(Sonda Gravity B orbitând în jurul Pământului pentru a măsura spațiu-timpul, o descriere patru-dimensională a universului, incluzând înălțimea, lățimea, lungimea și timpul.)
Relativitatea generală (cunoscută și ca teoria generală a relativității) este teoria geometrică a gravitației publicată de Albert Einstein în 1915 și descrierea actuală a gravitației în fizica modernă. Relativitatea generală a fost considerată ca cea mai frumoasă dintre toate teoriile fizice existente. Relativitatea generală generalizează relativitatea specială și legea lui Newton a gravitației universale, oferind o descriere unificată a gravitației ca proprietate geometrică a spațiului și a timpului, sau a spațiu-timpului. În particular, curbura spațiului este direct legată de energia și impulsul oricăror materii și radiații prezente. Relația este specificată de ecuațiile câmpului Einstein, un sistem de ecuații diferențiale parțiale.
Unele predicții ale relativității generale diferă semnificativ de cele ale fizicii clasice, în special în ceea ce privește trecerea timpului, geometria spațiului, mișcarea corpurilor în cădere liberă și propagarea luminii. Exemple de astfel de diferențe includ dilatarea timpului gravitațional, lentila gravitațională, deplasarea spre roșu gravitațională a luminii și întârzierea gravitațională a timpului. Predicțiile relativității generale au fost confirmate în toate observațiile și experimentele de până acum. Deși relativitatea generală nu este singura teorie relativistă a gravitației, este cea mai simplă teorie și este conformă cu datele experimentale. Cu toate acestea, rămân întrebări fără răspuns, cea mai fundamentală fiind modul în care relativitatea generală poate fi reconciliată cu legile fizicii cuantice pentru a produce o teorie completă și auto-consecventă a gravitației cuantice.
Teoria lui Einstein are implicații importante astrofizice. De exemplu, ea implică existența găurilor negre – regiuni ale spațiului în care spațiul și timpul sunt distorsionate în așa fel încât nimic, nici măcar lumina, să nu poată scăpa – ca o stare finală pentru stelele masive. Există dovezi ample că radiațiile intense emise de anumite tipuri de obiecte astronomice se datorează găurilor negre; de exemplu, microquasarii și nucleele galactice active rezultă din prezența găurilor negre stelare și a găurilor negre supermasive. Curbarea luminii prin gravitație poate conduce la fenomenul de lentilă gravitațională, în care în cer sunt vizibile mai multe imagini ale aceluiași obiect astronomic îndepărtat. Relativitatea generală prezice, de asemenea, existența undelor gravitaționale, care au fost observate direct la LIGO. În plus, relativitatea generală este baza modelelor cosmologice actuale ale unui univers în continuă expansiune.
Istorie
Imediat după publicarea teoriei speciale a relativității în 1905, Einstein a început să se gândească la modul de a încorpora gravitația în noul său cadru relativist. În 1907, începând cu un simplu experiment de gândire care implica un observator în cădere liberă, el a început o cercetare de opt ani pentru o teorie relativistă a gravitației. După numeroase ocoluri și starturi false, lucrarea sa a culminat cu prezentarea, în noiembrie 1915, la Academia de Științe din Prusia, a ceea ce sunt acum cunoscute sub numele de ecuațiile de câmp Einstein. Aceste ecuații specifică modul în care geometria spațiului și a timpului este influențată de orice materie și radiație prezente, și formează nucleul teoriei generale a relativității lui Einstein.
Ecuațiile câmpului Einstein sunt neliniare și foarte greu de rezolvat. Einstein a folosit metode de aproximare în elaborarea predicțiilor inițiale ale teoriei. Dar, încă din 1916, astrofizicianul Karl Schwarzschild a găsit prima soluție non-trivială exactă a ecuațiilor câmpului Einstein, metrica Schwarzschild. Această soluție a pus bazele descrierii etapelor finale ale colapsului gravitațional și a obiectelor cunoscute astăzi ca găuri negre. În același an, au fost făcuți primii pași spre generalizarea soluției lui Schwarzschild pentru obiecte încărcate electric, ceea ce a dus în cele din urmă la soluția Reissner-Nordström, acum asociată cu găuri negre încărcate electric. În 1917, Einstein și-a aplicat teoria universului în ansamblu, inițiind domeniul cosmologiei relativiste. În conformitate cu gândirea contemporană, el a presupus un univers static, adăugând un nou parametru ecuațiilor sale inițiale de câmp – constanta cosmologică – pentru a se potrivi acelei prezumții observaționale. În 1929, însă, lucrarea lui Hubble și a altora a arătat că universul nostru se extinde. Acest lucru este descris cu ușurință de soluțiile cosmologice în expansiune găsite de Friedmann în 1922, care nu necesită o constantă cosmologică. Lemaître a folosit aceste soluții pentru a formula cea mai veche versiune a modelului Big Bang, în care universul nostru a evoluat dintr-o stare anterioară extrem de fierbinte și densă. Einstein a declarat ulterior constanta cosmologică cea mai mare gafă a vieții sale.
În această perioadă, relativitatea generală a rămas ca o curiozitate între teoriile fizice. Ea a fost evident superioară gravitației newtoniene, fiind în concordanță cu relativitatea specială și contabilizând mai multe efecte inexplicabile în teoria newtoniană. Einstein însuși a arătat în 1915 cum teoria sa explică avansarea perihelionului anormal al planetei Mercur fără nici un parametru arbitrar („factori inventați”). În mod similar, o expediție condusă de Eddington la 1919 a confirmat prezicerea generală a relativității pentru deflecția stelelor de către Soare în timpul eclipsei totale a soarelui din 29 mai 1919, făcându-l pe Einstein instantaneu faimos. Cu toate acestea, teoria a intrat în zona principală a fizicii teoretice și astrofizice numai după evoluțiile dintre aproximativ 1960 și 1975, acum cunoscută ca epoca de aur a relativității generale. Fizicienii au început să înțeleagă conceptul de gaură neagră și să identifice quasarii ca fiind una dintre manifestările astrofizice ale acestor obiecte. Testele sistemelor solare, chiar mai precise, au confirmat puterea predictivă a teoriei, iar cosmologia relativistă a devenit susceptibilă la testele observaționale directe.
Lasă un răspuns