Այնշտայնի հարաբերականության տեսության բացատրությունը
Ալբերտ Այնշտայնի հարաբերականության տեսությունները, որոնք բաղկացած են Հարաբերականության հատուկ տեսությունից (1905) և Հարաբերականության ընդհանուր տեսությունից (1915), հեղափոխություն մտցրին տարածության, ժամանակի և ձգողականության մասին մեր պատկերացումներում։ Այս տեսությունները ժամանակակից ֆիզիկայի հիմնասյուներն են՝ ազդելով տարբեր ոլորտների վրա՝ տիեզերագիտությունից մինչև քվանտային մեխանիկա։ Այս հոդվածում մենք կուսումնասիրենք այս տեսությունների հիմունքները, դրանց հետևանքները և փորձարարական ստուգումը։
### Հարաբերականության հատուկ տեսություն
Այնշտայնի հարաբերականության հատուկ տեսությունը վերաբերում է հաստատուն արագությամբ շարժվող մարմիններին՝ իներցիոն հաշվարկման համակարգերին։ Այն հիմնված է երկու պոստուլատի վրա՝
1. Հարաբերականության սկզբունքը. Ֆիզիկայի օրենքները նույնն են բոլոր իներցիալ հաշվարկման համակարգերում: Սա ենթադրում է, որ ոչ մի փորձ չի կարող տարբերակել մեկ իներցիալ համակարգը մյուսից:
2. Լույսի արագության հաստատունությունը. Լույսի արագությունը վակուումում հաստատուն է բոլոր դիտորդների համար՝ անկախ նրանց հարաբերական շարժումից կամ լույսի աղբյուրի շարժումից:
Այս շրջանակը հանգեցրեց մի քանի կարևորագույն եզրակացությունների.
#### Ժամանակի դիլատացիա
Ամենաակնառու արդյունքներից մեկը ժամանակի դանդաղումն է: Հարաբերականության հատուկ տեսության համաձայն՝ ժամանակի ընթացքը հարաբերական է և կախված է դիտորդի արագությունից: Շարժվող ժամացույցը տկտկում է ավելի դանդաղ՝ համեմատած անշարժ ժամացույցի հետ: Մաթեմատիկորեն, ժամանակի դանդաղման բանաձևը հետևյալն է.
\[ \Delta t' = \Delta t / \sqrt{1 – v^2/c^2} \]
Այստեղ՝ \( \Dlat' \)-ն շարժվող դիտորդի կողմից չափված ժամանակային միջակայքն է, \( \Dlat \)-ն անշարժ դիտորդի կողմից չափված ժամանակային միջակայքն է, \(v \)-ն շարժվող դիտորդի արագությունն է, իսկ \(c \)-ն՝ լույսի արագությունը։
#### Երկարության կծկում
Տեսությունը նաև կանխատեսում է երկարության կծկում. մարմինները ավելի կարճ են շարժվում իրենց շարժման ուղղությամբ։ Կծկումը տրվում է հետևյալ բանաձևով՝
\[ L' = L \sqrt{1 – v^2/c^2} \]
Որտեղ L'-ը շարժման մեջ գտնվող դիտորդի կողմից չափված երկարությունն է, իսկ L-ը մարմնի երկարությունն է հանգստի համակարգում։
#### Միաժամանակյաության հարաբերականությունը
Միաժամանակյա լինելը հատուկ հարաբերականության տեսության մեջ բացարձակ չէ։ Հարաբերական շարժման մեջ մեկ դիտորդի համար միաժամանակյա ընկալվող իրադարձությունները կարող են նույնը չլինել մեկ այլ դիտորդի համար։ Սա խաթարում է համընդհանուր «հիմա»-ի մեր դասական ըմբռնումը։
#### Զանգված-էներգիա համարժեքություն
Այնշտայնի հայտնի հավասարումը (E = mc^2) ծագում է Հարաբերականության հատուկ տեսությունից, որը նշում է, որ զանգվածն ու էներգիան փոխարինելի են։ Նույնիսկ զանգվածի փոքր քանակը կարող է վերածվել հսկայական քանակությամբ էներգիայի, ինչը կարևորագույն հասկացություն է միջուկային ֆիզիկայի համար։
### Հարաբերականության ընդհանուր տեսություն
Ընդհանուր հարաբերականության տեսությունը ընդլայնում է հատուկ հարաբերականության տեսությունը՝ ներառելով ձգողականությունը և արագացումը: Այնշտայնից առաջ ձգողականությունը հասկացվում էր Նյուտոնի համընդհանուր ձգողականության օրենքի միջոցով, որը այն պատկերում էր որպես զանգվածների միջև ուժ: Այնշտայնը վերաիմաստավորեց ձգողականությունը ոչ թե որպես ուժ, այլ որպես զանգվածի և էներգիայի կողմից առաջացած տարածաժամանակի կորություն:
#### Տարածաժամանակի կորությունը
Ընդհանուր հարաբերականության տեսության մեջ զանգվածեղ մարմինները քառաչափ տարածաժամանակային հյուսվածքում առաջացնում են կորություն։ Այս տարածաժամանակային հյուսվածքում մարմինները շարժվում են կոր ուղիներով, ինչը ընկալվում է որպես գրավիտացիոն ձգողություն։ Պարզ անալոգիան ռետինե թերթիկի վրա դրված ծանր գնդակն է, որը ստիպում է թերթիկը կորանալ։ Մոտակայքում գլորված փոքր գնդակները բնականաբար հետևում են կոր ուղիներին դեպի ավելի ծանր գնդակը։
Այս կորությունը կարգավորող հիմնարար հավասարումը Այնշտայնի դաշտի հավասարումն է։
\[ R_{\mu \nu} – \frac{1}{2} R g_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu \nu} \]
Այստեղ՝ R(\mu \nu})-ը Ռիչիի կորության թենզորն է, R(\)-ը՝ սկալյար կորությունը, g(\mu \nu}-ը՝ մետրիկ թենզորը, Lambda-ն՝ տիեզերական հաստատունը, G(\)-ը՝ գրավիտացիոն հաստատունը, իսկ T(\mu \nu}-ն՝ լարվածություն-էներգիա թենզորը։
#### Ընդհանուր հարաբերականության տեսության հետևանքները
1. Գրավիտացիոն ժամանակի դանդաղում. ժամանակն ավելի դանդաղ է ընթանում ավելի ուժեղ գրավիտացիոն դաշտերում: Սա հաստատվել է Փաունդ-Ռեբկայի փորձով (1959) և կենսական նշանակություն ունի GPS-ի ճշգրտության համար, որը պետք է հաշվի առնի Երկրի ձգողության ուժի պատճառով առաջացած ժամանակային տարբերությունները:
2. Լույսի կորացում. Լույսն անցնում է հսկայական մարմնի կողքով՝ հետևելով կոր հետագծի։ Սա առաջին անգամ դիտարկվել է 1919 թվականի արևի խավարման ժամանակ Արթուր Էդինգտոնի կողմից՝ հաստատելով տեսությունը։
3. Գրավիտացիոն ալիքներ. Ընդհանուր հարաբերականությունը կանխատեսում է տարածաժամանակի ալիքներ, որոնք առաջանում են մեծ մարմինների արագացումից, ինչպիսիք են միաձուլվող սև խոռոչները: Այս ալիքները առաջին անգամ ուղղակիորեն հայտնաբերվել են LIGO-ի կողմից 2015 թվականին՝ բացելով տիեզերքի դիտարկման նոր պատուհան:
4. Սև խոռոչներ. Դաշտի հավասարումների լուծումները կանխատեսում են այն շրջանները, որտեղ տարածաժամանակի կորությունը ստեղծում է իրադարձությունների հորիզոն, որից այն կողմ ոչինչ չի կարող դուրս գալ, որոնք հայտնի են որպես սև խոռոչներ: Դիտարկողական ապացույցները, ինչպիսին է իրադարձությունների հորիզոնը, որը լուսանկարվել է Event Horizon Telescope-ի կողմից 2019 թվականին, հաստատում են դրանց գոյությունը:
### Փորձարարական ստուգում
Այնշտայնի տեսությունները խստորեն ստուգվել և հաստատվել են բազմաթիվ փորձերի և դիտարկումների միջոցով։
– Ժամանակի դանդաղեցում. Հաստատվել է արագացուցիչներում մասնիկների կյանքի տևողության և շիթերի ու արբանյակների ատոմային ժամացույցի ճշգրիտ չափումների միջոցով։
– Լույսի կռացում. Բազմիցս դիտարկվում է արեգակնային խավարումների ժամանակ և գրավիտացիոն ոսպնյակավորման միջոցով, որտեղ հեռավոր աստղերից եկող լույսը կորանում է հսկայական գալակտիկաների շուրջը։
– Գրավիտացիոն կարմիր շեղում. Հաստատվել է աստղերից լույսի հաճախականության տեղաշարժը դիտարկելով և ճշգրիտ փորձերի միջոցով, ինչպիսին է Gravitation Probe A-ն։
### Եզրակացություն
Այնշտայնի հարաբերականության տեսությունները խորապես փոխեցին մեր պատկերացումները տիեզերքի մասին։ Հատուկ հարաբերականության տեսությունը վերաիմաստավորեց ժամանակը և տարածությունը՝ հաստատելով դրանց փոխկախվածությունը և փոփոխականությունը շարժման հետ։ Այն ներմուծեց զանգված-էներգիա համարժեքությունը, որը անբաժանելի է միջուկային ռեակցիաների և մասնիկների ֆիզիկայի համար։ Ընդհանուր հարաբերականության տեսությունը փոխարինեց Նյուտոնի գրավիտացիոն տեսությունը՝ բացատրելով գրավիտացիան որպես տարածաժամանակի կորություն և կանխատեսելով այնպիսի երևույթներ, ինչպիսիք են գրավիտացիոն ալիքները և սև խոռոչները, ինչը հաստատվում է ժամանակակից աստղագիտության և տիեզերագիտության կողմից։
Այնշտայնի աշխատանքը գերազանցում է գիտական տեսությունը. այն վերաձևավորել է փիլիսոփայությունը՝ մարդկությանը մղելով վերանայել իրականության և տիեզերքի կառուցվածքի մասին հասկացությունները: Նրա ժառանգությունը մնում է տիեզերքի խորքերը՝ քվանտային ձգողականությունից մինչև տիեզերական մոդելներ ուսումնասիրող շարունակական հետազոտություններում, որոնք առաջնորդվում են այն սկզբունքներով, որոնց մասին նա առաջին անգամ մտածել է ավելի քան մեկ դար առաջ:
