?y j? ponownie wprowadzi? do rowna?.
Ogolna teoria wzgl?dno?ci wi??e geometri? czasoprzestrzeni z rozkładem materii.
Czasoprzestrze?
jest zbiorem punktow (dokładniej rozmaito?ci? ro?niczkow?), ktorej punktom przyporz?dkowuje si? cztery wspołrz?dne
Odległo?? mi?dzy dwoma punktami o wspołrz?dnych
i
zadaje:
| | |
|
(1)
|
Gdy czasoprzestrze? jest globalnie płaska ? teoria przechodzi w
szczegoln? teori? wzgl?dno?ci
. W tym przypadku
tensor metryczny
| | |
|
(2)
|
opisuje
czasoprzestrze? Minkowskiego
. Poczucie lokalnej płasko?ci zakrzywionej czasoprzestrzeni (zasada rownowa?no?ci) oznacza mo?liwo?? przej?cia do takiego
układu wspołrz?dnych
, by
| | |
|
(3)
|
Pola
nazywamy
polami reperow
. Cała informacja o zakrzywieniu czasoprzestrzeni zawarta jest w tych polach. Z punktu widzenia matematycznego pola reperow s? formami ro?niczkowymi.
| | |
|
(4)
|
Formy te mo?na przeskalowa? (lokalna transformacja cechowania), a tensor metryczny nie ulega zmianie
| | |
|
(5)
|
gdzie
s? macierzami Lorentza tworz?cymi
grup? Lorentza
.
Linie najkrotsze ł?cz?ce dwa punkty (
linie geodezyjne
) nie s? ju? liniami prostymi. Spełniaj? one rownanie
| | |
|
(6)
|
gdzie
jest
symbolem Christoffela
| | |
|
(7)
|
W OTW ciała w spadku swobodnym poruszaj? si? po liniach geodezyjnych, gdy ich masa i rozmiary s? zaniedbywalnie małe
[2]
.
W czasoprzestrzeni Minkowskiego wszystkie symbole Christoffela si? zeruj? i linie najkrotsze s? prostymi.
Zakrzywienie czasoprzestrzeni okre?la
tensor krzywizny
i zwi?zany z nim
tensor krzywizny Ricciego
| | |
|
(8)
|
oraz
skalar krzywizny Ricciego
Oczywi?cie w płaskiej czasoprzestrzeni Minkowskiego wszystkie te wielko?ci s? rowne zero.
Rownanie Einsteina opisuje zwi?zek mi?dzy zakrzywieniem czasoprzestrzeni (grawitacj?) opisanym tensorem metrycznym
a rozkładem materii opisanym tensorem energii-p?du
Rownanie Einsteina
mo?na wyprowadzi? z ekstremum
całki działania
dla pola grawitacyjnego. Rownanie to ma nast?puj?c? posta?:
| | |
|
(9)
|
gdzie:
- ?
tensor krzywizny Ricciego
,
- ?
skalar krzywizny Ricciego
,
- ?
tensor metryczny
,
- ?
stała kosmologiczna
,
- ?
tensor energii-p?du
,
- ?
liczba pi
,
- ?
pr?dko?? ?wiatła
w pro?ni,
- ?
stała grawitacji
.
Natomiast
opisuje metryk? rozmaito?ci i jest
tensorem
symetrycznym 4 × 4, ma wi?c 10 niezale?nych składowych. Bior?c pod uwag? dowolno?? przy wyborze czterech wspołrz?dnych czasoprzestrzennych, liczba niezale?nych rowna? wynosi 6.
Rozkład
materii
w czasoprzestrzeni opisany jest przez
tensor energii-p?du
| | |
|
(10)
|
gdzie
jest wektorem jednostkowym
jest przestrzennym rozkładem energii, a
rozkładem ci?nienia.
W pro?ni gdy
i
rozwi?zaniem rowna? Einsteina jest przestrze? Ricci płaska (
np. przestrze? Minkowskiego, ale rownie? rozwi?zanie z
metryk?
Karla Schwarzschilda
).
Je?eli układ fizyczny opisuje ciało masywne, a ci?nienie jest niewielkie, wtedy
i ?rodłem grawitacji jest tylko rozkład masy
W granicy gdy pr?dko?? ?wiatła w pro?ni
d??y do niesko?czono?ci, otrzymujemy teori? grawitacji
Newtona
.
Anomalie orbity Merkurego
[
edytuj
|
edytuj kod
]
?wiadectwem przeciw teorii Newtona i jednocze?nie za teori? Einsteina była niezgodno?? ruchu
Merkurego
. Ruch tej planety wykazywał niewielkie odchylenia znane od drugiej połowy XIX stulecia, wzgl?dem oblicze? wynikaj?cych z newtonowskich praw ruchu i grawitacji. Anomalia orbity Merkurego jest bardzo niewielka, wynosi 43 sekundy k?towe na ka?de sto lat. ?adne z proponowanych na gruncie teorii Newtona rozwi?za? tego problemu nie okazało si? skuteczne. W roku 1916 Einstein wyja?nił ow? niezgodno?? przy pomocy
praw grawitacji w ogolnej teorii wzgl?dno?ci
.
Ruch ?wiatła w zakrzywionej czasoprzestrzeni
[
edytuj
|
edytuj kod
]
Newton stwierdził w swojej
Optyce
, ?e
?wiatło
mo?e ulega? wpływowi grawitacji. Na mocy swojej teorii grawitacji przyj?ł on, ?e ?wiatło gwiazdy przechodz?ce w pobli?u Sło?ca na swojej drodze ku Ziemi odchyli si? skutkiem
grawitacji
o k?t 0,87
″
. Do zaobserwowania tego zjawiska niezb?dne jest wyst?pienie
za?mienia Sło?ca
. Teoria Einsteina przewiduje, ?e odchylenie to b?dzie dwukrotnie wi?ksze, czyli 1,74″.
Obserwacje potwierdziły (w granicach
bł?du eksperymentalnego
), obliczenia wynikaj?ce z teorii Einsteina i po dzi? dzie? uwa?ane s? za jej kluczowe ?wiadectwo. Powy?szy eksperyment przeprowadzano wielokrotnie, przy jednoczesnym u?ci?laniu wynikow pomiaru. Znacznie dokładniejsze pomiary przeprowadzone w latach 70. przez
Hulsego
i
Taylora
, przy obserwacji
podwojnego układu
pulsarow
, rownie? potwierdziły przewidywania tej teorii.
Do tej pory nie istniej? dane obserwacyjne mog?ce podwa?y? ogoln? teori? wzgl?dno?ci, cho? wiadomo, ?e nawet przy probach poł?czenia z mechanik? kwantow?, nie tłumaczy ona obecnego kształtu Wszech?wiata (patrz
ciemna materia
i
ciemna energia
).
Aparat matematyczny
- Polskoj?zyczne
- Hanoch Gutfreund,
Ogolna czy szczegolna teoria wzgl?dno?ci?
,
Centrum Nauki Kopernik w Warszawie
, oficjalny kanał na
YouTube
, 2015-12-11 [dost?p 2017-11-11] ? wykład o genezie OTW.
- Michał Heller
,
Einsteina droga do ogolnej teorii wzgl?dno?ci
,
Centrum Kopernika Bada? Interdyscyplinarnych
w Krakowie, oficjalny kanał na YouTube, 2015-12-25 [dost?p 2017-11-11] ? inny wykład o genezie OTW.
- Andrzej Kajetan Wroblewski
,
Einstein dla laikow ? 100 lat Ogolnej Teorii Wzgl?dno?ci
, wykład z serii ?Zapytaj fizyka” na
Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego
, oficjalny kanał na YouTube ? popularny wykład o podstawach STW i OTW
- Sreekanth
S.
Harikumar
Sreekanth
S.
,
Dlaczego warto bada? teorie wykraczaj?ce poza Ogoln? Teori? Wzgl?dno?ci?
, [w:] pismo ?
Delta
”, deltami.edu.pl, maj 2023
,
ISSN
0137-3005
[dost?p 2023-05-12]
(
pol.
)
.
- Angloj?zyczne
Podstawowe koncepcje
|
|
---|
Zjawiska
|
|
---|
Rownania
|
|
---|
Formalizm
|
|
---|
Rozwi?zania
|
|
---|
Uczeni
|
|
---|