Teoria generală a relativității

Teoria generală a relativității

Nicolae Sfetcu

Publicat de Nicolae Sfetcu

Copyright 2018 Nicolae Sfetcu

Publicat de MultiMedia Publishing, www.telework.ro/ro/editura

ISBN: 978-606-9016-37-4

Textele sunt din Telework (surse: articole originale, cartea Fizica simplificată de Nicolae Sfetcu, site-ul NASA, texte din Wikipedia sub licență  CC BY-SA 3.0 traduse și adaptate de Nicolae Sfetcu, și alte surse) sub licență CC BY-SA 3.0.

Imagine copertă față: Analogia de rețea a deformării spațiu-timpului cauzată de gravitație unei mase planetare (Pământ). Credit NASA

Imagine copertă spate: Abell 2744, numit și cluster-ul Pandorei. Galaxiile din cluster reprezintă mai puțin de cinci procente din masa sa. Gazul (aproximativ 20%) este atât de fierbinte încât este vizibil numai în raze X (colorat în roșu în această imagine). Distribuția materiei întunecate invizibile (care reprezintă aproximativ 75% din masa clusterului) este colorată în albastru. Credit NASA

DECLINARE DE RESPONSABILITATE

Având în vedere posibilitatea existenței erorii umane sau modificării conceptelor științifice, nici autorul, nici editorul și nicio altă parte implicată în pregătirea sau publicarea lucrării curente nu pot garanta în totalitate că toate aspectele sunt corecte, complete sau actuale, și își declină orice responsabilitate pentru orice eroare ori omisiune sau pentru rezultatele obținute din folosirea informațiilor conținute de această lucrare.

Cu excepția cazurilor specificate în această carte, nici autorul sau editorul, nici alți autori, contribuabili sau alți reprezentanți nu vor fi răspunzători pentru daunele rezultate din sau în legătură cu utilizarea acestei cărți. Aceasta este o declinare cuprinzătoare a răspunderii care se aplică tuturor daunelor de orice fel, incluzând (fără limitare) compensatorii; daune directe, indirecte sau consecvente, inclusiv pentru terțe părți.

Înțelegeți că această carte nu intenționează să înlocuiască consultarea cu un profesionist educațional, juridic sau financiar licențiat. Înainte de a o utiliza în orice mod, vă recomandăm să consultați un profesionist licențiat pentru a vă asigura că faceți ceea ce este mai bine pentru dvs.

Această carte oferă conținut referitor la subiecte educaționale. Utilizarea ei implică acceptarea acestei declinări de responsabilitate.

Teoria generală a relativității

(Sonda Gravity B orbitând în jurul Pământului pentru a măsura spațiu-timpul, o descriere patru-dimensională a universului, incluzând înălțimea, lățimea, lungimea și timpul.)

În fizică, relativitatea generală este teoria gravitaţiei publicată de Albert Einstein în 1915. Potrivit relativităţii generale, forţa de gravitaţie este o manifestare a geometriei locale spaţiu-timp. Deşi teoria modernă se datorează lui Einstein, originile sale merg înapoi la axiomele geometriei euclidiene, şi multe încercări de-a lungul secolelor pentru a dovedi al cincilea postulat al lui Euclid, conform căruia liniile paralele rămân mereu echidistante, culminând cu realizarea lui Lobachevsky, Bolyai şi Gauss, care afirmă că această axiomă nu trebuie să fie adevărată. Matematica generală a geometriilor neeuclidiene a fost dezvoltată de către un elev a lui Gauss, Riemann, dar aceasta s-a considerat a fi în întregime inaplicabilă pentru lumea reală până când Einstein a dezvoltat teoria relativităţii.

Teoria specială a relativităţii (1905) a  modificat ecuaţiile utilizate în compararea măsurătorilor efectuate de către corpuri diferite în mişcare, având în vedere valoarea constantă a vitezei luminii, adică invarianţă sa observată în cadre de referinţă care se deplasează uniform în raport unul cu celălalt. Aceasta a avut drept consecinţă faptul că fizica nu a mai putut trata separat spaţiul şi timpul, ci doar într-un sistem de patru dimensioni, spaţiu-timp, care a fost împărţit în direcţii spaţale şi una temporală, diferite în funcţie de observatorul în mişcare. Teoria generală a adăugat la aceasta faptul că prezenţa materiei deformează mediul spaţiu-timp local, astfel încât aparentele linii drepte prin spaţiu şi timp au proprietăţi asemănate de noi cu linii curbe.

Unele predicții ale relativității generale diferă semnificativ de cele ale fizicii clasice, în special în ceea ce privește trecerea timpului, geometria spațiului, mișcarea corpurilor în cădere liberă și propagarea luminii. Exemple de astfel de diferențe includ dilatarea timpului gravitațional, lentila gravitațională, deplasarea spre roșu gravitațională a luminii și întârzierea gravitațională a timpului. Predicțiile relativității generale au fost confirmate în toate observațiile și experimentele de până acum. Deși relativitatea generală nu este singura teorie relativistă a gravitației, este cea mai simplă teorie și este conformă cu datele experimentale. Cu toate acestea, rămân întrebări fără răspuns, cea mai fundamentală fiind modul în care relativitatea generală poate fi reconciliată cu legile fizicii cuantice pentru a produce o teorie completă și auto-consecventă a gravitației cuantice.

Teoria lui Einstein are implicații importante astrofizice. De exemplu, ea implică existența găurilor negre - regiuni ale spațiului în care spațiul și timpul sunt distorsionate în așa fel încât nimic, nici măcar lumina, să nu poată scăpa - ca o stare finală pentru stelele masive. Există dovezi ample că radiațiile intense emise de anumite tipuri de obiecte astronomice se datorează găurilor negre; de exemplu, microquasarii și nucleele galactice active rezultă din prezența găurilor negre stelare și a găurilor negre supermasive. Curbarea luminii prin gravitație poate conduce la fenomenul de lentilă gravitațională, în care în cer sunt vizibile mai multe imagini ale aceluiași obiect astronomic îndepărtat. Relativitatea generală prezice, de asemenea, existența undelor gravitaționale, care au fost observate direct la LIGO. În plus, relativitatea generală este baza modelelor cosmologice actuale ale unui univers în continuă expansiune.

Istorie

Imediat după publicarea teoriei speciale a relativității în 1905, Einstein a început să se gândească la modul de a încorpora gravitația în noul său cadru relativist. În 1907, începând cu un simplu experiment de gândire care implica un observator în cădere liberă, el a început o cercetare de opt ani pentru o teorie relativistă a gravitației. După numeroase ocoluri și starturi false, lucrarea sa a culminat cu prezentarea, în noiembrie 1915, la Academia de Științe din Prusia, a ceea ce sunt acum cunoscute sub numele de ecuațiile de câmp Einstein. Aceste ecuații specifică modul în care geometria spațiului și a timpului este influențată de orice materie și radiație prezente, și formează nucleul teoriei generale a relativității lui Einstein.

Ecuațiile câmpului Einstein sunt neliniare și foarte greu de rezolvat. Einstein a folosit metode de aproximare în elaborarea predicțiilor inițiale ale teoriei. Dar, încă din 1916, astrofizicianul Karl Schwarzschild a găsit prima soluție non-trivială exactă a ecuațiilor câmpului Einstein, metrica Schwarzschild. Această soluție a pus bazele descrierii etapelor finale ale colapsului gravitațional și a obiectelor cunoscute astăzi ca găuri negre. În același an, au fost făcuți primii pași spre generalizarea soluției lui Schwarzschild pentru obiecte încărcate electric, ceea ce a dus în cele din urmă la soluția Reissner-Nordström, acum asociată cu găuri negre încărcate electric. În 1917, Einstein și-a aplicat teoria universului în ansamblu, inițiind domeniul cosmologiei relativiste. În conformitate cu gândirea contemporană, el a presupus un univers