История общей теории относительности

Общая теория относительности — это теория гравитации , разработанная Альбертом Эйнштейном между 1907 и 1915 годами с участием многих других людей после 1915 года. Согласно общей теории относительности, наблюдаемое гравитационное притяжение между массами является результатом деформации пространства и времени этими массами.

До появления общей теории относительности закон всемирного тяготения Ньютона более двухсот лет считался действительным описанием силы гравитации между массами, хотя сам Ньютон не считал эту теорию последним словом в природе гравитации. . В течение столетия после формулировки Ньютона тщательные астрономические наблюдения выявили необъяснимые различия между теорией и наблюдениями. Согласно модели Ньютона, гравитация была результатом силы притяжения между массивными объектами. Хотя даже Ньютона беспокоила неизвестная природа этой силы, базовая концепция чрезвычайно успешно описывала движение.

Однако эксперименты и наблюдения показывают, что описание Эйнштейна объясняет несколько эффектов, необъяснимых законом Ньютона, таких как мельчайшие аномалии на орбитах Меркурия и других планет. Общая теория относительности также предсказывает новые эффекты гравитации, такие как гравитационные волны , гравитационное линзирование и влияние гравитации на время, известное как гравитационное замедление времени . Многие из этих предсказаний были подтверждены экспериментами или наблюдениями, а другие являются предметом продолжающихся исследований.

Общая теория относительности превратилась в важный инструмент современной астрофизики. Это обеспечивает основу для нынешнего понимания черных дыр — областей космоса, где гравитационное притяжение настолько сильно, что даже свет не может покинуть их. Считается, что их сильная гравитация ответственна за интенсивное излучение, испускаемое некоторыми типами астрономических объектов (такими как активные ядра галактик или микроквазары ). Общая теория относительности также является частью стандартной космологической модели Большого взрыва.

Создание общей теории относительности

расследования

Первая релятивистская теория гравитации была предложена Анри Пуанкаре в 1905 году. Он опубликовал теорию лоренц-инвариантов в четырехмерном пространстве-времени, где гравитация передается гравитационными волнами , движущимися со скоростью света.

Как позже сказал Эйнштейн, причиной развития общей теории относительности было предпочтение движения по инерции в рамках специальной теории относительности , в то время как теория, которая с самого начала не предпочитала никакого конкретного состояния движения, казалась ему более удовлетворительной. Итак, еще работая в патентном бюро в 1907 году, Эйнштейну пришла в голову, как он выразился, «самая счастливая мысль». Он понял, что принцип относительности можно распространить на гравитационные поля.

Следовательно, в 1907 году он написал статью об ускорении в рамках специальной теории относительности, опубликованную в 1908 году. В этой статье он утверждал, что свободное падение на самом деле является движением по инерции и что к свободно падающему наблюдателю должны применяться правила специальной теории относительности. Этот аргумент называется принципом эквивалентности . В той же статье Эйнштейн также предсказал явление гравитационного замедления времени.

В 1911 году Эйнштейн опубликовал еще одну статью, дополняющую статью 1907 года. Там он рассмотрел случай равномерно ускоренного ящика, не находящегося в гравитационном поле, и отметил, что он будет неотличим от ящика, неподвижно находящегося в неизменном гравитационном поле. Он использовал специальную теорию относительности, чтобы показать, что часы наверху коробки, ускоряющиеся вверх, будут идти быстрее, чем часы внизу. Он пришел к выводу, что скорость течения времени зависит от положения в гравитационном поле и что разница в скорости в первом приближении пропорциональна гравитационному потенциалу.

В статье также предсказано отклонение света массивными телами, например, Юпитером, Солнцем. Хотя приближение было грубым, оно позволило ему вычислить, что отклонение не равно нулю. Эйнштейн призвал астрономов попытаться напрямую наблюдать за отклонением света неподвижных звезд вблизи Солнца во время солнечных затмений, когда они будут видны. Немецкий астроном Эрвин Финлей-Фрейндлих рассказал о вызове Эйнштейна ученым всего мира.

В октябре 1911 года Фрейндлих связался с астрономом Чарльзом Д. Перрином в Берлине, чтобы узнать, можно ли исследовать существующие фотографии солнечного затмения, чтобы доказать предсказание Эйнштейна об отклонении света. Перрин, директор Аргентинской национальной обсерватории участвовал в четырех экспедициях по солнечному затмению в Кордове, в Ликской обсерватории в 1900, 1901, 1905 и 1908 годах. «...он стал, по мнению директора Ликской обсерватории, У. В. Кэмпбелл , наблюдатель, которому нет равных в области солнечных затмений». Он не верил, что существующие фотографии затмения будут полезны для доказательства утверждения Эйнштейна. В 1912 году Фрейндлих спросил, включит ли Перрин наблюдение отклонения света в свою программу солнечного затмения 10 октября 1912 года в Бразилии. У. В. Кэмпбелл, директор Ликской обсерватории, одолжил Перрин линзы внутриртутной камеры. Перрин и команда Кордовы были единственной экспедицией по затмению, создавшей специализированное оборудование, предназначенное для наблюдения за отклонением света. К сожалению, во всех экспедициях прошел сильный дождь, который помешал проведению наблюдений. Тем не менее Перрин был первым астрономом, предпринявшим целенаправленную попытку наблюдать отклонение света, чтобы проверить предсказание Эйнштейна.

Два года спустя три директора обсерваторий, Перрин, Фрейндлих и Кэмпбелл, включили отклонение света в свои экспедиции в Российскую империю для наблюдения за солнечным затмением 21 августа 1914 года. К сожалению, из-за облаков и начала Первой мировой войны результатов не было. возможный. Однако Перрин смог сделать первые фотографии, пытаясь проверить предсказание Эйнштейна об отклонении света. Легкая облачность не позволила определить точное положение звезд.

Оглядываясь назад, можно сказать, что ненастная погода и отсутствие результатов в 1912 и 1914 годах благоприятствовали Эйнштейну. Если бы были возможны четкие фотографии и измеримые результаты, предсказание Эйнштейна 1911 года могло бы оказаться ошибочным. Величина отклонения, которую он рассчитал в 1911 году, была слишком мала (0,83 угловых секунды) в два раза, потому что использованное им приближение не работает хорошо для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Когда Эйнштейн завершил полную теорию общей теории относительности в 1915 году, он исправил эту ошибку и предсказал правильную величину отклонения света, вызванного Солнцем (1,75 угловых секунды). Эддингтон и Дайсон в 1919 году. и У. В. Кэмпбелл в 1922 году. смогли сравнить свои результаты с исправленным предсказанием Эйнштейна.

Еще один из известных мысленных экспериментов Эйнштейна о природе гравитационного поля — эксперимент с вращающимся диском (вариант парадокса Эренфеста ). Он представил наблюдателя, проводящего эксперименты на вращающемся проигрывателе. Он отметил, что такой наблюдатель нашел бы другое значение математической константы π, чем то, которое предсказывает евклидова геометрия. Причина в том, что радиус круга можно было бы измерить с помощью несжатой линейки, но, согласно специальной теории относительности, окружность будет казаться длиннее, потому что линейка будет суженной. Поскольку Эйнштейн считал, что законы физики локальны и описываются локальными полями, из этого он пришел к выводу, что пространство-время может быть локально искривлено. Это побудило его изучить риманову геометрию и сформулировать на этом языке общую теорию относительности.

Развитие

Фотография солнечного затмения, сделанная Эддингтоном , подтвердившая теорию Эйнштейна о том, что свет «игнется».

Газета New York Times сообщила о подтверждении «теории Эйнштейна» (в частности, отклонения света под действием гравитации) на основе наблюдений затмений 29 мая 1919 года в Принсипи (Африка) и Собрале (Бразилия), после того как результаты были представлены 6 ноября 1919 года совместное заседание в Лондоне Королевского общества и Королевского астрономического общества . ( Полный текст )

В 1912 году Эйнштейн вернулся в Швейцарию, чтобы занять должность профессора в своей альма-матер , ETH Zurich . Вернувшись в Цюрих, он сразу же навестил своего старого однокурсника по ETH Марселя Гроссмана , ныне профессора математики, который познакомил его с римановой геометрией и, в более общем плане, с дифференциальной геометрией . По рекомендации итальянского математика Туллио Леви-Чивита Эйнштейн начал исследовать полезность общей ковариантности (по сути, использования тензоров ) для своей теории гравитации. Какое-то время Эйнштейн думал, что с этим подходом есть проблемы, но позже он вернулся к нему и к концу 1915 года опубликовал свою общую теорию относительности в том виде, в котором она используется сегодня. Эта теория объясняет гравитацию как искажение структуры пространства-времени материей, влияющее на инерционное движение другой материи.

Во время Первой мировой войны работы ученых Центральных держав были доступны только ученым Центральных держав по соображениям национальной безопасности. Некоторые из работ Эйнштейна действительно достигли Соединенного Королевства и Соединенных Штатов благодаря усилиям австрийца Пауля Эренфеста и физиков из Нидерландов, особенно лауреата Нобелевской премии 1902 года Хендрика Лоренца и Виллема де Ситтера из Лейденского университета . После войны Эйнштейн сохранил отношения с Лейденским университетом, приняв контракт в качестве экстраординарного профессора ; в течение десяти лет, с 1920 по 1930 год, он регулярно ездил в Нидерланды с лекциями.

В 1917 году несколько астрономов приняли вызов Эйнштейна, сделанный в Праге в 1911 году. Обсерватория Маунт-Вилсон в Калифорнии, США, опубликовала результаты солнечного спектроскопического анализа, которые не выявили гравитационного красного смещения. В 1918 году Ликская обсерватория , также находящаяся в Калифорнии, объявила, что она тоже опровергла предсказание Эйнштейна, хотя ее выводы не были опубликованы.

Однако в мае 1919 года группа под руководством британского астронома Артура Стэнли Эддингтона заявила, что подтвердила предсказание Эйнштейна о гравитационном отклонении звездного света Солнцем во время фотографирования солнечного затмения с помощью двойной экспедиции в Собрале , северная Бразилия, и Принсипи , западноафриканский регион. остров. Нобелевский лауреат Макс Борн назвал общую теорию относительности «величайшим достижением человеческого мышления о природе»; Был процитирован коллега-лауреат Поль Дирак, который сказал, что это «вероятно, величайшее научное открытие, когда-либо сделанное».

Были утверждения, что изучение конкретных фотографий, сделанных во время экспедиции Эддингтона, показало, что экспериментальная неопределенность сопоставима с величиной эффекта, который, по утверждениям Эддингтона, продемонстрирован, и что британская экспедиция 1962 года пришла к выводу, что этот метод по своей сути ненадежен. Отклонение света во время солнечного затмения было подтверждено более поздними, более точными наблюдениями. Некоторые возмущались славой новичка, особенно некоторые немецкие физики-националисты, которые позже основали движение Deutsche Physik (Немецкая физика).

аргумент

К 1912 году Эйнштейн активно искал теорию, в которой гравитация объяснялась бы как геометрическое явление. По настоянию Туллио Леви-Чивита Эйнштейн начал с изучения использования общей ковариантности (которая, по сути, представляет собой использование тензоров кривизны ) для создания теории гравитации. Однако в 1913 году Эйнштейн отказался от этого подхода, заявив, что он несовместим с « аргументом дырки ». В 1914 году и на протяжении большей части 1915 года Эйнштейн пытался создать уравнения поля, основанные на другом подходе. Когда оказалось, что этот подход несостоятелен, Эйнштейн вновь обратился к концепции общей ковариации и обнаружил, что аргумент дырок ошибочен.

Разработка

Основная статья: уравнения поля Эйнштейна

Когда Эйнштейн понял, что общая ковариация обоснована, он быстро завершил разработку уравнений поля, названных в его честь. Однако он совершил теперь уже известную ошибку. Уравнения поля, которые он опубликовал в октябре 1915 года, были следующими:

$R_{\mu \nu }=\kappa T_{\mu \nu }\,$,

где $R_{\mu \nu }$ – тензор Риччи , $T_{\mu \nu }$ тензор энергии -импульса и $\kappa$ Эйнштейна гравитационная постоянная . Это предсказало неньютоновскую прецессию перигелия Меркурия . , что очень взволновало Эйнштейна Однако вскоре это было реализовано что они несовместимы с локальным сохранением энергии-импульса, если только Вселенная не имеет постоянной плотности массы-энергии-импульса. Другими словами, воздух, камень и даже вакуум должны иметь одинаковую плотность. Это несоответствие наблюдениям отправило Эйнштейна обратно к чертежной доске, и 25 ноября 1915 года Эйнштейн представил обновленные уравнения поля Эйнштейна Прусской академии наук :

$R_{\mu \nu }-{1 \over 2}Rg_{\mu \nu }=\kappa T_{\mu \nu }$,

где $R$ является скаляром Риччи и $g_{\mu \nu }$ метрический тензор . С публикацией уравнений поля встал вопрос об их решении для различных случаев и интерпретации решений. С тех пор это и экспериментальное подтверждение доминируют в исследованиях общей теории относительности.

Эйнштейн и Гильберт

Основная статья: Спор о приоритете общей теории относительности

В последний год работы Эйнштейна над общей теорией относительности он встретился и переписывался с немецким математиком Давидом Гильбертом . Гильберт работал над единой теорией поля, основанной на идеях Густава Ми ; он вывел теорию общей относительности на основе элегантного вариационного принципа почти одновременно с открытием этой теории Эйнштейном. Выбор времени для переписки и публикаций позволил провести ряд углубленных исторических анализов.

Сэр Артур Эддингтон

В первые годы после публикации теории Эйнштейна сэр Артур Эддингтон пользовался своим значительным авторитетом в британском научном истеблишменте, стремясь поддержать работу этого немецкого ученого. Поскольку теория была настолько сложной и заумной (даже сегодня ее в народе считают вершиной научной мысли; в первые годы это было тем более), ходили слухи, что ее поняли только три человека в мире. По этому поводу был поучительный, хотя, вероятно, апокрифический анекдот. По словам Людвика Зильберштейна , во время одной из лекций Эддингтона он спросил: «Профессор Эддингтон, вы, должно быть, один из трех человек в мире, кто понимает общую теорию относительности». Эддингтон помолчал, не в силах ответить. Зильберштейн продолжил: «Не скромничайте, Эддингтон!» Наконец Эддингтон ответил: «Напротив, я пытаюсь подумать, кто третий человек».

Решения

Решение Шварцшильда

Поскольку уравнения поля нелинейны , Эйнштейн предположил, что они неразрешимы. Однако Карл Шварцшильд открыл в 1915 году и опубликовал в 1916 году. точное решение для случая сферически-симметричного пространства-времени, окружающего массивный объект в сферических координатах . Теперь это известно как решение Шварцшильда . С тех пор было найдено много других точных решений.

Вселенная и

Основная статья: Космологическая постоянная

В 1922 году Александр Фридман нашел решение, согласно которому Вселенная может расширяться или сжиматься, а позже Жорж Леметр нашел решение для расширяющейся Вселенной. Однако Эйнштейн считал, что Вселенная статична, и, поскольку статическая космология не поддерживалась общими уравнениями релятивистского поля, он добавил космологическую постоянную $\Lambda$ к уравнениям поля, которые стали:

$R_{\mu \nu }-{1 \over 2}Rg_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }=\kappa T_{\mu \nu }$.

Это позволило создать стационарные решения , но они были нестабильными: малейшее возмущение статического состояния привело бы к расширению или сжатию Вселенной. В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил доказательства расширения Вселенной. Это привело к тому, что Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав ее «самой большой ошибкой в ​​​​моей карьере». было специальной В то время добавление космологической постоянной гипотезой, поскольку оно предназначалось только для обоснования одного результата (статической Вселенной).

Более точные решения

Прогресс в решении уравнений поля и понимании решений продолжается. Решение для сферически-симметричного заряженного объекта было обнаружено Рейсснером, а затем переоткрыто Нордстремом и называется решением Рейсснера-Нордстрёма . Аспект черной дыры в решении Шварцшильда был очень спорным, и Эйнштейн не верил, что сингулярности могут быть реальными. Однако в 1957 году (через два года после смерти Эйнштейна) Мартин Крускал опубликовал доказательство того, что черные дыры необходимы для решения Шварцшильда. Кроме того, решение для вращающегося массивного объекта было получено Роем Керром в 1960-х годах и называется решением Керра . Решение Керра -Ньюмана для вращающегося заряженного массивного объекта было опубликовано несколько лет спустя.

Проверка теории

Основные статьи: Тесты общей теории относительности и наблюдения гравитационных волн.

Первым доказательством в поддержку общей теории относительности стало правильное предсказание аномальной скорости прецессии орбиты Меркурия. Впоследствии экспедиция Артура Стэнли Эддингтона 1919 года подтвердила предсказание Эйнштейна об отклонении света Солнцем во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года , что помогло укрепить статус общей теории относительности как жизнеспособной теории. С тех пор многие наблюдения показали согласие с предсказаниями общей теории относительности. К ним относятся исследования двойных пульсаров , наблюдения радиосигналов, проходящих мимо лимба Солнца, и даже системы глобального позиционирования .

Первое изображение горизонта событий черной дыры ( M87* ), полученное телескопом Event Horizon.

Теория предсказывает гравитационные волны , которые представляют собой рябь кривизны пространства-времени, распространяющуюся как волны , распространяющиеся наружу от источника. Первое наблюдение гравитационных волн , возникших в результате слияния двух черных дыр , было сделано 14 сентября 2015 года командой Advanced LIGO , подтвердив другое предсказание теории через 100 лет после ее публикации.

Первое изображение черной дыры, сверхмассивной в центре галактики Мессье 87 , было опубликовано коллаборацией Event Horizon Telescope Collaboration 10 апреля 2019 года.

теории

Основная статья: Альтернативы общей теории относительности

Предпринимались различные попытки найти модификации общей теории относительности. Наиболее известными из них являются теория Бранса-Дикке (также известная как скалярно-тензорная теория ) и биметрическая теория Розена . Обе эти теории предложили изменения в уравнениях поля общей теории относительности, и обе страдают от этих изменений, допускающих присутствие биполярного гравитационного излучения. В результате оригинальная теория Розена была опровергнута наблюдениями двойных пульсаров. Что касается Бранса-Дикке (у которого есть настраиваемый параметр ω такой, что ω = ∞ совпадает с общей теорией относительности), эти наблюдения сильно ограничивают величину, на которую он может отличаться от общей теории относительности. Многие другие альтернативы общей теории относительности также были исключены анализом слияния нейтронной звезды GW170817 .

Кроме того, общая теория относительности несовместима с квантовой механикой , физической теорией, описывающей корпускулярно-волновой дуализм материи, а квантовая механика в настоящее время не описывает гравитационное притяжение на соответствующих (микроскопических) масштабах. В физическом сообществе существует множество спекуляций относительно модификаций, которые могут потребоваться как в общей теории относительности, так и в квантовой механике, чтобы последовательно объединить их. Спекулятивная теория, объединяющая общую теорию относительности и квантовую механику, обычно называется квантовой гравитацией , яркими примерами которой являются теория струн и петлевая квантовая гравитация .

Золотой век

Кип Торн определяет «золотой век общей теории относительности» как период примерно с 1960 по 1975 год, в течение которого изучение общей теории относительности то, что раньше считалось чем-то вроде диковинки, вошло в основное русло теоретической физики . В этот период были введены многие концепции и термины, которые продолжают вдохновлять воображение исследователей гравитации и широкой публики, включая черные дыры и гравитационные сингулярности . В то же время, в тесно связанном с этим направлении, изучение физической космологии вошло в мейнстрим, и теория Большого взрыва стала прочно признанной.

Фульвио Мелиа часто упоминает «золотой век теории относительности» в своей книге « Взлом кода Эйнштейна» . Анджей Траутман провел конференцию по теории относительности в Варшаве в 1962 году, о которой говорит Мелиа:

Общая теория относительности очень успешно вышла из этой встречи в Варшаве, последовавшей за экспериментом Паунда-Ребки , и вступила в свой золотой век открытий, который длился до середины 1970-х годов.

Рой Керр, главный герой книги, написал послесловие, сказав о книге: «Это замечательное произведение, прекрасно отражающее период, который мы сейчас называем золотым веком теории относительности».

См. также

• Список авторов общей теории относительности
• Золотой век космологии
• Золотой век физики
• Принцип Маха
• Хронология гравитационной физики и теории относительности
• У.К. Клиффорд # Предчувствие относительности

Ссылки

Библиография

• Паис, Авраам (1982). Тонок господин: наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-853907-Х .
• Эйнштейн, А.; Гроссманн, М. (1913). «Очерк обобщенной теории относительности и теории гравитации». Журнал математики и физики . 62 :225-261.
• Эйнштейн и меняющиеся мировоззрения физики (редакторы — Ленер К., Ренн Дж., Шеммель М.), 2012 ( Биркхойзер ).
• Генезис серии по общей теории относительности. Архивировано 5 августа 2012 года в Wayback Machine .
• Шварцшильд, Карл (1916а), «О гравитационном поле массовой точки согласно теории Эйнштейна», отчет о сессии. Пруссия. Акад. Д. Висс. : 189–196, Бибкод : 1916SPAW.......189S
• Шварцшильд, Карл (1916b), «О гравитационном поле сферы из несжимаемой жидкости согласно теории Эйнштейна», отчет о сессии. Пруссия. Акад. Д. Висс. : 424–434, Бибкод : 1916skpa.conf..424S

Внешние ссылки

• Работы, связанные с «Основанием общей теории относительности» в Wikisource