» » » » » » Consecințe ale teoriei relativității generale a lui Einstein

Consecințe ale teoriei relativității generale a lui Einstein

Relativitatea generală are o serie de consecințe fizice. Unele decurg direct din axiomele teoriei, în timp ce altele au devenit clare numai în cursul multor ani de cercetare care au urmat publicării inițiale a lui Einstein.

Dilatarea timpului gravitațional și deplasarea frecvenței

Desplasarea gravitațională spre roșu
Sursa https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gravitational_red-shifting.png

 (Reprezentarea schematică a deplasării gravitaționale spre roșu a unei unde de lumină care este scapă de pe suprafața unui corp masiv. )

Presupunând că este valabil principiul echivalenței, gravitația influențează trecerea timpului. Lumina trimisă într-un puț de gravitație este deplasată spre albastru, în timp ce lumina trimisă în direcția opusă (adică, urcând din puțul de gravitație) este deplasată spre roșu; împreună, aceste două efecte sunt cunoscute sub numele de deplasarea gravitațională a frecvenței. În general, procesele apropiate de un corp masiv se desfășoară mai lent în comparație cu procesele care au loc mai departe; acest efect este cunoscut ca dilatarea timpului gravitațional.

Deplasarea gravitațională spre roșu a fost măsurată în laborator și utilizând observațiile astronomice. Dilatarea timpului gravitațional în câmpul gravitațional al Pământului a fost măsurată de nenumărate ori utilizând ceasuri atomice, în timp ce validarea în curs este furnizată ca efect secundar al funcționării Sistemului Global de Poziționare (GPS). Testele în câmpuri gravitaționale mai puternice sunt furnizate de observarea pulsurilor binare. Toate rezultatele sunt în concordanță cu relativitatea generală. Cu toate acestea, la nivelul actual de exactitate, aceste observații nu pot distinge între relativitatea generală și alte teorii în care principiul echivalenței este valabil.

Deflexia luminoasă și întârzierea temporală a gravitației

Light deflection
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Light_deflection.png

 (Deflexia luminii (trimisă din locația indicată în albastru) lângă un corp compact (prezentat în gri) )

Relativitatea generală prezice că traseul luminii va urma curbura spațiului când va trece pe lângă o stea. Acest efect a fost confirmat inițial prin observarea luminii stelelor sau a quasarilor îndepărtate, fiind deviate în timp ce trece de Soare.

Aceasta și predicțiile asociate rezultă din faptul că lumina urmărește ceea ce se numește o geodezică de lumină sau nulă – o generalizare a liniilor drepte de-a lungul cărora lumina călătorește în fizica clasică. Astfel de geodezice sunt generalizarea invarianței luminii în relativitatea specială. Din examinarea modelelor spațiu-timp adecvate (fie soluția exterioară Schwarzschild, fie, pentru mai mult de o singură masă, expansiunea post-newtoniană), apar mai multe efecte ale gravitației asupra propagării luminii. Deși curbarea luminii poate fi de asemenea derivată prin extinderea universalității căderii libere la lumină, unghiul de deformare rezultat din astfel de calcule este doar jumătate din valoarea dată de relativitatea generală.

În strânsă legătură cu deflecția luminii este întârzierea gravitațională (sau întârzierea Shapiro), fenomenul conform căruia semnalele luminoase necesită mai mult timp pentru a trece printr-un câmp gravitațional decât în absența acelui câmp. Au existat numeroase teste de succes ale acestei predicții. În formalismul post-newtonian parametrizat (PPN), măsurătorile deflecției luminii și ale întârzierii gravitaționale determină un parametru numit γ, care codifică influența gravitației asupra geometriei spațiului.

Unde gravitaționale

Prezise în 1916 de Albert Einstein, undele gravitaționale sunt ondulații în metrica spațiu-timp care se propagă la viteza luminii. Acestea sunt una dintre mai multe analogii între gravitația câmpului slab și electromagnetism prin faptul că acestea sunt analoage undelor electromagnetice. La 11 februarie 2016, echipa Advanced LIGO a anunțat că a detectat direct undele gravitaționale de la o pereche de găuri negre care fuzionează.

Cel mai simplu tip de astfel de val poate fi vizualizat prin acțiunea sa pe un inel de particule plutitoare liber. O undă sinusoidală care se propagă printr-un astfel de inel spre cititor distorsionează inelul într-un mod caracteristic, ritmic. Deoarece ecuațiile lui Einstein sunt neliniare, undele gravitaționale puternice arbitrar nu respectă suprapunerea liniară, ceea ce face dificilă descrierea lor. Cu toate acestea, pentru câmpurile slabe, se poate face o aproximare liniară. Astfel de unde gravitaționale linearizate sunt suficient de precise pentru a descrie undele extrem de slabe care se așteaptă să ajungă aici pe Pământ de la evenimente cosmice îndepărtate, care de obicei au ca rezultat distanțe relative care cresc și scad cu 10-21 sau mai puțin. Metodele de analiză a datelor utilizează în mod obișnuit faptul că aceste unde linearizate pot fi descompuse Fourier.

Unele soluții exacte descriu undele gravitaționale fără aproximație, de exemplu, un tren de undă care călătorește prin spațiul gol sau universuri Gowdy, varietăți ale unui cosmos în expansiune, umplut cu unde gravitaționale. Dar pentru undele gravitaționale produse în situații relevante astrofizice, cum ar fi fuziunea a două găuri negre, metodele numerice sunt în prezent singura modalitate de a construi modele adecvate.

Efecte orbitale și relativitatea direcției

Relativitatea generală diferă de mecanica clasică într-o serie de predicții privind corpurile orbitante. Ea prezice o rotație globală (precesie) a orbitelor planetare, precum și declinul orbital cauzat de emisia undelor gravitaționale și efectele legate de relativitatea direcției.

Precesiunea apsidelor

Relativistic precession
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Relativistic_precession.svg

 (Orbită newtoniană (roșu) vs. einsteiniană (albastră) a unei planete singulare care orbitează o stea. )

În relativitatea generală, apsidele orbitei (punctul corpului care orbitează cel mai apropiat față de centrul de masă al sistemului) vor precesa – orbita nu este o elipsă, ci asemănătoare unei elipse care se rotește în jurul focarului, rezultând o curbă de forma trandafirului. Einstein a obținut primul acest rezultat utilizând o valoare aproximativă reprezentând limita newtoniană și tratând corpul orbitant ca o particulă de test. Pentru el, faptul că teoria sa a oferit o explicație directă a schimbării anormale a periheliului lui Mercur, descoperită mai devreme de Urbain Le Verrier în 1859, a fost o dovadă importantă că a identificat în cele din urmă forma corectă a ecuațiilor câmpului gravitațional.

Efectul poate fi derivat și prin utilizarea metricii exacte Schwarzschild (descriind spațiu-timpul în jurul unei mase sferice) sau cu formalismul post-newtonian mult mai general. Aceasta se datorează influenței gravitației asupra geometriei spațiului și contribuției self-energiei la gravitația unui corp (codificată în nonlinearitatea ecuațiilor lui Einstein). S-a observat precesii relativiste pentru toate planetele care permit măsurători exacte de precesie (Mercur, Venus și Pământ), precum și în sisteme pulsare binare, unde este mai mare cu cinci ordine de mărime.

În relativitatea generală, schimbarea periheliilor σ, exprimată în radiani per revoluție, este dată de:

σ = 24π3L2/T2c2(1 – e2),

unde: L este axa semi-majoră, T este perioada orbitală, c este viteza luminii, e este excentricitatea orbitală

Declinul orbital

Declinul orbital pentru PSR1913+16 (Declinul orbital pentru PSR1913+16: deplasarea în timp în secunde, urmărită în decurs de trei decade.

Conform relativității generale, un sistem binar va emite unde gravitaționale, pierzând astfel energie. Datorită acestei pierderi, distanța dintre cele două corpuri orbitale scade, la fel și perioada lor orbitală. În interiorul sistemului solar sau pentru stelele duble obișnuite, efectul este prea mic pentru a fi observabil. Acest lucru nu este valabil pentru un pulsar binar apropiat, un sistem de două stele neutronice orbitante, dintre care unul este un pulsar: de la pulsar, observatorii de pe Pământ primesc o serie obișnuită de impulsuri radio care pot servi ca un ceas foarte precis, permițând măsurători precise ale perioadei orbitale. Deoarece stelele neutronice sunt extrem de compacte, cantități semnificative de energie sunt emise sub formă de radiații gravitaționale.

Prima observație a unei scăderi a perioadei orbitale datorată emiterii undelor gravitaționale a fost făcută de Hulse și Taylor, folosind un pulsar binar PSR1913+16 pe care l-au descoperit în 1974. Aceasta a fost prima detectare a undelor gravitaționale, indirect, pentru care au primit premiul Nobel pentru fizică din 1993. De atunci, au fost găsite mai multe alți pulsari binari, în special pulsarul dublu PSR J0737-3039, în care ambele stele sunt pulsari.

Precesiune geodezică și tragerea de cadre (frame-dragging)

Mai multe efecte relativiste au legătură directă cu relativitatea direcției. Unul este precesiunea geodezică: direcția axei unui giroscop în cădere liberă în spațiu curbat se va schimba în comparație, de exemplu, cu direcția luminii primite de la stelele îndepărtate – chiar dacă un astfel de giroscop reprezintă modul de a menține o direcție pe cât de stabilă posibil („transport paralel”). Pentru sistemul Lună-Pământ, acest efect a fost măsurat cu ajutorul măsurării laserului lunar reflectat. Mai recent, a fost măsurat pentru masele de testare la bordul sondei Gravity Probe B cu o precizie mai bună de 0,3%.

Aproape de o masă rotativă, există efecte gravitometrice sau de tragere a cadrelor. Un observator îndepărtat va determina că obiectele apropiate de masă se „trag în jurul acesteia”. Aceasta este situația extremă pentru găurile negre rotative unde, pentru orice obiect care intră într-o zonă cunoscută sub numele de ergossferă, rotația este inevitabilă. Astfel de efecte pot fi din nou testate prin influența lor asupra orientării giroscoapelor în cădere liberă O serie de teste controversate au fost efectuate folosind sateliții LAGEOS, confirmând predicția relativistă. De asemenea, a fost folosită sonda Mars Global Surveyor din jurul lui Marte

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *