H θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν συγκαταλέγεται μεταξύ των πλέον καλαίσθητων επιτευγμάτων της θεωρητικής φυσικής. Ενσάρκωσε ένα σπουδαίο εννοιολογικό σημείο καμπής και έδωσε αρκετές αξιοσημείωτες προβλέψεις, προχωρώντας πολύ πέρα από τη θεωρία του Νεύτωνα. Οι σημαντικότερες από αυτές τις προβλέψεις έχουν επιβεβαιωθεί. Με έναν εντυπωσιακό κατάλογο προβλέψεων, οι οποίες σε μεγάλο βαθμό έχουν επιβεβαιωθεί από ποικίλα πειράματα, η γενική σχετικότητα ξεχωρίζει ως μία από τις πλουσιότερες θεωρίες που συνέλαβε ποτέ το ανθρώπινο πνεύμα.
Επίσης, η αξιοπιστία της γενικής σχετικότητας είναι υπεράνω πάσης αμφιβολίας γιατί η θεωρία έχει ελεγχθεί ακόμα και σε πολύ ισχυρά βαρυτικά πεδία, όπως και γιατί η ακρίβεια των πειραμάτων και παρατηρήσεων που έχουν γίνει είναι αρκετή για να αποκλείσει μικρές αλλαγές στην εξίσωση του Αϊνστάιν.
Η εξίσωση της Γενικής Σχετικότητας
Στο αριστερό μέλος τα πεδία 
(x, t) παριστούν τις συνιστώσες της καμπυλότητας στις διάφορες διευθύνσεις του χωροχρόνου σε κάθε χωροχρονικό σημείο, ενώ στο δεξιό μέλος βρίσκουμε ένα πεδίο με πολλές συνιστώσες 
(x, t) το οποίο περιγράφει την πυκνότητα ενέργειας και ορμής στον χωρόχρονο.
(x, t) παριστούν τις συνιστώσες της καμπυλότητας στις διάφορες διευθύνσεις του χωροχρόνου σε κάθε χωροχρονικό σημείο, ενώ στο δεξιό μέλος βρίσκουμε ένα πεδίο με πολλές συνιστώσες (x, t) το οποίο περιγράφει την πυκνότητα ενέργειας και ορμής στον χωρόχρονο.
1. H μετάπτωση του περιηλίου
H δύναμη μεταξύ δύο μαζών, όπως είναι ο Ήλιος και κάποιος πλανήτης, διαφέρει από τον νευτώνειο νόμο του «αντίστροφου τετραγώνου» κατά μερικούς πολύ μικρούς όρους. Παρότι τόσο μικροί, οι όροι αυτοί έχουν ως αποτέλεσμα ο μείζων άξων της ελλειπτικής πλανητικής τροχιάς να μη μένει πλέον σταθερός στον χώρο, αλλά να περιστρέφεται ο ίδιος πολύ πολύ αργά γύρω από τον Ήλιο. Για τον πλησιέστερο πλανήτη, τον Ερμή, αυτή η μετάπτωση ανέρχεται σε περίπου 43 δευτερόλεπτα της μοίρας ανά αιώνα. Οι παρατηρήσεις βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με τη θεωρία.
H δύναμη μεταξύ δύο μαζών, όπως είναι ο Ήλιος και κάποιος πλανήτης, διαφέρει από τον νευτώνειο νόμο του «αντίστροφου τετραγώνου» κατά μερικούς πολύ μικρούς όρους. Παρότι τόσο μικροί, οι όροι αυτοί έχουν ως αποτέλεσμα ο μείζων άξων της ελλειπτικής πλανητικής τροχιάς να μη μένει πλέον σταθερός στον χώρο, αλλά να περιστρέφεται ο ίδιος πολύ πολύ αργά γύρω από τον Ήλιο. Για τον πλησιέστερο πλανήτη, τον Ερμή, αυτή η μετάπτωση ανέρχεται σε περίπου 43 δευτερόλεπτα της μοίρας ανά αιώνα. Οι παρατηρήσεις βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με τη θεωρία.
2. H καμπύλωση του φωτός
Οι φωτεινές ακτίνες επηρεάζονται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου (δηλαδή, από τη βαρυτική δύναμη). Κάτι ανάλογο δεν ισχύει στη νευτώνεια θεωρία. Οι φωτεινές ακτίνες θα πρέπει να κάμπτονται αν διέρχονται πλησίον βαρέων αντικειμένων. Αυτή η πρόβλεψη επιβεβαιώθηκε κατά την ηλιακή έκλειψη του 1919. To προερχόμενο από μακρινά άστρα φως καμπτόταν καθώς περνούσε κοντά από τον Ήλιο, προκαλώντας μια φαινόμενη μετατόπιση των άστρων αυτών σε σχέση με άλλα άστρα. Πιο θεαματικό είναι το φαινόμενο δράσης βαρυτικού φακού, κατά το οποίο, λόγω της υπερβολικής καμπυλότητας, βλέπουμε πολλαπλά είδωλα ενός και του αυτού απόμακρου γαλαξία.
Οι φωτεινές ακτίνες επηρεάζονται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου (δηλαδή, από τη βαρυτική δύναμη). Κάτι ανάλογο δεν ισχύει στη νευτώνεια θεωρία. Οι φωτεινές ακτίνες θα πρέπει να κάμπτονται αν διέρχονται πλησίον βαρέων αντικειμένων. Αυτή η πρόβλεψη επιβεβαιώθηκε κατά την ηλιακή έκλειψη του 1919. To προερχόμενο από μακρινά άστρα φως καμπτόταν καθώς περνούσε κοντά από τον Ήλιο, προκαλώντας μια φαινόμενη μετατόπιση των άστρων αυτών σε σχέση με άλλα άστρα. Πιο θεαματικό είναι το φαινόμενο δράσης βαρυτικού φακού, κατά το οποίο, λόγω της υπερβολικής καμπυλότητας, βλέπουμε πολλαπλά είδωλα ενός και του αυτού απόμακρου γαλαξία.
3. H βαρυτική ερυθρά μετατόπιση
To φως μπορεί να χάνει ή να κερδίζει ενέργεια στο βαρυτικό πεδίο. Αυτό δεν σημαίνει ότι κινείται βραδύτερα ή ταχύτερα, αλλά ότι η συχνότητα του μειώνεται (ερυθρά μετατόπιση) ή αυξάνεται (κυανή μετατόπιση). To συγκεκριμένο φαινόμενο διαδραμάτισε σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψη της διαστολής του Σύμπαντος.
To φως μπορεί να χάνει ή να κερδίζει ενέργεια στο βαρυτικό πεδίο. Αυτό δεν σημαίνει ότι κινείται βραδύτερα ή ταχύτερα, αλλά ότι η συχνότητα του μειώνεται (ερυθρά μετατόπιση) ή αυξάνεται (κυανή μετατόπιση). To συγκεκριμένο φαινόμενο διαδραμάτισε σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψη της διαστολής του Σύμπαντος.
4. Το διαστελλόμενο Σύμπαν
Τις εξισώσεις που περιγράφουν τις αλλαγές στον χωρόχρονο πρέπει να τις υπακούει και ο χωρόχρονος ως όλον. H θεωρία του Αϊνστάιν καθορίζει επακριβώς τη δυναμική του Σύμπαντος. To 1922, ο ρώσος μαθηματικός Aleksandr Friedmann δημοσίευσε στο περιοδικό Zeitschrift fur Physik μια κλάση λύσεων που αντιστοιχούσαν σε διαστελλόμενα σύμπαντα, το 1929 δε, ο Edwin Hubble πραγματοποίησε την υπέροχη ανακάλυψη ότι το Σύμπαν όντως διαστέλλεται.
Τις εξισώσεις που περιγράφουν τις αλλαγές στον χωρόχρονο πρέπει να τις υπακούει και ο χωρόχρονος ως όλον. H θεωρία του Αϊνστάιν καθορίζει επακριβώς τη δυναμική του Σύμπαντος. To 1922, ο ρώσος μαθηματικός Aleksandr Friedmann δημοσίευσε στο περιοδικό Zeitschrift fur Physik μια κλάση λύσεων που αντιστοιχούσαν σε διαστελλόμενα σύμπαντα, το 1929 δε, ο Edwin Hubble πραγματοποίησε την υπέροχη ανακάλυψη ότι το Σύμπαν όντως διαστέλλεται.
5. H βαρυτική ακτινοβολία και τα βαρυτικά κύματα
H θεωρία προβλέπει την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων προκαλούμενων από ισχυρές βαρυτικές επιταχύνσεις σωμάτων τεράστιας μάζας, σε αναλογία με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα της θεωρίας Maxwell. H πρόβλεψη αυτή επιβεβαιώθηκε πλήρως από το 2015, αλλά υπήρχε και μια όμορφη έμμεση ένδειξη για την απώλεια ενέργειας ενός διπλού πάλσαρ λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις για τις οποίες το 1993 απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ φυσικής στους Joseph Taylor και Russell Hulse, βρίσκονται σε εξαίρετη συμφωνία με τους υπολογισμούς που βασίζονται στις εξισώσεις του Αϊνστάιν. Επίσης, το 2017 σε τρεις επιστήμονες, τους Rainer Weiss, Barry Barish και Kip Thorne απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής για την παρατήρηση των κυμάτων βαρύτητας από το LIGO.
H θεωρία προβλέπει την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων προκαλούμενων από ισχυρές βαρυτικές επιταχύνσεις σωμάτων τεράστιας μάζας, σε αναλογία με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα της θεωρίας Maxwell. H πρόβλεψη αυτή επιβεβαιώθηκε πλήρως από το 2015, αλλά υπήρχε και μια όμορφη έμμεση ένδειξη για την απώλεια ενέργειας ενός διπλού πάλσαρ λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις για τις οποίες το 1993 απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ φυσικής στους Joseph Taylor και Russell Hulse, βρίσκονται σε εξαίρετη συμφωνία με τους υπολογισμούς που βασίζονται στις εξισώσεις του Αϊνστάιν. Επίσης, το 2017 σε τρεις επιστήμονες, τους Rainer Weiss, Barry Barish και Kip Thorne απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής για την παρατήρηση των κυμάτων βαρύτητας από το LIGO.
6. Οι μαύρες τρύπες
H θεωρία επεφύλασσε μία ακόμη έκπληξη. Προέβλεπε ιδιόμορφες λύσεις γνωστές ως μαύρες τρύπες, πρόβλεψη η οποία δεν φαινόταν να έχει οποιοδήποτε νόημα τον καιρό που πρωτοδιατυπώθηκε. Ev τω μεταξύ, συσσωρεύονταν όλο και περισσότερες έμμεσες πειραματικές ενδείξεις υπέρ της ύπαρξης τέτοιων αντικειμένων. Μαύρες τρύπες δημιουργούνται όταν ένα βαρύ αστρικό αντικείμενο που έχει αναλώσει πλήρως τα πυρηνικά του καύσιμα καταρρέει υπό την επίδραση της ίδιας της βαρύτητας του, φαινόμενο το οποίο ονομάζεται και υπερκαινοφανής έκρηξη (σουπερνόβα). Έχουν παρατηρηθεί υπερκαινοφανείς εκρήξεις στις οποίες η μάζα είναι τόσο μεγάλη ώστε δεν μπορούμε να ερμηνεύσουμε το γεγονός παρά μόνο ως σχηματισμό μαύρης τρύπας. Εικάζεται επίσης ότι γιγαντιαίες μαύρες τρύπες «εδρεύουν» στα κέντρα γαλαξιών, καταβροχθίζοντας τους λίγο λίγο.
H θεωρία επεφύλασσε μία ακόμη έκπληξη. Προέβλεπε ιδιόμορφες λύσεις γνωστές ως μαύρες τρύπες, πρόβλεψη η οποία δεν φαινόταν να έχει οποιοδήποτε νόημα τον καιρό που πρωτοδιατυπώθηκε. Ev τω μεταξύ, συσσωρεύονταν όλο και περισσότερες έμμεσες πειραματικές ενδείξεις υπέρ της ύπαρξης τέτοιων αντικειμένων. Μαύρες τρύπες δημιουργούνται όταν ένα βαρύ αστρικό αντικείμενο που έχει αναλώσει πλήρως τα πυρηνικά του καύσιμα καταρρέει υπό την επίδραση της ίδιας της βαρύτητας του, φαινόμενο το οποίο ονομάζεται και υπερκαινοφανής έκρηξη (σουπερνόβα). Έχουν παρατηρηθεί υπερκαινοφανείς εκρήξεις στις οποίες η μάζα είναι τόσο μεγάλη ώστε δεν μπορούμε να ερμηνεύσουμε το γεγονός παρά μόνο ως σχηματισμό μαύρης τρύπας. Εικάζεται επίσης ότι γιγαντιαίες μαύρες τρύπες «εδρεύουν» στα κέντρα γαλαξιών, καταβροχθίζοντας τους λίγο λίγο.
7. H κοσμολογική σταθερά
Υπάρχει ο τελευταίος όρος στο αριστερό μέλος με τη λεγόμενη «κοσμολογική σταθερά» A. Στις μέρες μας, στον εν λόγω όρο δίνεται η ερμηνεία ότι αντιπροσωπεύει την ενέργεια του κενού, η οποία στην πραγματικότητα προκαλεί μια βαρυτική άπωση. Πρόσφατα έγινε εντελώς απροσδόκητα σαφές ότι αυτή η μορφή ενέργειας κυριαρχεί στην πυκνότητα ενέργειας του Σύμπαντος, κάνοντας το Σύμπαν να υφίσταται επιτα-χυνόμενη διαστολή. Αυτό υπογραμμίζει τη θεωρητική αντίληψη ότι καθετί που δεν απαγορεύεται από τις αρχές της θεωρίας είναι «υποχρεωτικό» και κάποτε θα αναφανεί στη Φύση.
Υπάρχει ο τελευταίος όρος στο αριστερό μέλος με τη λεγόμενη «κοσμολογική σταθερά» A. Στις μέρες μας, στον εν λόγω όρο δίνεται η ερμηνεία ότι αντιπροσωπεύει την ενέργεια του κενού, η οποία στην πραγματικότητα προκαλεί μια βαρυτική άπωση. Πρόσφατα έγινε εντελώς απροσδόκητα σαφές ότι αυτή η μορφή ενέργειας κυριαρχεί στην πυκνότητα ενέργειας του Σύμπαντος, κάνοντας το Σύμπαν να υφίσταται επιτα-χυνόμενη διαστολή. Αυτό υπογραμμίζει τη θεωρητική αντίληψη ότι καθετί που δεν απαγορεύεται από τις αρχές της θεωρίας είναι «υποχρεωτικό» και κάποτε θα αναφανεί στη Φύση.
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου