Войти
Высокоточный тест общей теории относительности с помощью Кассини космический зонд (впечатление художника): радиосигналы, передаваемые между Землей и зондом (зеленая волна), задерживаются из-за деформации пространства-времени (синие линии) из-за Солнца Масса. Общая теория относительности - это теория гравитации, разработанная Альбертом Эйнштейном между 1907 и 1915 годами. Согласно общей теории относительности, наблюдаемый гравитационный эффект между массами является результатом их искривления пространства-времени.
К началу 20 века закон всемирного тяготения Ньютона принимался более двухсот лет как действительное описание гравитационной силы между массами. В модели Ньютона гравитация является результатом силы притяжения между массивными объектами. Хотя даже Ньютон был обеспокоен неизвестной природой этой силы, базовая схема была чрезвычайно успешной в описании движения.
Эксперименты и наблюдения показывают, что описание Эйнштейном гравитации объясняет несколько эффектов, необъяснимых законом Ньютона, таких как мельчайшие аномалии на орбитах объекта Меркурий и другие планеты. 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, совсем недавно гравитационные волны.
Общая теория относительности превратилась в важный инструмент в современной астрофизике. Он обеспечивает основу для современного понимания черных дыр, областей космоса, где гравитационный эффект настолько силен, что даже свет не может уйти. 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 модели Большого взрыва в космологии.
Хотя общая теория относительности не единственная релятивистская теория гравитации, это простейшая такая теория, которая согласуется с экспериментальные данные. Тем не менее, остается ряд открытых вопросов, самый фундаментальный из которых - как согласовать общую теорию относительности с законами квантовой физики, чтобы создать полную и самосогласованную теорию квантовой гравитации.
В сентябре 1905, Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию специальной теории относительности, которая согласовывает законы движения Ньютона с электродинамикой (взаимодействие между объектами с электрическим зарядом ). Специальная теория относительности представила новую основу для всей физики, предложив новые концепции пространства и времени. Некоторые принятые тогда физические теории не соответствовали этой структуре; Ключевым примером была теория Ньютона гравитации, которая описывает взаимное притяжение тел из-за их массы.
Несколько физиков, в том числе Эйнштейн, искали теорию, которая согласовывала бы закон всемирного тяготения Ньютона и специальную теорию относительности. Только теория Эйнштейна оказалась совместимой с экспериментами и наблюдениями. Чтобы понять основные идеи теории, поучительно проследить мышление Эйнштейна между 1907 и 1915 годами, от его простого мысленного эксперимента с участием наблюдателя в свободном падении до его полностью геометрической теории гравитации.
Человек в свободно падающем лифте испытывает невесомость ; объекты либо плавают неподвижно, либо дрейфуют с постоянной скоростью. Поскольку все в лифте падает вместе, гравитационного эффекта не наблюдается. Таким образом, опыт наблюдателя в свободном падении неотличим от опыта наблюдателя в глубоком космосе, вдали от любого значительного источника гравитации. Такими наблюдателями являются привилегированные («инерционные») наблюдатели, описанные Эйнштейном в своей теории специальной теории относительности : наблюдатели, для которых свет движется по прямым линиям с постоянной скоростью.
Эйнштейн предположил, что аналогичный опыт невесомых наблюдателей и инерциальных наблюдателей в специальной теории относительности представляет фундаментальное свойство гравитации, и он сделал это краеугольным камнем своей общей теории относительности, формализованной в его принципе эквивалентности. Грубо говоря, принцип гласит, что человек в свободно падающем лифте не может сказать, что он находится в свободном падении. Каждый эксперимент в такой среде свободного падения дает те же результаты, что и для наблюдателя, находящегося в состоянии покоя или равномерно движущегося в глубоком космосе, вдали от всех источников гравитации.
Мяч падает в пол в разгоняющейся ракете (слева) и на Земле (справа). Эффект идентичен. Большинство эффектов гравитации исчезают при свободном падении, но эффекты, которые кажутся такими же, как у гравитации, могут быть произведены ускоренной системой отсчета. Наблюдатель в закрытой комнате не может сказать, что из следующего верно:
И наоборот, любой эффект, наблюдаемый в ускоренной системе отсчета, должен также наблюдаться в гравитационной поле соответствующей напряженности. Этот принцип позволил Эйнштейну предсказать несколько новых эффектов гравитации в 1907 году, как объясняется в следующем разделе.
Наблюдатель в ускоренной системе отсчета должен ввести то, что физики называют фиктивными силами для объяснения ускорение, испытанное им самим и объектами вокруг него. Один пример, сила, прижимающая водителя ускоряющегося автомобиля к его или ее сиденью, уже упоминался; другое - сила, которую можно почувствовать, поднимая и вытягивая руки, пытаясь вращаться, как волчок. Главный вывод Эйнштейна заключался в том, что постоянное, знакомое притяжение гравитационного поля Земли по сути совпадает с этими фиктивными силами. Кажущаяся величина фиктивных сил всегда оказывается пропорциональной массе любого объекта, на который они действуют - например, сиденье водителя оказывает достаточно силы, чтобы ускорить водителя с той же скоростью, что и автомобиль. По аналогии Эйнштейн предположил, что объект в гравитационном поле должен ощущать гравитационную силу, пропорциональную его массе, как это воплощено в законе тяготения Ньютона.
В 1907 году Эйнштейну было еще восемь лет. лет до завершения общей теории относительности. Тем не менее, он смог сделать ряд новых, проверяемых предсказаний, которые были основаны на его отправной точке для разработки своей новой теории: принципе эквивалентности.
Гравитационное красное смещение световой волны, когда она движется вверх против гравитационного поля ( вызвано желтой звездой внизу). Первым новым эффектом является сдвиг частоты света. Рассмотрим двух наблюдателей на борту разгоняющегося ракетного корабля. На борту такого корабля существует естественное понятие «вверх» и «вниз»: корабль ускоряется «вверх», а незакрепленные объекты ускоряются в противоположном направлении, падая «вниз». Предположим, что один из наблюдателей находится «выше» другого. Когда нижний наблюдатель посылает световой сигнал вышестоящему наблюдателю, ускорение вызывает красное смещение, что может быть вычислено из специальной теории относительности ; второй наблюдатель будет измерять более низкую частоту света, чем первый. И наоборот, свет, посылаемый от более высокого наблюдателя к более низкому, имеет синий сдвиг, то есть смещается в сторону более высоких частот. Эйнштейн утверждал, что такие частотные сдвиги также должны наблюдаться в гравитационном поле. Это проиллюстрировано на рисунке слева, который показывает световую волну, которая постепенно смещается в красную область по мере продвижения вверх против гравитационного ускорения. Этот эффект был подтвержден экспериментально, как описано ниже.
. Этот сдвиг гравитационной частоты соответствует гравитационному замедлению времени : поскольку «высший» наблюдатель измеряет ту же самую световую волну, чтобы иметь более низкую частоту, чем для «нижнего» наблюдателя время должно течь быстрее для более высокого наблюдателя. Таким образом, время идет медленнее для наблюдателей, находящихся ниже в гравитационном поле.
Важно подчеркнуть, что для каждого наблюдателя нет наблюдаемых изменений течения времени для событий или процессов, которые находятся в состоянии покоя в его или ее системе отсчета. Пятиминутные яйца, отсчитываемые часами каждого наблюдателя, имеют одинаковую последовательность; по прошествии одного года на каждых часах каждый наблюдатель стареет на эту величину; Короче говоря, каждые часы полностью согласуются со всеми процессами, происходящими в их непосредственной близости. Только при сравнении часов разных наблюдателей можно заметить, что время у нижнего наблюдателя идет медленнее, чем у более высокого. Этот эффект незначителен, но он также был подтвержден экспериментально в нескольких экспериментах, как описано ниже.
. Подобным образом Эйнштейн предсказал гравитационное отклонение света : в гравитационном поле свет отклоняется вниз. Количественно его результаты были вдвое хуже; правильный вывод требует более полной формулировки общей теории относительности, а не только принципа эквивалентности.
Два тела, падающие к центру Земли, при падении ускоряются навстречу друг другу. Эквивалентность гравитационных и инерционных эффектов не составляет полной теории гравитации. Когда дело доходит до объяснения силы тяжести вблизи нашего собственного местоположения на поверхности Земли, подходящее объяснение дает отметка о том, что наша система отсчета не находится в свободном падении, так что следует ожидать фиктивных сил. Но свободно падающая система отсчета на одной стороне Земли не может объяснить, почему люди на противоположной стороне Земли испытывают гравитационное притяжение в противоположном направлении.
Более простое проявление того же эффекта - два тела, которые падают бок о бок к Земле. В системе отсчета, которая находится в свободном падении рядом с этими телами, кажется, что они парят в невесомости, но это не совсем так. Эти тела падают не в одном направлении, а в одну точку в космосе: а именно, центр тяжести Земли. Следовательно, есть составляющая движения каждого тела навстречу другому (см. Рисунок). В небольшой среде, такой как свободно падающий лифт, это относительное ускорение ничтожно, в то время как для парашютистов на противоположных сторонах Земли эффект велик. Такие различия в силе также ответственны за приливы в океанах Земли, поэтому для этого явления используется термин «приливный эффект ».
Эквивалентность инерции и гравитации не может объяснить приливные эффекты - она не может объяснить вариации в гравитационном поле. Для этого нужна теория, описывающая, каким образом материя (например, большая масса Земли) влияет на инерционную среду вокруг нее.
Исследуя эквивалентность гравитации и ускорения, а также роль приливных сил, Эйнштейн обнаружил несколько аналогий с геометрией элемента поверхности. Примером может служить переход от инерциальной системы отсчета (в которой свободные частицы перемещаются по прямой траектории с постоянными скоростями) к вращающейся системе отсчета (в которой необходимо ввести дополнительные члены, соответствующие фиктивным силам, чтобы объяснить движение частицы): это аналогично переходу от декартовой системы координат (в которой координатные линии являются прямыми линиями) к изогнутой системе координат (где координатные линии не должны быть Прямо).
Более глубокая аналогия связывает приливные силы со свойством поверхностей, называемым кривизной. Для гравитационных полей отсутствие или наличие приливных сил определяет, можно ли устранить влияние гравитации путем выбора свободно падающей системы отсчета. Точно так же отсутствие или наличие кривизны определяет, является ли поверхность эквивалентом плоскости плоскости. Летом 1912 года, вдохновленный этими аналогиями, Эйнштейн искал геометрическую формулировку гравитации.
Элементарные объекты геометрии - точки, линии, треугольники - традиционно определяются в трехмерном пространстве или на двухмерных поверхностях. В 1907 году Герман Минковский, бывший профессор математики Эйнштейна в Швейцарском федеральном политехническом институте, представил пространство Минковского, геометрическую формулировку специальной теории относительности Эйнштейна , в которой геометрия включает не только пробел, но и время. Основная сущность этой новой геометрии - четырех- мерное пространство-время. Орбиты движущихся тел - это кривые в пространстве-времени ; орбиты тел, движущихся с постоянной скоростью без изменения направления, соответствуют прямым линиям.
Геометрия общей искривленной поверхности была разработана в начале 19 века Карлом Фридрихом Гауссом. Эта геометрия в свою очередь была обобщена на многомерные пространства в римановой геометрии, введенной Бернхардом Риманом в 1850-х годах. С помощью римановой геометрии Эйнштейн сформулировал геометрическое описание гравитации, в котором пространство-время Минковского заменено искаженным искривленным пространством-временем, точно так же, как искривленные поверхности являются обобщением обычных плоских поверхностей. Диаграммы вложения используются для иллюстрации искривленного пространства-времени в образовательных контекстах.
После того, как он осознал обоснованность этой геометрической аналогии, Эйнштейну потребовалось еще три года, чтобы найти недостающий краеугольный камень своей теории. : уравнения, описывающие, как материя влияет на кривизну пространства-времени. Сформулировав то, что сейчас известно как уравнения Эйнштейна (или, точнее, его полевые уравнения гравитации), он представил свою новую теорию гравитации на нескольких сессиях Прусской академии наук в конце 1915 года, кульминацией которого стало его окончательное выступление 25 ноября 1915 года.
Перефразируя Джона Уиллера, геометрическую теорию гравитации Эйнштейна можно резюмировать следующим образом: пространство-время говорит, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться. Что это означает, рассматривается в следующих трех разделах, которые исследуют движение так называемых пробных частиц, исследуют, какие свойства материи служат источником гравитации, и, наконец, вводят уравнения Эйнштейна, связывающие эти свойства материи с кривизной пространства-времени.
Сходящиеся геодезические: две линии долготы (зеленые), которые начинаются параллельно на экваторе (красные), но сходятся, чтобы встретиться на полюсе. Чтобы нанести на карту гравитационное влияние тела, полезно подумать о том, что физики называют зондовыми или тестовыми частицами : частицы, на которые действует сила тяжести, но настолько малы и легки, что мы можем пренебречь их собственным гравитационным эффектом. В отсутствие силы тяжести и других внешних сил пробная частица движется по прямой с постоянной скоростью. На языке пространства-времени это эквивалентно утверждению, что такие тестовые частицы движутся по прямым мировым линиям в пространстве-времени. В присутствии гравитации пространство-время неевклидово или искривлено, а в искривленном пространстве-времени прямые мировые линии могут не существовать. Вместо этого тестовые частицы движутся по линиям, называемым геодезическими, которые являются «настолько прямыми, насколько это возможно», то есть следуют кратчайшему пути между начальной и конечной точками с учетом кривизны.
Простая аналогия заключается в следующем: в геодезия, наука об измерении размера и формы Земли, геодезическая (от греческого «гео», Земля и «daiein», чтобы разделить) это кратчайший путь между двумя точками на поверхности Земли. Примерно такой маршрут представляет собой отрезок большой окружности , например, линию долготы или экватор. Эти пути, конечно, не прямые, просто потому, что они должны следовать кривизне поверхности Земли. Но они настолько прямые, насколько это возможно с учетом этого ограничения.
Свойства геодезических отличаются от свойств прямых. Например, на плоскости параллельные линии никогда не пересекаются, но это не так для геодезических на поверхности Земли: например, линии долготы параллельны на экваторе, но пересекаются на полюсах. Аналогично, мировые линии пробных частиц в свободном падении - это геодезические пространства-времени, самые прямые из возможных линий в пространстве-времени. Но все же есть существенные различия между ними и действительно прямыми линиями, которые можно проследить в свободном от гравитации пространстве-времени специальной теории относительности. В специальной теории относительности параллельные геодезические остаются параллельными. В гравитационном поле с приливными эффектами этого, как правило, не будет. Если, например, два тела изначально находятся в состоянии покоя относительно друг друга, но затем их уронят в гравитационном поле Земли, они будут двигаться навстречу друг другу при падении к центру Земли.
По сравнению с планетами и другие астрономические тела, предметы повседневной жизни (люди, машины, дома, даже горы) имеют небольшую массу. Что касается таких объектов, законов, управляющих поведением пробных частиц, достаточно, чтобы описать происходящее. В частности, чтобы отклонить пробную частицу от ее геодезического пути, необходимо приложить внешнюю силу. Кресло, на котором кто-то сидит, прикладывает внешнюю направленную вверх силу, не позволяющую человеку свободно падать к центру Земли и, таким образом, следовать геодезической, что в противном случае они бы делали без материи в между ними и центром Земли. Таким образом, общая теория относительности объясняет ежедневный опыт гравитации на поверхности Земли не как притяжение гравитационной силы вниз, а как толчок внешних сил вверх. Эти силы отклоняют все тела, лежащие на поверхности Земли, от геодезических, по которым они в противном случае следовали бы. Для материальных объектов, собственное гравитационное влияние которых нельзя игнорировать, законы движения несколько сложнее, чем для пробных частиц, хотя остается верным, что пространство-время говорит материи, как двигаться.
В описании гравитации Ньютоном гравитационная сила вызывается материей. Точнее, это вызвано специфическим свойством материальных объектов: их массой. В теории Эйнштейна и связанных с ней теориях гравитации кривизна в каждой точке пространства-времени также вызывается присутствующей материей. Здесь масса также является ключевым свойством, определяющим гравитационное влияние вещества. Но в релятивистской теории гравитации масса не может быть единственным источником гравитации. Относительность связывает массу с энергией, а энергию с импульсом.
Эквивалентность массы и энергии, выраженная формулой E = mc, является наиболее известным следствием специальной теории относительности. В теории относительности масса и энергия - это два разных способа описания одной физической величины. Если у физической системы есть энергия, у нее также есть соответствующая масса, и наоборот. В частности, все свойства тела, связанные с энергией, такие как его температура или энергия связи систем, таких как ядра или молекул, вносят вклад в массу этого тела и, следовательно, действуют как источники гравитации.
В специальной теории относительности энергия тесно связана с импульсом. Так же, как пространство и время, в этой теории различные аспекты более всеобъемлющей сущности, называемой пространством-временем, энергия и импульс - это просто разные аспекты единой четырехмерной величины, которую физики называют четырехмерным импульсом. Следовательно, если энергия является источником гравитации, импульс также должен быть источником. То же самое верно для величин, которые напрямую связаны с энергией и импульсом, а именно внутреннего давления и натяжения. Взятые вместе, в общей теории относительности именно масса, энергия, импульс, давление и натяжение служат источниками гравитации: они определяют то, как материя сообщает пространству-времени, как искривляться. В математической формулировке теории все эти величины являются лишь аспектами более общей физической величины, называемой тензором энергии-импульса.
Уравнения Эйнштейна являются центральным элементом общей теории относительности. Они обеспечивают точную формулировку взаимосвязи между геометрией пространства-времени и свойствами материи, используя язык математики. Более конкретно, они сформулированы с использованием концепций римановой геометрии, в которой геометрические свойства пространства (или пространства-времени) описываются величиной, называемой метрикой. Метрика кодирует информацию, необходимую для вычисления фундаментальных геометрических понятий расстояния и угла в искривленном пространстве (или пространстве-времени).
Расстояния на разных широтах, соответствующие 30-градусной разнице долготы. Сферическая поверхность, подобная поверхности Земли, является простым примером. Местоположение любой точки на поверхности можно описать двумя координатами: географической широтой и долготой. В отличие от декартовых координат плоскости, разности координат не совпадают с расстояниями на поверхности, как показано на диаграмме справа: для человека, находящегося на экваторе, перемещение на 30 градусов долготы на запад (пурпурная линия) соответствует расстоянию примерно 3300 километров (2100 миль), в то время как для человека, находящегося на широте 55 градусов, перемещение на 30 градусов долготы на запад (синяя линия) покрывает расстояние всего 1900 километров (1200 миль). Поэтому координаты не предоставляют достаточно информации для описания геометрии сферической поверхности или даже геометрии любого более сложного пространства или пространства-времени. Эта информация - это именно то, что закодировано в метрике, которая представляет собой функцию, определенную в каждой точке поверхности (или пространства, или пространства-времени), и связывает различия координат с различиями в расстоянии. Все другие величины, представляющие интерес для геометрии, такие как длина любой данной кривой или угол, под которым встречаются две кривые, могут быть вычислены с помощью этой метрической функции.
Метрическая функция и скорость ее изменения от точки к точке может использоваться для определения геометрической величины, называемой тензором кривизны Римана, который точно описывает, как риманово многообразие, пространство-время в теории относительности, искривлено в каждом точка. Как уже упоминалось, материальная составляющая пространства-времени определяет другую величину, тензор энергии-импульса T, и принцип, согласно которому «пространство-время говорит материи, как двигаться, а материя говорит пространству-времени, как изгибаться» означает, что эти количества должны быть связаны друг с другом. Эйнштейн сформулировал это соотношение, используя тензор кривизны Римана и метрику для определения другой геометрической величины G, теперь называемой тензором Эйнштейна, который описывает некоторые аспекты искривления пространства-времени. Затем уравнение Эйнштейна утверждает, что
, то есть с точностью до постоянного кратного, величина G (которая измеряет кривизну) приравнивается к величине T (которая измеряет содержание вещества). Здесь G - гравитационная постоянная ньютоновской гравитации, а c - скорость света из специальной теории относительности.
Это уравнение во множественном числе часто называют уравнениями Эйнштейна, поскольку каждая величина G и T определяется несколькими функциями координат пространства-времени, и уравнения уравнивают каждую из этих компонентных функций. Решение этих уравнений описывает конкретную геометрию пространства-времени ; например, решение Шварцшильда описывает геометрию вокруг сферической невращающейся массы, такой как звезда или черная дыра, тогда как Керр Решение описывает вращающуюся черную дыру. Еще другие решения могут описывать гравитационную волну или, в случае решения Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера, расширяющуюся Вселенную. Самым простым решением является неизогнутое пространство-время Минковского, пространство-время, описываемое специальной теорией относительности.
Никакая научная теория не аподиктически верна ; каждая - это модель, которую необходимо проверить экспериментально. Закон всемирного тяготения Ньютона был принят, поскольку он со значительной точностью объяснял движение планет и лун в Солнечной системе. По мере того, как точность экспериментальных измерений постепенно повышалась, наблюдались некоторые расхождения с предсказаниями Ньютона, которые были учтены в общей теории относительности. Точно так же предсказания общей теории относительности также должны быть проверены экспериментом, и сам Эйнштейн разработал три теста, теперь известные как классические проверки теории:
ньютоновская (красная) орбита против эйнштейновской (синяя) одиночной планеты, вращающейся вокруг некоторой орбиты. сферическая звезда. Из этих тестов до окончательной публикации общей теории относительности Эйнштейном в 1916 г. было известно только продвижение перигелия Меркурия. Последующее экспериментальное подтверждение других его предсказаний, особенно первых измерений отклонения света Солнцем в 1919 году, катапультировали Эйнштейна к международной славе. Эти три эксперимента оправдали принятие общей теории относительности над теорией Ньютона и, между прочим, над рядом альтернатив общей теории относительности, которые были предложены.
Gravity Probe B со сложенными солнечными панелями. Дальнейшие проверки общей теории относительности включают прецизионные измерения эффекта Шапиро или гравитационной задержки света, последний раз в 2002 г. Кассини космический зонд. Один набор тестов фокусируется на эффектах, предсказываемых общей теорией относительности для поведения гироскопов, путешествующих в космосе. Один из этих эффектов, геодезическая прецессия, был протестирован с помощью Lunar Laser Ranging Experiment (высокоточные измерения орбиты Луны ). Другой, связанный с вращающимися массами, называется перетаскивание кадра. Геодезический эффект и эффект перетаскивания кадра были протестированы в спутниковом эксперименте Gravity Probe B, запущенном в 2004 году, и по состоянию на декабрь 2008 года результаты подтверждали относительность с точностью 0,5% и 15% соответственно.
По космическим меркам гравитация во всей Солнечной системе мала. Поскольку различия между предсказаниями теорий Эйнштейна и Ньютона наиболее заметны при сильной гравитации, физики давно интересовались проверкой различных релятивистских эффектов в условиях сравнительно сильных гравитационных полей. Это стало возможным благодаря точным наблюдениям двойных пульсаров. В такой звездной системе две очень компактные нейтронные звезды вращаются вокруг друг друга. По крайней мере, один из них - пульсар - астрономический объект, излучающий плотный пучок радиоволн. Эти лучи падают на Землю через очень регулярные промежутки времени, подобно тому, как вращающийся луч маяка означает, что наблюдатель видит мигание маяка, и их можно наблюдать как очень регулярную серию импульсов. Общая теория относительности предсказывает определенные отклонения от регулярности этих радиоимпульсов. Например, иногда, когда радиоволны проходят близко к другой нейтронной звезде, они должны отклоняться гравитационным полем звезды. Наблюдаемые последовательности импульсов впечатляюще близки к предсказываемым общей теорией относительности.
Один конкретный набор наблюдений относится к исключительно полезным практическим приложениям, а именно к спутниковым навигационным системам, таким как Система глобального позиционирования, которая используется как для точного позиционирования, так и для хронометража. Такие системы опираются на два набора атомных часов : часы на борту спутников, вращающихся вокруг Земли, и эталонные часы, размещенные на поверхности Земли. Общая теория относительности предсказывает, что эти два набора часов должны идти с несколько разной скоростью из-за их разных движений (эффект, уже предсказанный специальной теорией относительности) и их разного положения в гравитационном поле Земли. Чтобы гарантировать точность системы, либо часы спутников замедляются из-за релятивистского фактора, либо этот же фактор включается в алгоритм оценки. В свою очередь, тесты точности системы (особенно очень тщательные измерения, которые являются частью определения универсального координированного времени ) являются свидетельством справедливости релятивистских предсказаний.
Ряд другие тесты проверяли действительность различных версий принципа эквивалентности ; строго говоря, все измерения гравитационного замедления времени являются проверкой слабой версии этого принципа, а не самой общей теории относительности. На данный момент общая теория относительности прошла все наблюдательные испытания.
Модели, основанные на общей теории относительности, играют важную роль в астрофизике ; Успех этих моделей является еще одним свидетельством обоснованности теории.
Крест Эйнштейна : четыре изображения одного и того же далекого квазара, полученные с помощью гравитационной линзы (гораздо ближе Галактика переднего плана Линза Хухры ).Поскольку свет отклоняется в гравитационном поле, свет удаленного объекта может достигать наблюдателя двумя или более путями. Например, свет очень удаленного объекта, такого как квазар может проходить вдоль одной стороны массивной галактики и слегка отклоняться, чтобы достичь наблюдателя на Земле, в то время как свет, проходящий по противоположной стороне той же самой галактики, отклоняется как ну, достигая того же наблюдателя с немного другого направления. В результате этот конкретный наблюдатель увидит один астрономический объект в двух разных местах ночного неба. Этот вид фокусировки хорошо известен, когда дело касается оптических линз, и, следовательно, соответствующий гравитационный эффект называется гравитационным линзированием.
Observational astr onomy использует эффекты линзирования как важный инструмент для определения свойств линзирующего объекта. Даже в тех случаях, когда этот объект не виден напрямую, форма линзированного изображения предоставляет информацию о распределении массы , ответственного за отклонение света. В частности, гравитационное линзирование обеспечивает один из способов измерения распределения темных материя, которая не излучает свет и может наблюдаться только по ее гравитационным эффектам. Одним из особенно интересных приложений являются крупномасштабные наблюдения, при которых линзирующие массы разбросаны по значительной части наблюдаемой Вселенной и могут использоваться для получения информации о крупномасштабных свойствах и эволюции нашего космоса.
Гравитационные волны, прямое следствие теории Эйнштейна, представляют собой искажения геометрии, которые распространяются со скоростью света, и их можно рассматривать как рябь в пространстве-времени. Их не следует путать с гравитационными волнами из гидродинамики, которые представляют собой другую концепцию.
В феврале 2016 года команда Advanced LIGO объявила, что они непосредственно наблюдали гравитационные волны в результате слияния черных дыр.
Косвенно влияние гравитационных волн было обнаружено при наблюдениях конкретных двойных звезд. Такие пары звезд вращаются друг вокруг друга и при этом постепенно теряют энергию, испуская гравитационные волны. Для обычных звезд, таких как Солнце, эта потеря энергии была бы слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить, но эта потеря энергии наблюдалась в 1974 году в двойном пульсаре под названием PSR1913 + 16. В такой системе одна из звезд на орбите - пульсар. Это имеет два последствия: пульсар - чрезвычайно плотный объект, известный как нейтронная звезда, для которого излучение гравитационных волн намного сильнее, чем для обычных звезд. Также пульсар испускает узкий луч электромагнитного излучения со своих магнитных полюсов. Когда пульсар вращается, его луч проходит над Землей, где он рассматривается как регулярная серия радиоимпульсов, точно так же, как корабль в море наблюдает регулярные вспышки света от вращающегося света в маяке. Эта регулярная последовательность радиоимпульсов работает как высокоточные «часы». Его можно использовать для измерения времени орбитального периода двойной звезды, и он чутко реагирует на искажения пространства-времени в непосредственной близости от него.
Первооткрыватели PSR1913 + 16, Рассел Халс и Джозеф Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году. С тех пор, найдено несколько других двойных пульсаров. Наиболее полезными из них являются те, в которых обе звезды являются пульсарами, поскольку они обеспечивают точные проверки общей теории относительности.
В настоящее время работает ряд наземных детекторов гравитационных волн, а также миссия по запуску космического детектора LISA в настоящее время находится в стадии разработки, а предварительная миссия (LISA Pathfinder ) была запущена в 2015 году. Наблюдения за гравитационными волнами могут быть использованы для получения информация о компактных объектах, таких как нейтронные звезды и черные дыры, а также для исследования состояния ранней Вселенной доли секунды после Большой Взрыв.
Энергия черной дыры, исходящая из центральной области галактики M87.Когда масса сосредоточена в достаточно компактной области пространства, общая теория относительности предсказывает образование черной дыры - области пространства с настолько сильным гравитационным эффектом, что даже свет не может уйти. Считается, что определенные типы черных дыр являются конечным состоянием в эволюции массивных звезд. С другой стороны, предполагается, что сверхмассивные черные дыры с массой миллионов или миллиардов Солнц находятся в ядрах большинства галактики, и они играют ключевую роль в современных моделях образования галактик за последние миллиарды лет.
Материя, падающая на компактный объект, является одним из наиболее эффективных механизмов высвобождения энергия в виде излучения, и материя, падающая на черные дыры, считается причиной некоторых из самых ярких астрономических явлений, которые только можно вообразить. Яркими примерами, представляющими большой интерес для астрономов, являются квазары и другие типы активных ядер галактик. При правильных условиях падающая материя, накапливающаяся вокруг черной дыры, может привести к образованию струй, в которых сфокусированные лучи вещества отбрасываются в космос со скоростью, близкой к скорости света.
Там несколько свойств, которые делают черные дыры наиболее многообещающими источниками гравитационных волн. Одна из причин заключается в том, что черные дыры - самые компактные объекты, которые могут вращаться друг вокруг друга как часть двойной системы; в результате гравитационные волны, излучаемые такой системой, особенно сильны. Другая причина вытекает из так называемых теорем единственности черных дыр : со временем черные дыры сохраняют лишь минимальный набор отличительных черт (эти теоремы стали известны как теоремы о «безволосости»), независимо от начальная геометрическая форма. Например, в долгосрочной перспективе коллапс гипотетического куба материи не приведет к образованию черной дыры в форме куба. Вместо этого образовавшаяся черная дыра будет неотличима от черной дыры, образованной коллапсом сферической массы. При переходе к сферической форме черная дыра, образованная коллапсом более сложной формы, будет излучать гравитационные волны.
Изображение, созданное с использованием данных из WMAP спутниковый телескоп излучения, испущенного не более чем через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва. Одним из наиболее важных аспектов общей теории относительности является то, что ее можно применить к Вселенной в целом. Ключевым моментом является то, что в больших масштабах наша Вселенная, кажется, построена по очень простым линиям: все текущие наблюдения показывают, что в среднем структура космоса должна быть примерно одинаковой, независимо от местоположения наблюдателя или направления наблюдения. : Вселенная приблизительно однородна и изотропна. Такие сравнительно простые вселенные можно описать простыми решениями уравнений Эйнштейна. Современные космологические модели Вселенной получены путем объединения этих простых решений общей теории относительности с теориями, описывающими свойства материи вселенной, а именно термодинамикой, ядерная - и физика элементарных частиц. Согласно этим моделям, наша нынешняя Вселенная возникла из чрезвычайно плотного высокотемпературного состояния - Большого взрыва - примерно 14 миллиардов лет назад и было расширяя с тех пор.
Уравнения Эйнштейна можно обобщить, добавив член, называемый космологической постоянной. Когда присутствует этот термин, пустое пространство само по себе действует как источник притягивающей (или, реже, отталкивающей) гравитации. Первоначально Эйнштейн ввел этот термин в свою новаторскую статью по космологии 1917 года, руководствуясь весьма специфической мотивацией: современная космологическая мысль считала Вселенную статичной, и дополнительный термин требовался для построения статических модельных вселенных в рамках общей теории относительности. Когда стало очевидно, что Вселенная не статична, а расширяется, Эйнштейн быстро отбросил этот дополнительный термин. Однако с конца 1990-х годов астрономические данные, указывающие на ускоряющееся расширение, согласующееся с космологической постоянной - или, что то же самое, с конкретным и повсеместным видом темной энергии - неуклонно сохранялись.
Общая теория относительности очень успешно обеспечивает основу для точных моделей, которые описывают впечатляющий набор физических явлений. С другой стороны, есть много интересных открытых вопросов, и, в частности, теория в целом почти наверняка неполна.
В отличие от всех других современных теорий фундаментальных взаимодействий, общие Теория относительности - это классическая теория: она не включает эффекты квантовой физики. Поиски квантовой версии общей теории относительности обращаются к одному из самых фундаментальных открытых вопросов физики. Хотя есть многообещающие кандидаты для такой теории квантовой гравитации, в частности теории струн и петлевой квантовой гравитации, в настоящее время нет последовательной и полной теории. Долгое время надеялись, что теория квантовой гравитации устранит еще одну проблемную особенность общей теории относительности: наличие сингулярностей пространства-времени. Эти сингулярности являются границами («острыми краями») пространства-времени, в которых геометрия становится нечеткой, в результате чего сама общая теория относительности теряет свою предсказательную силу. Кроме того, существуют так называемые теоремы об особенностях, которые предсказывают, что такие сингулярности должны существовать во Вселенной, если законы общей теории относительности должны выполняться без каких-либо квантовых модификаций. Самыми известными примерами являются сингулярности, связанные с модельными вселенными, описывающими черные дыры и начало вселенной.
. Другие попытки изменить общую теорию относительности были предприняты в контексте космологии. В современных космологических моделях большая часть энергии во Вселенной находится в формах, которые никогда не были обнаружены напрямую, а именно темная энергия и темная материя. Было выдвинуто несколько спорных предложений по устранению необходимости в этих загадочных формах материи и энергии путем изменения законов, управляющих гравитацией и динамикой космического расширения, например, модифицированной динамики Ньютона.
Beyond проблемы квантовых эффектов и космологии, исследования общей теории относительности богаты возможностями для дальнейшего исследования: математические релятивисты исследуют природу сингулярностей и фундаментальные свойства уравнений Эйнштейна, а также все более комплексные компьютерные моделирование конкретных пространств-времени (например, описывающих слияние черные дыры) бегут. Спустя более ста лет после первой публикации теории исследования стали активнее, чем когда-либо.
Физический портал 
Астрономический портал  | В Викиучебнике есть книга по теме: Общая теория относительности |
 | Wik imedia Commons имеет материалы, связанные с общей теорией относительности. |
. Дополнительные ресурсы, включая более сложные материалы, можно найти в ресурсах по общей теории относительности.
