Харьцангуйн онол: Физикийн орон зай ба цаг хугацааны тухай ойлголт
Харьцангуйн онол нь орчин үеийн физикийн хамгийн үндсэн ойлголтуудын нэг бөгөөд бидний орчлон ертөнцийг ойлгох арга барилыг өөрчилдөг. 20-р зууны эхэн үед Альберт Эйнштейний танилцуулсан харьцангуйн онол нь тусгай харьцангуйн онол ба ерөнхий харьцангуйн онол гэсэн хоёр үндсэн хэсэгт хуваагддаг. Хоёулаа орон зай, цаг хугацаа, таталцлын талаар илүү гүнзгий ойлголт өгдөг.
1. Харьцангуйн онолын товч түүх
19-р зууны сүүлч гэхэд Исаак Ньютоны томъёолсон сонгодог физик нь физикийн олон талын бат бөх суурийг тавьсан байв. Гэсэн хэдий ч зарим үзэгдлийг Ньютоны онолоор тайлбарлаж чадаагүй юм. Хамгийн том бэрхшээлүүдийн нэг нь Жеймс Клерк Максвеллийн томъёолсон Ньютоны механик ба цахилгаан соронзон орны хоорондох үл нийцэл байв. Максвеллийн санал болгосон гэрлийн хурдны тогтмол байдлыг үнэмлэхүй цаг хугацаа, орон зай гэж үздэг Ньютоны механикийн хүрээнд тайлбарлаж чадаагүй юм.
1905 онд Альберт Эйнштейн харьцангуйн тусгай онолыг танилцуулсан өгүүлэл нийтлүүлжээ. Энэхүү онол нь орон зай ба цаг хугацааны тухай ойлголтуудыг орон зай-цаг хугацаа гэж нэрлэгддэг нэгдмэл зүйлд нэгтгэж, гэрлийн хурд бүх инерцийн лавлах хүрээнд тогтмол болохыг харуулсан. Арван жилийн дараа буюу 1915 онд Эйнштейн харьцангуйн ерөнхий онолоо танилцуулсан бөгөөд энэ нь тусгай харьцангуйн тухай ойлголтуудыг таталцлын хүчийг багтаасан байдлаар өргөжүүлж, таталцлын тухай Ньютоны ойлголтыг орон зай-цаг хугацааны муруйлтын масс ба энергийн өөрчлөлтийн тухай ойлголтоор сольсон.
2. Харьцангуйн тусгай онол
Үндсэн зарчмууд
Харьцангуйн тусгай онол нь хоёр үндсэн зарчим дээр суурилдаг:
1. Физикийн хуулиуд бүх инерцийн лавлагааны системд ижил байдаг.
2. Вакуум дахь гэрлийн хурд нь тогтмол бөгөөд ажиглагч эсвэл гэрлийн эх үүсвэрийн хөдөлгөөнөөс хамааралгүй байдаг.
Харьцангуйн тусгай онолын үр дагавар
Эдгээр хоёр зарчмаас өдөр тутмын зөн совинтой зөрчилдөж буй зарим гэнэтийн үр дагавар гарч ирж байна:
– Цаг хугацааны тэлэлт: Ажиглагчтай харьцуулахад хөдөлж буй объектуудын хувьд цаг хугацаа илүү удаан хөдөлдөг. Энэ үзэгдлийг гэрлийн хурдтай ойролцоо хөдөлж буй субатомын бөөмсийн ажиглалт, онгоцонд атомын цаг ашиглах зэрэг янз бүрийн туршилтаар харуулсан.
– Урт Хураалт: Ажиглагчтай харьцангуй хөдөлж буй объект богино харагдах болно. Энэ үзэгдэл нь объектын хөдөлгөөний чиглэлтэй зэрэгцээ явагддаг.
– Массын харьцангуй байдал: Масс хурдтай хамт нэмэгддэг. Биет гэрлийн хурданд ойртох тусам түүний масс хязгааргүйд ойртдог бөгөөд энэ нь түүнийг цаашид хурдасгахын тулд хязгааргүй энерги шаардагдана гэсэн үг юм.
Харьцангуйн тусгай онолоос гаргаж авсан хамгийн алдартай томъёонуудын нэг бол E=mc² тэгшитгэл бөгөөд энэ нь масс (m) ба энерги (E)-ийн хоорондын тэнцүү байдлыг гэрлийн хурдны тогтмол (c)-ийг үржүүлэгч болгон харуулдаг.
Технологийн үр дагавар
Харьцангуйн тусгай онол нь зөвхөн онолд төдийгүй орчин үеийн технологид ч хамаатай. Үүний нэг жишээ бол дэлхийн байршлын систем (GPS) бөгөөд энэ нь нарийвчлалтай байршил тогтоохын тулд дохионууддаа харьцангуйн залруулга шаарддаг.
3. Харьцангуйн ерөнхий онол
Үндсэн зарчмууд
Харьцангуйн ерөнхий онол нь тусгай харьцангуйн онолын ойлголтуудыг орон зай-цаг хугацааны геометр болох таталцлыг багтаах хүртэл өргөжүүлдэг. Үүний үндсэн зарчмууд нь:
1. Таталцал нь Ньютоны онолын адил хүч биш, харин масс ба энергиэс үүдэлтэй орон зай-цаг хугацааны муруйлт буюу муруйлт юм.
2. Масс ба энерги нь орон зай-цаг хугацааны хэмжүүрийг өөрчилдөг бөгөөд энэ нь тухайн орон зай-цаг хугацаанд объектуудын дагах хамгийн богино замд нөлөөлдөг.
Орон зай-цаг хугацааны геометр
Ерөнхий харьцангуйн онолд од, гаригууд зэрэг асар том биетүүд эргэн тойрондоо орон зай-цаг хугацааг муруйдаг. Энэхүү муруй орон зай-цаг дахь геодези буюу хамгийн богино замууд нь бидний мэдэх таталцал гэгддэг үзэгдлийг үүсгэдэг. Энэ ойлголтыг орон зай-цаг хугацааг хүнд бөмбөг тавихад нугардаг резинэн хуудас гэж төсөөлж төсөөлж болно.
Чухал үзэгдэл
Харьцангуйн ерөнхий онол нь Ньютоны механикаар тайлбарлаж чадахгүй янз бүрийн үзэгдлийг тайлбарладаг, тухайлбал:
– Таталцлын линз: Алслагдсан од эсвэл галактикуудаас ирэх гэрэл нь галактик эсвэл хар нүх гэх мэт аварга том биетүүдийн таталцлын нөлөөгөөр нугарч, томруулсан эсвэл гажуудсан дүрс үүсгэдэг.
– Таталцлын улаан шилжилт: Хүчтэй таталцлын нөлөөгөөр асар том биетээс гарч буй гэрлийн давтамж буурдаг (улайдаг).
– Таталцлын долгион: Хоёр хар нүх нийлэх гэх мэт массын хурдацтай хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй орон зай-цаг хугацааны муруйлтын хэлбэлзэл. Эдгээр долгионыг анх 2015 онд LIGO туршилтаар шууд илрүүлсэн.
Ерөнхий Харьцангуйн Онолын Тест
Ерөнхий харьцангуйн онолын анхны туршилтын туршилтуудын нэг нь Сэр Артур Эддингтоны Буд гарагийн перигелийн шилжилт болон 1919 оны нарны хиртэлтийг ажигласан явдал байв. Энэхүү нарны хиртэлт нь ерөнхий харьцангуйн онолын таамаглалын дагуу Нарны ойролцоох оддын гэрлийн хазайлтыг ажиглах боломжийг олгосон юм.
4. Сансар судлалын орчин
Ерөнхий харьцангуйн онол нь мөн орчин үеийн сансар судлалын үндэс суурь бөгөөд орчлон ертөнцийн үүсэл, хувьсал, бүтцийн шинжлэх ухааны судалгаа юм. Их тэсрэлтийн загвар зэрэг тэлж буй орчлон ертөнцийн загварууд нь ерөнхий харьцангуйн онолоос гаргаж авсан Эйнштейний талбайн тэгшитгэл дээр суурилдаг.
Орчлон ертөнцийн тэлэлт
Галактикууд бие биенээсээ холдож байгааг харуулсан Хабблын хууль нь орчлон ертөнцийн тэлэлтийн хамгийн хүчтэй нотолгооны нэг юм. Үүнийг зөвхөн харьцангуйн ерөнхий онолын хүрээнд тайлбарлаж болно.
Харанхуй бодис ба Харанхуй энерги
Харьцангуйн ерөнхий онол нь бидний харанхуй матери ба харанхуй энерги гэж нэрлэдэг үл үзэгдэх биетүүдийн оршин тогтнолыг урьдчилан таамагладаг. Асар их хэмжээгээр оршдог гэж үздэг харанхуй матери нь гэрэл ялгаруулдаггүй эсвэл ойдоггүй боловч түүний оршихуйг харагдах материд үзүүлэх таталцлын нөлөөллөөс нь дүгнэж болно. Нөгөөтэйгүүр, харанхуй энерги нь орчлон ертөнцийн хурдацтай тэлэлтийг үүсгэдэг гэж үздэг.
5. Харьцангуйн судалгааны ирээдүй
Өнөөдрийг хүртэл ерөнхий болон тусгай харьцангуйн онол нь онолын болон туршилтын физикийн тулгуур багана хэвээр байна. Гэсэн хэдий ч судалгааны хэд хэдэн шинээр гарч ирж буй чиглэлүүд байна:
Квант талбайн онол ба квант таталцал
Физикийн хамгийн амжилттай хоёр онол болох ерөнхий харьцангуйн онол болон квант механикийг хослуулах нь томоохон сорилт юм. Утасны онол болон гогцооны квант таталцлын онолууд зэрэг квант таталцлын онолыг хөгжүүлэх хүчин чармайлт нь энэхүү зөрүүг арилгах зорилготой юм.
Хэт их үзэгдэл
Хар нүхний эргэн тойрон дахь гэрэлт цагираг, Хокингийн цацраг туяа, хар нүхний төв дэх сингуляр цэгүүдийг судлах нь эрдэмтдийн дунд өргөн хүрээнд хэлэлцэгдэж буй судалгааны идэвхтэй чиглэлүүд юм.
Дүгнэлт
Харьцангуйн онол нь тусгай болон ерөнхий аль аль нь орон зай, цаг хугацаа, таталцлын талаарх бидний үзэл бодлыг эрс өөрчилсөн. Түүний онолыг ойлгох нь бидний шинжлэх ухааны хүрээг баяжуулаад зогсохгүй орчин үеийн олон төрлийн технологид практик ашиг тусыг авчирсан. Энэ чиглэлээр үргэлжлүүлэн судалгаа хийж, таталцлыг квант механиктай нэгтгэх хүчин чармайлт нь ирээдүйд илүү олон шинэ ойлголтыг амлаж байна. Товчхондоо, харьцангуйн онол нь бидэнд орчлон ертөнцийг илүү цогц, гүнзгий байдлаар ойлгоход тусалдаг.
