История теории гравитации - History of gravitational theory

Пионеры теории гравитации

Аристотель

Галилео Галилей

Исаак Ньютон

Альберт Эйнштейн

В физика, теории гравитация постулируют механизмы взаимодействия, управляющие движениями тел с массой. С древних времен существовало множество теорий гравитации. Первые дошедшие до нас источники, обсуждающие такие теории, находятся в древнегреческая философия. Этой работе способствовали древний индийский и средневековые исламские физики, прежде чем добиться больших успехов в эпоху Возрождения и Научная революция, завершившейся формулировкой Закон всемирного тяготения Ньютона. Это было заменено Альберт Эйнштейн с теория относительности в начале 20 века.

Греческий философ Аристотель (эт. 4 век до н.э.) полагал, что объекты стремятся к точке из-за их внутреннего авторитет (тяжесть). Витрувий (эт. 1 век до н.э.) понял, что предметы падают на основании их удельный вес. В 7 веке нашей эры Брахмагупта говорил о гравитации как о силе притяжения. В Аристотелевская концепция гравитации начал отвергаться, первоначально исламскими физиками, начиная с 11 века с Ибн Сина с теория импульса. В следующем столетии Абу'л-Баракат аль-Багдади описанный гравитационное ускорение. Работы Ибн Сины и аль-Багдади были переведен на латынь к 14 веку, оказав влияние Жан Буридан и Альберт Саксонский. Того же века, Оксфорд с Мертон Колледж разработал теорема о средней скорости.

В начале 17 века Галилео Галилей обнаружили, что все объекты имеют тенденцию ускоряться одинаково в свободное падение. В 1632 г. он выдвинул основной принцип относительности. Существование гравитационная постоянная был исследован различными исследователями с середины 17 века, помогая Исаак Ньютон сформулировать свой закон всемирного тяготения. Ньютона классическая механика были вытеснены в начале 20 века, когда Эйнштейн разработал особый и общая теория относительности. В носитель силы тяжести остается особняком в поисках теория всего, которые различные модели квантовая гравитация являются кандидатами на.

Античность

Греко-римский мир

Смотрите также: Аристотелевская физика

В Ионический Греческий философ Гераклит (c. 535 – c. 475 г. до н.э.) использовал слово логотипы («Я говорю») для описания некоего закона, который поддерживает гармонию космоса, перемещая все объекты, включая звезды, ветры и волны.^[1]

В 4 веке до нашей эры Греческий философ Аристотель учили, что нет эффект или движение без причина. Причина нисходящего движения тяжелых тел, таких как стихия Земля, был связан с их природа, что заставило их двигаться вниз к центру Вселенной, который был их естественным местом. И наоборот, легкие тела, такие как элемент Огонь, движутся по своей природе вверх к внутренней поверхности сфера Луны. Таким образом, в системе Аристотеля тяжелые тела не притягиваются к телу. Земля внешней силой, но стремятся к центру Вселенной из-за внутренней авторитет или тяжесть.^[2][3]

Греческий физик III века до н.э. Архимед обнаружил центр масс треугольника.^[4] Он также предположил, что если бы центры тяжести двух одинаковых гирь не были одинаковыми, они бы располагались посередине соединяющей их линии.^[5] Двумя веками позже римский инженер и архитектор Витрувий утверждал в своем De Architectura что гравитация зависит не от веса вещества, а от его «природы» (ср. удельный вес ):

Если ртуть наливают в сосуд и кладут на него камень весом в сто фунтов, камень плавает по поверхности и не может сдавить жидкость, не пробить ее или разделить ее. Если мы уберем сто фунтов веса и возьмем на себя немного золота, оно не будет плавать, а само опустится на дно. Следовательно, нельзя отрицать, что сила тяжести вещества зависит не от величины его веса, а от его природы.^[6]

В VI веке н.э. византийские Александрийский ученый Иоанн Филопон предложил теория импульса, который изменяет теорию Аристотеля о том, что «продолжение движения зависит от продолжающегося действия силы», путем включения причинной силы, которая со временем уменьшается.

Индийский субконтинент

Смотрите также: История науки и техники на индийском субконтиненте

В Индийский математик /астроном Брахмагупта (c. 598 – c. 668) впервые описал гравитацию как силу притяжения, используя термин «гурутвакаршанам (गुरुत्वाकर्षणम्) "описать это в гелиоцентрический вид Солнечной системы, как это было определено Арьябхата:^{[7][8][9][10]}

Земля со всех сторон одинакова; все люди на земле стоят прямо, и все тяжелые предметы падают на землю по закону природы, потому что природа земли - притягивать и удерживать предметы, как природа воды - течь ... Если что-то хочет уйти глубже земли, пусть попробует. Земля - ​​единственная низкий вещь, и семена всегда возвращаются к ней, в каком бы направлении вы их ни выбросили, и никогда не поднимаются вверх от земли.^[11][12][а]

Исламский мир

Ибн Сина

Смотрите также: Физика в средневековом исламском мире и Астрономия в средневековом исламском мире

В 11 веке персидский эрудит Ибн Сина (Авиценна) согласился с теорией Филопона о том, что «перемещаемый объект приобретает наклон от движущегося» в качестве объяснения движение снаряда.^[13] Ибн Сина затем опубликовал его собственная теория импульса в Книга исцеления (ок. 1020 г.). В отличие от Филопона, который считал, что это временная добродетель, которая упадет даже в вакуум Ибн Сина рассматривал его как настойчивое, требующее внешних сил, таких как сопротивление воздуха рассеять это.^[14][15][16] Ибн Сина проводил различие между «силой» и «склонностью» (Mayl), и утверждал, что объект получил Mayl когда объект противостоит своему естественному движению. Он пришел к выводу, что продолжение движения связано с наклоном, передаваемым объекту, и этот объект будет двигаться до тех пор, пока Mayl тратится.^[17]

Аль-Бируни

Другой персидский эрудит XI века, Аль-Бируни, предложил, чтобы небесные тела иметь массу, вес и гравитацию, как и Земля. Он критиковал как Аристотеля, так и Ибн Сину за то, что они придерживались точки зрения, согласно которой небесные тела лишены этих свойств и что только Земля имеет массу, вес и гравитацию.^[18] Ученый XII века Аль-Хазини предположил, что сила тяжести объекта зависит от его расстояние от центра Вселенной (имеется в виду центр Земли). Аль-Бируни и Аль-Хазини изучали теорию центр тяжести, и обобщил и применил его к трехмерным телам. Они также основали теорию весомый рычаг, и создал науку о гравитации. Хорошо экспериментальные методы также были разработаны для определения удельного веса или конкретный вес объектов, на основе теории остатки и взвешивание.^[19]

В 12 веке Абу'л-Баракат аль-Багдади принял и модифицировал теорию Ибн Сины о движение снаряда. В его Китаб аль-Мутабар, Абу'л-Баракат заявил, что движущийся придает склонность к насилию (Майл Касри) на перемещаемом, и это уменьшается по мере того, как движущийся объект удаляется от движущегося.^[20] Он также дал объяснение гравитационное ускорение падающих тел. Он предложил объяснение ускорение падающих тел путем накопления последовательных приращений мощность с последовательными приращениями скорости.^[21] Согласно с Шломо Пайнс, теория движения аль-Багдади была «старейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом,] смутное предвосхищение фундаментального закона классическая механика [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение] ".^[22]

Арабский эрудит XII века Ибн Баджах предположил, что для каждой силы всегда есть сила реакции. Хотя он не уточнил, что эти силы равны, это была ранняя версия третий закон движения который гласит, что на каждое действие есть равная и противоположная реакция.^[23] В 16 веке Аль-Бирджанди объяснил Вращение Земли путем разработки гипотезы, аналогичной Галилео Галилей понятие циркулярного инерция,^[24] который пытался объяснить планетные орбиты без гравитации.^[25]

Европейский ренессанс

Смотрите также: История науки в эпоху Возрождения

В XIV веке как французский философ, Жан Буридан и Мертон Колледж из Оксфорд отклонил Аристотелевская концепция гравитации.^[26][b] Они приписывали движение предметов побуждению (сродни импульс ), который меняется в зависимости от скорости и масса;^[26] На Буридана в этом повлияли идеи Ибн Сины. Книга исцеления.^[16] Буридан и Альберт Саксонский (ок. 1320–1390) принял теорию Абу'л-Бараката о том, что ускорение падающего тела является результатом его увеличивающегося импульса.^[20] Под влиянием Буридана Альберт разработал квадрат закон о связи между скоростью объекта в свободное падение и прошло либо время, либо пространство. Он также предположил, что горы и долины вызваны эрозия^[c]- смещение центра тяжести Земли.^[27][d] Также в том же столетии Мертон-колледж разработал теорема о средней скорости, что было доказано Николь Орем (ок. 1323–1382) и будет влиять на более позднее гравитационные уравнения.^[26]

Леонардо да Винчи (1452–1519) писал, что «мать и происхождение гравитации» энергия. Он описывает две пары физических сил, проистекающих из метафизический происхождение и влияют на все: изобилие силы и движение, и гравитация, и сопротивление. Он связывает гравитацию с холодом классические элементы, воды и землю, и называет ее энергию бесконечной.^[29][e] К 1514 г. Николай Коперник написал набросок из его гелиоцентрическая модель, в котором он заявил, что центр Земли является центром обоих его вращение и орбита Луны.^[31][f] В 1533 году немецкий гуманист Петрус Апианус описал напряжение силы тяжести:^[г]

Поскольку очевидно, что при спуске [по дуге] возникает больше препятствий, ясно, что по этой причине сила тяжести уменьшается. Но поскольку это происходит из-за положения тяжелых тел, пусть это будет называться позиционная гравитация [т.е. gravitas secundum situm]^[34]

Иллюстрация Галилео с Пизанская башня эксперимент^[час]

К 1544 году, согласно Бенедетто Варчи, эксперименты по крайней мере двух итальянцев опровергли аристотелевское утверждение о том, что предметы падают пропорционально их весу.^[36] В 1551 г. Доминго де Сото предположил, что предметы в свободном падении ускоряться равномерно.^[36] Впоследствии эта идея была исследована более подробно Галилео Галилей, который получил свое кинематика из Мертон-колледжа 14 века и Жана Буридана,^[26] и, возможно, Де Сото тоже.^[36] Галилей успешно применил математику к ускорению падающих объектов,^[37] правильно выдвигая гипотезу в письме 1604 г. Паоло Сарпи что расстояние до падающего объекта пропорционально квадрату прошедшего времени.^[38][я] Галилей предложил в своем Две новые науки (1638), что небольшая разница в скорости падающих объектов разной массы объясняется сопротивлением воздуха, и что объекты падают в вакууме совершенно равномерно.^[39]

Ученик Галилея, Евангелиста Торричелли повторил модель Аристотеля, включающую гравитационный центр, добавив, что система может находиться в равновесии только тогда, когда сам общий центр не может упасть.^[33]

Европейское Просвещение

Смотрите также: Научная революция и Наука в эпоху Просвещения

Связь расстояния до объектов в свободном падении с квадратом затраченного времени подтверждается Франческо Мария Гримальди и Джованни Баттиста Риччоли между 1640 и 1650 гг. Они также сделали расчет гравитационная постоянная записывая колебания маятника.^[40]

Механические объяснения

Основная статья: Механические объяснения гравитации

Смотрите также: Теории эфира

В 1644 г. Рене Декарт предложил, что нет пустое пространство может существовать и что континуум материи заставляет каждое движение быть криволинейный. Таким образом, центробежная сила отталкивает относительно легкое вещество от центрального вихри небесных тел, локально снижая плотность и тем самым создавая центростремительное давление.^[41][42] Используя аспекты этой теории между 1669 и 1690 годами, Кристиан Гюйгенс разработала математическую модель вихря. В одном из своих доказательств он показывает, что расстояние, пройденное объектом, падающим с вращающегося колеса, увеличивается пропорционально квадрату времени вращения колеса.^[43] В 1671 г. Роберт Гук предположил, что гравитация - это результат того, что тела излучают волны в эфир.^[44][j] Николя Фатио де Дуйе (1690) и Жорж-Луи Ле Саж (1748) предложил корпускулярная модель используя какой-то механизм экранирования или затенения. В 1784 году Ле Саж предположил, что гравитация может быть результатом столкновения атомов, и в начале 19 века он расширил Даниэль Бернулли с теория корпускулярного давления Вселенной в целом.^[45] Подобная модель была позже создана Хендрик Лоренц (1853–1928), который использовал электромагнитное излучение вместо корпускул.

Английский математик Исаак Ньютон использовал аргумент Декарта о том, что криволинейное движение ограничивает инерцию,^[46] и в 1675 г. утверждал, что потоки эфира притягивают все тела друг к другу.^[k] Ньютон (1717 г.) и Леонард Эйлер (1760) предложили модель, в которой эфир теряет плотность около массы, что приводит к результирующей силе, действующей на тела.^{[нужна цитата ]} Дальнейшие механические объяснения гравитации (включая Теория Ле Сажа ) были созданы между 1650 и 1900 годами для объяснения теории Ньютона, но механистические модели в конечном итоге потеряли популярность, потому что большинство из них приводят к неприемлемому сопротивлению (сопротивлению воздуха), которое не наблюдалось. Другие нарушают закон сохранения энергии и несовместимы с современными термодинамика.^[47]

Портрет Исаака Ньютона (1642–1727) от Годфри Кнеллер (1689)

Закон Ньютона

Основные статьи: Закон всемирного тяготения Ньютона и Закон Гаусса для гравитации

В 1679 году Роберт Гук написал Исааку Ньютону свою гипотезу об орбитальном движении, которое частично зависит от обратный квадрат сила.^[48] В результате Ньютон смог математически вывести Законы движения планет Кеплера, включая эллиптические орбиты шести известных тогда планет и Луны. В 1687 году Ньютон опубликовал Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, который предполагает закон обратных квадратов всемирного тяготения. По его собственным словам:

Я пришел к выводу, что силы, удерживающие планеты в их орбах, должны быть взаимными, как квадраты их расстояний от центров, вокруг которых они вращаются; и таким образом сравнил силу, необходимую для удержания Луны в ее орбите, с силой тяжести на поверхности Земли; и нашел, что они почти ответили.

Первоначальная формула Ньютона была:

${displaystyle {m {Force,of,gravity}}propto {frac {m {mass,of,object,1, imes ,mass,of,object,2}}{m {distance,from,centers^{2}}}}}$

где символ ${displaystyle propto }$ означает «пропорционально». Чтобы преобразовать это в формулу или уравнение с равными сторонами, нужен был множитель или константа, которая давала бы правильную силу тяжести, независимо от значения масс или расстояния между ними (гравитационная постоянная). Ньютону потребуется точное измерение этой постоянной, чтобы доказать свой закон обратных квадратов. Это было первый исполненный от Генри Кавендиш в 1797 г.^[l]

В теории Ньютона^[52] (переписано с использованием более современной математики) плотность массы ${displaystyle ho ,}$ генерирует скалярное поле, гравитационный потенциал ${displaystyle varphi ,}$ в джоулях на килограмм, по

${displaystyle {partial ^{2}varphi over partial x^{j},partial x^{j}}=4pi Gho ,.}$

С использованием Набла оператор ${displaystyle abla }$ для градиент и расхождение (частные производные), это удобно записать как:

${displaystyle abla ^{2}varphi =4pi Gho ,.}$

Это скалярное поле управляет движением свободное падение частица:

${displaystyle {d^{2}x^{j} over dt^{2}}=-{partial varphi over partial x^{j},}.}$

На расстоянии р из изолированной массы M, скалярное поле

${displaystyle varphi =-{frac {GM}{r}},.}$

Не имея возможности определить среду, в которой он взаимодействует, теория Ньютона, казалось, требовала действие на расстоянии.^[53] Его теория и Жозеф-Луи Лагранж улучшение расчета (с применением вариационного принципа), не учитываем релятивистский эффекты, которые в то время были неизвестны. Тем не менее, теория Ньютона считается исключительно точной в пределе слабой гравитационные поля и низкие скорости.

Теория Ньютона пользовалась наибольшим успехом, когда ее использовали для предсказания существования Нептун на основе движений Уран это не могло быть объяснено действиями других планет. Расчеты по Джон Коуч Адамс и Урбен Леверье оба предсказали общее положение планеты. Леверье отправил свою позицию Иоганн Готфрид Галле, прося его проверить. В ту же ночь Галле заметил Нептун недалеко от позиции, предсказанной Леверье.^[54]

К концу XIX века Леверье показал, что орбита Меркурий не мог быть полностью объяснен ньютоновской гравитацией, и все поиски другого возмущающего тела (такого как планета, вращающаяся вокруг Солнца даже ближе, чем Меркурий) были бесплодны.^[55]

Современная эра

Смотрите также: Альтернативы общей теории относительности

Альберт Эйнштейн разработал свой теория относительности в статьях, опубликованных в 1905 и 1915 годах. В 1914 году Гуннар Нордстрём попытался объединить гравитацию и электромагнетизм в его теория из пятимерный гравитация.^[м] В 1919 году общая теория относительности вытеснила все другие гравитационные модели, включая законы Ньютона, когда гравитационное линзирование вокруг солнечного затмения, соответствующего уравнениям Эйнштейна, наблюдал Артур Эддингтон. После этого немецкий математик Теодор Калуца продвигал идею общей теории относительности с пятым измерением, которую в 1921 году шведский физик Оскар Кляйн отдал физическая интерпретация в прототипе теория струн, возможная модель квантовая гравитация и потенциальная теория всего.

Альберт Эйнштейн в 1921 г.

Полевые уравнения Эйнштейна включать космологическая постоянная для объяснения предполагаемых статичность вселенной. Однако, Эдвин Хаббл в 1929 году заметил, что Вселенная расширяется. К 1930-м годам Поль Дирак разработал гипотезу о том, что гравитация должна медленно и неуклонно уменьшаться в течение истории Вселенной.^[56] Алан Гут и Алексей Старобинский предложили в 1980 г. космическая инфляция в очень ранней Вселенной могло быть вызвано негативным давление поле, концепция, позже придуманная 'темная энергия '- найдены в 2013 году и составляли около 68,3% ранней Вселенной.^[57]

В 1922 г. Якобус Каптейн предложил существование темная материя, невидимая сила, которая перемещает звезды в галактиках с более высокими скоростями, чем может учитывать только сила тяжести. В 2013 году было обнаружено, что она составляла 26,8% ранней Вселенной.^[57] Наряду с темной энергией темная материя является исключением в теории относительности Эйнштейна, и объяснение ее очевидных эффектов является требованием для успешной теории всего.

В 1957 г. Герман Бонди предложил, чтобы отрицательная гравитационная масса (в сочетании с отрицательной инерционной массой) будет соответствовать строгий принцип эквивалентности общей теории относительности и Законы движения Ньютона. Доказательства Бонди дали необычность -свободные решения уравнений относительности.^[58]

Ранние теории гравитации пытались объяснить планетные орбиты (Ньютон) и более сложные орбиты (например, Лагранжа). Затем последовали безуспешные попытки сочетать гравитацию и волновую или корпускулярную теории гравитации. Весь ландшафт физики изменился с открытием Преобразования Лоренца, и это привело к попыткам примирить это с гравитацией. В то же время физики-экспериментаторы начали проверку основ гравитации и теории относительности - Лоренц-инвариантность, то гравитационное отклонение света, то Эксперимент Этвёша. Эти соображения привели к разработке общая теория относительности.

Электростатические модели (1870–1900)

В конце 19 века многие пытались объединить закон силы Ньютона с установленными законами электродинамики, такими как Вебер, Карл Фридрих Гаусс, Бернхард Риманн и Джеймс Клерк Максвелл. Эти модели использовались для объяснения прецессия перигелия Меркурия. В 1890 году Леви удалось это сделать, объединив законы Вебера и Римана, согласно которым скорость гравитации в его теории равна скорости света. И в другой попытке Пол Гербер (1898) даже удалось вывести правильную формулу для сдвига перигелия (которая была идентична той формуле, которую позже использовал Эйнштейн). Однако, поскольку основные законы Вебера и других были неправильными (например, закон Вебера был заменен теорией Максвелла), эта гипотеза была отвергнута.^[59] В 1900 г. Хендрик Лоренц пытался объяснить гравитацию на основе своего Теория эфира Лоренца и Уравнения Максвелла. Он предположил, как Оттавиано Фабрицио Моссотти и Иоганн Карл Фридрих Цёлльнер, что притяжение противоположно заряженных частиц сильнее, чем отталкивание одинаково заряженных частиц. Результирующая результирующая сила и есть то, что известно как универсальная гравитация, в которой скорость гравитации равна скорости света. Но Лоренц подсчитал, что значение продвижения перигелия Меркурия было слишком низким.^[60]

В конце 19 века Лорд Кельвин обдумывал возможность теория всего.^[61] Он предположил, что каждое тело пульсирует, что могло быть объяснением гравитации и электрические заряды. Однако его идеи были в основном механистическими и требовали существования эфира, который Эксперимент Майкельсона-Морли не удалось обнаружить в 1887 году. Это в сочетании с Принцип маха, привели к гравитационным моделям, которые показывают действие на расстоянии.

Лоренц-инвариантные модели (1905–1910)

На основе принцип относительности, Анри Пуанкаре (1905, 1906), Герман Минковски (1908), и Арнольд Зоммерфельд (1910) попытался модифицировать теорию Ньютона и установить Инвариант Лоренца закон тяготения, согласно которому скорость гравитации равна скорости света. Как и в модели Лоренца, значение продвижения перигелия Меркурия было слишком низким.^[62]

Эйнштейн (1905, 1908, 1912)

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал серию статей, в которых он установил специальная теория относительности и тот факт, что масса и энергия эквивалентны. В 1907 году Эйнштейн описал это как «самую счастливую мысль в моей жизни», когда понял, что тот, кто находится в свободном падении, не испытывает гравитационного поля. Другими словами, гравитация в точности эквивалентна ускорению.

Публикация Эйнштейна, состоящая из двух частей, 1912 г.^[63][64] (и ранее в 1908 году) действительно важно только по историческим причинам. К тому времени он знал о гравитационном красном смещении и отклонении света. Он понял, что Преобразования Лоренца обычно не применимы, но сохранили их.Теория утверждает, что скорость света постоянна в свободном пространстве, но меняется в присутствии материи. Ожидалось, что теория верна только тогда, когда источник гравитационного поля неподвижен. Он включает принцип наименьшего действия:

${displaystyle delta int d au =0,}$

${displaystyle {d au }^{2}=-eta _{mu u },dx^{mu },dx^{u },}$

где ${displaystyle eta _{mu u },}$ это Метрика Минковского, а по индексам идет суммирование от 1 до 4 ${displaystyle mu ,}$ и ${displaystyle u ,}$.

Эйнштейн и Гроссманн^[65] включает в себя Риманова геометрия и тензорное исчисление.

${displaystyle delta int d au =0,}$

${displaystyle {d au }^{2}=-g_{mu u },dx^{mu },dx^{u },}$

Уравнения электродинамика точно соответствуют общей теории относительности. Уравнение

${displaystyle T^{mu u }=ho {dx^{mu } over d au }{dx^{u } over d au },}$

не входит в общую теорию относительности. Он выражает тензор энергии-импульса как функция плотности вещества.

Авраам (1912)

Пока это происходило, Авраам разрабатывал альтернативную модель гравитации, в которой скорость света зависит от напряженности гравитационного поля и, следовательно, является переменной почти везде. Обзор моделей гравитации, сделанный Авраамом в 1914 году, считается превосходным, но его собственная модель была плохой.

Нордстрём (1912)

Первый подход Нордстрём (1912)^[66] должен был сохранить метрику Минковского и постоянное значение ${displaystyle c,}$ но позволить массе зависеть от силы гравитационного поля ${displaystyle varphi ,}$. Позволяя этой напряженности поля удовлетворять

${displaystyle Box varphi =ho ,}$

где ${displaystyle ho ,}$ это энергия массы покоя и ${displaystyle Box ,}$ это д'Аламбертиан,

${displaystyle m=m_{0}exp left({frac {varphi }{c^{2}}}ight),}$

и

${displaystyle -{partial varphi over partial x^{mu }}={dot {u}}_{mu }+{u_{mu } over c^{2}{dot {varphi }}},}$

где ${displaystyle u,}$ - четырехскоростная, а точка - дифференциал по времени.

Второй подход Нордстрём (1913)^[67] запомнился как первый логически последовательный релятивистская полевая теория гравитации. (запись от Паиса^[68] не Нордстрём):

${displaystyle delta int psi ,d au =0,}$

${displaystyle {d au }^{2}=-eta _{mu u },dx^{mu },dx^{u },}$

где ${displaystyle psi ,}$ - скалярное поле,

${displaystyle -{partial T^{mu u } over partial x^{u }}=T{1 over psi }{partial psi over partial x_{mu }},}$

Эта теория лоренц-инвариантна, удовлетворяет законам сохранения, правильно сводится к ньютоновскому пределу и удовлетворяет принцип слабой эквивалентности.

Эйнштейн и Фоккер (1914)

Эта теория^[69] это первая трактовка Эйнштейном гравитации, в которой строго соблюдается общая ковариация. Письмо:

${displaystyle delta int ds=0,}$

${displaystyle {ds}^{2}=g_{mu u },dx^{mu },dx^{u },}$

${displaystyle g_{mu u }=psi ^{2}eta _{mu u },}$

они связывают Эйнштейна – Гроссмана^[65] Нордстрёму.^[67] Они также заявляют:

${displaystyle T,propto ,R,.}$

То есть след тензора энергии напряжения пропорционален кривизне пространства.

Между 1911 и 1915 годами Эйнштейн развил идею о том, что гравитация эквивалентна ускорению, первоначально сформулированная как принцип эквивалентности в его общую теорию относительности, в которой три измерения пространства и одно измерение время в четырехмерный ткань пространство-время. Однако он не объединяет гравитацию с кванты - отдельные частицы энергии, существование которых Эйнштейн постулировал в 1905 году.

Общая теория относительности

Основная статья: Введение в общую теорию относительности

Иллюстрация, поясняющая актуальность общей суммы солнечное затмение 29 мая 1919 г., из издания 22 ноября 1919 г. The Illustrated London News

В общей теории относительности эффекты гравитации приписываются кривизне пространства-времени, а не силе. Отправной точкой для общей теории относительности является принцип эквивалентности, который приравнивает свободное падение к движению по инерции. Проблема, которую это создает, заключается в том, что свободно падающие объекты могут ускоряться относительно друг друга. Чтобы справиться с этой трудностью, Эйнштейн предположил, что пространство-время искривляется материей и что свободно падающие объекты движутся вдоль локально прямые пути в искривленном пространстве-времени. В частности, Эйнштейн и Дэвид Гильберт обнаружил уравнения поля общей теории относительности, которые связывают наличие материи и кривизну пространства-времени. Эти уравнения поля набор из 10 одновременный, нелинейный, дифференциальные уравнения. Решения уравнений поля являются составляющими метрический тензор пространства-времени, которое описывает его геометрию. Геодезические пути пространства-времени вычисляются из метрического тензора.

Известные решения уравнений поля Эйнштейна включают:

• В Решение Шварцшильда, который описывает пространство-время, окружающее сферически симметричный невращающийся незаряженный массивный объект. Для объектов с радиусом меньше Радиус Шварцшильда, это решение генерирует черная дыра с центральной особенностью.
• В Решение Рейсснера – Нордстрема, в котором центральный объект имеет электрический заряд. Для сборов с геометризованный длина меньше, чем геометрическая длина массы объекта, это решение создает черные дыры с горизонт событий окружающий Горизонт Коши.
• В Решение Керра для вращения массивных предметов. Это решение также создает черные дыры с несколькими горизонтами.
• В космологический Решение Робертсона – Уокера, предсказывающий расширение Вселенной.

Общая теория относительности пользовалась большим успехом, потому что ее предсказания (не требуемые старыми теориями гравитации) регулярно подтверждались. Например:

• Общая теория относительности объясняет аномальную прецессию перигелия Меркурия.^[55]
• Гравитационное линзирование было впервые подтверждено в 1919 году, а совсем недавно было подтверждено с помощью квазар который проходит за Солнцем, если смотреть с Земли.
• Расширение Вселенной (предсказанное Метрика Робертсона – Уокера ) был подтвержден Эдвином Хабблом в 1929 году.
• Предсказание, что время течет медленнее при более низких потенциалах, было подтверждено Эксперимент Паунда – Ребки, то Эксперимент Хафеле – Китинга, а GPS.
• В время задержки света проходящий близко к массивному объекту был впервые идентифицирован Ирвин Шапиро в 1964 г. по сигналам межпланетных космических аппаратов.
• Гравитационное излучение косвенно подтверждено исследованиями двоичных пульсары такие как ПСР 1913 + 16.
  • В 2015 г. LIGO эксперименты напрямую обнаружено гравитационное излучение от две сталкивающиеся черные дыры, что сделало это первое прямое наблюдение как гравитационных волн, так и черных дыр.^[70]

Верят что нейтронная звезда слияния (с момента обнаружения в 2017 г.)^[71] и образование черной дыры может также создавать заметное количество гравитационного излучения.

Квантовая гравитация

Основная статья: Квантовая гравитация

Спустя несколько десятилетий после открытия общей теории относительности стало понятно, что она не может быть полной теорией гравитации, потому что она несовместима с квантовая механика.^[72] Позже стало понятно, что гравитацию можно описать в рамках квантовая теория поля как другой фундаментальные силы. В этих рамках сила притяжения возникает за счет обмена виртуальный гравитоны, так же, как электромагнитная сила возникает при обмене виртуальными фотоны.^[73][74] Это воспроизводит общую теорию относительности в классический предел, но только на линеаризованном уровне и постулируя, что условия применимости Теорема Эренфеста выполняется, что не всегда так. Более того, этот подход не работает на малых расстояниях порядка Планковская длина.^[72]

Теоретические модели, такие как теория струн и петля квантовой гравитации являются нынешними кандидатами на возможную «теорию всего».

Смотрите также

• Антигравитационный
• История физики

использованная литература

Сноски

1. Источник этой цитаты Аль-Бируни Индия (ок. 1030).^[11]
2. Это было интерпретировано как получение веса предметов из давление воздуха под ними.^[26]
3. Леонардо да Винчи проверил эту теорию, наблюдая следы окаменелостей,^[27] который он использовал, чтобы выступить против миф о всемирном потопе.^[28]
4. Кроме того, он предположил, что планета находится в равновесии, когда ее центр тяжести совпадает с центром ее массы.^[27]
5. Леонардо не публиковал свои рукописи, и они не оказали прямого влияния на последующую науку.^[30]
6. Он объяснил эти движения, объяснив: «Вращение естественно для сферы, и этим самым действием выражается ее форма».^[32]
7. Физик Пьер Дюгем ошибочно приписывает это Иордан Неморарий, которого он называет «предшественником Леонардо». Леонардо ссылается на Джордана в своих записных книжках, но не на какую-либо из его теорий.^[33]
8. Некоторые историки считают, что это был мысленный эксперимент а не физическое испытание, поскольку доказательств того, что это действительно произошло, мало.^[35]
9. Расстояние, пройденное за последовательные равные промежутки времени, рассчитывается с помощью треугольной модели, ширина которой (представляющая максимальную скорость) увеличивается на два для каждого равного участка высоты (представляющего прошедшее время). Частично это ожидается Правило Мертона.^[38]
10. Джеймс Чаллис повторил это предположение в 1869 г.
11. Бернхард Риманн сделал аналогичный аргумент в 1853 г.
12. Многие источники неверно заявляют, что это было первое измерение г (или плотность Земли).^[49] Были и предыдущие измерения, в основном Бугером (1740 г.) и Маскелином (1774 г.), но они были очень неточными.^[50][51]
13. В теория струн, габариты более четырех учитывают наличие параллельные реальности —Который вместе с антропный принцип, помогают объяснить статистическую почти невозможность нашей тонко настроенная вселенная.

Цитаты

1. Смит, Гомер В. (1952). Человек и его боги. Нью-Йорк: Гроссет и Данлэп. п.144.
2. Эдвард Грант, Основы современной науки в средние века(Cambridge: Cambridge Univ. Pr., 1996), стр. 60-1.
3. Олаф Педерсен, Ранняя физика и астрономия(Cambridge: Cambridge Univ. Pr., 1993), стр. 130
4. Ревиль Нейтц; Уильям Ноэль (13.10.2011). Кодекс Архимеда: раскрытие секретов величайшего в мире палимпсеста. Hachette UK. ISBN  9781780221984.
5. CJ Tuplin, Льюис Вулперт (2002). Наука и математика в древнегреческой культуре. Hachette UK. п. xi. ISBN  9780198152484.
6. Витрувий, Марк Поллион (1914). "7". В Альфред А. Ховард (ред.). De Architectura libri decem [Десять книг по архитектуре]. VII. Герберт Лэнгфорд Уоррен, Нельсон Робинсон (иллюстрация), Моррис Хики Морган. Гарвардский университет, Кембридж: Издательство Гарвардского университета. п. 215.
7. Пиковер, Клиффорд (2008). От Архимеда до Хокинга: законы науки и великие умы, стоящие за ними. Издательство Оксфордского университета. п. 105. ISBN  978-0-19-979268-9.
8. Бозе, Майнак Кумар (1988). Поздняя классическая Индия. A. Mukherjee & Co.^{[страница нужна ]}
9. Сен, Амартия (2005). Аргументативный индеец. Аллен Лейн. п. 29. ISBN  978-0-7139-9687-6.
10. Терстон, Хью (1993). Ранняя астрономия. Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN  978-0-387-94107-3.^{[страница нужна ]}
11. Индия Альберуни. Лондон: Kegan Paul, Trench, Trübner & Co., 1910. Электронная репродукция. Vol. 1 и 2. Нью-Йорк: Библиотеки Колумбийского университета, 2006. стр. 272. Получено 3 июн 2014.
12. Китаб аль-Джавхаратайн аль-'атикатайн аль-ма'и'атайн мин аль-Сафра 'ва-аль-байса': аль-дхахаб ва-аль-фиах. Каир: Maṭba'at Dār al-Kutub wa-al-Wathā'iq al-Qawmīyah bi-al-Qāhirah (арабский: كتاب الجوهرتين العتيقتين المائعتين من الصفراض الين من الصفراض الة, 2004, الصفراء الة, 2004) OCLC  607846741.
13. Макгиннис, Джон; Райзман, Дэвид С. (2007). Классическая арабская философия: антология источников. Hackett Publishing. п. 174. ISBN  978-0-87220-871-1. Получено 16 июн 2010.
14. Эспиноза, Фернандо (2005). «Анализ исторического развития идей о движении и его значение для обучения». Физическое образование. 40 (2): 141. Bibcode:2005PhyEd..40..139E. Дои:10.1088/0031-9120/40/2/002.
15. Сейед Хоссейн Наср И Мехди Амин Разави (1996). Исламская интеллектуальная традиция в Персии. Рутледж. п. 72. ISBN  978-0-7007-0314-2.
16. Айдын Сайили (1987). «Ибн Сина и Буридан о движении снаряда». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 500 (1): 477–482. Bibcode:1987НЯСА.500..477С. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1987.tb37219.x.
17. Эспиноза, Фернандо. «Анализ исторического развития представлений о движении и его значение для обучения». Физическое образование. Vol. 40 (2).
18. Старр, С. Фредерик (2015). Утраченное Просвещение: золотой век Центральной Азии от арабского завоевания до Тамерлана. Издательство Принстонского университета. п. 260. ISBN  9780691165851.
19. Рожанская, Мариам; Левинова И. С. (1996). «Статика». В Рушди, Рашид (ред.). Энциклопедия истории арабской науки. 2. Психология Press. С. 614–642. ISBN  9780415124119. Используя совокупность математических методов (не только тех, что унаследованы от античной теории отношений и техники бесконечно малых, но также методов современной алгебры и техники точных вычислений), мусульманские ученые подняли статику на новый, более высокий уровень. Классические результаты Архимеда в теории центра тяжести были обобщены и применены к трехмерным телам, была основана теория весомого рычага и создана «наука о гравитации», которая впоследствии получила дальнейшее развитие в средневековой Европе. Явления статики изучались с использованием динамического подхода, так что два направления - статика и динамика - оказались взаимосвязанными в рамках одной науки - механики. Сочетание динамического подхода с архимедовой гидростатикой дало начало научному направлению, которое можно назвать средневековой гидродинамикой. ... Для определения удельного веса были разработаны многочисленные тонкие экспериментальные методы, основанные, в частности, на теории весов и взвешивания. Классические труды аль-Бируни и аль-Хазини по праву можно считать началом применения экспериментальных методов в средневековой науке.
20. Гутман, Оливер (2003). Псевдо-Авиценна, Liber Celi Et Mundi: Критическое издание. Brill Publishers. п. 193. ISBN  90-04-13228-7.
21. Кромби, Алистер Кэмерон, Августин Галилею 2, п. 67.
22. Сосны, Шломо (1970). «Абу'л-Баракат аль-Багдади, Хибат Аллах». Словарь научной биографии. 1. Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. С. 26–28. ISBN  0-684-10114-9.
    (ср. Абель Б. Франко (октябрь 2003 г.). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Журнал истории идей 64 (4), стр. 521-546 [528].)
23. Франко, Абель Б. "Avempace, движение снаряда и теория толчка". Журнал истории идей. Vol. 64 (4): 543.
24. Рагеп, Ф. Джамиль (2001b). «Освобождение астрономии от философии: аспект исламского влияния на науку». Осирис. 2-я серия. 16 (Наука в теистических контекстах: когнитивные измерения): 49–64, 66–71 (63–4, 152–3). Дои:10.1086/649338.
25. Dijksterhuis, E.J. Механизация картины мира, IV, 121, Oxford University Press, 1961.
26. Гиллиспи 1960, п. 41.
27. Рыцарь, Кевин (2017). "Альберт Саксонский". Новое пришествие. Получено 10 июля 2019.
28. Да Винчи, Леонардо (1971). Тейлор, Памела (ред.). Записные книжки Леонардо да Винчи. Новая американская библиотека. С. 136–38, 142–48.
29. Да Винчи, Леонардо (1971). Тейлор, Памела (ред.). Записные книжки Леонардо да Винчи. Новая американская библиотека. п. 124. Сила возникает из недостатка или изобилия; это дитя физического движения и внук духовного движения, а также мать и источник гравитации. Гравитация ограничена стихией воды и земли; но его сила безгранична, и с его помощью можно было бы двигать бесконечные миры, если бы могли быть созданы инструменты, с помощью которых создавалась бы сила.
    Сила с физическим движением и гравитация с сопротивлением - это четыре внешние силы, от которых зависят все действия смертных.
30. Капра, Фритьоф (2007). Наука Леонардо. США: Doubleday. стр.5–6. ISBN  978-0-385-51390-6.
31. Дюрант, Уилл (2011) [1957]. История цивилизации: Том VI - Реформация. Саймон и Шустер. п. 823. ISBN  9781451647631.
32. Гиллиспи 1960, п. 27.
33. Гинзбург, Беньямин (сентябрь 1936 г.). «Дюгем и Иордан Неморарий». Исида. Издательство Чикагского университета. 25 (2): 341–362. Дои:10.1086/347085. JSTOR  225373.
34. Дюгем, Пьер (2012). Истоки статики: истоки физической теории Том 1. Перевод Leneaux, G.F .; Vagliente, V. N .; Вагенер, Г. Х. Спрингер Наука и деловые СМИ. п. xxiv. ISBN  9789401137300.
35. "El Experimento más famoso de Galileo probablemente nunca tuvo lugar". Разговор (на испанском). 16 мая 2019. Получено 24 августа 2019.
36. Уоллес, Уильям А. (2018) [2004]. Доминго де Сото и ранний Галилей: очерки интеллектуальной истории. Абингдон, Великобритания: Рутледж. С. 119, 121–22. ISBN  978-1-351-15959-3.
37. Гиллиспи 1960, п. 42.
38. Гиллиспи 1960, стр. 3–6.
39. Галилей, Галилей (2015). Диалоги о двух новых науках. Переведено Экипаж, Генри. Истфорд, Коннектикут: Martino Fine Books. п. 72. ISBN  978-1614277941.
40. J.L. Heilbron, Электричество в XVII и XVIII веках: исследование ранней физики Нового времени (Беркли: Калифорнийский университет Press, 1979), 180.
41. Гиллиспи 1960, п. 93.
42. Декарт, Рене (1644). Принципы философии.
43. Гиллиспи 1960, п. 121.
44. Тейлор, Уильям Бауэр (1876 г.). «Кинетические теории гравитации». Смитсоновский отчет: 205–282.
45. Гиллиспи 1960, п. 480.
46. Гиллиспи 1960, п. 120.
47. Зеннек, Дж. (1903). «Гравитация». Encyklopädie der Mathematischen Wissenschaften mit Einschluss Ihrer Anwendungen. Лейпциг. 5 (1): 25–67. Дои:10.1007/978-3-663-16016-8_2. ISBN  978-3-663-15445-7.
48. Коэн, И. Бернард; Джордж Эдвин Смит (2002). Кембриджский компаньон Ньютона. Издательство Кембриджского университета. С. 11–12. ISBN  978-0-521-65696-2.
49. Фейнман, Ричард П. (1963). «7. Теория гравитации». в основном механика, излучение и тепло. Лекции Фейнмана по физике. Том I. Пасадена, Калифорния: Калифорнийский технологический институт (опубликовано в 2013 г.). 7–6 Эксперимент Кавендиша. ISBN  9780465025626. Получено 22 мая, 2019.
50. Пойнтинг 1894
51. Британская энциклопедия 1910 г.
52. Ньютон, И. (1686). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (на латыни).
53. Гиллиспи 1960, п. 144.
54. Чисхолм, Хью, изд. (1911). "Адамс, Джон Коуч". Британская энциклопедия. 1 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 177–178.
55. Эйнштейн, Альберт (1916). «Основы общей теории относительности» (PDF). Annalen der Physik. 49 (7): 769–822. Bibcode:1916AnP ... 354..769E. Дои:10.1002 / andp.19163540702. Получено 2006-09-03.
56. Габер, Хайнц (1967) [1965]. "Die Expansion der Erde" [Расширение Земли]. Unser Blauer Planet [Наша голубая планета]. Rororo Sachbuch [документальная литература о Rororo] (на немецком языке) (Rororo Taschenbuch Ausgabe [Rororo pocket edition] изд.). Рейнбек: Rowohlt Verlag. п. 52. Bibcode:1967ubp..book ..... H. Der englische Physiker und Nobelpreisträger Dirac hat ... vor über dreißig Jahren die Vermutung begin, dass sich das universelle Maß der Schwerkraft im Laufe der Geschichte des Universums außerordentlich langsamert, aber stetig verring. Английский: «Английский физик и лауреат Нобелевской премии Дирак ... более тридцати лет назад обосновал предположение о том, что универсальная сила гравитации уменьшается очень медленно, но неуклонно на протяжении всей истории Вселенной.
57. «Послесвечение Большого взрыва показывает, что Вселенная на 80 миллионов лет старше, чем первоначально думали ученые». Вашингтон Пост. Архивировано из оригинал 22 марта 2013 г.. Получено 22 марта 2013.
58. Бонди, Х. (1957). «Отрицательная масса в общей теории относительности». Обзоры современной физики. 29 (3): 423–428. Bibcode:1957РвМП ... 29..423Б. Дои:10.1103 / revmodphys.29.423.
59. Зеннек, Дж. (1903). «Гравитация». Encyklopädie der Mathematischen Wissenschaften mit Einschluss Ihrer Anwendungen (на немецком). 5. С. 25–67. Дои:10.1007/978-3-663-16016-8_2. ISBN  978-3-663-15445-7. Отсутствует или пусто | название = (Помогите)
60. Лоренц, Х.А. (1900). «Соображения о гравитации» (PDF). Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук (KNAW). 2: 559–574.
61. Томпсон, Сильванус П. (2019). "Лорд Кельвин". Международная электротехническая комиссия. Получено 16 октября, 2019.
62. Уолтер, С. (2007). Ренн, Дж. (Ред.). «Разрушение четырех векторов: четырехмерное движение в гравитации, 1905–1910» (PDF). Генезис общей теории относительности. Берлин. 3: 193–252. Bibcode:2007ggr..conf..193W.
63. Эйнштейн, А (1912). "Lichtgeschwindigkeit und Statik des Gravitationsfeldes". Annalen der Physik (на немецком). 38 (7): 355–369. Bibcode:1912АнП ... 343..355E. Дои:10.1002 / andp.19123430704.
64. Эйнштейн, А (1912). "Zur Theorie des statischen Gravitationsfeldes". Annalen der Physik (на немецком). 38 (7): 443. Bibcode:1912AnP ... 343..443E. Дои:10.1002 / иp.19123430709.
65. Эйнштейн, А., Гроссманн, М. (1913), Zeitschrift für Mathematik und Physik 62, 225
66. Нордстрём, G (1912). "Relativitätsprinzip und Gravitation". Physikalische Zeitschrift (на немецком). 13: 1126.
67. Нордстрём, G (1913). "Zur Theorie der Gravitation vom Standpunkt des Relativitätsprinzips". Annalen der Physik. 42 (13): 533. Bibcode:1913АнП ... 347..533Н. Дои:10.1002 / andp.19133471303.
68. Паис, Авраам (2005). Тонкий Господь: наука и жизнь Альберта Эйнштейна. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-152402-8. OCLC  646798828.
69. Эйнштейн, А .; Фоккер, А. Д. (1914). "Die Nordströmsche Gravitationstheorie vom Standpunkt des Absoluten Differentkalküls". Annalen der Physik. 44 (10): 321–328. Bibcode:1914AnP ... 349..321E. Дои:10.1002 / иp.19143491009.
70. Abbott, Benjamin P .; и другие. (Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Девы) (2016). "Наблюдение гравитационных волн от двойного слияния черных дыр". Phys. Rev. Lett. 116 (6): 061102. arXiv:1602.03837. Bibcode:2016ПхРвЛ.116ф1102А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.116.061102. PMID  26918975. Сложить резюме (PDF).
71. Abbott, B.P .; Abbott, R .; Abbott, T. D .; Acernese, F .; Ackley, K .; Adams, C .; Adams, T .; Addesso, P .; Adhikari, R. X .; Адья, В. Б .; Affeldt, C .; Afrough, M .; Agarwal, B .; Agathos, M .; Agatsuma, K .; Aggarwal, N .; Aguiar, O.D .; Aiello, L .; Ain, A .; Ajith, P .; Allen, B .; Allen, G .; Allocca, A .; Алтын, П. А .; Amato, A .; Ананьева А .; Андерсон, С. Б.; Андерсон, В.Г .; Ангелова, С. В .; и другие. (2017). "Наблюдения за слиянием двойных нейтронных звезд с помощью нескольких мессенджеров". Письма в астрофизический журнал. 848 (2): L12. arXiv:1710.05833. Bibcode:2017ApJ ... 848L..12A. Дои:10.3847 / 2041-8213 / aa91c9. S2CID  217162243.
72. Рэндалл, Лиза (2005). Искаженные проходы: раскрывая скрытые измерения Вселенной. Ecco. ISBN.
73. Feynman, R.P .; Morinigo, F. B .; Wagner, W. G .; Хэтфилд, Б. (1995). Лекции Фейнмана о гравитации. Эддисон-Уэсли. ISBN  978-0-201-62734-3.
74. Зи, А. (2003). Квантовая теория поля в двух словах. Издательство Принстонского университета. ISBN.

Источники

• Гиллиспи, Чарльз Коулстон (1960). Грань объективности: очерк истории научных идей. Издательство Принстонского университета. ISBN  0-691-02350-6.