النظرية النسبية العامة. مبدأ المساواة بين كتل الجاذبية والقصور الذاتي

الكسالى فقط هم الذين لا يعرفون عن تعاليم ألبرت أينشتاين التي تشهد بنسبية كل ما يحدث في هذا العالم الفاني. منذ ما يقرب من مائة عام، كانت النزاعات مستمرة ليس فقط في عالم العلوم، ولكن أيضا في عالم ممارسة الفيزيائيين. نظرية النسبية لأينشتاين في كلمات بسيطةإنه سهل الوصول إليه تمامًا وليس سراً للمبتدئين.

في تواصل مع

بعض الأسئلة العامة

بالنظر إلى خصوصيات التعاليم النظرية لألبرت العظيم، يمكن تقييم افتراضاته بشكل غامض من خلال حركات مختلفة لعلماء الفيزياء النظرية، والمدارس العلمية العالية إلى حد ما، وكذلك أتباع المدرسة غير العقلانية للفيزياء والرياضيات.

بالعودة إلى بداية القرن الماضي، عندما حدثت طفرة في الفكر العلمي وعلى خلفية التغيرات الاجتماعية، بدأت بعض الحركات العلمية في الظهور، وظهرت النظرية النسبية لكل ما يعيش فيه الإنسان. وبغض النظر عن كيفية تقييم معاصرينا لهذا الوضع، فإن كل شيء في العالم الحقيقي ليس ثابتًا حقًا، النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين:

• يتغير الزمن، وتتغير وجهات نظر المجتمع ورأيه العقلي حول مشاكل معينة من الناحية الاجتماعية؛
• لقد تغيرت الأسس الاجتماعية ووجهات النظر العالمية المتعلقة بعقيدة الاحتمالية في أنظمة الدولة المختلفة وفي ظل ظروف خاصة للتنمية الاجتماعية بمرور الوقت وتحت تأثير الآليات الموضوعية الأخرى.
• كيف تشكلت آراء المجتمع حول مشكلات التنمية الاجتماعية، كانت نفس المواقف والآراء حولها نظريات أينشتاين حول الزمن.

مهم! نظرية الجاذبية لأينشتاينكان أساسًا للخلافات المنهجية بين العلماء الأكثر شهرة، سواء في بداية تطويره أو أثناء اكتماله. لقد تحدثوا عن ذلك، وكانت هناك العديد من المناقشات، وأصبح موضوع المحادثة في صالونات رفيعة المستوى في مختلف البلدان.

وناقشه العلماء، وكان موضع الحديث. حتى أن هناك فرضية مفادها أن التدريس كان مفهوماً لثلاثة أشخاص فقط من العالم العلمي. وعندما حان الوقت، بدأ كهنة أكثر العلوم غموضًا - الرياضيات الإقليدية - في شرح الافتراضات. ثم جرت محاولة لبناء نموذجها الرقمي ونفس العواقب التي تم التحقق منها رياضيا لعملها على الفضاء العالمي، واعترف مؤلف الفرضية أنه أصبح من الصعب للغاية فهم حتى ما قام بإنشائه. إذن ماذا يفعل النظرية النسبية العامة,ماذا يستكشفوما التطبيق العملي الذي وجدته في العالم الحديث؟

تاريخ وجذور النظرية

اليوم، في الغالبية العظمى من الحالات، يتم وصف إنجازات أينشتاين العظيم بإيجاز على أنها إنكار كامل لما كان في الأصل ثابتًا لا يتزعزع. كان هذا الاكتشاف هو الذي جعل من الممكن دحض ما يعرفه جميع تلاميذ المدارس بأنه ذات الحدين الجسديين.

غالبية سكان الكوكب، بطريقة أو بأخرى، بعناية ومدروس أو بشكل سطحي، ولو مرة واحدة فقط، لجأوا إلى صفحات الكتاب العظيم - الكتاب المقدس.

يمكنك أن تقرأ فيه عما أصبح تأكيدًا حقيقيًا جوهر التدريس- ما عمل عليه عالم أمريكي شاب في بداية القرن الماضي. إن حقائق الإرتفاع وغيرها من الأشياء الشائعة إلى حد ما في تاريخ العهد القديم أصبحت ذات يوم معجزات في العصر الحديث. الأثير هو الفضاء الذي يعيش فيه الإنسان حياة مختلفة تمامًا. تمت دراسة خصوصيات الحياة على الهواء من قبل العديد من مشاهير العالم في مجال العلوم الطبيعية. و نظرية الجاذبية لأينشتاينوأكد أن ما ورد في الكتاب القديم صحيح.

أتاح عمل هندريك لورنتز وهنري بوانكاريه اكتشاف ميزات معينة للأثير بشكل تجريبي. بادئ ذي بدء، هذا هو العمل على إنشاء نماذج رياضية للعالم. كان الأساس هو التأكيد العملي على أنه عندما تتحرك جزيئات المادة في الفضاء الأثيري، فإنها تنكمش بالنسبة لاتجاه الحركة.

مكنت أعمال هؤلاء العلماء العظماء من وضع الأساس للافتراضات الرئيسية للعقيدة. هذه الحقيقة هي التي توفر مادة ثابتة للتأكيد على أن أعمال الحائز على جائزة نوبل و نظرية ألبرت النسبيةكانت ولا تزال سرقة أدبية. يجادل العديد من العلماء اليوم بأن العديد من الافتراضات تم قبولها في وقت أبكر بكثير، على سبيل المثال:

• مفهوم التزامن المشروط للأحداث؛
• مبادئ فرضية ذات الحدين الثابتة ومعايير سرعة الضوء.

ما يجب القيام به ل فهم النظرية النسبية؟ النقطة تكمن في الماضي. في أعمال بوانكاريه تم طرح الفرضية القائلة بأن السرعات العالية في قوانين الميكانيكا تحتاج إلى إعادة التفكير. وبفضل تصريحات الفيزيائي الفرنسي، عرف العالم العلمي مدى نسب الحركة في الإسقاط إلى نظرية الفضاء الأثيري.

في العلوم الساكنة، تم أخذ حجم كبير من العمليات الفيزيائية في الاعتبار بالنسبة للأشياء المادية المختلفة التي تتحرك بها. تصف افتراضات المفهوم العام العمليات التي تحدث مع الأجسام المتسارعة، وتشرح وجود جزيئات الغرافيتون والجاذبية نفسها. جوهر النظرية النسبيةفي شرح تلك الحقائق التي كانت في السابق هراءً عند العلماء. إذا كان من الضروري وصف ميزات الحركة وقوانين الميكانيكا، والعلاقات بين الفضاء واستمرارية الزمن في ظروف الاقتراب من سرعة الضوء، فيجب تطبيق مسلمات النظرية النسبية حصريًا.

حول النظرية لفترة وجيزة وبشكل واضح

لماذا يختلف تعليم ألبرت العظيم عما فعله الفيزيائيون قبله؟ في السابق، كانت الفيزياء علمًا ثابتًا إلى حد ما، حيث نظر في مبادئ تطور جميع العمليات في الطبيعة في مجال نظام "هنا واليوم والآن". جعل أينشتاين من الممكن رؤية كل ما يحدث ليس فقط في الفضاء ثلاثي الأبعاد، ولكن أيضًا فيما يتعلق بالأشياء والنقاط المختلفة في الوقت المناسب.

انتباه!في عام 1905، عندما نشر أينشتاين نظريته النسبيةلقد جعل من الممكن شرح وتفسير الحركة بين أنظمة حساب القصور الذاتي المختلفة بطريقة يسهل الوصول إليها.

أحكامه الرئيسية هي نسبة السرعات الثابتة لجسمين يتحركان بالنسبة لبعضهما البعض بدلا من أخذ أحد الأجسام، والتي يمكن اعتبارها أحد العوامل المرجعية المطلقة.

سمة التدريسهو أنه يمكن اعتباره فيما يتعلق بحالة استثنائية واحدة. العناصر الرئيسية:

1. استقامة اتجاه الحركة.
2. توحيد حركة الجسم المادي.

عند تغيير الاتجاه أو أي معلمات بسيطة أخرى، عندما يتمكن الجسم المادي من التسارع أو الدوران إلى الجانبين، فإن قوانين النظرية النسبية الثابتة لا تكون صالحة. وفي هذه الحالة تدخل قوانين النسبية العامة حيز التنفيذ، والتي يمكن أن تفسر حركة الأجسام المادية في الوضع العام. وهكذا وجد أينشتاين تفسيرًا لكل مبادئ تفاعل الأجسام المادية مع بعضها البعض في الفضاء.

مبادئ النسبية

مبادئ التدريس

لقد كان البيان حول النسبية موضوعًا لأكثر المناقشات حيوية منذ مائة عام. يعتبر معظم العلماء أن التطبيقات المختلفة للمسلمات هي تطبيقات لمبدأين من مبادئ الفيزياء. وهذا المسار هو الأكثر شعبية بين الفيزياء التطبيقية. المسلمات الأساسية النظريات النسبية، حقائق مثيرة للاهتمام، والتي وجدت اليوم تأكيدًا لا يقبل الجدل:

• مبدأ النسبية. الحفاظ على العلاقة بين الأجسام بموجب جميع قوانين الفيزياء. قبولها كأطر مرجعية بالقصور الذاتي تتحرك بسرعات ثابتة بالنسبة لبعضها البعض.
• فرضية حول سرعة الضوء. ويظل ثابتًا لا يتغير في جميع المواقف، بغض النظر عن السرعة وعلاقتها بمصادر الضوء.

على الرغم من التناقضات بين التدريس الجديد والمسلمات الأساسية لأحد العلوم الأكثر دقة، بناء على مؤشرات ثابتة ثابتة، جذبت الفرضية الجديدة الانتباه بإلقاء نظرة جديدة على العالم من حولنا. وتم ضمان نجاح العالم، وهو ما أكده منحه جائزة نوبل في مجال العلوم الدقيقة.

ما سبب هذه الشعبية المذهلة و كيف اكتشف أينشتاين نظريته النسبية؟ تكتيكات عالم شاب.

1. حتى الآن، طرح العلماء المشهورون عالميًا أطروحة، وعندها فقط أجروا سلسلة من الدراسات العملية. إذا تم الحصول في لحظة معينة على بيانات لا تتناسب مع المفهوم العام، فسيتم الاعتراف بها على أنها خاطئة وتم تقديم الأسباب.
2. استخدم العبقري الشاب تكتيكات مختلفة جذريًا، وأجرى تجارب عملية، وكانت متسلسلة. النتائج التي تم الحصول عليها، على الرغم من أنها قد لا تتناسب بطريقة أو بأخرى مع السلسلة المفاهيمية، تم بناؤها في نظرية متماسكة. ولا توجد "أخطاء" أو "عدم دقة" في كل اللحظات فرضيات النسبية، أمثلةومن الواضح أن نتائج الملاحظات تتناسب مع التعاليم النظرية الثورية.
3. نفى الحائز على جائزة نوبل في المستقبل الحاجة إلى دراسة الأثير الغامض الذي تنتشر فيه موجات الضوء. أدى الاعتقاد بوجود الأثير إلى عدد من المفاهيم الخاطئة المهمة. الافتراض الرئيسي هو التغير في سرعة شعاع الضوء بالنسبة للمراقب الذي يراقب العملية في الوسط الأثيري.

النسبية للدمى

النسبية هي أبسط تفسير

خاتمة

الإنجاز الرئيسي للعالم هو إثبات انسجام ووحدة الكميات مثل المكان والزمان. إن الطبيعة الأساسية للعلاقة بين هاتين السلسلتين كجزء من الأبعاد الثلاثة، مقترنة بالبعد الزمني، مكنت من فهم العديد من أسرار طبيعة العالم المادي. شكرا ل نظرية الجاذبية لأينشتاينوأصبحت دراسة الأعماق وغيرها من إنجازات العلم الحديث متاحة، لأن إمكانيات التدريس لم يتم استغلالها بالكامل حتى يومنا هذا.

النظرية النسبية العامة(GTR) هي نظرية هندسية للجاذبية نشرها ألبرت أينشتاين في 1915-1916. في إطار هذه النظرية، التي تعد تطورًا إضافيًا للنظرية النسبية الخاصة، يُفترض أن تأثيرات الجاذبية لا تنتج عن تفاعل القوى بين الأجسام والحقول الموجودة في الزمكان، بل عن تشوه الزمكان. نفسها، والتي ترتبط، على وجه الخصوص، بوجود طاقة الكتلة. وهكذا، في النسبية العامة، كما هو الحال في النظريات المترية الأخرى، الجاذبية ليست تفاعلًا بين القوى. تختلف النسبية العامة عن النظريات المترية الأخرى للجاذبية باستخدام معادلات أينشتاين لربط انحناء الزمكان بالمادة الموجودة في الفضاء.

تعتبر النسبية العامة حاليًا أكثر نظريات الجاذبية نجاحًا، وهي مدعومة جيدًا بالملاحظات. كان أول نجاح للنسبية العامة هو تفسير الحركة الشاذة للحضيض الشمسي لعطارد. ثم، في عام 1919، أبلغ آرثر إدينجتون عن رصد انحناء الضوء بالقرب من الشمس أثناء الكسوف الكلي، مما يؤكد تنبؤات النسبية العامة.

منذ ذلك الحين، أكدت العديد من الملاحظات والتجارب الأخرى عددًا كبيرًا من تنبؤات النظرية، بما في ذلك تمدد الزمن الثقالي، والانزياح الأحمر الثقالي، وتأخر الإشارة في مجال الجاذبية، وحتى الآن بشكل غير مباشر فقط، إشعاع الجاذبية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تفسير العديد من الملاحظات على أنها تأكيد لواحدة من أكثر التنبؤات غموضًا وغرابة للنظرية النسبية العامة - وجود الثقوب السوداء.

على الرغم من النجاح المذهل للنظرية النسبية العامة، إلا أن هناك انزعاجًا في المجتمع العلمي بسبب عدم إمكانية إعادة صياغتها باعتبارها الحد الكلاسيكي لنظرية الكم بسبب ظهور اختلافات رياضية غير قابلة للإزالة عند النظر في الثقوب السوداء والزمكان. الخصوصيات بشكل عام. وقد تم اقتراح عدد من النظريات البديلة لحل هذه المشكلة. تشير البيانات التجريبية الحديثة إلى أن أي نوع من الانحراف عن النسبية العامة يجب أن يكون صغيرًا جدًا، هذا إن كان موجودًا على الإطلاق.

المبادئ الأساسية للنسبية العامة

تعتمد نظرية نيوتن في الجاذبية على مفهوم الجاذبية، وهي قوة بعيدة المدى: تؤثر بشكل فوري على أي مسافة. هذه الطبيعة اللحظية للحدث تتعارض مع النموذج الميداني للفيزياء الحديثة، وعلى وجه الخصوص، مع النظرية النسبية الخاصة، التي أنشأها أينشتاين عام 1905، والمستوحاة من أعمال بوانكاريه ولورنتز. في نظرية أينشتاين، لا يمكن لأي معلومة أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء في الفراغ.

رياضيا، قوة جاذبية نيوتن مشتقة من الطاقة الكامنة لجسم في مجال الجاذبية. إن إمكانات الجاذبية المقابلة لهذه الطاقة المحتملة تخضع لمعادلة بواسون، وهي ليست ثابتة في ظل تحويلات لورنتز. سبب عدم الثبات هو أن الطاقة في النظرية النسبية الخاصة ليست كمية سلمية، ولكنها تدخل في المكون الزمني للمتجه 4. وتبين أن النظرية الاتجاهية للجاذبية تشبه نظرية ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي وتؤدي إلى طاقة سالبة لموجات الجاذبية، وهي ترتبط بطبيعة التفاعل: فالشحنات (الكتلة) في الجاذبية تتجاذب ولا تتنافر، كما في الكهرومغناطيسية. وبالتالي، فإن نظرية نيوتن للجاذبية غير متوافقة مع المبدأ الأساسي للنظرية النسبية الخاصة - ثبات قوانين الطبيعة في أي إطار مرجعي قصوري، والتعميم المتجه المباشر لنظرية نيوتن، التي اقترحها بوانكاريه لأول مرة في عام 1905 في كتابه يؤدي العمل "حول ديناميكيات الإلكترون" إلى نتائج غير مرضية فيزيائيًا.

بدأ أينشتاين بالبحث عن نظرية للجاذبية تتوافق مع مبدأ ثبات قوانين الطبيعة بالنسبة لأي إطار مرجعي. وكانت نتيجة هذا البحث هي النظرية النسبية العامة المبنية على مبدأ تطابق كتلة الجاذبية والقصور الذاتي.

مبدأ المساواة بين كتل الجاذبية والقصور الذاتي

في ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية، هناك مفهومان للكتلة: الأول يشير إلى قانون نيوتن الثاني، والثاني إلى قانون الجاذبية العامة. الكتلة الأولى - بالقصور الذاتي (أو بالقصور الذاتي) - هي نسبة القوة غير الجاذبية المؤثرة على الجسم إلى تسارعه. الكتلة الثانية - الجاذبية (أو كما يطلق عليها أحيانًا الثقيلة) - تحدد قوة جذب الجسم للأجسام الأخرى وقوة الجذب الخاصة به. بشكل عام، يتم قياس هاتين الكتلتين، كما يتبين من الوصف، في تجارب مختلفة، وبالتالي لا يجب أن تكون متناسبة مع بعضها البعض على الإطلاق. إن تناسبها الصارم يسمح لنا بالتحدث عن كتلة جسم واحدة في كل من التفاعلات غير الجاذبية والجاذبية. ومن خلال الاختيار المناسب للوحدات، يمكن جعل هذه الكتل متساوية مع بعضها البعض. تم طرح المبدأ نفسه من قبل إسحاق نيوتن، وتم التحقق من مساواة الكتل تجريبيًا بدقة نسبية تبلغ 10؟3. وفي نهاية القرن التاسع عشر، أجرى إيوتفوس تجارب أكثر دقة، مما رفع دقة اختبار المبدأ إلى 10؟9. خلال القرن العشرين، أتاحت التكنولوجيا التجريبية تأكيد تساوي الكتل بدقة نسبية تبلغ 10?12-10?13 (براجينسكي، ديكي، وما إلى ذلك). في بعض الأحيان يسمى مبدأ المساواة بين كتل الجاذبية والقصور الذاتي مبدأ التكافؤ الضعيف. وقد اعتمد ألبرت أينشتاين على النظرية النسبية العامة.

مبدأ الحركة على طول الخطوط الجيوديسية

إذا كانت كتلة الجاذبية تساوي تمامًا كتلة القصور الذاتي، ففي التعبير عن تسارع الجسم الذي تؤثر عليه قوى الجاذبية فقط، تُلغى كلتا الكتلتين. ولذلك، فإن تسارع الجسم، وبالتالي مساره، لا يعتمد على كتلة الجسم وبنيته الداخلية. إذا كانت جميع الهيئات في نفس النقطة في الفضاء تتلقى نفس التسارع، فيمكن ربط هذا التسارع ليس بخصائص الجثث، ولكن بخصائص الفضاء نفسه في هذه النقطة.

وهكذا، فإن وصف تفاعل الجاذبية بين الأجسام يمكن اختزاله إلى وصف الزمكان الذي تتحرك فيه الأجسام. ومن الطبيعي أن نفترض، كما فعل أينشتاين، أن الأجسام تتحرك بالقصور الذاتي، أي بطريقة تجعل تسارعها في إطارها المرجعي صفرًا. ستكون مسارات الأجسام بعد ذلك عبارة عن خطوط جيوديسية، تم تطوير نظريتها من قبل علماء الرياضيات في القرن التاسع عشر.

يمكن العثور على الخطوط الجيوديسية نفسها من خلال تحديد تماثل للمسافة بين حدثين في الزمكان، ويُطلق عليه تقليديًا الفاصل الزمني أو الدالة العالمية. يتم إعطاء الفاصل الزمني في الفضاء ثلاثي الأبعاد والزمن أحادي البعد (بمعنى آخر، في الزمكان رباعي الأبعاد) بواسطة 10 مكونات مستقلة من الموتر المتري. تشكل هذه الأرقام العشرة مقياس الفضاء. فهو يحدد "المسافة" بين نقطتين متقاربتين بشكل لا نهائي في الزمكان في اتجاهات مختلفة. الخطوط الجيوديسية المقابلة للخطوط العالمية للأجسام المادية التي تكون سرعتها أقل من سرعة الضوء تتحول إلى خطوط للوقت الحقيقي الأعظم، أي الوقت الذي يتم قياسه بواسطة ساعة متصلة بشكل صارم بالجسم تتبع هذا المسار. تؤكد التجارب الحديثة حركة الأجسام على طول الخطوط الجيوديسية بنفس دقة تساوي كتل الجاذبية والقصور الذاتي.

انحناء الزمكان

إذا قمت بإطلاق جثتين متوازيتين من نقطتين متقاربتين، فسيبدأان تدريجيًا في مجال الجاذبية في الاقتراب أو الابتعاد عن بعضهما البعض. ويسمى هذا التأثير انحراف الخط الجيوديسي. يمكن ملاحظة تأثير مماثل مباشرة إذا تم إطلاق كرتين بالتوازي مع بعضهما البعض على طول غشاء مطاطي يتم وضع جسم ضخم عليه في المنتصف. سوف تتفرق الكرات: فالكرة التي كانت أقرب إلى الجسم الذي يدفع عبر الغشاء سوف تميل إلى المركز بقوة أكبر من الكرة الأبعد. هذا التناقض (الانحراف) يرجع إلى انحناء الغشاء. وبالمثل، في الزمكان، يرتبط انحراف الجيوديسيا (اختلاف مسارات الأجسام) بانحناءه. يتم تحديد انحناء الزمكان بشكل فريد من خلال متريه - الموتر المتري. يتم تحديد الفرق بين النظرية النسبية العامة والنظريات البديلة للجاذبية في معظم الحالات على وجه التحديد من خلال طريقة الارتباط بين المادة (الأجسام والمجالات ذات الطبيعة غير الجاذبية التي تخلق مجال الجاذبية) والخصائص المترية للزمكان.

النسبية العامة للمكان والزمان ومبدأ التكافؤ القوي

غالبًا ما يُعتقد خطأً أن أساس النظرية النسبية العامة هو مبدأ تكافؤ مجالات الجاذبية والقصور الذاتي، والذي يمكن صياغته على النحو التالي:
نظام فيزيائي محلي، صغير الحجم إلى حد ما، يقع في مجال الجاذبية، لا يمكن تمييزه في السلوك عن نفس النظام الموجود في نظام مرجعي متسارع (بالنسبة إلى الإطار المرجعي بالقصور الذاتي)، مغمور في الزمكان المسطح للنظرية الخاصة النسبية.

في بعض الأحيان يتم افتراض نفس المبدأ على أنه "الصلاحية المحلية للنسبية الخاصة" أو يسمى "مبدأ التكافؤ القوي".

تاريخيًا، لعب هذا المبدأ دورًا كبيرًا في تطوير النظرية النسبية العامة واستخدمه أينشتاين في تطويرها. ومع ذلك، في الشكل النهائي للنظرية، فهي في الواقع غير محتواة، لأن الزمكان، سواء في الإطار المرجعي المتسارع أو الأصلي في النظرية النسبية الخاصة، غير منحني - مسطح، وفي وفقًا للنظرية النسبية العامة، فهو منحني من قبل أي جسم، وانحناءه على وجه التحديد يسبب جاذبية الأجسام.

من المهم أن نلاحظ أن الفرق الرئيسي بين الزمكان للنظرية النسبية العامة والزمكان للنظرية النسبية الخاصة هو انحناءه، والذي يتم التعبير عنه بكمية موتر - موتر الانحناء. في الزمكان في النسبية الخاصة، هذا الموتر يساوي الصفر والزمكان مسطح.

ولهذا السبب فإن اسم "النظرية النسبية العامة" ليس صحيحًا تمامًا. هذه النظرية ليست سوى واحدة من عدد من نظريات الجاذبية التي يدرسها الفيزيائيون حاليًا، في حين أن النظرية النسبية الخاصة (بتعبير أدق، مبدأ قياس الزمكان) مقبولة بشكل عام من قبل المجتمع العلمي وتشكل حجر الزاوية في النظرية النسبية. أساس الفيزياء الحديثة . ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه لم تتمكن أي من النظريات المتقدمة الأخرى للجاذبية، باستثناء النسبية العامة، من الصمود أمام اختبار الزمن والتجربة.

النتائج الرئيسية للنسبية العامة

ووفقا لمبدأ المراسلات، في مجالات الجاذبية الضعيفة، تتطابق تنبؤات النسبية العامة مع نتائج تطبيق قانون نيوتن في الجاذبية الكونية، مع تصحيحات صغيرة تزداد مع زيادة شدة المجال.

كانت النتائج الأولى المتوقعة والمختبرة تجريبيًا للنسبية العامة هي ثلاثة تأثيرات كلاسيكية، مدرجة أدناه بالترتيب الزمني لاختبارها الأول:
1. التحول الإضافي في الحضيض الشمسي لمدار عطارد مقارنة بتنبؤات الميكانيكا النيوتونية.
2. انحراف شعاع الضوء في مجال جاذبية الشمس.
3. الانزياح الأحمر الجاذبية، أو تمدد الزمن في مجال الجاذبية.

هناك عدد من التأثيرات الأخرى التي يمكن التحقق منها تجريبيا. من بينها يمكننا أن نذكر انحراف وتأخر (تأثير شابيرو) للموجات الكهرومغناطيسية في مجال جاذبية الشمس والمشتري، وتأثير لينس-ثيرينغ (مبادرة الجيروسكوب بالقرب من جسم دوار)، والأدلة الفيزيائية الفلكية على وجود الثقوب السوداء دليل على انبعاث موجات الجاذبية من الأنظمة القريبة من النجوم المزدوجة وتوسع الكون.

حتى الآن، لم يتم العثور على أي دليل تجريبي موثوق يدحض النسبية العامة. لا تتجاوز انحرافات أحجام التأثير المقاسة عن تلك التي تنبأت بها النسبية العامة 0.1% (بالنسبة للظواهر الكلاسيكية الثلاث المذكورة أعلاه). على الرغم من ذلك، ولأسباب مختلفة، طور المنظرون ما لا يقل عن 30 نظرية بديلة للجاذبية، وبعضها يجعل من الممكن الحصول على نتائج قريبة بشكل تعسفي من النسبية العامة مع القيم المناسبة للمعلمات المدرجة في النظرية.

النظرية النسبية الخاصة (STR) أو النظرية النسبية الجزئية هي نظرية لألبرت أينشتاين، نُشرت عام 1905 في عمله "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" (ألبرت أينشتاين - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge) 17. الصفحة 891-921 يونيو 1905).

وأوضح الحركة بين مختلف الأطر المرجعية بالقصور الذاتي أو حركة الأجسام التي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض بسرعة ثابتة. في هذه الحالة، لا ينبغي اعتبار أي من الكائنات بمثابة نظام مرجعي، ولكن يجب اعتبارها مرتبطة ببعضها البعض. يوفر SRT حالة واحدة فقط عندما لا يغير جسمان اتجاه الحركة ويتحركان بشكل موحد.

تتوقف قوانين SRT عن العمل عندما يغير أحد الأجسام مساره أو يزيد من سرعته. وهنا تحدث النظرية النسبية العامة (GTR)، التي تعطي تفسيرًا عامًا لحركة الأجسام.

هناك فرضيتان تقوم عليهما النظرية النسبية:

1. مبدأ النسبية- ووفقا له، في جميع الأنظمة المرجعية الموجودة، والتي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض بسرعة ثابتة ولا تغير اتجاهها، تنطبق نفس القوانين.
2. مبدأ سرعة الضوء- سرعة الضوء هي نفسها لجميع المراقبين ولا تعتمد على سرعة حركتهم. هذه هي السرعة القصوى، ولا شيء في الطبيعة يضاهيها سرعة. سرعة الضوء هي 3*10^8 م/ث

استخدم ألبرت أينشتاين البيانات التجريبية وليس النظرية كأساس. وكان هذا أحد مكونات نجاحه. كانت البيانات التجريبية الجديدة بمثابة الأساس لإنشاء نظرية جديدة.

منذ منتصف القرن التاسع عشر، كان الفيزيائيون يبحثون عن وسط غامض جديد يسمى الأثير. كان يعتقد أن الأثير يمكن أن يمر عبر جميع الأشياء، لكنه لا يشارك في حركتها. وفقا للمعتقدات حول الأثير، من خلال تغيير سرعة المشاهد بالنسبة للأثير، تتغير سرعة الضوء أيضا.

رفض أينشتاين، الذي وثق بالتجارب، مفهوم الوسط الأثيري الجديد وافترض أن سرعة الضوء ثابتة دائمًا ولا تعتمد على أي ظروف، مثل سرعة الشخص نفسه.

الفترات الزمنية والمسافات وتماثلها

النظرية النسبية الخاصة تربط الزمان والمكان. في الكون المادي هناك ثلاثة أشياء معروفة في الفضاء: اليمين واليسار، الأمام والخلف، الأعلى والأسفل. إذا أضفنا إليها بعدًا آخر، يسمى الزمن، فسيشكل هذا أساسًا لاستمرارية الزمان والمكان.

إذا كنت تتحرك بسرعة بطيئة، فلن تتقارب ملاحظاتك مع الأشخاص الذين يتحركون بشكل أسرع.

أكدت التجارب اللاحقة أن الفضاء، مثل الوقت، لا يمكن إدراكه بنفس الطريقة: يعتمد إدراكنا على سرعة حركة الأشياء.

ربط الطاقة بالكتلة

توصل أينشتاين إلى صيغة تجمع بين الطاقة والكتلة. تُستخدم هذه الصيغة على نطاق واسع في الفيزياء، وهي مألوفة لدى كل طالب: ه=م*ج²، حيث الطاقة الإلكترونية؛ م - كتلة الجسم، ج - السرعةانتشار الضوء.

تزداد كتلة الجسم بنسبة زيادة سرعة الضوء. إذا وصلت إلى سرعة الضوء، فإن كتلة الجسم وطاقته تصبح بلا أبعاد.

من خلال زيادة كتلة الجسم، يصبح تحقيق زيادة في سرعته أكثر صعوبة، أي بالنسبة لجسم ذو كتلة مادية ضخمة بلا حدود، هناك حاجة إلى طاقة لا نهائية. لكن في الواقع هذا أمر مستحيل تحقيقه.

جمعت نظرية أينشتاين بين حكمين منفصلين: موضع الكتلة وموضع الطاقة في قانون عام واحد. هذا جعل من الممكن تحويل الطاقة إلى كتلة مادية والعكس صحيح.

تم تقديم النظرية النسبية على يد ألبرت أينشتاين في أوائل القرن العشرين. ما هو جوهرها؟ دعونا نلقي نظرة على النقاط الرئيسية ونصف TOE بلغة واضحة.

لقد قضت النظرية النسبية عمليا على التناقضات والتناقضات في فيزياء القرن العشرين، وأجبرت على تغيير جذري في فكرة بنية الزمكان، وتم تأكيدها تجريبيا في العديد من التجارب والدراسات.

وهكذا، شكل TOE الأساس لجميع النظريات الفيزيائية الأساسية الحديثة. في الواقع، هذه هي أم الفيزياء الحديثة!

في البداية، تجدر الإشارة إلى أن هناك نظريتين للنسبية:

• النظرية النسبية الخاصة (STR) – تتناول العمليات الفيزيائية في الأجسام المتحركة بشكل موحد.
• النسبية العامة (GTR) - تصف الأجسام المتسارعة وتشرح أصل ظواهر مثل الجاذبية والوجود.

من الواضح أن STR ظهرت سابقًا وهي في الأساس جزء من GTR. دعونا نتحدث عنها أولا.

STO بكلمات بسيطة

تعتمد النظرية على مبدأ النسبية، والذي بموجبه تكون جميع قوانين الطبيعة هي نفسها بالنسبة للأجسام الثابتة والمتحركة بسرعة ثابتة. ومن هذه الفكرة التي تبدو بسيطة، يترتب على ذلك أن سرعة الضوء (300000 م/ث في الفراغ) هي نفسها لجميع الأجسام.

على سبيل المثال، تخيل أنك حصلت على سفينة فضائية من المستقبل البعيد يمكنها الطيران بسرعة كبيرة. تم تثبيت مدفع ليزر على مقدمة السفينة قادر على إطلاق الفوتونات للأمام.

بالنسبة للسفينة، تطير هذه الجسيمات بسرعة الضوء، ولكن بالنسبة إلى مراقب ثابت، يبدو أنها يجب أن تطير بشكل أسرع، حيث يتم تلخيص كلتا السرعتين.

لكن في الواقع هذا لا يحدث! يرى مراقب خارجي فوتونات تتحرك بسرعة 300000 م/ث، كما لو أن سرعة المركبة الفضائية لم تضاف إليها.

عليك أن تتذكر: بالنسبة لأي جسم، فإن سرعة الضوء ستكون قيمة ثابتة، بغض النظر عن مدى سرعة تحركه.

ومن هذا نستنتج استنتاجات مذهلة مثل تمدد الزمن والانكماش الطولي واعتماد وزن الجسم على السرعة. اقرأ المزيد عن العواقب الأكثر إثارة للاهتمام للنظرية النسبية الخاصة في المقالة على الرابط أدناه.

جوهر النسبية العامة (GR)

ولفهم الأمر بشكل أفضل، نحتاج إلى الجمع بين حقيقتين مرة أخرى:

• نحن نعيش في الفضاء رباعي الأبعاد

المكان والزمان هما تجليات لنفس الكيان يسمى "استمرارية الزمان والمكان". هذا هو الزمكان رباعي الأبعاد مع محاور الإحداثيات x وy وz وt.

نحن البشر غير قادرين على إدراك الأبعاد الأربعة على قدم المساواة. في الجوهر، نحن نرى فقط إسقاطات لجسم حقيقي رباعي الأبعاد على المكان والزمان.

ومن المثير للاهتمام أن النظرية النسبية لا تنص على أن الأجسام تتغير عندما تتحرك. تظل الكائنات رباعية الأبعاد دائمًا دون تغيير، ولكن مع الحركة النسبية يمكن أن تتغير توقعاتها. ونحن ندرك ذلك على أنه تباطؤ الوقت، وتقليل الحجم، وما إلى ذلك.

• جميع الأجسام تسقط بسرعة ثابتة ولا تتسارع

دعونا نقوم بتجربة فكرية مخيفة. تخيل أنك تركب في مقصورة مصعد مغلقة وفي حالة انعدام الوزن.

يمكن أن ينشأ هذا الموقف لسببين فقط: إما أنك في الفضاء، أو أنك تسقط بحرية مع المقصورة تحت تأثير جاذبية الأرض.

دون النظر خارج المقصورة، من المستحيل تمامًا التمييز بين هاتين الحالتين. إنه في إحدى الحالات أنك تطير بشكل موحد وفي الحالة الأخرى تطير بسرعة. سيكون عليك التخمين!

ربما كان ألبرت أينشتاين نفسه يفكر في مصعد وهمي، وكانت لديه فكرة مذهلة: إذا لم يكن من الممكن التمييز بين هاتين الحالتين، فإن السقوط بسبب الجاذبية هو أيضًا حركة موحدة. الحركة هي ببساطة موحدة في الزمكان رباعي الأبعاد، ولكن في وجود أجسام ضخمة (على سبيل المثال،) تكون منحنية ويتم عرض حركة موحدة في الفضاء ثلاثي الأبعاد المعتاد في شكل حركة متسارعة.

دعونا نلقي نظرة على مثال آخر أبسط، على الرغم من أنه ليس صحيحًا تمامًا، لانحناء الفضاء ثنائي الأبعاد.

يمكنك أن تتخيل أن أي جسم ضخم يخلق نوعًا من القمع تحته. عندها لن تتمكن الأجسام الأخرى التي تحلق في الماضي من مواصلة حركتها في خط مستقيم وستغير مسارها وفقًا لانحناءات الفضاء المنحني.

بالمناسبة، إذا لم يكن لدى الجسم الكثير من الطاقة، فقد تكون حركته مغلقة.

ومن الجدير بالذكر أنه من وجهة نظر الأجسام المتحركة فإنها تستمر في التحرك في خط مستقيم، لأنها لا تشعر بأي شيء يجعلها تدور. لقد انتهى بهم الأمر في مساحة منحنية، وبدون أن يدركوا ذلك، أصبح لديهم مسار غير خطي.

تجدر الإشارة إلى أن 4 أبعاد منحنية، بما في ذلك الزمن، لذلك يجب التعامل مع هذا التشبيه بحذر.

وهكذا، في النظرية النسبية العامة، الجاذبية ليست قوة على الإطلاق، ولكنها مجرد نتيجة لانحناء الزمكان. في الوقت الحالي، تعد هذه النظرية نسخة عملية من أصل الجاذبية وتتوافق بشكل ممتاز مع التجارب.

العواقب المدهشة للنسبية العامة

يمكن أن تنحني أشعة الضوء عند الطيران بالقرب من الأجسام الضخمة. وبالفعل، فقد تم العثور على أجسام بعيدة في الفضاء "تختبئ" خلف أخرى، لكن أشعة الضوء تنحني حولها، وبفضلها يصل الضوء إلينا.

وفقًا للنظرية النسبية العامة، كلما كانت الجاذبية أقوى، كان مرور الوقت أبطأ. يجب أن تؤخذ هذه الحقيقة في الاعتبار عند تشغيل GPS و GLONASS، لأن أقمارها الصناعية مجهزة بالساعات الذرية الأكثر دقة، والتي تدق بشكل أسرع قليلا من الأرض. إذا لم يتم أخذ هذه الحقيقة في الاعتبار، فسيكون خطأ الإحداثيات خلال اليوم 10 كم.

بفضل ألبرت أينشتاين، يمكنك فهم مكان وجود مكتبة أو متجر في مكان قريب.

وأخيرًا، تتنبأ النسبية العامة بوجود ثقوب سوداء تكون الجاذبية حولها قوية جدًا بحيث يتوقف الزمن بالقرب منها. ولذلك فإن الضوء الذي يسقط في الثقب الأسود لا يمكنه أن يغادره (ينعكس).

في وسط الثقب الأسود، بسبب ضغط الجاذبية الهائل، يتم تشكيل كائن ذو كثافة عالية بلا حدود، ويبدو أن هذا لا يمكن أن يكون موجودا.

وبالتالي، يمكن أن تؤدي النسبية العامة إلى استنتاجات متناقضة للغاية، على النقيض من ذلك، ولهذا السبب لم يقبلها غالبية علماء الفيزياء بشكل كامل واستمروا في البحث عن بديل.

لكنها تمكنت من التنبؤ بأشياء كثيرة بنجاح، على سبيل المثال، أكد الاكتشاف المثير الأخير النظرية النسبية وجعلنا نتذكر مرة أخرى العالم العظيم بلسانه المتدلي. إذا كنت تحب العلوم، فاقرأ WikiScience.

إن النظرية النسبية العامة، إلى جانب النظرية النسبية الخاصة، هما العمل الرائع لألبرت أينشتاين، الذي غير في بداية القرن العشرين الطريقة التي ينظر بها الفيزيائيون إلى العالم. وبعد مرور مائة عام، أصبحت النسبية العامة هي النظرية الأساسية والأكثر أهمية في الفيزياء في العالم، وتدعي جنبًا إلى جنب مع ميكانيكا الكم أنها أحد حجري الزاوية في "نظرية كل شيء". تصف النظرية النسبية العامة الجاذبية بأنها نتيجة لانحناء الزمكان (المتحد في النسبية العامة في كل واحد) تحت تأثير الكتلة. بفضل النسبية العامة، استنتج العلماء العديد من الثوابت، واختبروا مجموعة من الظواهر غير المبررة وتوصلوا إلى أشياء مثل الثقوب السوداء، والمادة المظلمة والطاقة المظلمة، وتوسع الكون، والانفجار الكبير، وغير ذلك الكثير. اعترضت GTR أيضًا على تجاوز سرعة الضوء، وبالتالي محاصرةنا حرفيًا في محيطنا (النظام الشمسي)، لكنها تركت ثغرة على شكل ثقوب دودية - وهي مسارات قصيرة محتملة عبر الزمكان.

شكك أحد موظفي جامعة رودن وزملاؤه البرازيليين في مفهوم استخدام الثقوب الدودية المستقرة كبوابات إلى نقاط مختلفة في الزمكان. تم نشر نتائج أبحاثهم في مجلة Physical Review D. - وهي عبارة مبتذلة إلى حد ما في الخيال العلمي. الثقب الدودي، أو "الثقب الدودي"، هو نوع من النفق الذي يربط بين نقاط بعيدة في الفضاء، أو حتى بين كونين، من خلال انحناء الزمكان.