Opšta teorija relativnosti

Opšta teorija relativnosti je geometrijska teorija gravitacije koju je Albert Ajnštajn objavio u članku Osnove opšte teorije relativnosti 1915. godine u Annalen der Physik.^[1][2] Teorija predstavlja poopštenje njegove specijalne relativnosti i Newtonove teorije gravitacije. Ona pruža objedinjeni opis gravitacije kao geometrijskog svojstva prostora i vremena, odnosno prostor-vremena. Specifično, zakrivljenost prostor-vremena je direktno povezana sa energijom i momentom nezavisno od toga koja materija i radijacija su prisutne. Odnos je određen Ajnštajnovim jednačinama polja, sistemom parcijalnih diferencijalnih jednačina.

Simulisana crna rupa sa 10 solarnih masa unutar Mlečnog puta, gledana sa rastojanja od 600 kilometera.

Neka od predviđanja opšte relativnosti se znatno razlikuju od stavova klasične fizičke, posebno u pogledu protoka vremena, geometrije prostora, kretanja tela pri slobodnom padu, i prostiranja svetlosti. Razlika obuhvataju još i gravitaciono rastezanje vremena, gravitationa sočiva, gravitacioni crveni pomak svetlosti, gravitaciono vremensko kašnjenje i singularnost/crne rupe. Opšta teorija relativnosti predviđa da gravitacija usporava vreme.^[3]

Predviđanja teorije opšte relativnosti su do sad bila potvrđena u svim opažanjima i eksperimentima. Mada opšta relativnost nije jedina relativistička teorija gravitacije, ona je najjednostavnija teorija koja je konzistentna sa eksperimentalnim podacima. Međutim, pitanja bez odgovora ostaju, najfundamentalnije od kojih je usaglašavanje opšte relativnosti sa zakonima kvantne fizike kojim bi se proizvela kompletna i usaglašena teorija kvantne gravitacije.

Postulati i struktura teorije

Dvodimenzionalna analogija zakrivljenosti prostorvremena

Za razliku od klasičnog, njutnovog opisa gravitacije kao sile koja se javlja među masivnim tijelima na pozadini apsolutnog prostor-vremena, u općoj teoriji relativiteta ulogu gravitacije uzima samo prostor-vrijeme. Njega sada opisujemo pomoću metričkog tenzora (${\displaystyle g_{\mu \nu }}$) koji je rješenje Einsteinove jednadžbe

${\displaystyle R_{\mu \nu }\frac {1}{2}}\,R\,g_{\mu \nu }={\frac {8\pi G}{c^{2}}}\,T_{\mu \nu }}$

gdje je ${\displaystyle R_{\mu \nu }}$ Riccijev tenzor, ${\displaystyle R}$ Riccijev skalar, a ${\displaystyle T_{\mu \nu }}$ tenzor energije-impulsa. Konstante u jednadžbi su ${\displaystyle c}$, brzina svijetlosti i ${\displaystyle G}$, gravitacijska konstanta. Utjecaj gravitacije na čestice definiran je zakrivljenošću prostor-vremena (tj. njegovom geometrijom) koju definiraju mase i sva fizikalna polja (osim gravitacijskog).

Implikacije

Ajnštajnova teorija ima važne astrofizičke implikacije. Na primer, iz nje proističe mogućnost postojanja crnih rupa – prostornih regiona u kojima su prostor i vreme zakrivljeni na takav način da ništa, čak ni svetlost, ne može da pobegne – kao krajnjeg stadijuma masivnih zvezda. Postoji obilje dokaza da je intenzivna radijacija koju emituju pojedine vrste astronomskih objekata uzrokovana crnim rupama; na primer, mikrokvazari i aktivna galaktika jezgra su rezultat prisustva zvezdanih crnih rupa i supermasivnih crnih rupa. Savijanje svetlosti dejstvom gravitacije može da dovede do fenomena gravitacionog sočiva, usled kojeg su višestruke slike istog udaljenog astronomskog objekta vidljive na nebu. Opšta relativnost takođe predviđa postojanje gravitacionih talasa, koji su indirektno uočeni; direktna merenja su cilj projekata kao što su LIGO (engleski: ) i NASA/ESA (engleski: ) i raznih nizova za pulsarske vremenske proračune. Pored toga, opšta relativnost je osnova današnjih kosmoloških modela konzistentno ekspandirajućeg svemira.