Obecná teorie relativity: Porovnání verzí
Smazaný obsah Přidaný obsah
→Historie: menší úpravy stylu |
časoprostor na terminologicky správnější prostoročas, úpravy stylu značka: ukliknutí |
||
Řádek 1:
{{Upravit|Nesmyslná, chybná nebo zavádějící terminologie a formulace}}
[[Soubor:Spacetime_curvature.png|náhled|Dvoudimenzionální znázornění zakřivení
[[Soubor:BBH gravitational lensing of gw150914.webm|náhled|
'''Obecná teorie relativity''' je [[Teoretická fyzika|fyzikální teorie]] [[gravitace]] publikovaná [[Albert Einstein|Albertem Einsteinem]] v roce [[1915]] a popis gravitace běžně užívaný v moderní fyzice. Obecná teorie relativity zobecňuje [[Speciální teorie relativity|speciální relativitu]] a [[Newtonův gravitační zákon]] do jednotného popisu gravitace jako [[Diferenciální geometrie|geometrické]] vlastnosti [[prostor (fyzika)|prostoru]] a času neboli
Některé předpovědi obecné teorie relativity se významně liší od předpovědí [[Klasická fyzika|klasické fyziky]], zejména pokud jde o plynutí času, geometrii prostoru, pohyb těles při [[volný pád|volném pádu]] a šíření světla. K příkladům těchto rozdílů patří gravitační [[dilatace času]], [[Gravitační čočka|gravitační čočky]], gravitační [[Rudý posuv|rudý posuv světla]] a [[Shapirův efekt|gravitační časové zpoždění]]. Všechny doposud provedené pokusy a pozorování předpovědi obecné teorie relativity potvrdily. Existují i jiné relativistické teorie gravitace, ale obecná teorie relativity je [[Occamova břitva|nejjednodušší teorie]], která je v souladu s experimentálními daty. Přesto zůstávají nezodpovězené otázky, zejména vyřešení rozporů mezi teorií relativity a zákony [[Kvantová fyzika|kvantové fyziky]], které by umožnilo obě teorie spojit do jedné úplné a vnitřně konzistentní teorie [[Kvantová gravitace|kvantové gravitace]].
Řádek 18:
Během tohoto období zůstávala obecná teorie relativity mezi fyzikálními teoriemi poněkud kuriozitou. Jasně převyšovala Newtonův gravitační zákon, neboť byla v souladu se [[Speciální teorie relativity|speciální teorií relativity]] a vyřešila několik jevů nevysvětlitelných Newtonovou teorií. Einstein sám ukázal už v roce 1915, jak jeho teorie vysvětluje anomálii ve [[Stáčení perihelia Merkuru|stáčení perihelia planety Merkur]] bez jakýchkoliv umělých parametrů.<ref>{{Harvnb|Pais|1982|pp=253–254}}</ref> Expedice vedená [[Arthur Eddington|Arthurem Eddingtonem]] podobně v roce 1919 potvrdila předpověď obecné teorie relativity pro stáčení paprsků od Slunce během úplného zatmění Slunce dne 29. května 1919<ref> {{Harvnb|Kennefick|2005}} {{Harvnb|Kennefick|2007}}</ref>, což Einsteina okamžitě proslavilo.<ref>{{Harvnb|Pais|1982|loc=ch. 16}}</ref> Přesto teorie vstoupila do hlavního proudu [[Teoretická fyzika|teoretické]] fyziky a [[Astrofyzika|astrofyziky]] teprve s velkými pokroky přibližně mezi lety 1960 a 1975, nyní známých jako zlatý věk obecné teorie relativity.<ref> {{Citace monografie|titul=The future of theoretical physics and cosmology: celebrating Stephen Hawking's 60th birthday |kapitola=Warping spacetime |jméno=Kip |příjmení=Thorne |vydavatel=Cambridge University Press |datum vydání=2003 |isbn=0-521-82081-2 |strany=74 |url=https://books.google.com/books?id=yLy4b61rfPwC|ref=harv}} [https://books.google.com/books?id=yLy4b61rfPwC&pg=PA74 Extrakt na straně 74]</ref> Fyzikové začali chápat koncept černé díry a identifikovat [[kvasar]]y jako jeden z astrofyzikálních projevů těchto objektů.<ref> {{Harvnb|Israel|1987|loc=ch. 7.8–7.10}} {{Harvnb|Thorne|1994|loc=ch. 3–9}}</ref> Stále přesnější testy ve sluneční soustavě potvrdily predikční sílu teorie a relativistická kosmologie se také stala přístupnou pro přímé pozorovací testy.<ref>{{Harvnb|Overbye|1999}}</ref>
V průběhu let získala obecná teorie relativity pověst jako teorie mimořádné krásy.<ref>{{Harvnb|Landau|Lifshitz|1975|loc=p. 228}} „… ''obecnou teorie relativity'' … zavedl Einstein a představuje pravděpodobně nejkrásnější ze všech existujících fyzikálních teorií.“</ref><ref>{{Harvnb|Wald|1984|loc=str. 3}}</ref><ref>{{Harvnb|Rovelli|2015|loc=pp. 1–6}}„Obecná teorie relativity není jen mimořádně krásná fyzikální teorie, která poskytuje nejlepší popis gravitační interakce, kterou doposud máme. Je to víc.“</ref> Podle astrofyzika [[Subrahmanyan Chandrasekhar|Subrahmanyana Chandrasekhara]] obecná teorie relativity vykazuje na vícero úrovních to, co [[Francis Bacon]] nazýval „podivnost v proporcích“ (''tj''. prvky, které vzbuzují úžas a překvapení). Teorie klade proti sobě základní pojmy (prostor a čas ''versus'' hmota a pohyb), které byly dříve považovány za zcela nezávislé. Chandrasekhar také poznamenal, že Einsteinovými jedinými vodítky při hledání přesné teorie byl [[princip ekvivalence]] a jeho cit, že správný popis gravitace by měl mít geometrický základ.<ref>{{Harvnb|Chandrasekhar|1984|loc=p. 6}}</ref> Dalšími prvky krásy souvisejícími s obecnou teorií relativity jsou její jednoduchost, symetrie, způsob, jakým začleňuje [[invariance|invarianci]] a sjednocení a dokonalá logická konzistence.<ref>{{Harvnb|Engler|2002}}</ref>
== Od klasické mechaniky k obecné teorii relativity ==
Obecnou teorii relativity lze pochopit zkoumáním podobností a zároveň odchylek od klasické fyziky. Prvním krokem je zjištění, že klasická mechanika a Newtonův gravitační zákon připouští geometrický popis. Kombinace tohoto popisu se zákony speciální teorie relativity vede k [[Heuristika|heuristickému]] odvození obecné teorie relativity.<ref>Následující výklad přechází z {{Harvnb|Ehlers|1973|loc=sec. 1}}</ref>
=== Geometrie Newtonovské gravitace ===
[[Soubor:Elevator gravity.svg|náhled|Podle obecné teorie relativity se objekty v gravitačním poli chovají podobně jako objekty uvnitř
Základem [[Klasická mechanika|klasické mechaniky]] je představa, že pohyb [[Těleso|tělesa]] lze popsat jako
Naopak lze očekávat, že setrvačné pohyby, identifikované pozorováním skutečných pohybů těles a úpravou vnějších sil (jako je [[elektromagnetismus]] nebo [[tření]]), mohou být použity k definování geometrie prostoru, stejně jako časových [[Soustava souřadnic|souřadnic]]. Nejednoznačnost se objeví, jakmile do hry vstoupí gravitace. Podle Newtonova gravitačního zákona a jeho ověření nezávislými experimenty, které prováděl [[Loránd Eötvös|Eötvös]] a jeho nástupci (viz [[
Vzhledem k univerzálnosti volného pádu neexistuje žádný pozorovatelný rozdíl mezi inerciálním pohybem a pohybem
=== Relativistické zobecnění ===
Řádek 35:
Ačkoliv je geometrická newtonovská gravitace zajímavá, tak její základ, klasická mechanika, je pouze omezujícím případem (speciální) relativistické mechaniky.<ref>Dobré úvody jsou, v pořadí s rostoucími předpokládanými znalostmi matematiky {{Harvnb|Giulini|2005}}, {{Harvnb|Mermin|2005}} a {{Harvnb|Rindler|1991}}; pro úvahy o přesných experimentech srov. část IV {{Harvnb|Ehlers|Lämmerzahl|2006}}</ref> V jazyce [[symetrie]]: kde lze gravitaci zanedbat, je fyzika Lorentzovsky invariantní spíše ve speciální teorii relativity než [[Galileiho princip relativity|Galilejovsky invariantní]] jako v klasické mechanice. (Určující symetrii speciální teorie relativity je [[Poincarého grupa]], která zahrnuje posuny, rotace a zesílení.) Významné rozdíly mezi těmito dvěma přístupy nastávají, když se zabýváme rychlostí blížících se [[Rychlost světla|rychlosti světla]] a jevy s vysokými energiemi.<ref>Hloubkové srovnání mezi oběma skupinami symetrie lze nalézt v {{Harvnb|Giulini|2006a}}</ref>
S Lorentzovou symetrií vstupují do hry další struktury. Jsou definovány sadou [[Světelný kužel|světelných kuželů]] (viz obrázek). Světelné kužele definují kauzální strukturu: pro každou událost {{math|A}} existuje soubor událostí, které mohou v zásadě buď ovlivňovat, nebo být ovlivněny {{math|A}} prostřednictvím signálů nebo interakcí, které nemohou cestovat rychleji než světlo (například událost {{math|B}} na obrázku) a soubor událostí, na něž je takový vliv nemožný (například událost {{math|C}} na obrázku). Tyto sady jsou nezávislé na pozorovateli.<ref>{{Harvnb|Rindler|1991|loc=sec. 22}}, {{Harvnb|Synge|1972|loc=ch. 1 and 2}}</ref> Ve spojení se [[světočára]]mi volně padajících částic mohou být světelné kužele použity k rekonstrukci semi Riemannovské metriky
Speciální teorie relativity je definována bez vlivu gravitace, takže je vhodným modelem pro praktické aplikace, když lze tento vliv zanedbat. Když se přizve do hry gravitace a za předpokladu univerzálnosti volného pádu platí obdobná úvaha jako v předchozí části: neexistuje globální inerciální vztažná soustava. Místo toho existují přibližné inerciální vztažné soustavy pohybující se podél volně padajících částic. Převedeny do jazyka
A priori není jasné, zda se nové lokální soustavy ve volném pádu shodují s referenčními rámci, ve kterých platí zákony speciální teorie relativity – tato teorie je založena na šíření světla a tedy na elektromagnetismu, který by mohl mít jiný soubor preferovaných soustav. Ale při použití různých předpokladů o speciálně relativistických soustavách (jako je jejich fixace na Zem nebo ve volném pádu) lze odvodit různé předpovědi pro gravitační rudý posun, tedy způsob, jakým se mění frekvence světla když se světlo šíří gravitačním polem (viz níže). Skutečné měření ukazují, že volně padající soustavy jsou ty, ve kterých se světlo šíří tak, jak tomu je ve speciální teorii relativity.<ref>{{Harvnb|Ehlers|1973|pp=17ff}}; Odvození lze nalézt v {{Harvnb|Mermin|2005|loc=ch. 12}}. Pro experimentální důkazy, srov. sekce Gravitační časová dilatace a frekvenční posun, níže</ref> Zobecnění tohoto postulátu, a to, že zákony speciální teorie relativity mají dobrou aproximaci ve volně padajících (a nerotujících) referenčních soustavách, je známo jako Einsteinův princip relativity, zásadní průvodní princip pro zobecnění speciálně relativistické fyziky tak, aby zahrnovala i gravitaci.<ref>{{Harvnb|Rindler|2001|loc=sec. 1.13}}; pro základní úvahu viz {{Harvnb|Wheeler|1990|loc=ch. 2}}; existují však některé rozdíly mezi moderní verzí a původním Einsteinovým konceptem použitém v historickém odvozování obecné teorie relativity, srov. {{Harvnb|Norton|1985}}</ref>
Stejná experimentální data ukazují, že čas měřený hodinami v gravitačním poli – [[vlastní čas]], aby se získal technický termín – nesplňuje pravidla speciální teorie relativity. V jazyce geometrie
=== Einsteinovy rovnice ===
Řádek 66:
:<math>R_{\mu\nu}={R^\alpha}_{\mu\alpha\nu}.\,</math>
Na pravé straně ''<math>T_{\mu\nu}</math>'' je tenzor energie a hybnosti. Všechny tenzory jsou zapsány v abstraktním indexovém zápisu.<ref>{{Harvnb|Ehlers|1973|pp=19–22}}; pro podobné odvození viz oddíl 1 a 2 z č. 7 v {{Harvnb|Weinberg|1972}}. Einsteinův tenzor je jediný tenzor bez divergence, který je funkcí metrických koeficientů, jejich nejvýše prvních a druhých derivací a dovoluje
:<math>R_{\mu\nu}=0.\,</math>
Řádek 77:
=== Definice a základní vlastnosti ===
Obecná teorie relativity je metrická teorie gravitace. V jejím jádru jsou Einsteinovy rovnice, které popisují vztah mezi geometrií čtyřrozměrné [[pseudo-Riemannovská varieta|pseudo-Riemannovské variety]] reprezentující
Zatímco obecná teorie relativity nahrazuje [[Skalární pole|skalární]] gravitační potenciál klasické fyziky symetrickým [[tenzor]]em druhého řádu, druhá je redukována na prvních v některých mezních případech. U slabých gravitačních polí a pomalé rychlosti k rychlosti světla se předpovědi teorie shodují s předpoklady teorie Newtonovy gravitačního zákona.<ref>{{Harvnb|Wald|1984|loc=sec. 4.4}}</ref>
Řádek 88:
Einsteinovy rovnice jsou nelineární parciální diferenciální rovnice a jako takové jsou obtížně přesně řešitelné.<ref>Přehled ukazující Einsteinovy rovnice v širším kontextu ostatních [[Parciální diferenciální rovnice|parciálních diferenciálních rovnic]] s fyzikálním významem je {{Harvnb|Geroch|1996}}</ref> Přesto je známo několik přesných řešení, ačkoli jen málo má přímé fyzikální využití.<ref>Informace o pozadí a seznam řešení, srov. {{Harvnb|Stephani|Kramer|MacCallum|Hoenselaers|2003}}; nedávný přehled lze nalézt v {{Harvnb|MacCallum|2006}}</ref> Nejznámějšími přesná řešení, a také ta, které jsou nejzajímavější z fyzikálního hlediska jsou [[Schwarzschildova metrika|Schwarzschildovo řešení]], Reissner-Nordströmovo řešení a [[Kerrova metrika]], které každé odpovídá určitému druhu černé díry v jinak prázdném vesmíru, <ref>{{Harvnb|Chandrasekhar|1983|loc=ch. 3,5,6}}</ref> a Friedmann-Lemaître-Robertson-Walkerův a de Sitterův vesmír, kdy oba popisují rozpínající se vesmír.<ref>{{Harvnb|Narlikar|1993|loc=ch. 4, sec. 3.3}}</ref> Přesná řešení velkého teoretického zájmu zahrnují Gödelův vesmír (který otevírá zajímavou možnost [[cestování v čase]] v zakřivených vesmírech), řešení Taub-NUT (modelový vesmír, který je homogenní, ale anizotropní) a anti de Sitterův prostor (který nedávno získal význam v kontextu toho, co se nazývá [[AdS/CFT|Maldacenova doměnka, AdS/CFT]]).<ref>Stručné popisy těchto a dalších zajímavých řešení lze nalézt v {{Harvnb|Hawking|Ellis|1973|loc=ch. 5}}</ref>
Vzhledem k obtížnosti nalezení přesných řešení se Einsteinovy rovnice často řeší také [[Numerická integrace|numerickou integrací]] na počítačích nebo tím, že zvažuje malé odchylky od přesných řešení. V oblasti numerické relativity se používají výkonné počítače, které simulují geometrii
== Důsledky Einsteinovy teorie ==
Obecná teorie relativity má celou řadu fyzikálních
=== Gravitační dilatace času a frekvenční posun ===
[[Soubor:Gravitational red-shifting.png|náhled|Schematické znázornění gravitačního rudého posunu světelné vlny unikající z povrchu masivního tělesa]]
Za předpokladu, že platí princip ekvivalence, <ref>{{Harvnb|Rindler|2001|pp=24–26 vs. pp. 236–237}} a {{Harvnb|Ohanian|Ruffini|1994|pp=164–172}}. Einstein
Gravitační červený posun byl změřen v laboratoři<ref>Pound-Rebkův experiment, viz {{Harvnb|Pound|Rebka|1959}}, {{Harvnb|Pound|Rebka|1960}}; {{Harvnb|Pound|Snider|1964}}; seznam dalších experimentů je uveden v {{Harvnb|Ohanian|Ruffini|1994|loc=table 4.1 on p. 186}}</ref> a pomocí astronomických pozorování.<ref>{{Harvnb|Greenstein|Oke|Shipman|1971}}; nejnovější a nejpřesnější měření Sirius B jsou publikovány v {{Harvnb|Barstow, Bond et al.|2005}}.</ref> Gravitační časová dilatace v gravitačním poli Země byla mnohokrát měřena pomocí [[Atomové hodiny|atomových hodin]],<ref>Počínaje [[Hafeleův-Keatingův experiment|Hafele-Keatingovým experimentem]] {{Harvnb|Hafele|Keating|1972a}} a {{Harvnb|Hafele|Keating|1972b}} a kulminujícím v Gravity Probe A experimentu; přehled experimentů lze nalézt v {{Harvnb|Ohanian|Ruffini|1994|loc=table 4.1 on p. 186}}</ref> zatímco průběžná validace je poskytována jako vedlejší účinek provozu [[Global Positioning System|globálního polohovacího systému]] (GPS).<ref>GPS je nepřetržitě testováno porovnáváním atomových hodin na zem a na palubě družic obíhajících; pro popis relativistických efektů viz {{Harvnb|Ashby|2002}} a {{Harvnb|Ashby|2003}}</ref> Pozorováním binárních pulsarů zajistilo ověření v silných gravitačních polích.<ref>a</ref> Všechny výsledky jsou v souladu s obecnou teorií relativity.<ref>Obecné přehledy naleznete v části 2.1. Will 2006; Will 2003, str. 32–36; {{Harvnb|Ohanian|Ruffini|1994|loc=sec. 4.2}}</ref> Při současném stupni přesnosti však tato pozorování nerozlišují mezi obecnou teorií relativity a jinými teoriemi, ve kterých platí princip ekvivalence.<ref>{{Harvnb|Ohanian|Ruffini|1994|pp=164–172}}</ref>
Řádek 102:
{{Podrobně|Gravitační čočka|Shapirův efekt}}
[[Soubor:Light deflection.png|náhled|vlevo|upright|Odklon světla (vysílaný z místa, které je zobrazeno modře) v blízkosti kompaktního tělesa (zobrazeno šedě)]]
Obecná teorie relativity předpovídá, že dráha světla bude sledovat zakřivení
Tyto a související předpovědi vyplývají ze skutečnosti, že světlo sleduje to, co se nazývá světelná nebo nulová geodetika – zobecnění přímek, které sleduje světlo v klasické fyzice. Tyto geodetiky jsou zobecnění [[Invariant (matematika)|invariance]] rychlosti světla ve speciální teorii relativity.<ref>Toto není nezávislý axiom; lze ho odvodit z Einsteinových rovnic a z Maxwell [[Lagrangeova funkce|Lagrangeovy]] funkce pomocí aproximace WKB, srov. {{Harvnb|Ehlers|1973|loc=sec. 5}}</ref> Při zkoumání vhodných modelů
Se zakřivením světelného paprsku úzce souvisí gravitační časové zpoždění (neboli [[Shapirův efekt]]), fenomén, kdy světelný signál cestují déle, když se pohybuje přes gravitační pole, než by se pohyboval bez tohoto pole. Tato předpověď byla mnohokrát úspěšně otestována.<ref>Pro gravitační pole Slunce používající radarové signály odražené od planet jako [[Venuše (planeta)|Venuše]] a Merkuru, srov. {{Harvnb|Shapiro|1964}}, {{Harvnb|Weinberg|1972|loc=ch. 8, sec. 7}}; pro signály aktivně odeslané kosmickými sondami (měření transpondérů), srov. {{Harvnb|Bertotti|Iess|Tortora|2003}}; pro přehled viz {{Harvnb|Ohanian|Ruffini|1994|loc=table 4.4 on p. 200}}; pro novější měření s využitím signálů přijatých z [[pulsar]]u, který je součástí binárního systému hvězd, přičemž gravitační pole způsobuje časové prodlevy jako druhého pulsar, srov. {{Harvnb|Stairs|2003|loc=sec. 4.4}}</ref> V parametrizovaném post-newtonovském formalismu (PPN) jak míra zakřivení světelného paprsku, tak gravitačního časového zpoždění, je určena parametrem zvaným γ, který kóduje vliv gravitace na geometrii prostoru.<ref>{{Harvnb|Will|1993|loc=sec. 7.1 and 7.2}}</ref>
Řádek 112:
{{Podrobně|Gravitační vlny}}
[[Soubor:Gravwav.gif|náhled|Prstenec testovacích částic deformovaných míjením gravitační vlny (linearizované, zesílené pro lepší viditelnost)]]
Dle předpovědi<ref>{{Citace periodika|autor=Einstein, A |titul=Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation |datum vydání= June 1916 |url=http://einstein-annalen.mpiwg-berlin.mpg.de/related_texts/sitzungsberichte |periodikum=[[Pruská akademie věd]]|<!--WIRE:nepřevedeno:-->Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin]] |ročník=part 1|strany=688–696|<!--WIRE:doplněno:-->jazyk=anglicky}}</ref> <ref>{{Citace periodika|autor=Einstein, A |titul=Über Gravitationswellen |datum vydání=1918 |url=http://einstein-annalen.mpiwg-berlin.mpg.de/related_texts/sitzungsberichte |periodikum=Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin|ročník=part 1|strany=154–167|<!--WIRE:doplněno:-->jazyk=anglicky}}</ref> Albert Einsteina z roku 1916 existují gravitační vlny: fluktuace v metrice
Nejjednodušší typ takové vlny lze vizualizovat svým působením na prstenec volně plovoucích částic. Sinusová vlna, která se šíří takovým kruhem směrem k pozorovateli, zkresluje prstenec charakteristickým rytmickým způsobem (viz animovaný obrázek vpravo).<ref>Nejpokročilejší učebnice o obecné teorii relativity obsahují popis těchto vlastností, např. {{Harvnb|Schutz|1985|loc=ch. 9}}</ref> Vzhledem k tomu, že Einsteinovy rovnice jsou nelineární, libovolně silné gravitační vlny se neřídí [[Princip superpozice|principem superpozice]], což ztěžuje jejich popis. Pro slabá pole však lze provést lineární aproximaci. Takové linearizované gravitační vlny jsou dostatečně přesné, aby popsaly extrémně slabé vlny, které se očekávají, že dorazí na Zemi ze vzdálených kosmických událostí, které obvykle vedou ke zvýšení a poklesu relativních vzdáleností o <math>10^{-21}</math> nebo méně. Metody analýzy dat běžně využívají skutečnosti, že tyto linearizované vlny mohou být [[Fourierova řada|Fourierovou řadou]].<ref>Např. {{Harvnb|Jaranowski|Królak|2005}}</ref>
Některá přesná řešení popisují gravitační vlny bez jakéhokoli přiblížení, např. vlnový vlak projíždějící prázdným prostorem<ref>{{Harvnb|Rindler|2001|loc=ch. 13}}</ref> nebo Gowdyho vesmír, typy rozšiřujícího se vesmíru naplněného gravitačními vlnami.<ref>{{Harvnb|Gowdy|1971}}, {{Harvnb|Gowdy|1974}}</ref> Ale pro gravitační vlny produkované v
=== Orbitální efekty a relativita směru ===
Řádek 126:
V obecné teorii relativity se budou [[Apsida (astronomie)|apsidy]] jakékoliv oběžné dráhy (bod přiblížení nejbližšího tělesa obklopujícího [[Těžiště|centrum hmoty systému]]) předcházet; oběžná dráha není [[Elipsa|elipsou]], ale podobá se elipse, která se otáčí ve svém ohnisku, což vede k podobě křivky podobné růžici (viz obrázek). Einstein nejprve odvodil tento výsledek použitím přibližné metriky představující Newtonovskou hranici a ošetřením oběžného tělesa jako testovací částice. Pro Einsteina byla skutečnost, že jeho teorie dávala jednoznačné vysvětlení odchylky [[stáčení perihelia Merkuru]], objeveného již dříve v roce 1859 [[Urbain Le Verrier|Urbainem Le Verrierem]], důležitým důkazem toho, že nakonec rozpoznal správný tvar rovnic gravitačního pole.<ref>{{Harvnb|Schutz|2003|pp=48–49}}, {{Harvnb|Pais|1982|pp=253–254}}</ref>
Efekt lze také odvodit buď použitím přesné Schwarzschildovy metriky (popisující
V obecné teorii relativity je posun perihelia σ, vyjádřený v radiánech za oběh, dán přibližně:<ref>{{Citace monografie |titul=Theory and Practice of Natural Computing: Fourth International Conference, TPNC 2015, Mieres, Spain, December 15–16, 2015. Proceedings |<!--WIRE:nepřevedeno:-->edition=illustrated |jméno=Adrian-Horia |příjmení=Dediu |jméno2=Luis |příjmení2=Magdalena |jméno3=Carlos |příjmení3=Martín-Vide |vydavatel=Springer |rok=2015 |isbn=978-3-319-26841-5 |strany=141 |url=https://books.google.com/books?id=XmwiCwAAQBAJ}} [https://books.google.com/books?id=XmwiCwAAQBAJ&pg=PA141 Výtah na stránce 141]</ref>
Řádek 139:
==== Pokles dráhy ====
[[Soubor:Psr1913+16-weisberg en.png|náhled|Pokles dráhy pro PSR1913+16: časový posun v sekundách, sledovaný
Podle obecné teorie relativity bude [[binární systém]] vyzařovat gravitační vlny, čímž ztrácí energii. Kvůli této ztrátě se vzdálenost mezi oběma těmito tělesy snižuje, stejně jako jejich doba oběhu. V rámci [[Sluneční soustava|sluneční soustavy]] nebo pro běžné dvojité hvězdy je účinek příliš malý, aby byl pozorovatelný. To není případ blízkého binárního pulsaru, systému dvou obíhajících [[Neutronová hvězda|neutronových hvězd]], z nichž jeden je pulsar: od pulsaru pozorovatelé na Zemi dostávají pravidelnou řadu rádiových pulsů, které mohou sloužit jako vysoce přesné hodiny, což umožňuje přesné měření oběžné dráhy. Protože neutronové hvězdy jsou nesmírně kompaktní, vyzařují značné množství energie ve formě gravitačního záření.<ref>{{Harvnb|Stairs|2003}}, {{Harvnb|Schutz|2003|pp=317–321}}, {{Harvnb|Bartusiak|2000|pp=70–86}}</ref>
První pozorování poklesu doby oběhu vlivem emise gravitačních vln bylo provedeno [[Russell Alan Hulse|Hulsem]] a [[Joseph Hooton Taylor|Taylorem]] pomocí binárního pulsaru PSR1913+16, který objevili v roce 1974. Jednalo se o první, byť nepřímou, detekci gravitačních vln, za kterou jim byla v roce 1993 udělena [[Nobelova cena]] za fyziku.<ref>{{Harvnb|Weisberg|Taylor|2003}}; pro objev pulsaru, viz {{Harvnb|Hulse|Taylor|1975}}; pro počáteční důkaz gravitačního záření viz {{Harvnb|Taylor|1994}}</ref> Od té doby bylo nalezeno několik dalších binárních pulsarů, speciálně dvojitý pulsar [[PSR J0737-3039]], ve kterém jsou pulsary obě hvězdy.<ref>{{Harvnb|Kramer|2004}}</ref>
==== Geodetický efekt a stáčení
Několik relativistických efektů přímo souvisí s relativitou směru.<ref>{{Harvnb|Penrose|2004|loc=§14.5}}, {{Harvnb|Misner|Thorne|Wheeler|1973|loc=§11.4}}</ref> Jedním z nich je geodetický efekt: osový směr [[gyroskop]]u ve volném pádu v zakřiveném
V blízkosti rotující hmoty se objevují gravitomagnetické efekty nebo efekty stáčení
== Astrofyzikální aplikace ==
Řádek 153:
=== Gravitační čočka ===
{{Podrobně|Gravitační čočka}}
[[Soubor:Einstein cross.jpg|náhled|
Zakřivení paprsků světla gravitací je zodpovědné za novou třídu astronomických jevů. Pokud je mezi astronomem a vzdáleným cílovým objektem umístěn masivní objekt s vhodnou hmotností a vhodnou relativní vzdáleností, astronom uvidí několik deformovaných obrazů zdroje. Takové účinky jsou známé jako gravitační čočky.<ref>Přehledy gravitačních čoček a jejich aplikací viz {{Harvnb|Ehlers|Falco|Schneider|1992}} a {{Harvnb|Wambsganss|1998}}</ref> V závislosti na konfiguraci, rozměrům a rozložení hmoty může vzniknout dva nebo více obrazů, jasný prsten známý jako [[Einsteinův prstýnek]] nebo částečné prstence nazvané oblouky.<ref>Pro jednoduché odvození viz {{Harvnb|Schutz|2003|loc=ch. 23}}; srov. {{Harvnb|Narayan|Bartelmann|1997|loc=sec. 3}}</ref>
První případ byl objeven v roce 1979;<ref>{{Harvnb|Walsh|Carswell|Weymann|1979}}</ref> od té doby byly pozorovány stovky gravitačních čoček.<ref>Obrázky všech známých čoček lze nalézt na stránkách projektu CASTLES, {{Harvnb|Kochanek|Falco|Impey|Lehar|2007}}</ref> Dokonce i když je více obrazů příliš blízko k sobě, aby bylo možné je vyřešit, efekt může být stále měřen, např. jako celkové zesvětlení cílového objektu; bylo zaznamenáno několik takových „událostí gravitačního mikročočkování “.<ref>{{Harvnb|Roulet|Mollerach|1997}}</ref>
Řádek 161:
=== Gravitační astronomie ===
{{Podrobně|Gravitační vlny|Gravitační astronomie}}
[[Soubor:LISA.jpg|náhled|180px|
Pozorování binárních pulsarů poskytuje silné nepřímé důkazy o existenci gravitačních vln (viz pokles dráhy výše). Detekce těchto vln je hlavním cílem současného výzkumu souvisejícího s relativitou.<ref>{{Harvnb|Barish|2005}}, {{Harvnb|Bartusiak|2000}}, {{Harvnb|Blair|McNamara|1997}}</ref> V současnosti je v provozu několik pozemních detektorů gravitačních vln, zejména [[Interferometrický detektor gravitačních vln|interferometrické detektory gravitačních vln]] GEO 600, [[LIGO]] (dva detektory), TAMA 300 a VIRGO.<ref>{{Harvnb|Hough|Rowan|2000}}</ref> Různá časová pole pulsaru používají milisekundové pulzy pro detekci gravitačních vln v kmitočtovém rozsahu 10<sup>-9</sup> až 10<sup>-6</sup> [[Hertz]]ů, který pochází z binárních superobřích černých děr.<ref>{{Cit | příjmení=Hobbs | jméno=George |titul=The international pulsar timing array project: using pulsars as a gravitational wave detector | příjmení2=Archibald | jméno2=A. | příjmení3=Arzoumanian | jméno3=Z. | příjmení4=Backer | jméno4=D. |<!--WIRE:nepřevedeno:--> last5=Bailes |<!--WIRE:nepřevedeno:--> first5=M. |<!--WIRE:nepřevedeno:--> last6=Bhat |<!--WIRE:nepřevedeno:--> first6=N. D. R. |<!--WIRE:nepřevedeno:--> last7=Burgay |<!--WIRE:nepřevedeno:--> first7=M. |<!--WIRE:nepřevedeno:--> last8=Burke-Spolaor |<!--WIRE:nepřevedeno:--> first8=S. |<!--WIRE:nepřevedeno:--> last9=Champion |<!--WIRE:nepřevedeno:--> first9=D. |<!--WIRE:nepřevedeno:--> displayauthors = 8| doi=10.1088/0264-9381/27/8/084013 | datum vydání=2010 | periodikum=Classical and Quantum Gravity | ročník=27 | číslo=8 | strany=084013 |<!--WIRE:nepřevedeno:-->arxiv=0911.5206 |<!--WIRE:nepřevedeno:-->bibcode = 2010CQGra..27h4013H }}</ref> V současnosti je ve vývoji evropský vesmírný detektor [[Evolved Laser Interferometer Space Antenna|eLISA / NGO]]<ref>{{Harvnb|Danzmann|Rüdiger|2003}}</ref> jehož předcházející mise (LISA Pathfinder) byla zahájena v prosinci 2015.<ref>{{Citace elektronické monografie|url=http://www.esa.int/esaSC/120397_index_0_m.html|titul=LISA pathfinder overview|vydavatel=ESA|datum přístupu=2012-04-23|<!--WIRE:doplněno:-->jazyk=anglicky}}</ref>
Řádek 196:
=== Příčinná struktura a globální geometrie ===
[[Soubor:Penrose.svg|náhled|Penrose-Carterův diagram nekonečného Minkowského vesmíru]]
V obecné teorii relativity žádné hmotné těleso nedokáže dohonit nebo předstihnout světelný impuls. Žádný účinek události ''A'' nedosáhne jiné místo ''X'' před dopadem světla z ''A'' na ''X''. V důsledku toho zkoumání všech světelných světočar (nulových geodetik) poskytuje klíčové informace o kauzální struktuře
S vědomým důležitosti významu příčinné struktury [[Roger Penrose]] a další vyvinuli to, co je známo jako globální geometrie. V globální geometrii nejsou předmětem studia žádná [[partikulární řešení]] (nebo rodina řešení) Einsteinových rovnic. Spíše se vztahy, které platí pro všechny geodetiky, jako je Raychaudhuriova rovnice a další nespecifické předpoklady o povaze hmoty (obvykle ve formě energetických podmínek), používají k odvození obecných výsledků.<ref>{{Harvnb|Wald|1984|loc=sec. 9.2–9.4}} a {{Harvnb|Hawking|Ellis|1973|loc=ch. 6}}</ref>
Řádek 202:
=== Horizonty událostí ===
{{Podrobně|Termodynamika černých děr}}
Pomocí globální geometrie mohou být některé časové intervaly zobrazeny tak, že obsahují hranice nazývané [[Horizont událostí|horizonty událostí]], které ohraničují jednu oblast od zbytku
[[Soubor:Ergosphere.svg|náhled|vlevo|Ergosféra rotující černé díry, která hraje klíčovou roli při získávání energie z takové černé díry]]
Časné studie černých děr se opíraly o explicitní řešení Einsteinových rovnic, konkrétně o sféricky symetrické Schwarzschildovo řešení (používané k popisu statické černé díry) a o osově symetrické Kerrově metrice (používané k popisu rotující, stacionární černé díry, které přivádí zajímavé vlastností, jako je [[ergosféra]]). Pozdější studie za pomocí globální geometrie ukázaly obecnější vlastnosti černých děr. Z dlouhodobého hlediska jsou to spíše jednoduché objekty charakterizované jedenácti parametry specifikujícími energii, lineární hybnost, [[moment hybnosti]], polohu v určitém čase a elektrický náboj. To je uvedeno v teorémech o jedinečnosti černé díry: „černé díry nemají vlasy“, to znamená že nemají žádné rozlišovací znaky jako jsou například účesy lidí. Bez ohledu na složitost gravitačního objektu, který se zhroutí, aby vytvořil černou díru, je výsledný objekt (vysílající gravitační vlny) velmi jednoduchý.<ref>Pro první kroky, srov. {{Harvnb|Israel|1971}}; viz {{Harvnb|Hawking|Ellis|1973|loc=sec. 9.3}} nebo {{Harvnb|Heusler|1996|loc=ch. 9 and 10}} pro odvození a {{Harvnb|Heusler|1998}} stejně jako {{Harvnb|Beig|Chruściel|2006}} jako přehledy posledních výsledků</ref>
Ještě více pozoruhodné je, že existuje obecná sada zákonů známá jako termodynamika černých děr, která je analogická [[Termodynamický zákon|termodynamickým zákonům]]. Například podle druhého zákona termodynamiky černých děr plocha událostního horizontu obecné černé díry nikdy s časem nepoklesne podobně jako [[entropie]] termodynamického systému. To omezuje energii, kterou lze získat klasickými prostředky z rotující černé díry (např. pomocí Penroseova procesu).<ref>Zákony mechaniky černé díry byly poprvé popsány v {{Harvnb|Bardeen|Carter|Hawking|1973}}; výchovnější prezentaci lze nalézt v {{Harvnb|Carter|1979}}; pro novější přehled viz {{Harvnb|Wald|2001|loc=ch. 2}}. Důkladný úvod do knihy s úvodem k potřebné matematice {{Harvnb|Poisson|2004}}. Pro Penroseův proces viz {{Harvnb|Penrose|1969}}</ref> Existují silné důkazy, že zákony termodynamiky černé díry jsou ve skutečnosti podmnožinou zákonů termodynamiky a že oblast černé díry je úměrná její entropii.<ref>{{Harvnb|Bekenstein|1973}}, {{Harvnb|Bekenstein|1974}}</ref> To vede k úpravě původních zákonů termodynamiky černé díry: například když druhý zákon termodynamiky černé díry se stává součástí druhého zákona termodynamiky, je možné, že oblast černých děr klesá – dokud ostatní procesy zajistí že celkově se entropie zvyšuje. Jako termodynamické objekty s nenulovou teplotou by měly černé díry vyzařovat tepelné záření. Poloklasické výpočty naznačují, že to skutečně dělají, přičemž povrchová hmotnost hraje roli teploty v [[Planckův vyzařovací zákon|Planckově zákonu]]. Toto záření je známé jako [[Hawkingovo záření
Existují i jiné typy horizontů. V expandujícím se vesmíru může pozorovatel zjistit, že některé oblasti minulosti nemohou být pozorovány („částicový horizont“) a některé oblasti budoucnosti nemohou být ovlivněny (horizont událostí).<ref>{{Harvnb|Narlikar|1993|loc=sec. 4.4.4, 4.4.5}}</ref> Dokonce i v plochém Minkowského prostoru, který je popisován zrychleným pozorovatelem (Rindlerův prostor), budou existovat horizonty spojené s poloklasickým zářením známým jako Unruhův jev.<ref>Horizonty: srov. {{Harvnb|Rindler|2001|loc=sec. 12.4}}. Unruhův efekt: {{Harvnb|Unruh|1976}}, srov. {{Harvnb|Wald|2001|loc=ch. 3}}</ref>
Řádek 213:
=== Singularity ===
{{Podrobně|Gravitační singularita}}
Dalším obecným rysem obecné teorie relativity je výskyt hranic prostoročasu známých jako singularity.
Vzhledem k tomu, že tyto příklady jsou všechny velmi symetrické – a tak zjednodušené – je lákavé dojít k závěru, že výskyt singularit je artefaktem idealizace.<ref>Zde bychom měli připomenout známý fakt, že důležité „kvazioptické“ singularity tzv. eikonální aproximace mnoha vlnových rovnic, jmenovitě „kaustiky“, jsou vyřešeny do konečných vrcholů nad rámec toho přiblížení.</ref> Známé singulární teorémy, které prokázaly použití metod globální geometrie, říkají jinak: singularity jsou obecnou vlastností obecné teorie relativity a jsou nevyhnutelně, jakmile kolaps objektu s realistickými vlastnostmi prošel určitou etapou<ref>Přesněji, když jsou zachyceny nulové povrchy, srov. {{Harvnb|Penrose|1965}}</ref> a také na začátek široké třídy rozšiřujících se vesmírů.<ref>{{Harvnb|Hawking|1966}}</ref> Nicméně teorémy velmi málo říkají o vlastnostech singularit a většina současného výzkumu je věnována charakterizování generické struktury těchto entit (navržená hypotéza např. BKL singularity).<ref>Domněnka byla podána v {{Harvnb|Belinskii|Khalatnikov|Lifschitz|1971}}; pro novější přehled viz {{Harvnb|Berger|2002}}. Dostupnou expozici uvádí {{Harvnb|Garfinkle|2007}}</ref> [[Hypotéza kosmické cenzury]] uvádí, že všechny realistické budoucí singularity (bez dokonalých symetrií, hmota s realistickými vlastnostmi) jsou bezpečně ukryty za horizontem a tedy neviditelné pro všechny vzdálené pozorovatele. Zatím neexistují žádné formální důkazy, numerické simulace však podpůrně dokládají její platnosti.<ref>Omezení na budoucí singularity přirozeně vylučuje počáteční singularity, jako je singularita velkého třesku, která je v zásadě viditelná pro pozorovatele v pozdějším kosmickém čase. Domněnka kosmické cenzury byla poprvé představena v {{Harvnb|Penrose|1969}}; Popis na úrovni učebnice je uveden v {{Harvnb|Wald|1984|pp=302–305}}. Číselné výsledky naleznete v přehledu {{Harvnb|Berger|2002|loc=sec. 2.1}}</ref>
=== Evoluční rovnice ===
Každé řešení Einsteinových rovnic zahrnuje celou historii vesmíru – není to jen nějaký snímek o současných záležitostech, ale celý, případně hmotou naplněný
Abychom pochopili Einsteinovy rovnice jako parciální diferenciální rovnice, je užitečné je formulovat takovým způsobem, který popisuje vývoj vesmíru v čase. To se děje ve vyjádření „3 + 1“, kde je prostoročas rozdělen na tři rozměry prostoru a jednu časovou dimenzi. Nejznámějším příkladem je ADM formalismus.<ref>{{Harvnb|Arnowitt|Deser|Misner|1962}}; pro pedagogický úvod viz {{Harvnb|Misner|Thorne|Wheeler|1973|loc=§21.4–§21.7}}</ref> Tyto rozklady ukazují, že prostoročas evoluční rovnice obecné teorie relativity se dobře chovají: řešení vždy existují a jsou jednoznačně definovány, jakmile byly specifikovány vhodné výchozí podmínky.<ref>{{Harvnb|Fourès-Bruhat|1952}} a {{Harvnb|Bruhat|1962}}; pro pedagogický úvod viz {{Harvnb|Wald|1984|loc=ch. 10}}; on-line recenze lze nalézt v {{Harvnb|Reula|1998}}</ref> Takové formulace Einsteinových rovnic pole jsou základem numerické relativity.<ref>{{Harvnb|Gourgoulhon|2007}}; pro přezkoumání základů numerické relativity, včetně problémů vyplývajících z zvláštností Einsteinových rovnic, viz {{Harvnb|Lehner|2001}}</ref>
Řádek 225:
Pojem evolučních rovnic je úzce spojen s jiným aspektem obecné relativistické fyziky. V Einsteinově teorii se ukázalo nemožné najít obecnou definici pro zdánlivě jednoduchou vlastnost, jakou je celková hmotnost (nebo energie) systému. Hlavním důvodem je to, že gravitační pole – jako každé fyzické pole – musí být připsáno určité energii, ale že je zásadně nemožné tuto energii lokalizovat.<ref>{{Harvnb|Misner|Thorne|Wheeler|1973|loc=§20.4}}</ref>
Nicméně existují možnosti definovat celkovou hmotnost systému buď pomocí hypotetického „nekonečně vzdáleného pozorovatele“ (ADM hmotnost)<ref>{{Harvnb|Arnowitt|Deser|Misner|1962}}</ref> nebo pomocí vhodných symetrií (Komarova hmotnost).<ref>{{Harvnb|Komar|1959}}; pro pedagogický úvod viz {{Harvnb|Wald|1984|loc=sec. 11.2}}; ačkoli je definována úplně jiným způsobem, může být prokázáno, že je ekvivalentní ADM hmotě pro stacionární
== Vztah s kvantovou teorií ==
Pokud je obecná teorie relativity považována za jeden ze dvou pilířů moderní fyziky, potom by kvantová teorie, základ pochopení hmoty od elementárních částic po fyziku pevných látek, byla druhá.<ref>Přehled kvantové teorie lze nalézt ve standardních učebnicích, jako je {{Harvnb|Messiah|1999}}; jednoduší popis je uveden v {{Harvnb|Hey|Walters|2003}}</ref> Nicméně je stále otevřenou otázkou, jak sladit kvantovou teorii s obecnou teorii relativity.
=== Kvantová teorie pole v zakřiveném
Obvyklé [[Kvantová teorie pole|kvantové teorie pole]], které tvoří základ moderní fyziky elementárních částic, jsou definovány v plochém Minkowského prostoru, což je vynikající aproximace, pokud jde o popis chování mikroskopických částic ve slabých gravitačních polích, jako jsou ty, které se nacházejí na Zemi.<ref>{{Harvnb|Ramond|1990}}, {{Harvnb|Weinberg|1995}}, {{Harvnb|Peskin|Schroeder|1995}}; dostupnější přehled je {{Harvnb|Auyang|1995}}</ref> Aby bylo možné popsat situace, kdy je gravitace dostatečně silná k ovlivnění (kvantové) hmoty, přestože není dostatečně silná k tomu, aby vyžadovala kvantizaci, fyzikové formulovali kvantové teorie pole v zakřiveném
=== Kvantová gravitace ===
Řádek 237:
{{Viz též|Teorie superstrun|Smyčková kvantová gravitace}}
Požadavek na ucelenost mezi kvantovým popisem hmoty a geometrickým popisem
[[Soubor:Calabi yau.jpg|vlevo|náhled|Projekce Calabi-Yau variety, jednoho ze způsobů kompaktizace dodatečných dimenzí teorie strun]]
Řádek 252:
== Současný stav ==
[[Soubor:LIGO measurement of gravitational waves.svg|náhled|Pozorování gravitačních vln ze
Obecná teorie relativity se ukázala jako velmi úspěšný model gravitace a kosmologie, který dosud prošel mnoha jednoznačnými pozorovacími a experimentálními testy. Existují však silné náznaky, že teorie je neúplná.<ref>{{Harvnb|Maddox|1998|pp=52–59, 98–122}}; {{Harvnb|Penrose|2004|loc=sec. 34.1, ch. 30}}</ref> Problém kvantové gravitace a otázka reality
== Odkazy ==
Řádek 3 378:
=== Externí odkazy ===
* {{
* [http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/gravitace/otr.html Obecná teorie relativity na Aldebaranu]
* {{en}} [http://www.einstein-online.info/ Einstein online] – články o různých aspektech relativistické fyziky pro obecné publikum; pořádaný institutem Maxe Plancka pro fyziku gravitace
|