Painovoima- ja hitausvoimien vastaavuusperiaate

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 14. elokuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .

Painovoima- ja hitausvoimien ekvivalenssiperiaate on  Albert Einsteinin käyttämä heuristinen periaate johtaessaan yleistä suhteellisuusteoriaa . Sen lyhyt muotoilu: minkä tahansa kappaleen gravitaatio- ja inertiamassat ovat yhtä suuret [1] .

Kaikki gravitaatiokentän fysikaaliset ilmiöt tapahtuvat täsmälleen samalla tavalla kuin vastaavassa hitausvoimien kentässä, jos molempien kenttien vahvuudet vastaavissa avaruuden pisteissä ovat samat ja alkuolosuhteet ovat samat kaikille kappaleille. suljettu järjestelmä [2] .

Kvanttikenttäteorian näkökulmasta ekvivalenssiperiaate on seurausta Lorentzin invarianssin vaatimuksesta massattomien hiukkasten ja spinin vuorovaikutuksen teorialle , koska Lorentzin invarianssin vaatimus johtaa teorian invarianssin mittaamiseen, ja periaate. yleisen kovarianssin, joka on yleistys mittainvarianssin periaatteesta, on matemaattinen ilmaus periaatteen ekvivalenssista [3] [4] [5] [6] [7] [8] .

Einsteinin sanamuoto

Historiallisesti Einstein muotoili ekvivalenssiperiaatteen seuraavasti [9] :

Inertia- ja raskasmassojen yhtäläisyyden laki voidaan muotoilla hyvin selkeästi seuraavasti: tasaisessa gravitaatiokentässä kaikki liikkeet tapahtuvat täsmälleen samalla tavalla kuin tasaisesti kiihtyvässä koordinaattijärjestelmässä gravitaatiokentän puuttuessa. Jos tämä laki täyttyisi jollekin ilmiölle ("ekvivalenssiperiaate"), niin tämä osoittaisi, että suhteellisuusperiaatetta pitäisi laajentaa epätasaisesti liikkuviin koordinaattijärjestelmiin, jos gravitaatiokentän luonnolliseen teoriaan pyritään.-Albert Einstein

Vastaavuusperiaatteen muotoilu:

Einstein-hissi

Tämän periaatteen havainnollistamiseksi Einstein ehdotti seuraavaa ajatuskoetta [11] . Olkoon kappaleet pienessä hississä, joka on äärettömän kaukana gravitaatiokappaleista ja liikkuu kiihtyvällä tahdilla. Tällöin hitausvoima vaikuttaa kaikkiin hissin kappaleisiin, ja näiden voimien vaikutuksen alaiset kappaleet painavat tukea tai jousitusta. Eli ruumiilla on painoa .

Jos hissi ei liiku, vaan roikkuu jonkin gravitoivan massan päällä tasaisessa kentässä, niin kaikilla kappaleilla on myös painoa. Hississä on mahdotonta erottaa näitä kahta voimaa toisistaan. Siksi kaikki mekaaniset ilmiöt tapahtuvat molemmissa hisseissä samalla tavalla.

Einstein yleisti tämän kannan kaikkiin fysikaalisiin ilmiöihin. Esimerkiksi valonsäteen taipuminen gravitaatiokentässä tapahtuu täsmälleen samalla tavalla kuin kiihdytetyssä hississä [12] .

Muistiinpanot

  1. On tehtävä ero "heikon vastaavuuden periaatteen" ja "vahvan vastaavuuden periaatteen" välillä [13] . Vahva ekvivalenssiperiaate voidaan muotoilla seuraavasti: jokaisessa tila-aikapisteessä mielivaltaisessa gravitaatiokentässä voidaan valita "paikallisinertiakoordinaattijärjestelmä", niin että tarkasteltavan pisteen riittävän pienessä ympäristössä lait noudattavat. luonnonlailla on sama muoto kuin ei-kiihdytetyissä karteesisissa SRT , joissa "luonnonlait" tarkoittavat kaikkia luonnonlakeja [14] . Heikko periaate eroaa siinä, että sanat "luonnonlait" korvataan siinä sanoilla "vapaasti putoavien hiukkasten liikelait" [13] . Heikko periaate ei ole muuta kuin gravitaatio- ja inertiassojen havaitun tasa-arvon toinen muotoilu, kun taas vahva periaate on yleistys havainnoista painovoiman vaikutuksesta mihin tahansa fyysiseen kohteeseen.
  2. Usein uskotaan, että ekvivalenssiperiaate on yleisen suhteellisuusteorian ja yleensä monien relativististen painovoimateorioiden perusperiaate, koska väitetään, että ekvivalenssiperiaatteen mukaisesti gravitaatiokenttää voidaan pitää ei - inertiaalinen viitekehys . Tämä pätee vain varauksin. Mikä tahansa ei-inertiaalinen viitekehys erityisessä suhteellisuusteoriassa perustuu edelleen tasaiseen, kaareutumattomaan aika-avaruuteen. Metrinen painovoimateorioissa , joihin yleinen suhteellisuusteoria kuuluu, aika-avaruus on kaareva. Vastaavuuden epätäydellisyyden paljastaa se, että metriikkateorioissa ei yksinkertaisesti ole globaaleja inertiaalisia viitekehyksiä, kaikki järjestelmät ovat ei-inertiaalisia. Edes siirtyminen paikallisesti inertiaaliseen viitekehykseen ei poista aika-avaruuden kaarevuuteen liittyviä gravitaatiovaikutuksia (esimerkiksi geodeettisia poikkeamia tai vuorovesivoimia ). Vain jos tutkittavan järjestelmän mitat valitaan paljon pienemmiksi kuin ominaiskaarevuus, voidaan suunnilleen kaarevuuden fyysiset ilmenemismuodot jättää huomiotta ja saada "ekvivalenssiperiaate". Luonnonlakien tarkassa muotoilussa näkyy vielä paikoin aika-avaruuden kaarevuus, mikä erottaa ne erityissuhteellisuusteorian vastaavista laeista [15] [16] .
  3. Matematiikan näkökulmasta kaikissa metrisissä painovoimateorioissa ekvivalenssiperiaate edellisen kappaleen varauksiin asti seuraa triviaalisti siitä tosiasiasta, että minkä tahansa aika-avaruustapahtuman läheisyydessä on mahdollista ottaa käyttöön paikallisesti geodeettinen koordinaattijärjestelmä tai Riemannilainen koordinaattijärjestelmä [17] , jossa Christoffel-symbolit katoavat tietyssä pisteessä , eli ne ovat yhtä kuin 0. Fysiikassa puhutaan tästä mieluummin paikallisten inertioiden viitekehysten olemassaolona. .

Vastaavuusperiaatteen kokeellinen tarkastus

Eri alkuaineiden atomien putoamiskiihtyvyyksien mittaukset atomiinterferometrillä osoittivat , että ekvivalenssiperiaate täyttyy tarkasti [18] .

Ekvivalenssiperiaatteen vahvaa muotoa on testattu Maan ja Kuun massoille Kuuhun asennettujen kulmaheijastimien korkean tarkkuuden laseretäisyydellä [19] .

Maakokeet, joilla testataan ekvivalenssiperiaatteen heikkoa muotoa mittaamalla eri kappaleiden kiihtyvyyttä, antavat suhteellisen tarkkuuden [19] .

Heikko ekvivalenssiperiaate (inertia- ja raskasmassojen yhtäläisyys) varmistettiin kokeellisesti MICROSCOPE-satelliitilla vuonna 2017 tarkkuudella [20] ja vuonna 2022 tarkkuudella , mikä nosti tarkkuuden 4,6-kertaiseksi [21] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Einstein A. Erityisestä ja yleisestä suhteellisuusteoriasta (julkinen esitys) // Einstein A. Sobr. tieteellinen tr. 4 osassa - M., Nauka, 1965. - Levikki 32 000 kappaletta. - T. 1. - S. 563
  2. ↑ Sivukhin D.V. Fysiikan yleinen kurssi. Mekaniikka. - M., Nauka, 1979. - Levikki 50 000 kappaletta. - Kanssa. 374
  3. ↑ Weinberg, 1975 , s. 312.
  4. ↑ Weinberg, 2001 , s. 337.
  5. ↑ S. Weinberg Feynmanin säännöt kaikille pyörityksille, I Arkistoitu 23. kesäkuuta 2020 Wayback Machinessa , Phys. Rev. 133 B1318-1332 (1964)
  6. ↑ S. Weinberg Feynmanin säännöt kaikille pyörityksille Arkistoitu 25. helmikuuta 2021, Wayback Machine , II, Massless particles, Ib, 134, B882-896 (1964)
  7. ↑ S. Weinberg Fotonit ja gravitonit S-matriisiteoriassa: varauksen säilymisen ja gravitaatio- ja inertiamassan tasa-arvon johtaminen Arkistoitu 6. heinäkuuta 2020 Wayback Machinessa , Ib, 135, B1049-1056 (1964 )
  8. ↑ S. Weinberg Fotonit ja gravitonit häiriöteoriassa: Maxwellin ja Einsteinin yhtälöiden johtaminen, arkistoitu 6. heinäkuuta 2020, Wayback Machine Ib, 138, B988-1002 (1965 )
  9. ↑ "Kootut tieteelliset teokset: Teoksia suhteellisuusteoriasta, 1905-1920" Toimittanut I. E. Tamm, Ya. A. Smorodinsky, B. G. Kuznetsov. [1] Arkistokopio 25. syyskuuta 2014 Wayback Machinessa  - M., Nauka, 1966. - Osa 2. S. 404: "Joitakin huomautuksia yleisen suhteellisuusteorian syntymisestä" = "Einiges über die Entstehung der allgemeinen Relativitätstheorie". George A. Gibsonin säätiön luento, Glasgow [20. kesäkuuta 1933. Glasgow-Jackson.] Gibsonin luento Glasgow'n yliopistossa.
  10. ↑ A. Einstein. "Kuinka minä rakensin suhteellisuusteorian", kääntänyt Masahiro Morikawa Jun Ishiwaran japaniksi tallentamasta tekstistä, Association of Asia Pacific Physical Societies (AAPPS) Bulletin, voi. 15, ei. 2, s. 17-19 (huhtikuu 2005). Einstein muistelee vuoden 1907 tapahtumia keskustelussa Japanissa 14. joulukuuta 1922.
  11. ↑ Einstein A. , Infeld L. Fysiikan evoluutio. - M.-L., OGIZ GosTekhIzdat, 1948. - S. 199-205.
  12. ↑ Mathieu Rouaud. Maailmanlinjat Einsteinin  hississä . – 2021-03-08. - doi : 10.20944/preprints202103.0230.v1 . Arkistoitu alkuperäisestä 9. maaliskuuta 2021.
  13. ↑ 1 2 Weinberg, 1975 , s. 82.
  14. ↑ Weinberg, 1975 , s. 81.
  15. ↑ Laula J. L. Yleinen suhteellisuusteoria. - M . : Ulkomainen kirjallisuus, 1963. - 432 s.
  16. ↑ Fok V.A. Avaruuden, ajan ja painovoiman teoria. - M .: GITTL, 1955. - 504 s.
  17. ↑ Temchin A. N. 2.2. Jotkut yleisesti käytetyt koordinaattijärjestelmien luokat // Einstein-yhtälöt monissa. - M. : Pääkirjoitus URSS, 1999. - 160 s. — ISBN 5-88417-173-0 .
  18. ↑ Vapaan pudotuksen universaalisuuden kvanttitesti ( arkistoitu 7. heinäkuuta 2020 Wayback Machinessa ) // Phys. Rev. Lett. 112, 203002 - Julkaistu 22. toukokuuta 2014.
  19. ↑ 1 2 Turyshev S. G. Yleisen suhteellisuusteorian kokeelliset testit: viimeaikaiset edistysaskeleet ja tulevaisuuden tutkimussuunnat ( Arkistoitu 25. kesäkuuta 2020 Wayback Machinessa ) // UFN , vol. 179, s. 3-34 (2009).
  20. ↑ Fys. Rev. Lett. 119, 231101 (2017). MICROSCOPE-tehtävä: ensimmäiset tulokset ekvivalenssiperiaatteen avaruustestistä . Arkistoitu 2. tammikuuta 2018 Wayback Machinessa .
  21. ↑ Fys. Rev. Lett. 129, 121102 (2022). MIKROKOOPPI-tehtävä: Ekvivalenssiperiaatteen testin lopulliset tulokset

Kirjallisuus

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa