משוואות איינשטיין בתורת היחסות הכללית. אז איינשטיין צדק? בדיקת תורת היחסות

רק העצלנים אינם יודעים על תורתו של אלברט איינשטיין, המעידה על היחסיות של כל מה שקורה בעולם התמותה הזה. כבר כמעט מאה שנים, מחלוקות מתנהלות לא רק בעולם המדע, אלא גם בעולם הפיזיקאים העוסקים. תורת היחסות של איינשטיין, מתוארת במילים פשוטותנגיש למדי, ואינו סוד למי שלא יודע מה.

בקשר עם

כמה שאלות כלליות

בהתחשב בתכונות המוזרות של תורתו התיאורטית של אלברט הגדול, ניתן להתייחס להנחותיו בצורה מעורפלת על ידי הזרמים המגוונים ביותר של פיזיקאים תיאורטיים, בתי ספר מדעיים גבוהים למדי, כמו גם חסידי הזרם האי-רציונלי של האסכולה הפיזיקלית והמתמטית.

עוד בתחילת המאה הקודמת, כאשר חל גל של מחשבה מדעית ועל רקע שינויים חברתיים החלו לצוץ מגמות מדעיות מסוימות, הופיעה תורת היחסות של כל מה שאדם חי בו. לא משנה איך בני דורנו מעריכים את המצב הזה, כל דבר בעולם האמיתי הוא ממש לא סטטי, תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין:

• הזמנים משתנים, ההשקפות והדעת הנפשית של החברה על בעיות מסוימות בתוכנית החברתית משתנות;
• יסודות חברתיים ותפיסת עולם לגבי תורת ההסתברות במערכות מדינה שונות ובתנאים מיוחדים להתפתחות החברה השתנו עם הזמן ובהשפעת מנגנונים אובייקטיביים אחרים.
• כיצד נוצרו השקפות החברה על בעיות ההתפתחות החברתית, כך גם היחס והדעות לגביו התיאוריות של איינשטיין על זמן.

חָשׁוּב! תורת הכבידה של איינשטייןהיווה בסיס למחלוקות מערכתיות בין המדענים הנחשבים ביותר, הן בתחילת התפתחותו והן במהלך השלמתו. הם דיברו עליה, התרחשו מחלוקות רבות, היא הפכה לנושא השיחה בסלונים הבכירים ביותר במדינות שונות.

מדענים דנו בזה, זה היה נושא השיחה. הייתה אפילו השערה כזו שהדוקטרינה נגישה להבנה רק לשלושה אנשים מהעולם המדעי. כשהגיע הזמן להסביר את ההנחות, החלו הכוהנים של המדעים המסתוריים ביותר, המתמטיקה האוקלידית. ואז נעשה ניסיון לבנות את המודל הדיגיטלי שלו ואת אותן השלכות מאומתות מתמטיות של פעולתו על המרחב העולמי, ואז הודה מחבר ההשערה שנעשה קשה מאוד להבין אפילו מה הוא יצר. אז מה זה תורת היחסות הכללית,מה חוקרואיזה יישום זה מצא בעולם המודרני?

היסטוריה ושורשי התיאוריה

כיום, ברוב המוחלט של המקרים, הישגיו של איינשטיין הגדול נקראים בקצרה הכחשה מוחלטת של מה שהיה במקור קבוע בלתי מעורער. הגילוי הזה הוא שאפשר להפריך את מה שידוע לכל תלמידי בית הספר כבינומיאל פיזי.

רוב אוכלוסיית העולם, כך או אחרת, בתשומת לב ובמחשבה או בשטחיות, אפילו פעם אחת, פנתה אל דפי הספר הגדול - התנ"ך.

בו תוכלו לקרוא על מה שהפך לאישור אמיתי מהות הדוקטרינה- על מה עבד מדען אמריקאי צעיר בתחילת המאה הקודמת. עובדות הריחוף ודברים נפוצים למדי בתולדות הברית הישנה הפכו פעם לניסים בעת החדשה. אתר הוא מרחב שבו אדם חי חיים אחרים לגמרי. תכונות החיים באוויר נחקרו על ידי סלבריטאים רבים בעולם בתחום מדעי הטבע. ו תורת הכבידה של איינשטייןאישר שמה שמתואר בספר העתיק הוא נכון.

יצירותיהם של הנדריק לורנץ והנרי פואנקרה אפשרו לגלות באופן ניסיוני תכונות מסוימות של האתר. קודם כל, אלו עבודות על יצירת מודלים מתמטיים של העולם. הבסיס היה אישור מעשי שכאשר חלקיקי החומר נעים במרחב האתרי, הם מתכווצים ביחס לכיוון התנועה.

עבודותיהם של מדענים גדולים אלה אפשרו ליצור את הבסיס להנחות העיקריות של הדוקטרינה. עובדה זו היא המספקת חומר קבוע לקביעה שיצירותיו של חתן פרס נובל ו התיאוריה הרלטיביסטית של אלברטהיו ועודם פלגיאט. מדענים רבים טוענים היום שהנחות רבות התקבלו הרבה קודם לכן, למשל:

• הרעיון של סימולטניות מותנית של אירועים;
• עקרונות ההשערה הבינומית הקבועה וקריטריונים למהירות האור.

מה לעשות כדי להבין את תורת היחסות? הנקודה היא בעבר. בעבודותיו של פואנקרה הובעה ההשערה שיש לחשוב מחדש על מהירויות גבוהות בחוקי המכניקה. הודות להצהרותיו של הפיזיקאי הצרפתי, העולם המדעי למד עד כמה התנועה בהקרנה יחסית לתיאוריית המרחב האתרי.

במדע הסטטי, כמות גדולה של תהליכים פיזיקליים נחשבו עבור עצמים חומריים שונים הנעים עם . ההנחות של המושג הכללי מתארות את התהליכים המתרחשים עם אובייקטים מאיצים, מסבירות את קיומם של חלקיקי הגרביטון ואת כוח המשיכה עצמו. מהות תורת היחסותבהסבר העובדות שהיו בעבר שטויות עבור מדענים. אם יש צורך לתאר את תכונות התנועה ואת חוקי המכניקה, את היחס בין רצף מרחב וזמן בתנאים של התקרבות למהירות האור, יש ליישם את ההנחות של תורת היחסות באופן בלעדי.

על התיאוריה בקצרה וברורה

במה שונה כל כך משנתו של אלברט הגדול ממה שעשו הפיזיקאים לפניו? בעבר, הפיזיקה הייתה מדע סטטי למדי, שחשב את עקרונות ההתפתחות של כל התהליכים בטבע בתחום של מערכת "כאן, היום ועכשיו". איינשטיין איפשר לראות את כל מה שקורה מסביב לא רק במרחב התלת מימדי, אלא גם ביחס לאובייקטים ונקודות זמן שונות.

תשומת הלב!בשנת 1905, כאשר איינשטיין פרסם את תורת היחסות שלו, היא אפשרה להסביר ובדרך נגישה לפרש את התנועה בין מערכות חישוב אינרציאליות שונות.

ההוראות העיקריות שלו הן היחס בין המהירויות הקבועות של שני עצמים הנעים זה ביחס לזה במקום לקחת אחד מהעצמים, שניתן לקחת אותו כאחד מגורמי הייחוס המוחלטים.

תכונה של הדוקטרינהטמון בכך שניתן לשקול זאת ביחס למקרה חריג אחד. גורמים עיקריים:

1. ישרות של כיוון התנועה;
2. אחידות התנועה של גוף חומרי.

כאשר משנים כיוון או פרמטרים פשוטים אחרים, כאשר גוף חומרי יכול להאיץ או להסתובב הצידה, חוקי תורת היחסות הסטטית אינם תקפים. במקרה זה נכנסים לתוקף חוקי היחסות הכלליים, שיכולים להסביר את תנועתם של גופים חומריים במצב כללי. כך, איינשטיין מצא הסבר לכל העקרונות של האינטראקציה של גופים פיזיים זה עם זה במרחב.

עקרונות תורת היחסות

עקרונות הדוקטרינה

האמירה על תורת היחסות הייתה נושא לדיונים ערים ביותר מזה מאה שנים. רוב המדענים מחשיבים יישומים שונים של פוסטולטים כיישומים של שני עקרונות פיזיקה. והנתיב הזה הוא הפופולרי ביותר בתחום הפיזיקה השימושית. הנחות יסוד תורת היחסות, עובדות מעניינות, שהיום מצא אישור בלתי מופרך:

• עקרון היחסות. שימור היחס בין הגופים לפי כל חוקי הפיזיקה. קבלתם כמסגרות ייחוס אינרציאליות, הנעות במהירויות קבועות זו לזו.
• הנחה לגבי מהירות האור. הוא נשאר קבוע בלתי משתנה, בכל המצבים, ללא קשר למהירות וליחס עם מקורות האור.

למרות הסתירות בין ההוראה החדשה לבין ההנחות הבסיסיות של אחד המדעים המדויקים ביותר, המבוססים על אינדיקטורים סטטיים קבועים, ההשערה החדשה משכה מבט רענן על העולם מסביב. הצלחתו של המדען הובטחה, דבר אשר אושר על ידי הענקת פרס נובל בתחום המדעים המדויקים לו.

מה גרם לפופולריות עצומה כזו, ו כיצד גילה איינשטיין את תורת היחסות שלו?? טקטיקות של מדען צעיר.

1. עד כה, מדענים מפורסמים בעולם העלו עבודת גמר, ורק אז ביצעו מספר מחקרים מעשיים. אם ברגע מסוים התקבלו נתונים שאינם מתאימים לתפיסה הכללית, הם זוהו כשגויים בסיכום הסיבות.
2. הגאון הצעיר השתמש בטקטיקה שונה בתכלית, הקים ניסויים מעשיים, הם היו סדרתיים. התוצאות שהתקבלו, למרות העובדה שהן איכשהו לא יכלו להשתלב בסדרה המושגית, הסתדרו בתיאוריה קוהרנטית. ובלי "טעויות" ו"טעויות", כל הרגעים השערות תורת היחסות, דוגמאותותוצאות התצפיות מתאימות בבירור לדוקטרינה התיאורטית המהפכנית.
3. חתן פרס נובל לעתיד הכחיש את הצורך לחקור את האתר המסתורי, שבו מתפשטים גלי האור. האמונה שהאתר קיים הובילה למספר תפיסות שגויות משמעותיות. ההנחה העיקרית היא השינוי במהירויות של אלומת האור ביחס לזו שצופה בתהליך בתווך האתרי.

יחסיות עבור בובות

תורת היחסות היא ההסבר הפשוט ביותר

סיכום

ההישג העיקרי של המדען הוא ההוכחה להרמוניה ולאחדות של כמויות כמו מרחב וזמן. טבעו היסודי של חיבור שני הרצפים הללו כחלק מתלת מימד, בשילוב ממד הזמן, אפשרו ללמוד סודות רבים על טבעו של העולם החומרי. הודות ל תורת הכבידה של איינשטייןהוא הפך זמין לחקור את המעמקים וההישגים האחרים של המדע המודרני, מכיוון שלא נעשה שימוש מלא באפשרויות התורה עד היום.

תורת היחסות הוצגה על ידי אלברט איינשטיין בתחילת המאה ה-20. מה המהות שלו? הבה נבחן את הנקודות העיקריות ונאפיין את ה-TOE בשפה מובנת.

תורת היחסות ביטלה למעשה את חוסר העקביות והסתירות של הפיזיקה של המאה ה-20, נאלצה לשנות באופן קיצוני את הרעיון של מבנה המרחב-זמן ואושרה ניסיוני בניסויים ומחקרים רבים.

לפיכך, TOE היווה את הבסיס לכל התיאוריות הפיזיקליות הבסיסיות המודרניות. למעשה, זו האמא של הפיזיקה המודרנית!

מלכתחילה, ראוי לציין שיש 2 תיאוריות של תורת היחסות:

• תורת היחסות המיוחדת (SRT) - מתייחסת לתהליכים פיזיקליים באובייקטים הנעים באופן אחיד.
• תורת היחסות הכללית (GR) - מתארת ​​אובייקטים מאיצים ומסבירה את מקורן של תופעות כמו כוח משיכה וקיום.

ברור ש-SRT הופיע קודם לכן ולמעשה הוא חלק מ-GTR. בוא נדבר עליה קודם.

STO במילים פשוטות

התיאוריה מבוססת על עקרון היחסות, לפיו כל חוקי הטבע זהים ביחס לנייחים ולגופים הנעים במהירות קבועה. וממחשבה פשוטה לכאורה נובע שמהירות האור (300,000 מ' לשנייה בוואקום) זהה לכל הגופים.

לדוגמה, דמיינו שאתם מקבלים חללית מהעתיד הרחוק שיכולה לטוס במהירויות גדולות. על חרטום הספינה מותקן תותח לייזר, המסוגל לירות פוטונים קדימה.

יחסית לספינה, חלקיקים כאלה עפים במהירות האור, אבל יחסית לצופה נייח, נראה שהם צריכים לטוס מהר יותר, שכן שתי המהירויות מסוכמות.

עם זאת, זה לא קורה בפועל! משקיף מבחוץ רואה פוטונים עפים במהירות של 300,000 מ"ש, כאילו לא נוספה אליהם מהירות החללית.

יש לזכור: יחסית לכל גוף, מהירות האור תהיה ערך קבוע, לא משנה כמה מהר הוא נע.

מכאן נובעות מסקנות מדהימות כמו התרחבות הזמן, התכווצות אורכית ותלות משקל הגוף במהירות. קרא עוד על ההשלכות המעניינות ביותר של תורת היחסות המיוחדת במאמר בקישור למטה.

המהות של תורת היחסות הכללית (GR)

כדי להבין זאת טוב יותר, עלינו לשלב שוב שתי עובדות:

• אנחנו חיים בחלל 4D

מרחב וזמן הם ביטויים של אותה ישות הנקראת "רצף מרחב-זמן". זהו מרחב-זמן 4-מימדי עם צירי קואורדינטות x, y, z ו-t.

אנו בני האדם לא מסוגלים לתפוס 4 מימדים באותו אופן. למעשה, אנו רואים רק השלכות של עצם ארבעה ממדי אמיתי על החלל והזמן.

מעניין שתורת היחסות אינה קובעת שגופים משתנים תוך כדי תנועה. אובייקטים 4 מימדיים תמיד נשארים ללא שינוי, אבל עם תנועה יחסית, ההקרנות שלהם יכולות להשתנות. ואנחנו תופסים זאת כהאטה בזמן, הקטנת גודל וכו'.

• כל הגופים נופלים במהירות קבועה במקום להאיץ

בואו נעשה ניסוי מחשבתי מפחיד. דמיינו שאתם נוסעים בתא מעלית סגור ונמצאים במצב של חוסר משקל.

מצב כזה יכול להיווצר רק משתי סיבות: או שאתה בחלל, או שאתה נופל בחופשיות יחד עם התא בהשפעת כוח המשיכה של כדור הארץ.

בלי להסתכל החוצה מהתא, אי אפשר להבחין בין שני המקרים הללו. רק שבמקרה אחד טסים בצורה שווה, ובמקרה השני בתאוצה. תצטרכו לנחש!

אולי אלברט איינשטיין עצמו חשב על מעלית דמיונית, והיה לו רעיון מדהים אחד: אם לא ניתן להבחין בין שני המקרים הללו, אז נפילה עקב כוח הכבידה היא גם תנועה אחידה. רק שהתנועה היא אחידה במרחב-זמן ארבעה ממדי, אבל בנוכחות גופים מסיביים (למשל,) היא מתעקלת והתנועה האחידה מוקרנת לתוך המרחב התלת מימדי הרגיל שלנו בצורה של תנועה מואצת.

בואו נסתכל על דוגמה נוספת פשוטה יותר, אם כי לא לגמרי נכונה, של עקמומיות מרחב דו-ממדית.

אפשר לדמיין שכל גוף מאסיבי מתחתיו יוצר מעין משפך פיגורטיבי. אז גופים אחרים שעוברים על פניהם לא יוכלו להמשיך בתנועתם בקו ישר וישנו את מסלולם בהתאם לעיקולי המרחב המעוקל.

אגב, אם לגוף אין כל כך הרבה אנרגיה, אז התנועה שלו עשויה להתברר כסגורה באופן כללי.

ראוי לציין שמנקודת מבט של גופים נעים הם ממשיכים לנוע בקו ישר, כי הם לא מרגישים שום דבר שגורם להם להסתובב. הם פשוט נכנסו לחלל מעוקל ומבלי ששימו לב יש להם מסלול לא ישיר.

יש לציין כי 4 ממדים מכופפים, כולל זמן, ולכן יש להתייחס לאנלוגיה זו בזהירות.

לפיכך, בתורת היחסות הכללית, כוח המשיכה אינו כוח כלל, אלא רק תוצאה של עקמומיות המרחב-זמן. כרגע, תיאוריה זו היא גרסה פועלת של מקור הכבידה והיא תואמת מצוין לניסויים.

השלכות מפתיעות של תורת היחסות הכללית

קרני אור יכולות להתכופף כאשר טסים ליד גופים מסיביים. אכן, בחלל נמצאו עצמים רחוקים ש"מתחבאים" מאחורי אחרים, אך קרני האור מקיפות אותם, שבזכותן האור מגיע אלינו.

לפי תורת היחסות הכללית, ככל שכוח הכבידה חזק יותר, הזמן עובר לאט יותר. עובדה זו נלקחת בחשבון בהכרח בפעולת ה-GPS וה-GLONASS, כי ללוויינים שלהם יש את השעונים האטומיים המדויקים ביותר שמתקתקים קצת יותר מהר מאשר בכדור הארץ. אם עובדה זו לא נלקחת בחשבון, בעוד יום שגיאת הקואורדינטות תהיה 10 ק"מ.

בזכות אלברט איינשטיין תוכלו להבין היכן נמצאת ספרייה או חנות בקרבת מקום.

ולבסוף, GR מנבא את קיומם של חורים שחורים, שסביבם כוח הכבידה כה חזק שהזמן פשוט נעצר בקרבת מקום. לכן, אור הנכנס לחור שחור אינו יכול לצאת ממנו (להשתקף).

במרכזו של חור שחור, בגלל התכווצות הכבידה העצומה, נוצר עצם בעל צפיפות גבוהה לאין שיעור, וזה, כך נראה, לא יכול להיות.

לפיכך, GR יכול להוביל למסקנות סותרות מאוד, בניגוד ל-, ולכן רוב הפיזיקאים לא קיבלו זאת לחלוטין והמשיכו לחפש אלטרנטיבה.

אבל היא מצליחה לחזות הרבה בהצלחה, למשל, תגלית סנסציונית לאחרונה אישרה את תורת היחסות וגרם לנו להיזכר במדען הגדול עם הלשון שלו מבלה שוב. אוהב מדע, קרא את WikiScience.

מי היה מאמין שפקיד דואר קטן ישתנהיסודות המדע של זמנו? אבל זה קרה! תורת היחסות של איינשטיין אילצה אותנו לשקול מחדש את ההשקפה הרגילה של מבנה היקום ופתחה תחומים חדשים של ידע מדעי.

רוב התגליות המדעיות נעשות בניסוי: מדענים חוזרים על הניסויים שלהם פעמים רבות כדי להיות בטוחים בתוצאות שלהם. העבודה בוצעה לרוב באוניברסיטאות או במעבדות מחקר של חברות גדולות.

אלברט איינשטיין שינה לחלוטין את התמונה המדעית של העולם מבלי לערוך ניסוי מעשי אחד. הכלים היחידים שלו היו נייר ועט, ואת כל הניסויים שלו הוא עשה בראשו.

אור נע

(1879-1955) ביסס את כל מסקנותיו על תוצאות של "ניסוי מחשבתי". ניסויים אלה יכלו להיעשות רק בדמיון.

המהירויות של כל הגופים הנעים הן יחסיות. המשמעות היא שכל העצמים זזים או נשארים נייחים רק ביחס לעצם אחר. לדוגמה, אדם, חסר תנועה ביחס לכדור הארץ, מסתובב במקביל עם כדור הארץ סביב השמש. או נניח שאדם הולך לאורך קרון רכבת נוסעת בכיוון התנועה במהירות של 3 קמ"ש. הרכבת נעה במהירות של 60 קמ"ש. יחסית לתצפיתן נייח על הקרקע, מהירותו של אדם תהיה 63 קמ"ש - מהירות אדם בתוספת מהירות רכבת. אם הוא יצא נגד התנועה, אז המהירות שלו ביחס לצופה נייח תהיה שווה ל-57 קמ"ש.

איינשטיין טען שלא ניתן לדון בדרך זו במהירות האור. מהירות האור תמיד קבועה, ללא קשר אם מקור האור מתקרב אליך, מתרחק ממך או עומד במקום.

כמה שיותר מהר ככה פחות

כבר מההתחלה, איינשטיין הניח כמה הנחות מפתיעות. הוא טען שאם מהירותו של עצם מתקרבת למהירות האור, ממדיו יורדים, בעוד המסה שלו, להיפך, עולה. לא ניתן להאיץ גוף למהירות השווה או גדולה ממהירות האור.

המסקנה האחרת שלו הייתה מפתיעה עוד יותר ונראתה מנוגדת לשכל הישר. תארו לעצמכם ששני תאומים, אחד נשאר על כדור הארץ, בעוד השני נסע בחלל במהירות קרובה למהירות האור. 70 שנה חלפו מאז השיגור על כדור הארץ. לפי התיאוריה של איינשטיין, הזמן זורם לאט יותר על סיפון הספינה, ורק עשר שנים חלפו שם, למשל. מסתבר שאחד התאומים שנשארו על כדור הארץ התבגר בשישים שנה מהשני. אפקט זה נקרא " פרדוקס תאומים". זה נשמע מדהים, אבל ניסויי מעבדה אישרו שבאמת קיימת התרחבות זמן במהירויות הקרובות למהירות האור.

נסיגה חסרת רחמים

התיאוריה של איינשטיין כוללת גם את הנוסחה המפורסמת E=mc 2, כאשר E היא אנרגיה, m היא מסה, ו-c היא מהירות האור. איינשטיין טען שניתן להמיר מסה לאנרגיה טהורה. כתוצאה מיישום תגלית זו בחיים המעשיים, הופיעו אנרגיה אטומית והפצצה הגרעינית.

איינשטיין היה תיאורטיקן. את הניסויים שהיו אמורים להוכיח את נכונות התיאוריה שלו, הוא השאיר לאחרים. לא ניתן היה לבצע רבים מהניסויים הללו עד שהיו זמינים מכשירי מדידה מדויקים מספיק.

עובדות ואירועים

• הניסוי הבא בוצע: מטוס, שעליו נקבע שעון מדויק מאוד, המריא ולאחר שטס סביב כדור הארץ במהירות גבוהה, שקע באותה נקודה. השעון על סיפון המטוס היה שבריר שנייה זעיר מאחורי השעון שנשאר על כדור הארץ.
• אם כדור יופל במעלית הנופלת בהאצת נפילה חופשית, אז הכדור לא ייפול, אלא כביכול יתלה באוויר. הסיבה לכך היא שהכדור והמעלית נופלים באותה מהירות.
• איינשטיין הוכיח שכוח המשיכה משפיע על התכונות הגיאומטריות של המרחב-זמן, אשר בתורו משפיע על תנועת הגופים במרחב זה. אז שני גופים שהתחילו לנוע במקביל זה לזה ייפגשו בסופו של דבר בשלב מסוים.

זמן ומרחב מתעקלים

עשר שנים מאוחר יותר, בשנים 1915-1916, איינשטיין פיתח תיאוריה חדשה של כוח הכבידה, שאותה כינה תורת היחסות הכללית. הוא טען שתאוצה (שינוי במהירות) פועלת על גופים באותו אופן כמו כוח הכבידה. האסטרונאוט לא יכול לקבוע לפי התחושות שלו אם הוא נמשך על ידי כוכב לכת גדול, או אם הרקטה החלה להאט.

אם החללית מאיצה למהירות הקרובה למהירות האור, אז השעון עליה מאט. ככל שהספינה נעה מהר יותר, כך השעון פועל לאט יותר.

ההבדלים בינה לבין תורת הכבידה הניוטונית באים לידי ביטוי בחקר עצמים בחלל בעלי מסה עצומה, כגון כוכבי לכת או כוכבים. ניסויים אישרו את העקמומיות של קרני האור העוברות ליד גופים בעלי מסה גדולה. באופן עקרוני, שדה כבידה חזק כל כך אפשרי שהאור לא יכול לחרוג ממנו. תופעה זו נקראת " חור שחור". נראה כי "חורים שחורים" נמצאו בכמה מערכות כוכבים.

ניוטון טען שהמסלולים של כוכבי הלכת סביב השמש קבועים. התיאוריה של איינשטיין חוזה סיבוב נוסף איטי של מסלולי כוכבי הלכת הקשורים לנוכחות שדה הכבידה של השמש. התחזית אושרה בניסוי. זה היה באמת גילוי אבן דרך. חוק הכבידה האוניברסלית של סר אייזק ניוטון תוקן.

תחילת מרוץ החימוש

עבודתו של איינשטיין נתנה את המפתח לרבים מהמסתורין של הטבע. הם השפיעו על התפתחותם של ענפים רבים בפיזיקה, מפיזיקה של חלקיקים יסודיים ועד לאסטרונומיה – מדע מבנה היקום.

איינשטיין בחייו עסק לא רק בתיאוריה. ב-1914 הפך למנהל המכון לפיזיקה בברלין. ב-1933, עם עליית הנאצים לשלטון בגרמניה, הוא, כיהודי, נאלץ לעזוב את הארץ הזו. הוא עבר לארה"ב.

ב-1939, על אף היותו מתנגד למלחמה, כתב איינשטיין מכתב לנשיא רוזוולט והזהיר אותו כי ניתן ליצור פצצה בעלת כוח הרס אדיר וכי גרמניה הנאצית כבר החלה לפתח פצצה כזו. הנשיא נתן הוראה להתחיל בעבודה. זה סימן את תחילתו של מירוץ חימוש.

אומרים שההתגלות הגיעה לאלברט איינשטיין ברגע. המדען נסע לכאורה בחשמלית בברן (שוויץ), הביט בשעון הרחוב ופתאום הבין שאם כעת תאיץ החשמלית למהירות האור, אז בתפיסתו השעון הזה ייעצר - ולא יהיה זמן בסביבה. זה הוביל אותו לניסוח של אחת ההנחות המרכזיות של תורת היחסות - שצופים שונים תופסים את המציאות בצורה שונה, כולל גדלים בסיסיים כמו מרחק וזמן.

במונחים מדעיים, באותו יום הבין איינשטיין שתיאור כל אירוע פיזי או תופעה תלוי ב מערכות התייחסותהיכן נמצא הצופה. אם נוסעת בחשמלית, למשל, תפיל את המשקפיים שלה, אז מבחינתה הם יפלו אנכית כלפי מטה, ואצל הולך רגל שעומד ברחוב, המשקפיים יפלו בפרבולה, היות והחשמלית נעה בזמן שהכוסות נופלות. לכל אחד יש מערכת התייחסות משלו.

אך למרות שתיאורי האירועים משתנים כאשר עוברים ממסגרת התייחסות אחת לאחרת, ישנם גם דברים אוניברסליים שנותרו ללא שינוי. אם במקום לתאר את נפילת המשקפיים נשאל על חוק הטבע הגורם לנפילתם, אז התשובה לכך תהיה זהה לצופה במערכת קואורדינטות קבועה ולצופה במערכת קואורדינטות נעה. חוק התנועה המבוזרת תקף באותה מידה גם ברחוב וגם בחשמלית. במילים אחרות, בעוד שתיאור האירועים תלוי במתבונן, חוקי הטבע אינם תלויים בו, כלומר, כפי שאומרים בשפה המדעית, הם בלתי משתנה.זה מה עקרון היחסות.

כמו כל השערה, היה צריך לבחון את עקרון היחסות באמצעות מתאם בינו לבין תופעות טבע אמיתיות. איינשטיין שאב שתי תיאוריות נפרדות (אם כי קשורות) מעיקרון היחסות. תורת היחסות מיוחדת, או פרטיתיוצא מהעמדה שחוקי הטבע זהים עבור כל מסגרות הייחוס הנעות במהירות קבועה. תורת היחסות הכלליתמרחיב את העיקרון הזה לכל מסגרת התייחסות, לרבות אלה שנעים עם האצה. תורת היחסות המיוחדת פורסמה ב-1905, ותורת היחסות הכללית המורכבת יותר מבחינה מתמטית הושלמה על ידי איינשטיין ב-1916.

תורת היחסות המיוחדת

רוב ההשפעות הפרדוקסליות ומנוגדות לרעיונות אינטואיטיביים על העולם, המתעוררות כאשר נעים במהירות קרובה למהירות האור, נחזות בדיוק על ידי תורת היחסות המיוחדת. המפורסם שבהם הוא ההשפעה של האטת השעון, או אפקט הרחבת הזמן.שעון שזז ביחס למתבונן פועל לאט יותר עבורו מאשר בדיוק אותו שעון בידיו.

הזמן במערכת קואורדינטות הנעה במהירויות קרובות למהירות האור נמתח ביחס למתבונן, בעוד שההיקף המרחבי (אורך) של עצמים לאורך ציר כיוון התנועה, להיפך, נדחס. אפקט זה, המכונה התכווצות לורנץ-פיצג'רלד, תואר בשנת 1889 על ידי הפיזיקאי האירי ג'ורג' פיצג'רלד (ג'ורג' פיצג'רלד, 1851-1901) והוסף בשנת 1892 על ידי ההולנדי הנדריק לורנץ (1853-1928). התכווצות לורנץ-פיצג'רלד מסבירה מדוע ניסוי מיכלסון-מורלי לקביעת מהירות כדור הארץ בחלל החיצון על ידי מדידת "הרוח האתרית" נתן תוצאה שלילית. מאוחר יותר שילב איינשטיין את המשוואות הללו בתורת היחסות הפרטית והשלים אותן בנוסחת טרנספורמציה דומה למסה, לפיה גם מסת הגוף עולה ככל שמהירות הגוף מתקרבת למהירות האור. אז, במהירות של 260,000 קמ"ש (87% ממהירות האור), מסתו של עצם מנקודת מבטו של צופה במסגרת ייחוס נח תוכפל.

מאז תקופתו של איינשטיין, כל התחזיות הללו, לא משנה כמה הן מנוגדות לשכל הישר, אושרו באופן ניסיוני באופן מלא וישיר. באחד הניסויים החושפניים ביותר, מדענים מאוניברסיטת מישיגן הציבו שעונים אטומיים מדויקים במיוחד על סיפון מטוס נוסעים שעשה טיסות טרנס-אטלנטיות רגילות, ולאחר כל חזרה לשדה התעופה הביתי, הם השוו את הקריאות שלהם עם שעון הבקרה. התברר שהשעון במטוס פיגר בהדרגה מאחורי השליטה יותר ויותר (אם יורשה לי לומר, כשמדובר בשברירי שנייה). במשך חצי המאה האחרונה, מדענים חקרו חלקיקים יסודיים על מתחמי חומרה ענקיים הנקראים מאיצים. בהם מואצות אלומות של חלקיקים תת-אטומיים טעונים (כמו פרוטונים ואלקטרונים) למהירויות הקרובות למהירות האור, ואז הן נורות לעבר מטרות גרעיניות שונות. בניסויים כאלה על מאיצים, יש צורך לקחת בחשבון את העלייה במסה של חלקיקים מואצים - אחרת תוצאות הניסוי פשוט לא יתאימו לפרשנות סבירה. ובמובן זה, תורת היחסות המיוחדת עברה זה מכבר מהקטגוריה של תיאוריות היפותטיות לתחום הכלים ההנדסיים השימושיים, שם נעשה בה שימוש בקנה אחד עם חוקי המכניקה של ניוטון.

אם נחזור לחוקי ניוטון, ברצוני להדגיש כי תורת היחסות המיוחדת, למרות שהיא סותרת כלפי חוץ את חוקי המכניקה הניוטונית הקלאסית, למעשה משחזרת כמעט בדיוק את כל המשוואות הרגילות של חוקי ניוטון, אם היא מיושמת לתיאור גופים הנעים ב מהירות נמוכה משמעותית ממהירות האור. כלומר, תורת היחסות המיוחדת אינה מבטלת את הפיזיקה הניוטונית, אלא מרחיבה ומשלימה אותה.

עקרון היחסות גם עוזר להבין מדוע דווקא מהירות האור, ולא אחרת, ממלאת תפקיד כה חשוב במודל זה של מבנה העולם - שאלה זו נשאלת על ידי רבים מאלה שנתקלו לראשונה בתיאוריה. של תורת היחסות. מהירות האור בולטת וממלאת תפקיד מיוחד כקבוע אוניברסלי, מכיוון שהיא נקבעת בחוק מדעי הטבע. מכוח עקרון היחסות, מהירות האור בוואקום גזהה בכל מערכת התייחסות. זה, כך נראה, מנוגד לשכל הישר, שכן מסתבר שאור ממקור נע (לא משנה כמה מהר הוא נע) וממקור נייח מגיעים אל הצופה בו-זמנית. עם זאת, זה כך.

בשל תפקידה המיוחד בחוקי הטבע, מהירות האור תופסת מקום מרכזי בתורת היחסות הכללית.

תורת היחסות הכללית

תורת היחסות הכללית כבר מיושמת על כל מסגרות ההתייחסות (ולא רק על אלו הנעות במהירות קבועה זו ביחס לזו) ונראית מתמטית הרבה יותר מסובכת מאשר מיוחדת (מה שמסביר את הפער של אחת עשרה שנים בין פרסומן). הוא כולל כמקרה מיוחד את תורת היחסות המיוחדת (ומכאן חוקי ניוטון). יחד עם זאת, תורת היחסות הכללית מרחיקה לכת הרבה יותר מכל קודמותיה. בפרט, הוא נותן פרשנות חדשה לכוח המשיכה.

תורת היחסות הכללית הופכת את העולם לארבע-ממדי: הזמן מתווסף לשלושה ממדים מרחביים. כל ארבעת המימדים אינם ניתנים להפרדה, אז אנחנו כבר לא מדברים על המרחק המרחבי בין שני עצמים, כפי שקורה בעולם התלת מימדי, אלא על מרווחי המרחב-זמן בין אירועים המאחדים את המרחק שלהם זה מזה - שניהם ב זמן ובמרחב. כלומר, מרחב וזמן נחשבים כרצף מרחב-זמן ארבעה ממדי, או, פשוט, זמן חופשי. על הרצף הזה, צופים הנעים זה ביחס לזה עשויים אפילו לא להסכים אם שני אירועים התרחשו בו-זמנית - או שאחד קדם לשני. למזלנו העני, זה לא מגיע להפרה של קשרים סיבתיים – כלומר קיומן של מערכות קואורדינטות שבהן שני אירועים אינם מתרחשים בו זמנית וברצף שונה, אפילו תורת היחסות הכללית אינה מאפשרת.

חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון אומר לנו שבין כל שני גופים ביקום יש כוח משיכה הדדי. מנקודת מבט זו, כדור הארץ סובב סביב השמש, שכן יש ביניהם כוחות של משיכה הדדית. אולם תורת היחסות הכללית מאלצת אותנו להסתכל על תופעה זו אחרת. לפי תיאוריה זו, כוח הכבידה הוא תוצאה של דפורמציה ("עקמומיות") של המרקם האלסטי של המרחב-זמן בהשפעת המסה (במקרה זה, ככל שהגוף כבד יותר, למשל השמש, כך יותר מרחב-זמן "מתכופף" מתחתיו וככל שכוח הכבידה שלו חזק יותר, בהתאמה). דמיינו לעצמכם בד מתוחה בחוזקה (מעין טרמפולינה), שעליו מונח כדור מאסיבי. הקנבס מתעוות תחת משקל הכדור, ומסביבו נוצר שקע בצורת משפך. לפי תורת היחסות הכללית, כדור הארץ סובב סביב השמש כמו כדור קטן שהתגלגל סביב חרוט של משפך שנוצר כתוצאה מ"אגרוף" של מרחב-זמן על ידי כדור כבד - השמש. ומה שנראה לנו ככוח הכבידה, למעשה, הוא למעשה ביטוי חיצוני גרידא של עקמומיות המרחב-זמן, וכלל לא כוח במובן הניוטוני. עד היום לא נמצא הסבר טוב יותר לטבע הכבידה ממה שתורת היחסות הכללית נותנת לנו.

בדיקת תורת היחסות הכללית היא קשה מכיוון שבתנאי מעבדה רגילים, תוצאותיה כמעט זהות לאלו שנחזה על ידי חוק הכבידה האוניברסלית של ניוטון. עם זאת, בוצעו מספר ניסויים חשובים, ותוצאותיהם מאפשרות לנו לשקול את התיאוריה המאושרת. בנוסף, תורת היחסות הכללית עוזרת להסביר תופעות שאנו רואים בחלל, כמו סטיות קלות של מרקורי ממסלול נייח שאינן ניתנות להסבר במונחים של מכניקה ניוטונית קלאסית, או כיפוף של קרינה אלקטרומגנטית מכוכבים רחוקים כשהיא חולפת בקרבה. אל השמש.

למעשה, התוצאות שנחזו על ידי תורת היחסות הכללית שונות במידה ניכרת מהתוצאות שנחזו על ידי חוקי ניוטון רק בנוכחות שדות כבידה חזקים במיוחד. משמעות הדבר היא שבדיקה מלאה של תורת היחסות הכללית דורשת מדידות אולטרה-מדויקות של עצמים מאסיביים מאוד, או חורים שחורים, שאף אחד מהרעיונות האינטואיטיביים הרגילים שלנו אינו ישים אליהם. כך שפיתוח שיטות ניסוי חדשות לבדיקת תורת היחסות נותרה אחת המשימות החשובות ביותר של הפיזיקה הניסויית.

גר"ע ורט"ג: כמה הדגשות

1. באינספור ספרים - מונוגרפיות, ספרי לימוד ופרסומים מדעיים פופולריים, וכן בסוגים שונים של מאמרים - הקוראים רגילים לראות בהתייחסויות לתורת היחסות הכללית (GR) את אחד ההישגים הגדולים ביותר של המאה שלנו, דבר ראוי לציון. תיאוריה, כלי הכרחי של פיזיקה ואסטרונומיה מודרניים. בינתיים הם לומדים ממאמרו של א.א.לוגונוב שלדעתו יש לזנוח את תורת היחסות הכללית, שהיא רעה, לא עקבית וסותרת. לכן, תורת היחסות הכללית דורשת החלפה בתיאוריה אחרת כלשהי, ובמיוחד, בתורת היחסות של כוח הכבידה (RTG) שנבנתה על ידי א.א. לוגונוב ושותפיו.

האם יתכן שאנשים רבים טועים בהערכת היחסות הכללית, הקיימת ונחקרת כבר יותר מ-70 שנה, ורק אנשים בודדים, ובראשם א.א.לוגונוב, באמת גילו שיש לזרוק את תורת היחסות הכללית? רוב הקוראים כנראה מצפים לתשובה: זה בלתי אפשרי. למעשה, אני יכול לענות רק בצורה הפוכה: "כזה" אפשרי באופן עקרוני, כי אנחנו מדברים לא על דת, אלא על מדע.

מייסדי ונביאי הדתות והאמונות השונות יצרו וממשיכים ליצור "ספרי קודש" משלהם, שתוכנם מוכרז כאמת העליונה. אם מישהו מטיל ספק, על אחת כמה וכמה בשבילו, הוא הופך לכופר עם ההשלכות הנובעות מכך, לעתים קרובות אפילו עקובות מדם. ועדיף לא לחשוב בכלל, אלא להאמין, לפי הנוסחה הידועה של אחד ממנהיגי הכנסייה: "אני מאמין, כי זה אבסורד". תפיסת העולם המדעית הפוכה ביסודה: היא מחייבת לא לקחת שום דבר כמובן מאליו, מאפשרת לפקפק בכל דבר, לא מכירה בדוגמה. בהשפעת עובדות ושיקולים חדשים, לא רק שאפשר, אלא גם נחוץ, אם מוצדק, לשנות את נקודת המבט של האדם, להחליף תיאוריה לא מושלמת בתיאוריה מושלמת יותר, או, נניח, להכליל איכשהו את התיאוריה הישנה. המצב דומה ליחידים. מייסדי האמונות נחשבים חסרי תקלה, ולדוגמא בקרב קתולים, אפילו אדם חי - האפיפיור "הממלכה" - מוכרז כבלתי תקף. המדע אינו יודע את הבלתי תקף. הכבוד הרב, לפעמים אפילו הבלעדי, שרוחשים לפיזיקאים (אני אדבר על פיזיקאים ליתר ביטחון) לנציגים הגדולים של המקצוע שלהם, במיוחד לטיטאנים כמו אייזק ניוטון ואלברט איינשטיין, אין שום קשר לקנוניזציה של קדושים, עם הַאֲלָהָה. ופיזיקאים גדולים הם אנשים, ולכל האנשים יש את החולשות שלהם. אם מדברים על מדע, שמעניין אותנו כאן, הרי שגדולי הפיזיקאים היו רחוקים מתמיד ולא בכל דבר צודקים, הכבוד להם וההכרה ביתרונותיהם מבוססים לא על חוסר תקלות, אלא על כך שהם הצליחו להעשיר את המדע עם הישגים יוצאי דופן, לראות רחוק יותר ועמוק יותר מבני דורם.

2. כעת יש צורך להתעכב על הדרישות לתיאוריות פיזיקליות בסיסיות. ראשית, תיאוריה כזו חייבת להיות שלמה בתחום הישימות שלה, או, כפי שאגיד באופן שרירותי לקיצור, חייבת להיות עקבית. שנית, התיאוריה הפיזיקלית חייבת להתאים למציאות הפיזית, או, פשוט יותר, להיות עקבית עם ניסויים ותצפיות. אפשר להזכיר דרישות אחרות, קודם כל, עמידה בחוקים ובכללי המתמטיקה, אבל כל זה משתמע.

הבה נסביר את מה שנאמר על הדוגמה של מכניקה קלאסית, לא-יחסותית - מכניקה ניוטונית כפי שהיא מיושמת על הבעיה העקרונית הפשוטה ביותר של תנועה של חלקיק "נקודתי" כלשהו. כידוע, את התפקיד של חלקיק כזה בבעיות המכניקה השמימית יכול כוכב הלכת שלם או הלוויין שלו. תן כרגע t0החלקיק נמצא בנקודה מסוימת אעם קואורדינטות x iA(t0) ויש לו מהירות v iA(t0) (כאן אני= l, 2, 3, כי המיקום של נקודה במרחב מאופיין בשלוש קואורדינטות, והמהירות היא וקטור). ואז, אם כל הכוחות הפועלים על החלקיק ידועים, חוקי המכניקה מאפשרים לנו לקבוע את המיקום בומהירות חלקיקים v אניבכל נקודת זמן שלאחר מכן טכלומר למצוא כמויות מוגדרות היטב xiB(ט) ו-v iB(ט). ומה יקרה אם חוקי המכניקה המשמשים לא יתנו תשובה חד משמעית, ונניח בדוגמה שלנו חזה שהחלקיק כרגע טיכול להיות גם בנקודה ב, או בנקודה אחרת לגמרי ג? ברור שתיאוריה קלאסית (לא קוונטית) כזו תהיה לא שלמה, או, בטרמינולוגיה שהוזכרה, לא עקבית. או שיהיה צורך להשלים אותו, להפוך אותו לחד משמעי, או לזרוק אותו לגמרי. המכניקה של ניוטון, כפי שנאמר, עקבית – היא נותנת תשובות חד משמעיות ודי ברורות לשאלות שנמצאות בתחום הכשירות והישימות שלה. המכניקה של ניוטון גם עונה על הדרישה השנייה שהוזכרה - התוצאות שהושגו על בסיסה (ובאופן ספציפי, ערכי הקואורדינטות x i(ט) ומהירות v אני (ט)) עולים בקנה אחד עם תצפיות וניסויים. לכן כל המכניקה השמימית - תיאור תנועת כוכבי הלכת והלוויינים שלהם - התבססה לעת עתה כולה, ובהצלחה מלאה, על מכניקה ניוטונית.

3. אבל בשנת 1859, לה ורייר גילה שתנועת כוכב הלכת הקרוב לשמש - מרקורי שונה במקצת מזו שחזויה על ידי המכניקה של ניוטון. באופן ספציפי, התברר שהפריהליון - נקודת המסלול האליפטי של כוכב הלכת הקרובה ביותר לשמש - מסתובב במהירות זוויתית של 43 שניות קשת למאה, השונה מזו שניתן היה לצפות כאשר לוקחים בחשבון את כל ההפרעות הידועות מאחרות. כוכבי הלכת והלוויינים שלהם. עוד קודם לכן, לה ורייר ואדמס נתקלו במצב דומה, למעשה, כאשר ניתחו את תנועתו של אורנוס, כוכב הלכת הרחוק ביותר מהשמש מכל הידוע באותה תקופה. והם מצאו הסבר לאי ההתאמה בין חישובים לתצפיות, מה שמרמז על כך שתנועתו של אורנוס מושפעת מכוכב לכת מרוחק עוד יותר בשם נפטון. בשנת 1846, נפטון אכן התגלה במיקום החזוי, ואירוע זה נחשב ראוי לניצחון של המכניקה הניוטונית. זה די טבעי שלה ורייר ניסה להסביר את האנומליה המוזכרת בתנועתו של מרקורי בקיומו של כוכב לכת שעדיין לא ידוע - במקרה זה, כוכב הלכת וולקן מסוים, שמתקרב עוד יותר לשמש. אבל בפעם השנייה "הטריק נכשל" - לא קיים וולקן. אחר כך החלו לנסות לשנות את חוק הכבידה האוניברסלי הניוטוני, לפיו כוח הכבידה כפי שמופעל על מערכת כוכבי השמש משתנה בהתאם לחוק

כאשר ε היא כמות קטנה כלשהי. אגב, טכניקה דומה משמשת היום (אם כי ללא הצלחה) כדי להסביר כמה שאלות לא ברורות של אסטרונומיה (אנחנו מדברים על בעיית המסה הנסתרת; ראה, למשל, ספרו של המחבר "על פיזיקה ואסטרופיזיקה", המצוטט להלן. , עמ' 148). אבל כדי שהשערה תתפתח לתיאוריה, יש צורך לצאת מכמה עקרונות, לציין את ערכו של הפרמטר ε ולבנות סכמה תיאורטית עקבית. איש לא הצליח בכך, ושאלת סיבוב הפריהליון של מרקורי נותרה פתוחה עד 1915. זה היה אז, בשיא מלחמת העולם הראשונה, כאשר מעטים כל כך התעניינו בבעיות המופשטות של הפיזיקה והאסטרונומיה, איינשטיין השלים (לאחר כ-8 שנים של מאמצים מאומצים) את יצירת תורת היחסות הכללית. שלב אחרון זה בבניית היסוד של תורת היחסות הכללית כוסה בשלושה מאמרים קצרים שדווחו ונכתבו בנובמבר 1915. בשני שבהם, שדווח ב-11 בנובמבר, חישב איינשטיין, על בסיס תורת היחסות הכללית, סיבוב נוסף של הפריהליון של מרקורי בהשוואה לניוטוני, שהתברר כשווה (ברדיאנים עבור סיבוב אחד של כוכב הלכת סביב השמש)

ו ג= 3 10 10 ס"מ s –1 היא מהירות האור. כאשר עוברים לביטוי האחרון (1), נעשה שימוש בחוק השלישי של קפלר

א 3 =	GM ☼	ט 2
	4π 2

איפה טהיא תקופת ההקפה של כוכב הלכת. אם נחליף את הערכים הידועים ביותר של כל הכמויות בנוסחה (1), וגם נעשה חישוב מחדש אלמנטרי מרדיאנים לסיבוב לסיבוב בשניות קשת (סימן ″) למאה, אז נגיע לערך Ψ = 42 אינץ'.98 למאה. תצפיות מתאימות לתוצאה זו עם הדיוק הנוכחי של בערך ± 0.1 למאה (איינשטיין בעבודתו הראשונה השתמש בנתונים פחות מדויקים, אך בגבולות הטעות הוא השיג הסכמה מלאה בין התיאוריה לתצפיות). נוסחה (1) ניתנת לעיל, ראשית, כדי להבהיר את הפשטות שלה, שלעתים קרובות כל כך נעדרת בתיאוריות פיזיקליות מורכבות מתמטית, כולל במקרים רבים בתורת היחסות הכללית. שנית, והכי חשוב, ברור מ-(1) שסיבוב הפריהליון נובע מתורת היחסות הכללית ללא צורך לערב קבועים או פרמטרים חדשים שאינם ידועים. לכן, התוצאה שהשיג איינשטיין הפכה לניצחון אמיתי של תורת היחסות הכללית.

בביוגרפיות הטובות ביותר של איינשטיין שאני מכיר, מובעת ומבוססת הדעה כי ההסבר על סיבוב הפריהליון של מרקורי היה "האירוע הרגשי החזק ביותר בכל חייו המדעיים של איינשטיין, ואולי בכל חייו". כן, זו הייתה שעתו הטובה ביותר של איינשטיין. אבל רק בשבילו. ממספר סיבות (די להזכיר את המלחמה), כדי שה-GR עצמו ייכנס לבמה העולמית הן עבור התיאוריה הזו והן עבור יוצרה, אירוע נוסף שהתרחש 4 שנים מאוחר יותר, בשנת 1919, הפך ל"נקודת השיא" ב- את העבודה שבה הושגה נוסחה (1), איינשטיין עשה תחזית חשובה: יש לכופף את קרני האור העוברות ליד השמש, וסטייתן חייבת להיות

α = 4GM ☼ = 1 אינץ'.75 ר ☼ , ג 2 ר ר

(2)

איפה רהוא המרחק הקרוב ביותר בין האלומה למרכז השמש, ו ר☼ = 6.96 10 10 ס"מ הוא רדיוס השמש (ליתר דיוק, רדיוס הפוטוספירה הסולארית); לפיכך, הסטייה המקסימלית שניתן לראות היא 1.75 שניות קשת. לא משנה כמה קטנה זווית כזו (בערך בזווית זו נראה מבוגר ממרחק של 200 ק"מ), ניתן היה למדוד אותה כבר באותה עת בשיטה האופטית על ידי צילום הכוכבים בשמיים בקרבת השמש . תצפיות כאלה בוצעו על ידי שתי משלחות בריטיות במהלך ליקוי חמה מלא ב-29 במאי 1919. השפעת הסטת הקרניים בשדה השמש נקבעה בוודאות והיא עולה בקנה אחד עם נוסחה (2), אם כי דיוק המדידות עקב מיעוט ההשפעה היה נמוך. עם זאת, חריגה של מחצית שלפי (2), כלומר ב-0″.87, לא נכללה. האחרון חשוב מאוד, מכיוון שהסטייה ב-0.87 (עם ר = ר☼) ניתן כבר לקבל מהתיאוריה הניוטונית (עצם האפשרות של סטיית אור בשדה הכבידה צוינה על ידי ניוטון, והביטוי לזווית הסטייה, חצי מזה שלפי נוסחה (2), התקבל בשנת 1801; דבר נוסף הוא שהתחזית הזו נשכחה ואיינשטיין לא ידע עליה). ב-6 בנובמבר 1919 דווחו תוצאות המשלחות בלונדון במפגש משותף של החברה המלכותית והאגודה האסטרונומית המלכותית. איזה רושם הם עשו ברור ממה שאמר ג'יי ג'יי תומסון, שעמד בראש פגישה זו: "זו התוצאה החשובה ביותר שהושגה בקשר עם תורת הכבידה מאז תקופת ניוטון... היא מייצגת את אחד ההישגים הגדולים ביותר של האדם. מַחֲשָׁבָה."

ההשפעות של תורת היחסות הכללית במערכת השמש, כפי שראינו, קטנות מאוד. זה מוסבר על ידי העובדה ששדה הכבידה של השמש (שלא לדבר על כוכבי הלכת) חלש. זה האחרון אומר כי פוטנציאל הכבידה הניוטוני של השמש

הבה נזכיר כעת את התוצאה הידועה מהקורס בפיזיקה בבית הספר: למסלולים מעגליים של כוכבי הלכת |φ ☼ | = v 2 , כאשר v היא מהירות כוכב הלכת. לכן, ניתן לאפיין את החולשה של שדה הכבידה על ידי פרמטר ממחיש יותר v 2 / ג 2, אשר עבור מערכת השמש, כפי שראינו, אינו עולה על 2.12 10 - 6. במסלול כדור הארץ v = 3 10 6 ס"מ s - 1 ו-v 2 / ג 2 \u003d 10 - 8, עבור לווייני כדור הארץ קרובים v ~ 8 10 5 ס"מ s - 1 ו-v 2 / ג 2 ~ 7 10 - 10 . לכן, אימות ההשפעות המוזכרות של תורת היחסות הכללית אפילו עם דיוק של 0.1% שהושג כעת, כלומר בשגיאה שאינה עולה על 10 - 3 מהערך הנמדד (נניח, סטיית קרני האור בשדה השמש), עושה זאת. עדיין לא מאפשר אימות מקיף של תורת היחסות הכללית עם דיוק תנאי הסדר

אפשר רק לחלום על מדידה בדיוק הנדרשת, למשל, את הסטת הקרניים בתוך מערכת השמש. עם זאת, פרויקטים של ניסויים מקבילים כבר נידונים. בהקשר למה שנאמר, פיזיקאים אומרים כי תורת היחסות הכללית אומתה בעיקר רק עבור שדה כבידה חלש. אבל אנחנו (אני, בכל מקרה) איכשהו אפילו לא שמנו לב לנסיבה אחת חשובה במשך די הרבה זמן. לאחר שיגור לוויין כדור הארץ הראשון ב-4 באוקטובר 1957 החל ניווט החלל להתפתח במהירות. כדי להנחית מכשירים על מאדים ונוגה, בעת טיסה ליד פובוס וכו', יש צורך בחישובים בדיוק של עד מטרים (במרחקים מכדור הארץ בסדר גודל של מאה מיליארד מטרים), כאשר השפעות תורת היחסות הכלליות הן די די. משמעותי. לכן, חישובים מתבצעים כעת על בסיס סכמות חישוביות שלוקחות בחשבון באופן אורגני את תורת היחסות הכללית. אני זוכר איך לפני כמה שנים דובר אחד - מומחה בניווט בחלל - אפילו לא הבין את השאלות שלי לגבי הדיוק של בדיקת תורת היחסות הכללית. הוא ענה: אנחנו לוקחים בחשבון את תורת היחסות הכללית בחישובים ההנדסיים שלנו, אחרת אי אפשר לעבוד, הכל מסתדר, מה עוד אפשר לרצות? כמובן שאפשר לאחל הרבה, אבל אסור לשכוח שתורת היחסות הכללית אינה עוד תיאוריה מופשטת, אלא משמשת ב"חישובים הנדסיים".

4. לאור האמור, הביקורת על GRT מאת א.א. לוגונוב נראית מפתיעה במיוחד. אך בהתאם לאמור בתחילת מאמר זה, אין לבטל ביקורת זו ללא ניתוח. במידה רבה עוד יותר, ללא ניתוח מפורט, אי אפשר לשפוט את ה-RTG שהציע א.א.לוגונוב - תורת הכבידה היחסית.

למרבה הצער, זה בלתי אפשרי לחלוטין לבצע ניתוח כזה בדפי פרסומי מדע פופולרי. במאמרו א.א.לוגונוב למעשה רק מצהיר ומעיר על עמדתו. אין דרך אחרת שאני יכול לעשות כאן.

לכן, אנו מאמינים ש-GR היא תיאוריה פיזיקלית עקבית - GR נותן תשובה חד-משמעית לכל השאלות המוצגות בצורה נכונה וברורה שהן קבילות בתחום תחולתה (האחרונה מתייחסת, במיוחד, לזמן העיכוב של האותות ב- מיקומם של כוכבי לכת). הוא אינו סובל מתורת היחסות הכללית ומפגמים כלשהם בעלי אופי מתמטי או לוגי. עם זאת, יש צורך להבהיר מה הכוונה לעיל כאשר משתמשים בכינוי "אנחנו". "אנחנו" הוא, כמובן, אני, אבל גם כל אותם פיזיקאים סובייטים וזרים שעמם נאלצתי לדון על תורת היחסות הכללית, ובמספר מקרים, ביקורתה של א.א. לוגונוב. גלילאו הגדול אמר לפני ארבע מאות שנה: בענייני מדע, דעתו של אחד חשובה יותר מדעתו של אלף. במילים אחרות, מחלוקות מדעיות אינן נפתרות ברוב קולות. אבל, מצד שני, ברור למדי שדעתם של פיזיקאים רבים, באופן כללי, משכנעת הרבה יותר, או אם לומר זאת טוב יותר, אמינה וכבדת משקל, מאשר דעתו של פיזיקאי אחד. לכן חשוב כאן המעבר מ"אני" ל"אנחנו".

יהיה מועיל ומתאים, אני מקווה, להעיר עוד כמה הערות.

למה א.א לוגונוב כל כך לא אוהב את GR? הסיבה העיקרית היא שבתורת היחסות הכללית, באופן כללי, אין מושג של אנרגיה ותנע בצורה המוכרת לנו מהאלקטרודינמיקה, ולדבריו יש סירוב "לייצג את שדה הכבידה כשדה קלאסי של סוג Faraday-Maxwell, בעל צפיפות אנרגיה-תנופה מוגדרת היטב. כן, זה האחרון נכון במובן מסוים, אבל זה מוסבר על ידי העובדה ש"בגיאומטריה רימניאנית, במקרה הכללי, אין סימטריה הכרחית ביחס לתזוזות וסיבובים, כלומר, אין ... קבוצת תנועת מרחב-זמן." הגיאומטריה של המרחב-זמן, על פי תורת היחסות הכללית, היא גיאומטריה רימניאנית. לכן, במיוחד, קרני האור חורגות מקו ישר, העוברות ליד השמש.

אחד ההישגים הגדולים ביותר של המתמטיקה של המאה הקודמת היה היצירה והפיתוח של גיאומטריה לא אוקלידית על ידי לובצ'בסקי, בולאי, גאוס, רימן וחסידיהם. ואז עלתה השאלה: מהי בעצם הגיאומטריה של המרחב-זמן הפיזי שבו אנו חיים? כאמור, לפי GR, גיאומטריה זו היא לא אוקלידית, רימאנית, ולא הגיאומטריה הפסאודו-אוקלידית של מינקובסקי (גיאומטריה זו מתוארת ביתר פירוט במאמרו של א.א. לוגונוב). הגיאומטריה הזו של מינקובסקי הייתה, אפשר לומר, תוצר של תורת היחסות המיוחדת (SRT) והחליפה את הזמן והמרחב המוחלט של ניוטון. את האחרון, מיד לפני הקמת SRT ב-1905, ניסו לזהות את האתר הקבוע של לורנץ. אבל האתר לורנץ, כמדיום מכני חסר תנועה לחלוטין, נזנח מכיוון שכל הניסיונות להבחין בנוכחות המדיום הזה לא צלחו (אני מתכוון לניסוי של מיכלסון וכמה ניסויים אחרים). ההשערה שהמרחב-זמן הפיזי הוא בהכרח בדיוק המרחב מינקובסקי, שמקובל על ידי א.א.לוגונוב כבסיסי, מרחיקת לכת מאוד. הוא מקביל במובן מסוים להשערות על המרחב המוחלט ועל האתר המכני, ונראה לנו שהוא נשאר ויישאר מופרך לחלוטין עד שיצביעו לטובתו טיעונים כלשהם המבוססים על תצפיות וניסויים. וטיעונים כאלה, לפחות כרגע, נעדרים לחלוטין. התייחסויות לאנלוגיה לאלקטרודינמיקה ולאידיאלים של הפיזיקאים המדהימים של המאה הקודמת פאראדיי ומקסוול אינם משכנעים מבחינה זו.

5. אם מדברים על ההבדל בין השדה האלקטרומגנטי, וכתוצאה מכך, האלקטרודינמיקה ושדה הכבידה (GR היא בדיוק התיאוריה של שדה כזה), אז יש לציין את הדברים הבאים. על ידי בחירת מערכת ייחוס, אי אפשר להרוס (להפוך לאפס) אפילו מקומית (בשטח קטן) את כל השדה האלקטרומגנטי. לכן, אם צפיפות האנרגיה של השדה האלקטרומגנטי

W =	ה 2 + ח 2
	8π

(הו ח- עוצמת השדות החשמליים והמגנטיים, בהתאמה) אינה אפס בכל מסגרת ייחוס, ואז היא תהיה לא אפס בכל מסגרת ייחוס אחרת. שדה הכבידה, באופן גס, תלוי הרבה יותר בבחירת מסגרת ההתייחסות. אז, שדה כבידה אחיד וקבוע (כלומר, שדה כבידה שגורם לתאוצה זחלקיקים הממוקמים בו, ללא תלות בקואורדינטות ובזמן) ניתנים ל"השמדה" מוחלטת (להפוך לאפס) על ידי המעבר למערכת התייחסות מואצת אחידה. נסיבה זו, שהיא התוכן הפיזי העיקרי של "עקרון השוויון", צוינה לראשונה על ידי איינשטיין במאמר שפורסם ב-1907 והיה הראשון בדרך ליצירת תורת היחסות הכללית.

אם אין שדה כבידה (בפרט, התאוצה שהוא גורם זשווה לאפס), אז גם צפיפות האנרגיה התואמת לה שווה לאפס. מכאן ברור שבשאלת צפיפות האנרגיה (ותנע) תורת שדה הכבידה חייבת להיות שונה באופן קיצוני מתורת השדה האלקטרומגנטי. אמירה כזו אינה משתנה בשל העובדה שבאופן כללי, לא ניתן "להרוס" את שדה הכבידה על ידי בחירת מסגרת הייחוס.

איינשטיין הבין זאת עוד לפני 1915, כשהשלים את יצירת תורת היחסות הכללית. כך, ב-1911, הוא כתב: "כמובן, אי אפשר להחליף כל שדה כבידה במצב התנועה של מערכת ללא שדה כבידה, בדיוק כפי שאי אפשר להפוך את כל הנקודות של תווך שנע באופן שרירותי למנוחה על ידי אמצעי לשינוי רלטיביסטי". והנה קטע ממאמר משנת 1914: "תחילה נעיר הערה נוספת כדי לסלק את אי ההבנה הברורה. תומך בתורת היחסות המודרנית הרגילה (אנחנו מדברים על SRT - V.L.G.) עם זכות מסוימת קורא למהירות "לכאורה" של נקודה חומרית. כלומר, הוא יכול לבחור את מסגרת ההתייחסות כך שלנקודת החומר תהיה מהירות שווה לאפס ברגע הנחשב. אם יש מערכת של נקודות חומר בעלות מהירויות שונות, אז הוא כבר לא יכול להכניס מערכת ייחוס כזו שהמהירות של כל נקודות החומר ביחס למערכת זו נעלמת. באופן דומה, פיזיקאי, העומד על נקודת המבט שלנו, יכול לקרוא לשדה הכבידה "לכאורה" מכיוון שבבחירה מתאימה של האצה של מסגרת הייחוס הוא יכול להשיג שבנקודה מסוימת במרחב-זמן שדה הכבידה נעלם. עם זאת, ראוי לציין כי היעלמות שדה הכבידה באמצעות טרנספורמציה במקרה הכללי אינה יכולה להיות מושגת עבור שדות כבידה מורחבים. לדוגמה, שדה הכבידה של כדור הארץ לא יכול להיות שווה לאפס על ידי בחירת מסגרת התייחסות מתאימה." לבסוף, כבר ב-1916, בתגובה לביקורת על תורת היחסות הכללית, איינשטיין הדגיש שוב את אותו הדבר: "בשום אופן לא ניתן גם לטעון ששדה הכבידה מוסבר במידה מסוימת באופן קינמטי בלבד: "קינמטי, לא דינמי. הבנת כוח המשיכה" היא בלתי אפשרית. לא נוכל להשיג שום שדה כבידה פשוט על ידי האצת מערכת קואורדינטות גלילית אחת ביחס לאחרת, שכן כך ניתן לקבל שדות ממבנה מסוים בלבד, שעם זאת חייבים לציית לאותם חוקים כמו כל שאר שדות הכבידה. זהו ניסוח נוסף של עקרון השקילות (במיוחד ליישום עיקרון זה על כוח הכבידה).

חוסר האפשרות של "הבנה קינמטית" של כוח הכבידה, בשילוב עם עקרון השקילות, קובע את המעבר בתורת היחסות הכללית מהגיאומטריה הפסאודו-אוקלידית של מינקובסקי לגיאומטריה רימנית (בגיאומטריה זו, למרחב-זמן יש, באופן כללי, אי. -אפס עקמומיות; הנוכחות של עקמומיות כזו מבדילה את שדה הכבידה "האמיתי" מ"קינמטי"). התכונות הפיזיקליות של שדה הכבידה קובעות, הבה נחזור על כך, שינוי קיצוני בתפקיד האנרגיה והתנע בתורת היחסות הכללית בהשוואה לאלקטרודינמיקה. יחד עם זאת, הן השימוש בגיאומטריה רימניאנית והן חוסר האפשרות ליישם את מושגי האנרגיה המוכרים מהאלקטרודינמיקה אינם מונעים, כפי שכבר הודגש לעיל, את העובדה שמתוך תורת היחסות הכללית עוקבים וניתן לחשב אותם ערכים די חד משמעיים עבור כל הנצפים. כמויות (זווית הסטייה של קרני האור, שינויים באלמנטים של כוכבי לכת מסביב ופולסרים כפולים וכו' וכו').

מן הסתם כדאי לשים לב לעובדה שניתן לנסח את תורת היחסות הכללית בצורה הרגילה מהאלקטרודינמיקה תוך שימוש במושג צפיפות אנרגיה-מומנטום (על כך ראה מאמרם המצוטט של יא. ב. זלדוביץ ול.פ. גרישוק. אולם, הוצג במקרה זה, מרחב מינקובסקי הוא פיקטיבי בלבד (לא ניתן לצפייה), ואנו מדברים רק על אותה תורת היחסות הכללית, הכתובה בצורה לא סטנדרטית. בינתיים, אנו חוזרים על כך, א.א. לוגונוב רואה במרחב מינקובסקי המשמש אותו. בתורת המשיכה היחסית (RTG) להיות פיזיקלי אמיתי, ומכאן מרחב ניתן לצפייה.

6. בהקשר זה, חשובה במיוחד השנייה מבין השאלות המופיעות בכותרת מאמר זה: האם תורת היחסות הכללית תואמת את המציאות הפיזית? במילים אחרות, מה אומר הניסיון - השופט העליון בהכרעת גורלה של כל תיאוריה פיזיקלית? לבעיה זו מוקדשים מאמרים וספרים רבים - האימות הניסיוני של תורת היחסות הכללית. במקרה זה, המסקנה היא די ברורה - כל הנתונים הזמינים של ניסויים או תצפיות או מאשרים GRT או אינם סותרים אותו. אולם, כפי שכבר ציינו, אימות תורת היחסות הכללית בוצע ומתקיים בעיקר רק בשדה כבידה חלש. בנוסף, לכל ניסוי יש דיוק מוגבל. בשדות כבידה חזקים (באופן גס, במקרה שבו היחס |φ| / ג 2 לא קטן; ראה לעיל) GR עדיין לא אומתה במלואה. למטרה זו, ניתן כיום להשתמש למעשה רק בשיטות אסטרונומיות הקשורות לחלל מרוחק מאוד: חקר כוכבי נויטרונים, פולסרים כפולים, "חורים שחורים", התפשטות ומבנה היקום, כמו שאומרים, "בגדול " - במרחבים עצומים הנמדדים במיליוני ומיליארדי שנות אור. הרבה כבר נעשה ונעשה בכיוון הזה. די להזכיר את המחקרים של הפולסר הבינארי PSR 1913+16, שעבורם (כמו גם לגבי כוכבי נויטרונים בכלל) הפרמטר |φ| / ג 2 זה כבר בערך 0.1. בנוסף, במקרה זה ניתן היה לחשוף את אפקט הסדר (v / ג) 5 הקשורים לפליטת גלי כבידה. בעשורים הקרובים יפתחו הזדמנויות נוספות ללימוד תהליכים בשדות כבידה חזקים.

הכוכב המנחה במחקרים עוצרי הנשימה הללו הוא, קודם כל, תורת היחסות הכללית. במקביל, כמובן, נידונות גם כמה אפשרויות אחרות - תיאוריות אחרות, כפי שאומרים לפעמים, אלטרנטיביות של כוח הכבידה. לדוגמה, בתורת היחסות הכללית, כמו גם בתורת הכבידה האוניברסלית של ניוטון, קבוע הכבידה Gבאמת נחשב קבוע. אחת התיאוריות המפורסמות ביותר של כוח הכבידה, הכללה (או, ליתר דיוק, הרחבת) תורת היחסות הכללית, היא תיאוריה שבה ה"קבוע" הגרביטציוני כבר נחשב לפונקציה סקלרית חדשה – כמות שתלויה בקואורדינטות ובזמן. תצפיות ומדידות מצביעות, עם זאת, על שינויים יחסיים אפשריים Gלאורך זמן הם קטנים מאוד - ככל הנראה, הם מסתכמים בלא יותר ממאה מיליארד בשנה, כלומר, | dG / dt| / G < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения Gיכול לשחק תפקיד. שימו לב שאפילו בלי קשר לשאלת הארעיות Gהנחת קיום במרחב-זמן אמיתי, בנוסף לשדה הכבידה gik, גם שדה סקלרי כלשהו ψ הוא הכיוון העיקרי בפיזיקה ובקוסמולוגיה המודרנית. בתיאוריות אלטרנטיביות אחרות של כבידה (עליהן ראה ספר ג' וויל שהוזכר לעיל בהערה 8), תורת היחסות הכללית שונה או מוכללת בצורה שונה. כמובן, אי אפשר להתנגד לניתוח המקביל, כי GR היא לא דוגמה, אלא תיאוריה פיזיקלית. יתרה מכך, אנו יודעים שתורת היחסות הכללית, שהיא תיאוריה שאינה קוונטית, צריכה כמובן להיות מוכללת לאזור הקוונטי, שעדיין אינו נגיש לניסויי כבידה ידועים. מטבע הדברים, אינך יכול לפרט יותר על כל זה כאן.

7. א.א לוגונוב, החל מהביקורת על תורת היחסות הכללית, במשך יותר מ-10 שנים בונה איזו תורת כבידה אלטרנטיבית ששונה מתורת היחסות הכללית. יחד עם זאת, הרבה השתנה במהלך העבודה, והגרסה המקובלת כיום של התיאוריה (זהו ה-RTG) מפורטת במיוחד במאמר, המונה כ-150 עמודים ומכיל כ-700 נוסחאות ממוספרות בלבד. ברור שניתוח מפורט של RTG אפשרי רק בדפי כתבי עת מדעיים. רק לאחר ניתוח כזה ניתן יהיה לומר האם RTG עקבי, האם הוא מכיל סתירות מתמטיות וכו'. עד כמה שהצלחתי להבין, RTG שונה מ-GR על ידי בחירת רק חלק מפתרונות GR - כולם פתרונות של משוואות דיפרנציאליות RTG עונה על משוואות GR, אבל, ככל שאומרים מחברי ה-RTG, לא להיפך. יחד עם זאת, המסקנה היא שבנושאים גלובליים (פתרונות לכל המרחב-זמן או אזוריו הגדולים, טופולוגיה וכו'), ההבדלים בין RTG ל-GR הם, באופן כללי, רדיקליים. לגבי כל הניסויים והתצפיות שנעשו בתוך מערכת השמש, אז למיטב הבנתי, RTG לא יכול להתנגש עם תורת היחסות הכללית. אם כן, אז אי אפשר להעדיף RTG (על GR) על בסיס ניסויים ידועים במערכת השמש. באשר ל"חורים שחורים" וליקום, מחברי ה-RTG טוענים שמסקנותיהם שונות באופן משמעותי מהמסקנות של תורת היחסות הכללית, אך איננו מודעים לנתונים תצפיתיים ספציפיים המעידים בעד ה-RTG. במצב כזה, רט"ג מאת א"א לוגונוב (אם רט"ג באמת שונה מג"ר במהותה, ולא רק בדרך ההצגה והבחירה של אחד ממעמדות התנאים האפשריים של קואורדינטות; ראה מאמרם של י"ב זלדוביץ ול"פ. Grischuk) יכולה להיחשב רק כאחת מהתיאוריות החלופיות המקובלות, באופן עקרוני, של כוח הכבידה.

חלק מהקוראים עשויים להתריע על ידי הסתייגויות כמו: "אם זה כך", "אם RTG באמת שונה מ-GR". האם אני מנסה לבטח מפני טעויות בדרך זו? לא, אני לא חושש לטעות כבר מכוח האמונה שיש רק ערובה אחת לחוסר תקלות - לא לעבוד בכלל, ובמקרה הזה לא לדון בסוגיות מדעיות. דבר נוסף הוא שכבוד למדע, היכרות עם אופיו וההיסטוריה שלו מעודדים זהירות. הקטגוריות של אמירות לא תמיד מעידה על נוכחות של בהירות אמיתית, ובאופן כללי, אינה תורמת לביסוס האמת. הרט"ג של א.א. לוגונוב בצורתו המודרנית גובש די לאחרונה וטרם נדון בהרחבה בספרות המדעית. לכן, מטבע הדברים, אין לי דעה סופית בנושא. בנוסף, בכתב עת מדעי פופולרי, לא ניתן לדון במספר נושאים מתעוררים, ובלתי ראויים. יחד עם זאת, כמובן, בשל העניין הרב של הקוראים בתורת הכבידה, הסיקור של מגוון נושאים זה, לרבות נושאים הניתנים לויכוח, בדפי המדע והחיים נראה מוצדק ברמה נגישה.

לכן, בהנחיית "עקרון האומה המועדפת ביותר" הנבון, נכון לעכשיו, RTG צריך להיחשב כתיאוריית כוח משיכה חלופית הדורשת ניתוח ודיון מתאימים. למי שאוהב את התיאוריה הזו (RTG) והמתעניין בה, אף אחד לא מעכב (וכמובן, לא צריך לעכב) את התפתחותה, ומציע דרכים אפשריות לאימות ניסיוני.

יחד עם זאת, אין מקום לומר כי ה-GTR התערער במידה מסוימת בשלב הנוכחי. יתרה מכך, טווח הישימות של תורת היחסות הכללית נראה רחב מאוד, והדיוק שלה גבוה מאוד. כזו, לדעתנו, היא הערכה אובייקטיבית של מצב העניינים הקיים. אם מדברים על טעמים ועמדות אינטואיטיביות, ולטעמים ואינטואיציה יש תפקיד משמעותי במדע, למרות שלא ניתן להעלות אותם כראיה, אז כאן עלינו לעבור מ"אנחנו" ל"אני". לכן, ככל שנאלצתי ועודני להתמודד עם תורת היחסות הכללית והביקורת שלה, כך אני מתחזק יותר את הרושם של עומקה ויופיה יוצאי הדופן.

ואכן, כפי שצוין בהטבעה, תפוצת כתב העת "מדע וחיים" מס' 4, 1987 הייתה 3 מיליון 475 אלף עותקים. בשנים האחרונות הייתה התפוצה רק של עשרות אלפי עותקים בודדים, עלתה על 40 אלף רק ב-2002. (הערה - א.מ. קריינב).

אגב, 1987 מציינת את יום השנה ה-300 לפרסום הראשון של ספרו הגדול של ניוטון The Mathematical Principles of Natural Philosophy. היכרות עם תולדות היצירה של יצירה זו, שלא לדבר על עצמו, מלמדת מאוד. עם זאת, אותו הדבר חל על כל הפעילויות של ניוטון, שאיתן לא כל כך קל למי שאינם מומחים להכיר אותנו. אני יכול להמליץ ​​למטרה זו על ספר טוב מאוד מאת S. I. Vavilov "Isac Newton", יש להוציא אותו מחדש. הרשו לי להזכיר גם את המאמר שלי שנכתב לרגל יום השנה לניוטון, שפורסם בכתב העת Uspekhi fizicheskikh nauk, כרך 151, מס' 1, 1987, עמ'. 119.

גודל הסיבוב ניתן לפי מדידות מודרניות (ל-Le Verrier היה סיבוב של 38 שניות). זכור לצורך הבהירות שהשמש והירח נראים מכדור הארץ בזווית של כ-0.5 מעלות קשת - 1800 שניות קשת.

א. פאלס "עדין הוא האדון..." המדע והחיים של אלברט איינשטיין. אוניברסיטת אוקספורד עיתונות, 1982. כדאי יהיה לפרסם תרגום לרוסית של ספר זה.

זה האחרון אפשרי במהלך ליקוי חמה מלא; צילום אותו חלק של השמים, נניח, חצי שנה לאחר מכן, כשהשמש נעה על הכדור השמימי, אנו מקבלים לשם השוואה תמונה שאינה מעוותת כתוצאה מהסטת הקרניים בהשפעת שדה הכבידה. של השמש.

לפרטים עלי להתייחס למאמרם של יא. ב. זלדוביץ ול.פ. גרישצ'וק, שפורסם לאחרונה ב-Uspekhi fizicheskikh nauk (Uspekhi fizicheskikh nauk) (כרך 149, עמ' 695, 1986), וכן לספרות המובאת שם. , במיוחד למאמרו של L. D. Faddeev ("Uspekhi fizicheskikh nauk", כרך 136, עמ' 435, 1982).

ראה הערת שוליים 5.

ראה ק' וויל. "תיאוריה וניסוי בפיזיקה כבידה". M., Energoiedat, 1985; ראה גם V. L. Ginzburg. על פיזיקה ואסטרופיזיקה. M., Nauka, 1985, והספרות המצוינת שם.

א.א. לוגונוב ומ.א. מסטוירישווילי. "יסודות התיאוריה היחסית של כוח הכבידה". כתב העת "פיזיקה של חלקיקים אלמנטריים וגרעין האטום", נ' 17, גיליון 1, 1986

בעבודותיו של א.א.לוגונוב ישנן הצהרות נוספות ונחשב ספציפית שלזמן עיכוב האות כאשר, נניח, מרקורי ממוקם מכדור הארץ, ערך המתקבל מ-RTG שונה מזה הבא מ-GR. ליתר דיוק, נטען כי תורת היחסות הכללית אינה נותנת חיזוי חד משמעי של זמן ההשהיה של האותות, כלומר, תורת היחסות הכללית אינה עקבית (ראה לעיל). אולם מסקנה כזו היא, לדעתנו, פרי של אי הבנה (הדבר מצוין למשל במאמרם המצוטט של יא. ב. זלדוביץ ול.פ. גרישוק, ראה הערת שוליים 5): תוצאות שונות ב-GR בעת שימוש שונה. מתקבלות מערכות קואורדינטות רק המשוות את כוכבי הלכת הממוקמים במסלולים שונים, ולכן יש להם תקופות שונות של סיבוב סביב השמש. זמני עיכוב האותות שנצפו מכדור הארץ במיקום של כוכב לכת מסוים, על פי GR ו-RTG, עולים בקנה אחד.

ראה הערת שוליים 5.

פרטים לסקרנים

סטייה של גלי אור ורדיו בשדה הכבידה של השמש. בדרך כלל, כדגם אידאלי של השמש, כדור סטטי סימטרי כדורי ברדיוס ר☼ ~ 6.96 10 10 ס"מ, מסת שמש M☼ ~ 1.99 10 30 ק"ג (פי 332958 מסה של כדור הארץ). סטיית האור היא מקסימלית עבור קרניים שבקושי נוגעות בשמש, כלומר בשעה ר ~ ר☼ , ושווה ל: φ ≈ 1″.75 (שניות קשת). זווית זו קטנה מאוד - בערך בזווית זו רואים מבוגר ממרחק של 200 ק"מ, ולכן הדיוק במדידת עקמומיות הכבידה של הקרניים לא היה גבוה עד לאחרונה. המדידות האופטיות האחרונות, שנעשו במהלך ליקוי החמה ב-30 ביוני 1973, היו עם שגיאה של כ-10%. כיום, הודות להופעת מדי אינטרפרומטרים רדיו "עם קו בסיס ארוך במיוחד" (יותר מ-1000 ק"מ), הדיוק של מדידת זוויות גדל באופן דרמטי. מדי אינטרפרומטר רדיו מאפשרים למדוד באופן אמין מרחקים זוויתיים ושינויי זווית בסדר גודל של 10 - 4 שניות קשת (~ 1 ננוראדיאן).

האיור מציג את הסטייה של רק אחת מהקרניים המגיעות ממקור מרוחק. במציאות, שתי הקורות מעוקלות.

פוטנציאל כבידה

בשנת 1687 הופיעה עבודתו הבסיסית של ניוטון "העקרונות המתמטיים של הפילוסופיה הטבעית" (ראה "מדע וחיים" מס' 1, 1987), בה נוסח חוק הכבידה האוניברסלית. חוק זה קובע שכוח המשיכה בין כל שני חלקיקי חומר עומד ביחס ישר למסה שלהם. Mו Mוביחס הפוך לריבוע המרחק רביניהם:

ו = G	מ"מ	.
	ר 2

גורם מידתיות Gנודע בתור קבוע הכבידה, יש צורך להתאים את הממדים בחלק הימני והשמאלי של הנוסחה הניוטונית. אפילו ניוטון עצמו, עם דיוק גבוה מאוד לתקופתו, הראה זאת G- הערך קבוע ולכן, חוק הכבידה שהתגלה על ידו הוא אוניברסלי.

שתי מסות נקודות מושכות Mו Mמופיעים בנוסחה של ניוטון באופן שווה. במילים אחרות, אנו יכולים לשקול ששניהם משמשים מקורות של שדה הכבידה. עם זאת, בבעיות ספציפיות, במיוחד במכניקה שמימית, אחת משתי המסות היא לרוב קטנה מאוד בהשוואה לשנייה. למשל, מסת כדור הארץ MЗ ≈ 6 10 24 ק"ג הוא הרבה פחות מהמסה של השמש M☼ ≈ 2 10 30 ק"ג או, נניח, מסת הלוויין Mלא ניתן להשוות ≈ 10 3 ק"ג למסת כדור הארץ ולכן אין לה השפעה כמעט על תנועת כדור הארץ. מסה כזו, שבעצמה אינה מפריעה את שדה הכבידה, אלא משמשת כמעין בדיקה שעליה פועל שדה זה, נקראת מסת מבחן. (באותו אופן, באלקטרודינמיקה יש מושג של "מטען בדיקה", כלומר כזה שעוזר לזהות שדה אלקטרומגנטי.) מאחר ומסת הבדיקה (או מטען הבדיקה) תורמת תרומה זניחה לשדה, שכן במסה כזו השדה הופך ל"חיצוני" וניתן לאפיין אותו בכמות הנקראת מתח. בעיקרו של דבר, האצת הנפילה החופשית זהוא חוזק שדה הכבידה של כדור הארץ. החוק השני של המכניקה הניוטונית נותן אז את משוואות התנועה של מסת מבחן נקודתית M. כך למשל נפתרות בעיות הבליסטיקה והמכניקה השמימית. שימו לב שלרוב הבעיות הללו, לתיאוריית הכבידה של ניוטון גם היום יש דיוק מספיק.

מתח, כמו כוח, הוא כמות וקטורית, כלומר במרחב תלת מימדי היא נקבעת על ידי שלושה מספרים - רכיבים לאורך צירים קרטזיים מאונכים זה לזה איקס, בְּ-, ז. כאשר משנים את מערכת הקואורדינטות - ופעולות כאלה אינן נדירות בבעיות פיזיקליות ואסטרונומיות - הקואורדינטות הקרטזיות של הווקטור עוברות טרנספורמציה באופן מסוים, אם כי לא מסובך, אך לעתים קרובות מסורבל. לכן, במקום עוצמת השדה הווקטורית, יהיה נוח להשתמש בערך הסקלרי המתאים לו, שממנו יתקבל החוזק המאפיין את השדה - החוזק - באמצעות מתכון פשוט כלשהו. וקיים ערך סקלרי כזה - הוא נקרא פוטנציאל, והמעבר למתח מתבצע על ידי בידול פשוט. מכאן נובע שפוטנציאל הכבידה הניוטוני שנוצר על ידי המסה M, שווה ל

מהיכן מגיע השוויון |φ| = v 2 .

במתמטיקה, תורת הכבידה של ניוטון נקראת לפעמים "תורת הפוטנציאל". פעם, תורת הפוטנציאל הניוטוני שימשה מודל לתורת החשמל, ואז הרעיונות על השדה הפיזיקלי, שנוצרו באלקטרודינמיקה של מקסוול, עוררו בתורם את הופעתה של תורת היחסות הכללית של איינשטיין. המעבר מתורת הכבידה היחסית של איינשטיין למקרה מיוחד של תורת הכבידה הניוטונית תואם בדיוק את אזור הערכים הקטנים של הפרמטר חסר הממד |φ| / ג 2 .

כבר בתחילת המאה ה-20 גובשה תורת היחסות. מה זה ומי היוצר שלו, כל תלמיד יודע היום. זה כל כך מרתק שאפילו אנשים שרחוקים מהמדע מתעניינים בו. מאמר זה מתאר את תורת היחסות בשפה נגישה: מה היא, מהן ההנחות והיישום שלה.

הם אומרים שלאלברט איינשטיין, היוצר שלו, הייתה התגלות ברגע. נראה היה שהמדען נוסע בחשמלית בברן השוויצרית. הוא הביט בשעון הרחוב ופתאום הבין שהשעון ייעצר אם החשמלית תאיץ למהירות האור. במקרה זה, לא יהיה זמן. לזמן יש תפקיד חשוב מאוד בתורת היחסות. אחת ההנחות שניסח איינשטיין היא שצופים שונים תופסים את המציאות בצורה שונה. זה חל במיוחד על זמן ומרחק.

דין וחשבון על עמדת המשקיף

באותו יום, אלברט הבין כי בשפת המדע, התיאור של כל תופעה או אירוע פיזיקלי תלוי באיזו מסגרת התייחסות נמצא הצופה. לדוגמה, אם נוסעת בחשמלית תפיל את משקפיה, הם יפלו אנכית כלפי מטה ביחס אליה. אם תסתכל מעמדה של הולך רגל שעומד ברחוב, אז מסלול הנפילה שלהם יתאים לפרבולה, מכיוון שהחשמלית נעה ומשקפיים נופלות בו זמנית. לפיכך, לכל אחד יש מערכת התייחסות משלו. אנו מציעים לשקול ביתר פירוט את ההנחות הבסיסיות של תורת היחסות.

חוק התנועה המבוזרת ועקרון היחסות

למרות העובדה שתיאורי אירועים משתנים כאשר מסגרות התייחסות משתנות, ישנם גם דברים אוניברסליים שנשארים ללא שינוי. כדי להבין זאת, יש לשאול לא את שאלת נפילת המשקפיים, אלא את חוק הטבע הגורם לנפילה זו. עבור כל צופה, לא משנה אם הוא נמצא במערכת קואורדינטות נעה או נייחת, התשובה עליה נשארת ללא שינוי. חוק זה נקרא חוק התנועה המבוזרת. זה עובד באותה מידה גם בחשמלית וגם ברחוב. במילים אחרות, אם תיאור האירועים תלוי תמיד במי שמתבונן בהם, אז זה לא חל על חוקי הטבע. הם, כפי שנהוג לומר בשפה מדעית, בלתי משתנים. זהו עקרון היחסות.

שתי התיאוריות של איינשטיין

עיקרון זה, כמו כל השערה אחרת, היה צריך להיות מאומת תחילה על ידי מתאם בינו לבין תופעות טבע הפועלות במציאות שלנו. איינשטיין שאב 2 תיאוריות מעיקרון היחסות. למרות שהם קשורים, הם נחשבים נפרדים.

תורת היחסות הפרטית, או המיוחדת (SRT) מבוססת על העמדה שלכל מסגרות ההתייחסות האפשריות, שמהירותן קבועה, חוקי הטבע נשארים זהים. תורת היחסות הכללית (GR) מרחיבה את העיקרון הזה לכל מסגרת התייחסות, לרבות אלה הנעות עם תאוצה. בשנת 1905 פרסם א' איינשטיין את התיאוריה הראשונה. את השני, המורכב יותר מבחינת המנגנון המתמטי, הוא השלים עד 1916. יצירת תורת היחסות, הן SRT והן GR, הפכה לשלב חשוב בהתפתחות הפיזיקה. בואו נסתכל מקרוב על כל אחד מהם.

תורת היחסות המיוחדת

מה זה, מה המהות שלו? בואו נענה על השאלה הזו. התיאוריה הזו היא שחוזה השפעות פרדוקסליות רבות הסותרות את הרעיונות האינטואיטיביים שלנו לגבי איך העולם עובד. אנחנו מדברים על ההשפעות הנצפות כאשר מהירות התנועה מתקרבת למהירות האור. המפורסם שבהם הוא השפעת הרחבת הזמן (שעונים). שעונים שנעים ביחס למתבונן איטיים יותר עבורו מאלה שנמצאים בידיו.

במערכת הקואורדינטות, כאשר נעים במהירות קרובה למהירות האור, הזמן נמתח ביחס למתבונן, ואורך העצמים (היקף מרחבי), להיפך, נדחס לאורך ציר הכיוון של תנועה זו. . מדענים קוראים לאפקט הזה התכווצות לורנץ-פיצ'רלד. עוד בשנת 1889, הוא תואר על ידי ג'ורג' פיצג'רלד, פיזיקאי איטלקי. ובשנת 1892 השלים אותו הנדריק לורנץ, הולנדי. השפעה זו מסבירה את התוצאה השלילית שנותן הניסוי של מיכלסון-מורלי, שבה מהירות כוכב הלכת שלנו בחלל החיצון נקבעת על ידי מדידת "הרוח הארצית". אלו הן ההנחות הבסיסיות של תורת היחסות (מיוחד). איינשטיין השלים את התמורות ההמוניות הללו באנלוגיה. לדבריה, ככל שמהירות הגוף מתקרבת למהירות האור, מסת הגוף עולה. לדוגמה, אם המהירות היא 260 אלף קמ"ש, כלומר 87% ממהירות האור, מנקודת מבטו של צופה שנמצא במערכת ייחוס נח, מסת העצם תוכפל.

אישורי תחנת שירות

כל העמדות הללו, לא משנה כמה הן סותרות את השכל הישר, מאז תקופת איינשטיין מצאו אישור ישיר ומלא במגוון ניסויים. אחד מהם נערך על ידי מדענים מאוניברסיטת מישיגן. הניסיון המוזר הזה מאשר את תורת היחסות בפיזיקה. החוקרים הציבו על סיפונה של מטוס הנוסעים, שביצע בקביעות טיסות טרנס-אטלנטיות, מדויקות במיוחד.בכל פעם לאחר החזרתו לשדה התעופה, הושוו קריאות השעונים הללו לקריאת הביקורת. התברר שהשעון במטוס כל פעם פיגר מאחורי השליטה יותר ויותר. כמובן, זה היה רק ​​על נתונים חסרי משמעות, שברירי שנייה, אבל העובדה עצמה מעידה מאוד.

במשך חצי המאה האחרונה, חוקרים חוקרים חלקיקים יסודיים במאיצים - מתחמי חומרה ענקיים. בהם מואצות אלומות אלקטרונים או פרוטונים, כלומר טעונים, עד שמהירויות שלהן מתקרבות למהירות האור. לאחר מכן הם יורים לעבר מטרות גרעיניות. בניסויים אלו, יש צורך לקחת בחשבון שמסת החלקיקים עולה, אחרת לא ניתן לפרש את תוצאות הניסוי. בהקשר זה, SRT כבר מזמן לא רק תיאוריה היפותטית. זה הפך לאחד הכלים המשמשים בהנדסה שימושית, יחד עם חוקי המכניקה הניוטוניים. עקרונות תורת היחסות מצאו יישום מעשי רב בימינו.

חוקי SRT וחוקי ניוטון

אגב, אם כבר מדברים על (דיוקנו של המדען הזה מובא לעיל), יש לומר שתורת היחסות המיוחדת, שלכאורה סותרת אותם, למעשה משחזרת את משוואות חוקי ניוטון כמעט בדיוק, אם היא משמש לתיאור גופים שמהירותם הרבה פחות ממהירות האור. במילים אחרות, אם מיושמת תורת היחסות הפרטית, הפיזיקה הניוטונית אינה מתבטלת כלל. תיאוריה זו, להיפך, משלימה ומרחיבה אותה.

מהירות האור היא קבוע אוניברסלי

באמצעות עקרון היחסות, אפשר להבין מדוע מהירות האור, ולא משהו אחר, משחקת תפקיד חשוב מאוד במודל זה של מבנה העולם. שאלה זו נשאלת על ידי אלה שרק מתחילים את ההיכרות שלהם עם הפיזיקה. מהירות האור היא קבוע אוניברסלי בשל העובדה שהיא מוגדרת ככזו על ידי חוק מדעי הטבע (ניתן למצוא עוד על כך על ידי לימוד משוואות מקסוול). מהירות האור בוואקום, בשל עקרון היחסות, זהה בכל מסגרת התייחסות. אפשר לחשוב שזה מנוגד לשכל הישר. מסתבר שהצופה קולט בו זמנית אור גם ממקור נייח וגם ממקור נע (ללא קשר למהירות שהוא נע). עם זאת, זה לא. למהירות האור, בשל תפקידה המיוחד, ניתן מקום מרכזי לא רק בתורת היחסות הפרטית, אלא גם בתורת היחסות הכללית. בוא נדבר עליה.

תורת היחסות הכללית

הוא משמש, כפי שכבר אמרנו, לכל מסגרות ההתייחסות, לאו דווקא לאלו שמהירותם זו ביחס לזו קבועה. מבחינה מתמטית, התיאוריה הזו נראית הרבה יותר מסובכת מהתיאוריה המיוחדת. זה מסביר את העובדה שחלפו 11 שנים בין פרסומם. תורת היחסות הכללית כוללת את המיוחד כמקרה מיוחד. לכן, גם חוקי ניוטון כלולים בו. עם זאת, תורת היחסות הכללית מרחיקה לכת הרבה יותר מקודמותיה. לדוגמה, זה מסביר את כוח המשיכה בדרך חדשה.

מימד רביעי

הודות לתורת היחסות הכללית, העולם הופך לארבע-ממדי: הזמן מתווסף לשלושה ממדים מרחביים. כולם בלתי ניתנים להפרדה, לכן אין צורך לדבר עוד על המרחק המרחבי הקיים בעולם התלת מימדי בין שני עצמים. כעת אנו מדברים על מרווחים מרחביים-זמניים בין אירועים שונים, המאחדים את הריחוק המרחבי והזמני שלהם זה מזה. במילים אחרות, זמן ומרחב בתורת היחסות נחשבים כמעין רצף ארבעה ממדי. ניתן להגדיר זאת כמרחב-זמן. על רצף נתון, לאותם צופים שנעים זה ביחס לזה יהיו דעות שונות אפילו לגבי האם שני אירועים התרחשו בו זמנית, או שאחד מהם קדם לשני. אולם הקשר הסיבתי אינו מופר. במילים אחרות, קיומה של מערכת קואורדינטות כזו, שבה שני אירועים מתרחשים ברצף שונה ולא בו זמנית, אינו מאפשר אפילו תורת היחסות הכללית.

תורת היחסות הכללית וחוק הכבידה האוניברסלית

על פי חוק הכבידה האוניברסלית שגילה ניוטון, כוח המשיכה ההדדית קיים ביקום בין כל שני גופים. כדור הארץ ממיקום זה מסתובב סביב השמש, מכיוון שיש ביניהם כוחות של משיכה הדדית. אף על פי כן, תורת היחסות הכללית מאלצת אותנו להסתכל על תופעה זו מזווית אחרת. כוח הכבידה, לפי תיאוריה זו, הוא תוצאה של ה"עקמומיות" (דפורמציה) של המרחב-זמן, הנצפית בהשפעת המסה. ככל שהגוף כבד יותר (בדוגמה שלנו, השמש), כך המרחב-זמן "מתכופף" מתחתיו. בהתאם לכך, שדה הכבידה שלו חזק יותר.

על מנת להבין טוב יותר את מהותה של תורת היחסות, הבה נפנה להשוואה. כדור הארץ, על פי תורת היחסות הכללית, סובב סביב השמש, כמו כדור קטן שמתגלגל סביב חרוט של משפך שנוצר כתוצאה מה"חבטות" של השמש במרחב-זמן. ומה שהיינו מתייחסים לכוח הכבידה הוא למעשה ביטוי חיצוני של עקמומיות זו, ולא כוח, בהבנת ניוטון. הסבר טוב יותר לתופעת הכבידה מזה המוצע בתורת היחסות הכללית לא נמצא עד היום.

שיטות לבדיקת תורת היחסות הכללית

שימו לב שלא קל לאמת את תורת היחסות הכללית, שכן תוצאותיה בתנאי מעבדה כמעט תואמות את חוק הכבידה האוניברסלית. עם זאת, מדענים עדיין ערכו מספר ניסויים חשובים. התוצאות שלהם מאפשרות לנו להסיק שהתיאוריה של איינשטיין מאוששת. תורת היחסות הכללית עוזרת גם להסביר תופעות שונות שנצפו במרחב. אלו הן, למשל, סטיות קטנות של מרקורי ממסלולו הנייח. מנקודת המבט של המכניקה הקלאסית הניוטונית, לא ניתן להסביר אותם. זו גם הסיבה שקרינה אלקטרומגנטית מכוכבים רחוקים מתכופפת כשהיא נעה קרוב לשמש.

התוצאות שנחזו על ידי תורת היחסות הכללית, למעשה, שונות באופן משמעותי מאלה שניתנו על ידי חוקי ניוטון (הדיוקן שלו מוצג לעיל), רק כאשר קיימים שדות כבידה חזקים במיוחד. לכן, לצורך אימות מלא של תורת היחסות הכללית, נדרשות מדידות מדויקות מאוד של עצמים בעלי מסה עצומה או חורים שחורים, מכיוון שהרעיונות הרגילים שלנו אינם מתאימים להם. לכן, פיתוח שיטות ניסוי לבדיקת תיאוריה זו היא אחת המשימות העיקריות של הפיזיקה הניסויית המודרנית.

מוחם של מדענים רבים, ואפילו אנשים רחוקים מהמדע, עסוק על ידי תורת היחסות שיצר איינשטיין. מה זה, סיפרנו בקצרה. התיאוריה הזו הופכת את הרעיונות הרגילים שלנו על העולם, כך שהעניין בה עדיין לא נמוג.