Հարաբերականության ընդհանուր տեսություն

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
10 Արեգակի զանգված ունեցող սև խոռոչի պատկերը Ծիր Կաթինում

Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը 1915 թվականին[1] Ալբերտ Այնշտայնի հրատարակած գրավիտացիայի երկրաչափական տեսությունն է[2] և գրավիտացիայի այժմյան նկարագրությունը ժամանակակից ֆիզիկայում։

Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը ընդհանրացնում է հարաբերականության հատուկ տեսությունը և Նյուտոնի տիեզերական ձգողականության օրենքը՝ ապահովելով գրավիտացիայի միասնական նկարագրությունը որպես տարածության և ժամանակի կամ տարածաժամանակի երկրաչափական հատկություն։

Մասնավորապես, տարածաժամանակի կորությունը ուղղակիորեն կապված է էներգիայի և իմպուլսի հետ՝ անկախ նյութի և ճառագայթման ներկայությունից։ Այս առնչությունը հատկորոշվում է Այնշտայնի դաշտի հավասարումներով, որոնք մասնակի դիֆերենցիալ հավասարումների համակարգ են։

Հարաբերականության ընդհանուր տեսության որոշ կանխատեսումներ տարբերվում են դասական ֆիզիկայի կանխատեսումներից՝ հատկապես ժամանակի ընթացքի, տարածության երկրաչափության, ազատ անկման ընթացքում մարմինների շարժման և լույսի տարածման դեպքում։ Նման տարբերությունների օրինակ են ժամանակի գրավիտացիոն դանդաղումը, գրավիտացիոն ոսպնյակները, լույսի գրավիտացիոն կարմիր շեղումը, Շապիրոյի էֆեկտը։ Հարաբերականության ընդհանուր տեսության կանխատեսումները հաստատվել են բոլոր փորձերով և դիտարկումներով։ Չնայած հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը գրավիտացիայի միակ ռելյատիվիստական տեսությունը չէ, այն ամենապարզ տեսությունն է, որը համապատասխանում է փորձնական տվյալներին։ Սակայն անպատասխան հարցեր էլ կան, որոնցից ամենահիմնարարը՝ թե ինչպես կարելի է հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը համատեղվեծ քվանտային մեխանիկայի օրենքների հետ՝ ստեղծելու համար քվանտային գրավիտացիայի ավարտուն ևհակասություններից զերծ տեսություն։

Այնշտայնի տեսությունը աստղագիտության համար կարևոր հետևանքներ ունեցավ։ Օրինակ, նրանից բխում է սև խոռոչների՝ զանգվածեղ աստղերի վերջնական վիճակի գոյությունը՝ տարածության տիրույթներ, որոնցում տարածությունը և ժամանակն այնպես են աղճատված, որ այնտեղից ոչինչ, նույնիսկ լույսը, չի կարող դուրս պրծնել։ Կան բավարար տվյալներ այն մասին, որ որոծ աստղային մարմիններից առաքվող ուժեղ ճառագայթումը սև խոռոչների պատճառով է․ օրինակ՝ միկրոքվազարները և գալակտիկաների ակտիվ միջուկները աստղային սև խոռոչների և գերզանգվածեղ սև խոռոչների ներկայության արդյունք են։ Գրավիտացիայի հետևանքով լույսի կորացումը կարող է հանգեցնել գրավիտացիոն ոսպնյակների երևույթի գոյությանը։ Այդ ոսպնյակներով երկնքում տեսանելի էն միևնույն հեռավոր աստղային մարմնի բազմաթիվ պատկերները։ Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը նաև կանխատեսում է գրավիտացիոն ալիքների գոյությունը, որոնք մինչ այժմ նկատվել են անուղղակիորեն, իսկ ուղղակի չափումները այնպիսի նախագծերի նպատակ են, ինչպես LIGO֊ն (գրավիտացիոն ալիքների լազերային֊ինտերֆերամետրային աստղադիտարան) և LISA֊ն (լազերային֊ինտերֆերամետրային տիեզերական անտեննա)։ Բացի այդ, հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը ընդարձակվող տիեզերքի մոդելների ժամանակակից ֆիզիկական տիեզերագիտության հիմքն է։

Պատմություն[խմբագրել]

Հարաբերականության հատուկ տեսության հրապարակումից (1905 թվական) շատ չանցած Այնշտայնը սկսեց մտածել գրավիտացիան իր նոր ռելյատիվիստական համակարգում ներառելու մասին։ 1907 թվականին Այնշտայնը պարզ մտային փորձ է սկսում ազատ անկման մեջ գտնվող դիտորդի մասին, որը վերածվում է գրավիտացիայի ռելյատիվիստական տեսության ութամյա որոնումների։ Մի քանի անհաջող փորձերից հետո, վերջապես, 1915 թվականի նոյեմբերին Այնշտայնը Պրուսիայի գիտությունների ակադեմիային ներկայացրեց իր աշխատանքը, որն այժմ հայտնի է Այնշտայնի դաշտի հավասարումներ անունով։ Այս հավասարումներով հատկորոշվում է նյութի և ճառագայթման առկայության ազդեցությունը տարածության և ժամանակի երկրաչափության վրա։ Դրանք են կազմում Այնշտայնի ընդհանուր հարաբերականության տեսության կորիզը[3][4]։

Այնշտայնի դաշտի հավասարումները ոչ գծային դիֆերենցիալ հավասարումներ են և դրանց լուծումը շատ դժվար է։ Որպեսզի տեսության սկզբնական կանխատեսումներն աշխատեն, Այնշտայնը մոտավոր մեթոդներ կիրառեց։ 1916 թվականին աստղաֆիզիկոս Կառլ Շվարցշիլդը գտավ Այնշտայնի դաշտի հավասարումների առաջին ոչ տրիվիալ, ճշգրիտ լուծումը՝ այսպես կոչված Շվարցշիլդի չափականությունը։ Այս լուծումն ընկած է գրավիտացիոն կոլապս գրավիտացիոն կոլապսների վերջնական փուլի և սև խոռոչներ անունով հայտնի մարմինների նկարագրման հիմքում։ Միևնույն տարում Շվարցշիլդի լուծման ընդհանրացումների առաջին քայլերն արվեցին էլեկտրականապես լիցքավորված մասնիկների համար։ Դրա վերջնական արդյունքը՝ Ռայսներ֊Նորդսթյորմի լուծում, այժմ վերաբերում է էլեկտրականապես լիցքավորված սև խոռոչներին։[5][6][7][8]։

1917 թվականին Այնշտայնն իր տեսությունը կիրառեց տիեզերքի վրա՝ սկիզբ դնելով ռելյատիվիստական տիեզերագիտությանը։ Ժամանակի մտածելակերպին հարազատ մնալով՝ հան ենթադրում էր, որ տիեզերքը ստատիկ է, ուստի սկզբնական դաշտի հավասարումներում ներառեց նոր պարամետր՝ կոսմոլոգիական հաստատունը, որպեսզի տեսությունը համապատասխանի դիտարկման արդյունքներին[9][10]։ Սակայն 1929 թվականին Հաբլի և մյուսների փորձերը ցույց տվեցին, որ մեր տիեզերքն ընդարձակվում է։ Սա հեշտությամբ նկարագրվում է Ֆրիդմանի 1922 թվականի լուծումներով, որոնցում կոսմոլոգիական հաստատունը չի պահանջվում։ Այս լուծումները կիրառեց Լեմետրը՝ ձևակերպելու համար Մեծ Պայթյունի մոդելների ամենավաղ տարբերակը, ըստ որի՝ մեր տիեզերքը զարգացել է խիստ տաք և խիտ վիճակից[11][12]։ Ավելի ուշ Այնշտայնը հայտարարեց, որ կոսմոլոգիական հաստատունն իր կյանքի ամենամեծ սխալն էր։

Այս ընթացքում հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը ֆիզիկական տեսությունների մեջ ամենաարտառոցն էր։ Այն առավելություն ուներ նյուտոնյան գրավիտացիայի հանդեպ, քանի որ համաձայնեցվում էր հարաբերականության հատուկ տեսության հետ և բացատրում էր մի շարք էֆեկտներ, որոնք հնարավոր չէր բացատրել նյուտոնյան տեսության շրջանակներում։ 1915 թվականին Այնշտայնն ինքը ցույց տվեց, թե ինչպես է իր տեսությունը բացատրում Մերկուրիի պրեցեսիան[13]։ 1919 թվականի մայիսի 29-ի լրիվ խավարման ժամանակ Արթուր Էդինգտոնի գլխավորած հետազոտական արշավախումբը հաստատեց, որ Արեգակը շեղում է աստղերից եկող լույսը, ինչպես որ կանխատեսել էր հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը[14][15]: Դրա հետևանքով Այնշտայնը միանգամից հայտնի դարձավ[16]։ Սակայն տեսական ֆիզիկայում և աստղաֆիզիկայում տեսությունն ընդունվեց միայն մոտ 1960֊ից 1975 թվականների զարգացումների ընթացքում, ինչն այժմ հայտնի է հարաբերականության ընդհանուր տեսության ոսկե դարաշրջանը անունով[17]։ Ֆիզիկոսները սկսեցին հասկանալ սև խոռոչների և քվազարների բնույթը[18][19]։ Արեգակնային համակարգին վերաբերող ավելի ճշգրիտ փորձերով նույնպես հաստատվեց տեսության՝ կանխատեսումներ անելու հզոր ունակությունը, և ռելյատիվիստական տիեզերագիտությունը նույնպես մատչելի դարձավ աստղագիտական ուղղակի թեստերի համար։

Դասական մեխանիկայից մինչև հարաբերականության ընդհանուր տեսություն[խմբագրել]

Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը կարելի է հասկանալ՝ համեմատելով նրան նմանություններն ու տարբերությունները դասական ֆիզիկայի հետ։ Առաջին քայլը ըմբռնելն է, որ դասական մեխանիկան և Նյուտոնի ձգողության օրենքը թույլ են տալիս երկրաչափական նկարագրություն։ Այս նկարագրության և հարաբերականության հատուկ տեսության օրենքների համակցության արդյունքում արտածվում է հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը[20]։

Նյուտոնյան գրավիտացիայի երկրաչափությունը[խմբագրել]

Հարաբերականության ընդհանուր տեսության համաձայն, մարմինների վարքը գրավիտացիոն դաշտում նման ա էրագացող միջավայրում մարմիննեի վարքին։ Օրինակ, հրթիռում գտնվող դիտորդը (ձախում) գնդակի անկումը կտեսնի նույն կերպ, ինչպես Երկրի վրա (աջում), պայմանով, որ հրթիռի արագացումը 9,8 մ/վ2 է (արագացումը Երկրի մակերևույթին պայմանավորված է գրավիտացիայով

Դասական մեխանիկայի տեսանկյունից մարմնի շարժումը կարող է նկարագրվել որպես ազատ շարժում և շեղումներ այս ազատ շարժումից։ Այդ շեղումների պատճառը մարմնի վրա ազդող արտաքին ուժն է, որն ըստ lշարժման օրենքի, հավասար է մարմնի զանգվածի և արագացման արտադրյալին[21]։ Շարժումը կապված է տարածության և ժամանակի երկրաչափության հետ․ սովորական հաշվարկման համակարգերում ազատ շարժվող մարմինները ուղղագիծ շարժվում են հաստատուն արագությամբ։ Ժամանակակից բառապաշարով ասած, նրանց հետագծերը գեոդեզիակներ են՝ ուղիղ համաշխարհային գծեր կորացած տարածաժամանակում[22]։

Ծանոթագրություններ[խմբագրել]

  1. O'Connor, J.J. and E.F. Robertson (1996), "General relativity". Mathematical Physics index, School of Mathematics and Statistics, University of St. Andrews, Scotland, May, 1996. Retrieved 2015-02-04.
  2. «Nobel Prize Biography»։ Nobel Prize Biography։ Nobel Prize։ http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/einstein-bio.html։ Վերցված է 25 February 2011։ 
  3. Pais, Abraham (1982), 'Subtle is the Lord...' The Science and life of Albert Einstein, Oxford University Press, ISBN 0-19-853907-X
  4. Einstein, Albert (1907), "Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogene Folgerungen", Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 4: 411, retrieved 2008-05-05
  5. Schwarzschild, Karl (1916a), "Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie", Sitzungsber. Preuss. Akad. D. Wiss.: 189–196
  6. Schwarzschild, Karl (1916b), "Über das Gravitationsfeld eines Kugel aus inkompressibler Flüssigkeit nach der Einsteinschen Theorie", Sitzungsber. Preuss. Akad. D. Wiss.: 424–434
  7. Reissner, H. (1916), "Über die Eigengravitation des elektrischen Feldes nach der Einsteinschen Theorie", Annalen der Physik 355 (9): 106–120, Bibcode:1916AnP...355..106R, doi:10.1002/andp.19163550905
  8. Nordström, Gunnar (1918), "On the Energy of the Gravitational Field in Einstein's Theory", Verhandl. Koninkl. Ned. Akad. Wetenschap., 26: 1238–1245
  9. Einstein, Albert (1917), "Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie", Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften: 142
  10. Pais, Abraham (1982), 'Subtle is the Lord...' The Science and life of Albert Einstein, ch. 15e, Oxford University Press, ISBN 0-19-853907-X
  11. Hubble, Edwin (1929), "A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae", Proc. Nat. Acad. Sci. 15 (3): 168–173, Bibcode:1929PNAS...15..168H, doi:10.1073/pnas.15.3.168, PMC 522427, PMID 16577160
  12. <Singh, Simon (2004), Big Bang: The Origin of the Universe, Fourth Estate, ISBN 0-00-715251-5/>
  13. Pais, Abraham (1982), 'Subtle is the Lord...' The Science and life of Albert Einstein, pp. 253-254, Oxford University Press, ISBN 0-19-853907-X
  14. Kennefick, Daniel (2005), "Astronomers Test General Relativity: Light-bending and the Solar Redshift", in Renn, Jürgen, One hundred authors for Einstein, Wiley-VCH, pp. 178–181, ISBN 3-527-40574-7
  15. Kennefick, Daniel (2007), "Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition", Proceedings of the 7th Conference on the History of General Relativity, Tenerife, 2005 0709, p. 685, arXiv:0709.0685, Bibcode:2007arXiv0709.0685K
  16. Pais, Abraham (1982), 'Subtle is the Lord...' The Science and life of Albert Einstein, ch. 16, Oxford University Press, ISBN 0-19-853907-X
  17. (2003) "Warping spacetime", The future of theoretical physics and cosmology: celebrating Stephen Hawking's 60th birthday։ Cambridge University Press, 74։ ISBN 0-521-82081-2։ , Extract of page 74
  18. Israel, Werner (1987), "Dark stars: the evolution of an idea", in Hawking, Stephen W.; Israel, Werner, 300 Years of Gravitation, Cambridge University Press, pp. 199–276, ISBN 0-521-37976-8
  19. Thorne, Kip S. (1994), Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy, W W Norton & Company, ISBN 0-393-31276-3
  20. Ehlers, Jürgen (1973), "Survey of general relativity theory", in Israel, Werner, Relativity, Astrophysics and Cosmology, D. Reidel, pp. 1–125, ISBN 90-277-0369-8
  21. Arnold, V. I. (1989), Mathematical Methods of Classical Mechanics, Springer, ISBN 3-540-96890-3
  22. Ehlers, Jürgen (1973), "Survey of general relativity theory", in Israel, Werner, Relativity, Astrophysics and Cosmology, D. Reidel, pp. 1–125,