Teoria względności - historia powstania i testów

Teoria wzglednosci - historia powstania i testów

Przemysław Jacewicz

Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika

29 Marca 2010

Przemysław Jacewicz CAMK

Historia teorii wzglednosci

Teoria wzglednosci

Dwie teorie o nazwie „teoria wzglednosci”:• szczególna teoria wzglednosci - opisuje zjawiska mechaniczne i

elektromagnetyczne dla ciał poruszajacych sie ruchemjednostajnym

• ogólna teoria wzglednosci - teoria grawitacji



Teoria wzglednosci






Teoria wzglednosci






Teoria wzglednosci






Teoria wzglednosci






Newtonowska teoria grawitacjiSukcesy newtonowskiej teorii grawitacji:

• zgodny z obserwacjami opis ruchu znanych ciał niebieskich• odkrycie Neptuna na podstawie ruchu Urana

Neptun Perturbacjagrawitacyjna

Urbain Le Verrier John Couch Adams

Problemy wystepujace w teorii:• nieskonczona predkosc oddziaływania grawitacyjnego• niezgodnosc kata ugiecia promieni swietlnych• niewytłumaczalny ruch peryhelium Merkurego




















































Precesja orbity Merkurego

Kilka faktów:

1. precesja - zjawisko zmiany kierunkuosi obrotu obracajacego sie ciała

2. zjawisko precesji wystepuje wklasycznej teorii newtonowskiej -zyroskop

3. w ruchu planet objawia sie jakopowolny ruch peryhelium

[arcsec/stulecie] Przyczyna

5025.6 współrzedne531.4 perturbacje planet

0.0254 spłaszczenie Słonca5557.03 teoria razem

5599.7 obserwowany

ok. 43 RÓZNICA




Kilka faktów:







5599.7 obserwowany

ok. 43 RÓZNICA




Kilka faktów:







5599.7 obserwowany

ok. 43 RÓZNICA




Kilka faktów:







5599.7 obserwowany

ok. 43 RÓZNICA




Kilka faktów:







5599.7 obserwowany

ok. 43 RÓZNICA



Genezy nowej teorii

Motywacja teoretyczna :wyrózniona pozycja inercjalnych układówodniesienia w opisie zjawisk fizycznych opartymna poprzednich teoriach.



Genezy nowej teorii

Motywacja teoretyczna :wyrózniona pozycja inercjalnych układówodniesienia w opisie zjawisk fizycznych opartymna poprzednich teoriach.



1905 - Annus Mirabilis Alberta Einsteina

W 1905 Albert Einstein opublikował cztery artykuły w niemieckimczasopismie naukowym „Annalen der Physik”:

1. artykuł o efekcie fotoelektrycznym - wprowadzenie pojecia kwantówenergii - nagroda Nobla w 1921 roku

2. artykuł o ruchach Browna - ugruntowanie pojecia atomu3. artykuł o szczególnej teorii wzglednosci4. artykuł o równowaznosci materii i energii:

E = mc2







E = mc2







E = mc2







E = mc2







E = mc2







E = mc2







E = mc2







E = mc2



Podstawy szczególnej teorii wzglednosci

Postulaty szczególnej teorii wzglednosci:1. Zasada wzglednosci - prawa fizyki sa jednakowe we wszystkich

układach inercjalnych

Układ inercjalny to układ odniesienia, wzgledem którego kazde ciało,niepodlegajace zewnetrznemu oddziaływaniu z innymiciałami, porusza sie bez przyspieszenia.

2. predkosc swiatła w prózni jest taka sama dla wszystkich obserwatorów

c = 299 792 458 m/s








c = 299 792 458 m/s








c = 299 792 458 m/s








c = 299 792 458 m/s



1907 - wprowadzenie pojecia czasoprzestrzeni

Hermann Minkowski Diagram czasoprzestrzenny Stozek swiatła

W 1907 roku niemiecki matematyk Hermann Minkowski wprowadza pojecieczasoprzestrzeni - zbioru zdarzen czyli punktów o okreslonej współrzednejprzestrzennej i czasowej.

Diagram czasoprzestrzenny ze stozkiem swiatła z oryginalnej pracy Hermanna Minkowskiego















1908 - Zasada Równowaznosci

Najszczesliwsza mysl Alberta Einstaina:

Zasada równowaznosci - wszystkie prawa fizyki (grawitacyjne i niegrawitacyjne)powinny byc identyczne w swobodnie spadajacych układachodniesienia.

Zasada równowaznosci zawiera 3testowalne hipotezy:

1. uniwersalnosc spadku swobodnego

2. niezaleznosc od predkosci swobodniespadajacego układu („windy”)

3. niezaleznosc od miejsca i czasuprzeprowadzenia eksperymentu

























































Grawitacyjne wydłuzenie czasu

Konsekwencja zasady równowaznosci:

Grawitacyjne wydłuzenie czasu to efekt innego upływu czasu w róznych punktachpola grawitacyjnego.

Kilka faktów:

1. efektem obserwowanym jest grawitacyjnepoczerwienienie - przesuniecie długosci falelektromagnetycznych

2. inny efekt jest odpowiedzialny zaprzesuniecie widma odległych gwiazd -prawo Hubble’a

Grawitacyjne poczerwienienie






Kilka faktów:









Kilka faktów:









Kilka faktów:









Kilka faktów:






1911 - ugiecie promieni swiatła

Równiez na podstawie zasady równowaznosci Einstein odkrył zjawisko

ugiecia promieni swietlnych pod wpływem pola grawitacyjnego masywnychobiektów.

Kilka faktów:

1. ugiecie promieni swiatła zostałorówniez przewidziane na gruncieteorii Newtona przez niemieckiegonaukowca Johanna Georga vonSoldnera w 1801 - zarzuty o plagiatwobec Einsteina

2. wynik za duzy o czynnik 2

Johann Georg von Soldner






Kilka faktów:









Kilka faktów:









Kilka faktów:


2. wynik za duzy o czynnik 2Johann Georg von Soldner



1915 - opublikowanie poprawnych równanW 1915 roku Albert Einstein w „Annalen der Physik” opublikował poprawnerównania teorii budowanej przez 10 lat.

1. niepoprawne równania opublikowanena miesiac przed poprawnymi

2. formalnie jako pierwszy poprawnerównania opublikował niemieckimatematyk David Hilbert

3. na poczatku bardzo mały odbiór

Numer „Annalen der Physik” w którymukazały sie równania Einsteina

David Hilbert








David Hilbert








David Hilbert








David Hilbert



Propozycje testów

Trzy klasyczne testy zaproponowane przez Einsteina:1. ruch peryhelium orbity Merkurego - „pół” testu - znana od 1859 roku2. odchylenie promieni swiatła - zaobserwowane w 19193. grawitacyjne poczerwienienie - dokładne pomiary w 1959 roku



Propozycje testów




Propozycje testów




Propozycje testów




Propozycje testów




Propozycje testów




Propozycje testów




Ugiecie promieni swietlnych - opis relatywistyczny

Relatywistyczny wzór na ugiecie:

θ =4GM�

R�c2

Efekty obserwowane na niebie - soczewkowanie grawitacyjne:



1919 - zacmienie Słonca

Pomiary wykonane w 1919 potwierdziłyprzewidywana przez ogólna teorie wzglednosciwartosc odchylenia:

1. pomiary w czasie zacmienia - mozliwoscobserwacji gwiazd blisko tarczy Słonca

2. analiza wyników - Arthur Eddington iFrank Dyson

3. pomiary obarczone duzymi błedami -teoria: 1.75 arcsec

• Princípe: 1.61 ± 0.30 arcsec• Sobral: 1.98 ± 0.12 arcsec

Arthur Eddington (lewo), Frank Dyson (prawo)

Pierwsza strona New York Times’a z 10listopada 1919 roku.











































Grawitacyjne poczerwienienie - potwierdzeniePotwierdzenie eksperymentalne grawitacyjnego poczerwienienia:

1. trudne ze wzgledu na bardzo mały efekt2. pierwotnie w 1925 roku na podstawie spektroskopowych obserwacji Syriusza B3. jednoznacznie potwierdzone w 1959 roku w eksperymencie R.Pound’a i G.

Rebki• grawitacyjne poczerwienienie na długosci 22.5 m• efekt Mössbauer’a wykorzystany do precyzyjnych pomiarów - zjawisko

bezodrzutowej rezonansowej absorpcji lub emisji promieniowania γ przez jadraatomowe

4. potwierdzenie (prawie) codziennie gdy korzystamy z GPS• bez poprawek relatywistycznych - dokładnosc 18 km po 24h

R.Pound (lewo), G.Rebka (prawo) Budynek w którym przeprowadzonoeksperyment
























R.Pound (lewo), G.Rebka (prawo)

Budynek w którym przeprowadzonoeksperyment











































Nowoczesne testy

Nowoczesne testy teorii grawitacji:

1. soczewkowanie grawitacyjne - zaobserwowane 1979

2. efekt grawitacyjnego opóznienia czasu - sondy Viking 1976

3. fale grawitacyjne - podwójne pulsary 1974

4. zjawisko wleczenia układów inercjalnych (efekt Lensa–Thirringa) - sonda„Gravity Probe B” - analiza danych

5. testy kosmologiczne:• rozszerzanie Wszechswiata• reliktowe promieniowanie mikrofalowe• inne... grupowanie galaktyk - „Nature” potwierdzenie teorii wzglednosci do

odległosci ponad 3.5 mld km



Nowoczesne testy










Nowoczesne testy










Nowoczesne testy










Nowoczesne testy










Nowoczesne testy










Nowoczesne testy










Nowoczesne testy










Dziekuje za uwage!



Education

Teoria względności - historia powstania i testów