Հարաբերականություն. տարածության և ժամանակի հասկացության ըմբռնումը ֆիզիկայում
Հարաբերականության տեսությունը ժամանակակից ֆիզիկայի ամենահիմնարար հասկացություններից մեկն է, որը փոխակերպում է տիեզերքի մեր ընկալումը: 20-րդ դարի սկզբին Ալբերտ Այնշտայնի կողմից ներկայացված հարաբերականության տեսությունը բաժանված է երկու հիմնական մասի՝ հատուկ հարաբերականության և ընդհանուր հարաբերականության: Երկուսն էլ ապահովում են տարածության, ժամանակի և ձգողականության ավելի խորը ըմբռնում:
1. Հարաբերականության տեսության համառոտ պատմություն
19-րդ դարի վերջին Իսահակ Նյուտոնի կողմից ձևակերպված դասական ֆիզիկան ամուր հիմք էր հանդիսացել ֆիզիկայի բազմաթիվ ասպեկտների համար։ Սակայն որոշ երևույթներ չէին կարող բացատրվել Նյուտոնյան տեսությամբ։ Ամենամեծ մարտահրավերներից մեկը Նյուտոնյան մեխանիկայի և էլեկտրամագնիսականության անհամատեղելիությունն էր, որը ձևակերպել էր Ջեյմս Քլերկ Մաքսվելը։ Մաքսվելի առաջարկած լույսի արագության հաստատունությունը չէր կարող բացատրվել Նյուտոնյան մեխանիկայի շրջանակներում, որը ենթադրում էր բացարձակ ժամանակ և տարածություն։
1905 թվականին Ալբերտ Այնշտայնը հրապարակեց մի հոդված, որում ներկայացվեց հարաբերականության հատուկ տեսությունը։ Այս տեսությունը միավորեց տարածության և ժամանակի հասկացությունները մեկ ամբողջության մեջ, որը կոչվում էր տարածություն-ժամանակ, և ցույց տվեց, որ լույսի արագությունը հաստատուն է բոլոր իներցիալ հենակետային համակարգերում։ Տասը տարի անց՝ 1915 թվականին, Այնշտայնը ներկայացրեց իր հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը, որը ընդլայնեց հարաբերականության հատուկ տեսության հասկացությունները՝ ներառելով նաև ձգողականությունը՝ Նյուտոնյան ձգողականության հասկացությունը փոխարինելով տարածություն-ժամանակի կորության զանգվածի և էներգիայի փոփոխությունների հասկացությամբ։
2. Հարաբերականության հատուկ տեսություն
Պրինսիպ Դասար
Հարաբերականության հատուկ տեսությունը հիմնված է երկու հիմնական ենթադրությունների վրա՝
1. Ֆիզիկայի օրենքները նույնն են բոլոր իներցիոն հաշվարկման համակարգերում։
2. Լույսի արագությունը վակուումում հաստատուն է և անկախ դիտորդի կամ լույսի աղբյուրի շարժումից։
Հարաբերականության հատուկ տեսության հետևանքները
Այս երկու սկզբունքներից ի հայտ են գալիս որոշ զարմանալի հետևանքներ, որոնք հակասում են առօրյա ինտուիցիային.
– Ժամանակի դանդաղում. դիտորդի նկատմամբ շարժվող մարմինների համար ժամանակն ավելի դանդաղ է ընթանում: Այս երևույթը ցույց է տրվել տարբեր փորձերում, ինչպիսիք են լույսի արագությանը մոտ շարժվող ենթաատոմային մասնիկների դիտարկումները և ինքնաթիռներում ատոմային ժամացույցների օգտագործումը:
– Երկարության կծկում. դիտորդի նկատմամբ շարժվող մարմինը կերևա ավելի կարճ։ Այս երևույթը տեղի է ունենում մարմնի շարժման ուղղությանը զուգահեռ։
– Զանգվածի հարաբերականություն. Զանգվածը մեծանում է արագության հետ։ Երբ մարմինը մոտենում է լույսի արագությանը, նրա զանգվածը մոտենում է անվերջության, ինչը նշանակում է, որ այն ավելի արագացնելու համար անհրաժեշտ կլինի անսահման էներգիա։
Հարաբերականության հատուկ տեսությունից ստացված ամենահայտնի բանաձևերից մեկը E=mc² հավասարումն է, որը ցույց է տալիս զանգվածի (m) և էներգիայի (E) համարժեքությունը՝ լույսի արագության հաստատունը (c) բազմապատկիչով։
Տեխնոլոգիայի հետևանքները
Հարաբերականության հատուկ տեսությունը նշանակություն ունի ոչ միայն տեսության, այլև ժամանակակից տեխնոլոգիաների համար։ Օրինակ է Գլոբալ Դիրքորոշման Համակարգը (GPS), որը պահանջում է իր ազդանշանների ռելյատիվիստական ուղղումներ՝ ճշգրիտ դիրքավորում ապահովելու համար։
3. Ընդհանուր հարաբերականություն
Պրինսիպ Դասար
Ընդհանուր հարաբերականությունը ընդլայնում է հատուկ հարաբերականության հասկացությունները՝ ներառելով ձգողականությունը որպես տարածաժամանակի երկրաչափություն։ Դրա հիմնական սկզբունքներն են՝
1. Ձգողականությունը Նյուտոնյան ուսմունքի նման ուժ չէ, այլ տարածաժամանակի կորություն կամ կորություն է, որն առաջանում է զանգվածի և էներգիայի ազդեցությամբ։
2. Զանգվածն ու էներգիան փոխում են տարածաժամանակի մետրիկան, ինչը ազդում է այդ տարածաժամանակում մարմինների կողմից անցած ամենակարճ ուղիների վրա։
Տարածաժամանակի երկրաչափություն
Ընդհանուր հարաբերականության տեսության մեջ աստղերի և մոլորակների նման զանգվածեղ մարմինները կորացնում են իրենց շուրջը տարածաժամանակը։ Այս կոր տարածաժամանակում գեոդեզիկան կամ ամենակարճ ուղիները առաջացնում են այն երևույթը, որը մենք գիտենք որպես ձգողականություն։ Այս հասկացությունը կարելի է պատկերացնել՝ պատկերացնելով տարածաժամանակը որպես ռետինե թերթ, որը ծռվում է, երբ դրա վրա ծանր գունդ է դրվում։
Կարևոր երևույթներ
Ընդհանուր հարաբերականության տեսությունը բացատրում է տարբեր երևույթներ, որոնք չեն կարող բացատրվել Նյուտոնյան մեխանիկայով, ինչպիսիք են՝
– Գրավիտացիոն ոսպնյակ. Հեռավոր աստղերից կամ գալակտիկաներից եկող լույսը կարող է ծռվել հսկայական մարմինների, ինչպիսիք են գալակտիկաները կամ սև խոռոչները, ձգողականության ուժով՝ ստեղծելով խոշորացված կամ աղավաղված պատկերներ։
– Գրավիտացիոն կարմիր շեղում. զանգվածեղ մարմնից եկող լույսի հաճախականությունը նվազում է (կարմրում է) ուժեղ գրավիտացիայի ազդեցության պատճառով։
– Գրավիտացիոն ալիքներ. Տարածաժամանակի կորության տատանումներ, որոնք առաջանում են զանգվածի արագ շարժումից, օրինակ՝ երկու սև խոռոչների միաձուլման դեպքում։ Այս ալիքները առաջին անգամ ուղղակիորեն հայտնաբերվել են LIGO փորձերի միջոցով 2015 թվականին։
Ընդհանուր հարաբերականության թեստավորում
Ընդհանուր հարաբերականության առաջին փորձարարական փորձարկումներից մեկը սըր Արթուր Էդինգտոնի կողմից Մերկուրիի պերիհելիոնի տեղաշարժի և 1919 թվականի արևի խավարման դիտարկումն էր։ Այս արևի խավարումը թույլ տվեց դիտարկել Արևի մոտ գտնվող աստղերից լույսի շեղումը՝ համաձայն ընդհանուր հարաբերականության տեսության կանխատեսումների։
4. Կոսմոլոգիական համատեքստ
Ընդհանուր հարաբերականությունը նաև ժամանակակից տիեզերագիտության՝ տիեզերքի ծագման, էվոլյուցիայի և կառուցվածքի գիտական ուսումնասիրության հիմքն է։ Ընդլայնվող տիեզերքի մոդելները, այդ թվում՝ Մեծ պայթյունի մոդելը, հիմնված են Այնշտայնի դաշտի հավասարումների վրա, որոնք ստացվել են ընդհանուր հարաբերականությունից։
Տիեզերքի ընդարձակումը
Հաբլի օրենքը, որը ցույց է տալիս, որ գալակտիկաները հեռանում են միմյանցից, տիեզերքի ընդարձակման ամենաուժեղ ապացույցներից մեկն է։ Սա կարող է բացատրվել միայն ընդհանուր հարաբերականության տեսության շրջանակներում։
Մութ նյութ և մութ էներգիա
Ընդհանուր հարաբերականության տեսությունը նաև կանխատեսում է անտեսանելի էակների գոյությունը, որոնք մենք անվանում ենք մութ նյութ և մութ էներգիա: Մութ նյութը, որը ենթադրաբար գոյություն ունի հսկայական քանակությամբ, չի արձակում կամ չի արտացոլում լույսը, բայց դրա առկայությունը կարելի է ենթադրել տեսանելի նյութի վրա դրա գրավիտացիոն ազդեցությունից: Մյուս կողմից, ենթադրվում է, որ մութ էներգիան է առաջացնում տիեզերքի արագացված ընդարձակումը:
5. Հարաբերականության հետազոտությունների ապագան
Մինչ օրս ընդհանուր և հատուկ հարաբերականությունը դեռևս ծառայում են որպես տեսական և փորձարարական ֆիզիկայի հիմնասյուներ։ Այնուամենայնիվ, կան հետազոտության մի քանի զարգացող ոլորտներ՝
Քվանտային դաշտի տեսություն և քվանտային ձգողականություն
Ֆիզիկայի երկու ամենահաջողակ տեսությունների՝ ընդհանուր հարաբերականության և քվանտային մեխանիկայի համադրումը լուրջ մարտահրավեր է։ Քվանտային ձգողականության տեսություններ, ինչպիսիք են լարերի տեսությունը և օղակաձև քվանտային ձգողականությունը, մշակելու ջանքերը նպատակ ունեն կամուրջ կազմել այս բացը։
Ծայրահեղ երևույթ
Սև խոռոչների շուրջ հալոների, Հոքինգի ճառագայթման և սև խոռոչների կենտրոնում գտնվող սինգուլյարությունների ուսումնասիրությունը հետազոտության ակտիվ ոլորտներ են, որոնք լայնորեն քննարկվում են գիտնականների շրջանում։
Եզրակացություն
Հարաբերականությունը, թե՛ հատուկ, թե՛ ընդհանուր, արմատապես փոխել է մեր պատկերացումները տարածության, ժամանակի և ձգողականության մասին։ Դրա տեսությունների ըմբռնումը ոչ միայն հարստացրել է մեր գիտական հորիզոնները, այլև գործնական օգուտներ է տվել ժամանակակից տեխնոլոգիաների լայն շրջանակում։ Այս ոլորտում շարունակական հետազոտությունները և ձգողականությունը քվանտային մեխանիկայի հետ միավորելու ջանքերը խոստանում են ապագայում նոր գիտելիքներ։ Ամփոփելով՝ հարաբերականությունը մեզ օգնում է հասկանալ տիեզերքը ավելի ամբողջական և խորը ձևով։
