ogólna_teoria_względności

Ogólna teoria względności (Albert Einstein, 1915) – podstawowa teoria grawitacji w fizyce współczesnej, opisująca oddziaływanie grawitacyjne jako geometryczną własność czasoprzestrzeni. Zastępuje tradycyjną, newtonowską koncepcję siły grawitacji i stanowi jedną z dwóch filarów współczesnej fizyki, obok mechaniki kwantowej.

Historia

Idea, że grawitacja może być wyrażona w kategoriach geometrii, pojawiła się już w pracach Hermanna Minkowskiego i Henri'ego Poincarégo. Einstein, rozwijając specjalną teorię względności, doszedł do wniosku, że przyspieszenia i grawitacja są równoważne (zasada równoważności). W 1915 roku opublikował ostateczną wersję teorii, zawierającą tzw. równania Einsteina.

Podstawowe pojęcia

Przestrzeń‑czas – czterowymiarowa struktura łącząca trzy wymiary przestrzenne z wymiarem czasu.
Metryka – tensor opisujący odległości i kąty w czasoprzestrzeni; w ogólnej teorii względności jest ona dynamiczna.
Krzywizna – miara zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołana obecnością masy i energii.
Tensor stresu‑energia – opisuje rozkład masy, energii i pędu w przestrzeni.
Zasada ekwiwalencji – lokalnie przyspieszenie jest fizycznie równoważne działaniu pola grawitacyjnego.

Równania pola

Centralnym elementem teorii są równania pola, zapisane w postaci:

G_μν + Λg_μν = (8πG/c⁴) T_μν

gdzie G_μν jest tensorem krzywizny Einsteina, Λ stałą kosmologiczną, g_μν metryką, G stałą grawitacji, c prędkością światła, a T_μν tensorem stresu‑energii.

Skutki i przewidywania

Precesja peryhelium Merkurego – dokładne wyjaśnienie obserwowanego przesunięcia punktu najbliższego Słońca.
Eksperymentalne potwierdzenie zgięcia światła w pobliżu Słońca (eksperyment Eddingtona, 1919).
Isotropia promieniowania kosmicznego tła oraz model Wielkiego Wybuchu w kontekście kosmologii ogólnej.
Powstanie czarnych dziur – rozwiązanie Schwarzschilda oraz dalsze rozwiązania (Kerr, Reissner‑Nordström).
Fale grawitacyjne – przewidziane w 1916 r., bezpośrednio wykryte w 2015 r. przez LIGO.

Zastosowania

Ogólna teoria względności jest niezbędna w:

Systemach nawigacji satelitarnej (GPS), gdzie korekty czasowe wynikające z krzywizny i różnic w prędkościach zegarów są kluczowe.
Astrofizyce i kosmologii przy modelowaniu ewolucji wszechświata, struktury galaktyk oraz dynamiki układów podwójnych gwiazd.
Badaniach nad materią ciemną i energią ciemną, które wpływają na geometrię czasoprzestrzeni.

Limitacje i problemy

Mimo licznych sukcesów, ogólna teoria względności nie jest kompatybilna z mechaniką kwantową. Próby połączenia obu teorii prowadzą do rozwoju teorii wszystkiego, w tym takich koncepcji jak kwantowa grawitacja, teoria strun i grawitacja pętli.

Literatura

Einstein, A. – Die Feldgleichungen der Gravitation, 1915.
Misner, C. W., Thorne, K. S., Wheeler, J. A. – Gravitation, 1973.
Carroll, S. – Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity, 2004.

Artykuł jest częścią serii Fizyka i odnosi się do tematu Grawitacja. Powiązane pojęcia można znaleźć w sekcjach Kosmologia oraz Astrofizyka.