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A medida que avanza la física cuántica, los científicos aprenden más sobre los agujeros negros, la materia oscura, la energía oscura y otros fenómenos cósmicos. Cada vez es más difícil encajar los nuevos descubrimientos en el concepto de gravedad.

A continuación se muestran puntos de vista alternativos sobre la gravedad de nueve científicos.

1. Thomas Townsend Brown y el dispositivo que desafía la gravedad

El físico Thomas Townsend Brown (1905-1985) realizó investigaciones para la Marina y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Posteriormente trabajó como consultor en la industria de la aviación.

Creó un dispositivo que fue patentado con el nombre de "gravitador". Según él, su invento refutó la gravedad y algunos científicos están de acuerdo con esta afirmación. Bajo la influencia de una carga de alto voltaje, se movía de una manera que no se puede explicar según la comprensión moderna de la gravedad.

En la solicitud de patente, Brown escribió que el gravitador opera en reposo con respecto al universo. Esto contradice la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, según la cual una fuerza debe actuar de la misma manera en relación con cualquier sistema de referencia. El gravitador también refutó la tercera ley de Newton, que establece que por cada acción hay una reacción igual y opuesta.

En 1930, el coronel Edward Deeds escribió: "Algunos de los científicos vieron el gravitador y quedaron asombrados por su acción, diciendo honestamente que los movimientos del gravitador son completamente imposibles de explicar mediante las leyes conocidas de la física".

Algunos han dicho que los movimientos del gravitador son impulsados ​​por el viento iónico, lo que significa que las partículas ionizadas crean fuerza. Paul A. LaViolette estuvo entre los que no estuvieron de acuerdo con esta explicación.

"Las mediciones de la fuerza de empuje mostraron que la fuerza que levantaba el disco electrificado de Brown era casi 100 millones de veces mayor que la que produciría el viento iónico", escribió LaViolette en su libro "Secretos de propulsión antigravedad".

2. Paul A. LaViolette: ¿Está el gobierno construyendo en secreto una nave antigravedad?

LaViolette recibió su doctorado en la Universidad de Portland y actualmente es presidente de la Fundación Starburst, un instituto de investigación interdisciplinario. Escribe en su libro: “Durante las últimas décadas, los programas aeroespaciales secretos en los Estados Unidos y otros países han estado creando aeronave, capaz de vencer la gravedad. Estas tecnologías exóticas pertenecen a un campo de investigación relativamente poco conocido llamado electrogravítica”.

LaViolette rastrea el desarrollo de la industria desde la era de Tesla hasta Brown en la primera mitad del siglo XX. Según las teorías de Brown, los campos electrostático y gravitacional están unificados, explica LaViolette.

El efecto electrogravitacional se ignora porque “tal fenómeno no es esperado por la electrostática clásica o la relatividad general”, escribe LaViolette.

3. NASA sobre la materia oscura

Esta imagen muestra la distribución de materia oscura, galaxias y gas caliente en el centro del cúmulo de galaxias Abell 520, formado por una colisión galáctica masiva. Foto: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee en la Universidad de California y A. Mahdavi en la Universidad Estatal de San Francisco

Los científicos saben que el Universo se está expandiendo a un ritmo cada vez mayor. Creen que la materia oscura está provocando esta expansión, pero no saben exactamente qué es. Se cree que puede refutar la teoría de la gravedad de Einstein.

Un informe de la NASA sobre la materia oscura dice que existe la posibilidad de que "la teoría de la gravedad de Einstein esté equivocada".

"No sólo influye en la expansión del Universo, sino que también determina el comportamiento de la materia ordinaria en las galaxias y los cúmulos de galaxias", dice el informe. - Quizás una nueva teoría de la gravedad podría ser una solución al problema de la materia negra. Podemos observar galaxias formando cúmulos. Pero si resulta que se necesita una nueva teoría de la gravedad, no se sabe qué forma adoptará”.

4. Tom van Flandern sobre el problema de la velocidad de la gravedad

Tom van Flandern (1940-2009) se doctoró en astronomía en la Universidad de Yale en 1969. No rechazaba completamente la relatividad general, pero creía que tenía problemas. La teoría de Einstein era “más bien incompleta que errónea”, escribió en el artículo “La velocidad de la gravedad”. ¿Qué dicen los experimentos?”, publicado en Physics Letter A en 1998.

Planteó la cuestión de la velocidad de la gravedad. En la teoría clásica de la gravedad de Newton, la velocidad de la gravedad no está definida. Y en la relatividad general, la gravedad tiene la velocidad de la luz, explica Van Flandern. Dice que en los círculos académicos prefieren eludir esta polémica.

“El mismo dilema surge exactamente en muchas cuestiones”, escribe. - ¿Por qué los fotones del Sol se mueven en una dirección que no es paralela a la dirección de la aceleración gravitacional de la Tierra con respecto al Sol? ¿Por qué un eclipse total de Sol por la Luna alcanza su punto máximo antes de que las fuerzas gravitacionales del Sol y la Luna se igualen? ¿Cómo predicen los púlsares binarios su posición, velocidad y aceleración futuras más rápido de lo que permite el tiempo de luz entre ellos? ¿Por qué los agujeros negros tienen gravedad aunque nada pueda superarla, porque eso requeriría velocidades más rápidas que la velocidad de la luz?

5. Wilian H. Cantrell: la teoría de Einstein no va más allá del círculo lógico

Dr. William H. Cantrell es miembro del personal técnico del Laboratorio Lincoln del MIT. Es ex profesor asociado del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Texas.

Presentó una visión poco convencional de la teoría de la relatividad en la revista Infinite Energy, publicada por la organización sin fines de lucro New Energy Foundation (NEF).

Cantrell escribe: “La teoría de la relatividad tuvo una enorme influencia en la física del siglo XX; este es un hecho indiscutible. La teoría de Einstein es admirada en todo el mundo por los brillantes descubrimientos a los que condujo. Sin embargo, hay grupos de científicos disidentes que lo rechazan abiertamente, y grupos aún mayores de investigadores que se muestran hostiles a él, aunque no conocen enfoques alternativos”.

"La razón de esta hostilidad es que Einstein tomó prestadas las matemáticas de Lorentz y Poincaré, y esto le permitió modificar el sistema de medición de la longitud y el tiempo haciendo que la velocidad de la luz fuera constante para todos los observadores".

“En tal situación, los pensadores racionales tendrían que apresurarse a encontrar ideas alternativas. Pero ¿por qué intentar refutar una teoría tan exitosa? Bueno, en primer lugar, para comprender y describir cómo funciona realmente la naturaleza. Y en segundo lugar, lograr un nuevo avance una vez que se elimine la barrera involuntaria”.

Cantrell y científicos como él creen que la teoría de Einstein no va más allá del círculo lógico. Lo explicó con el siguiente ejemplo: “Se podría plantear la hipótesis de que la Tierra tiene una segunda Luna hecha de un queso verde especial que es transparente a la luz”.

“Por supuesto, esto parece una estupidez, pero esta afirmación no se puede refutar experimentalmente. La teoría de la relatividad de Einstein tiene el mismo problema”.

6. Ruggero Maria Santilli: la teoría de la relatividad contradice la electrodinámica cuántica

Ruggero Maria Santilli estudió en las universidades de Nápoles y Turín, trabajó como profesor invitado en Harvard y luego fundó el Instituto de Investigaciones Teóricas. Santilli enumera nueve discrepancias entre la teoría general de la relatividad de Einstein y el conocimiento científico actual. Algunos de ellos plantean problemas para la comprensión clásica de la gravedad.

Una de las principales contradicciones es que la explicación de Einstein sobre la gravedad no concuerda con la electrodinámica cuántica, escribe Santilli en su artículo de 2006, "Nueve teoremas sobre la inconsistencia de la relatividad general".

“Cabe recordar que la electrodinámica cuántica es una de las más importantes y probadas experimentalmente. teorías científicas en la historia. Claramente, la opinión ampliamente extendida de que la visión de Einstein sobre la gravedad es definitiva es un enfoque poco científico”, escribe.

La revista publica artículos que cuestionan las teorías de la relatividad general y especial de Einstein. La política editorial de la revista se formula de la siguiente manera: "La revista presta atención a los informes que confirman que las teorías de Einstein son demasiado complicadas, confirmadas sólo en áreas estrechas de la física y conducen a contradicciones lógicas".

Tom Bathell

Tom Bathall no es un científico, pero ha explorado teorías alternativas como editor senior del American Spectator. En el artículo “Repensar la relatividad”, escribe: “A la hora de elegir teorías aceptables, la simplicidad suele ser el criterio principal. El sistema ptolemaico del mundo en una versión más complicada puede predecir con precisión la posición de los planetas. Sin embargo, el sistema mundial heliocéntrico es mucho más simple, por eso lo preferimos”.

Citó a Clifford M. Will, de la Universidad de Washington, uno de los principales defensores de la relatividad. “Es difícil imaginar la vida sin la teoría especial de la relatividad... Imagínese todos los fenómenos en nuestro mundo en los que ocupa gran lugar. La energía atómica, la famosa ecuación E=mc2, que muestra cómo la masa se convierte en cantidades colosales de energía”.

Bathall dice que las restricciones "desempeñan un papel". Bethell escribe: “Si una nueva teoría parece ‘irremplazable’, inmediatamente será etiquetada como errónea”.

7. Joseph Polchinski: dudas y preguntas

José Polchinski. Foto de : Lubos Motl

Joseph Polchinski, físico teórico del Instituto Kavli de Física Teórica de la Universidad de California en Santa Bárbara, analiza la idea de gravedad en relación con los agujeros negros. Según la teoría de Einstein, los agujeros negros deberían tener una enorme fuerza gravitacional.

El famoso científico Stephen Hawking afirmó en los años 70 que la materia puede salir de los agujeros negros, lo cual es una paradoja.

Como se menciona en la primera parte del artículo, van Flandern hizo la pregunta: "¿Cómo es que los agujeros negros tienen gravedad a pesar de que nada puede superarlos, porque para ello se necesitarían velocidades más rápidas que la velocidad de la luz?"

Polchinski dijo a PBS después de que Hawking discutiera algunas de las nuevas teorías sobre los agujeros negros: "Es posible que algunas de nuestras creencias sobre la mecánica cuántica y la gravedad sean erróneas, y estamos tratando de descubrir cuáles".

"Esta es una dificultad, pero esperamos que esta dificultad nos permita avanzar", dijo.

8.Eric Verlinde: teoría del “mal día del cabello”

El profesor Erik Verlinde es físico teórico en el campo de la teoría de cuerdas y profesor del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Ámsterdam.

Considera la gravedad como una consecuencia de las leyes de la termodinámica y la influencia de factores como la temperatura, la presión y la estructura. La percepción de la gravedad, como la de una manzana que cae de un árbol, está asociada con la propiedad de la naturaleza de maximizar el desorden.

Un artículo del New York Times de 2010 describe su idea como la teoría del "día del mal cabello". El cabello se vuelve rizado con el calor y la humedad, hay más opciones para que el cabello se vuelva rizado que liso, y a la naturaleza le encanta la variación. Verlinde cree que principios similares se aplican a la distribución de los objetos en el espacio.

"Sabemos desde hace mucho tiempo que la gravedad no existe", dijo Verlinde al New York Times. "Es hora de anunciar esto públicamente".

9. Juan Maldacena: “La teoría de Einstein debería ser sustituida por algo de mecánica cuántica”

Juan Maldacena. Foto: Wikimedia Commons

En 1997, el físico teórico Juan Maldacena, ahora profesor del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, desarrolló una teoría que considera el universo como una colección de cuerdas vibrantes muy finas. Son estas cuerdas las que crean la gravedad. Las cuerdas son una especie de holograma proyectado desde un sistema espacial de dimensiones inferiores que es más simple, más plano y no tiene gravedad.

En una entrevista publicada en el recurso educativo Learner.org, Maldacena dijo: “Creemos que la teoría general de la relatividad de Einstein debería ser reemplazada por algo de mecánica cuántica cuando se discuten temas como el comienzo del Big Bang o la estructura de los agujeros negros. donde la materia se desintegra en una región muy pequeña del tiempo-espacio y las cosas que suceden allí no pueden describirse utilizando las teorías clásicas. En tales casos, se debería utilizar la mecánica cuántica. La teoría de cuerdas está en proceso de desarrollo, fue creada para describir el tiempo-espacio de la mecánica cuántica".

*Foto de un hombre saltando la cuerda de Shutterstock

versión en inglés

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A pesar de que la gravedad es la interacción más débil entre objetos en el Universo, su importancia en física y astronomía es enorme, ya que puede influir en objetos físicos a cualquier distancia en el espacio.

Si está interesado en la astronomía, probablemente se habrá preguntado qué es un concepto como la gravedad o la ley de la gravitación universal. La gravedad es la interacción fundamental universal entre todos los objetos del Universo.

El descubrimiento de la ley de la gravedad se atribuye al famoso físico inglés Isaac Newton. Probablemente muchos de vosotros conocéis la historia de la manzana que cayó sobre la cabeza del famoso científico. Sin embargo, si profundizamos en la historia, podemos ver que los filósofos y científicos de la antigüedad, como Epicuro, pensaban en la presencia de la gravedad mucho antes de su época. Sin embargo, fue Newton quien describió por primera vez la interacción gravitacional entre cuerpos físicos en el marco de la mecánica clásica. Su teoría fue desarrollada por otro científico famoso, Albert Einstein, quien en su teoría general de la relatividad describió con mayor precisión la influencia de la gravedad en el espacio, así como su papel en el continuo espacio-tiempo.

La ley de gravitación universal de Newton dice que la fuerza de atracción gravitacional entre dos puntos de masa separados por una distancia es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y directamente proporcional a ambas masas. La fuerza de gravedad es de largo alcance. Es decir, independientemente de cómo se mueva un cuerpo con masa, en la mecánica clásica su potencial gravitacional dependerá puramente de la posición de este objeto en un momento dado en el tiempo. Cuanto mayor es la masa de un objeto, mayor es su campo gravitacional y más poderosa es la fuerza gravitacional que tiene. Los objetos espaciales como galaxias, estrellas y planetas tienen la mayor fuerza gravitacional y, en consecuencia, campos gravitacionales bastante fuertes.

Campos gravitacionales

El campo gravitacional de la Tierra

El campo gravitacional es la distancia dentro de la cual se produce la interacción gravitacional entre objetos del Universo. Cuanto mayor es la masa de un objeto, más fuerte es su campo gravitacional y más notable es su impacto sobre otros cuerpos físicos dentro de un determinado espacio. El campo gravitacional de un objeto es potencial. La esencia de la afirmación anterior es que si introduces la energía potencial de atracción entre dos cuerpos, entonces no cambiará después de mover este último a lo largo de un circuito cerrado. Esto trae a colación otra famosa ley de conservación de la suma de la energía potencial y cinética en un circuito cerrado.

En el mundo material, el campo gravitacional es de gran importancia. Lo poseen todos los objetos materiales del Universo que tienen masa. El campo gravitacional puede influir no sólo en la materia, sino también en la energía. Gracias a la influencia de los campos gravitacionales de objetos cósmicos tan grandes como los agujeros negros, los quásares y las estrellas supermasivas, se forman sistemas solares, galaxias y otros cúmulos astronómicos que se caracterizan por una estructura lógica.

Datos científicos recientes muestran que el famoso efecto de la expansión del Universo también se basa en las leyes de la interacción gravitacional. En particular, la expansión del Universo se ve facilitada por poderosos campos gravitacionales, tanto de sus objetos pequeños como de los más grandes.

Radiación gravitacional en un sistema binario.

La radiación gravitacional u onda gravitacional es un término introducido por primera vez en la física y la cosmología por el famoso científico Albert Einstein. La radiación gravitacional en la teoría de la gravitación se genera por el movimiento de objetos materiales con aceleración variable. Durante la aceleración de un objeto, una onda gravitacional parece "desprenderse" de él, lo que provoca oscilaciones del campo gravitacional en el espacio circundante. A esto se le llama efecto de onda gravitacional.

Aunque las ondas gravitacionales son predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein, así como por otras teorías de la gravedad, nunca han sido detectadas directamente. Esto se debe principalmente a su extrema pequeñez. Sin embargo, en astronomía existe evidencia indirecta que puede confirmar este efecto. Así, el efecto de una onda gravitacional se puede observar en el ejemplo de la convergencia de estrellas dobles. Las observaciones confirman que la tasa de convergencia de las estrellas dobles depende en cierta medida de la pérdida de energía de estos objetos cósmicos, que presumiblemente se gasta en radiación gravitacional. Los científicos podrán confirmar de forma fiable esta hipótesis en un futuro próximo utilizando la nueva generación de telescopios avanzados LIGO y VIRGO.

En la física moderna, existen dos conceptos de mecánica: clásica y cuántica. La mecánica cuántica se desarrolló hace relativamente poco tiempo y es fundamentalmente diferente de la mecánica clásica. En la mecánica cuántica, los objetos (cuantos) no tienen posiciones ni velocidades definidas; aquí todo se basa en la probabilidad. Es decir, un objeto puede ocupar un determinado lugar en el espacio en un determinado momento. No se puede determinar con seguridad dónde se moverá a continuación, sino sólo con un alto grado de probabilidad.

Un efecto interesante de la gravedad es que puede doblar el continuo espacio-tiempo. La teoría de Einstein afirma que en el espacio alrededor de un haz de energía o de cualquier sustancia material, el espacio-tiempo es curvo. En consecuencia, la trayectoria de las partículas que caen bajo la influencia del campo gravitacional de esta sustancia cambia, lo que permite predecir la trayectoria de su movimiento con un alto grado de probabilidad.

Teorías de la gravedad

Hoy en día los científicos conocen más de una docena de teorías diferentes sobre la gravedad. Se dividen en teorías clásicas y alternativas. Mayoría representantes bien conocidos La primera es la teoría clásica de la gravedad de Isaac Newton, inventada por el famoso físico británico en 1666. Su esencia radica en el hecho de que un cuerpo masivo en mecánica genera un campo gravitacional a su alrededor, que atrae objetos más pequeños. A su vez, estos últimos también tienen un campo gravitacional, como cualquier otro objeto material del Universo.

La siguiente teoría popular de la gravedad fue inventada por el mundialmente famoso científico alemán Albert Einstein a principios del siglo XX. Einstein pudo describir con mayor precisión la gravedad como fenómeno y también explicar su acción no solo en la mecánica clásica, sino también en el mundo cuántico. Su teoria general La relatividad describe la capacidad de una fuerza como la gravedad para influir en el continuo espacio-tiempo, así como en la trayectoria del movimiento de las partículas elementales en el espacio.

Entre las teorías alternativas de la gravedad, la teoría relativista, inventada por nuestro compatriota, el famoso físico A.A., quizás merezca la mayor atención. Logunov. A diferencia de Einstein, Logunov argumentó que la gravedad no es un campo de fuerza geométrico, sino físico real y bastante fuerte. Entre las teorías alternativas de la gravedad también se conocen la escalar, la bimétrica, la cuasilineal y otras.

1. Para las personas que han estado en el espacio y han regresado a la Tierra, al principio es bastante difícil acostumbrarse a la fuerza de la influencia gravitacional de nuestro planeta. A veces esto lleva varias semanas.
2. Se ha comprobado que el cuerpo humano en estado de ingravidez puede perder hasta el 1% de la masa de la médula ósea por mes.
3. La fuerza menos atractiva en sistema solar Entre los planetas, Marte tiene el más grande y Júpiter el más grande.
4. Las conocidas bacterias salmonella, causantes de enfermedades intestinales, se comportan más activamente en estado de ingravidez y son capaces de provocar al cuerpo humano mucho más daño.
5. Entre todos los objetos astronómicos conocidos del Universo, los agujeros negros tienen la mayor fuerza gravitacional. Un agujero negro del tamaño de una pelota de golf podría tener la misma fuerza gravitacional que todo nuestro planeta.
6. La fuerza de gravedad en la Tierra no es la misma en todos los rincones de nuestro planeta. Por ejemplo, en la región de la Bahía de Hudson en Canadá es más baja que en otras regiones del mundo.

Lo que llamamos progreso es
es el reemplazo de un problema por otro.
Henry Havelock Ellis

Teorías de la gravedad alternativas a la relatividad general

Nada hace nuestra vida así.
tan agradable como inevitable
alternativa.
Sabiduría popular

Todo fluye, todo cambia. Hubo un tiempo en el que parecía que no había necesidad de desear una teoría de la gravedad mejor que la de Newton. A lo largo del libro hemos descrito cómo, paso a paso, la teoría general de la relatividad “tomó su lugar en el sol”. Faltan pocos años para que cumpla 100 años. ¿Cuál es su estatus ahora? Sin duda, GTR es la teoría de la gravedad más popular, principalmente en astrofísica y cosmología, y tratamos de demostrarlo. La teoría de la estructura y evolución de las estrellas, especialmente en las etapas finales; efectos sobre la superficie de objetos compactos y ultradensos; Los modelos cosmológicos en diferentes épocas de evolución y mucho más no pueden calcularse satisfactoriamente sin utilizar la relatividad general. A partir de los efectos predichos por la Relatividad General, se están creando áreas enteras de investigación: la búsqueda de ondas gravitacionales, el estudio de lentes gravitacionales, etc. Como parte de la física teórica, la Relatividad General también se utiliza en muchas investigaciones fundamentales.

De hecho, inmediatamente después de la confirmación mediante pruebas clásicas, la relatividad general adquirió una popularidad sin precedentes. Pero, por supuesto, al medir la desviación de un rayo de luz de una estrella distante en el campo gravitacional del Sol, el desplazamiento del perihelio de los planetas del Sistema Solar, así como el desplazamiento gravitacional al rojo en el campo terrestre, El asunto no terminó ni podía terminar. Desde su finalización en 1915, tanto los principios básicos como las ecuaciones se han probado y vuelto a probar continuamente con precisión cada vez mayor. Sin embargo, no se obtuvieron resultados que contradijeran la relatividad general. Además, se ha utilizado durante mucho tiempo en propósitos prácticos, como el cálculo de las órbitas de satélites, planetas y trayectorias de vehículos interplanetarios.

Podemos decir que los efectos de la relatividad general ya se utilizan en la vida cotidiana: para aumentar la precisión de los sistemas de navegación y seguimiento. tipo de GPS. Hay entre 24 y 27 satélites constantemente en órbita a una altitud de 20.000 km. Para mejorar la precisión, se utilizan señales de varios satélites, intercambiando señales con dispositivos en la Tierra. Esto requiere una estricta sincronización de los relojes en todas las instalaciones. Resulta que la precisión de los relojes atómicos no es suficiente. Es necesario tener en cuenta la desaceleración del reloj que se produce, según la relatividad general, en el campo gravitacional de la Tierra. En otras palabras, las mismas horas en la Tierra van más lento que en órbita. Para una altitud de 20.000 km, esta diferencia es de 38 μs por día y provocará un error al determinar la distancia de hasta 10 m. Para compensar este efecto, la velocidad del reloj en órbita se ajusta más "según el pasaporte". despacio. Si se bajan de la órbita y se colocan junto a los de la Tierra, se retrasarán 38 microsegundos por día.

Hasta ahora, nuestra presentación ha demostrado los éxitos de GTR, y puede parecer que, debido a este panorama optimista, no se consideraron otras teorías excepto GTR, no se propuso nada más o todo lo "no einsteiniano" fue completamente descartado. De nada. Las actividades para crear teorías de la gravedad han sido y siguen siendo muy vigorosas. El desarrollo de teorías y su comprobación activa y exhaustiva avanzaron de la mano a lo largo del siglo XX y más allá.

La mayoría de las pruebas se pueden clasificar en clases especiales propuestas por el relativista estadounidense Clifford Will en 2001:

Las razones más simples.
Principio de equivalencia de Einstein.
Formalismo posnewtoniano parametrizado.

Hablaremos sobre el cumplimiento de las dos últimas clases a continuación, pero ahora analicemos cuáles son "los motivos más simples".

A principios de la década de 1970, un grupo de científicos del Instituto de Tecnología de California, dirigido por el ideólogo del proyecto LIGO, el profesor Kip Thorne, así como por Clifford Will y el físico taiwanés Wei-Tou Ni, compiló una lista de teorías de la gravedad del siglo XX. Para cada teoría, formularon las siguientes preguntas sobre el problema de los fundamentos más simples:

¿Es la teoría autoconsistente?
¿Está completo?
¿Es consistente, dentro de unas pocas desviaciones estándar, con todos los experimentos realizados hasta la fecha?

El criterio de "consistencia con todos los experimentos realizados hasta la fecha" fue reemplazado a menudo por el criterio de "consistencia con la mayoría de las consecuencias de la mecánica newtoniana y la relatividad especial".

Autoconsistencia No teorías métricas incluye requisitos, por ejemplo, la ausencia en sus soluciones de taquiones, hipotéticas partículas que se mueven a velocidades superiores a la de la luz; ausencia de problemas en el comportamiento de campos en el infinito, etc.

Para que la teoría de la gravedad sea lleno, debe poder describir los resultados de cualquier experimento concebible, debe ser coherente con otras teorías físicas confirmadas mediante experimentos. Por ejemplo, cualquier teoría que no pueda predecir a partir de primeros principios el movimiento de los planetas o el comportamiento de los relojes atómicos está incompleta.

Un ejemplo de teoría incompleta y no autoconsistente es la teoría de la gravitación de Newton en combinación con las ecuaciones de Maxwell. En tal teoría, la luz (como los fotones) es desviada por el campo gravitacional (aunque la mitad de débil que en la relatividad general), pero la luz (como las ondas electromagnéticas) no.

Si una teoría no cumplía con estos criterios, entonces, no tenían prisa por descartarla. Si una teoría estaba incompleta en sus fundamentos, el grupo intentaba completarla con pequeños cambios, generalmente reduciendo la teoría en ausencia de gravedad a la relatividad especial. Sólo después de esto se llegó a la conclusión de si merecía una mayor consideración. En los años 70 surgieron varias decenas de teorías que merecen atención. Es difícil decirlo, pero en las últimas dos o tres décadas su número puede haber llegado a cien o más. Todo depende de la respuesta a la pregunta de qué se considera una teoría y qué es una clase de teorías. Por eso, ahora se realiza la selección según diversos criterios y con mayor pasión. Esto es extremadamente importante, ya que existen condiciones previas para que en las próximas décadas, ya sea a pequeña escala, a gran escala o simultáneamente, se cambie la relatividad general.

Verificación de la relatividad general a escala de sistemas planetarios.

Ahora recordemos que la base de GTR como teoría métrica es el principio de equivalencia y el postulado del movimiento a lo largo de geodésicas. Se sabe que estos principios, si se establecen con absoluta exactitud, sólo se satisfacen con teorías “puramente” métricas (con pequeñas reservas), es decir, teorías en las que se representa el campo gravitacional. solo tensor métrico. Resulta que la relatividad general es sólo lo más simple Versión de la teoría métrica. Sin violar de ninguna manera estos fundamentos, uno puede imaginar una innumerable (sin exagerar) variedad de teorías métricas. ¿Cómo entonces se puede cambiar la teoría? ¿Qué hay que captar en este caso? Por supuesto, sólo la experimentación y la observación pueden poner todo en su lugar. Pero clasificar propuestas alternativas requiere su propia estrategia.

trabajando en formalismo estándar para comprobar modelos alternativos La gravedad comenzó en 1922 por Arthur Eddington (1882-1944). La mejora de este formalismo, de una forma u otra, continuó durante décadas, y los físicos estadounidenses Clifford Will y Kenneth Nordvedt completaron el trabajo en 1972. Propusieron el llamado formalismo posnewtoniano parametrizado (PPN). Está diseñado para teorías puramente métricas o con una métrica efectiva que represente el espacio-tiempo curvo donde ocurren interacciones físicas. Sólo se consideran las desviaciones de la mecánica newtoniana, por lo que el formalismo sólo es aplicable en campos débiles. En general, existen 10 parámetros PPN. En el caso de la relatividad general, 2 de ellos son iguales a uno y los 8 restantes son iguales a cero.

¿Qué utilidad tiene el formalismo PPN para comprobar la relatividad general? Las nuevas tecnologías permiten seguir los movimientos de los cuerpos celestes con bastante precisión y la prueba estándar moderna funciona de la siguiente manera. Usando las ecuaciones de la relatividad general exactamente En forma PPN se calculan las trayectorias de los cuerpos en el Sistema Solar. Este tipo resulta ser el más constructivo. Luego se comparan con datos de observación. El resultado actual es que la correspondencia teorético Parámetros PPN de la relatividad general. observable se confirma con una precisión de décimas a centésimas de porcentaje; esta es una precisión muy alta.

Otro pruebas precisas- se trata de observaciones de púlsares dobles: actualmente se conocen sistemas formados por dos estrellas de neutrones; Además, existen sistemas compuestos por un radiopúlsar y una enana blanca, que también son aptos para pruebas. A partir de estas observaciones se calculan los parámetros orbitales. Resulta que las desviaciones de los valores keplerianos coinciden con las desviaciones predichas por la Relatividad General, también con una precisión de décimas y centésimas de por ciento. Los expertos son muy optimistas sobre las perspectivas de aumentar la precisión en el estudio de los púlsares dobles. Se basa en el hecho de que las estrellas de neutrones tienen un tamaño de decenas de kilómetros en sistemas con tamaños orbitales de millones de kilómetros. En tales sistemas, las estrellas son en realidad objetos puntuales. Su estructura interna, los movimientos internos y las deformaciones prácticamente no influyen en las trayectorias. Por el contrario, en el Sistema Solar, todos estos factores, así como la influencia de numerosos "vecinos", limitan significativamente la mejora de la precisión. En resumen, podemos decir que en la escala de los sistemas planetarios, la relatividad general ha sido confirmada con alta precisión y la precisión de las mediciones aumentará.

La necesidad de modificar GTO.

Primero necesitamos cambiar nuestra vida,
habiéndolo rehecho, puedes cantar.
Vladímir Mayakovsky

Sin embargo, la investigación para crear teorías de la relatividad general alternativa, principalmente métricas, no se detiene. ¿Por qué? La relatividad general está bien confirmada, como acabamos de decir, a escala del Sistema Solar. Pruebe la teoría en b oh A mayor o menor escala es mucho más difícil. La relatividad general, como cualquier otra teoría, es sólo un modelo para describir fenómenos reales. Por tanto, la naturaleza real puede coincidir con las predicciones de la relatividad general en la escala de los sistemas planetarios, pero diferir en otras escalas.

Al mismo tiempo, muchos datos teóricos y empíricos modernos sugieren que así es como debería ser y que son necesarias modificaciones. Por ejemplo, en muchas soluciones de la relatividad general es necesario considerar fuertes campos gravitacionales, enormes densidades, etc. Y esto requiere la cuantificación del campo gravitacional. A pesar de los importantes esfuerzos, no se logró un éxito decisivo en este campo. Esto sugiere que en pequeñas escalas donde se requiere cuantificación, la teoría gravitacional debe modificarse. Por otra parte, el reciente descubrimiento expansión acelerada Muchos destacados expertos tienden a interpretar el universo como un efecto geométrico que puede “obtenerse” modificando la relatividad general a escalas cosmológicas. Independientemente de esto, los resultados de la investigación en física de interacciones fundamentales llevan a la necesidad de cambios en la relatividad general a gran y pequeña escala.

Cuando se trata de teorías viables, no existe una diferencia terminológica establecida para teorías alternativas, modificadas o nuevas. Todos ellos, de una forma u otra, desarrollan la relatividad general, ya que no deberían funcionar peor en las escalas donde se confirma. Al desarrollar modificaciones de la relatividad general o nuevas teorías, los autores las comparan con la relatividad general en los regímenes correspondientes, del mismo modo que la relatividad general se compara con la gravedad de Newton. Si se quiere, se debe satisfacer el mismo principio de correspondencia, pero en una nueva etapa de cognición.

Actualmente, en muchas conferencias sobre teoría de la gravedad, se dedican secciones enteras a teorías generalizadas (o alternativas), se publican colecciones separadas sobre este tema y algunas teorías se vuelven cada vez más independientes. ¿Cuáles son los principales más populares y direcciones prometedoras en estos desarrollos?

En primer lugar, GTR es una teoría puramente métrica (o puramente tensorial). Esto significa que la geometría del espacio-tiempo y la materia se influyen mutuamente. sin intermediarios. Hay un número infinito de teorías de este tipo que pueden construirse (como ya hemos comentado) y se están desarrollando activamente. Como regla general, las ecuaciones de estas teorías se diferencian de las ecuaciones de la relatividad general en que se complementan con términos de curvatura cuadráticos y de orden superior. Los términos adicionales suelen incluirse con coeficientes pequeños que coinciden con las observaciones, digamos, a escala de sistemas planetarios, pero cambian significativamente las soluciones a escalas cosmológicas.

Otra clase de teorías alternativas se caracteriza por el hecho de que la influencia mutua de la geometría y la materia se realiza a través de un campo adicional, generalmente un campo escalar o vectorial. Sin embargo, la contribución de estos campos puede no ser significativa. La desviación de las teorías alternativas modernas de la relatividad general debería expresarse en la diferencia en los parámetros PPN correspondientes. Para evaluar la viabilidad de una teoría diferente de la relatividad general (para probarla), es necesario registrar las desviaciones de los valores de los parámetros PPN en la relatividad general en el nivel 10 –6 –10 -8. Esto significa que la precisión de las mediciones, tanto en el Sistema Solar como en los púlsares binarios, debe mejorarse entre 1 y 3 órdenes de magnitud.

La teoría de la gravedad de Horzava

Esta teoría es una de las variantes de las teorías de la gravedad con tensores vectoriales y quizás sea la más popular en este momento. Por eso hablamos de ella. La teoría fue propuesta en 2009 por el teórico de cuerdas estadounidense de origen checo Petr Horzhava. Es algo diferente de las teorías convencionales de tensor vectorial porque utiliza un gradiente escalar en lugar de un campo vectorial. Por un lado, se conservan las propiedades de las teorías vectoriales; por otro, existen propiedades útiles específicas.

Recordemos una vez más que la coherencia teoría cuántica No fue posible crear una gravedad en la que no hubiera divergencias sobre la base de la relatividad general. Por lo tanto, se proponen varias modificaciones que en escalas cuánticas difieren significativamente de la relatividad general y se vuelven "adecuadas" para la cuantificación. Para ello, al construirlos, algunos principios que subyacen a la relatividad general cambian, es decir, resultan violados. Por supuesto, esta violación debe ser tan pequeña que no contradiga las pruebas de laboratorio y que no cambie el efecto de la teoría en la escala de los sistemas planetarios donde hay una buena concordancia con las observaciones. Esta es exactamente la teoría de Horzhava. No hablaremos de lo notable que es en el sentido de cuantificación, esto es un poco aparte del tema del libro, pero hablaremos de sus propiedades como teoría gravitacional: en qué y en qué se diferencian de propiedades similares de la Relatividad General.

Invariancia de Lorentz. Ya hemos discutido el hecho de que la Relatividad General, por así decirlo, "surgió" de la teoría especial de la relatividad: la mecánica de altas velocidades comparables a la velocidad de la luz. Recordemos que en la TER todos los sistemas de referencia inerciales se mueven entre sí de manera uniforme y rectilínea, son equivalentes. Es importante recordar las mediciones de tiempo en TER. En cada sistema de referencia inercial, el reloj funciona a su propio ritmo, diferente al de los relojes en otros sistemas. , si los comparas. Sin embargo, no se puede elegir ni el “mejor” ni el “peor” tempo si los relojes son estructuralmente idénticos. Eso es propio tiempo cada sistema inercial tiene iguales derechos en relación con los demás. Esto significa que no hay un paso de tiempo dedicado en TER.

También dijimos que en lenguaje geométrico, la invariancia en TER al pasar de un sistema de referencia inercial a otro equivale a la invariancia bajo rotaciones de Lorentz. en todo espacio-tiempo plano. En la relatividad general, debido al "encendido" de la gravedad y, en consecuencia, a la curvatura del espacio-tiempo, la invariancia de Lorentz en todo El espacio-tiempo ya no es posible. Sin embargo, la relatividad general sigue siendo invariante de Lorentz. en la zona, es decir, en una pequeña vecindad de cada observador. Esta invariancia es uno de los principios que subyacen a GTR y está asociada con el principio de correspondencia entre GTR y STR.

Teoría cronométrica. En varias modificaciones de la relatividad general, lo que se viola es la invariancia local de Lorentz. Entre ellas se encuentra la teoría de Horzhava. Recientemente, una de sus implementaciones, la llamada versión no proyectiva “viable” (“saludable”), desarrollada por los físicos estadounidenses Diego Blas y Oriol Pujolas y nuestro compatriota Sergei Sibiryakov, se ha vuelto particularmente popular. Los efectos que se analizan a continuación se relacionan principalmente con esta modificación de la relatividad general.

Entonces, ¿en qué se diferencia la teoría de Horzhava de la relatividad general? Además de todos los campos habituales de la relatividad general, se añade un campo escalar φ, pero no de la forma habitual. Dirección sus cambios en el espacio-tiempo define un espacio especialmente asignado dirección del tiempo. Por eso un campo escalar se llama campo. cronón. Entonces las superficies de valores constantes del campo escalar son superficies de tiempo constante o "simultaneidad". El campo escalar entra en las ecuaciones. solo a través de derivadas, por lo que no hay necesidad de preocuparse por los valores infinitos del campo cronónico. Sólo su cambio es significativo, no sus valores. Dado que existe una dirección seleccionada en el espacio-tiempo, existen sistemas de referencia seleccionados. Esto no es característico ni de STR ni de GTR, pero sí de las teorías de tensor vectorial. Para mayor claridad, daremos un ejemplo simple de "juguete". Una de las soluciones nueva teoría- esto es espacio-tiempo plano (como en STR) más el campo cronónico, que resulta ser solo tiempo, φ = t. Podemos ir a SRT usando transformaciones de Lorentz de uno sistema de coordenadas x,t a otro x",t", donde el tiempo fluye de otra manera. En la nueva teoría, no podemos, ya que el valor del campo escalar no cambia durante las transformaciones de coordenadas, y esto es el tiempo. Así, aquí, a diferencia de la estación de servicio, hay un reloj que cuenta el tiempo asignado.

Dado que en la relatividad general el campo gravitacional es el campo de la métrica del espacio-tiempo, está claro por qué la nueva teoría se llama crono métrico. Las restricciones aceptables sobre los parámetros de la teoría cronométrica permiten evitar divergencias durante la cuantificación. Repitamos de nuevo: uh ese fue el objetivo principal de su construcción. Pero esto es un éxito teórico y ahora es casi imposible probar efectos cuánticos de este nivel.

Sin embargo, la nueva teoría también debe cambiar en sus manifestaciones clásicas (no cuánticas). Y esto permite probar o refutar su derecho a existir. A continuación, mostraremos en qué fenómenos clásicos y en qué se diferencia la teoría cronométrica de la relatividad general, si los efectos de la nueva teoría se pueden identificar en las observaciones e ilustraremos la diferencia para algunos modelos teóricos. Para ello, analizaremos los ejemplos más llamativos, en nuestra opinión.

Radiación de ondas gravitacionales. Recordemos que la onda gravitacional en la relatividad general es transversal, tensor, tiene dos polarizaciones (ver Fig. 10.2) y se propaga a la velocidad de la luz. Las ondas gravitacionales también existen en la teoría de Horzava. Sin embargo, además de las dos polarizaciones tensoriales ya mencionadas, existe un grado de libertad escalar. Esto significa que bajo la influencia de dicha onda, se agregarán desplazamientos longitudinales (en la dirección de propagación de la onda) al movimiento de las partículas de prueba. Lo importante es que los componentes tensoriales y escalares tienen diferentes velocidades de propagación. Además, ambas velocidades, que dependen de los parámetros del modelo de Horzhava, deberían superar(!) la velocidad de la luz, aunque sea insignificante. Estas diferencias con la relatividad general son interesantes, pero lamentablemente hasta ahora sólo teóricas. Todavía no existe una detección directa de ondas gravitacionales, por lo que registrar las diferencias observadas parece una cuestión de un futuro lejano.

Sin embargo, existe una confirmación indirecta de la existencia de radiación gravitacional. Se trata de observaciones de púlsares dobles, la disminución del tamaño de sus órbitas indica una pérdida de energía debido a la radiación de ondas gravitacionales. Este efecto está de acuerdo con la relatividad general con una precisión relativa de 10 -2, que ya hemos comentado. Pero las predicciones de GR y de la teoría de Horzava son diferentes. Por lo tanto, si esto último es viable, existe la posibilidad de que un mayor aumento en la precisión revele estas diferencias y aclare los parámetros de la nueva teoría.

Interacción de partículas. Acción instantánea. Ahora, para la teoría cronométrica, consideraremos la interacción del campo gravitacional con la materia. Discutiremos sólo la primera aproximación (lineal), que puede estar disponible para las observaciones. En este orden, los efectos asociados con la violación de la invariancia de Lorentz se suprimen por varias razones, pero el campo cronónico está presente, se incluye de manera invariante de Lorentz en la llamada métrica efectiva. Es decir, la métrica GTR se modifica y la materia se propaga no en el espacio-tiempo original, sino en algún espacio-tiempo efectivo, y de manera universal. Quizás en el futuro sea esta interacción la que nos permita descubrir los fenómenos clásicos representados por la teoría cronométrica.

En la aproximación de campos débiles y bajas velocidades, la gravedad newtoniana debería convertirse en el límite de la teoría gravitacional. En este último, la interacción de dos partículas está representada por la famosa ley de Newton, donde la fuerza es proporcional a las masas, la constante gravitacional, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, pero no depende de las velocidades estas partículas. La presencia del campo de cronones cambia y complementa esta ley de la siguiente manera. Levemente la constante gravitacional cambia, ahora se llama efectivo, y aparece dependencia de la velocidad. La posibilidad de detectar estos efectos está determinada por las constantes de acoplamiento de la teoría cronométrica.

La influencia del campo de cronones también se manifiesta en el hecho de que algunas interacciones pueden extenderse instantáneamente(!), es decir, a velocidad infinita. ¿Cómo se llegó a esta conclusión? Normalmente, las ecuaciones de perturbaciones contienen un operador de onda, que consta de dos partes: espacial y temporal. Magnitud, contrarrestar el coeficiente de la segunda parte es el cuadrado de la velocidad de propagación de las perturbaciones. La ausencia total de la segunda parte hace que esta velocidad sea infinita. Parte de las ecuaciones de la teoría de Horzhava tienen precisamente esta estructura. Aquí conviene establecer una analogía con la teoría de Newton. En él, al igual que en la teoría cronométrica, se resalta el flujo del tiempo (“tiempo absoluto”) y la interacción gravitacional se propaga instantáneamente.

¿Cómo imaginar la distribución instantánea? Imagine una superficie de tiempo constante, luego la señal, que se propaga sobre ella (es decir, sin cambiar el tiempo), recorre instantáneamente cualquier distancia. Esto es inaceptable en teorías relativistas como STR o GTR. Veamos el diagrama de la Fig. 12.1. Considere tres puntos en el espacio: A, B y C. En este momento t= 0 estos puntos corresponden a eventos A 0 , B 0 , do 0 , que, en el marco de la TER, no están relacionados causalmente. Sólo en el momento t 1 evento A 0 se relaciona causalmente con el evento B 1 en el punto B, y en este momento t 2 y con evento do 2 en el punto do. Como debería ser en STR (o GTR), la propagación de señales está estrechamente acoplada y limitada por conos de luz. En la teoría de Horjava, este bien puede no ser el caso de algunas interacciones. La propagación instantánea significa que los tres eventos A 0 , B 0 , do 0 en el momento t= 0, ocurrió como consecuencia de uno instantáneamente señal de propagación, es decir, pueden estar relacionados causalmente. Sin embargo, una posibilidad tan “fantástica” no limita de manera decisiva la teoría cronométrica. La distinción de la dirección del tiempo significa que el concepto de simultaneidad está definido de forma única, por lo que no hay problemas con la causalidad, ni siquiera uno tan exótico.

Sistema solar. Para probar cualquier teoría gravitacional al medir movimientos en un sistema planetario, se utiliza el formalismo PPN. Como en cualquier teoría vectorial, en la teoría de Horzhava debe haber efectos de un marco de referencia privilegiado Esto lleva al hecho de que los parámetros PPN del grupo α resultan distintos de cero. De hecho, además de los dos parámetros PPN inherentes a la relatividad general, la teoría cronométrica tiene dos más: α 1 y α 2 . Para evitar contradicciones con las observaciones, estas deben ser lo suficientemente pequeñas: α 1 ≤ 10 -4 y α 2 ≤ 10 -7. Esperaremos a que aumente la precisión de las mediciones, entonces quizás se confirme o refute la existencia de α 1 y α 2 (y, por tanto, la teoría de Horzhava).

Agujeros negros. En la relatividad general, un agujero negro es un objeto cuya parte central, normalmente singular, está rodeada por una superficie esférica llamada horizonte de sucesos. Su presencia se debe al hecho de que en la relatividad general existe una velocidad límite: esta es la velocidad de la luz. La principal propiedad de un agujero negro es que, según la relatividad general, ninguna partícula, ningún campo o incluso una señal luminosa puede salir de él, es decir, ir más allá del horizonte de sucesos.

En la teoría cronométrica también existen soluciones que describen objetos como los agujeros negros. Sin embargo, recordemos que en esta teoría no existe un límite de velocidad; las interacciones pueden propagarse a una velocidad mayor que la de la luz e incluso al instante. Si esta posibilidad existiera en la relatividad general, entonces el concepto mismo de horizonte de sucesos perdería significado, ya que es posible abandonar un objeto estando tanto en el horizonte de sucesos como debajo de él. En este caso aparecen contradicciones relacionadas con la termodinámica del sistema, como una disminución de la entropía. Actualmente no se conocen todas las soluciones para los agujeros negros según la teoría de Horzava debido a su juventud, pero entre las conocidas hay aquellas que permiten evitar estas complicaciones. Resulta que en un agujero negro, en el marco de la teoría cronométrica, puede existir el llamado horizonte universal. Se encuentra debajo del horizonte de sucesos (“más cerca” de la singularidad) y es notable porque el tiempo constante emerge debajo de él. no cruces su. Esto significa que una señal incluso de velocidad infinita (instantánea) no puede salir de debajo de este horizonte intermedio. Y para tales objetos se eliminan las contradicciones antes mencionadas.

En la figura. La figura 12.2 muestra el llamado diagrama de Penrose de un agujero negro de Schwarzschild. Agujas i- Y i+ representan toda la infinidad temporal del pasado y toda la infinidad temporal del futuro, punto i 0 une todo el infinito espacial. Derecho Bi+ es el horizonte de sucesos de un agujero negro de Schwarzschild; esto se puede ver por la ubicación de los conos de luz. En efecto, un cuadrado Bi + i 0 i– - todo esto es espacio-tiempo externo afuera horizonte de sucesos, mientras que el triángulo i + Bi+ es espacio-tiempo bajo horizonte de sucesos, desde donde la señal no puede ir a la región exterior, y donde la línea discontinua es la singularidad r= 0. Superpuesto al diagrama de agujeros de Schwarzschild está el diagrama de agujeros negros de la teoría cronométrica. Todas las curvas que conectan i 0 y i+ , son las secciones transversales del campo constante del cronón j = constante, lo mismo, tiempo constante (simultaneidad). El arco gordo es el indicado. horizonte universalζ= ζ + , debajo de él, más cerca de la singularidad, arcos i + i+ , que conecta los extremos de la línea discontinua también son secciones de tiempo constante (simultaneidad). Está claro que si una señal en la teoría cronométrica se propaga incluso instantáneamente, es decir, a lo largo de secciones transversales de simultaneidad, entonces no podrá cruzar el horizonte universal y salir del agujero negro cronométrico.

Cosmología. A escala del Universo, la teoría de Horzhava también tiene posibilidades de declarar su viabilidad. Analicemos las soluciones cosmológicas en la nueva teoría. Serán aproximadamente iguales que en la relatividad general, con la diferencia de que en lugar de la constante gravitacional habitual GRAMO la constante gravitacional efectiva aparecerá GE. Ahora recordemos la ley de Newton modificada discutida anteriormente. Aparece su propia constante gravitacional efectiva, diferente de GRAMO, denotémoslo yo. Estimaciones realizadas para la diferencia: | G I - G E| ≤ 0,1.

No existe ninguna prohibición de que en el futuro se determine un valor significativo para esta diferencia, pero también es posible que se excluya.

Basada en la relatividad general, se ha desarrollado una teoría de las perturbaciones cosmológicas que coincide perfectamente con las observaciones. Permite, por ejemplo, explicar estructura, es decir, la distribución de galaxias y sus cúmulos en la región observable del Universo. Sin embargo, si, con una precisión de observación cada vez mayor, se descubre, digamos, una anisotropía no predicha por la relatividad general, entonces esta es una razón para recurrir a la teoría de Horzhava. La teoría de Khorzhava es tan joven que es poco probable que ella misma y las conclusiones extraídas sobre ella puedan considerarse establecidas y universalmente aceptadas. A pesar de esto, tanto la teoría en su conjunto como las conclusiones parecen muy intrigantes e importantes.

Modelos multidimensionales

¡Hola, Multidimensionalidad!
Victor Bokhinyuk

A lo largo del último siglo varias teorías La gravedad se construyó, de una manera u otra, como teorías independientes, es decir, “desde abajo”. En las últimas décadas, la situación ha cambiado: la construcción de teorías de la gravedad es estimulada por el desarrollo de teorías fundamentales, varios modelos de gravedad forman parte de ellas y “cristalizan” dentro de los límites de estas teorías. Es decir, su creación viene “de arriba”. Como contendientes por las “teorías del todo”, las teorías fundamentales incluyen la gravedad.

La "Teoría del Todo" debe funcionar en las condiciones más fantásticas, incluyendo Energías de Planck. Entonces todas las interacciones actúan como una sola. Por tanto, la construcción de tales teorías es, en cierta medida, una extrapolación. Y la transición desde una teoría que funciona como mucho condiciones generales, a las condiciones de nuestro mundo será su aproximación, que se llama energía baja. Como mínimo, los efectos observacionales de la “teoría aproximada del todo” deberían tener lugar en el mundo que observamos. La “parte gravitacional de la teoría del todo” en el límite de baja energía adopta la forma que conocemos y debe pasar todas las pruebas que ha pasado la relatividad general. Tenga en cuenta que algunas versiones de la "teoría del todo" en el límite de baja energía contienen la relatividad general como parte gravitacional. exactamente.

Una propiedad importante de las teorías fundamentales es que, por regla general, tanto en escalas cosmológicas como en escalas de micromundos, se utiliza una dimensión espacio-temporal mayor que 4. El concepto de espacio multidimensional es necesario, por ejemplo, para la teoría de supercuerdas, que es. La teoría generalmente aceptada representa la teoría de alta energía más prometedora, que combina la gravedad cuántica y la teoría de los llamados campos de calibre. Las implicaciones de baja energía de esta teoría requieren, por ejemplo, un espacio-tiempo fundamental de (9+1) dimensiones (a veces (10+1) dimensiones), mientras que otras dimensiones están prohibidas.

Pero ¿cómo puede ser entonces? Sentimos sólo 3 sensaciones espaciales y simultáneas. oh¿mi medida? En las microescalas, las dimensiones adicionales se compactan (como si estuvieran enrolladas en “tubos”), y esta es la razón por la que no deberíamos percibirlas. Un espacio así tiene simetrías en dimensiones adicionales, a las que se responden mediante leyes de conservación para diversas cargas, del mismo modo que las simetrías del espacio de Minkowski se responden mediante leyes de conservación para las características energéticas.

Ya con el nivel actual de tecnología, los experimentos con aceleradores pueden ser importantes para confirmar teorías fundamentales. Por ejemplo, si en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN se descubren los llamados socios supersimétricos de partículas conocidas, esto significará que la idea de supersimetría funciona y, por lo tanto, se puede construir una teoría de la gravedad más avanzada en el marco de Teoría de cuerdas.

¿Pero puede el mundo tener dimensiones extendidas (no compactadas)? Las primeras declaraciones sobre este tema las hicieron en 1983 Valery Rubakov y Mikhail Shaposhnikov, quienes continúan trabajando activamente en esta área. Demostraron que en el espacio-tiempo de 5 dimensiones (con un espacio de 4 dimensiones), toda la materia se puede concentrar sólo en una sección de espacio de 3 dimensiones. Surge el concepto de modelos con branas, donde el mundo en el que vivimos enfocado efectivamente en un espacio tridimensional y, por lo tanto, no sentimos dimensiones espaciales extendidas adicionales.

Durante algún tiempo, los modelos del tipo Rubakov-Shaposhnikov no atrajeron mucha atención. El interés en ellos comenzó a ser estimulado, en primer lugar, por el problema de la jerarquía de interacciones, que incluye la extrema debilidad de la interacción gravitacional. Al describir la interacción de partículas elementales, uno puede olvidarse de la interacción gravitacional como una enmienda completamente sin importancia. Pero si ya nos hemos comprometido a explicar la estructura de nuestro mundo, entonces debemos responder a la pregunta de por qué la gravedad es tan débil.

Resulta que los modelos multidimensionales con dimensiones adicionales extendidas pueden resultar muy útiles para resolver estos problemas. Hay muchos modelos de este tipo. Quizás el más famoso sea el modelo propuesto en 1999 por los cosmólogos estadounidenses Lisa Randall y Raman Sundrum. De hecho, ofrecieron dos modelos uno tras otro.

En el primero de ellos, el mundo de 5 dimensiones está limitado en ambos lados por dos secciones espacio-temporales de 4 dimensiones, una de las cuales es nuestro Universo (tres dimensiones espaciales más una de tiempo). A Soy la coordenada). El espacio entre las dos branas está muy curvado debido a su tensión "mecánica". Esta tensión lleva al hecho de que todas las partículas y campos físicos se concentran en una sola de las branas y no la abandonan, a excepción de la interacción gravitacional y la radiación. Hay gravedad en esta brana, pero es muy débil, y este es ese mundo, en el que vivimos. En el otro borde del mundo de 5 dimensiones, inaccesible para nosotros, la gravedad, por el contrario, es muy fuerte, toda la materia es mucho más ligera y las interacciones entre las partículas de materia son más débiles.

En la segunda versión, el modelo de Randall y Sundrum prescinde del segundo límite. A los teóricos les gusta más este modelo. Les permite convertir su amada teoría de cuerdas en el espacio-tiempo de cinco dimensiones en una teoría cuántica ordinaria en su límite de cuatro dimensiones. El espacio en este modelo también es muy curvado y su radio de curvatura determina el tamaño característico de la quinta dimensión espacial adicional. No existe un modelo finalmente reconocido con branas; están en fase activa de desarrollo; se identifican problemas, se resuelven, aparecen nuevos, se vuelven a resolver, etc.

En la figura. La Figura 12.3 (izquierda) representa esquemáticamente un mundo en una brana, donde la luz (fotones) se propaga dentro de ella, pero no puede salir de la propia brana. En la figura. 12.3 (derecha) muestra que si nuestro mundo estuviera en una brana, entonces podría "flotar" en la gran extensión de dimensiones adicionales que permanecen inaccesibles para nosotros, ya que la luz que vemos (y ningún otro campo excepto el gravitacional) no puede salir de nuestra brana. . Podría haber otros mundos brana flotando a nuestro alrededor.

Otra idea que lleva a la consideración de modelos multidimensionales es la llamada correspondencia AdS/CFT, que surge como una de las implementaciones específicas de la teoría de supercuerdas. Geométricamente esto significa lo siguiente. Se considera el espacio-tiempo anti-de Sitter (AdS) multidimensional (generalmente de 5 dimensiones). Sin detalles, el espacio AdS es un espaciotiempo de curvatura negativa constante. Aunque es curvo, tiene el mismo número de simetrías que el espacio-tiempo plano de la misma dimensión, es decir, es máximamente simétrico. . A continuación, consideramos el límite espacial del espacio AdS en el infinito, cuya dimensión es, en consecuencia, uno menos. Entonces, para un espacio AdS de 5 dimensiones, el límite será de 4 dimensiones, es decir, en algún lugar similar al espacio-tiempo en el que vivimos. La correspondencia en sí significa una cierta conexión matemática entre este límite y las llamadas teorías de campo conformes (invariantes de escala) que pueden “vivir” en este límite. Al principio, esta correspondencia se estudió sólo en términos puramente matemáticos, pero hace unos 10 años se comprendió que esta idea también se puede utilizar para estudiar la teoría de las interacciones fuertes en el régimen de acoplamiento fuerte, donde los métodos convencionales no funcionan. Desde entonces, la investigación que involucra (o estudia) la comparación AdS/CFT no ha hecho más que ganar impulso.

De lo dicho en el párrafo anterior, es importante para nuestra consideración que se esté estudiando el espacio-tiempo curvo: el espacio AdS y su frontera. Los modelos de trabajo no consideran espacios AdS ideales, sino soluciones más complejas que se comportan como AdS cuando se acercan asintóticamente al límite. Este espacio-tiempo puede ser una solución a una u otra teoría multidimensional de la gravedad. Es decir, la idea de correspondencia AdS/CFT es otro incentivo para el desarrollo de teorías multidimensionales.

Uno de los principales problemas de los modelos de branas (y otros modelos de alta dimensión) es comprender qué tan cerca están de la realidad. Describamos una de las posibles pruebas. Recordemos el efecto de la evaporación cuántica de los agujeros negros de Hawking. El tiempo de evaporación característico de los agujeros negros que surgen de explosiones de estrellas masivas es muchos órdenes de magnitud más largo que la vida útil del Universo; en el caso de los agujeros negros supermasivos es aún mayor. Pero la situación cambia en el caso del espacio-tiempo de 5 dimensiones de Randall y Sundrum. Los agujeros negros en nuestra brana (también conocido como nuestro Universo) deberían evaporarse mucho más rápido. Resulta que desde el punto de vista del espacio-tiempo de 5 dimensiones, los agujeros negros de nuestro Universo se mueven con aceleración. Por lo tanto, efectivamente deben perder energía (evaporarse además del efecto Hawking normal) mientras se mantenga el tamaño de los agujeros negros que se están reduciendo. tamaño más grande dimensión adicional (algo así como fricción sobre esta dimensión). Por ejemplo, si el tamaño característico de la dimensión adicional fuera de 50 micrones, que son bastante mensurables en el laboratorio, entonces los agujeros negros de una masa solar no podrían vivir más de 50 mil años. Si tal evento ocurriera ante nuestros ojos, veríamos cómo las fuentes de rayos X en las que brillaba el material que cae sobre el agujero negro se apagarían repentinamente.

Agujeros negros en la relatividad general multidimensional

Así, paso a paso, los espacios multidimensionales se convierten en parte integral de varios modelos fisicos. Junto con esto todo más atención La generalización de la relatividad general a más de cuatro dimensiones (sin otras modificaciones ni adiciones) también es atractiva, ya que dicha relatividad general en algunas variantes es en sí misma parte de nuevas teorías. Y este es uno de los incentivos importantes para buscar y estudiar posibles soluciones a la relatividad general multidimensional. En particular, las soluciones para los agujeros negros son interesantes e importantes. ¿Por qué?

1) Estas soluciones pueden ser una base teórica para el análisis de agujeros negros microscópicos en las teorías de cuerdas, donde inevitablemente surgen.
2) La correspondencia AdS/SFT conecta las propiedades de los agujeros negros de dimensión D con las propiedades de la teoría cuántica de campos en el límite de dimensión (D–1), que analizamos brevemente anteriormente.
3) Futuros experimentos en colisionadores sugieren el nacimiento de agujeros negros multidimensionales. Su registro es imposible sin tener una idea de sus propiedades.
4) Y finalmente, el estudio de las soluciones de la relatividad general clásica de 4 dimensiones comenzó con el estudio de los agujeros negros: la solución de Schwarzschild. Parece natural seguir la lógica del desarrollo histórico.

Intuitivamente, cuantas más dimensiones, más diversas serán las propiedades de las soluciones de la teoría. ¿Cómo se manifiesta esto en las soluciones de los agujeros negros? La variedad de soluciones en la relatividad general multidimensional se debe a dos nuevas características: la dinámica no trivial de las rotaciones y la posibilidad de formar horizontes de eventos extendidos. Discutamos sobre ellos. En relatividad general ordinaria con espacio-tiempo de 4 dimensiones rotación independiente en el espacio tridimensional puede ser sólo uno. Está definido por su eje (o, lo que es lo mismo, por el plano de rotación perpendicular al mismo). En la relatividad general de 5 dimensiones, el espacio (sin tiempo) se vuelve de 4 dimensiones, pero se conserva esta propiedad del espacio de 3 dimensiones de tener una única rotación independiente. Pero en la relatividad general de 6 dimensiones, donde el espacio se vuelve de 5 dimensiones, dos rotaciones independientes posibles, cada uno con su propio eje, etc. Otra propiedad nueva que ocurre para soluciones en dimensiones mayores que 4 es la aparición de horizontes extendidos. ¿Qué quieren decir? Se trata de “hilos negros” (unidimensionales) y “branas negras” de diferentes dimensiones.

La combinación de estas dos nuevas posibilidades en diferentes variantes ha llevado al hecho de que en el marco de la relatividad general multidimensional se han construido muchas soluciones, como los agujeros negros, que tienen su propia jerarquía compleja. En la figura. 12.4 muestra algunas de estas soluciones. Si en la relatividad general tetradimensional el horizonte de sucesos de los agujeros negros conocidos suele tener forma esférica, en la multidimensionalidad la situación cambia significativamente. Los horizontes degeneran en cuerdas (como ya hemos mencionado), pueden tener forma de toro, etc. Hay que tener en cuenta que las imágenes de horizontes de la Fig. 12.4 debe tomarse de forma algo simbólica, ya que en realidad son superficies tridimensionales en un espacio de 4 dimensiones.

Estas formaciones ya no se llaman “agujeros negros”, sino “objetos negros”. Pueden estar multiconectados, por ejemplo, un agujero negro rodeado por un "toro negro" se llama "Saturno negro". Algunos de estos objetos están determinados por soluciones inestables, por otra parte resulta imposible calcular correctamente las cantidades conservadas, pero muchos no tienen tales defectos. Sin embargo, a pesar de toda la variedad de propiedades (aceptables o cuestionables) y la elaborada forma de algunos objetos, sus horizontes de sucesos tienen la misma propiedad básica que el horizonte de un agujero negro de Schwarzschild: la historia de un cuerpo material después de su intersección deja de ser accesible a un observador externo.

Esta imagen parece muy, muy exótica y, al parecer, no tiene relación con la realidad. Pero quién sabe: alguna vez las soluciones para los agujeros negros parecían lejos de la realidad, pero ahora no hay duda de que estos objetos pueblan el Universo en todas partes. Es posible que vivamos en una brana y que el mundo exterior de 5 dimensiones incluya algo así como un "Saturno negro", y se detectará su influencia en la brana.

Teorías bimétricas y del gravitón masivo.

Recordemos que para describir las ondas gravitacionales débiles dividimos la métrica dinámica de la relatividad general en la métrica del espacio-tiempo plano y las perturbaciones de la métrica. Resultó que las perturbaciones en forma de ondas pueden propagarse en el espacio de Minkowski, que desempeña el papel de espacio de fondo. El fondo puede ser curvo, pero debe permanecer fijo, es decir, su métrica debe ser una solución a la relatividad general. En esta imagen, la métrica del espacio-tiempo de fondo y las perturbaciones métricas son independientes. Esta representación es una de las variantes de la teoría bimétrica de la gravedad, donde una métrica es conocida y representa el espacio-tiempo de fondo, y la segunda, dinámica, desempeña el papel del campo gravitacional que se propaga en él. EN en este caso tal descripción es inducida por la propia relatividad general.

Sin embargo, las teorías bimétricas se construyen sin referencia a la existencia de la relatividad general, sino como teorías independientes. Sus rasgos característicos son que las métricas dinámicas y de fondo se combinan en una métrica efectiva, que a su vez determina el espacio-tiempo efectivo donde todos los campos físicos se propagan e interactúan. Por regla general, en el límite de campos débiles y velocidades bajas, las predicciones de la relatividad general y las teorías bimétricas coinciden y satisfacen todas o la mayoría de las pruebas que también cumple la relatividad general. ¿Por qué se presta atención a las teorías bimétricas? Su diseño, por ejemplo, permite determinar de forma más sencilla y coherente cantidades conservadas. También tienen ventajas en lo que respecta a la cuantificación.

Por lo general, en las teorías bimétricas existe al menos una posibilidad fundamental de determinar la "base": el espacio-tiempo de fondo. Pero es posible que esto no suceda. Por ejemplo, sin referencia a la debilidad del campo (es decir, exactamente, sin aproximaciones), la relatividad general puede reformularse como una teoría bimétrica. En este caso, es absolutamente imposible idear un experimento o una prueba para determinar el espacio-tiempo de fondo, que por tanto desempeña el papel de auxiliar. Pero sólo el espacio-tiempo efectivo es real y accesible para la observación; es, de hecho, el espacio-tiempo de la Relatividad General.

Esta representación bimétrica de la Relatividad General se denomina formulación teórica de campo, en el sentido de que el campo gravitacional se considera en igualdad de condiciones con todos los demás campos físicos en el espacio-tiempo de fondo auxiliar (ya que no observable).

Ahora volvamos a la escuela secundaria y recordemos que los libros de texto de física hablan de la llamada dualidad onda-partícula. ¿Qué significa? Resulta que la propagación de un campo particular puede considerarse, dependiendo de las condiciones, ya sea como una partícula o como una onda. Volvamos nuevamente a la electrodinámica. Una señal de baja frecuencia con suficiente amplitud se registrará más bien como una onda mediante oscilaciones de cargas en su campo. Por otro lado, es más probable que una señal de alta frecuencia pero débil se detecte como una partícula que elimina un electrón en el fotodetector. La partícula del fotón no tiene masa (con masa en reposo cero). Pasemos a otra partícula bien conocida: el electrón, tiene masa. Pero resulta que una onda también puede estar asociada a un electrón, a pesar de su “masividad”.

Después de esto, recordemos las ondas gravitacionales, que son predichas por la Relatividad General. En el marco de la relatividad general, estas ondas corresponden a partículas con masa en reposo cero: los gravitones. ¿Es posible construir una teoría de la gravedad en la que el gravitón tenga masa en reposo distinta de cero? ¿Por qué no, si tal teoría en el límite de campo bajo y el límite de bajas velocidades coincide con la relatividad general y satisface sus pruebas? La historia de estas teorías comienza con la gravedad masiva, propuesta por los teóricos suizos Markus Fierz (1912-2006) y Wolfgang Pauli en 1939.

Desde entonces, han aparecido con mayor o menos regularidad variantes de tales teorías. Recientemente, el interés en ellos ha aumentado a medida que surgen variantes de la gravedad masiva en teorías fundamentales como la teoría de supercuerdas. En algunos modelos con branas, es preferible el gravitón masivo. Las teorías masivas de la gravedad son en cierto sentido una especie de teorías bimétricas: característica común es que un campo tensorial dinámico se propaga en un espacio-tiempo fijo, que, por regla general, fundamentalmente observable. Por lo general, en el límite, cuando la masa del gravitón tiende a cero, estas teorías pasan a la relatividad general. Si en el límite de los campos débiles y las velocidades bajas coinciden con la relatividad general, entonces en los campos fuertes y en escalas cosmológicas divergen de la relatividad general, lo que sugiere otros efectos. Por ejemplo, puede resultar que en lugar de soluciones para agujeros negros, aparezcan soluciones para singularidades sin horizontes (“singularidades desnudas”), y en lugar de un universo en expansión, aparezcan universos oscilantes.

Todavía no es posible verificar directamente la fiabilidad de estas predicciones; esto sigue siendo objeto de más investigaciones. Hasta ahora, las teorías de la gravedad masiva han tenido un defecto común: sus soluciones producen ciertos estados con energía negativa. Estos estados se llaman “espíritus”; no pueden explicarse dentro del marco de conceptos razonables y, por tanto, son indeseables. Sin embargo, recientemente han aparecido variantes de gravedad masiva sin "espíritus".

ley de newton

La ley de la gravitación universal después.
El debate en la tercera lectura fue
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Probando la ley de Newton. Comprender la ley de Newton sigue desempeñando un papel muy importante en la comprensión del concepto de gravedad en general. ¿Cómo podemos comprobar en condiciones de laboratorio si vivimos en una brana (o en algún otro mundo multidimensional), aunque no podamos “salir” a una dimensión adicional? Recordemos que la gravedad, a diferencia de otras interacciones, se extiende en las cinco dimensiones. Para utilizar este hecho, analicemos el significado geométrico de la ley de Newton. Como recordamos, afirma que la fuerza de interacción gravitacional cae en proporción inversa al cuadrado de la distancia ~ 1/ r 2. Ahora recordemos una imagen de un libro de texto de física escolar, donde la acción de una fuerza se describe mediante líneas de fuerza. En esta imagen, la fuerza a una distancia dada r determinado por la densidad líneas eléctricas, “perforando” una esfera de radio r: Cuanto mayor es el área de la esfera, menor es la densidad de líneas y, en consecuencia, la fuerza. Y el área de una esfera es proporcional r 2, de donde se sigue directamente la dependencia de la distancia en la ley de Newton. Pero esto es en un espacio tridimensional, donde el área de la esfera es proporcional. r 2! En el espacio de 4 dimensiones, el área de la esfera circundante será proporcional r 3 y, en consecuencia, la ley de Newton cambiará: la fuerza de interacción gravitacional caerá inversamente proporcional al cubo de la distancia ~ 1/ r 3, etc

Si la ley del cubo inverso hubiera tenido lugar a escala del Sistema Solar, entonces está claro que habría sido formulada por Newton. Esto significa que debemos buscarlo a pequeña escala. Al mismo tiempo, probar la ley de Newton también es importante para algunas teorías multidimensionales prometedoras, donde las dimensiones adicionales están compactadas (colapsadas) y sus tamaños, por supuesto, son más pequeños que los planetarios. Sin embargo, pueden alcanzar decenas de micrómetros. Cuando Randall y Sundrum propusieron por primera vez su teoría, la ley de Newton sólo había sido probada en escalas de metros. Desde entonces, los científicos han realizado experimentos muy complejos (debido a la debilidad de la gravedad) con pequeñas balanzas de torsión, y ahora los límites del laboratorio se han reducido significativamente y se acercan al tamaño de la compactación.

Las mediciones modernas han establecido que el tamaño de la dimensión adicional no supera las 50 micrones. En escalas más pequeñas, la ley del cuadrado inverso puede no cumplirse. En la figura. La figura 12.5 muestra un diagrama de una balanza de torsión para probar la ley del cuadrado inverso de Newton. El dispositivo en sí se coloca en un matraz de vacío, cuidadosamente aislado del ruido y equipado con modernos sistema electrónico detección de desplazamiento.

Está claro que este tipo de experimento está plagado de enormes dificultades tecnológicas, y un mayor progreso está asociado con la realización del experimento en el espacio. El hecho es que pequeñas correcciones de la ley de Newton también conducen a un desplazamiento calculado del perihelio planetario (junto con el de Einstein). El alcance del láser de la Luna confirmó el desplazamiento de Einstein con una precisión de 10 a 11 radianes por siglo. Pero en el siguiente orden puede manifestarse el efecto de algunos modelos multidimensionales.

Los primeros intentos de encontrar un lugar así se llevaron a cabo a principios de los años 60 por investigadores estadounidenses y soviéticos. Pero el rayo láser se dispersó fuertemente por la superficie y la precisión de la medición fue baja, hasta varios cientos de metros. La situación cambió mucho después de que las misiones estadounidense Apolo y soviética Luna entregaran reflectores angulares a la Luna, que todavía se utilizan en la actualidad (desafortunadamente, el programa lunar soviético fue cancelado en 1983).

¿Cómo sucede esto? El láser envía una señal a través de un telescopio dirigido a un reflector y se registra el momento exacto en que se emitió la señal. El área del haz de la señal en la superficie lunar es de 25 km 2 (el área de los reflectores de las esquinas es de aproximadamente 1 m 2). La luz reflejada por el instrumento en la Luna regresa al telescopio en aproximadamente un segundo y luego tarda unos 30 picosegundos. El tiempo de viaje del fotón permite determinar la distancia, y esto ahora se hace con una precisión de unos dos centímetros, a veces la precisión alcanza varios milímetros. ¡Y esto está a una distancia entre la Tierra y la Luna de 384.500 km!

Dinámica newtoniana modificada (MOND). Pero la ley de Newton puede violarse en escalas significativamente mayores que los sistemas planetarios. Los movimientos y rotaciones anómalos en los sistemas estelares "provocaron" la búsqueda de "materia oscura", en la que están inmersas galaxias, cúmulos de galaxias, etc.

¿Qué pasa si se viola la propia ley de Newton en estas escalas? La teoría MOND original fue desarrollada por el físico israelí Mordechai Milgrom en 1983 como una alternativa a la "materia oscura". Según esta teoría, las desviaciones de la ley del cuadrado inverso de Newton deben observarse con una determinada aceleración y no a una determinada distancia (recuerde la teoría de Horzava, donde la ley de Newton cambia debido a la influencia de las velocidades).

MOND explica con éxito los movimientos observados en las galaxias. Esta teoría también muestra por qué las desviaciones del patrón de rotación esperado son mayores en las galaxias enanas.

Desventajas de la teoría original:

1) no incluye efectos relativistas como STR o GTR;
2) se violan las leyes de conservación de la energía, el momento y el momento angular;
3) internamente contradictorio, ya que predice diferentes órbitas galácticas para el gas y las estrellas;
4) no permite calcular las lentes gravitacionales de los cúmulos de galaxias.

Todo esto provocó una mejora significativa adicional: con la inclusión de campos escalares, la reducción a una forma relativista, etc. Cada cambio, eliminando una objeción, provocó otra; aún no hay una teoría completa, pero los investigadores no pierden el optimismo;

Anomalía "Pioneros". Las estaciones interplanetarias automáticas Pioneer 10 y Pioneer 11 se lanzaron en 1972 y 1973 para estudiar Júpiter y Saturno. Cumplieron plenamente su misión de acercarse a estos planetas y transmitir datos sobre ellos, como dicen, de primera mano. Última señal del Pioneer-10 se recibió a principios de 2003, después de más de treinta años de funcionamiento continuo. En ese momento, la nave espacial ya se encontraba a 12 mil millones de kilómetros del Sol. En la figura. 12.6 muestra una fotografía del aparato Pioneer-10.

Lo sorprendente fue el hecho de que tan pronto como los Pioneros pasaron la órbita de Urano (alrededor de 1980), la gente en la Tierra comenzó a notar que la frecuencia de las señales de radio enviadas por los dispositivos se estaba desplazando hacia la parte del espectro de onda corta. lo cual no debería ser así si su movimiento corresponde a la dinámica newtoniana (la influencia de los efectos relativistas de la relatividad general a tal distancia del Sol y los planetas es mucho más débil).

Desde un punto de vista cotidiano, el efecto, por supuesto, parece trivial: es 10 mil millones de veces menor que la aceleración que experimentamos debido al campo gravitacional de la Tierra. ¡Pero supera significativamente los efectos relativistas de la relatividad general! Las explicaciones más comunes para este misterioso fenómeno podrían ser, por ejemplo, la fuga de combustible gaseoso residual de los motores de bajo empuje, el frenado sobre el polvo cósmico, etc. Pero estos efectos son temporales y la anomalía se mantiene estable desde hace más de 20 años. .

Algunos científicos se han preguntado si la anomalía de Pioneer podría ser generada por factores hasta ahora desconocidos que actúan sólo fuera del sistema solar (un cambio en la ley de Newton). Incluso se consideraron modelos que involucran antimateria, materia oscura y energía oscura.

El físico noruego Kjell Tangen analizó exhaustivamente la situación y llegó a la conclusión de que ninguna de las modificaciones conocidas de la ley de la gravedad puede describir la anomalía. De hecho, estos cambios no deberían conducir a un cambio en la descripción del movimiento de los planetas exteriores del Sistema Solar. Así, al cambiar la ley de Newton, Tangen inevitablemente obtuvo resultados incorrectos al describir el movimiento de Urano y Plutón.

El misterio de los "Pioneros" se resolvió recientemente como resultado de 20 años de trabajo del grupo de Vyacheslav Turyshev, un graduado de la SAI MSU, que ahora trabaja en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en Pasadena. En distintos momentos, el grupo contaba con entre 20 y 80 empleados. Hace relativamente poco tiempo fue posible descifrar suficientemente los datos adicionales milagrosamente conservados de los Pioneros, que antes eran inaccesibles debido a los formatos de archivos arcaicos y medios de información(cintas de cinta). Inicialmente se analizaron más de 20 factores que podrían provocar el efecto. El grupo tenía a su disposición una copia de los dispositivos gemelos almacenados en el museo: el tercer Pioneer, abandonado en la Tierra después de las pruebas previas al vuelo, que permitió seleccionar piezas de la más alta calidad para el espacio. Este dispositivo ha sido estudiado a fondo.

Uno a uno, por diversos motivos, los candidatos al efecto fueron rechazados. Finalmente solo queda uno posible razón, que ha sido estudiado con pasión. El dispositivo es antena parabólica para comunicación con un diámetro de unos 3 metros, equipado con equipos colocados en una caja varios tamaño más pequeño. El equipo dura tanto gracias a la energía del elemento atómico colocado también en esta caja. Como resultado, la caja se calienta. La antena siempre está orientada hacia la Tierra, de modo que la caja queda detrás de ella.

El grupo de Turyshev compiló un mapa informático de la distribución del calor en todo el aparato. Resultó que la parte trasera del dispositivo (en el lado opuesto de la Tierra) es un poco más cálida que la parte delantera. Es decir, más fotones energéticos salen del aparato en dirección opuesta a la Tierra que los que vuelan hacia la Tierra. De hecho, funciona el “motor de fotones”, que en este caso ralentiza el “vuelo” de los dispositivos del sistema solar. Los datos del cálculo concuerdan muy bien con los datos del efecto observado. La potencia de este “motor” es comparable a la potencia del “retroceso” de los faros de un coche, que además lo frena como un motor de fotones. Esta comparación figurativa la hizo el propio Turyshev.

Surgen preguntas. ¿Por qué se descubrió el efecto sólo después de 8 años? El hecho es que también existe un fenómeno como viento solar. Hasta que los dispositivos alcanzaron la órbita de Urano, su influencia prevaleció y la “anomalía” simplemente se hundió en ella. A mayor distancia, el efecto de la “anomalía” se hacía más fuerte que el efecto del viento y se descubrió. ¿Por qué se cree que la fuerza anómala se dirige hacia el Sol, ya que la antena está orientada hacia la Tierra? El hecho es que ya a una distancia de la órbita de Urano, órbita La Tierra se ve como un círculo en un pequeño rincón de la solución. En este caso, es imposible distinguir hacia dónde apunta la antena (a la Tierra, a otro punto de la órbita de la Tierra, al Sol); es aproximadamente lo mismo.

Resumamos. La anomalía de los "Pioneros" se explica por fenómenos simples y ordinarios y no es necesaria una revisión de la ley de Newton y de las teorías gravitacionales en general para explicarla.

¿Qué mejorará aún más la precisión de las observaciones?

La precisión se describe muy a menudo
sufre de inexactitud.
Dmitri Lijachev

Es muy importante comprobar constancia constantes fundamentales. Para ello, comparan diversas observaciones de los objetos más distantes del Universo con observaciones en el Sistema Solar, y estas se comparan con los resultados de experimentos de laboratorio en la Tierra e incluso con datos obtenidos en geología y paleontología. El análisis utiliza diferentes marcos temporales. s Las escalas, por un lado, están determinadas por la evolución cosmológica y astrofísica y, por el otro, basadas en estándares atómicos modernos. Además, se comparan fenómenos que dependen significativamente de estas constantes para diferentes épocas.

Para la gravedad, la constante gravitacional es primordialmente importante. Su significado exacto es necesario para determinar los parámetros de una determinada teoría alternativa o incluso para determinar su viabilidad (recordemos la teoría de Horzava). La constancia de los parámetros de las órbitas planetarias depende de la estabilidad de la constante gravitacional. Las investigaciones en el Sistema Solar han confirmado la invariabilidad de la constante gravitacional con una precisión relativa de 10 –13 a 10 –14 por año. Y la precisión de la medición mejora constantemente.

¿Qué importancia tiene la búsqueda de ondas gravitacionales a partir de fuentes astronómicas a la hora de construir una nueva teoría? En este sentido, es poco probable que el registro de ondas gravitacionales por sí solo proporcione mucha información de inmediato. Pero el hecho del registro finalmente confirmará la exactitud de la investigación moderna y será posible rechazar teorías completamente marginales. Sólo más tarde, cuando sea posible analizar los detalles de la radiación (como la polarización), será posible utilizarla para seleccionar o modificar teorías gravitacionales. La determinación de la velocidad de la radiación gravitacional también impondrá limitaciones a teorías alternativas, como la del gravitón masivo; etc.

¿Se necesita algún tipo de avance experimental para crear una nueva teoría o elegir entre las ya construidas? Sí, por supuesto, se necesitan datos empíricos nuevos y más precisos. Pero esto no debería considerarse un gran avance, sino más bien el resultado de esfuerzos constantes. La situación es la siguiente: en los últimos 100 años, la precisión de las mediciones ha aumentado entre 3 y 4 órdenes de magnitud. Las tecnologías modernas prometen acelerar significativamente el proceso. Según diversas estimaciones, se espera que en los próximos 25 a 30 años la precisión aumente otros 3 a 5 órdenes de magnitud. Y esto, según muchas previsiones, da todas las razones (y tratamos de demostrarlo), si no en los próximos años, sí en los próximos 10 a 20 años, para esperar descubrimientos sorprendentemente interesantes e importantes. Además, la mayoría de los investigadores creen que tal aumento en la precisión será suficiente para determinar una nueva teoría.

El profesor Erik Verlinde de la Universidad de Amsterdam ha desarrollado una nueva hipótesis sobre la gravedad. El científico publicó recientemente sus hallazgos en varias publicaciones científicas. Propuso la parte principal de la hipótesis en 2010. Su mensaje principal es que la gravedad no es una fuerza fundamental de la naturaleza, sino un fenómeno aleatorio.

Según Verlinde, la gravedad resulta de cambios en los bits maestros de información almacenados en la estructura misma del espacio y el tiempo. Sostiene que la gravedad se explica por una cierta diferencia en la densidad de entropía en el espacio entre dos cuerpos y en el espacio circundante. Así, explica la atracción de dos cuerpos macroscópicos por un aumento de la entropía total con una disminución de la distancia entre los cuerpos. En otras palabras, el sistema simplemente pasa a un macroestado más probable.

En su artículo de 2010, el científico mostró cómo la segunda ley de Newton puede explicar la caída de manzanas de un árbol o una órbita estable. satélite artificial La Tierra puede ser una manifestación particular de la interacción de estos bloques elementales de materia. “Las leyes de Newton no funcionan a nivel micro, pero sí a nivel de manzanas y planetas. Puedes comparar esto con la presión del gas. Las moléculas de gas por sí solas no crean presión, pero un cierto volumen de gas sí lo hace”, afirmó el científico en 2010. Según Verlinde, el comportamiento de las estrellas en las galaxias, que muchos científicos consideran incompatible con las ideas generalmente aceptadas sobre el espacio-tiempo, se puede explicar sin introducir un factor adicional como la materia oscura.

La materia oscura en astronomía y cosmología, así como en física teórica, es una forma hipotética de materia que no emite radiación electromagnética y no interactúa directamente con ella. Esta propiedad de esta forma de materia hace imposible su observación directa. La conclusión sobre la existencia de materia oscura se basó en numerosos signos, coherentes entre sí, pero indirectos, del comportamiento de los objetos astrofísicos y de los efectos gravitacionales que crean. Esclarecer la naturaleza de la materia oscura ayudará a resolver el problema de la masa oculta, que, en particular, se compone de forma anómala alta velocidad Rotación de las regiones exteriores de las galaxias.

El hecho es que las regiones exteriores de las galaxias giran alrededor de su centro mucho más rápido de lo que deberían. Los científicos han calculado hace mucho tiempo la velocidad de rotación de las galaxias si las estrellas, los planetas, las nebulosas, es decir, la materia visible es toda la materia que existe en el Universo. De hecho, algo está mejorando enormemente la gravedad, razón por la cual las regiones exteriores de la galaxia giran más rápido de lo que deberían. Para designar este "algo", los científicos han sugerido la posibilidad de la existencia de materia invisible, que, sin embargo, tiene un impacto significativo en todos los objetos de la parte visible del Universo. Además, según los cálculos, debería haber varias veces más materia oscura que materia ordinaria. Más precisamente, se cree que el 80% de la materia de nuestra parte visible del Universo es materia oscura.

Los primeros en realizar cálculos precisos y fiables que indicaban la existencia de materia oscura fueron los astrónomos Vera Rubin de la Carnegie Institution y Kent Ford. Los resultados de las mediciones mostraron que la mayoría de las estrellas en las galaxias espirales se mueven en órbita aproximadamente a la misma velocidad angular, lo que lleva a la idea de que la densidad de masa en las galaxias es la misma para aquellas regiones donde se encuentran la mayoría de las estrellas y para aquellas regiones (en el borde del disco) donde hay pocas estrellas.

A pesar de que la mayoría de los científicos aceptan la existencia de materia oscura, no existe evidencia directa de su existencia. Toda esta evidencia es circunstancial.

Según Erik Verlinde, todo se puede explicar sin añadir modelo moderno la existencia de un universo de materia misteriosa que no se puede detectar. Verlinde dice que su hipótesis ha sido probada y predice con precisión la velocidad de rotación de las estrellas alrededor del centro de nuestra galaxia, así como la velocidad de rotación de las regiones exteriores de otras galaxias alrededor de un centro común.

“La nueva visión de la teoría de la gravedad coincide con las observaciones de los científicos. "En general, la gravedad simplemente no se comporta tan bien a gran escala como predice la teoría de Einstein", dijo Verlinde.

A primera vista, los principios básicos de la hipótesis de Verlinde son similares a los de otras hipótesis, incluida la MOND (dinámica newtoniana modificada). Pero en realidad esto no es así: MOND simplemente modifica la teoría generalmente aceptada utilizando sus principios y disposiciones. Pero la hipótesis holandesa funciona con nuevos principios, el punto de partida es diferente.

La hipótesis encontró un lugar para el principio holográfico, formulado por la profesora Verlinde Gerard 't Hooft (premio Nobel en 1999) y el científico Leonard Susskind (Universidad de Stanford). Según este principio, toda la información del Universo se puede describir. como una esfera imaginaria gigante a su alrededor. La teoría en los límites de la región del espacio en estudio debería contener como máximo un grado de libertad por área de Planck. Verlinde sostiene que esta teoría no tiene en cuenta el hecho de que parte de la información se encuentra en ella. Nuestro universo no es sólo una proyección, es bastante real.

y este información adicional Precisamente esta es la razón de la rotación más rápida de las regiones exteriores de las galaxias en comparación con los valores calculados. La información real en nuestro Universo puede explicar un factor adicional más: la energía oscura, que ahora se cree generalmente que es razón principal expansión incesante del Universo. Además, como demostraron en 1998 los premios Nobel Saul Perlmutter, Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess, la tasa de expansión del Universo no es constante; como se pensaba anteriormente, esta tasa aumenta constantemente. La teoría generalmente aceptada es que la energía oscura representa aproximadamente el 70% del contenido del Universo, y los científicos están tratando de encontrar rastros de ella en la radiación de fondo de microondas.

El profesor afirma que muchos físicos están trabajando actualmente en la revisión de la teoría de la gravedad y que ya se han logrado algunos avances en este ámbito. Según el holandés, la ciencia está al borde de una revolución que puede cambiar las ideas de la gente sobre la naturaleza del espacio, el tiempo y la gravedad.

Al mismo tiempo, muchos físicos siguen creyendo que la energía y la materia oscuras son reales. Así, Sesandri Nadathur de la Universidad de Portsmouth (Reino Unido) publicó su trabajo el mes pasado en

esta impresora simple.
(Si quieres saber qué es “complicado”, lee o. Y también podrás encontrar al afortunado que tenga una impresora Solidoodle).

esta impresora barato.
Comparado con ¡Arriba! Más 2 por 83 mil rublos, Picaso, Ultimaker 2, Printbox3d, Replicatort 2 (que están disponibles en Moscú): más de 99 mil rublos.

esta impresora obras. No es necesario montarlo pieza a pieza, ya tiene todos los ajustes y drivers, todos los parámetros configurados, etc.
Solo necesita descargar el software del sitio web, cargar el modelo 3D, ingresar al nivel de plataforma y enviarlo a imprimir.

Esta es una impresora para aquellos que necesitan obtener prototipos/juguetes terminados de forma rápida y sencilla. Al estar cerrado, esto proporciona seguridad adicional (niños, mascotas).

Un lema atrevido en la caja.

Debajo del corte hay varias fotografías del contenido de la imprenta y comentarios breves.

TTX

Material utilizado para imprimir modelos.
Rosca de plástico ABS de 1,75 mm de diámetro, blanco/coloreado
Tamaño del espacio de trabajo
120 mm (ancho) x 120 mm (profundidad) x 120 mm (alto)
Espesor de capa
0,25/0,30/0,35 mm
Compatibilidad de software
Windows: Windows XP, Windows Vista, Windows 7; IMPERMEABLE.
Dimensiones y peso
240 mm (ancho) x 340 mm (profundidad) x 355 mm (alto); Peso - 6 kg
Requisitos de energía
100-240 V, 50-60 Hz, 220 W

La impresora imprime con plásticos ABS, PLA, Crystal Flex

Desde uno de situaciones comunes- deformación del modelo debido al "gradiente de temperatura" (léase: si sopló una corriente de aire, por un lado la pieza se enfrió y toda la estructura se deformó en 2-3 mm), entonces una de las soluciones es hacer una caja cerrada .
Esta impresora tiene una carcasa cerrada.
(Pero en realidad no es tan sencillo, ya que los motores que mueven la plataforma y el cabezal de impresión están ubicados dentro de la carcasa, y comienzan a fallar a temperaturas superiores a los 80 grados).
Un caso cerrado no resuelve todos los problemas, pero al menos resuelve este problema (bolsa de basura en una impresora 3D).

Apariencia

Vista lateral:

Vista trasera:

Botón con estilo:

Accesorios:

Bobina de plástico ABS original envasada al vacío. (700 gramos)

2 plataformas más, cable de alimentación, cable de datos, hexágonos, pasador para colgar la bobina, tubo para alimentación de plástico.

Unidad de potencia:

Como es habitual en las impresoras Up, la fuente de alimentación es enorme. 20V y 10A

Abrir la puerta

En esta foto se pueden ver "recordatorios": es necesario quitar los sujetadores de transporte; de ​​lo contrario, algunas personas los dejaron adentro y luego se quejaron de que la impresora estaba "golpeando".
También está claro que hay una característica de diseño de la plataforma: está sobre resortes y hay sujetadores en los lados.
(Por cierto, solo hay 1 perno para calibrar, los desarrolladores consideraron que esto era suficiente).

Plataforma instalada:

La plataforma no cae con ruido metálico, sino que desciende suavemente.
Esta foto muestra cómo se inserta la plataforma y cómo la sujetan las ranuras.

Cabezal de impresión:

Cabezal de impresión de 2 pines (retroiluminación y ventilador). Con divertidos cables de colores.

Iluminar desde el fondo:


Luz de fondo: para que puedas ver el proceso sin abrir la puerta.

Desatornille y mire el interior.

Electrónica:

Una placa con siniestros LED “Terminator” (muy similar a Up! Plus 2 en calidad, a diferencia de la versión anterior).

Marco:

Estructura de acero. Guías de doble eje. Se puede utilizar las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

Primer sello

Primero necesitas establecer la altura de la plataforma. Tarda 1 minuto.
A continuación, cargamos el modelo 3D y lo enviamos a imprimir.

Esta vez elegí "indio tribal" y configuré la velocidad de escritura al máximo.
El programa dio un tiempo de impresión esperado de 8 minutos.

Comience a imprimir:

Fin de impresión:

Impresión "bicolor":

Software

El software de la impresora se descarga desde el sitio web del fabricante (PP3DP.com), similar a UP! más 2

Hay 2 tipos de impresoras: las que utilizan “software abierto” y las que utilizan su propio software.
Ambos tienen sus ventajas.

software abierto afirma ser universal, la capacidad de mejorar el código usted mismo y la capacidad de configurar parámetros "9000". El software abierto otorga total libertad (con total responsabilidad) al usuario. Si eres fanático de las configuraciones con precisión de micrones y fracciones de grado, entonces esto es una bendición para ti. Pero puede insertar plástico de cualquier fabricante y obtener la temperatura de impresión óptima durante un período de tiempo.

Software propio del fabricante. garantiza el 100% de cumplimiento entre hardware y software. Además, el software del propio fabricante supone que el 95% de los parámetros del “9000” ya han sido ajustados por técnicos profesionales, y la empresa es responsable de ello (de alguna manera). El software del fabricante le permite evitar la instalación. programas adicionales, varias (decenas, cientos) horas de configuración, pero hace posible "descomprimir e imprimir" . No hace falta pensar en la forma del relleno y en el espesor mínimo de las paredes, porque... Hay ajustes preestablecidos probados por el fabricante. Con el software del fabricante es más difícil estropear una pieza impresa que con el “software abierto”. Las impresoras con software del fabricante cuentan con proveedores recomendados de consumibles (bobinas), los cuales están cubiertos por una “garantía” de que la impresora imprimirá de manera óptima con este material.
Sólo las personas pueden permitirse el lujo de desarrollar su propio software grandes empresas(sistemas 3d, Makerbot, PP3DP, etc.) o algunas startups que ponen especial énfasis en el software.

Contras

1. El espesor de la capa es de sólo 200 micras.
(¡Arriba! más 2 - 150 micrones, Replicador 2 - 100 micrones)

2. Superficie de impresión pequeña
120 mm (ancho) x 120 mm (profundidad) x 120 mm (alto) ¡ARRIBA! Impresora 3D Mini (44.900 rublos)
140 mm (ancho) x 140 mm (profundidad) x 135 mm (alto) ¡Arriba! más 2 (82.900 rublos)
285 mm (ancho) x 153 mm (profundidad) x 155 mm (alto) MakerBot Replicator 2 (115.000 rublos)
250 mm (ancho) x 200 mm (profundidad) x 200 mm (alto) ShareBot NG (129 000 rublos)

3. Falta de calibración automática

Pero estas desventajas no impiden que Minik imprima tales cosas.