AstroAlb-Astronomy

AstroAlb-Vendi ku astronomia flet shqip

Relativiteti i përgjithshëm

Relativiteti i përgjithshëm ose Teoria e relativitetit të përgjithshëm është një teori gjeometrike e gravitacionit e publikuar nga Albert Ajnshtajni1915. Në fizikën moderne teoria konsiderohet si një nga përshkrimet më të përkryera të gravitetit. Ajo unifikon relativitetin special dhe ligjin Njutonian të gravitetit universal, dhe e përshkruan gravitetin si një veti gjeometrike të hapësirës dhe kohës, ose hapësirë-kohës. Në veçanti, kurbatura e hapësirë-kohës është e lidhur direkt me momentin katër-dimensional (relacioni mbi masë-energjinë dhe momentin linear) ose çfarëdo lënde dhe rrezatimi që mund të jenë të pranishme. Relacioni jepet në mënyrë specifike nga ekuacionet e fushës të Ajnshtajnit, një sistem ekuacionesh diferenciale pjesore.

Parashikimet e relativitetit të përgjithshëm ndryshojnë shumë nga ato të fizikës klasike, veçanërisht përsa i përket rrjedhës së kohës, gjeometrisë së hapësirës, lëvizjes së trupave gjatë rënies së lirë, dhe propagimit të dritës. Shembuj të këtyre ndryshimeve përfshinë bymimin gravitacional të kohës, zhvendosjen gravitacionale të dritës, dhe vonesën kohore gravitacionale. Parashikimet e relativitetit të përgjithshëm janë konfirmuar në të gjitha observimet dhe eksperimentet e deri tanishme. Edhe pse relativiteti i përgjithshëm nuk është e vetmja teori relativiste e gravitetit, ajo është teoria më e thjeshtë që është konsistente me të dhënat eksperimentale. Megjithatë pyetje të papërgjigjura ngelen akoma, më themelorja e të cilave është se si mundet që teoria e relativitetit të përgjithshëm të bashkohet me ligjet e fizikës kuantike në mënyrë që të japë një teori të plotë dhe të vetë-qëndrueshme të gravitetit kuantik.

Teoria e Ajnshtajnit ka aplikime të rëndësishme astrofizike. Ajo dëshmon rreth ekzistencës së vrimave të zeza — rajone të hapësirës në të cilat hapësira dhe koha janë të deformuara në një mënyrë të tillë që as drita nuk mund të largohet — këto objekte janë gjendjet finale për yjet masivë. Ka evidenca se vrima të zeza yjore si dhe varietete më masive të vrimave te zeza janë të përgjegjshme për rrezatiminintensiv të lëshuar nga disa objekte astronomike si bërthamat galaktike aktive ose mikrokuazarët. Përkulja e dritës nga graviteti çon në fenomenin e lentës gravitacionale, ku imazhe të shumëfishta të të njëjtit objekt të largët astronomik janë të dukshme në qiell. Relativiteti i përgjithshëm parashikon gjithashtu ekzistencën e valëve gravitacionale, të cilat janë matur në mënyrë indirekte ; një matje direkte është qëllimi kryesor i projekteve si LIGO. Për më tepër, relativiteti i përgjithshëm formon themelin e modeleve kontemporane kozmologjike të universit në zgjerim.

      Një vrimë e zezë e simuluar me një masë totale prej dhjetë masash diellore siç shikohet nga një distancë prej 600 kilometrash me Udhën e Qumështitnë sfond.

Historia

Pas publikimit të teorisë së relativitetit special1905, Ajnshtajni filloi të mendonte se si të inkorporonte gravitetin në themelin e ri relativist. Ne 1907, duke filluar me një eksperiment mendorte thjeshte që përfshinte një vëzhgues në rënie të lire, ai filloi atë çka do të bëhej një periudhe kërkimi tete-vjeçare për një teori relativiste graviteti. Pas shumë mundimesh dhe rrugësh pa krye, puna e tij u kulminua në nëntor të 1915 me prezantimin para Akademisë Prusiane të Shkencave me ato që tani njihen si ekuacionet e fushës të Ajnshtajnit. Këto ekuacione specifikojnë se si gjeometria e hapësire kohës influencohet nga prezenca e lendes, ato formojnë bazën e teorisë së relativitetit të përgjithshëm të Ajnshtajnit.[1]

Ekuacionet e fushës te Ajnshtajnit janë jolineare dhe si rrjedhoje shumë të vështira për tu zgjidhur. Ajnshtajni përdori përafrime për të marrë parashikimet fillestare të teorisë. Por që në fillim të 1916, astrofizikani Karl Schwarzschild gjeti zgjidhje e pare ekzakte jo-triviale te ekuacioneve të fushës të Ajnshtajnit, te ashtuquajturën metrika e Shvarccildit. Kjo zgjidhje hodhi themelet për përshkrimin e fazave finale te kolapsit gravitacional, ne objekte kozmike që sot njihen si vrimat e zeza. Në të njëjtin vit, hapat e para drejt përgjithësimit të zgjidhjes së Shvarccildit në objekte të ngarkuara elektrikisht u morën, të cilat eventualisht rezultuan në zgjidhjen Reissner-Nordström, që tani lidhet me vrima të zeza të ngarkuara.[2]1917, Ajnshtajni e aplikoi teorinë e tij mbi të gjithë universin, duke i dhëne lindje fushës të kozmologjisë relativiste. Në linje me mendimet e kohës, ai hipotezoi se universi që statik, kështu që ai shtoi një parametër të ri mbi ekuacionet origjinale të fushës — konstanten kzomologjike — në mënyre që të riprodhonte këto “vëzhgime”.[3] Megjithatë në 1929, puna e Habellit dhe të tjerëve tregoi se universi po zgjerohej. Kjo shpjegohet nga zgjidhjet kozmologjike zgjeruese të gjetura nga Friedmann1922, të cilat nuk kërkojnë prezencën e një konstanteje kozmologjike. Lemaître i përdori këto zgjidhje për të formuluar versionet më të hershme të modeleve të big bangut, në të cilat universi ynë ka evoluar nga një gjendje shumë e nxehte dhe shumë e dendur.[4] Ajnshtajni më vonë deklaroi se shtimi i konstantes kozmologjike që gabimi më i madh i jetës së tij.[5]

Gjate asaj periudhe, relativiteti i përgjithshëm ngeli si një objekt kurioziteti midis teorive të atëhershme fizike. Edhe pse ishte e qarte që teoria ishte superiore në krahasim me gravitetin Njutonian, dhe parimet e teorisë ishin konsistente me relativitetin special si dhe në të njëjtën kohe ajo shpjegonte shumë efekte të pashpjeguara nga teoria Njutoniane. Vete Ajnshtajni në 1915 tregoi se si teoria e tij shpjegonte përparimin anormal të perihelit të planetit të Mërkuri pa futur parametra arbitrare (“faktore pa baza”).[6] Gjate kësaj kohe, në 1919 një ekspedite e udhëhequr nga Edingtoni konfirmoi parashikimin e relativitetit të përgjithshëm për përkuljen e dritës yjore nga dielli,[7] duke e bërë Ajnshtajnin menjëherë një personazh të famshëm në skenën publike.[8] Megjithatë teoria hyri në skenën e fizikës teorike dhe astrofizikës vetëm me zhvillimet të bëra midis viteve 1960 dhe 1975, periudhe që tani njihet si Koha e arte e relativitetit të përgjithshëm. Fizikanet filluan të kuptonin konceptin e vrimës së zeze, dhe i identifikuan këto objekte astronomike si kuazare.[9] Më vonë teste akoma më të sakta vazhduan të konfirmojnë fuqinë parashikuese të teorisë,[10] dhe kozmologjisë relativiste, e cila, gjithashtu u be objekt i konfirmimeve eksperimentale.[11]

Nga mekanika klasike tek relativiteti i përgjithshëm

Relativiteti i përgjithshëm kuptohet më mirë duke ekzaminuar ngjashmëritë dhe tiparet dalluese nga fizika klasike. Hapi i pare është të kuptuarit e faktit se mekanika klasike dhe ligjet e Njutonit të gravitetit pranojnë një përshkrim gjeometrik. Kombinimi i këtij përshkrimi me ligjet e relativitetit special rezulton në një derivim heuristik të relativitetit të përgjithshëm.[12]

Gjeometria e gravitetit Njutonian

Në themel të mekanikës klasike është ideja se lëvizja e objekteve mund të përshkruhet si një kombinim i lëvizjes së lirë (ose inerciale), dhe devijimet nga kjo lëvizje. Devijime të tilla shkaktohen nga forca të jashtme që veprojnë mbi trupin sipas ligjit të dyte të Njutonit, i cili pohon se forca që vepron mbi një trup është e barabarte me masën inerciale të trupit herë nxitimine tij.[13] Lëvizja e preferuar inerciale lidhet me gjeometrinë e hapësirës dhe kohës : në një sistem standard reference të mekanikës klasike, objektet në lëvizje të lirë lëvizin në vijë të drejtë me shpejtësi konstante. Në zhargonin teknik, trajektoret e tyre janë gjeodezikë, vija botërore të drejta në hapësirë-kohë.[14]

Një top që bie në shesh në një raketë që kryen lëvizje të nxituar (majtas), dhe në Tokë(djathtas)

Nga ana tjetër, njëri mund të mendojë se lëvizja inerciale, po të identifikohet duke vëzhguar lëvizjen aktuale të trupave si dhe duke marre parasysh efektin e forcave të jashtme (si elektromagnetizmi ose të fërkimit), mund të përdoret për të përcaktuar gjeometrinë e hapësirës, si dhe të koordinatës kohore. Megjithatë, këtu kemi një dilemë kur marrim parasysh rolin e gravitetit. Sipas ligjit të gravitetit të Njutonit, i cili u verifikua eksperimentalisht nga eksperimente si ato të Eötvös dhe pasardhëseve të tij (shikoni eksperimenti i Eötvös), ekziston një universalizëm i rënies së lirë (i njohur gjithashtu si principi i dobët i ekuivalencës, ose barazimi universal i masës gravitacionale pasive dhe masive) : trajektorja e një trupi proverënie të lire varet vetëm tek pozicioni dhe shpejtësia fillestare e tij, por jo në vetitë materiale të trupit.[15] Një version i thjeshtuar i këtij parimi është i përfshirë në eksperimentin e ashensorit të Ajnshtajnit, i ilustruar në figurën në të djathtë : për një vëzhgues në një dhomë të vogël të mbyllur, është e pamundur të vendosësh, vetëm në bazë të trajektores së përshkruar nga trupa si për shembull një top në rënie të lire, nëqoftëse dhoma është në prehje në fushën gravitacionale, ose në prehje në një hapësire brenda një rakete që lëviz me nxitim lart.[16]

Me universalitetin e rënies së lire, del se nuk ka ndonjë dallim të vëzhgueshem midis lëvizjes inerciale dhe lëvizjes nën influencën e një forcë gravitacionale. Kjo sugjeron përcaktimin e një klase të re të lëvizjes inerciale, pra te objekteve në rënie të lire nën influencën e gravitetit. Kjo klase e re e lëvizjeve të preferuara, përcakton gjithashtu, gjeometrinë e hapësirës dhe kohës në terma matematike, ajo është lëvizja gjeodezike e lidhur me një lidhje specifike që varet tek gradienti i potencialit gravitacional. Hapësira në këtë ndërtim, akoma zotëron një gjeometri Euklidiane. Megjithatë, hapësirë koha si e tërë është me e komplikuar se kaq. Duke përdorur eksperimente mendore të thjeshta mund të tregohet se po të ndjekim trajektoren në rënie të lire të thërrmijave të ndryshme provash, rezultati i transportimit te vektorëve të hapësirë-kohës që tregojnë shpejtësinë e thërrmijës (vektorë kohore) do të variojë me trajektoren e thërrmijës ; nga pikëpamja matematike, lidhja Njutoniane nuk është e integrueshme. Nga kjo, mund të deduktojmë se hapësirë-koha është e kurbuar. Rezultati është një formulim gjeometrik i gravitetit Njutonian duke përdorur vetëm koncepte kovariante, pra një përshkrim i cili është i sakte në çdo sistem koordinativ.[17] Në këtë përshkrim gjeometrik, efektet valore — nxitimi relativ i trupave në rënie të lire — është i lidhur me derivatin konektiv, që tregon se si gjeometria e modifikuar shkaktohet nga prezenca e masës.[18]

Përgjithësimi relativistik

Edhe pse graviteti Njutonian është një teori intriguese, themeli i saj është, mekanika klasike e cila është thjesht, rasti limit i mekanikës relativiste (speciale).[19] Në gjuhën e simetrisë : kur graviteti mund të neglizhohet, fizika posedon një invariance Lorenciane si në relativitetin special në krahasim me invariancën e Galileutnë mekanikën klasike (Simetria përcaktuese e relativitetit special është grupi i Poincaré që përfshin translatimet dhe rrotullimet). Dallimet mes të dyjave bëhen të mëdha kur merremi me shpejtësi që përafrohen me shpejtësinë e dritës, dhe fenomene të tjera të energjisë së lartë.[20]

Simetria e Lorencit sjell me veten saj disa struktura shtese të cilat luanje role të rëndësishme. Ato përcaktohen nga një set konesh dritore (shikon figurën në të djathte). Konet dritore përcaktojnë një strukture kauzale : për çdo ngjarje A, ekziston një bashkësi ngjarjesh që në parim ose influencojnë ose mund të influencohen nga A nëpërmjet sinjaleve ose bashkëveprimeve që nuk mund të udhëtojnë më shpejt se drita (si ngjarja B tek figura), dhe një bashkësi ngjarjesh për të cilat influencimi është i pamundur (si ngjarja C tek figura). Këto bashkësi janë të pavarura nga vëzhguesi.[21] Në lidhje me vijat botërore të thërrmijave në rënie të lire, koni dritor mund të përdoret për të rindërtuar një metrike semi-Rimaniane hapësinore kohore, të paktën deri tek një faktor skalar pozitiv. Në terma matematike, kjo përcakton një strukture konformale.[22]

Relativiteti special përcaktohet në mungesë të gravitetit, kështu që për aplikime praktike, ai është i mundur vetëm kur graviteti mund të neglizhohet. Po të sjellim në loje gravitetin dhe të marrim parasysh se rënia e lire është universale, një logjike analoge mund të aplikohet si ne seksionin e mëparshëm : pra nuk ekzistojnë sisteme inerciale referimi globale. Në vend të tyre kemi kënde të përafërta inerciale që lëvizin përkrah thërrmijave në rënie të lire. E përkthyer në gjuhën e hapësirë kohës : vijat e drejta janë vija kohore që përcaktojnë një kënd inercial pa gravitet janë të shndërruara në vija që janë të përkulura në lidhje me njëra tjetrën, të cilat sugjerojnë që përfshirja e gravitetit kërkon një ndryshim të gjeometrisë së hapësirë kohës.[23]

Ekuacionet e Ajnshtajnit

Formulimi i versionit gjeometrik, relativistik të efekteve të gravitetit çon tek çështja e burimit të gravitetit. Në gravitetin Njutoninan burimi është masa. Në relativitetin special, masa del të jetë pjesë e një madhësie me të përgjithshme të quajtur tensori i energji-momentit, i cili përfshin si dendësinë e energjisë ashtu edhe atë te vrullit si dhe stresin (pra, shtypjen dhe shkarjen).[24]Duke përdorur parimin e ekuivalencës, ky tensor mund të përgjithësohet lehtësisht në hapësirë-kohën e kurbuar. Duke përdorur më tej analogjinë me gjeometrinë e gravitetit Njutonian, është e natyrshme të hipotezojmë se ekuacionet e fushës për gravitetin e lidhin këtë tensor me tensorin e Riçit, i cili përshkruan një klasë të caktuar te efekteve valor : ndryshimi në volum për një re të vogël të thërrmijave prove që zakonisht janë në prehje, dhe me pas janë në rënie të lire. Në relativitetin special, konservimi i energjisë dhe momentit (impulsit) i korrespondon pohimit se tensori i energji-momentit është i lire nga divergjenca. Kjo formulë, gjithashtu, mund të përgjithësohet në hapësirë-kohën e kurbuar duke zëvendësuar derivatet pjesore me manifoldet – e kurbura korresponduese, derivatet kovariante të studiuara në gjeometrinë diferenciale. Me këtë konditë shtese – divergjenca kovariante e tensorit të energji-momentit, dhe çfarëdo që është në anën tjetër të ekuacionit, është zero — bashkësia më e thjeshte e ekuacioneve janë ato që quhen ekuacionet (e fushës) të Ajnshtajnit :

{\displaystyle R_{ab}-{\textstyle 1 \over 2}R\,g_{ab}=\kappa T_{ab}.\,}{\displaystyle R_{ab}-{\textstyle 1 \over 2}R\,g_{ab}=\kappa T_{ab}.\,}

Në anën e majtë kemi kombinimin specifik që është i lirë nga divergjenca të tensorit të Ricit {\displaystyle R_{ab}}{\displaystyle R_{ab}} dhe metrikën e njohur si Tensori i Ajnshtajnit. Në veçanti,

{\displaystyle R=R_{cd}g^{cd}\,}{\displaystyle R=R_{cd}g^{cd}\,}

është kurbatura skalare. Tensori i Ricit ne vetvete është i lidhur me tensorin e kurbaturës së Rimanit i cili është me i përgjithshëm nga relacioni

{\displaystyle \quad R_{ab}={R^{d}}_{adb}.\,}{\displaystyle \quad R_{ab}={R^{d}}_{adb}.\,}

Në anën e djathte, Tab kemi tensorin e energji-momentit. Të gjithë tensorët shkruhen në notacionin e indeksit abstrakt.[25] Parashikimet e teorisë janë ballafaquar me rezultatet observuese për orbitat planetare (ose, për regjimin e gravitetit të dobët, limiti i shpejtësisë së ulet është ai i mekanikes Njutoniane), konstantja e proporcionalitetit mund të fiksohet si κ = 8πG/c4, me Gkonstantja gravitacionale dhe c shpejtësia e dritës.[26] Kur lënda nuk është e pranishme, në mënyre që tensori i energji momentit të zhduket marrim ekuacionet e Ajnshtajnit në vakum,

{\displaystyle R_{ab}=0.\,}{\displaystyle R_{ab}=0.\,}

Ka disa alternativa te relativitetit të përgjithshëm të ndërtuara mbi të njëjtat premisa, të cilat përfshinë rregulla shtese dhe disa kondita të tjera, të cilat japin ekuacione të ndryshme të fushës. Shembuj janë Teoria Brans-Dicke, teleparalelizmi, dhe teoria e Ajnshtajn-Kartanit.[27]

Lentja gravitacionale

Shmangja e dritës nga graviteti është përgjegjëse për një klasë të re fenomenesh astronomike. Nëse një objekt masiv është i vendosur midis astronomit dhe një objekti të largët me masë të caktuar dhe distancë relative të përshtatshme, astronomi do të shohi imazhe të shumta të shtrembëruara në mënyrë të caktuar. Efektet të tilla janë të njohur si lente gravitacionale .[81] Në varësi të konfigurimit, shkallës, dhe shpërndarjes masive, mund të ketë dy ose më shumë imazhe, një rrjet të shkëlqyer të njohur si unaza e Ajnshtajnit, apo unaza të pjesshme që quhen harqe.[82]

Shembujt më të hershëm u zbuluan në vitin 1979 ;[83] qysh atëherë, më shumë se njëqind lente gravitacionale janë vërejtur. Imazhe [84] edhe nëse imazhet janë shumë të afërt dhe të shumëfishtë efektet e tyre ende mund të maten, p.sh., si një përgjithësim i shkëlqimit të objektit të vërejtur, një numër “ngjarjesh mikrolente” janë vërejtur.[85]

Lentja gravitacionale është zhvilluar në një mjet thelbësor të astronomisë observuese. Ajo është përdorur për të zbuluar praninë dhe shpërndarjen e materies së errët, duke paraqitur kështu një teleskop “natyror” për vëzhgimin e galaktikave të largëta, dhe për të marrë një vlerësim të pavarur të konstantes së Habellit. Vlerësime statistikore të të dhënave të lenteve gravitacionale japin informacione të vlefshme në evoluimin strukturor të galaktikave.

Astronomia gravitacionale valore

Vëzhgimet e pulsareve binare japin dëshmi të forta të tërthorta për ekzistencën e valëve gravitacionale (shih Zvogëlimi i orbitës, më lart). Mirëpo, valët gravitacionale duke arritur tek ne nga thellësitë e kozmosit nuk janë zbuluar në mënyre të drejtpërdrejtë, e cila është një objektiv i madh i kërkimeve aktual shkencore në teorinë e relativitetit.[87] Disa detektore gravitacionale valësh të bazuar në tokë janë aktualisht në veprim, më posaçërisht detektori interferometrik gjeo 600, LIGO (tre detektorë), tama 300 dhe VIRGO.[88] Një detektor i bazuar në hapësirë është projekti, LISA, është aktualisht nën zhvillim,[89] me një mision pararendës LISA Pathfinder) e duhur për të fillojë në fund të 2009.[90]

Vëzhgimet e valëve gravitacionale premtojnë plotësimin e vëzhgimeve në spektrin elektromagnetike.[91] Ata pritet të japin informacion në lidhje me vrimat të zeza dhe objekte të tjera të dendur si dhe yjet neutronike, xhuxha të bardhë, rreth llojeve të caktuara të shpërthimeve supernova, dhe për proceset në universin shumë e herët, duke përfshirë edhe nënshkrimin e llojeve të caktuara të kordave kozmik hipotetike

Perditesimi per here te fundit 4 nentor,2016.

 

Advertisements
%d bloggers like this: