Co to jest ogólna teoria względności?

Ogólna teoria względności to teoria naukowa opisująca interakcje materii, energii, czasu i przestrzeni. Po raz pierwszy został opublikowany przez Alberta Einsteina w 1917 roku jako rozszerzenie jego teorii szczególnej teorii względności. Ogólna teoria względności traktuje przestrzeń i czas jako jedną zunifikowaną czterowymiarową „czasoprzestrzeń”; w ogólnej teorii względności materia odkształca geometrię czasoprzestrzeni, a deformacje czasoprzestrzeni powodują ruch materii, co postrzegamy jako grawitację.

Podstawowym założeniem ogólnej teorii względności jest to, że siły spowodowane grawitacją i siły spowodowane przyspieszeniem są równoważne. Jeśli zamknięte pudełko przechodzi przyspieszenie, żaden eksperyment przeprowadzony w obrębie pudełka nie może stwierdzić, czy pudełko znajduje się w polu grawitacyjnym, czy też jest przyspieszane w przestrzeni. Ta zasada, że ​​wszystkie prawa fizyczne są takie same dla przyspieszonych obserwatorów i obserwatorów w polu grawitacyjnym, jest znana jako zasada równoważności; został przetestowany eksperymentalnie z dokładnością do ponad dwunastu miejsc po przecinku.

Najważniejszą konsekwencją zasady równoważności jest to, że przestrzeń nie może być euklidesowa dla wszystkich obserwatorów. W zakrzywionej przestrzeni, takiej jak wypaczony arkusz, nie zawsze obowiązują normalne prawa geometrii. W zakrzywionej przestrzeni można zbudować trójkąt, którego kąty sumują się do więcej lub mniej niż 180 stopni, lub narysować dwie równoległe linie, które się przecinają. Szczególna teoria względności staje się coraz bardziej dokładna, gdy krzywizna czasoprzestrzeni zbliża się do zera; jeśli czasoprzestrzeń jest płaska, obie teorie stają się identyczne. Jak oblicza się przestrzeń krzywych materii za pomocą równań pola Einsteina, które przyjmują postać G = T; G opisuje krzywiznę przestrzeni, a T opisuje rozkład materii.

Ponieważ przestrzeń jest zakrzywiona, obiekty o ogólnej teorii względności nie zawsze poruszają się w liniach prostych, tak jak kula nie porusza się w linii prostej, jeśli przetoczysz ją na lejek. Swobodnie spadający obiekt zawsze prowadzi najkrótszą ścieżkę od punktu A do punktu B, co niekoniecznie jest linią prostą; linia, którą podróżuje, znana jest jako geodezyjna. Odchylenia od linii prostych widzimy jako wpływ „grawitacji” - Ziemia nie porusza się w linii prostej, ponieważ Słońce wypacza czasoprzestrzeń w pobliżu Ziemi, powodując, że porusza się po orbicie eliptycznej.

Ponieważ siły grawitacji i siły przyspieszenia są w pełni równoważne, wszystkie efekty na szybko poruszający się obiekt w specjalnej teorii względności dotyczą również obiektów głęboko w polu grawitacyjnym. Obiekt znajdujący się w pobliżu źródła grawitacji będzie emitował światło przesunięte przez Dopplera, tak jak gdyby pędził. Wydaje się, że obiekty w pobliżu źródeł grawitacyjnych mają spowolniony czas, a każde przychodzące światło zostanie ugięte przez pole. Może to powodować, że silne źródło grawitacji wygina światło jak soczewka, ustawiając ostrość na odległych obiektach; zjawisko to często występuje w astronomii głębokiego nieba, w której jedna galaktyka wygina światło innej, tak że pojawia się wiele obrazów.