Principiul echivalenței

PRINCIPIUL ECHIVALENłEI

Dar cum să înțeleagă afirmația că forța gravitațională este echivalentă cu accelerația?

Imaginează-ți Einstein a spus că suntem într-o astfel de ascensor (lift datorită lui Einstein foarte celebre), care nu pot vedea ce se întâmplă în exterior. Dacă liftul este în repaus (sau se deplasează uniform) într-un câmp gravitațional constant, toate elementele vyronennye în lift, se va scădea cu o accelerație gravitațională (Fig.

50). Acum, imaginați-vă același lift, dar fiind departe de corpurile masive, t câmpul de gravitație zero. E..

Și să liftul se mișcă în sus usdoreniem în raport cu un sistem de referință inerțial. Toate corpurile vyronennye doilea lift, va rămâne în spatele ei, astfel încât un observator situat în lift, se pare că aceste corpuri cad pe podea cu accelerația egală în mărime (fig. 51). Una și aceeași mișcare „reală“ poate fi la fel de bine explicate fie prin 1) o mișcare accelerată a ascensorului în sus sau 2), prin acțiunea forței gravitaționale în direcția opusă. Această concluzie poate fi formulată sub forma principiului echivalenței: uniformă câmp gravitațional accelerație constantă echivalentă.

În cazul în care întrebarea a fost doar că am putea sta aici. Am avut dreptul de a spune că legile fizicii pot fi scrise în toate cadrele de referință uniform accelerate (adăugând forța gravitațională relevantă), le-am înregistrat în sistemele inerțiale (fără forțe gravitaționale suplimentare).

S-ar putea presupune că o particulă care se încadrează în jos de accelerație se comportă fie datorită faptului că forța gravitațională care acționează pe ea (fig. 52), sau datorită faptului că ascensoarele noastre (cadru de referință) se deplasează în sus de accelerație (fig. 53).

De exemplu, inmultire fascicul de lumină în sistemul inerțial al liniei drepte este o perspectivă a observatorului localizat în curba de ridicare uniform accelerată (fig. 54). Observatorul în ascensorul staționar, dar în prezența unui câmp gravitațional, se va vedea aceeași cale de fire răsucite de un fascicul de lumină.

În final putem obține chiar și pierdut în toate aceste argumente cu privire la actele dacă, în orice caz dat, forța gravitațională sau corpul pur și simplu este accelerată, și poate înlocui principiul inerției: „în cazul în care particula nu este afectată de forțele, se mișcă uniform într-o linie dreaptă“ declaraţie: „în cazul în care organismul nu este afectat de către forțele, mișcarea naturală va cădea la podea cu o accelerație

Cu toate acestea, problema este mult mai complicată datorită faptului că „adevărata“ câmpul gravitațional nu este neapărat uniformă, iar posibilă accelerare - constantă. Considerăm câmpul gravitațional al Pământului în punctele indicate în fig. 55. Atât amploarea și direcția câmpului gravitațional la aceste puncte sunt diferite. Ar fi posibil să se extindă principiul echivalenței, spunând că la nivel local (în apropiere de punctul de câmpul gravitațional al pământului echivalent accelerație constantă, amploarea care variază de la un punct la altul. Rezultă că magnitudinea și direcția accelerației echivalente cu câmpul gravitațional al unui corp (particule, planete, galaxie sau întregul univers) trebuie să fie funcții spațiale

Spre deosebire de curbura teoria newtoniană a traiectoriei corpului în mișcare în câmpul gravitațional nu se produce din cauza acțiunii de forță, și datorită proprietăților specifice ale spațiului. Lumina, de exemplu, care nu sunt acoperite de euclidiene „linii drepte“ lângă corpul de masă (fig. 56).

Și, din moment ce tot corpul, inclusiv razele de lumina se misca de-a lungul traiectorii curbe (în absența forțelor), putem presupune că spațiul în sine este curbat. La urma urmei, ne confruntăm cu o dilemă: fie să se presupună că spațiul în apropierea organelor de euclidiene, dar nici un organism nu se mișcă în linie dreaptă sau curbată atribuit spațiu în sine. Einstein a ales acesta din urmă.

La prima vedere poate părea că toate celelalte forțe (electromagnetice și nucleare, pe care le vom introduce mai târziu) nu se încadrează în acest sistem. Având în vedere că efectul acestor forțe asupra celuilalt organism nu este proporțională cu masa corpurilor (pentru a descrie aceasta ar trebui să introducă noi concepte - focoase electrice și nucleare), aceste forțe par străine față de sistemul în care forța gravitațională a fost înlocuită cu curbura spațiului. Einstein și mulți alții au investit eforturi enorme în încercarea de a combina teoria Maxwell cu teoria relativității generale (de ex., E. Pentru a crea o teorie unificată așa-numitele).

În ultimul timp a devenit la modă să spun că teoria generală a relativității slab testate prin experiment. Prin aceasta se înțelege,

există ltssh mai multe experimente de control, în care se pot distinge predicțiile teoriei lui Einstein și predicțiile teoriei lui Newton, sau, orice altă generalizare relativistă a acestei teorii. Faptul că, în cazul nerelativist (viteză mică ordinară intensitatea câmpului gravitațional), toate ace teoria lui Einstein coincid cu concluziile teoriei lui Newton (legea lui Kepler, și așa mai departe. P.). Acest meci are loc cu un asemenea grad de precizie pe care cei cincizeci de ani de la apariția relativității generale a reușit să obțină doar câteva (două sau trei) a rezultatelor experimentale care arată diferența în predictiile teoriei generale și teoria gravitației a lui Newton. Cu toate acestea, se poate argumenta că teoria lui Einstein este, probabil, generalizarea cea mai simplă și elegantă a teoriei lui Newton, cu excepția cazului, desigur, cred că acesta din urmă trebuie să fie în concordanță cu principiile și să ia în considerare principiul echivalenței sub orice formă. Oricum, teoria lui Einstein este verificată experimental nu mai rău (și, probabil, mai bine) decât teoria lui Newton, și sa dovedit a fi în concordanță excelentă cu experimentul.

În mod tradițional, există trei așa-numita confirmare a teoriei generale a relativității, în care puteți găsi (sau de a descoperi aproape) o mică diferență în predicțiile teoriei generale și teoria lui Newton.

Curbura fasciculului de lumină

Atunci când fasciculul de lumină trece prin câmpul gravitațional, traiectoria lui ar trebui să fie îndoit (pe baza principiului echivalenței). În special, dacă lumina stelei este distribuită aproape de marginea Soarelui, trebuie să observăm deplasarea fasciculului (fig. 57). Această compensare poate fi văzută doar în timpul unei eclipse solare. In timpul unei eclipse totale în 1919 a lucrat ca o expediție internațională, ai cărei membri au fotografii cu un cer înstelat la momentul eclipsei, iar apoi a comparat imaginile cu fotografii de aceeași parte a cerului, dar portarul advers, fără soare. stea

au fost compensate (probabil membri ai expediției au luat acest fapt ca un miracol), care a confirmat predicția lui Einstein (deplasarea unghiulară a ordinului de curbarea luminii pe măsură ce trece aproape de soare.

Conduită și interpreta astfel de măsurători sunt extrem de dificil (să zicem doi astronomi uită la aceeași imagine, poate da explicații diferite). Recent, vorbim despre acest efect a fost reluat din nou, iar acum se fac încercări de a efectua noi măsurători. Toată lumea este de acord că fasciculul de lumină este ușor îndoit, dar în cazul în care este numeric la fel ca și curbura cu predicție a relativității generale nu este încă clar.

redshift

Viteza ceasului depinde de valoarea locală a câmpului gravitațional. (Aceasta este explicația pentru paradoxul gemenilor în ceea ce privește teoria generală a relativității. Putem presupune că, la momentul de frânare și de cotitură Twin navei spațiale, situată în navă experiențele un câmp gravitațional, care nu se simte fratele său rămâne pe pământ. Aceasta este diferența între cei doi gemeni.)

FIG. 58. În cazul în care fotonul a trecut de la steaua pe Pământ, energia gravitațională este schimbat cu suma de -

După cum se poate observa ore atom simplu sau oscilație a particulelor de lumină (fotoni, care sunt introduse mai formal în Sec. 37). Photon oscilație rezultate schimbare de frecvență într-o schimbare a culorii fasciculului de lumină spre porțiunea roșie a spectrului, care este, prin urmare, numit (gravitațional) schimbare roșu.

Photon se caracterizează prin energie și frecvență

Dacă presupunem că energia asociată cu masa conform formulei

și orice masă supusă acțiunii forței gravitaționale (Fig. 58), energia potențială gravitațională a fotonilor, situate în apropierea suprafeței unei stele mari cu o masă și o rază este egală cu

Energia cinetică a fotonului este redusă când se cațără (la figurat vorbind) cu nivelul potențial scăzut al stelei la un potențial de pământ nivel superior. Frecvența corespunzătoare de offset

Deși a fost observat acest efect la scară astronomică, este extrem de mic. Recent, a fost măsurată în apropierea suprafeței Pământului folosind cele mai noi aparate cu o putere extrem de mare rezolvare [4]. (Reorientarea preconizată pentru un foton cu o cale de lungime de undă care trece cm

Comparația cu experimentul și teoria dat

Deplasarea periheliu de Mercur

Kepler bucuria parțial explicată prin faptul că a primit pentru orbite eliptice ale planetelor. Cu toate acestea, sa dovedit că, de fapt, planetele nu se mișcă în elipse, așa cum mișcarea lor este indignată

Influența corpurilor cerești învecinate. În special, pentru Mercur această tulburare este evident mai ales în așa-numita precesie a periheliu, sau punctul de orbita cel mai apropiat de soare. În conformitate cu teoria planetei Kepler trebuie să treacă anual prin aceeași periheliu (fig. 59). Cu toate acestea, din observațiile se vede că acest punct al orbitei este ușor deplasată (fig. 60) (aproximativ 540 „peste un secol în ceea ce privește stelele fixe).

Dacă luăm în considerare efectele tuturor cunoscute planete vizibile (așa cum a făcut-o prima dată Le Verrier), obținem pentru deplasarea periheliu lui Mercur pe ordinea de 500 „pe secol. În mod inexplicabil, există doar o diferență de 43“ pe secol între predictiile teoriei lui Newton și observații astronomice. Nu, nu a fost posibil să vină cu o explicație rezonabilă pentru acest fenomen. (Inițial, atribuit o altă planetă numită Vulcan în avans, dar a fost găsit această planetă.) Era ca și cum Dumnezeu o dată la o sută de ani, corectează orbita acestei planete aflate in deriva. Această explicație este acum de prisos, deoarece teoria generală a relativității, ceea ce implică toate concluziile teoriei lui Newton pe alte planete, dă periheliu de Mercur pentru care lipsesc 43 „pe secol.

Astfel, teoria generală a relativității este în concordanță cu observațiile moderne ale fenomenelor fizice, variind de la mișcarea curenților de apă și se termină deplasarea periheliu lui Mercur. Acesta poate fi considerat ca rezultat al armonizării teoriei gravitatiei lui Newton

cu principiul relativității în ceea ce privește principiul echivalenței, care reunește conceptele de accelerare și de gravitate. În această teorie, conceptul de forță este redundantă, deoarece mișcarea organelor determinate de curbura spatiului cauzate de organismele.

Teoria generală a relativității - este Partenonul fizicii, crearea arhitectului care „o dată aplecat peste marginea hamacului întinse între Taur si Pesti inel de Vest. „[5] și a dat omenirii templu, lovind nu numai pentru dimensiunea sa și utilitate practică, ca perfecțiunea proporțiilor. Acest Acropole gândirii umane. Dar nu avem nici o îndoială că, dacă am vreodată în viitor (în conformitate cu regulile jocului de noi) pentru a demola biserica și să o înlocuiască cu clădire cu aspect obișnuit, eficacitatea care ar fi mai mult, fără îndoială, există o mulțime de entuziaști pentru a face acest lucru. Sic transit gloria mundi.