สัมพัทธภาพในช่วงร้อยปี

สัมพัทธภาพในช่วงร้อยปี

เมื่อฉันเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาเทอมแรกในช่วงปลายทศวรรษที่ 1960 มีคนกล่าวว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือ “สวรรค์ของนักทฤษฎีและนรกของนักทดลอง” มีการทดลองบางอย่างเพิ่งวัดผลกระทบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่มีต่อคลื่นวิทยุเมื่อผ่านดวงอาทิตย์ แต่สนามนี้ถูกครอบงำโดยทฤษฎีและนักทฤษฎี สิ่งนี้ดูเหมือนจะสะท้อนถึงทัศนคติของไอน์สไตน์: แม้ว่าเขาจะมีความเข้าใจ

อย่างลึกซึ้ง

เกี่ยวกับการทำงานของโลกทางกายภาพ แต่เขารู้สึกว่าบรรทัดล่างสุดคือทฤษฎี ดังที่เขาเคยกล่าวไว้อย่างมีชื่อเสียง เมื่อถูกถามว่าเขาจะมีปฏิกิริยาอย่างไรหากมีการทดลองที่ขัดแย้งกับทฤษฎีนี้ “ข้าพเจ้าคงรู้สึกเสียใจต่อพระเจ้าผู้เป็นที่รัก ทฤษฎีนั้นถูกต้อง” ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาสนามก็เปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง 

วันนี้ เมื่อครบรอบหนึ่งร้อยปี ของไอน์สไตน์ การทดลองได้กลายเป็นองค์ประกอบสำคัญของฟิสิกส์แรงโน้มถ่วง ฉันรู้ว่าไม่มีวิธีใดที่จะอธิบายสิ่งนี้ได้ดีไปกว่าการอ้างอิงบทความซึ่งตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้ว นี่เป็นหนึ่งในเอกสารที่รายงานผลจากการดำเนินการทางวิทยาศาสตร์ครั้งแรก แต่ด้วยผู้เขียน 374 คน

จาก 41 สถาบันใน 8 ประเทศ ทำให้ระลึกถึงฟิสิกส์ของอนุภาค ไม่ใช่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ขอบเขตของการทดลองในปัจจุบันตั้งแต่การทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแบบคลาสสิก เช่น การหน่วงเวลาของชาปิโรและการโค้งงอของแสง ผ่านการวัดตามพื้นที่ของ “การลากเฟรม” 

ไปจนถึงการค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงหรือการละเมิดกฎกำลังสองผกผัน เป็นเครื่องยืนยัน สู่ความโน้มถ่วงที่กำลังทดลองอย่างต่อเนื่อง ด้วยข้อมูลทั้งหมดนี้ เรายังแน่ใจได้อีกหรือว่าไอน์สไตน์พูดถูก? การทดสอบฐานรากหัวใจของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคือหลักการสมมูล ซึ่งเป็นแนวคิดที่ไอน์สไตน์

คิดขึ้นสองปีหลังจากที่เขาพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและนำเขาไปสู่ข้อสรุปที่น่าทึ่งว่ามวลและแรงโน้มถ่วงมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับความโค้งของกาลอวกาศ พูดง่ายๆ หลักการสมมูลระบุว่าแรงโน้มถ่วงและความเร่งมีค่าเท่ากัน ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แนวคิดนี้เรียกว่าหลักการสมมูลของไอน์สไตน์

และรวมหลัก

การสามประการที่แยกจากกัน ได้แก่ หลักการสมมูลแบบอ่อน และหลักการ ในพื้นที่และความไม่แปรเปลี่ยนของตำแหน่งในท้องถิ่น หลักการสมมูลแบบอ่อนระบุว่าวัตถุทดสอบตกด้วยความเร่งเท่ากันโดยไม่ขึ้นกับโครงสร้างหรือองค์ประกอบภายใน กล่าวคือมวลโน้มถ่วง 

( โดยที่Fคือแรงดึงดูดระหว่างมวลสองมวลที่ระยะห่างrห่างกัน และGคือค่าคงที่แรงโน้มถ่วงแบบนิวตัน) และมวลเฉื่อย ( mในF  =  maโดยที่ a คือความเร่งที่เกิดจากแรงใดๆF) เหมือนกัน. นอกจากนี้ยังมีหลักการสมมูลเวอร์ชันที่แข็งแกร่งซึ่งไปไกลกว่าเวอร์ชันอ่อน โดยระบุว่าพลังงานความโน้มถ่วงจะตกด้วย

ความเร่งเช่นเดียวกับสสารธรรมดาและพลังงานประเภทอื่นในสนามโน้มถ่วง หลักการของความไม่แปรผันของโลเรนซ์โลเรนซ์ระบุว่าผลของการทดลองไร้แรงโน้มถ่วงในท้องถิ่นใดๆ ที่ดำเนินการในกรอบอ้างอิงที่ตกลงมาอย่างอิสระนั้นไม่ขึ้นกับความเร็วของกรอบนั้น ในขณะที่หลักการความไม่แปรเปลี่ยน

ของตำแหน่งเฉพาะที่ถือว่าผลลัพธ์ของความไม่แปรผันของตำแหน่งโลเรนซ์ในท้องถิ่นใดๆ การทดลองเรื่องแรงโน้มถ่วงนั้นไม่ขึ้นอยู่กับสถานที่และเวลาใดในเอกภพ ในบริบทนี้ “เฉพาะที่” หมายถึงพื้นที่และเวลาขนาดเล็กที่เหมาะสม ในขณะที่ “การตกอย่างอิสระ” หมายถึงการตกอย่างอิสระภายใต้แรงโน้มถ่วง

โดยไม่มี

แรงอื่นใดกระทำแม้ว่าไอน์สไตน์จะใช้หลักการนี้เพื่อหาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่หลักการสมมูลของเขาบอกเป็นนัยว่าความโน้มถ่วงจะต้องอธิบายโดย “ทฤษฎีเมตริก” ซึ่งเป็นทฤษฎีที่สสารตอบสนองต่อรูปทรงเรขาคณิตของกาลอวกาศและไม่มีอะไรอย่างอื่น อย่างไรก็ตาม 

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่ได้เป็นเพียงทฤษฎีเมตริกของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น และตัวอย่างอื่นๆ ยังรวมถึงทฤษฎี “สเกลาร์-เทนเซอร์” เมื่อพูดถึงการทดสอบทฤษฎีเมตริกของแรงโน้มถ่วง เราจำเป็นต้องแยกความแตกต่างระหว่างขีดจำกัดฟิลด์อ่อนซึ่งใช้ได้ในระบบสุริยะและสนามแรง ระบอบการปกครอง

ที่จำเป็นในการอธิบายภูมิภาคที่แรงโน้มถ่วงมีความแข็งแกร่งมาก เช่น ในบริเวณใกล้เคียงของหลุมดำหรือดาวนิวตรอน หากเรามีความทะเยอทะยานจริงๆ เราอาจพยายามอธิบายสถานการณ์ที่แรงโน้มถ่วงรุนแรงและเอฟเฟกต์ควอนตัมมีความสำคัญ เช่น ในช่วงบิ๊กแบง แต่นั่นเป็นคนละเรื่องกัน 

ในทฤษฎีที่ไม่ใช่เมตริก สสารสามารถตอบสนองต่อสิ่งอื่นนอกเหนือจากเรขาคณิตของกาลอวกาศ และสิ่งนี้อาจนำไปสู่การฝ่าฝืนหลักการสมมูลของไอน์สไตน์อย่างน้อยหนึ่งส่วน ตัวอย่างเช่น ในทฤษฎีสตริงที่พยายามรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับพลังธรรมชาติอีกสามแรง หลักการความเท่าเทียมถูกละเมิด

เพราะสสารสามารถตอบสนองต่อสนามระยะไกลเพิ่มเติมได้ การค้นหาการละเมิดหลักการสมมูลของไอน์สไตน์จึงเป็นวิธีที่ดีในการค้นหาฟิสิกส์ใหม่ที่นอกเหนือจากทฤษฎีเมตริกมาตรฐานของแรงโน้มถ่วงในความสมดุลในการทดสอบหลักการสมมูลแบบอ่อน เราจะเปรียบเทียบความเร่งของวัตถุสองชิ้น

ที่มีองค์ประกอบต่างกันในสนามโน้มถ่วงภายนอก การทดลองดังกล่าวมักถูกเรียกว่าการทดลอง ตามชื่อนักฟิสิกส์ชาวฮังการี ผู้ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการทดลองเกี่ยวกับสมดุลของแรงบิดซึ่งเป็นรากฐานสำหรับแนวคิด เกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในเครื่องชั่งแบบทอร์ชั่นบาลานซ์ วัตถุสองชิ้น

ที่ทำจากวัสดุต่างกันจะถูกแขวนไว้ที่ปลายแท่งที่มีลวดหรือเส้นใยละเอียดรองรับ จากนั้นเราจะมองหาความแตกต่างในความเร่งในแนวนอนของวัตถุทั้งสองซึ่งแสดงให้เห็นโดยการหมุนแกนเพียงเล็กน้อย แหล่งที่มาของแรงโน้มถ่วงในแนวนอนอาจเป็นดวงอาทิตย์ มวลขนาดใหญ่ในห้องทดลอง 

เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์