Genel görelilik tarihi - History of general relativity

Genel görelilik
${\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }}$
Tanıtım Tarih matematiksel formülasyon testler
Temel kavramlar denklik ilkesi Özel görelilik dünya çizgisi Sözde Riemann manifoldu
olaylar Kepler sorunu yerçekimi merceklenmesi yerçekimi dalgaları Çerçeve sürükleme jeodezik etki Olay ufku tekillik Kara delik Boş zaman uzay-zaman diyagramları Minkowski uzay-zaman Einstein-Rosen köprüsü
denklemler formalizmler denklemler Doğrusallaştırılmış yerçekimi Einstein alan denklemleri Friedmann jeodezik Mathisson-Papapetrou-Dixon Hamilton-Jacobi-Einstein formalizmler ADM BSSN Newton sonrası ileri teori Kaluza-Klein teorisi kuantum yerçekimi
Çözümler Schwarzschild ( iç ) Reissner-Nordström Gödel Kerr Kerr-Newman kaşer Lemaitre-Tolman Taub-SOMUN Milne Robertson-Walker pp dalgası kamyonet Stockum tozu Weyl-Lewis-Papapetro
Bilim insanları Einstein Lorentz Hilbert poincare Schwarzschild bakıcı Reissner Nordström Weyl Eddington Friedman Milne Zwicky Lemaitre Gödel tekerlekli Robertson Bardeen yürüteç Kerr Chandrasekhar Ehler Penrose şahin Raychaudhuri Taylor Hulse kamyonet Stockum Taub Yeni adam evet Thorne diğerleri
fizik portalı  Kategori
v T e

Genel görelilik (GR), Albert Einstein tarafından 1907 ve 1915 yılları arasında geliştirilen ve 1915'ten sonra pek çok kişinin katkılarıyla geliştirilen bir yerçekimi teorisidir. Genel göreliliğe göre, kütleler arasında gözlemlenen kütleçekimsel çekim, bu kütleler tarafından uzay ve zamanın bükülmesinden kaynaklanır. kitleler.

Genel göreliliğin ortaya çıkmasından önce, Newton'un evrensel yerçekimi yasası, kütleler arasındaki yerçekimi kuvvetinin geçerli bir tanımı olarak iki yüz yıldan fazla bir süredir kabul edilmişti, ancak Newton'un kendisi teoriyi yerçekiminin doğası üzerine son söz olarak görmedi. . Newton'un formülasyonunun bir yüzyılı içinde, dikkatli bir astronomik gözlem, teori ve gözlemler arasında açıklanamayan farklılıkları ortaya çıkardı. Newton'un modeline göre, yerçekimi, büyük nesneler arasındaki çekici bir kuvvetin sonucuydu. Newton bile bu kuvvetin bilinmeyen doğasından rahatsız olsa da, temel çerçeve hareketi tanımlamada son derece başarılıydı.

Bununla birlikte, deneyler ve gözlemler, Einstein'ın açıklamasının, Merkür ve diğer gezegenlerin yörüngelerindeki çok küçük anomaliler gibi Newton yasası tarafından açıklanmayan çeşitli etkileri açıkladığını göstermektedir. Genel görelilik, yerçekimi dalgaları , yerçekimsel merceklenme ve yerçekimi zaman genişlemesi olarak bilinen yerçekiminin zaman üzerindeki etkisi gibi yerçekiminin yeni etkilerini de öngörür . Bu tahminlerin çoğu deney veya gözlemle doğrulanmıştır, diğerleri ise devam eden araştırmaların konusudur.

Genel görelilik, modern astrofizikte önemli bir araç haline geldi. Kara deliklerin, yerçekiminin ışığın bile kaçamayacağı kadar güçlü olduğu uzay bölgelerinin mevcut anlayışı için temel sağlar. Güçlü yerçekimlerinin, belirli türdeki astronomik nesnelerin (aktif galaktik çekirdekler veya mikrokuasarlar gibi) yaydığı yoğun radyasyondan sorumlu olduğu düşünülmektedir. Genel görelilik, kozmolojinin standart Big Bang modelinin çerçevesinin de bir parçasıdır.

Genel göreliliğin yaratılması

Erken araştırmalar

Einstein'ın daha sonra söylediği gibi, genel göreliliğin gelişmesinin nedeni, özel görelilik içinde eylemsiz hareketin tercih edilmesiydi , oysa en başından beri belirli bir hareket durumunu tercih etmeyen bir teori ona daha tatmin edici göründü. Böylece, 1907'de hâlâ patent ofisinde çalışırken Einstein, "en mutlu düşüncesi" olarak adlandırdığı şeye sahipti. Görelilik ilkesinin yerçekimi alanlarına genişletilebileceğini fark etti .

Sonuç olarak, 1907'de özel görelilik altında ivme üzerine bir makale yazdı (1908'de yayınlandı). Bu makalede, serbest düşüşün gerçekten eylemsizlik hareketi olduğunu ve serbest düşen bir gözlemci için özel görelilik kurallarının uygulanması gerektiğini savundu . Bu argümana Denklik ilkesi denir . Aynı makalede Einstein, yerçekimi zaman genişlemesi olgusunu da öngördü .

1911'de Einstein, 1907 makalesini genişleten başka bir makale yayınladı. Orada, yerçekimi alanında olmayan, düzgün bir şekilde hızlandırılmış bir kutunun durumunu düşündü ve değişmeyen bir yerçekimi alanında hareketsiz duran bir kutudan ayırt edilemeyeceğini kaydetti. Yukarı doğru hızlanan bir kutunun üstündeki saatlerin hızının, alttaki saatlerin hızından daha hızlı olacağını görmek için özel göreliliği kullandı. Saatlerin hızlarının yerçekimi alanındaki konumlarına bağlı olduğu ve hızdaki farkın ilk yaklaşıma yerçekimi potansiyeli ile orantılı olduğu sonucuna varır.

Ayrıca ışığın büyük cisimler tarafından sapması da tahmin edildi. Yaklaşım kaba olmasına rağmen, sapmanın sıfırdan farklı olduğunu hesaplamasına izin verdi. Alman gökbilimci Erwin Finlay-Freundlich, Einstein'ın dünya çapındaki bilim adamlarına meydan okumasını duyurdu. Bu, gökbilimcileri bir güneş tutulması sırasında ışığın sapmasını tespit etmeye teşvik etti ve Einstein'a Gunnar Nordström tarafından önerilen skaler yerçekimi teorisinin yanlış olduğu konusunda güven verdi . Ancak hesapladığı sapmanın gerçek değeri iki kat çok küçüktü, çünkü kullandığı yaklaşıklık ışık hızına yakın hareket eden şeyler için pek işe yaramıyor. Einstein, genel görelilik kuramını tam olarak bitirdiğinde, bu hatayı düzeltecek ve güneş tarafından doğru miktarda ışık sapmasını tahmin edecekti.

Einstein'ın yerçekimi alanının doğası hakkındaki dikkate değer düşünce deneylerinden bir diğeri, dönen disktir ( Ehrenfest paradoksunun bir çeşidi ). Dönen bir döner tabla üzerinde deney yapan bir gözlemci hayal etti. Böyle bir gözlemcinin matematiksel sabit π için Öklid geometrisi tarafından tahmin edilenden farklı bir değer bulacağını kaydetti. Bunun nedeni, bir dairenin yarıçapının, büzülmemiş bir cetvelle ölçüleceği, ancak özel göreliliğe göre, cetvel büzüleceği için çevresi daha uzun görüneceğidir. Einstein fizik yasalarının yerel olduğuna ve yerel alanlar tarafından tanımlandığına inandığından, bundan uzay-zamanın yerel olarak eğrilebileceği sonucuna vardı. Bu onu Riemann geometrisini incelemeye ve genel göreliliği bu dilde formüle etmeye yöneltti .

Genel göreliliği geliştirmek

Eddington'ın , Einstein'ın ışığın "büküldüğü" teorisini doğrulayan bir güneş tutulması fotoğrafı.

New York Times , bulguların 6 Kasım 1919'da insanlara sunulmasından sonra, 29 Mayıs 1919'da Principe (Afrika) ve Sobral'da (Brezilya) tutulma gözlemlerine dayanarak "Einstein teorisinin" (özellikle, ışığın yerçekimi ile bükülmesi) doğrulandığını bildirdi. Royal Society ve Royal Astronomical Society'nin Londra'da ortak toplantısı . ( Tam metin )

1912'de Einstein, mezun olduğu ETH Zürih'te profesörlüğü kabul etmek için İsviçre'ye döndü . Zürih'e döndüğünde, hemen şimdi bir matematik profesörü olan ve onu Riemann geometrisi ve daha genel olarak diferansiyel geometri ile tanıştıran eski ETH sınıf arkadaşı Marcel Grossmann'ı ziyaret etti . İtalyan matematikçi Tullio Levi-Civita'nın tavsiyesi üzerine Einstein , yerçekimi teorisi için genel kovaryansın (esas olarak tensörlerin kullanımı ) faydasını keşfetmeye başladı . Einstein bir süre yaklaşımla ilgili sorunlar olduğunu düşündü, ancak daha sonra ona geri döndü ve 1915'in sonlarına doğru genel görelilik kuramını bugün kullanıldığı biçimde yayımladı . Bu teori, yerçekimini , diğer maddenin atalet hareketini etkileyen, uzay-zamanın yapısının madde tarafından bozulması olarak açıklar .

Birinci Dünya Savaşı sırasında, Merkezi Güçler bilim adamlarının çalışmaları, ulusal güvenlik nedenleriyle yalnızca Merkezi Güçler akademisyenlerine açıktı. Einstein'ın çalışmalarının bir kısmı Avusturya çabalarıyla İngiltere ve Amerika Birleşik Devletleri ulaşmak yaptı Paul Ehrenfest Hollanda'da ve fizikçiler, özellikle 1902 Nobel kazanan Hendrik Lorentz ve Willem de Sitter ait Leiden Üniversitesi . Savaş bittikten sonra Einstein, Olağanüstü Profesör olarak bir sözleşmeyi kabul ederek Leiden Üniversitesi ile ilişkisini sürdürdü ; 1920'den 1930'a kadar on yıl boyunca, ders vermek için düzenli olarak Hollanda'ya gitti.

1917'de, birkaç gökbilimci Einstein'ın Prag'dan gelen 1911 meydan okumasını kabul etti. Mount Wilson Observatory Kaliforniya, ABD'de, bir güneş yayınlanan spektroskopik hiçbir yerçekimi kırmızıya kayma gösterdi analizi. 1918'de yine Kaliforniya'da bulunan Lick Gözlemevi , bulguları yayınlanmamasına rağmen Einstein'ın tahminini de çürüttüğünü açıkladı.

Bununla birlikte, Mayıs 1919'da, İngiliz gökbilimci Arthur Stanley Eddington liderliğindeki bir ekip, Einstein'ın güneş tarafından yıldız ışığının kütleçekimsel sapması tahminini doğruladığını iddia etti ve güneş tutulmasını Sobral , kuzey Brezilya ve bir batı Afrika olan Príncipe'de ikili keşif gezileri ile fotoğrafladı. Adalet. Nobel ödüllü Max Born , genel göreliliği "insanın doğa hakkındaki düşüncesinin en büyük başarısı" olarak övdü; ödüllü arkadaşı Paul Dirac , bunun "muhtemelen şimdiye kadar yapılmış en büyük bilimsel keşif" olduğunu söyledi.

Eddington keşif gezisinde çekilen belirli fotoğrafların incelenmesinin, deneysel belirsizliğin Eddington'ın gösterdiğini iddia ettiği etkiyle aynı büyüklükle karşılaştırılabilir olduğunu gösterdiği ve 1962'deki bir İngiliz keşif gezisinin yöntemin doğası gereği güvenilmez olduğu sonucuna vardığı iddiaları var. Güneş tutulması sırasında ışığın sapması daha sonra yapılan daha doğru gözlemlerle doğrulandı. Bazıları, özellikle daha sonra Deutsche Physik (Alman Fiziği) hareketini başlatan bazı milliyetçi Alman fizikçiler arasında, yeni gelenin ününe kızdı .

Genel kovaryans ve delik argümanı

1912'de Einstein, yerçekiminin geometrik bir fenomen olarak açıklandığı bir teoriyi aktif olarak arıyordu . Tullio Levi-Civita'nın ısrarı üzerine Einstein, bir yerçekimi teorisi oluşturmak için genel kovaryansın (esas olarak eğrilik tensörlerinin kullanımıdır ) kullanımını keşfederek başladı . Ancak, 1913'te Einstein, " delik argümanına " dayalı olarak tutarsız olduğunu savunarak bu yaklaşımı terk etti . 1914'te ve 1915'in büyük bölümünde Einstein, başka bir yaklaşıma dayalı alan denklemleri oluşturmaya çalışıyordu . Bu yaklaşımın tutarsız olduğu kanıtlandığında, Einstein genel kovaryans kavramını tekrar gözden geçirdi ve delik argümanının kusurlu olduğunu keşfetti.

Einstein alan denklemlerinin gelişimi

Einstein, genel kovaryansın savunulabilir olduğunu fark ettiğinde, kendi adıyla anılan alan denklemlerinin gelişimini hızla tamamladı. Ancak, şimdilerde meşhur olan bir hata yaptı. Ekim 1915'te yayınladığı alan denklemleri,

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

nerede olduğunu Ricci tensörü ve enerji-momentum tensörü . Bu , Merkür'ün Newtonyen olmayan günberi devinimini öngördü ve Einstein'ı çok heyecanlandırdı. Ancak, evren sabit bir kütle-enerji-momentum yoğunluğuna sahip olmadıkça, enerji-momentumun yerel korunumu ile tutarsız oldukları kısa sürede anlaşıldı . Başka bir deyişle, hava, kaya ve hatta bir boşluk bile aynı yoğunluğa sahip olmalıdır. Gözlemle olan bu tutarsızlık, Einstein'ı çizim tahtasına geri gönderdi ve 25 Kasım 1915'te Einstein, güncellenmiş Einstein alan denklemlerini Prusya Bilimler Akademisi'ne sundu : ${\displaystyle R_{\mu\nu }}$${\displaystyle T_{\mu\nu }}$

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

nerede olduğunu Ricci skaler ve metrik tensör . Alan denklemlerinin yayınlanmasıyla birlikte, mesele onları çeşitli durumlar için çözmek ve çözümleri yorumlamak haline geldi. Bu ve deneysel doğrulama, o zamandan beri genel görelilik araştırmalarına egemen olmuştur. ${\görüntüleme stili R}$${\displaystyle g_{\mu\nu }}$

Einstein ve Hilbert

Einstein alan denklemlerini bulma konusunda itibar sahibi olsa da, Alman matematikçi David Hilbert bunları Einstein'ın makalesinden önceki bir makalede yayınladı. Bu, Hilbert'ten olmasa da Einstein'a karşı intihal suçlamalarına ve alan denklemlerinin "Einstein-Hilbert alan denklemleri" olarak adlandırılması gerektiğine dair iddialara yol açtı . Bununla birlikte, Hilbert öncelik iddiasında ısrar etmedi ve bazıları, Einstein'ın doğru denklemleri Hilbert'in kendi çalışmasını bunları içerecek şekilde değiştirmesinden önce sunduğunu iddia etti. Bu, Hilbert'in bunlara daha sonra bağımsız olarak ulaşmış (hatta daha sonra Einstein ile yazışmaları yoluyla öğrenmiş) olmasına rağmen, Einstein'ın önce doğru alan denklemlerini geliştirdiğini gösterir. Ancak, diğerleri bu iddiaları eleştirdi.

Sir Arthur Eddington

Einstein'ın teorisinin yayımlanmasından sonraki ilk yıllarda, Sir Arthur Eddington , bu Alman bilim adamının çalışmalarını savunmak amacıyla İngiliz bilimsel kuruluşunda hatırı sayılır prestijini sağladı. Teori çok karmaşık ve anlaşılmaz olduğu için (bugün bile popüler olarak bilimsel düşüncenin zirvesi olarak kabul edilir; ilk yıllarda daha da fazlaydı), dünyada sadece üç kişinin onu anladığı söylendi. Bununla ilgili aydınlatıcı, muhtemelen uydurma bir anekdot vardı. Tarafından ilgili olarak Ludwik Silberstein , Eddington derslerinden biri sırasında o "Profesör Eddington sen genel görelilik anlayan dünyadaki üç kişiden biri olmalıdır." İstedi Eddington durakladı, cevap veremedi. Silberstein, "Mütevazı olma, Eddington!" diye devam etti. Sonunda Eddington, "Aksine, üçüncü kişinin kim olduğunu düşünmeye çalışıyorum" diye yanıtladı.

Çözümler

Schwarzschild çözümü

Alan denklemleri lineer olmadığı için Einstein bunların çözülemez olduğunu varsaydı. Bununla birlikte, Karl Schwarzschild 1915'te keşfetti ve 1916'da, küresel koordinatlarda büyük bir nesneyi çevreleyen küresel olarak simetrik bir uzay-zaman durumu için kesin bir çözüm yayınladı . Bu artık Schwarzschild çözümü olarak biliniyor . O zamandan beri, başka birçok kesin çözüm bulundu.

Genişleyen evren ve kozmolojik sabit

1922'de Alexander Friedmann , evrenin genişleyebileceği veya daralabileceği bir çözüm buldu ve daha sonra Georges Lemaître genişleyen bir evren için bir çözüm buldu. Bununla birlikte, Einstein evrenin görünüşte statik olduğuna inanıyordu ve statik bir kozmoloji genel göreli alan denklemleri tarafından desteklenmediğinden, alan denklemlerine bir kozmolojik sabit Λ ekledi ve bu sabit oldu.

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

Bu, kararlı durum çözümlerinin yaratılmasına izin verdi , ancak bunlar kararsızdı: statik bir durumun en ufak bir bozulması, evrenin genişlemesine veya büzülmesine neden olur. 1929'da Edwin Hubble , evrenin genişlediği fikrine dair kanıtlar buldu. Bu, Einstein'ın kozmolojik sabiti "kariyerimdeki en büyük gaf" olarak nitelendirerek bırakmasıyla sonuçlandı. O zamanlar, kozmolojik sabiti eklemek geçici bir hipotezdi, çünkü yalnızca bir sonucu (statik bir evreni) doğrulamayı amaçlamıştı.

Daha kesin çözümler

Alan denklemlerinin çözümünde ve çözümlerin anlaşılmasında ilerleme devam etmektedir. Küresel simetrik yüklü bir nesnenin çözümü Reissner tarafından keşfedildi ve daha sonra Nordström tarafından yeniden keşfedildi ve Reissner-Nordström çözümü olarak adlandırıldı . Schwarzschild çözümünün kara delik yönü çok tartışmalıydı ve Einstein tekilliklerin gerçek olabileceğine inanmıyordu. Bununla birlikte, 1957'de (Einstein'ın 1955'teki ölümünden iki yıl sonra), Martin Kruskal , Schwarzschild çözümünün kara delikleri gerektirdiğine dair bir kanıt yayınladı. Ek olarak, dönen büyük bir nesne için çözüm , 1960'larda Roy Kerr tarafından elde edildi ve Kerr çözümü olarak adlandırıldı . Kerr-Newman çözüm dönen, tahsil masif nesne için birkaç yıl sonra yayınlandı.

Teoriyi test etmek

Genel göreliliği destekleyen ilk kanıt, Merkür'ün yörüngesindeki anormal devinim hızının doğru tahmininden geldi. Daha sonra, Arthur Stanley Eddington'ın 1919 seferi, Einstein'ın 29 Mayıs 1919'daki toplam güneş tutulması sırasında Güneş tarafından ışığın sapmasına ilişkin tahminini doğruladı ve bu , genel göreliliğin geçerli bir teori olarak statüsünü sağlamlaştırmaya yardımcı oldu. O zamandan beri, birçok gözlem, genel göreliliğin tahminleriyle uyum gösterdi. Bunlara ikili pulsar çalışmaları , Güneş'in bir ucundan geçen radyo sinyallerinin gözlemleri ve hatta küresel konumlandırma sistemi dahildir .

Event Horizon Teleskobu tarafından yakalanan bir kara deliğin ( M87* ) olay ufkunun ilk görüntüsü

Teori , kaynaktan dışarı doğru hareket eden , dalgalar olarak yayılan uzay-zamanın eğriliğinde dalgalanmalar olan yerçekimi dalgalarını öngörür . Yerçekimsel dalgaların ilk gözlem iki birleşmesinden geldi kara delikler tarafından 14 Eylül 2015 tarihinde yapılan Gelişmiş LIGO yayınlandıktan 100 yıl sonra teorinin başka tahmini doğrulayan, ekip.

Messier 87 galaksisinin merkezindeki süper kütleli bir kara deliğin ilk görüntüsü , Event Horizon Telescope Collaboration tarafından 10 Nisan 2019'da yayınlandı.

alternatif teoriler

Genel göreliliğe değişiklikler bulmak için çeşitli girişimlerde bulunuldu. Bunların en ünlüsü Brans-Dicke teorisi ( skaler tensör teorisi olarak da bilinir ) ve Rosen'in bimetrik teorisidir . Bu teorilerin her ikisi de genel göreliliğin alan denklemlerinde değişiklikler önerdi ve her ikisi de bipolar kütleçekimsel radyasyonun varlığına izin veren bu değişikliklerden muzdarip. Sonuç olarak, Rosen'in orijinal teorisi, ikili pulsarların gözlemleriyle çürütüldü. (Ayarlanabilir bir parametre vardır Brans-DICKE gelince ω şekilde ω = ∞ genel görelilik aynıdır), bu genel görelilik farklılık yaptığı miktar, ciddi Bu gözlemler ile kısıtlanmıştır.

Ek olarak, genel görelilik, maddenin dalga-parçacık ikiliğini tanımlayan fiziksel teori olan kuantum mekaniği ile tutarsızdır ve kuantum mekaniği , şu anda ilgili (mikroskobik) ölçeklerde yerçekimi çekimini tanımlamamaktadır. Fizik camiasında, hem genel görelilik hem de kuantum mekaniğinin tutarlı bir şekilde birleştirilmesi için gerekli olabilecek değişiklikler konusunda çok fazla spekülasyon var. Genel görelilik ile kuantum mekaniğini birleştiren spekülatif teoriye genellikle kuantum yerçekimi denir ve öne çıkan örnekleri Sicim Teorisi ve Döngü Kuantum Yerçekimi'dir .

altın Çağ

Kip Thorne , "genel göreliliğin altın çağını", kabaca 1960'dan 1975'e kadar olan ve daha önce bir merak olarak görülen genel görelilik çalışmasının teorik fiziğin ana akımına girdiği dönem olarak tanımlar . Bu dönemde, kara delikler ve ' yerçekimi tekilliği ' de dahil olmak üzere, yerçekimi araştırmacılarının ve genel halkın hayal gücüne ilham vermeye devam eden birçok kavram ve terim tanıtıldı . Aynı zamanda, yakından ilişkili bir gelişmeyle, fiziksel kozmoloji çalışması ana akıma girdi ve Büyük Patlama iyice yerleşti.

Fulvio Melia , Einstein Şifresini Kırmak adlı kitabında sık sık "göreliliğin altın çağına" atıfta bulunur . Andrzej Trautman , 1962'de Varşova'da Melia'nın bahsettiği bir görelilik konferansına ev sahipliği yaptı :

Genel görelilik, Pound-Rebka deneyinin hemen ardından Varşova'daki o toplantıdan çok başarılı bir şekilde ilerledi ve 1970'lerin ortalarına kadar süren altın keşif çağına girdi.

Kitabın kahramanı Roy Kerr, kitap hakkında bir Sonsöze katkıda bulundu: "Bu, göreliliğin altın çağı olarak adlandırdığımız dönemi güzel bir şekilde yakalayan dikkate değer bir yazıdır."

Ayrıca bakınız

• Genel göreliliğe katkıda bulunanlar
• Kozmolojinin altın çağı
• Fiziğin altın çağı
• Mach ilkesi
• WK Clifford# Görelilik Önsezisi

Referanslar

bibliyografya

Dış bağlantılar

• Genelleştirilmiş Görelilik Kuramı ile ilgili Çalışmalar VikiKaynak'ta