نقد مشاهده پذیرها در نسبیت عام

شرح دقیق مسئله

نظریه نسبیت عام نتیجه تلاش ها برای تبدیل گرانش به بخشی از فیزیک نسبیتی است که به نوبه خود توسط این واقعیت که امواج الکترومغناطیسی بدون توجه به حرکت زمین ما نسبت به بخش اعظم جهان اطراف منتشر می شوند، ضروری شده بود. به اصطلاح نظریه نسبیت خاص، همانطور که شناخته شده است، منجر به تغییراتی در مفهوم نیوتنی از فضا و زمان شد که عمل آنی در فاصله را غیرقابل قبول کرد، نه تنها برای برهمکنش های الکترومغناطیسی، بلکه برای هر نیرو. از این پس، یک نظریه نسبیتی گرانش باید یک نظریه میدان نسبیتی باشد، یعنی یک نظریه میدان گرانشی. از آنجایی که قانون مربع معکوس برای نیروهای گرانشی درست مانند نیروهای الکترواستاتیکی صدق می کند، این یک نتیجه قطعی بود که میدان گرانشی با سرعت نور نیز منتشر می شود. می‌دانیم که میدان‌های نسبیتی در صورتی این کار را انجام می‌دهند که از معادله‌ای از نوع D'Alembert با جمله جرم ناپدید شونده تبعیت کنند. تاکنون، به نظر می‌رسید که نیازی به اصلاح بیشتر در مفاهیم فضا-زمان مقاله انیشتین در سال 1905 در مورد الکترودینامیک اجسام متحرک وجود نداشته باشد. اما نیروهای گرانشی از یک جهت با سایر نیروهای شناخته شده متفاوت است: منابع میدان، یعنی جرم های گرانشی، برابر با جرم اینرسی اجسامی است که گرانش می کنند. این روش نظریه‌پرداز میدان کلاسیک برای بیان این قانون است که تحت تأثیر گرانش همه اجسام مادی دارای شتاب یکسانی هستند. که این چنین است با دقت بسیار بالایی (حداقل 10 ') توسط چندین آزمایشگر در قرن بیستم، ابتدا توسط Eotvos، و اخیراً Dicke، ثابت شده است. بنابراین، مجموعه ای از اجسام رنگارنگ تحت تأثیر گرانش رفتاری مشابه رفتار آنها تحت تأثیر نیروهای به اصطلاح اینرسی مانند نیروهای گریز از مرکز یا کوریولیس از خود نشان می دهند. بنابراین، حداقل با آزمایش محلی، ما قادر به تفکیک نیروهای گرانشی از اینرسی نیستیم. این شرایط، که به عنوان اصل هم‌ارزی شناخته می‌شود، هر تلاشی برای تعیین دوباره با آزمایش محلی، چارچوب مرجع اینرسی را شکست می‌دهد. این «اصل ناتوانی» بسیار فراتر از اصل محدود نسبیت است، که فرض می‌کند ما نمی‌توانیم چارچوبی از استراحت مطلق را تعیین کنیم. بر اساس اصل هم ارزی، ما حتی نمی توانیم یک قاب حرکت یکنواخت بدون شتاب را تعیین کنیم. از این اصل ناتوانی، انیشتین به سمت این فرض پیش رفت که برای توصیف قوانین گرانش، همه چارچوب های مرجع، یعنی همه سیستم های مختصات فضا-زمان چهار بعدی، معادل هستند. در حضور چندین میدان نیروی مختلف، که با این حال، شامل نیروهای گرانش است، این اصل باید معتبر باقی بماند. نظریه ای از طبیعت که اصل کوواریانس را ارضا می کند، نظریه نسبیتی عام نامیده می شود. نظریه نسبیت عام، نظریه میدان گرانشی اینشتین در سال 1916 است. در ادامه به این نظریه به عنوان کهن الگوی یک نظریه نسبیتی عام خواهیم پرداخت. قبل از پرداختن به موضوع مناسب، یک نکته دیگر ممکن است بیان شود: انتقال از این جمله محدود که در حضور میدان‌های گرانشی نمی‌توانیم با آزمایش محلی یک چارچوب اینرسی ارجاع به اصل هم‌واریانس را تعیین کنیم، یک وقفه منطقی را نشان می‌دهد. انیشتین پس از تلاش‌های زیادی برای کنار آمدن با رویکردهای محافظه‌کارانه‌تر، احساس می‌کرد مجبور به اتخاذ این فرض افراطی شد. امروزه، مانند هر نظریه فیزیکی دیگری، اصل کوواریانس اعتبار خود را از واقعیت فیزیکی می گیرد. در این مورد، که پایه و اساس بهترین نظریه موجود در مورد میدان گرانشی را تشکیل می دهد. کاملاً امکان پذیر است که این اصل با تحولات بعدی اصلاح شود. در بخش آخر به این نکته باز خواهیم گشت. در حال حاضر، اصل کوواریانس را ثابت می‌دانیم.