Teoria campului gravitational

Relativitatea generală sau teoria relativității generale este teoria geometrică a gravitației,

publicată de Albert Einstein în 1916. Ea constituie descrierea gravitației în fizica modernă,

unifică teoria relativității restrânse cu legea gravitației universale a lui Newton, și descrie

gravitația ca o proprietate a geometriei spațiului și timpului (spațiu-timp). În particular, curbura

spațiu-timp este legată direct de masa-energia și impulsul materiei, respectiv a radiației.

Relația fundamentală a teoriei relativității generale este dată de ecuațiile de câmp ale lui

Einstein, un sistem de ecuații cu derivate parțiale.

Predicțiile relativității generale diferă semnificativ de cele ale fizicii clasice, mai ales în ce

privește structura mărimilor fizice:timpul, metrica spațiului fizic real, energia, dar și asupra

teoriei propagării luminii în spațiul fizic. Exemple de astfel de diferențe sunt dilatarea temporală

gravitațională, deplasarea spre roșu gravitațională a luminii, și întârzierea gravitațională.

Previziunile relativității generale au fost confirmate de observațiile empirice efectuate în toate

domeniile științelor experimentale. Deși relativitatea generală nu este singura teorie relativistă a

gravitației, ea reprezintă cea mai simplă teorie în acord cu datele experimentale. Totuși, teoria

nu oferă răspuns la câteva dileme teoretice, cea mai fundamentală dintre acestea fiind

modalitatea în care se poate unifica teoria gravitației generale cu legile mecanicii cuantice, care

să conducă la o teorie completă și consistentă cu ea însăși a gravitației cuantice.

Teoria lui Einstein are implicații astrofizice importante. Din ea decurge posibilitatea

existenței găurilor negre — regiuni ale Universului în care spațiul și timpul sunt distorsionate

într-o măsură atât de pronunțată, încât nimic, nici măcar lumina, nu mai pot emerge de acolo —

ca stare finală a evoluției stelelor masive. Există indicii că astfel de găuri negre stelare, precum și alte tipuri mai masive de găuri negre, sunt răspunzătoare pentru radiațiile intense emise de

unele tipuri de obiecte astronomice, cum ar fi nucleele galactice active sau microquasarii.

Curbura traiectoriei luminii sub efectul gravitației poate conduce la apariția de lentile

gravitaționale, prin care se văd pe cer mai multe imagini ale aceluiași obiect astronomic.

Relativitatea generală prezice existențaundelor gravitaționale, care au fost măsurate indirect. O

măsurare directă a acestora este scopul mai multor proiecte, între care și LIGO. În plus,

relativitatea generală stă la baza modelelor cosmologice actuale ale unui univers în expansiune.

Curând după publicarea în 1905 a teoriei relativită ț ii restrânse , Einstein a început să se

gândească la cum ar putea fi inclusă gravita ț ia  în noul context al mecanicii relativiste. Reflecțiile

sale l-au condus de la un simplu experiment imaginar, care implica un observator în cădere

liberă la principiul de echivalen ț ă  (legile fizicii pentru un observator în cădere liberă sunt cele ale

relativității restrânse) și de acolo la o teorie în care gravitația este descrisă într-un

limbaj geometric pur:[1] de la explorarea unor consecințe ale principiului de echivalență cum ar fi

influența gravitației și accelerației asupra propagării luminii, publicată în 1907[2] până la

principalele lucrări din anii 1911—1915, cu constatarea rolului geometriei diferențiale (cu

ajutorul fostului său coleg de facultate Marcel Grossmann) și o lungă căutare, cu multe ocolișuri și porniri pe piste false, a ecuațiilor de câmp care leagă geometria cu conținutul de masă-

energie al spațiu-timpului. În noiembrie 1915, aceste eforturi au culminat cu prezentarea de

către Einstein la Academia Prusacă de Ș tiin ț e  a ecua ț iilor lui Einstein , care descriu corect

modul în care cantitatea de materie prezentă într-o regiune a spațiului fizic determină geometria

spațiului și timpului

Încă din 1916, Schwarzschild a găsit o soluție a ecuațiilor de câmp ale lui Einstein, soluție cunoscută astăzi după numele acestuia, descriind o stare extremă a materiei, cunoscută sub numele de gaură neagră. În același an au fost făcuți primii pași către generalizarea soluției acestor ecuații, prin extinderea lor la obiecte încărcate electric, rezultând solu ț ia Reissner- Nordström.[4] În 1917, Einstein și-a aplicat teoria asupra universului în ansamblu. Totuși, în acord cu concepțiile unanim acceptate ale vremii, el a descris un univers static, pentru aceasta adăugând la ecuațiile originale un nou parametru, constanta cosmologică.[5] Când, în 1929, datorată lucrărilor lui Hubble și ale altora, a devenit clar că universul se extinde (și astfel este mai bine descris de soluțiile cosmologice cu extindere găsite deFriedmann în 1922), Lemaître a formulat prima versiune a modelelor big bang.

De-a lungul acestei perioade, relativitatea generală a rămas oarecum o curiozitate printre teoriile fizicii. Au existat dovezi că era preferabilă în raport cu descrierea anterioară a gravitației, cea datorată lui Newton: Einstein însuși arătase în 1915 că precesia periheliului planetei Mercur, inexplicabilă până la acea dată prin considerente de mecanică newtoniană, poate fi explicată prin noua sa teorie[7] O expediție din 1919, condusă de Eddington, care avea scopul de a face măsurători de mare precizie asupra paralaxei stelelor îndepărtate cu ocazia unei eclipse solare totale, a reușit să pună în evidență prin măsurători directe fenomenul curbării razelor luminoase, atunci când ele trec în vecinătatea Soarelui, în perfectă concordanță cu predicțiile relativității generale [8] (aducându-i imediat lui Einstein o faimă mondială[9]). În ciuda acestor confirmări timpurii, teoria a devenit o componentă importantă și unanim acceptată din cadrul fizicii teoretice și astrofizicii abia în perioada dintre 1960 și 1975, cunoscută astăzi ca Epoca de aur a relativității generale, devenind baza teoretică a existenței și descrierii găurilor negre, făcând posibilă și clarificarea deplină a aplicațiilor astrofizice ale acestora (quasari)[10]. În același timp, măsurători din ce în ce mai precise efectuate asupra sistemului solar au confirmat puterea de predicție a teoriei, iar cosmologia relativistă a devenit verificabilă prin teste direct observabile.