الفلك

التناقض بين نظرية النسبية وقانون نيوتن للجاذبية الكونية؟

التناقض بين نظرية النسبية وقانون نيوتن للجاذبية الكونية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ينص قانون الجاذبية الكونية لنيوتن على أن الجسم سيتسارع باستمرار عند سقوطه. لنفترض سقوط جسم في ثقب أسود. وفقًا لقانون نيوتن ، عندما يصل إلى أفق الحدث ، يجب أن يسافر عندهج، لأن c هي سرعة الهروب في أفق الحدث. لذلك ، بعد أن تتجاوز أفق الحدث ، يجب أن تستمر في التعجيل في الماضيج، ومع ذلك تنص نظرية النسبية على أن ذلك لن يحدث أبدًا. إذن ، في هذه الحالة ، ماذا سيفعل الشيء؟


أ) لا تأخذ قانون نيوتن على محمل الجد في النظام النسبي.

وفقًا لقانون نيوتن ، عندما يصل إلى أفق الحدث ، يجب أن يسافر بسرعة $ c $ ، لأن $ c $ هي سرعة الهروب في أفق الحدث.

هذا صحيح ، بافتراض السقوط الحر للجسيمات من السكون عند اللانهاية ، لكن التفاصيل مختلفة تمامًا عن النظرية النيوتونية. بالنسبة إلى المدارات في Schwarzschild spacetime ، فإن الإمكانات الفعالة هي $$ V = - frac {GM} {r} + frac {l ^ 2} {2r ^ 2} - frac {GMl ^ 2} {c ^ 2r ^ 3 } text {،} $$ حيث $ l equiv L / m $ هو الزخم الزاوي المحدد للمدار. يقدم المصطلح الأخير تصحيحات نسبية ليس لها مثيل في الجاذبية النيوتونية ، لذلك بشكل عام لا يمكن الاعتماد على قانون نيوتن عندما يكون بالقرب من أفق الثقب الأسود.

ولكن بالنسبة إلى السقوط الحر الشعاعي ، $ l = 0 $ ، وإجمالي الطاقة المدارية النوعية: $$ mathcal {E} = frac {1} {2} left ( frac { mathrm {d} r} { mathrm {d} tau} right) ^ 2 - frac {GM} {r} text {،} $$ الذي له شكل نيوتوني تمامًا. على وجه الخصوص ، فإن السقوط الحر للجسيم من السكون عند اللانهاية سيكون له $$ left | frac { mathrm {d} r} { mathrm {d} tau} right | = sqrt { frac {2GM} {r}} text {،} $$ لذا فعند اقترابها من الأفق ($ r to 2GM / c ^ 2 $) ، لدينا $ | mathrm {d} r / mathrm {d} tau | to c $ ، تمامًا كما توقعت النظرية النيوتونية.

ومع ذلك ، فإن الحركة مماثلة تقريبًا لما ينص عليه قانون نيوتن ، نظرًا لوجود اختلافات مهمة جدًا في تفسير هذه الكميات. على وجه التحديد ، (1) يشير $ tau $ إلى الوقت المناسب للجسيم المداري ، وليس تنسيق الوقت $ t $ ، وبالتأكيد ليس أي وقت مطلق وفقًا لنظرية نيوتن المناسبة ، و (2) يشير $ r $ إلى Schwarzschild إحداثي شعاعي ، والذي يتم تعريفه بحيث يكون للكرة في هذا الإحداثيات مساحة سطح $ 4 pi r ^ 2 $ ، وهذا هو ليس المسافة الشعاعية إلى المركز.

ب) الإحداثيات ليس لها معنى جوهري.

لذلك ، بعد أن تتجاوز أفق الحدث ، يجب أن تستمر في التسارع بعد $ c $ ، لكن نظرية النسبية تنص على أنه لن يحدث أبدًا.

لنفترض أنني أقذف جسيمًا على مسطرة مستقيمة ، وأن المسطرة محددة بالقدم. لذلك ، على سبيل المثال ، إذا تحرك الجسيم بخمس وحدات معلمة على طول المسطرة في نانوثانية ، فمن الواضح أن هذه مشكلة ، لأن الجسيم يجب أن يكون شديد اللمعان ($ c حوالي 1 ، mathrm {ft} / mathrm {ns} $ ).

افترض الآن أن المسطرة لم يتم تحديدها بالقدم ، ولا أخبرك كيف تم تمييزها. هل هي مشكلة أن الجسيم يذهب خمس وحدات في نانوثانية؟ بدون معرفة ماهية العلامات ، فإن بيان هذا النوع من "سرعة التنسيق" ليس له معنى حتى. أخيرًا ، لنفترض أني أخبرك كيف تم وضع علامة على المسطرة ، لكن علاماتها لا تقيس بالفعل المسافة على طول المسطرة. إذن ، هل هي مشكلة أنه يمر بخمسة من هذه العلامات في نانوثانية؟

المعنوي ببساطة هو هذا: الإحداثيات في حد ذاتها هي مجرد تسميات لتحديد الأحداث. يمكن للمرء أن يختار إحداثيات بحيث تكون سرعة الإحداثيات كبيرة أو صغيرة بشكل عشوائي ، ولا يهم ، لأن الإحداثيات ليست أشياء مادية. لا يأتي الكون بإحداثياته ​​الخاصة ؛ إنها مجرد تسميات نضعها على الأشياء.

ومع ذلك ، ما يمكن أن يعطي الإحداثيات معنى هو موتر متري، والتي تتعلق بالإحداثيات للأطوال أو المدد الفعلية ، بحيث يكون ، على سبيل المثال ، إحداثي شوارزشيلد الشعاعي معنى محددًا من حيث مساحات السطح. أخيرًا ، إحداثيات Schwarzschild مرضية بالقرب من الأفق. لم يتم تحديدها عبر الأفق (من الناحية الفنية ، فإن إحداثيات Schwarzschild هي في الواقع مخططان إحداثيات مختلفان تمامًا مفصولان عن طريق الأفق). يمكنك رؤية هذا في مقياس شوارزشيلد (وحدات $ G = c = 1 $): $$ mathrm {d} s ^ 2 = - left (1- frac {2M} {r} right) mathrm {d} t ^ 2 + left (1- frac {2M} {r} right) ^ {- 1} ، mathrm {d} r ^ 2 + r ^ 2 ( mathrm {d} theta ^ 2 + sin ^ 2 theta ، mathrm {d} phi ^ 2) text {،} $$ حيث تكون المعاملات المترية في مخطط Schwarzschild غير محددة في الأفق $ r = 2M $.

ج) "إذن ، في هذه الحالة ، ماذا سيفعل الشيء؟"

سوف يعبر أفق الحدث ويلتقي بنهايته عند التفرد.

إليك نفس هندسة Schwarzschild في إحداثيات Gullstrand-Painlevé: $$ mathrm {d} s ^ 2 = - mathrm {d} t ^ 2 + left ( mathrm {d} r + sqrt { frac {2M} {r}} ، mathrm {d} t right) ^ 2 + r ^ 2 ( mathrm {d} theta ^ 2 + sin ^ 2 theta ، mathrm {d} phi ^ 2) text {.} $$ في مخطط الإحداثيات هذا ، تتحرك المساحة نحو التفرد بسرعة الحوزة $ sqrt {2GM / r} $ ، ويتم نقل الجسيمات معها. في مخطط إحداثي ذي صلة ، إحداثيات Lemaître ، يكون للجسيمات المتساقطة الحرة من السكون عند اللانهاية سرعة إحداثيات صفرية ، مع $ mathrm {d} r / mathrm {d} t = 0 $ ، حيث هنا $ r $ هو إحداثي Lemaître الشعاعي. (تحرير: مثال مصحح ينسب عن طريق الخطأ هذه الخاصية إلى مخطط GP.)

يمكنك اختيار أي مخطط إحداثي حسن التصرف في الأفق ، وأي مخطط من هذا القبيل سيظهر أنه يتحرك عبر الأفق دون أي مشكلة. لكن إحداثيات Schwarzschild لا تعطي مثل هذا المخطط ، لأنها غير محددة في الأفق.


التناقض بين نظرية النسبية وقانون نيوتن للجاذبية الكونية؟ - الفلك

أدى تعميم أينشتاين لنظرية الجاذبية لنيوتن في النظرية العامة للنسبية ليس فقط إلى اختلافات كمية صغيرة بين تأثيرات الجاذبية في النظرية النسبية ونظرية نيوتن ، ولكن أيضًا إلى ظواهر وتأثيرات جديدة خاصة بالنظرية النسبية وغائبة في نيوتن. نظرية. هذا الاختلاف كبير جدًا لدرجة أن تفاعل الجاذبية في نظرية أينشتاين قد غير خاصية الجذب فقط ، وخاصية نظرية نيوتن ، وقانون الجاذبية العامة ، وأصبح جذابًا ومثيرًا للاشمئزاز. من الجدير بالذكر أن طبيعة التنافر في تفاعل الجاذبية تظهر بالفعل في أبسط حالة لجسم معزول كروي متماثل. تعترف معادلات أينشتاين بوجود حل لجسم كروي يشير تفسيره الفيزيائي بشكل فريد إلى الطبيعة البغيضة لحقل الجاذبية داخل الجسم ، إذا كان عدد الجسيمات التي يتكون منها الجسم كبيرًا بما فيه الكفاية. يتم تحديد بنية مثل هذا الجسم ، وتوزيع الكثافة لعدد الجسيمات والكتلة والضغط ، في حالة التوازن بضغط المادة ، وجاذبية الطبقات المحيطية تجاه المركز ، والتنافر الثقالي للطبقات الداخلية من المادة بعيدا عن المركز. نتيجة تنافر الجاذبية للمادة بعيدًا عن المركز داخل الجسم يظهر تجويف خالٍ من المادة التي يتكون منها الجسم وإشعاعه الكهرومغناطيسي. إذا كان الجسم باردًا ، فقد يختلف حجم الأنبوب العالمي للتجويف عن الصفر. في الحالة المعاكسة ، يتقلص الأنبوب العالمي للتجويف إلى الخط العالمي للمركز ، والذي يتعذر الوصول إليه لجزيئات المادة والإشعاع الكهرومغناطيسي. من ناحية أخرى ، فإن التنافر الجاذب هو نتيجة لوجود تفرد مجال في مركز الجسم ، الذي يشبه خطه العالمي الوقت.


لماذا تم إعلان خطأ قانون نيوتن & # 8217s للجاذبية.

كلنا نعرف نيوتن وقانونه الشهير للجاذبية الكونية وقصة سقوط التفاحة. اقترح نيوتن قانون الجاذبية الخاص به في 5 يوليو 1687 ، وهذا لا يعني أنه لم يكن هناك جاذبية قبله. دعم قانون نيوتن للجاذبية مفهوم جاليليو جاليلي للأرض التي تدور حول الشمس وليس الشمس حول الأرض. أحدث هذا القانون ثورة في الفيزياء ، وبدأت الفيزياء تنمو بشكل هائل. باستخدام قانون نيوتن للجاذبية ، تم إثبات أشياء كثيرة. ولكن بعد 332 عامًا أعلن العلماء أن قانون نيوتن للجاذبية خاطئ. لذا دعونا نناقش لماذا؟

على الرغم من أن قانون نيوتن للجاذبية غير صحيح ، إلا أننا باستخدامه اكتشفنا الكوكب الثامن نبتون. نستخدم أيضًا قانون نيوتن للجاذبية في كثير من الحالات. بعد أكثر من 100 عام من الاكتشاف الرائد لنظرية النسبية العامة بواسطة ألبرت أينشتاين ، أعلن العلماء الآن أن قانون نيوتن للجاذبية خاطئ. نُشر قانون نيوتن العالمي للجاذبية في عام 1687. لذا افعل الأشياء الخاطئة (الاشتقاقات ، القوانين ، النظرية ، إلخ) بطريقة قد تستغرق سنوات ، ليثبت الناس أنها خاطئة. هنا الأشياء الخاطئة تعني النظريات والقوانين والمعادلات المشتقة وما إلى ذلك. وحتى قانون نيوتن للجاذبية اليوم مفيد.

وفقًا لقانون الجاذبية لنيوتن ، فإن الجاذبية هي القوة التي تتناسب طرديًا مع ناتج كتلها وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما. يصف نيوتن الجاذبية بأنها قوة لحظية.

يشرح قانون الجاذبية لنيوتن أشياء كثيرة إذن لماذا بدأ أينشتاين يفكر مرة أخرى في ماهية الجاذبية ، دعنا نكتشف. أثناء العمل على نظرية النسبية ، وجد أينشتاين أن هناك حدًا للسرعة في الكون. حد السرعة يساوي سرعة الضوء. لا شيء يمكن أن يسافر أسرع من الضوء حتى الضوء نفسه.

صورة للفيزيائي ألبرت أينشتاين ، جالسًا على طاولة ممسكًا بأنبوبًا ، حوالي عام 1933 (تصوير لامبرت / كيستون / غيتي إيماجز)

كما وصفنا في وقت مبكر وفقا لنيوتن الجاذبية هي قوة لحظية. لذلك إذا اختفت الشمس فجأة ، ستبدأ الأرض في التحرك في خط مستقيم وفقًا لقانون الجاذبية لنيوتن. لكن الضوء يستغرق 8 دقائق و 19 ثانية للوصول إلى الأرض من الشمس. إذن ، هذه القوة اللحظية تخرق قانون السرعة المحددة ، أي لا شيء يتحرك أسرع من الضوء. لذلك بدأ أينشتاين في التفكير مرة أخرى في ماهية الجاذبية ويصف الجاذبية على أنها منحنى في نسيج الزمكان. لذلك إذا اختفت الشمس فجأة ، فسنعرفها بعد 8 دقائق و 19 ثانية وستبدأ الأرض في التحرك في خط مستقيم.

مفهوم الجاذبية والنسبية العامة. الزمكان المنحني الناجم عن جاذبية الشمس. رسم توضيحي مقدم ثلاثي الأبعاد.

وفقًا لنظرية أينشتاين العامة للنسبية ، فإن الجاذبية ليست قوة بل منحنى في نسيج الزمكان. المزيد من الأجسام الضخمة تخلق المزيد من الانحناء في الزمكان. الانحناء مسؤول عن الحركة الدائرية للأرض حول الشمس. حركة القمر حول الأرض. هذا يفسر الجاذبية بشكل أكثر دقة من قانون نيوتن للجاذبية. لم تستطع نظرية النسبية العامة تفسير الجاذبية تحت الثقب الأسود ولكنها تشرح وجود الثقوب السوداء والثقوب البيضاء.

وفقًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، تؤثر الجاذبية أيضًا على الوقت والضوء. تعمل الأجسام الضخمة على ثني شعاع الضوء الذي يمر بالقرب منها. قرب المزيد من الأجسام الجاذبية ، يعمل الوقت بشكل أبطأ. على سبيل المثال ، تعمل الأوقات بشكل أسرع على جبل إيفرست مقارنة بسطح الأرض ، لأن الجاذبية على سطح الأرض هي أكثر من جبل إيفرست.

الآن السؤال الذي يطرح نفسه إذا كان قانون نيوتن للجاذبية خاطئ فلماذا نقوم بدراسته؟

الجواب بسيط للغاية ، قانون نيوتن للجاذبية هو تقريب مثالي للجاذبية في نظرية النسبية لأينشتاين. الحساب في قانون نيوتن للجاذبية سهل للغاية بينما في نظرية النسبية لأينشتاين صعب للغاية. ومن ثم ، في الفيزياء الكلاسيكية نستخدم قانون نيوتن للجاذبية.

نشكرك على قراءة المشاركة مع أصدقائك وعائلتك وإخبارهم بأن القانون الذي تعلموه في المدرسة قد تم إعلانه خطأ.


محتويات

في البداية ، المصطلح نظرية كل شيء تم استخدامه مع إشارة ساخرة إلى العديد من النظريات المعممة. على سبيل المثال ، عُرف جد إيجون تيتشي - شخصية من سلسلة قصص الخيال العلمي لستانيسواف ليم في الستينيات - بالعمل على "النظرية العامة لكل شيء". استخدم الفيزيائي هارالد فريتزش هذا المصطلح في محاضراته عام 1977 في فارينا. [7] يدعي الفيزيائي جون إليس [8] أنه أدخل المصطلح في الأدبيات الفنية في مقال في طبيعة في عام 1986. [9] مع مرور الوقت ، ظل المصطلح عالقًا في تعميم أبحاث الفيزياء النظرية.

من العصور القديمة إلى القرن التاسع عشر

درس العديد من الثقافات القديمة مثل علماء الفلك البابليين وعلم الفلك الهندي نمط الكواكب السبعة الكلاسيكية على خلفية النجوم ، مع اهتمامهم بربط الحركة السماوية بالأحداث البشرية (علم التنجيم) ، والهدف هو التنبؤ بالأحداث من خلال تسجيل الأحداث ضد قياس الوقت ثم ابحث عن الأنماط المتكررة. يمكن إرجاع الجدل بين الكون الذي له إما دورات بداية أو دورات أبدية إلى بابل القديمة. [10] يفترض علم الكونيات الهندوسي أن الزمن لانهائي مع كون دائري ، حيث يسبق الكون الحالي وسيتبعه عدد لا حصر له من الأكوان. [11] [12] المقاييس الزمنية المذكورة في علم الكونيات الهندوسي تتوافق مع مقاييس علم الكونيات العلمي الحديث. تمتد دوراتها من النهار والليل العاديين إلى نهار وليلة براهما ، يبلغ طولها 8.64 مليار سنة. [13]

ظهرت الفلسفة الطبيعية للذرة في العديد من التقاليد القديمة. في الفلسفة اليونانية القديمة ، تكهن فلاسفة ما قبل سقراط بأن التنوع الواضح للظواهر المرصودة كان بسبب نوع واحد من التفاعل ، وهو حركات وتصادمات الذرات. كان مفهوم "الذرة" الذي اقترحه ديموقريطس محاولة فلسفية مبكرة لتوحيد الظواهر التي لوحظت في الطبيعة. ظهر مفهوم "الذرة" أيضًا في مدرسة نيايا فايشيشيكا للفلسفة الهندية القديمة.

ربما كان أرخميدس أول فيلسوف وصف الطبيعة بالبديهيات (أو المبادئ) ثم استنتج نتائج جديدة منها. وبالمثل ، من المتوقع أن تستند أي "نظرية لكل شيء" إلى البديهيات وأن تستنتج منها جميع الظواهر التي يمكن ملاحظتها. [14]: 340

بعد الفكر الذري السابق ، افترضت الفلسفة الميكانيكية للقرن السابع عشر أنه يمكن في نهاية المطاف اختزال جميع القوى لتصل إلى قوى التلامس بين الذرات ، ثم تخيلها كجسيمات صلبة صغيرة. [15]: 184 [16]

في أواخر القرن السابع عشر ، أشار وصف إسحاق نيوتن لقوة الجاذبية البعيدة إلى أنه ليست كل القوى في الطبيعة ناتجة عن ملامسة الأشياء. عمل نيوتن في كتابه المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية تعامل مع هذا في مثال آخر على التوحيد ، في هذه الحالة توحيد عمل جاليليو حول الجاذبية الأرضية ، وقوانين كبلر لحركة الكواكب وظاهرة المد والجزر من خلال شرح هذه الإجراءات الظاهرة على مسافة بموجب قانون واحد: قانون الجاذبية الكونية. [17]

في عام 1814 ، بناءً على هذه النتائج ، اقترح لابلاس أن العقل القوي بدرجة كافية يمكنه ، إذا كان يعرف موقع وسرعة كل جسيم في وقت معين ، جنبًا إلى جنب مع قوانين الطبيعة ، حساب موضع أي جسيم في أي وقت آخر : [18]: الفصل 7

العقل الذي يعرف في لحظة معينة جميع القوى التي تحرك الطبيعة ، وجميع المواقف لجميع العناصر التي تتكون منها الطبيعة ، إذا كان هذا الفكر أيضًا كبيرًا بما يكفي لتقديم هذه البيانات للتحليل ، فسيتم احتضانه في صيغة واحدة حركات أعظم أجسام الكون وحركات أصغر ذرة لمثل هذا الفكر لن يكون هناك شيء غير مؤكد والمستقبل تمامًا مثل الماضي سيكون حاضرًا أمام أعينه.

وهكذا تصور لابلاس مزيجًا من الجاذبية والميكانيكا كنظرية لكل شيء. تشير ميكانيكا الكم الحديثة إلى أن عدم اليقين أمر لا مفر منه ، وبالتالي يجب تعديل رؤية لابلاس: يجب أن تتضمن نظرية كل شيء الجاذبية وميكانيكا الكم. حتى بتجاهل ميكانيكا الكم ، فإن نظرية الفوضى كافية لضمان أن مستقبل أي نظام ميكانيكي أو فلكي معقد بما فيه الكفاية لا يمكن التنبؤ به.

في عام 1820 ، اكتشف هانز كريستيان أورستد علاقة بين الكهرباء والمغناطيسية ، مما أدى إلى عقود من العمل بلغت ذروتها في عام 1865 ، في نظرية جيمس كليرك ماكسويل للكهرومغناطيسية. خلال القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، أصبح من الواضح تدريجيًا أن العديد من الأمثلة الشائعة للقوى - قوى الاتصال والمرونة واللزوجة والاحتكاك والضغط - تنتج عن التفاعلات الكهربائية بين أصغر جسيمات المادة.

في تجاربه بين عامي 1849 و 1850 ، كان مايكل فاراداي أول من بحث عن توحيد الجاذبية مع الكهرباء والمغناطيسية. [19] ومع ذلك ، لم يجد أي صلة.

في عام 1900 ، نشر ديفيد هيلبرت قائمة مشهورة بالمسائل الرياضية. في مشكلة هيلبرت السادسة ، تحدى الباحثين لإيجاد أساس بديهي لجميع الفيزياء. في هذه المشكلة ، سأل عن ما يمكن أن يسمى اليوم نظرية كل شيء. [20]

تحرير أوائل القرن العشرين

في أواخر العشرينيات من القرن الماضي ، أظهرت ميكانيكا الكم الجديدة أن الروابط الكيميائية بين الذرات كانت أمثلة على القوى الكهربائية (الكمية) ، مما يبرر تفاخر ديراك بأن "القوانين الفيزيائية الأساسية اللازمة للنظرية الرياضية لجزء كبير من الفيزياء والكيمياء بأكملها هكذا معروفون تمامًا ". [21]

بعد عام 1915 ، عندما نشر ألبرت أينشتاين نظرية الجاذبية (النسبية العامة) ، بدأ البحث عن نظرية مجال موحدة تجمع بين الجاذبية والكهرومغناطيسية باهتمام متجدد. في أيام أينشتاين ، لم يتم اكتشاف القوى القوية والضعيفة بعد ، ومع ذلك فقد وجد احتمال وجود قوتين متميزتين أخريين ، الجاذبية والكهرومغناطيسية ، أكثر إغراءً بكثير. بدأ هذا رحلته التي استمرت ثلاثين عامًا بحثًا عن ما يسمى بـ "نظرية المجال الموحد" التي كان يأمل أن تظهر أن هاتين القوتين هما في الحقيقة مظاهر لمبدأ أساسي واحد كبير. خلال العقود القليلة الماضية من حياته ، أدى هذا الطموح إلى عزل أينشتاين عن بقية الفيزياء السائدة ، حيث كان السائد أكثر حماسة بشأن الإطار الناشئ لميكانيكا الكم. كتب أينشتاين إلى صديق في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي ، "لقد أصبحت شابًا عجوزًا وحيدًا معروفًا بشكل أساسي لأنه لا يرتدي الجوارب ويتم عرضه كنوع من الفضول في المناسبات الخاصة." المساهمون البارزون هم جونار نوردستروم ، هيرمان ويل ، آرثر إدينجتون ، ديفيد هيلبرت ، [22] ثيودور كالوزا ، أوسكار كلاين (انظر نظرية كالوزا-كلاين) ، وأبرزهم ألبرت أينشتاين ومعاونيه. بحث أينشتاين بجدية عن نظرية موحدة ، لكنه فشل في النهاية في إيجادها [23]: الفصل 17 (انظر معادلات أينشتاين - ماكسويل - ديراك).

أواخر القرن العشرين وتحرير التفاعلات النووية

في القرن العشرين ، توقف البحث عن نظرية موحدة باكتشاف القوى النووية القوية والضعيفة ، والتي تختلف عن الجاذبية والكهرومغناطيسية. كانت العقبة الأخرى هي قبول أنه في TOE ، يجب دمج ميكانيكا الكم منذ البداية ، بدلاً من الظهور كنتيجة لنظرية موحدة حتمية ، كما كان آينشتاين يأمل.

يمكن للجاذبية والكهرومغناطيسية أن تتعايش كمدخلات في قائمة القوى الكلاسيكية ، ولكن لسنوات عديدة بدا أن الجاذبية لا يمكن دمجها في الإطار الكمومي ، ناهيك عن توحيدها مع القوى الأساسية الأخرى. لهذا السبب ، ركز العمل على التوحيد ، في معظم القرن العشرين ، على فهم القوى الثلاث التي وصفتها ميكانيكا الكم: الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة والقوية. تم دمج الأولين في 1967-1968 بواسطة شيلدون جلاشو وستيفن واينبرغ وعبد السلام في القوة الكهروضعيفة. [24] التوحيد الكهروضعيف هو تناظر مكسور: تظهر القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة مميزة عند الطاقات المنخفضة لأن الجسيمات التي تحمل القوة الضعيفة ، البوزونات W و Z ، لها كتل غير صفرية (80.4 GeV /ج 2 و 91.2 جي في /ج 2 ، على التوالي) ، في حين أن الفوتون ، الذي يحمل القوة الكهرومغناطيسية ، عديم الكتلة. في الطاقات الأعلى ، يمكن إنشاء بوزونات W و Z بوزونات بسهولة وتصبح الطبيعة الموحدة للقوة واضحة.

بينما تتعايش القوى القوية والقوى الكهروضعيفة بموجب النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، فإنها تظل متميزة. وبالتالي ، فإن السعي وراء نظرية كل شيء يظل غير ناجح: لم يتم تحقيق توحيد القوى القوية والقوى الكهروضعيفة - والتي كان لابلاس قد أطلق عليها "قوى الاتصال" - ولا توحيد هذه القوى مع الجاذبية.

تحرير التسلسل التقليدي للنظريات

ستوحد نظرية كل شيء جميع التفاعلات الأساسية للطبيعة: الجاذبية ، والتفاعل القوي ، والتفاعل الضعيف ، والكهرومغناطيسية. نظرًا لأن التفاعل الضعيف يمكن أن يحول الجسيمات الأولية من نوع إلى آخر ، يجب أن تتنبأ TOE أيضًا بجميع الأنواع المختلفة المختلفة للجسيمات الممكنة. يتم إعطاء المسار المعتاد المفترض للنظريات في الرسم البياني التالي ، حيث تؤدي كل خطوة توحيد إلى مستوى أعلى على الرسم البياني.

نظرية كل شيء
الجاذبية الكمومية
انحناء الفضاء القوة الكهربائية النووية (GUT)
النموذج القياسي لعلم الكونيات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات
تفاعل قوي
يو (3)
التفاعل الكهروضعيف
يو (2) × يو (1)ص
تفاعل ضعيف
يو (2)
الكهرومغناطيسية
يو (1)م
كهرباء المغناطيسية

في هذا الرسم البياني ، يحدث التوحيد الكهروضعيف عند حوالي 100 GeV ، ومن المتوقع أن يحدث التوحيد الكبير عند 10 16 GeV ، ومن المتوقع توحيد قوة GUT مع الجاذبية في طاقة Planck ، تقريبًا 10 19 GeV.

تم اقتراح العديد من النظريات الموحدة الكبرى (GUTs) لتوحيد الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة والقوية. قد يعني التوحيد الكبير وجود قوة إلكترونووية يُتوقع أن يتم ضبطها عند طاقات بترتيب 10 16 GeV ، أكبر بكثير مما يمكن الوصول إليه بواسطة أي مسرع جسيمات ممكن حاليًا. على الرغم من استبعاد أبسط تقنيات GUT تجريبياً ، إلا أن فكرة النظرية الموحدة الكبرى ، خاصةً عند ربطها بالتناظر الفائق ، تظل مرشحًا مفضلاً في مجتمع الفيزياء النظرية. تبدو GUTs فائقة التناظر معقولة ليس فقط من أجل "جمالها" النظري ، ولكن لأنها تنتج بشكل طبيعي كميات كبيرة من المادة المظلمة ، ولأن القوة التضخمية قد تكون مرتبطة بفيزياء GUT (على الرغم من أنها لا تشكل جزءًا لا مفر منه من النظرية) . ومع ذلك ، من الواضح أن GUTs ليست الإجابة النهائية ، فكل من النموذج القياسي الحالي وجميع GUTs المقترحة هي نظريات المجال الكمي التي تتطلب التقنية الإشكالية لإعادة التطابق للحصول على إجابات معقولة. عادة ما يُنظر إلى هذا على أنه علامة على أن هذه ليست سوى نظريات ميدانية فعالة ، مع حذف الظواهر الحاسمة ذات الصلة فقط بالطاقات العالية جدًا. [5]

تتطلب الخطوة الأخيرة في الرسم البياني حل الفصل بين ميكانيكا الكم والجاذبية ، والتي غالبًا ما تعادل النسبية العامة. يركز العديد من الباحثين جهودهم على هذه الخطوة المحددة ، ومع ذلك ، لم تظهر أي نظرية مقبولة للجاذبية الكمومية ، وبالتالي لم تظهر أي نظرية مقبولة لكل شيء. عادةً ما يُفترض أن TOE ستحل أيضًا المشكلات المتبقية لـ GUTs.

بالإضافة إلى شرح القوى المدرجة في الرسم البياني ، قد تشرح TOE أيضًا حالة قوتين مرشحتين على الأقل اقترحهما علم الكونيات الحديث: القوة التضخمية والطاقة المظلمة. علاوة على ذلك ، تشير التجارب الكونية أيضًا إلى وجود مادة مظلمة ، يفترض أنها تتكون من جسيمات أساسية خارج مخطط النموذج القياسي. ومع ذلك ، لم يتم إثبات وجود هذه القوى والجسيمات.

نظرية الأوتار وتحرير نظرية إم

هل نظرية الأوتار ، أو نظرية الأوتار الفائقة ، أو نظرية M ، أو أي متغير آخر عن هذا الموضوع ، خطوة على طريق "نظرية كل شيء" ، أم مجرد طريق مسدود؟

منذ تسعينيات القرن الماضي ، يعتقد بعض الفيزيائيين مثل إدوارد ويتن أن نظرية M ذات 11 بعدًا ، والتي تم وصفها في بعض الحدود بواسطة إحدى نظريات الأوتار الفائقة الخمسة المضطربة ، وفي أخرى من خلال الجاذبية الفائقة ذات 11 بُعدًا فائق التناظر ، هي النظرية من كل شيء. لا يوجد إجماع واسع النطاق حول هذه القضية.

إحدى الخصائص الرائعة لنظرية الأوتار / M هي أن الأبعاد الإضافية مطلوبة لاتساق النظرية. في هذا الصدد ، يمكن النظر إلى نظرية الأوتار على أنها مبنية على رؤى نظرية كالوزا-كلاين ، حيث تم إدراك أن تطبيق النسبية العامة على كون خماسي الأبعاد (أحدها صغير وملفوف) [ التوضيح المطلوب ] من منظور رباعي الأبعاد مثل النسبية العامة المعتادة مع الديناميكا الكهربائية لماكسويل. أعطى هذا مصداقية لفكرة توحيد تفاعلات القياس والجاذبية ، والأبعاد الإضافية ، لكنه لم يعالج المتطلبات التجريبية التفصيلية. خاصية أخرى مهمة لنظرية الأوتار هي التناظر الفائق ، والتي مع أبعاد إضافية هما الاقتراحان الرئيسيان لحل مشكلة التسلسل الهرمي للنموذج القياسي ، وهو (تقريبًا) السؤال عن سبب كون الجاذبية أضعف بكثير من أي قوة أخرى. يتضمن الحل الإضافي الأبعاد السماح للجاذبية بالانتشار في الأبعاد الأخرى مع إبقاء القوى الأخرى محصورة في الزمكان رباعي الأبعاد ، وهي فكرة تم تحقيقها بآليات سلسلة صريحة. [25]

تم تشجيع البحث في نظرية الأوتار من خلال مجموعة متنوعة من العوامل النظرية والتجريبية. على الجانب التجريبي ، يتناسب محتوى الجسيمات في النموذج القياسي المضاف إليه كتل النيوترينو مع تمثيل سبينور لـ SO (10) ، وهي مجموعة فرعية من E8 تظهر بشكل روتيني في نظرية الأوتار ، كما هو الحال في نظرية الأوتار غير المتجانسة [26] أو (في بعض الأحيان) بالتساوي) في نظرية F. [27] [28] تمتلك نظرية الأوتار آليات قد تفسر سبب ظهور الفرميونات في ثلاثة أجيال هرمية ، وتشرح معدلات الاختلاط بين أجيال الكوارك. [29] على الجانب النظري ، فقد بدأ في معالجة بعض الأسئلة الرئيسية في الجاذبية الكمية ، مثل حل مفارقة معلومات الثقب الأسود ، وإحصاء الانتروبيا الصحيحة للثقوب السوداء [30] [31] والسماح بتغيير الطوبولوجيا العمليات. [32] [33] [34] وقد أدى أيضًا إلى العديد من الأفكار في الرياضيات البحتة وفي نظرية المقاييس العادية شديدة الاقتران بسبب ازدواجية المقياس / السلسلة.

في أواخر التسعينيات ، لوحظ أن إحدى العقبات الرئيسية في هذا المسعى هي أن عدد الأكوان رباعية الأبعاد المحتملة كبير بشكل لا يصدق. يمكن ضغط الأبعاد الإضافية الصغيرة "الملتفة" بعدد هائل من الطرق المختلفة (تقدير واحد هو 10500) كل منها يؤدي إلى خصائص مختلفة للجسيمات والقوى منخفضة الطاقة. تُعرف مجموعة النماذج هذه باسم مشهد نظرية الأوتار. [14]: 347

يتمثل أحد الحلول المقترحة في أن العديد من هذه الاحتمالات أو جميعها تتحقق في واحد أو آخر من عدد هائل من الأكوان ، ولكن عددًا صغيرًا منها فقط صالح للسكن. ومن ثم فإن ما نتصوره عادة على أنه الثوابت الأساسية للكون هو في نهاية المطاف نتيجة للمبدأ الأنثروبي وليس النظرية التي تمليها. وقد أدى هذا إلى انتقاد نظرية الأوتار ، [35] بحجة أنها لا تستطيع تقديم تنبؤات مفيدة (أي ، أصلية ، وقابلة للتزوير ، ويمكن التحقق منها) وتعتبرها علمًا زائفًا. يختلف آخرون ، [36] وتظل نظرية الأوتار موضوعًا نشطًا للتحقيق في الفيزياء النظرية. [37]

حلقة تحرير الجاذبية الكمومية

قد تلعب الأبحاث الحالية حول الجاذبية الكمية الحلقية دورًا أساسيًا في نهاية المطاف في TOE ، لكن هذا ليس هدفها الأساسي. [38] تقدم الجاذبية الكمية الحلقية أيضًا حدًا أدنى لمقاييس الطول الممكنة.

كانت هناك ادعاءات حديثة بأن الجاذبية الكمية الحلقية قد تكون قادرة على إعادة إنتاج ميزات تشبه النموذج القياسي. حتى الآن ، تم تصميم الجيل الأول فقط من الفرميونات (اللبتونات والكواركات) ذات خصائص التكافؤ الصحيحة بواسطة Sundance Bilson-Thompson باستخدام البريونات المكونة من ضفائر الزمكان كوحدات بناء. [39] ومع ذلك ، لا يوجد اشتقاق من لاغرانج يصف تفاعلات مثل هذه الجسيمات ، ولا يمكن إظهار أن هذه الجسيمات هي فرميونات ، ولا أن مجموعات القياس أو تفاعلات النموذج القياسي قد تحققت. جعل استخدام مفاهيم الحوسبة الكمومية من الممكن إثبات أن الجسيمات قادرة على الصمود في وجه التقلبات الكمية. [40]

يؤدي هذا النموذج إلى تفسير الشحنة الكهربية واللونية على أنها كميات طوبولوجية (كهربائية كرقم وتناظر الانحناءات المحمولة على الأشرطة الفردية واللون كمتغيرات لهذا الالتواء لشحنة كهربائية ثابتة).

اقترحت الورقة الأصلية لبيلسون طومسون أن الجيل الأعلى من الفرميونات يمكن تمثيله بضفائر أكثر تعقيدًا ، على الرغم من عدم تقديم تركيبات واضحة لهذه الهياكل. ستنشأ خصائص الشحنة الكهربائية واللون والتكافؤ لمثل هذه الفرميونات بنفس طريقة ظهور الجيل الأول. تم تعميم النموذج صراحة لعدد لا حصر له من الأجيال وبوزونات القوة الضعيفة (ولكن ليس للفوتونات أو الغلوونات) في ورقة بحثية عام 2008 من قبل بيلسون تومسون وهاكيت وكوفمان وسمولين. [41]

تحرير محاولات أخرى

من بين المحاولات الأخرى لتطوير نظرية كل شيء ، نظرية أنظمة الفرميون السببية ، [42] تعطي النظريتين الفيزيائية الحاليتين (النسبية العامة ونظرية المجال الكمومي) كحالات محدودة.

نظرية أخرى تسمى المجموعات السببية. مثل بعض الأساليب المذكورة أعلاه ، فإن هدفها المباشر ليس بالضرورة تحقيق TOE ولكن في المقام الأول نظرية العمل للجاذبية الكمومية ، والتي قد تشمل في النهاية النموذج القياسي وتصبح مرشحًا لـ TOE. المبدأ التأسيسي هو أن الزمكان منفصل بشكل أساسي وأن أحداث الزمكان مرتبطة بترتيب جزئي. هذا النظام الجزئي له المعنى المادي للعلاقات السببية بين الماضي النسبي والمستقبل الذي يميز أحداث الزمكان.

لا يفترض التثليث السببي الديناميكي أي ساحة موجودة مسبقًا (فضاء الأبعاد) ، ولكنه يحاول إظهار كيفية تطور نسيج الزمكان نفسه.

قد تكون هناك محاولة أخرى مرتبطة بـ ER = EPR ، وهو تخمين في الفيزياء ينص على أن الجسيمات المتشابكة متصلة بواسطة ثقب دودي (أو جسر أينشتاين - روزين). [43]

تعديل الوضع الحالي

في الوقت الحالي ، لا توجد نظرية مرشحة لكل شيء يتضمن النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات والنسبية العامة والتي ، في نفس الوقت ، قادرة على حساب ثابت البنية الدقيقة أو كتلة الإلكترون. [3] يتوقع معظم علماء فيزياء الجسيمات أن نتيجة التجارب الجارية - البحث عن جسيمات جديدة في مسرعات الجسيمات الكبيرة وعن المادة المظلمة - ضرورية لتوفير مدخلات إضافية لـ TOE.

بالتوازي مع البحث المكثف عن TOE ، ناقش العديد من العلماء بجدية إمكانية اكتشافه.

تحرير نظرية عدم الاكتمال لجودل

يدعي عدد من العلماء أن نظرية عدم الاكتمال لجودل تشير إلى أن أي محاولة لبناء TOE محكوم عليها بالفشل. تؤكد نظرية Gödel ، التي تم ذكرها بشكل غير رسمي ، أن أي نظرية رسمية كافية للتعبير عن حقائق حسابية أولية وقوية بما يكفي لإثباتها إما غير متسقة (يمكن اشتقاق كل من البيان وإنكاره من البديهيات) أو غير مكتمل ، بمعنى أن هناك is a true statement that can't be derived in the formal theory.

Stanley Jaki, in his 1966 book The Relevance of Physics, pointed out that, because any "theory of everything" will certainly be a consistent non-trivial mathematical theory, it must be incomplete. He claims that this dooms searches for a deterministic theory of everything. [44]

Freeman Dyson has stated that "Gödel's theorem implies that pure mathematics is inexhaustible. No matter how many problems we solve, there will always be other problems that cannot be solved within the existing rules. […] Because of Gödel's theorem, physics is inexhaustible too. The laws of physics are a finite set of rules, and include the rules for doing mathematics, so that Gödel's theorem applies to them." [45]

Stephen Hawking was originally a believer in the Theory of Everything, but after considering Gödel's Theorem, he concluded that one was not obtainable. "Some people will be very disappointed if there is not an ultimate theory that can be formulated as a finite number of principles. I used to belong to that camp, but I have changed my mind." [46]

Jürgen Schmidhuber (1997) has argued against this view he asserts that Gödel's theorems are irrelevant for computable physics. [47] In 2000, Schmidhuber explicitly constructed limit-computable, deterministic universes whose pseudo-randomness based on undecidable, Gödel-like halting problems is extremely hard to detect but does not at all prevent formal TOEs describable by very few bits of information. [48]

Related critique was offered by Solomon Feferman [49] and others. Douglas S. Robertson offers Conway's game of life as an example: [50] The underlying rules are simple and complete, but there are formally undecidable questions about the game's behaviors. Analogously, it may (or may not) be possible to completely state the underlying rules of physics with a finite number of well-defined laws, but there is little doubt that there are questions about the behavior of physical systems which are formally undecidable on the basis of those underlying laws.

Since most physicists would consider the statement of the underlying rules to suffice as the definition of a "theory of everything", most physicists argue that Gödel's Theorem does ليس mean that a TOE cannot exist. On the other hand, the scholars invoking Gödel's Theorem appear, at least in some cases, to be referring not to the underlying rules, but to the understandability of the behavior of all physical systems, as when Hawking mentions arranging blocks into rectangles, turning the computation of prime numbers into a physical question. [51] This definitional discrepancy may explain some of the disagreement among researchers.

Fundamental limits in accuracy Edit

No physical theory to date is believed to be precisely accurate. Instead, physics has proceeded by a series of "successive approximations" allowing more and more accurate predictions over a wider and wider range of phenomena. Some physicists believe that it is therefore a mistake to confuse theoretical models with the true nature of reality, and hold that the series of approximations will never terminate in the "truth". Einstein himself expressed this view on occasions. [52] Following this view, we may reasonably hope for a theory of everything which self-consistently incorporates all currently known forces, but we should not expect it to be the final answer.

On the other hand, it is often claimed that, despite the apparently ever-increasing complexity of the mathematics of each new theory, in a deep sense associated with their underlying gauge symmetry and the number of dimensionless physical constants, the theories are becoming simpler. If this is the case, the process of simplification cannot continue indefinitely.

Lack of fundamental laws Edit

There is a philosophical debate within the physics community as to whether a theory of everything deserves to be called ال fundamental law of the universe. [53] One view is the hard reductionist position that the TOE is the fundamental law and that all other theories that apply within the universe are a consequence of the TOE. Another view is that emergent laws, which govern the behavior of complex systems, should be seen as equally fundamental. Examples of emergent laws are the second law of thermodynamics and the theory of natural selection. The advocates of emergence argue that emergent laws, especially those describing complex or living systems are independent of the low-level, microscopic laws. In this view, emergent laws are as fundamental as a TOE.

The debates do not make the point at issue clear. Possibly the only issue at stake is the right to apply the high-status term "fundamental" to the respective subjects of research. A well-known debate over this took place between Steven Weinberg and Philip Anderson [ بحاجة لمصدر ] . [54]

Impossibility of being "of everything" Edit

Although the name "theory of everything" suggests the determinism of Laplace's quotation, this gives a very misleading impression. Determinism is frustrated by the probabilistic nature of quantum mechanical predictions, by the extreme sensitivity to initial conditions that leads to mathematical chaos, by the limitations due to event horizons, and by the extreme mathematical difficulty of applying the theory. Thus, although the current standard model of particle physics "in principle" predicts almost all known non-gravitational phenomena, in practice only a few quantitative results have been derived from the full theory (e.g., the masses of some of the simplest hadrons), and these results (especially the particle masses which are most relevant for low-energy physics) are less accurate than existing experimental measurements. Even in classical mechanics there are still unsolved problems, such as turbulence, although the equations have been known for centuries. The TOE would almost certainly be even harder to apply for the prediction of experimental results, and thus might be of limited use.

A motive for seeking a TOE, [ بحاجة لمصدر ] apart from the pure intellectual satisfaction of completing a centuries-long quest, is that prior examples of unification have predicted new phenomena, some of which (e.g., electrical generators) have proved of great practical importance. And like in these prior examples of unification, the TOE would probably allow us to confidently define the domain of validity and residual error of low-energy approximations to the full theory.

The theories generally do not account for the apparent phenomena of consciousness or free will, which are instead often the subject of philosophy and religion.

Infinite number of onion layers Edit

Frank Close regularly argues that the layers of nature may be like the layers of an onion, and that the number of layers might be infinite. [55] This would imply an infinite sequence of physical theories.

Impossibility of calculation Edit

Weinberg [56] points out that calculating the precise motion of an actual projectile in the Earth's atmosphere is impossible. So how can we know we have an adequate theory for describing the motion of projectiles? Weinberg suggests that we know principles (Newton's laws of motion and gravitation) that work "well enough" for simple examples, like the motion of planets in empty space. These principles have worked so well on simple examples that we can be reasonably confident they will work for more complex examples. For example, although general relativity includes equations that do not have exact solutions, it is widely accepted as a valid theory because all of its equations with exact solutions have been experimentally verified. Likewise, a TOE must work for a wide range of simple examples in such a way that we can be reasonably confident it will work for every situation in physics.


And the winner is?

If you wanted to pick a referee in the big-small debate, you could hardly do better than Sean Carroll, an expert in cosmology, field theory and gravitational physics at Caltech. He knows his way around relativity, he knows his way around quantum mechanics, and he has a healthy sense of the absurd: he calls his personal blog Preposterous Universe. Right off the bat, Carroll awards most of the points to the quantum side. “Most of us in this game believe that quantum mechanics is much more fundamental than general relativity is,” he says. That has been the prevailing view ever since the 1920s, when Einstein tried and repeatedly failed to find flaws in the counterintuitive predictions of quantum theory. The recent Dutch experiment demonstrating an instantaneous quantum connection between two widely separated particles – the kind of event that Einstein derided as “spooky action at a distance” – only underscores the strength of the evidence.

Illustration by Owen Gildersleeve

Taking a larger view, the real issue is not general relativity versus quantum field theory, Carroll explains, but classical dynamics versus quantum dynamics. Relativity, despite its perceived strangeness, is classical in how it regards cause and effect quantum mechanics most definitely is not. Einstein was optimistic that some deeper discoveries would uncover a classical, deterministic reality hiding beneath quantum mechanics, but no such order has yet been found. The demonstrated reality of spooky action at a distance argues that such order does not exist.

“If anything, people underappreciate the extent to which quantum mechanics just completely throws away our notions of space and locality [the notion that a physical event can affect only its immediate surroundings]. Those things simply are not there in quantum mechanics,” Carroll says. They may be large-scale impressions that emerge from very different small-scale phenomena, like Hogan’s argument about 3D reality emerging from 2D quantum units of space.

Despite that seeming endorsement, Carroll regards Hogan’s holometer as a long shot, though he admits it is removed from his area of research. At the other end, he doesn’t think much of Smolin’s efforts to start with space as a fundamental thing he believes the notion is as absurd as trying to argue that air is more fundamental than atoms. As for what kind of quantum system might take physics to the next level, Carroll remains broadly optimistic about string theory, which he says “seems to be a very natural extension of quantum field theory”. In all these ways, he is true to the mainstream, quantum-based thinking in modern physics.

Yet Carroll’s ruling, while almost entirely pro-quantum, is not purely an endorsement of small-scale thinking. There are still huge gaps in what quantum theory can explain. “Our inability to figure out the correct version of quantum mechanics is embarrassing,” he says. “And our current way of thinking about quantum mechanics is simply a complete failure when you try to think about cosmology or the whole universe. We don’t even know what time is.” Both Hogan and Smolin endorse this sentiment, although they disagree about what to do in response. Carroll favours a bottom-up explanation in which time emerges from small-scale quantum interactions, but declares himself “entirely agnostic” about Smolin’s competing suggestion that time is more universal and fundamental. In the case of time, then, the jury is still out.

No matter how the theories shake out, the large scale is inescapably important, because it is the world we inhabit and observe. In essence, the universe as a whole is the answer, and the challenge to physicists is to find ways to make it pop out of their equations. Even if Hogan is right, his space-chunks have to average out to the smooth reality we experience every day. Even if Smolin is wrong, there is an entire cosmos out there with unique properties that need to be explained – something that, for now at least, quantum physics alone cannot do.

By pushing at the bounds of understanding, Hogan and Smolin are helping the field of physics make that connection. They are nudging it toward reconciliation not just between quantum mechanics and general relativity, but between idea and perception. The next great theory of physics will undoubtedly lead to beautiful new mathematics and unimaginable new technologies. But the best thing it can do is create deeper meaning that connects back to us, the observers, who get to define ourselves as the fundamental scale of the universe.

This essay originally appeared in issue 29 of Nautilus. To find out more, visit nautil.us

Follow the Long Read on Twitter at @gdnlongread, or sign up to the long read weekly email here.


What about gravity?

In 1907 Einstein realised that his theory was not complete. The principle of relativity was only applicable to observers moving with a constant velocity. It also did not fit with the Newtonian description of gravity.

Einstein, being a patent officer, did not have access to laboratory equipment. To compensate, he had to engage himself in thought experiments. He considered various scenarios in his head and worked through them step by step.

These thought experiments showed to him that gravity is not different from acceleration. So standing stationary on the Earth feels just the same as standing in a rocket ship accelerating at a constant 1G.

It also showed that the accelerated observer would observe that fundamental geometrical properties change. For example, that the number π (a mathematical constant) could no longer be defined as a ratio of a circle’s circumference to its diameter.

So it was not just time and space that lost their absolute meaning, but Einstein realised that also geometry itself was not absolute and could be susceptible to physical conditions.


General Theory of Relativity

As we have seen, matter does not simply pull on other matter across empty space, as Newton had imagined. Rather matter distorts space-time and it is this distorted space-time that in turn affects other matter. Objects (including planets, like the Earth, for instance) fly freely under their own inertia through warped space-time, following curved paths because this is the shortest possible path (or geodesic) in warped space-time.

This, in a nutshell, then, is the General Theory of Relativity, and its central premise is that the curvature of space-time is directly determined by the distribution of matter and energy contained within it. What complicates things, however, is that the distribution of matter and energy is in turn governed by the curvature of space, leading to a feedback loop and a lot of very complex mathematics. Thus, the presence of mass/energy determines the geometry of space, and the geometry of space determines the motion of mass/energy.

In practice, in our everyday world, Newton’s Law of Universal Gravitation is a perfectly good approximation. The curving of light was never actually predicted by Newton but, in combination with the idea from special relativity that all forms of energy (including light) have an effective mass, then it seems logical that, as light passes a massive body like the Sun, it too will feel the tug of gravity and be bent slightly from its course. Curiously, however, Einstein’s theory predicts that the path of light will be bent by twice as much as does Newton’s theory, due to a kind of positive feedback. The English astronomer Arthur Eddington confirmed Einstein’s predictions of the deflection of light from other stars by the Sun’s gravity using measurements taken in West Africa during an eclipse of the Sun in 1919, after which the General Theory of Relativity was generally accepted in the scientific community.


(Click for a larger version)
General relativity predicts the gravitational bending of light by massive bodies
(Source: Time Travel Research Center: http://www.zamandayolculuk.com/cetinbal/
HTMLdosya1/RelativityFile.htm)

The theory has been proven remarkably accurate and robust in many different tests over the last century. The slightly elliptical orbit of planets is also explained by the theory but, even more remarkably, it also explains with great accuracy the fact that the elliptical orbits of planets are not exact repetitions but actually shift slightly with each revolution, tracing out a kind of rosette-like pattern. For instance, it correctly predicts the so-called precession of the perihelion of Mercury (that the planet Mercury traces out a complete rosette only once every 3 million years), something which Newton’s Law of Universal Gravitation is not sophisticated enough to cope with.

Gravity Probe B was launched into Earth orbit in 2004, specifically to test the space-time-bending effects predicted by General Relativity using ultra-sensitive gyroscopes. The final analysis of the results in 2011 confirms the predicted effects quite closely, with a tiny 0.28% margin of error for geodetic effects and a larger 19% margin of error for the much less pronounced frame-dragging effect.

The General Theory of Relativity can actually be described using a very simple equation: R = GE (although Einstein's own formulation of his field equations are much more complex). Unfortunately, the variables in this simple equation are far from simple: R is a complicated mathematical object made up of 16 separate numbers in a matrix or "tensor" that describes the distortion of space-time G is the gravitational constant and E is another complicated number, also represented by a tensor, representing the energy of the object (or more accurately the 4-dimensional "energy momentum density"). Given that, though, what the equation says is simple enough: that what gravity really is is not a force but a distortion of space and time, and that the geometry of space and time depends not just on velocity (as the Special Theory of Relativity had indicated) but on the energy of an object. This makes sense when we consider that Newton had already shown that gravity depends on mass, and that Einstein's Special Theory of Relativity had shown that mass is equivalent to energy.

Stephen Hawking and Roger Penrose’s singularity theorem of 1970 used the General Theory of Relativity to show that, just as any collapsing star must end in a singularity, the universe itself must have begun in a singularity like the Big Bang (providing that the universe does in fact contain at least as much matter as it appears to). The theorem also showed, though, that general relativity is an incomplete theory in that it cannot tell us exactly how the universe started off because it predicts that all physical theories (including itself) necessarily break down at a singularity like the Big Bang.

The theory has also provided endless fodder for the science fiction industry, predicting the existence of sci-fi staples like black holes, wormholes, time travel, parallel universes, etc. Just as an example, the notionally faster-than-light “warp” speeds of Star Trek are based firmly on relativity: if the space-time behind a starship were in some way greatly expanded, and the space-time in front of it simultaneously contracted, the starship would find itself suddenly much closer to its destination, without the local space-time around the starship being affected in any relativistic way. Unfortunately, however, such a trick would require the harvesting of vast amounts of energy, way in excess of anything imaginable today.


What is the logic behind the Eddington expedition that proved Einstein's general theory of relativity?

The Eddington expedition in 1919 proved Einstein's general theory of relativity.

[Eddington] argued that the deflection, or bending, of light by the Sun’s gravity could be measured. because Einstein’s theory predicted a deflection precisely twice the value obtained using Isaac Newton’s law of universal gravitation. [Crommelin's] measurements were decisive, and were noticeably closer to the Einstein prediction than to the Newtonian.(Coles, 2019)

Suppose ص is the statement"the measured deflection of light by the Sun's gravity matches Einstein's prediction", and ف is the statement "the general theory of relativity is correct". To explain the reasoning behind the Eddington expedition, the conditional statement that needs to be used as a premise is q → p. The statement q → p is the only true one, and it allows for keeping the inference valid, which will be shown later.

The statement p → q reads as "if the deflection matches the prediction, then the theory is correct". When both component statements are analyzed, this conditional statement becomes problematic. The mere fact of deflection matching prediction does not necessarily lead to a correct theory. The theory can be false for other reasons even as deflection matches prediction. In the truth table for p → q, both the following rows are possible:

لذلك ، باستخدام p → q as a premise in the inference is not very reliable.

مثل p → q appears shaky, the statement ص cannot be established as a sufficient condition for statement ف. However, the inverse of p → q offers some hope in explaining the expedition. The statement

ف reads as "if the deflection does not match Einstein's prediction, the general theory of relativity is incorrect". This one looks solid, because once the deflection is found not to match the prediction, there is no other ground for the theory to continue to be correct. This idea is embodied in the following truth table row.

A conditional statement is logically equivalent to its contrapositive. Using this rule, the preceding explanation for the Eddington expedition can be further tested by evaluating the truth or falsity of conditional statement q → p. The statement q → p reads as "if the general theory of relativity is correct, the measured deflection matches Einstein's prediction". For this statement, reasoning appears solid, because any discrepancy between the deflection and the prediction would render the theory incorrect. This reasoning can be shown in the following truth table row.

Up to this point, it has been shown that q → p is a reliable statement. بعبارات أخرى، ص is established as a necessary condition for ف.

Lastly, processes of inference are used to derive the desired conclusion.

Very unintuitively, the inference uses modus tollens. As far as the Eddington expedition went, the second premise never surfaced, which is, the measured deflection was never found to differ from the predictions made by Einstein. Thus, only the first premise q → p stays relevant. Coupled with the analysis above that reveals the truth of q → p, the general theory of relativity is held to be correct.

A side note on this question: if one day the second premise of the inference block is found, the general theory of relativity will be discredited.

Reference: Coles, P. (2019). Relativity Revealed. طبيعة. 568. 306-307.


Einstein’s Theory of Relativity: Explained

Einstein’s Theory of Relativity is mostly known for its assertion that time travel is possible, but in reality this theory encompasses much more. The theory itself is actually split into Special Relativity and General Relativity.


Special Relativity
is based upon two postulates:
1) The laws of physics are the same for all observers in uniform motion relative to one another.
2) The speed of light in a vacuum is the same for all observers, regardless of their relative motion or the motion of the source of the light.

What are the consequences of these postulates? They are best explained with these YouTube videos which use excellent animation to show their points:

– Time Dilation and Time Travel:
Moving clocks are measured to tick more slowly than an observer’s “stationary” clock. The video below explains:

– Simultaneity of Events: It is impossible to say with absolute certainty that two events occur at the same time if the events occur in different spaces. The perception of when each takes place depends on the observer:


– Length Contraction:
This result of special relativity is only relevant when looking at objects moving at speeds above 30,000,000 m/s. At that speed, however, objects appear to be shorter than they what they appear as when stationary or moving at a slower speed. While this is interesting in itself, the real insight comes from realizing that if an observer sees an object moving at the speed of light (assuming this is physically possible), then the object will appear to have no length whatsoever. What follows is the idea that if an object has mass, it cannot move at the speed of light. Hence the speed of light, 299,742,458 m/s, is the universal speed limit for anything with physical mass. Anything moving at the speed is pure energy, which leads to the final conclusion of special relativity…

– Energy = (Mass)(Speed of Light) 2:
This equation explicitly shows that mass can be converted to energy and vice-versa. It also upholds the concept of Conservation of Matter and Energy because the equation shows that when matter disappears in some objects, it is only because it has been converted to energy which is equivalent to mass.

General Relativity is the geometric theory of gravitation put out by Einstein to argue against Newton’s Law of Universal Gravitation. Newton’s law was based on the idea that gravity could move faster than the speed of light, which Einstein obviously found to be false. Consequently, Einstein stated that gravity is instead a property of the geometry of space and time, also called spacetime. The only way for you to fully understand this is to watch the video below, and I promise that it will blow your mind. You will never think about gravity in the same way again.

The consequences of General Relativity are as follows:
1) Gravitation Time Dilation: time moves more slowly in gravitational fields than it does in fields lacking n gravitation pull. The mass of the effect is proportional to the strength of the gravity.
2) Beams of light are bent as they travel through gravitational fields, which explains the existence of black holes
3) Frame-Dragging: a rotating object with mass will drag along the spacetime that is around it. One example is light moving in the same rotational direction as the object will appear to move faster to a distant observer light moving in the opposite direction. Here is a 10-second clip illustrating this idea:


  1. The general theory of relativity was a new way of understanding
    1. the speed of light.
    2. gravity.
    3. mass.
    4. force.
    1. حقيقي
    2. خطأ شنيع
    1. حقيقي
    2. خطأ شنيع
    1. when emitted from a moving source
    2. when measured from an accelerating space ship
    3. when measured in the presence of an extreme gravitational field
    4. NEVER
    1. 3.0×10 8 m/s
    2. 1.5×10 8 m/s
    3. 4.5×10 8 m/s
    4. 0 m/s

    Use this resource to answer the questions that follow.

    1. If you have two objects and one of them is moving and one is standing still, what experiment can you do to determine which object is moving?
    2. If a person in a spaceship flies by a person on the earth and each person assumes that they are standing still and the other one is moving, which person is correct?


    شاهد الفيديو: قوة الجاذبية (قد 2022).