Въведение в общата теория на относителността

Тази статия е за популярното обяснение. За научната статия вижте Обща теория на относителността.

---

Високоточен тест на общата теория на относителността от космическата сонда Касини-Хюйгенс (представа на художника): радиосигналите, изпратени между Земята и сондата (зелена вълна), се забавят поради изкривяването на пространство-времето (сини линии) поради масата на Слънцето

Общата теория на относителността (ОТО) е теория за гравитацията, разработена от Алберт Айнщайн между 1907 и 1915 г. Според ОТО наблюдаваният гравитационен ефект между масите е резултат от изкривяването на пространство-времето.

До началото на 20-ти век законът на Нютон за всеобщото привличане е приет повече от двеста години като единствено валидно описание на действието на гравитацията. В модела на Нютон тя е резултат от привличаща сила между масивни обекти. Въпреки че дори Нютон е бил обезпокоен от неизвестната природа на тази сила, теорията е изключително успешна при описването на движението на падащите тела.

Експериментите и наблюденията показват, че описанието на гравитацията на Айнщайн отчита няколко ефекта, които са необясними от закона на Нютон, като например малки аномалии в орбитите на Меркурий и други планети. ОТО също предвижда нови ефекти на гравитацията, като гравитационни вълни, гравитационни лещи и ефект на гравитацията върху времето, известно като гравитационно забавяне на времето. Много от тези предположения са потвърдени чрез експеримент или наблюдение. Едва през 2015 г. е потвърдено наличието на гравитационни вълни^[1].

ОТО се е превърнала в основен инструмент в съвременната астрофизика. Тя осигурява основата за сегашното разбиране за черните дупки – области от пространството, където гравитационният ефект е толкова силен, че дори светлината не може да излезе от тях. Смята се, че силната им гравитация е отговорна за интензивното излъчване от определени видове астрономически обекти (като активни галактически ядра или микроквазари). Общата теория на относителността също е част от стандартния космологичен модел на Големия взрив.

Въпреки че ОТО не е единствената релативистична теория на гравитацията, тя е най-простата, която е в съответствие с експерименталните данни. Въпреки това остават редица отворени въпроси, най-фундаменталният от които е как тя може да бъде съгласувана със законите на квантовата физика, за да се получи цялостна и последователна теория за квантовата гравитация.

От специална към обща теория на относителността

През септември 1905 г. Алберт Айнщайн публикува своята Специална теория на относителността (СТО), която обединява законите за движението на Нютон и електродинамиката (взаимодействието между обекти с електричен заряд). СТО променя законите на цялата физика, като предлага нови представи за пространството и времето.

Някои физици, включително Айнщайн, търсят теория, която да съгласува закона за гравитацията на Нютон и СТО. Само теорията на Айнщайн се оказва в съответствие с експериментите и наблюденията. За да се разберат основните идеи на теорията, е добре да се проследят идеите на Айнщайн между 1907 и 1915 г., от неговия прост мисловен експеримент, включващ наблюдател при свободно падане, до неговата напълно геометрична теория на гравитацията. Това е проследено например в ^[2], в ^[3] и в ^[4]. Сбито описание на Нютоновата гравитация има в ^[5]. Не е възможно да се определи дали проблемът с Нютоновата гравитация е занимавал Айнщайн преди 1907, но по собствените му думи сериозните му опити да я съчетае със СТО датират именно от тази година, вж. ^[6].

Човек в свободно падащ асансьор изпитва безтегловност. Обектите или плават неподвижно, или се носят с постоянна скорост. Тъй като всичко в асансьора пада заедно, не може да се наблюдава гравитационен ефект. По този начин преживяванията на наблюдател при свободно падане са неразличими от тези на наблюдател в открития космос, далеч от всеки значителен източник на гравитация. Такива наблюдатели са привилегированите („инерционни“) наблюдатели, описани от Айнщайн в неговата теория за специалната относителност: наблюдатели, за които светлината се движи по права линия с постоянна скорост. Това е подробно описано в глава 2 от ^[7].

Айнщайн предполага, че подобни преживявания на наблюдатели в безтегловност и инерционните наблюдатели в СТО представляват основно свойство на гравитацията. Той прави това основата на своята ОТО, дефинирана в принцип за еквивалентност. Грубо казано, принципът гласи, че човек в свободно падащ асансьор не може да разбере това. Всеки експеримент в такава свободно падаща среда има същите резултати, каквито би имал за наблюдател в покой или равномерно движещ се в открития космос, далеч от всички източници на гравитация. Макар принципът за еквивалентност продължава да е част от ОТО, в днешно време неговата версия малко се различава от концепцията на Айнщайн. ^[8].

Източници

1. Einstein's gravitational waves found at last: LIGO 'hears' space-time ripples produced by black-hole collision.
2. Renn 2005, с. 110.
3. Pais 1982, с. глави 9 – 15.
4. Janssen 2005.
5. Schutz 2003, с. глави 2 – 4.
6. Pais 1982, с. 178.
7. Wheeler 1990.
8. Norton 1985.

Литература

• Janssen, Michel (2005). Of pots and holes: Einstein's bumpy road to general relativity. – Annalen der Physik, 14(S1), 58 – 85, Bibcode 2005AnP...517S..58J, doi:10.1002/andp.200410130, архив на оригинала от 13 юли 2017, https://netfiles.umn.edu/users/janss011/home%20page/potsandholes.pdf, посетен на 20 октомври 2021 
• Norton, John D. (1985). What was Einstein's principle of equivalence?. – Studies in History and Philosophy of Science, 16(3), 203 – 246, doi:10.1016/0039 – 3681(85)90002 – 0, http://www.pitt.edu/~jdnorton/papers/ProfE_re-set.pdf, посетен на 11 юни 2007 
• Pais, Abraham (1982). 'Subtle is the Lord ...' The Science and life of Albert Einstein. Oxford University Press, ISBN 0-19-853907-X, https://archive.org/details/subtleislordscie00pais 
• Renn, Jürgen (ed) (2005). Albert Einstein – Chief Engineer of the Universe: Einstein's Life and Work in Context. Berlin: Wiley-VCH, ISBN 3-527-40571-2 
• Schutz, Bernard F. (2003). Gravity from the ground up. Cambridge University Press, ISBN 0-521-45506-5 
• Wheeler, John A. (1990). A Journey Into Gravity and Spacetime, Scientific American Library. San Francisco: W. H. Freeman, ISBN 0-7167-6034-7 

Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата Introduction to general relativity в Уикипедия на английски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс – Признание – Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година – от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите. ​ ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни.​