История теории гравитации - History of gravitational theory

В физике теории гравитации постулируют механизмы взаимодействия, управляющие движением тел с массой. С древних времен существовало множество теорий гравитации. Первые дошедшие до нас источники, обсуждающие такие теории, находятся в древнегреческой философии . Эта работа продолжалась древними индийскими и средневековыми исламскими физиками , прежде чем она достигла больших успехов в период Возрождения и научной революции , кульминацией которых стала формулировка закона всемирного тяготения Ньютона . Это был заменен Альберта Эйнштейна «S теории относительности в начале 20 - го века.

Греческий философ Аристотель ( фл.  Четвёрт века до н.э. ) считал , что объекты имеют тенденцию к точке из - за свою внутреннюю многозначительность (тяжесть). Витрувий (около  1 века до нашей эры ) понимал, что предметы падают в зависимости от их удельного веса . В CE 6 веке, византийская александрийский ученый Джон Филопон изменил аристотелевскую концепцию гравитации с теорией стимула . В 7 веке индийский астроном Брахмагупта говорил о гравитации как о силе притяжения. В XIV веке под влиянием некоторых исламских ученых европейские философы Жан Буридан и Альберт Саксонский связали импульс с ускорением и массой объектов. Альберт также разработал закон пропорции относительно отношения между скоростью объекта в свободном падении и прошедшим временем.

В начале 17 века Галилео Галилей обнаружил, что все объекты имеют тенденцию одинаково ускоряться в свободном падении. В 1632 году он выдвинул основной принцип относительности . Существование гравитационной постоянной исследовали различные исследователи с середины 17 века, что помогло Исааку Ньютону сформулировать свой закон всемирного тяготения. Классическая механика Ньютона была вытеснена в начале 20 века, когда Эйнштейн разработал специальную и общую теорию относительности . Сила тяжести несущий остается останец в поисках теории всего , что различные модели квантовой гравитации являются кандидатами на.

Античность

Греко-римский мир

Ионическое греческий философ Гераклит ( с.  535  - . С  475 г. до н.э. ) использовал слово логотипы ( «слово») для описания своего рода закон , который держит вселенную в гармонии, перемещение всех объектов, в том числе звезд, ветра и волн.

В 4 веке до нашей эры греческий философ Аристотель учил, что не может быть следствия или движения без причины . Причина нисходящего движения тяжелых тел, таких как элемент Земля , была связана с их природой , которая заставляла их двигаться вниз к центру Вселенной, который был их естественным местом. И наоборот, световые тела, такие как элемент огня , по своей природе движутся вверх к внутренней поверхности сферы Луны. Таким образом, в системе Аристотеля тяжелые тела не притягиваются к Земле внешней силой, а стремятся к центру Вселенной из-за внутренней гравитации или тяжести.

Греческий физик III века до нашей эры Архимед открыл центр масс треугольника. Он также постулировал, что если бы центры тяжести двух одинаковых гирь не были одинаковыми, они бы располагались посередине соединяющей их линии. Двумя веками позже римский инженер и архитектор Витрувий утверждал в своей книге «Архитектура», что сила тяжести зависит не от веса вещества, а, скорее, от его «природы» ( см. Удельный вес ):

Если ртуть налить в сосуд и положить на нее камень весом в сто фунтов, камень будет плавать по поверхности и не сможет сдавить жидкость, не пробиться или разделить ее. Если мы уберем сто фунтов веса и возьмем на себя щепку золота, оно не будет плавать, а само опустится на дно. Следовательно, нельзя отрицать, что сила тяжести вещества зависит не от его веса, а от его природы.

В VI веке н.э. византийский александрийский ученый Иоанн Филопон предложил теорию импульса , которая модифицирует теорию Аристотеля о том, что «продолжение движения зависит от продолжающегося действия силы», путем включения причинной силы, которая со временем уменьшается.

Индийский субконтинент

В шатапатха-брахмане , индуистском тексте, написанном ведическим мудрецом Яджнавалкьей , говорится, что «солнце нити к себе ... миры на нити». Проза датируется 300 годом до нашей эры, но некоторые элементы происходят из более ранних источников, возможно, из 10-6 веков до нашей эры.

Индийский математик / астроном Брахмагупты (с 598 -.. С 668 н.э.) впервые описал гравитация как силы притяжения, используя термин « gurutvākarṣaṇam (गुरुत्वाकर्षणम्) » , чтобы описать его в гелиоцентрической зрения Солнечной системы , как это было определено Aryabhata :

Земля со всех сторон одинакова; все люди на земле стоят прямо, и все тяжелые предметы падают на землю по закону природы, потому что природа земли - притягивать и удерживать предметы, так как природа воды - течь ... Если что-то хочет уйти глубже земли, пусть попробует. Земля - ​​единственная низкая вещь, и семена всегда возвращаются к ней, в каком бы направлении вы их ни выбросили, и никогда не поднимаются вверх от земли.

Исламский мир

В XI веке н.э. персидский эрудит Ибн Сина (Авиценна) согласился с теорией Филопона о том, что «движущийся объект приобретает наклон от движителя» в качестве объяснения движения снаряда . Затем Ибн Сина опубликовал свою собственную теорию импульса в «Книге исцеления» (ок. 1020 г.). В отличие от Филопона, который считал, что это временная добродетель, которая угаснет даже в вакууме , Ибн Сина рассматривал ее как постоянную, требующую внешних сил, таких как сопротивление воздуха, чтобы рассеять ее. Ибн Сина сделал различие между «силой» и «наклоном» ( Mayl ), и утверждал , что объект получил Mayl , когда объект находится в оппозиции к своему естественному движению. Он пришел к выводу, что продолжение движения связано с наклоном, передаваемым объекту, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока майл не будет израсходован.

Другой персидский эрудит XI века, Аль-Бируни , предположил, что небесные тела имеют массу , вес и гравитацию, как и Земля. Он критиковал как Аристотеля, так и Ибн Сину за то, что они придерживались точки зрения, что только Земля обладает этими свойствами. Ученый 12-го века Аль-Хазини предположил, что гравитация, которую содержит объект, зависит от его расстояния от центра Вселенной (имея в виду центр Земли). Аль-Бируни и Аль-Хазини изучали теорию центра тяжести, обобщили и применили ее к трехмерным телам. Они также основали теорию весомого рычага и создали науку о гравитации. Были также разработаны тонкие экспериментальные методы для определения удельного веса или удельного веса предметов, основанные на теории весов и взвешивания .

В XII веке Абу'л-Баракат аль-Багдади принял и модифицировал теорию Ибн Сины о движении снарядов . В своем « Китаб аль-Мутабар» Абу'л-Баракат заявил, что движущийся придает сильный наклон ( майл касри ) движущемуся и что это уменьшается по мере того, как движущийся объект удаляется от движущегося. Согласно Шломо Пайнсу, теория движения аль-Багдади была «старейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом, является] смутным предвосхищением фундаментального закона классическая механика [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение ] ".

Европейский ренессанс

В 14 - м веке, как французский философ Жан Буридан и Мертон колледж в Оксфорде отверг аристотелевское понятие гравитации . Они приписывали движение объектов импульсу (сродни импульсу ), который изменяется в зависимости от скорости и массы; На Буридана в этом повлияла Книга Исцеления Ибн Сины . Буридан и философ Альберт Саксонский (ок. 1320–1390) приняли теорию Абу-л-Бараката о том, что ускорение падающего тела является результатом его возрастающего импульса. Под влиянием Буридана Альберт разработал закон пропорциональности, касающийся зависимости между скоростью объекта в свободном падении и прошедшим временем. Он также предположил, что горы и долины вызваны эрозией - смещением центра тяжести Земли. Также в том же веке Мертон-колледж разработал теорему о средней скорости , которая была доказана Николь Орем (ок. 1323–1382) и будет влиять на более поздние уравнения гравитации .

Леонардо да Винчи (1452–1519) писал, что «мать и источник гравитации» - это энергия . Он описывает две пары физических сил, которые имеют метафизическое происхождение и влияют на все: изобилие силы и движения, а также гравитация и сопротивление. Он связывает гравитацию с «холодными» классическими элементами , водой и землей, и называет ее энергию бесконечной. К 1514 году , Коперник написал план о своей гелиоцентрической модели , в котором он заявил , что центр Земли является центром как его вращения и орбиты Луны . В 1533 году немецкий гуманист Петер Апиан описал напряжение силы тяжести:

Поскольку очевидно, что при спуске [по дуге] возникает больше препятствий, ясно, что по этой причине сила тяжести уменьшается. Но поскольку это происходит из-за положения тяжелых тел, пусть это будет называться позиционной гравитацией [т.е. gravitas secundum situm ]

К 1544 году, согласно Бенедетто Варчи , эксперименты, по крайней мере, двух итальянцев развеяли аристотелевское утверждение о том, что предметы падают пропорционально их весу. В 1551 году Доминго де Сото предположил, что предметы в свободном падении ускоряются равномерно. Эту идею впоследствии более подробно исследовали Галилео Галилей , который заимствовал свою кинематику из колледжа Мертона 14-го века и Жана Буридана, а также, возможно, Де Сото. Галилей успешно применил математику к ускорению падающих объектов, правильно предположив в письме 1604 г. Паоло Сарпи, что расстояние до падающего объекта пропорционально квадрату прошедшего времени. Галилей в своих « Двух новых науках» (1638) предположил, что небольшая разница в скорости падающих объектов разной массы была вызвана сопротивлением воздуха, и что объекты падали бы в вакууме совершенно равномерно.

Ученик Галилея, Евангелиста Торричелли повторил модель Аристотеля, включающую гравитационный центр, добавив свое мнение о том, что система может находиться в равновесии только тогда, когда сам общий центр не может упасть.

Европейское Просвещение

Связь расстояния между объектами в свободном падении и квадратом затраченного времени была подтверждена Франческо Мария Гримальди и Джованни Баттиста Риччоли между 1640 и 1650 годами. Они также вычислили гравитационную постоянную , записав колебания маятника.

Механические объяснения

В 1644 году Рене Декарт предположил, что пустое пространство не может существовать и что континуум материи заставляет каждое движение быть криволинейным . Таким образом, центробежная сила отталкивает относительно легкую материю от центральных вихрей небесных тел, локально понижая плотность и тем самым создавая центростремительное давление . Используя аспекты этой теории, между 1669 и 1690 годами Христиан Гюйгенс разработал математическую модель вихря. В одном из своих доказательств он показывает, что расстояние, пройденное объектом, падающим с прялки, будет увеличиваться пропорционально квадрату времени вращения колеса. В 1671 году Роберт Гук предположил, что гравитация - это результат того, что тела испускают волны в эфире . Николя Фатио де Дуйе (1690) и Жорж-Луи Ле Саж (1748) предложили корпускулярную модель, использующую своего рода механизм экранирования или затенения. В 1784 году, Le Sage утверждал , что гравитация может быть результатом столкновения атомов, а в начале 19 - го века, он расширил Даниил Бернулли «s теории корпускулярного давления во Вселенной в целом. Подобная модель была позже создана Хендриком Лоренцем  (1853–1928), который использовал электромагнитное излучение вместо корпускул.

Английский математик Исаак Ньютон использовал аргумент Декарта о том, что криволинейное движение ограничивает инерцию, и в 1675 году утверждал, что потоки эфира притягивают все тела друг к другу. Ньютон (1717 г.) и Леонард Эйлер  (1760 г.) предложили модель, в которой эфир теряет плотность около массы, что приводит к результирующей силе, действующей на тела. Дальнейшие механические объяснения гравитации (включая теорию Ле Сажа ) были созданы между 1650 и 1900 годами для объяснения теории Ньютона, но механистические модели в конечном итоге потеряли популярность, поскольку большинство из них приводят к неприемлемому сопротивлению (сопротивлению воздуха), которое не наблюдалось. . Другие нарушают закон сохранения энергии и несовместимы с современной термодинамикой .

Закон Ньютона

В 1679 году Роберт Гук написал Исааку Ньютону свою гипотезу об орбитальном движении, которое частично зависит от силы обратных квадратов . В 1684 году и Гук, и Ньютон сказали Эдмонду Галлею, что они доказали закон обратных квадратов движения планет в январе и августе соответственно. В то время как Гук отказался представить свои доказательства, Ньютону было предложено составить De motu corporum in gyrum («О движении тел по орбите»), в котором он математически выводит законы движения планет Кеплера . В 1687 году при поддержке Галлея (и, к разочарованию Гука), Ньютон опубликовал Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ( Математические принципы естественной философии ), в котором выдвигается гипотеза о законе обратных квадратов всемирного тяготения . По его собственным словам:

Я пришел к выводу, что силы, удерживающие планеты в их орбах, должны быть взаимно равными квадратам их расстояний от центров, вокруг которых они вращаются; и таким образом сравнил силу, необходимую для удержания Луны в ее орбите, с силой тяжести на поверхности Земли; и нашел, что они почти ответили.

Первоначальная формула Ньютона была такой:

${\ displaystyle {\ rm {Force \, of \, gravity}} \ propto {\ frac {\ rm {mass \, of \, object \, 1 \, \ times \, mass \, of \, object \, 2}} {\ rm {расстояние \, от \, центров ^ {2}}}}}$

где символ означает «пропорционально». Чтобы преобразовать это в формулу или уравнение с равными сторонами, нужен был множитель или константа, которая давала бы правильную силу тяжести независимо от значения масс или расстояния между ними (гравитационная постоянная). Ньютону потребуется точное измерение этой постоянной, чтобы доказать свой закон обратных квадратов. Это было впервые исполнена с Генри Кавендиш в 1797 году. ${\ displaystyle \ propto}$

В теории Ньютона (переписанной с использованием более современной математики) плотность массы порождает скалярное поле, гравитационный потенциал в джоулях на килограмм, посредством ${\ Displaystyle \ rho \,}$${\ displaystyle \ varphi \,}$

${\ Displaystyle {\ partial ^ {2} \ varphi \ over \ partial x ^ {j} \, \ partial x ^ {j}} = 4 \ pi G \ rho \ ,.}$

Используя оператор Набла для градиента и дивергенции (частные производные), это удобно записать как: ${\ displaystyle \ nabla}$

${\ displaystyle \ nabla ^ {2} \ varphi = 4 \ pi G \ rho \ ,.}$

Это скалярное поле управляет движением свободно падающей частицы:

${\ displaystyle {d ^ {2} x ^ {j} \ over dt ^ {2}} = - {\ partial \ varphi \ over \ partial x ^ {j} \,}.}$

На расстоянии r от изолированной массы M скалярное поле равно

${\ displaystyle \ varphi = - {\ frac {GM} {r}} \ ,.}$

« Начала» быстро разошлись, что вдохновило Ньютона на издание второго издания в 1713 году. Трактат вдохновил французского философа Вольтера на написание его собственной книги, объясняющей его аспекты в 1738 году, что помогло популяризировать теорию Ньютона. В 1755 году прусский философ Иммануил Кант опубликовал космологический манускрипт, основанный на принципах Ньютона, в котором он развивает небулярную гипотезу . В 1788 году Жозеф-Луи Лагранж представил улучшенную формулировку классической механики. Ни одна из версий не учитывает релятивистские эффекты , так как они еще не были обнаружены. Тем не менее, теория Ньютона считается исключительно точной в пределе слабых гравитационных полей и малых скоростей.

Теория Ньютона пользовалась наибольшим успехом, когда ее использовали для предсказания существования Нептуна на основе движений Урана, которые нельзя было объяснить действиями других планет. Расчеты Джона Кача Адамса и Урбена Леверье предсказали общее положение планеты. В 1846 году Леверье отправил свою позицию Иоганну Готфриду Галле с просьбой подтвердить ее. В ту же ночь Галле заметил Нептун недалеко от позиции, предсказанной Леверье. К концу 19 века Леверье показал, что орбиту Меркурия нельзя полностью объяснить ньютоновской гравитацией, и все поиски другого возмущающего тела (например, планеты, вращающейся вокруг Солнца даже ближе, чем Меркурий), оказались безрезультатными.

В конце 19 века многие пытались объединить закон силы Ньютона с установленными законами электродинамики (такими как законы Вильгельма Эдуарда Вебера , Карла Фридриха Гаусса и Бернхарда Римана ), чтобы объяснить аномальную прецессию перигелия Меркурия . В 1890 году Морису Леви это удалось, объединив законы Вебера и Римана, согласно которым скорость гравитации равна скорости света. В другой попытке Пол Гербер (1898) сумел вывести правильную формулу для сдвига перигелия (которая была идентична формуле, позже использованной Альбертом Эйнштейном ). Эти гипотезы были отвергнуты из-за устаревших законов, на которых они основывались, и были заменены законами Джеймса Клерка Максвелла .

Современная эра

В 1900 году Хендрик Лоренц попытался объяснить гравитацию на основе своей теории эфира и уравнений Максвелла . Он предположил, как Оттавиано Фабрицио Моссотти и Иоганн Карл Фридрих Цёлльнер , что притяжение противоположно заряженных частиц сильнее отталкивания одинаково заряженных частиц. Результирующая результирующая сила и есть то, что известно как универсальная гравитация, в которой скорость гравитации равна скорости света. Лоренц подсчитал, что величина продвижения перигелия Меркурия была слишком низкой.

В конце 19 века лорд Кельвин задумался о возможности теории всего . Он предположил, что каждое тело пульсирует, что могло быть объяснением гравитации и электрических зарядов . Его идеи были в значительной степени механистическими и требовали существования эфира, который эксперимент Майкельсона-Морли не смог обнаружить в 1887 году. Это, в сочетании с принципом Маха , привело к гравитационным моделям, которые описывают действие на расстоянии .

Альберт Эйнштейн разработал свою революционную теорию относительности в статьях, опубликованных в 1905 и 1915 годах; они объясняют прецессию перигелия Меркурия. В 1914 год Гуннар Нордстрем попытка унифицировать гравитации и электромагнетизм в своей теории из пятимерной гравитации. Общая теория относительности была доказана в 1919 году, когда Артур Эддингтон наблюдал гравитационное линзирование вокруг солнечного затмения, что соответствовало уравнениям Эйнштейна. Это привело к тому, что теория Эйнштейна вытеснила ньютоновскую физику. После этого немецкий математик Теодор Калуца продвигал идею общей теории относительности с пятым измерением, которую в 1921 году шведский физик Оскар Кляйн дал физическую интерпретацию прототипной теории струн , возможной модели квантовой гравитации и потенциальной теории всего.

Уравнения поля Эйнштейна включают космологическую постоянную для объяснения предполагаемой статичности Вселенной . Однако в 1929 году Эдвин Хаббл заметил, что Вселенная расширяется. К 1930-м годам Поль Дирак разработал гипотезу о том, что гравитация должна медленно и неуклонно уменьшаться в течение истории Вселенной. Алан Гут и Алексей Старобинский предположили в 1980 году, что космическая инфляция в очень ранней Вселенной могла быть вызвана полем отрицательного давления , концепция, позже названная « темной энергией», - обнаруженная в 2013 году, составляла около 68,3% ранней Вселенной.

В 1922 году Якобус Каптейн предположил существование темной материи - невидимой силы, которая перемещает звезды в галактиках с более высокими скоростями, чем может объяснить только сила тяжести. В 2013 году было обнаружено, что она составляла 26,8% ранней Вселенной. Наряду с темной энергией темная материя является исключением из теории относительности Эйнштейна, и объяснение ее очевидных эффектов является требованием для успешной теории всего.

В 1957 году Герман Бонди предположил, что отрицательная гравитационная масса (в сочетании с отрицательной инертной массой) будет соответствовать строгому принципу эквивалентности общей теории относительности и законам движения Ньютона . Доказательство Бонди привело к свободным от сингулярностей решениям для уравнений относительности.

Ранние теории гравитации пытались объяснить планетные орбиты (Ньютон) и более сложные орбиты (например, Лагранжа). Затем последовали безуспешные попытки объединить гравитацию с волновой или корпускулярной теориями гравитации. С открытием преобразований Лоренца изменился весь ландшафт физики , и это привело к попыткам примирить его с гравитацией. В то же время физики-экспериментаторы приступили к проверке основ гравитации и теории относительности - лоренц-инвариантности , гравитационного отклонения света , эксперимента Этвёша . Эти соображения привели к развитию общей теории относительности .

Эйнштейн (1905, 1908, 1912)

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал серию статей, в которых он установил специальную теорию относительности и тот факт, что масса и энергия эквивалентны . В 1907 году Эйнштейн, описывая его как «самую счастливую мысль в моей жизни», осознал, что тот, кто находится в свободном падении, не испытывает гравитационного поля. Другими словами, гравитация в точности эквивалентна ускорению.

Публикация Эйнштейна из двух частей в 1912 году (и ранее в 1908 году) действительно важна только по историческим причинам. К тому времени он знал о гравитационном красном смещении и отклонении света. Он понял, что преобразования Лоренца неприменимы в целом, но сохранил их. Теория утверждает, что скорость света постоянна в свободном пространстве, но меняется в присутствии материи. Ожидалось, что теория верна только тогда, когда источник гравитационного поля неподвижен. Он включает принцип наименьшего действия :

${\ displaystyle \ delta \ int d \ tau = 0 \,}$

${\ displaystyle {d \ tau} ^ {2} = - \ eta _ {\ mu \ nu} \, dx ^ {\ mu} \, dx ^ {\ nu} \,}$

где - метрика Минковского , а по индексам и есть суммирование от 1 до 4 . ${\ displaystyle \ eta _ {\ mu \ nu} \,}$${\ displaystyle \ mu \,}$${\ Displaystyle \ ню \,}$

Эйнштейн и Гроссманн включают риманову геометрию и тензорное исчисление .

${\ displaystyle \ delta \ int d \ tau = 0 \,}$

${\ displaystyle {d \ tau} ^ {2} = - g _ {\ mu \ nu} \, dx ^ {\ mu} \, dx ^ {\ nu} \,}$

Уравнения электродинамики точно соответствуют уравнениям общей теории относительности. Уравнение

${\ displaystyle T ^ {\ mu \ nu} = \ rho {dx ^ {\ mu} \ over d \ tau} {dx ^ {\ nu} \ over d \ tau} \,}$

не входит в общую теорию относительности. Он выражает тензор энергии-импульса как функцию плотности вещества.

Лоренц-инвариантные модели (1905–1910)

Основываясь на принципе относительности , Анри Пуанкаре (1905, 1906), Герман Минковский (1908) и Арнольд Зоммерфельд (1910) пытались модифицировать теорию Ньютона и установить лоренц-инвариантный закон тяготения, в котором скорость гравитации равна скорости гравитации. свет. Как и в модели Лоренца, значение продвижения перигелия Меркурия было слишком низким.

Авраам (1912)

Тем временем Макс Абрахам разработал альтернативную модель гравитации, в которой скорость света зависит от напряженности гравитационного поля и поэтому изменяется почти везде. Обзор моделей гравитации, сделанный Абрахамом в 1914 году, считается превосходным, но его собственная модель была плохой.

Нордстрём (1912)

Первый подход Нордстрёма (1912) заключался в том, чтобы сохранить метрику Минковского и постоянное значение, но позволить массе зависеть от силы гравитационного поля . Позволяя этой напряженности поля удовлетворять ${\ displaystyle c \,}$${\ displaystyle \ varphi \,}$

${\ Displaystyle \ Box \ varphi = \ rho \,}$

где - энергия массы покоя, а - даламбертиан , ${\ Displaystyle \ rho \,}$${\ Displaystyle \ Box \,}$

${\ displaystyle m = m_ {0} \ exp \ left ({\ frac {\ varphi} {c ^ {2}}} \ right) \,}$

а также

${\ displaystyle - {\ partial \ varphi \ over \ partial x ^ {\ mu}} = {\ dot {u}} _ {\ mu} + {u _ {\ mu} \ over c ^ {2} {\ dot {\ varphi}}} \,}$

где - четырехскорость, а точка - дифференциал по времени. ${\ Displaystyle и \,}$

Второй подход Нордстрёма (1913) запомнился как первая логически последовательная релятивистская теория поля гравитации, когда-либо сформулированная. (запись от Pais not Nordström):

${\ displaystyle \ delta \ int \ psi \, d \ tau = 0 \,}$

${\ displaystyle {d \ tau} ^ {2} = - \ eta _ {\ mu \ nu} \, dx ^ {\ mu} \, dx ^ {\ nu} \,}$

где - скалярное поле, ${\ displaystyle \ psi \,}$

${\ displaystyle - {\ partial T ^ {\ mu \ nu} \ over \ partial x ^ {\ nu}} = T {1 \ over \ psi} {\ partial \ psi \ over \ partial x _ {\ mu}} \,}$

Эта теория лоренц-инвариантна, удовлетворяет законам сохранения, правильно сводится к ньютоновскому пределу и удовлетворяет принципу слабой эквивалентности .

Эйнштейн и Фоккер (1914)

Эта теория - первая трактовка Эйнштейном гравитации, в которой строго соблюдается общая ковариантность. Пишу:

${\ displaystyle \ delta \ int ds = 0 \,}$

${\ displaystyle {ds} ^ {2} = g _ {\ mu \ nu} \, dx ^ {\ mu} \, dx ^ {\ nu} \,}$

${\ displaystyle g _ {\ mu \ nu} = \ psi ^ {2} \ eta _ {\ mu \ nu} \,}$

они связывают Эйнштейна – Гроссмана с Нордстремом. Они также заявляют:

${\ Displaystyle T \, \ propto \, R \ ,.}$

То есть след тензора энергии напряжения пропорционален кривизне пространства.

Между 1911 и 1915 годами Эйнштейн развил идею о том, что гравитация эквивалентна ускорению, первоначально сформулированная как принцип эквивалентности , в свою общую теорию относительности, которая объединяет три измерения пространства и одно измерение времени в четырехмерную ткань пространство-время . Однако он не объединяет гравитацию с квантами - отдельными частицами энергии, существование которых Эйнштейн предположил в 1905 году.

Общая теория относительности

В общей теории относительности эффекты гравитации приписываются кривизне пространства-времени, а не силе. Отправной точкой для общей теории относительности является принцип эквивалентности, который приравнивает свободное падение к движению по инерции. Проблема, которую это создает, заключается в том, что свободно падающие объекты могут ускоряться относительно друг друга. Чтобы справиться с этой трудностью, Эйнштейн предположил, что пространство-время искривляется материей и что свободно падающие объекты движутся по локально прямым траекториям в искривленном пространстве-времени . В частности, Эйнштейн и Дэвид Гильберт открыли уравнения поля общей теории относительности, которые связывают наличие материи и кривизну пространства-времени. Эти уравнения полей представляют собой набор из 10 одновременных , нелинейных , дифференциальных уравнений . Решения уравнений поля являются компонентами метрического тензора пространства-времени, описывающего его геометрию. Геодезические пути пространства-времени вычисляются из метрического тензора.

Известные решения уравнений поля Эйнштейна включают:

• Решение Шварцшильда , которое описывает пространство-время, окружающее сферически симметричный невращающийся незаряженный массивный объект. Для объектов с радиусами меньше, чем радиус Шварцшильда , это решение генерирует черную дыру с центральной особенностью.
• Решение Рейсснера – Нордстрёма , в котором центральный объект имеет электрический заряд. Для зарядов с геометрической длиной меньше, чем геометрическая длина массы объекта, это решение создает черные дыры с горизонтом событий, окружающим горизонт Коши .
• Решение Керра для вращения массивных объектов. Это решение также создает черные дыры с несколькими горизонтами.
• Космологическое решение Робертсон-Уолкер , который предсказывает расширение Вселенной.

Общая теория относительности пользовалась большим успехом, потому что ее предсказания (не требуемые старыми теориями гравитации) регулярно подтверждались. Например:

• Общая теория относительности объясняет аномальную прецессию перигелия Меркурия.
• Гравитационное линзирование было впервые подтверждено в 1919 году, а в последнее время оно было подтверждено с помощью квазара, который проходит позади Солнца, если смотреть с Земли.
• Расширение Вселенной (предсказанное метрикой Робертсона – Уокера ) было подтверждено Эдвином Хабблом в 1929 году.
• Предсказание о том, что время течет медленнее при более низких потенциалах, было подтверждено экспериментами Паунда – Ребки , Хафеле – Китинга и GPS .
• Время задержки света , проходя вблизи массивного объекта был впервые идентифицирован Ирвин Шапиро в 1964 году в межпланетных сигналов космических аппаратов.
• Гравитационное излучение было косвенно подтверждено исследованиями двойных пульсаров, таких как PSR 1913 + 16 .
  • В 2015 году эксперименты LIGO напрямую зарегистрировали гравитационное излучение от двух сталкивающихся черных дыр , что сделало это первым прямым наблюдением как гравитационных волн, так и черных дыр.

Считается, что слияние нейтронных звезд (обнаруженное в 2017 году) и образование черных дыр также могут создавать заметное количество гравитационного излучения.

Квантовая гравитация

Спустя несколько десятилетий после открытия общей теории относительности стало понятно, что она не может быть полной теорией гравитации, потому что она несовместима с квантовой механикой . Позже стало понятно, что гравитацию можно описать в рамках квантовой теории поля, как и другие фундаментальные силы . В этих рамках сила притяжения гравитации возникает из-за обмена виртуальными гравитонами , точно так же, как электромагнитная сила возникает из-за обмена виртуальными фотонами . Это воспроизводит общую теорию относительности в классическом пределе , но только на линеаризованном уровне и постулирует, что условия применимости теоремы Эренфеста выполняются, что не всегда так. Более того, этот подход не работает на малых расстояниях порядка планковской длины .

Теоретические модели, такие как теория струн и петлевая квантовая гравитация, являются нынешними кандидатами на возможную «теорию всего».

Смотрите также

• Антигравитационный
• История физики

использованная литература

Сноски

Цитаты

Источники

• Гиллиспи, Чарльз Коулстон (1960). Грань объективности: очерк истории научных идей . Издательство Принстонского университета. ISBN 0-691-02350-6.