Lásd még: az általános relativitáselmélet alternatívái

Einstein mezőegyenletei kozmológiai állandót tartalmaznak, amely figyelembe veszi az univerzum állítólagos staticitását. Edwin Hubble azonban 1929-ben megfigyelte, hogy az univerzum tágulni látszik., Az 1930-as évekre Paul Dirac kifejlesztette azt a hipotézist, hogy a gravitáció lassan és folyamatosan csökken az univerzum története során. Alan Guth, valamint Alekszej Starobinsky javasolt 1980-ban, hogy a kozmikus infláció a nagyon korai univerzum lehetett hajtott egy negatív nyomás mező, egy koncepció később megalkotta sötét energia’—megtaláltam 2013-ban már áll körül 68.3% – a, a korai univerzumban.

1922-ben Jacobus Kapteyn javasolta a sötét anyag létezését, egy láthatatlan erőt, amely a csillagokat a galaxisokban magasabb sebességgel mozgatja, mint a gravitáció önmagában., 2013-ban a korai világegyetem 26,8% – át tették ki. A sötét energia mellett a sötét anyag is kiugró Einstein relativitáselméletében, a látszólagos hatások magyarázata pedig minden sikeres elméletének követelménye.

1957-ben Hermann Bondi azt javasolta, hogy a negatív gravitációs tömeg (negatív inerciális tömeggel kombinálva) megfeleljen az általános relativitáselmélet erős egyenértékűségi elvének és Newton mozgási törvényeinek. Bondi bizonyítéka szingularitásmentes megoldásokat adott a relativitásegyenletekhez.,

a gravitáció korai elméletei megpróbálták megmagyarázni a bolygók pályáit (Newton) és a bonyolultabb pályákat (pl. Lagrange). Ezután sikertelen kísérletek történtek a gravitáció és a hullám vagy a korpuszkuláris gravitációs elméletek kombinálására. A fizika egész tájképe megváltozott a Lorentz transzformációk felfedezésével, ami a gravitációval való összeegyeztetésre tett kísérletekhez vezetett. Ugyanakkor a kísérleti fizikusok elkezdték tesztelni a gravitáció és a relativitáselmélet alapjait-a Lorentz invarianciát, a fény gravitációs elhajlását, az Eötvös-kísérletet., Ezek a megfontolások az általános relativitáselmélet kialakulásához vezettek.

elektrosztatikus modellek (1870-1900)Szerkesztés

a 19. század végén sokan megpróbálták egyesíteni Newton erőjogát az elektrodinamika megállapított törvényeivel, mint például Weber, Carl Friedrich Gauss, Bernhard Riemann és James Clerk Maxwell. Ezeket a modelleket használták a higany perihelion precessziójának magyarázatára. 1890-ben Lévy sikerrel járt Weber és Riemann törvényeinek egyesítésével, így a gravitáció sebessége megegyezik a fénysebességgel elméletében., Egy másik kísérletben Paul Gerbernek (1898) sikerült még a Perihelion eltolódás helyes képletét is létrehoznia (amely megegyezik azzal a képlettel, amelyet később Einstein használt). Mivel azonban Weber és mások alaptörvényei tévedtek (például Weber törvényét Maxwell elmélete váltotta fel), ezeket a hipotéziseket elutasították. 1900-ban Hendrik Lorentz a Lorentz-éterelmélet és a Maxwell-egyenletek alapján próbálta megmagyarázni a gravitációt., Úgy vélte, mint Ottaviano Fabrizio Mossotti és Johann Karl Friedrich Zöllner, hogy az ellentétes töltésű részecskék vonzereje erősebb, mint az egyenlő töltésű részecskék taszítása. A kapott nettó erő pontosan az úgynevezett univerzális gravitáció,amelyben a gravitáció sebessége a fény. De Lorentz kiszámította, hogy a higany perihelion előrehaladásának értéke túl alacsony volt.

a 19. század végén Kelvin Lord elgondolkodott minden elméletének lehetőségéről., Azt javasolta, hogy minden test lüktet, ami a gravitáció és az elektromos töltések magyarázata lehet. Elképzelései azonban nagyrészt mechanikusak voltak, és megkövetelték az éter létezését, amelyet a Michelson–Morley kísérlet 1887-ben nem észlelt. Ez a Mach elvével kombinálva gravitációs modellekhez vezetett,amelyek távolról hatnak.,

Lorentz-invariáns modellek (1905-1910) Szerkesztés

a relativitás elve alapján Henri Poincaré (1905, 1906), Hermann Minkowski (1908), Arnold Sommerfeld (1910) megpróbálta módosítani Newton elméletét, és létrehozni egy Lorentz invariáns gravitációs törvényt, amelyben a gravitáció sebessége a fényé. Mint Lorentz modelljében, a higany perihelion előrehaladásának értéke túl alacsony volt.,

Einstein (1905, 1908, 1912)Edit

1905-ben Albert Einstein kiadott egy sor papírt, amelyben létrehozta a speciális relativitáselméletet, valamint azt a tényt, hogy a tömeg és az energia egyenértékű. 1907-ben, amit “életem legboldogabb gondolatának” nevezett, Einstein rájött, hogy valaki, aki szabadesésben van, nem tapasztal gravitációs mezőt. Más szavakkal, a gravitáció pontosan megegyezik a gyorsulással.

Einstein kétrészes kiadványa 1912-ben (előtte 1908-ban) valóban csak történelmi okokból fontos., Ekkor már tudott a gravitációs vöröseltolódásról és a fény elhajlásáról. Rájött, hogy a Lorentz-transzformációk általában nem alkalmazhatók, de megtartották őket. Az elmélet szerint a fény sebessége állandó a szabad térben, de az anyag jelenlétében változik. Az elmélet csak akkor várható el, ha a gravitációs mező forrása álló helyzetben van., Ez magában foglalja a legkisebb cselekvés elvét:

δ ∫ d τ = 0 {\displaystyle \ delta \ int d\tau =0\,} d τ 2 = – η μ ν d x μ d x ν {\displaystyle {D\tau }^{2} = – \ eta _{\mu \ nu}\, dx^{\mu }\, dx^{\nu }\,}

Einstein és Grossmann magában foglalja a Riemanniai geometriát és a tensor calculust.

δ ∫ d τ = 0 {\displaystyle \ delta \ int D \ tau =0\,} d τ 2 = – g μ ν d x μ d x ν {\displaystyle {D\tau }^{2}=-g_{\mu \nu }\,dx^{\mu }\,dx^{\nu}\,}

az elektrodinamika egyenletei pontosan megegyeznek az Általános relativitáselméletével., A

t μ ν = ρ d x μ d τ d x ν d τ {\displaystyle T^{\mu \nu }=\rho {DX^{\mu } \over d\tau }{DX^{\nu } \over d\tau }\,}

egyenlet nem általános relativitáselméletű. Ez fejezi ki a stressz-energia tenzor függvényében az anyag sűrűsége.

Abraham (1912)Edit

miközben ez folyt, Ábrahám alternatív gravitációs modellt dolgozott ki, amelyben a fény sebessége a gravitációs térerősségtől függ, így szinte mindenhol változó. Ábrahám 1914-es tanulmánya a gravitációs modellekről azt mondta, hogy kiváló, de a saját modellje gyenge volt.,

Nordström (1912)Edit

Nordström (1912) első megközelítése az volt, hogy megtartsa a Minkowski metrikát és a c {\displaystyle C\,} állandó értékét, de hagyja, hogy a tömeg függjön a φ {\displaystyle \varphi\,} gravitációs térerősségtől ., Lehetővé teszi ezen a területen erőt, hogy eleget

◻ φ = ρ {\displaystyle \Box \varphi =\rho \,}

ahol ρ {\displaystyle \rho \,} a többi tömeg-energia ◻ {\displaystyle \Box \,} a d’Alembertian,

m = m 0 exp ⁡ ( φ c 2 ) {\displaystyle m=m_{0}\exp \left({\frac {\varphi }{c^{2}}}\right)\,}

a − ∂ φ ∂ x-μ = u μ + u μ-c 2 φ {\displaystyle -{\partial \varphi \over \partial x^{\mu }}={\dot {u}}_{\mu }+{u_{\mu } \over c^{2}{\dot {\varphi }}}\,}

ahol u {\displaystyle u\,} a négy-sebesség, valamint a pont egy differenciál ideje tekintetében.,

Nordström (1913) második megközelítését úgy emlékezik meg, mint az első logikusan következetes relativisztikus térelméletet, amelyet valaha megfogalmaztak., (jelölés a Pais nem Nordström):

δ ∫ ψ d τ = 0 {\displaystyle \delta \int \psi \d\tau =0\,} d τ 2 = − η μ ν a pillanatnyi d μ x d x ν a pillanatnyi {\displaystyle {d\tau }^{2}=-\eta _{\mu \nu }\,dx^{\mu }\,dx^{\nu }\,}

ahol ψ {\displaystyle \psi \,} egy skalár mező, − ∂ T μ ν a pillanatnyi ∂ x ν a pillanatnyi = T 1 ψ ∂ ψ ∂ x-μ {\displaystyle -{\partial T^{\mu \nu } \over \partial x^{\nu }}=T{1 \over \psi }{\partial \psi \over \részleges x_{\mu }}\,}

Ez az elmélet Lorentz invariáns, megfelel a természetvédelmi törvények, megfelelően csökkenti, hogy a Newtoni határt, és megfelel a gyenge egyenértékűség elve.,

Einstein and Fokker (1914)Edit

Ez az elmélet Einstein első gravitációs kezelése, amelyben az Általános kovarianciát szigorúan betartják. Írás:

δ ∫ d s = 0 {\displaystyle \delta \int ds=0\,} d s 2 = g μ ν d x μ d x ν {\displaystyle {ds}^{2}=g_{\mu \nu }\,dx^{\mu }\,DX^{\nu }\,} g μ ν = 2 η μ ν {\displaystyle g_{\mu \nu }=\psi ^{2}\eta _{\mu \nu }\,}

összekapcsolják Einstein–Grossmann-t nordströmmel. Azt is állítják:

T ∝ R . {\displaystyle T\, \ propto \, R\,.}

vagyis a stresszenergia-tenzor nyomai arányosak a tér görbületével.,

1911 és 1915 között Einstein kifejlesztette azt az elképzelést, hogy a gravitáció egyenértékű a gyorsulással, amelyet eredetileg egyenértékűségi elvnek neveztek, általános relativitáselméletébe, amely a tér három dimenzióját és az idő egy dimenzióját egyesíti a téridő négydimenziós szövetébe. Ez azonban nem egyesíti a gravitációt a kvantum-egyedi energia részecskékkel,amelyeket Einstein maga 1905-ben posztulált.,

Általános relativityEdit

Az általános relativitáselmélet, a hatása a gravitáció vagy rendelni téridő görbület, ahelyett, hogy egy erő. Az általános relativitáselmélet kiindulópontja az egyenértékűség elve, amely a szabad esést inerciális mozgással egyenlíti ki., Az a kérdés, hogy ez megteremti, hogy a szabadon eső tárgyak felgyorsulhatnak egymáshoz képest. Kezelni ezt a nehézséget, Einstein javasolta, hogy a téridő görbült által számít, hogy szabad-leeső tárgyak mozog, helyben egyenes utak a görbült téridő. Pontosabban, Einstein és David Hilbert felfedezték az általános relativitáselmélet terepi egyenleteit, amelyek az anyag jelenlétére és a téridő görbületére vonatkoznak. Ezek a mezőegyenletek 10 egyidejű, nemlineáris, differenciálegyenlet halmaza., A téregyenletek megoldásai a téridő metrikus tenzorának összetevői, amelyek leírják annak geometriáját. A téridő geodéziai útjait a metrikus tenzorból számítják ki.

az Einstein-mező egyenleteinek figyelemre méltó megoldásai a következők:

• a Schwarzschild-megoldás, amely egy szferikusan szimmetrikus, nem forgó, nem feltöltött hatalmas objektumot körülvevő téridőt ír le. A Schwarzschild sugárnál kisebb sugarú objektumoknál ez a megoldás egy központi szingularitással rendelkező fekete lyukat hoz létre.,
• a Reissner-Nordström megoldás, amelyben a központi objektum elektromos töltéssel rendelkezik. Az objektum tömegének geometriás hosszánál kisebb geometriájú töltések esetén ez a megoldás fekete lyukakat hoz létre, amelyek eseményhorizontot vesznek körül egy Cauchy horizonton.
• a Kerr megoldás a hatalmas tárgyak forgatásához. Ez a megoldás több látószögű fekete lyukakat is termel.
• a kozmológiai Robertson-Walker megoldás, amely előrejelzi az univerzum terjeszkedését.,

az általános relativitáselmélet nagy sikert aratott, mivel előrejelzéseit (amelyeket a régebbi gravitációs elméletek nem követeltek) rendszeresen megerősítették. Például:

• az általános relativitáselmélet a higany rendellenes perihelion precesszióját jelenti.
• a gravitációs lencséket először 1919-ben erősítették meg, és a közelmúltban erősen megerősítették egy kvazár használatával, amely a Földről nézve a Nap mögött halad.
• az univerzum terjeszkedését (amelyet a Robertson–Walker metrika jósolt) Edwin Hubble 1929-ben megerősítette.,
• A Font–Rebka kísérlet, a Hafele–Keating kísérlet és a GPS is megerősítette azt az előrejelzést, hogy az idő alacsonyabb potenciálok esetén lassabban fut.
• a hatalmas objektum közelében elhaladó fény késleltetését először Irwin Shapiro azonosította 1964-ben a bolygóközi űrhajó jeleiben.
• a gravitációs sugárzást közvetett módon megerősítették olyan bináris pulzárok, mint a PSR 1913+16.,
  • 2015 – ben a LIGO kísérletek közvetlenül két ütköző fekete lyuk gravitációs sugárzását észlelték, így ez mind a gravitációs hullámok, mind a fekete lyukak első közvetlen megfigyelése.

úgy gondolják, hogy a neutroncsillagok összeolvadása (2017-ben észlelt) és a fekete lyuk kialakulása is kimutatható mennyiségű gravitációs sugárzást hozhat létre.,

kvantum gravitációszerkesztés

több évtizeddel az általános relativitás felfedezése után rájöttek, hogy nem lehet a gravitáció teljes elmélete, mert összeegyeztethetetlen a kvantummechanikával. Később megértették, hogy a gravitációt a kvantumtérelmélet keretében lehet leírni, mint a többi alapvető erő. Ebben a keretben a vonzó gravitációs erő a virtuális gravitonok cseréje miatt merül fel, ugyanúgy, mint az elektromágneses erő a virtuális fotonok cseréjéből származik., Ez reprodukálja az Általános relativitást a klasszikus határértékben, de csak linearizált szinten, és feltételezi, hogy az Ehrenfest-tétel alkalmazhatóságának feltételei fennállnak, ami nem mindig áll fenn. Ezenkívül ez a megközelítés a Planck hosszának sorrendjének rövid távolságain kudarcot vall.

Az elméleti modellek, mint például a húrelmélet és a hurok kvantumgravitáció, egy lehetséges “minden elmélete” jelenlegi jelöltjei.