Genel görelilik, Merkür'ün fazladan devinimi sorununu nasıl çözer?
"Benim için dünyada bilimsel ilerlemeden daha yüksek bir onur yoktur." - Isaac Newton
Newton'un yerçekimi teorisi yaklaşık iki asırdır insan kozmolojisine hâkim olmuştur.Gökte veya dünyada Newton'un çözemeyeceği hiçbir şey yoktur. Ama Merkür'de takla.
Artık Einsteinın genel görelilik teorisinin Newtonun teorisini aştığını biliyoruz, çünkü Newton yasasını kullanırsak, Merkürün yörüngesinin deviniminin her yüzyılda düzeltilmesi zor olan küçük sapmalar olacaktır. Peki genel görelilik bu sorunu nasıl çözer? Çoğu zaman bu soruyu atlayacağız ama bugün ayrıntılı olarak konuşacağız, genel görelilik Newton kütlesinden daha güçlü nerede?
Yukarıdaki resimde, güneş sistemindeki her gezegenin güneşin etrafında döndüğünü görebiliriz. Daha doğrusu, gezegenin yörüngesi mükemmel bir daire değil, Kepler'in Newton'dan bir asır önce keşfetmiş olduğu bir elipstir. İç güneş sisteminde, Dünya ve Venüs'ün yörüngeleri bir daireye çok yakın, ancak Merkür ve Mars'ın yörüngeleri daha eliptik görünüyor ve yörüngeleri güneşin en yakın mesafesinden en uzak mesafeye çok farklı.
Özellikle, Merkür aphelion (güneşe en uzak nokta) günberi (güneşe en yakın nokta) göre% 46 daha büyükken, dünya arasındaki fark sadece% 3.4'tür. Yakın çemberin ne olduğunu, elipsin ne olduğunu görmek için bu yeterlidir.
Gezegenlerin yörüngelerinin neden farklı olduğuna gelince, bu çekim kuvvetinin güneşe olan uzaklıkla hiçbir ilgisi yoktur, sadece belirli yörüngeye neden olan gezegenlerin oluştuğu koşullardan kaynaklanmaktadır.
Kepler yasası güneş sisteminde kesinlikle mükemmelse, o zaman güneşin etrafında dönen bir gezegen mükemmel bir kapalı elipse dönecektir, yani gezegen bir konumda dönmeye başlar ve ardından bir devrimden sonra başa döner. s konumu. Başka bir deyişle, dünya günberi yönünde dönmeye başladığında, dünya bir yıl içinde yeniden günberi konumuna dönecektir. Dünyanın güneşe göre uzaydaki konumu bir önceki yıl ile tamamen aynıdır.
Ancak Kepler yasasının yalnızca matematiksel olarak mükemmel olduğunu ve mükemmelliğinin yalnızca niteliği olmayan kütle noktaları için geçerli olduğunu biliyoruz. Ancak güneş sistemi sadece kütleye sahip değil, aynı zamanda yörüngede bir gezegenin hareketine müdahale eden birçok gök cismi de var.
Bir gezegen güneşin yörüngesinde dolaşırken, çevresinde gezegenler, uydular, asteroitler ve benzeri başka büyük gök cisimleri vardır. Ek olarak, gezegenlerin ve güneşin kütleleri vardır, bu da gezegenlerin güneşin merkezinde değil, gezegen / güneş sisteminin kütle merkezinin etrafında döndüğü anlamına gelir. Son olarak, dünyamızın dönüşü kendi ekseni etrafında ilerleyecektir, bu da tropikal yılımızın (mevsimler ve takvim) ve yıldız yılımızın (dünyanın 360 ° devrimi) farklı olduğu anlamına gelir. Diğer bir deyişle, ilkbahar ekinoksu sürekli olarak batıya doğru hareket eder ve tropikal yıl, yıldız yılından her zaman 20 dakika 24 saniye daha kısadır Bu presesyondur.
Başka bir gezegenin yörüngesinin zamanla ne kadar değişeceğini tahmin etmek istiyorsak, yukarıdaki faktörlerin hepsini göz önünde bulundurmalıyız.
Birincisi, yıldız yılı ile tropikal yıl arasındaki fark küçüktür, ancak önemlidir: yıldız yılı tropikal yıldan 20 dakika 24 saniye daha uzundur. Bu, mevsimlerden, ekinokslardan ve gündönümlerinden bahsettiğimizde, bunun takvim yılı temelinde gerçekleştiği, ancak dünyanın günberi bu güneş terimlerine göre küçük değişikliklerin olduğu anlamına gelir. Bir daire 360 derecedir, yani bir yılın 1 Ocak tarihinden sonraki 1 Ocak tarihine kadar, dünya aslında yörüngesinde sadece 359,98604 derece dönmektedir, bu da (1 derecenin 60 (yay dakikası) olduğu anlamına gelir, 1 ark dakikası 60 "(ark saniye)) Dünyanın presesyon problemi nedeniyle, her gezegenin günberi her yüzyılda 5025" hızla hareket edecek.
Ancak aynı zamanda gezegen kütlesinin etkisi de dikkate alınmalıdır.
Her gezegen, göreceli mesafesine, kütlesine, yörünge yakınlığına ve gezegenin içinde veya dışında olmasına bağlı olarak, başka bir gezegenin hareketi üzerinde farklı bir etkiye sahip olacaktır. Merkür en içteki gezegendir ve muhtemelen hesaplanması en kolay gezegendir: tüm gezegenler Merkür'ün dışındadır, bu nedenle dış gezegenler Merkür'ün günberi ilerleyecektir. Aşağıdakiler, bu gezegenlerin etkileri, önemi azalmaktadır:
- Venüs, yüzyılda 277,9 inçtir.
- Jüpiter: Yüzyılda 153,6 ".
- Dünya: Yüzyıl başına 90,0 ".
- Satürn: Yüzyılda 7,3 ".
- Mars: Yüzyılda 2,5 ".
- Uranüs: Yüzyılda 0.14 ".
- Neptün: Yüzyılda 0.04 ".
Asteroitlerin ve Kuiper kuşağı nesnelerinin etkisi ve her yüzyılda 0,01 "veya daha az olan güneş ve gezegenlerin basıklığı (küresel olmayan) gibi başka etkiler de vardır, bu nedenle bunlar göz ardı edilebilir.
Sonuç olarak, bu etkiler, Merkürün her yüzyılda 532 "ilerleyen günberi kadar artıyor. Dünyanın deviniminin etkisini de eklersek, her yüzyılda 5557" ilerleme kaydetmiş oluyoruz. Ama gözlemlediğimiz şey şudur: Merkür'ün günberi, yüzyılda 5600 "hızla ilerliyor.
Gerçek devinim Newton'un tahmin ettiğinden daha büyük, öyleyse bu neden?
Dikkate alınması ve çözülmesi gereken ilk fikir, Merkür'ün içinde bilinmeyen bir gezegen olduğudur.Dönüş hızı nispeten hızlıdır ve yerçekiminin etkisiyle Merkür'e fazladan itme üretebilir veya güneşin koronası çok büyüktür; bunların ikisi de mümkündür. Gerekli ek yerçekimi etkisini üretecektir. Ancak güneşin koronası büyük değil ve sözde Vulkan yıldızı da yok!
İkinci fikir Simon Newcomb ve Asa Hall'dan geliyor: Newton'un ters kare yerçekimi yasasını başka bir yasa ile değiştirirsek, yani yerçekiminin Merkür'ü açıklayabilecek 2.0000001612 gücüne olan mesafeyle ters orantılı olduğunu düşünüyorlar. Ekstra devinim sorunu. Bunun anlamı, Newton'un yanlış olduğudur.Bugün bildiğimiz gibi, Newton'un yerçekimi denklemi değiştirilirse, ayın, Venüs'ün ve dünyanın yörüngelerini bozacaktır, bu yüzden bu imkansızdır.
Üçüncü fikir Henry Poincaré'den geldi; Einsteinın özel görelilik teorisini hesaba katarsak (Merkür güneşi ortalama 48 km / s hızında veya ışık hızının% 0,016 sında yörüngede dönüyor) Ama hepsi değil) eksik devinim.
Genel göreliliğe yol açan ikinci ve üçüncü düşüncelerin birleşimidir. Zaman ve mekan kavramı, Einstein'ın öğretmeni Herman Minkowski'den geldi Poincaré, bu kavramı Merkür'ün yörüngesi sorununa uyguladığında, bu sorunu çözmek için önemli bir adım attı. Newcomb ve Hall'un görüşü yanlış olsa da, yerçekiminin Newton'un Merkür yörüngesine ilişkin tahmininden daha güçlü olması durumunda, Merkür'ün anormal devinimini açıklayabileceğini gösteriyor.
Elbette, Einstein'ın harika fikri, maddenin / enerjinin varlığının uzayın bükülmesine neden olacağı ve bir nesne çok büyük bir nesneye ne kadar yakınsa, çekim kuvveti o kadar güçlü olacağıdır. Ve Newton'un yerçekimi teorisinin tahmininden sapma daha büyük.
Başka bir deyişle, büyük bir nesnenin yakınında veya güçlü bir çekim kuvvetinin önünde, nesnenin hissettiği yerçekimi kuvveti, Newton'un teorisinin öngördüğünden daha büyüktür. Bu, Newton'un teorisinin Merkür'ün değil, diğer gezegenlerin hareketlerini neden başarılı bir şekilde açıklayabildiğini açıklıyor. Çünkü Merkür güneşe en yakın olanıdır. Einstein'ın yerçekimi teorisi, Merkür'ün ekstra devinimini telafi ettikten sonra, olağanüstü bir tahmin yaptı.
Yani ışık güneş gibi muazzam bir gök cisiminden geçtiğinde bükülür.Bu tahmin nihayet Newton'un teorisinin mi yoksa Einstein'ın teorisinin mi doğru olduğunu test etmek için kullanılır.
Newton'un teorisi, yıldız ışığının güneşten geçerken hiç yön değiştirmeyeceğini öngörür, çünkü ışığın kütlesi yoktur. Fakat Einstein'ın E = mc ^ 2'ye göre ışığa bir kütle atarsak, o zaman Newton'un yerçekimi teorisine göre, ışık 0.87 "kadar sapacaktır. Ancak, Einstein'ın teorisi iki kez sapma verir: 1.75".
Bu sayılar küçüktür ve fark çok küçüktür, ancak 1919 güneş tutulması sırasında Arthur Eddington ve Andrew Cromerlin'in ortak araştırması, ışığın sapmasının Ein ile uyumlu olan 1,61 "± 0,30" olduğunu buldu. Stanin öngörüsü hata marjı içinde tutarlı ve Newtonun öngörüsü ile tutarsız.
Bu sadece Newton'un evrensel çekiminin değiştirilmesinin hikayesi değil, aynı zamanda Newton'un teorisindeki kusurların hikayesidir. O zamandan beri, genel görelilik pek çok tahmin zaferi elde etti ve henüz başarısız olmadı.
