Historia de relatividad general

La relatividad general (GR) es una teoría de gravedad que fue desarrollada por Albert Einstein entre 1907 y 1915, con contribuciones por muchos otros después de 1915. Según la relatividad general, la atracción gravitacional observada entre masas resulta de alabearse del espacio y tiempo por aquellas masas.

Antes del advenimiento de relatividad general, la ley de Newton de la gravitación universal se había aceptado durante más de doscientos años como una descripción válida de la fuerza gravitacional entre masas, aunque propio Newton no considerara la teoría como la palabra final en la naturaleza de la gravedad. Un siglo después de la formulación de Newton, la observación astronómica cuidadosa reveló variaciones inexplicables entre la teoría y las observaciones. Bajo el modelo de Newton, la gravedad era el resultado de una fuerza atractiva entre objetos masivos. Aunque hasta Newton fuera molestado por la naturaleza desconocida de esa fuerza, el marco básico tenía sumamente éxito en la descripción del movimiento.

Sin embargo, los experimentos y las observaciones muestran que la descripción de Einstein explica varios efectos que son inexplicados según la ley de Newton, como anomalías del minuto en las órbitas de Mercurio y otros planetas. La relatividad general también predice efectos nuevos de la gravedad, como ondas gravitacionales, lensing gravitacional y un efecto de gravedad a tiempo conocida como la dilatación del tiempo gravitacional. Muchas de estas predicciones han sido confirmadas por el experimento, mientras los otros son el sujeto de la investigación en curso. Por ejemplo, aunque haya pruebas indirectas para ondas gravitacionales, la prueba directa de su existencia todavía está siendo buscada por varios equipos de científicos en experimentos como el LIGO y GEO 600 proyectos.

La relatividad general se ha desarrollado en un instrumento esencial en la astrofísica moderna. Proporciona la fundación al entendimiento corriente de agujeros negros, las regiones del espacio donde la atracción gravitacional es tan fuerte que ni siquiera la luz se puede escapar. Se piensa que su gravedad fuerte es responsable de la radiación intensa emitida por ciertos tipos de objetos astronómicos (como núcleos galácticos activos o microquásares). La relatividad general también es la parte del marco del modelo Big Bang estándar de la cosmología.

Creación de relatividad general

Investigaciones tempranas

Como Einstein más tarde dijo, la razón del desarrollo de la relatividad general era la preferencia del movimiento de inercia dentro de la relatividad especial, mientras una teoría que del comienzo no prefiere ningún estado del movimiento (hasta acelerado) pareció más satisfactoria a él. De este modo, trabajando todavía en la oficina de patentes en 1907, Einstein tenía lo que llamaría su "pensamiento más feliz". Realizó que el principio de relatividad se podría ampliar a campos gravitatorios.

Por consiguiente, en 1907 (1908 publicado) escribió un artículo sobre la aceleración bajo la relatividad especial.

En ese artículo, sostuvo que la caída libre es el movimiento realmente de inercia, y que para un observador freefalling las reglas de la relatividad especial se deben aplicar. Este argumento se llama el principio de Equivalencia. En el mismo artículo, Einstein también predijo el fenómeno de la dilatación del tiempo gravitacional.

En 1911, Einstein publicó otro artículo que amplía el artículo de 1907.

Allí, pensaba en el caso de una caja uniformemente acelerada no en un campo gravitatorio y notó que sería indistinguible de una caja que se queda quieto en un campo gravitatorio incambiable. Usó la relatividad especial para ver que el precio de relojes en lo alto de una caja que acelera hacia arriba sería más rápido que el precio de relojes en el fondo. Concluye que los precios de relojes dependen de su posición en un campo gravitatorio, y que la diferencia en el precio es proporcional al potencial gravitacional a la primera aproximación.

También la desviación de luz por cuerpos masivos se predijo. Aunque la aproximación fuera ordinaria, permitió que él calculara que la desviación es distinta a cero. El astrónomo alemán Erwin Finlay-Freundlich hizo público el desafío de Einstein a científicos alrededor del mundo. Esto impulsó a astrónomos a descubrir la desviación de luz durante un eclipse solar y dio la confianza de Einstein que la teoría escalar de la gravedad propuesta por Gunnar Nordström era incorrecta. Pero el valor real para la desviación que calculó era demasiado pequeño por un factor de dos, porque la aproximación que usó no trabaja bien para cosas que se mueven a cerca de la velocidad de la luz. Cuando Einstein terminó la teoría llena de la relatividad general, rectificaría este error y predeciría la cantidad correcta de la desviación ligera por el sol.

Otro de los experimentos del pensamiento notables de Einstein sobre la naturaleza del campo gravitatorio es el del disco rotativo (una variante de la paradoja de Ehrenfest). Imaginó a un observador que hace experimentos en un plato giratorio rotativo. Notó que tal observador encontraría un valor diferente para π constante matemático que el que predito por la geometría Euclidiana. La razón consiste en que el radio de un círculo se mediría con una regla no contratada, pero, según la relatividad especial, parecería que la circunferencia sería más larga porque la regla se contrataría. Ya que Einstein creyó que las leyes de física eran locales, descritas por campos locales, concluyó de esto que spacetime se podría en la localidad encorvar. Esto le llevó a estudiar la geometría de Riemannian y formular la relatividad general en esta lengua.

Desarrollo de relatividad general

En 1912, Einstein volvió a Suiza para aceptar un profesorado en su alma máter, el ETH. Una vez atrás en Zurich, inmediatamente visitó a su viejo compañero de clase ETH Marcel Grossmann, ahora un profesor de matemáticas, que le presentó en la geometría de Riemannian y, más generalmente, en la geometría diferencial. De la recomendación del matemático italiano Tullio Levi-Civita, Einstein comenzó a explorar la utilidad de la covariancia general (esencialmente el uso de tensors) para su teoría gravitacional. Un rato Einstein creyó que había problemas con el enfoque, pero más tarde volvió a él y, antes de finales de 1915, había publicado su teoría de relatividad general en la forma en la cual se usa hoy. Esta teoría explica la gravitación como la deformación de la estructura de spacetime por el asunto, afectando el movimiento de inercia de otro asunto.

Durante la Primera guerra mundial, el trabajo de científicos de Poderes Centrales sólo estaba disponible para académicos de Poderes Centrales, por motivos de seguridad nacional. Un poco del trabajo de Einstein realmente alcanzó el Reino Unido y los Estados Unidos a través de los esfuerzos del austríaco Paul Ehrenfest y físicos en los Países Bajos, sobre todo 1902 el Premiado Nobel Hendrik Lorentz y Willem de Sitter de la universidad de Leiden. Después de que la guerra terminó, Einstein mantuvo su relación con la universidad de Leiden, aceptando un contrato como un Profesor Extraordinario; durante diez años, a partir de 1920 hasta 1930, viajó a Holanda con regularidad para dar una conferencia.

En 1917, varios astrónomos aceptaron a Einstein 's desafío de 1911 de Praga. El Monte Wilson observatorio en California, Estados Unidos, publicó un análisis spectroscopic solar que no mostró ningún redshift gravitacional. En 1918, el Observatorio de Lamedura, también en California, anunció que también había refutado la predicción de Einstein, aunque sus conclusiones no se publicaran.

Sin embargo, en el mayo de 1919, un equipo conducido por el astrónomo británico Arthur Stanley Eddington afirmó haber confirmado la predicción de Einstein de la desviación gravitacional de la luz de las estrellas por el Sol fotografiando un eclipse solar con expediciones duales en Sobral, Brasil del norte, y Príncipe, una isla africana del oeste. El laureado Nobel Max Born elogió la relatividad general como "la mayor hazaña del humano que piensa en la naturaleza"; el laureado del mismo tipo Paul Dirac se citó diciendo que estaba "probablemente el mayor descubrimiento científico alguna vez hecho".

Los medios internacionales garantizaron el renombre global de Einstein.

Hubo reclamaciones que el escrutinio de las fotografías específicas tomadas la expedición de Eddington mostró la incertidumbre experimental para ser comparable a la misma magnitud que el efecto que Eddington afirmó haber demostrado, y que una 1962 expedición británica concluyó que el método era intrínsecamente no fiable. La desviación de luz durante un eclipse solar fue confirmada por observaciones posteriores, más exactas. Unos se ofendieron por la fama del recién llegado, notablemente entre algunos físicos alemanes, que más tarde comenzaron Physik Alemán (Física alemana) movimiento.

Covariancia general y el argumento del agujero

Hacia 1912, Einstein buscaba activamente una teoría en la cual la gravitación se explicó como un fenómeno geométrico. En la incitación de Tullio Levi-Civita, Einstein comenzó explorando el uso de la covariancia general (que es esencialmente el uso de curvatura tensors) crear una teoría gravitacional. Sin embargo, en 1913 Einstein abandonó ese enfoque, sosteniendo que está inconsecuente basado en el "argumento del agujero". En 1914 y la mayor parte de 1915, Einstein trataba de crear ecuaciones de campaña basadas en otro enfoque. Cuando se probó que ese enfoque era inconsecuente, Einstein visitó de nuevo el concepto de la covariancia general y descubrió que el argumento del agujero se estropeó.

El desarrollo de las ecuaciones del campo de Einstein

Cuando Einstein realizó que la covariancia general era realmente sostenible, rápidamente completó el desarrollo de las ecuaciones de campaña que se nombran por él. Sin embargo, hizo un error ahora famoso. Las ecuaciones de campaña que publicó en el octubre de 1915 eran

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donde está Ricci tensor y el ímpetu de la energía tensor. Esto predijo la precesión del perihelio no newtoniana de Mercurio, y tan Einstein muy excitado. Sin embargo, se realizó pronto que eran inconsecuentes con la conservación local del ímpetu de la energía a menos que el universo tuviera una densidad constante del ímpetu de la energía de masas. En otras palabras, el aire, la roca y hasta un vacío deberían tener todos la misma densidad. Esta inconsistencia con la observación devolvió a Einstein al tablero de dibujo. Sin embargo, la solución era casi obvia, y en el noviembre de 1915 Einstein publicó las ecuaciones del campo de Einstein actuales:

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donde está el escalar de Ricci y tensor métrico. Con la publicación de las ecuaciones de campaña, la cuestión se hizo una de la solución de ellos para varios casos e interpretación de las soluciones. Esta verificación y experimental ha dominado la investigación de la relatividad general desde entonces.

Einstein e Hilbert

Aunque atribuyan a Einstein el descubrimiento de las ecuaciones de campaña, el matemático alemán David Hilbert los publicó en un artículo antes del artículo de Einstein. Esto ha causado acusaciones del plagio contra Einstein (nunca de Hilbert), y aseveraciones que las ecuaciones de campaña se deberían llamar las "ecuaciones del campo de Einstein-Hilbert". Sin embargo, Hilbert no exigió a su reclamación de la prioridad y unos han afirmado que Einstein presentó las ecuaciones correctas antes de que Hilbert enmendara su propio trabajo para incluirlos. Esto sugiere que Einstein desarrolló las ecuaciones de campaña correctas primero, aunque Hilbert los pueda haber alcanzado más tarde independientemente (o hasta haber aprendido de ellos después a través de su correspondencia con Einstein). Sin embargo, los otros han criticado aquellas aseveraciones.

El señor Arthur Eddington

En los primeros años después de que la teoría de Einstein se publicó, el señor Arthur Eddington prestó su prestigio considerable en el establecimiento científico británico en un intento de defender el trabajo de este científico alemán. Como la teoría era tan compleja y oscura (hasta hoy popularmente se considera el pináculo del pensamiento científico; en los primeros años era aún más), se rumoreó que sólo tres personas en el mundo lo entendieron. Había una iluminación, aunque probablemente imaginario, la anécdota sobre esto. Como relacionado por Ludwik Silberstein, durante una de las conferencias de Eddington preguntó "Al profesor Eddington, debe ser una de tres personas en el mundo que entiende la relatividad general." Eddington hizo una pausa, incapaz de contestar. Silberstein siguió "¡No son modestos, Eddington!" Finalmente, Eddington contestó "Al contrario, trato de pensar a quién la tercera persona es."

Soluciones

La solución Schwarzschild

Ya que las ecuaciones de campaña son no lineales, Einstein supuso que fueran insolubles. Sin embargo, en 1916 Karl Schwarzschild descubrió una solución exacta para el caso de spacetime esféricamente simétrico alrededores de un objeto masivo en coordenadas esféricas. Esto se conoce ahora como la solución de Schwarzschild. Desde entonces, muchas otras soluciones exactas se han encontrado.

El universo creciente y la constante cosmológica

En 1922, Alexander Friedmann encontró una solución en la cual el universo se puede ampliar o contraerse, y más tarde Georges Lemaître sacó una solución para un universo creciente. Sin embargo, Einstein creyó que el universo era por lo visto estático, y ya que una cosmología estática no fue apoyada por las ecuaciones de campaña relativistas generales, añadió Λ constante cosmológico a las ecuaciones de campaña, que se hicieron

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Esto permitió la creación de soluciones estables, pero eran inestables: la perturbación más leve de un estado estático causaría la ampliación del universo o contracción. En 1929, Edwin Hubble encontró pruebas para la idea que el universo se amplía. Esto causó a Einstein que deja caer la constante cosmológica, refiriéndose a ello como "la equivocación más grande en mi carrera". Entonces, era una hipótesis ad hoc para añadir en la constante cosmológica, como sólo se quiso para justificar un resultado (un universo estático).

Soluciones más exactas

El progreso en solución de las ecuaciones de campaña y entendimiento de las soluciones ha sido en curso. La solución para un objeto cargado esféricamente simétrico fue descubierta por Reissner y más tarde descubierta de nuevo por Nordström y se llama la solución Reissner-Nordström. El aspecto del agujero negro de la solución de Schwarzschild era muy polémico, y Einstein no creyó que las singularidades pudieran ser verdaderas. Sin embargo, en 1957 (dos años después de la muerte de Einstein en 1955), Martin Kruskal publicó una prueba que los agujeros negros son requeridos por la Solución Schwarzschild. Además, la solución para un objeto masivo rotativo fue obtenida por Kerr en los años 1960 y se llama la solución de Kerr. La solución de Kerr-Newman para un giro, el objeto masivo cobrado se publicó unos años más tarde.

Pruebas de la teoría

La precesión del perihelio de Mercurio era primeras pruebas que la relatividad general es correcta. La expedición de 1919 del señor Arthur Stanley Eddington en la cual confirmó la predicción de Einstein para la desviación de luz por el Sol durante el eclipse solar total del 29 de mayo de 1919 ayudó a cementar el estado de relatividad general como una teoría verdadera probable. Desde entonces muchas observaciones han confirmado el exactitud de la relatividad general. Éstos incluyen estudios de pulsars binarios, observaciones de señales de la radio que pasan el miembro del Sol, y hasta el sistema GPS. Para más información, ver las Pruebas del artículo de la relatividad general.

Teorías alternativas

Hubo varias tentativas de encontrar modificaciones a la relatividad general. Los más famosos de éstos son la teoría de Salvados-Dicke (también conocido como teoría escalar-tensor) y teoría bimetric de Rosen. Ambos de estas teorías propusieron cambios en las ecuaciones de campaña de la relatividad general, y ambos sufren de estos cambios que permiten la presencia de la radiación gravitacional bipolar. Como consiguiente, la teoría original de Rosen ha sido refutada por observaciones de pulsars binarios. En cuanto a Salvados-Dicke (que tiene un parámetro ajustable ω tal que ω = ∞ es lo mismo como la relatividad general), la cantidad por la cual se puede diferenciar de la relatividad general ha sido con severidad reprimida por estas observaciones.

Además, la relatividad general es inconsecuente con la mecánica cuántica, la teoría física que describe la dualidad de la partícula de la onda del asunto, y la mecánica cuántica no describe actualmente la atracción gravitacional en balanzas (microscópicas) relevantes. Hay mucha especulación en la comunidad de la física en cuanto a las modificaciones que podrían ser necesarias tanto a relatividad general como a mecánica cuántica a fin de unirlos consecuentemente. La teoría especulativa que une la relatividad general y la mecánica cuántica por lo general se llama la gravedad cuántica, los ejemplos prominentes de que incluyen la Gravedad Cuántica del Lazo y la Teoría de cuerdas.

Más sobre historia GR

El estudio de relatividad general, entrada la corriente principal de física teórica. Los términos se introdujeron, incluso agujeros negros y 'singularidad gravitacional'. Al mismo tiempo, el estudio de la cosmología física entró en la corriente principal incluso el Big Bang.

Un competidor para la relatividad general (la teoría de Salvados-Dicke), y la primera "precisión prueba" de teorías de la gravitación. Los descubrimientos en la astronomía de observación son:

Objetivo

Los años 1950

Los años 1960

Los años 1970

Véase también

Notas



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