Γενική Θεωρία της Σχετικότητας

Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας προτάθηκε απο τον Albert Einstein to 1916 και έκτοτε αποτελεί ένα από τα πλέον αγαπημένα πεδία στα οποία διασταυρώνονται τα ξίφη της επιστημονικής διανόησης. Η σημασία της στην Κοσμολογία ειναι πολύ μεγάλη καθόσον έννοιες όπως τα βαρυτικά κύματα αλλά και οι μαύρες τρύπες αποτελούν σαφείς προβλέψεις της εν λόγω θεωρίας.

Για την ιστορία αξίζει να αναφερθει η σημαντική βοήθεια που προσέφερε στον Einstein o λαμπρός μαθηματικός Κ. Καραθεοδωρή.

Αξιώματα

Η βασική αρχή της Γενικής Θεωρίας της σχετικότητας είναι η αρχή της ισοδυναμίας. Ένας παρατηρητής εντός ενός επιταχυνόμενου συστήματος αναφοράς αντιλαμβάνεται ακριβώς τα ίδια πράγματα με έναν παρατηρητή που βρίσκεται εντός ενός βαρυτικού πεδίου.

Η παραπάνω αρχή σχετίζεται με το ότι η μάζα των σωμάτων εμφανίζει διττή φύση: α) αποτελεί μέτρο της αδράνειας των σωμάτων (αδρανειακή μάζα) και β) εισερχόμενη στο νόμο της παγκόσμιας έλξης, αποτελεί μέτρο των ελκτικών δυνάμεων οι οποίες αναπτύσσονται ανάμεσα στα σώματα (βαρυτική μαζα). Οι δυο αυτές μορφές δεν υποχρεούνται να ταυτίζονται κατ' ανάγκην, όμως τα πειράματα που εκτέλεσε ο Eotvos στα τέλη του 19ου αιώνα αλλά και επόμενα συνηγορούν στη θεώρηση αυτή. Κατά συνέπεια ένας παρατηρητής δεν μπορεί να ξεχωρίσει εάν εκτελεί ελεύθερη πτώση ή βρίσκεται σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς και γενικότερα ένα επιταχυνόμενο σύστημα αναφοράς μπορεί να ταυτισθεί πλήρως με ένα βαρυτικό πεδίο.

Επίσης σημαντική θέση έχει η αρχή του γενικού συναλλοιώτου: οι νόμοι της φυσικής πρέπει να είναι ίδιοι σε όλα ανεξαιρέτως τα συστήματα αναφορας, αδρανεικά ή μη, και αυτό επιτυγχάνεται μέσω της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Βαρύτητα

Η γενική θεωρία της σχετικότητας εκτός του ότι πλέον παρέχει τη δυνατότητα περιγραφής των νόμων της φυσικής σε όλα τα συστήματα αναφοράς, δίνει μια πιο ακριβή περιγραφή της βαρύτητας. Η κεντρική ιδέα της είναι ότι η μάζα καμπυλώνει τον χωροχρόνο και η καμπύλωση του χωροχρόνου καθορίζει την κίνηση της μάζας.

Πειραματικές-Παρατηρησιακές Επιβεβαιώσεις

Η γενική θεωρία της σχετικότητας προβλέψεις οι οποίες είναι δυνατόν να επαληθευτούν μέσα από παρατηρήσεις ή πειράματα, μεταξύ αυτών είναι και οι ακόλουθες:

Μετάθεση του Περιήλιου του Ερμή

H θεση του περιήλιου του πλανήτη Ερμή μετατίθεται κατά 5599,7 δευτερόλεπτα του τόξου ανά αιώνα. Η Νευτώνεια μηχανική, συνυπολογιζόντας την βαρυτική έλξη των υπολοίπων πλανητών προβλέπει μετάπτωση 5557 δευτετόλεπτα του τόξου ανά αιώνα. Η Γ.Θ.Σ. προβλέπει μια επιπλέον μετάπτωση κατά 43" η οποία δίνει με ακρίβεια τον απαιτούμενο αριθμό. Η παραπάνω επιβεβαίωση ήταν ο πρώτος αλλά όχι ο τελευταίος θρίαμβος της Γ.Θ.Σ.

Βαρυτική Καμπύλωση της Τροχιάς του Φωτός

Το φως όταν διέρχεται από περιοχές έντονης καμπύλωσης του χωρόχρονου, παύει να ακολουθεί ευθύγραμμη πορεία, αλλά εκτρέπεται. Το παραπάνω παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1920 απο τον Sir Arthur Eddington κατά τη διάρκεια ολικής έκλειψης Ηλίου και αποτελεί άλλη μια επαλήθευση της Γ.Θ.Σ.

Η Βαρυτική Ερυθρή Μετατόπιση του Φωτός

Φαινόμενο κατά το οποίο το φως που εκπέμπεται από περιοχή υψηλού βαρυτικού πεδίου και λαμβάνεται από δέκτη σε περιοχή χαμηλότερου βαρυτικού πεδίου, εμφανίζεται μετατοπισμένο προς το ερυθρό. Επιβεβαιώθηκε πειραματικά με την διένεργεια του πειράματος Pound-Rebka στο Πανεπιστήμιο του Harvard.

Όρια εφαρμογής

Η Γ.Θ.Σ. στο όριο των χαμηλών βαρυτικών πεδίων προσεγγίζεται με μεγάλη ακρίβεια από την κλασσική θεωρία. Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποίειται η Νευτώνεια μηχανική αφού δίνει ακριβή αποτελέσματα και απαιτεί απλούστερους υπολογισμούς σε σχέση με τη Γ.Θ.Σ.

Επίσης απουσία πηγών βαρυτικού πεδίου η Γ.Θ.Σ. περιλαμβάνει ως υποπερίπτωση την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας.

Η Γ.Θ.Σ. δεν έχει ελεγχθεί στο όριο των μικρών αποστάσεων, λόγω της εξαιρετικής δυσκολίας που παρουσιάζουν αυτά τα πειράματα.

Επίσης δεν έχει ελεγθεί σε περιοχές πολύ υψηλών πεδίων βαρύτητας όπου τα κβαντικά φαινόμενα έχουν καίρια σημασία. Για τέτοια ζητήματα έχουν αναπτυχθεί θεωρίες ενοποίησης αλλά πρόκειται για πεδίο έντονης έρευνας και δεν υπάρχουν ακόμη οριστικές απαντήσεις.