النسبية العامة

قالب:مدخل

ملف:BBH gravitational lensing of gw150914.webm

محاكاة حاسوبية بالحركة البطيئة لنظام الثقوب السوداء الثنائي GW150914 كما يراه مراقِب مجاوِر، خلال آخر 0.33 ثانية من وجوده، حيث يندمج وينتهي. حقل النجوم خلف الثقوب السوداء يتشوه بشدة ويبدو أنه يدور ويتحرك، بسبب عدسة الجاذبية الشديدة، حيث يتشوه الزمكان نفسه ويُسحب من قِبل الثقوب السوداء الدوارة.

النسبية العامة

$G_{\mu \nu }+\mathrm{\Lambda }{g}_{\mu \nu }=\frac{8\pi G}{c^4}{T}_{\mu \nu }$

معادلات آينشتين للمجال

مقدمة تصييغ رياضياتي مصادر مفاهيم أساسية النسبية الخاصة مبدأ التكافؤ خط العالم · هندسة رينمانية ظواهر مسألة كبلر · عدسات · موجات سحب إطار · تأثير جيوديسي أفق الحدث · اتفرد ثقب أسود معادلات ثقالة خطية تصييغ بعد-نيوتيني وسيط معادلات آينشتين للمجال معادلات فريدمان تصييغ ادم تصييغ بي اس اس ان نظريات متقدمة نظرية كالوزا كلين ثقالة كمومية حلول تسوراتشيلد متري ريسنر-نوردستروم متري · غودل كير متري · كير نيومان متري كاسنر متري · فراغ توب-نت · نموذج ميلن · روبرتسون-ووكر متري زمكان موجة بيبي علماء آينشتين · مينويسكي · ايدنغستن لاميتر · سكارزتشايلد روبرتسن · كير · فريدمان تشاندراسيخار · هاوكنغ

النسبية العامة (تُعرف أيضًا باسم النظرية العامة للنسبية) هي النظرية الهندسية للجاذبية نشرها ألبرت أينشتاين سنة 1915 والوصف الحالي للجاذبية في الفيزياء الحديثة. تعمل النسبية العامة على تعميم النسبية الخاصة وتنقيح قانون الجذب العام لنيوتن، حيث تقدِّم وصفًا موحَّدًا للجاذبية كخاصية هندسية للمكان والزمن، أو الزمكان. وبشكل خاص، يرتبط انحناء الزمكان بشكل مباشر بالطاقة والزخم أيًا كانت المادة والإشعاع الموجودان. يتم تحديد العلاقة بواسطة معادلات حقل أينشتاين، وهو نظام من المعادلة التفاضلية الجزئية.

تختلف بعض تنبؤات النسبية العامة بشكل كبير عن تنبؤات الفيزياء الكلاسيكية، خاصةً فيما يتعلق بمرور الزمن، وهندسة المكان، وحركة الأجسام في السقوط الحُر، وانتشار الضوء. ومن بين الأمثلة على هذه الاختلافات، تمدد الزمن الثقالي، وعدسة الجاذبية، والانزياح الأحمر الجذبوي للضوء، والتأخير الزمني الثقالي. وقد تم تأكيد تنبؤات النسبية العامة فيما يتعلق بالفيزياء الكلاسيكية في كل عمليات الرصد والتجارب حتى الآن. على الرغم من أن النسبية العامة ليست النظرية النسبية الوحيدة للجاذبية، إلا أنها أبسط نظرية متسقة مع البيانات التجريبية. ورغم ذلك، تبقى الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها، والسؤال الأكثر أهمية هو كيف يمكن التوفيق بين النسبية العامة وقوانين فيزياء الكم لإنتاج نظرية كاملة ومتسقة ذاتيًا للجاذبية الكمية.

نظرية أينشتاين لها آثار مهمة في الفيزياء الفلكية؛ على سبيل المثال، هي تشير بقوة إلى وجود الثقوب السوداء - مناطق من الفضاء (المكان) يتم فيها تحريف المكان والزمن بطريقة لا يمكن لأي شيء حتى الضوء الهروب منها - كحالة نهائية للنجوم الضخمة. هناك أدلة كثيرة على أن الإشعاع الكثيف المنبعث من أنواع معينة من الأجرام الفلكية يرجع إلى الثقوب السوداء؛ على سبيل المثال، تنجم الكويزارات الدقيقة والنوى المجرية النشطة عن وجود ثقوب سوداء نجمية وثقوب سوداء فائقة، على التوالي. يمكن أن يؤدي انحناء الضوء بفعل الجاذبية إلى ظاهرة عدسة الجاذبية، التي تُظهر صورًا متعددة لنفس الجرم الفلكي البعيد في السماء. تنبأت النسبية العامة كذلك بوجود الموجات الثقالية، والتي تم رصدها بشكل مباشر من قِبل التعاون الفيزيائي ليجو. بالإضافة إلى ذلك، النسبية العامة هي أساس النماذج الكونية الحالية لكون يتوسع باستمرار.

التاريخ

ملف:Albert Einstein (Nobel).png

ألبرت أينشتاين مُطوِّر نظرية النسبية العامة، سنة 1921.

طالع أيضاً: تاريخ النسبية العامة

بعد وقت قصير من نشر النظرية الخاصة للنسبية سنة 1905، بدأ أينشتاين بالتفكير في كيفية دمج الجاذبية في إطاره النسبي الجديد. في سنة 1907، بدأ بتجربة فكرية بسيطة شارك فيها مراقِب في السقوط الحُر، شرع في ما سيكون بحث لمدة ثماني سنوات عن نظرية النسبية العامة. بعد العديد من الطرق الالتفافية والبدايات الخاطئة، بلغت أعماله ذروتها في العرض التقديمي للأكاديمية الپروسية للعلوم في نوڤمبر 1915 لما يُعرف الآن باسم معادلات حقل أينشتاين. هذه المعادلات تحدد كيف تتأثر هندسة المكان والزمن بأي مادة وإشعاع موجودان، وتُشكل نواة نظرية أينشتاين العامة للنسبية.قالب:Refn وفي القرن التاسع عشر كان الرياضياتي برنارد ريمان قد قدَّم الهندسة اللاإقليدية المسماة بالهندسة الريمانية، التي قدَّمت الإطار الرياضي الرئيسي الذي وافَق أينشتاين أفكاره الفيزيائية عن الجاذبية معه، ومكَّنه من تطوير النسبية العامة.

معادلات حقل أينشتاين غير خطية ويصعب حلها. اِستَخدم أينشتاين طرق التقريب في وضع التنبؤات الأولية للنظرية. ولكن في بدايات سنة 1916 وجد عالِم الفيزياء الفلكية كارل شڤاتسشيلت أول حل دقيق وغير طفيف لمعادلات حقل أينشتاين، هو مترية شڤاتسشيلت. وضع هذا الحل الأساس لوصف المراحل النهائية للانهيار التثاقلي، والأشياء المعروفة الآن باسم الثقوب السوداء. وفي نفس العام تم اتخاذ الخطوات الأولى نحو تعميم حل شڤاتسشيلت على الأجرام المشحونة كهربائيًا، وهو ما أدى في النهاية إلى حل رايسنر-نوردستروم، المرتبط الآن بالثقوب السوداء المشحونة كهربائيًا.قالب:Refn وفي سنة 1917 طبّق أينشتاين نظريته على الكون ككل، مُستَهِلًا مجال علم الكون النسبوي، وتماشيًا مع التفكير المعاصر اِفترض أن الكون ثابت، مضيفًا وسيطًا جديدًا إلى معادلات حقله الأصلية - الثابت الكوني - لكي تُطابق هذا الافتراض الرصدي.قالب:Refn ومع ذلك، فبحلول سنة 1929 أظهر عمل إدوين هابل وآخرين أن الكون يتوسع. وقد تم وصف هذا بسهولة من خلال الحلول الكونية المتوسعة التي وجدها ألكسندر فريدمان سنة 1922، والتي لا تتطلب ثابتًا فلكيًا. وقد اِستَخدم جورج لومتر هذه الحلول لصياغة النسخة الأولى من نماذج الانفجار العظيم، والتي تطور فيها كوننا من حالة مبكرة شديدة الحرارة والكثافة.قالب:Refn أعلن أينشتاين فيما بعد أن الثابت الكوني هو أكبر خطأ في حياته.قالب:Refn

خلال هذه الفترة، ظلت النسبية العامة مثيرة للفضول بين النظريات الفيزيائية، كانت متفوقة بشكل واضح على الجاذبية النيوتنية، كونها متسقة مع النسبية الخاصة وتفسر عدة تأثيرات غير مفسَّرة من قِبل الجاذبية النيوتنية. كان أينشتاين نفسه قد أظهر في سنة 1915 كيف شرحت نظريته التقدم الحضيضي الشاذ لكوكب عطارد دون أي معلمات اعتباطية (عوامل مراوِغة).قالب:Refn وبالمثل، أكدت بعثة استكشافية في سنة 1919 بقيادة أرثر إدينجتون تنبؤ النسبية العامة بانحراف ضوء النجوم بفعل الشمس أثناء الكسوف الكلي للشمس في 29 مايو 1919،قالب:Refn وهذا جعل أينشتاين مشهورًا على الفور.قالب:Refn ومع ذلك فقد دخلت النظرية التيار الرئيسي للفيزياء النظرية والفيزياء الفلكية فقط مع التطورات بين عامي 1960 و1975، والذي يُعرف الآن بالعصر الذهبي للنسبية العامة. وبدأ الفيزيائيون يفهمون مفهوم الثقب الأسود، وتحديد الكويزار كواحد من المظاهر الفيزيائية الفلكية لهذه الأجرام.قالب:Refn وأكدت اختبارات النظام الشمسي الأكثر دقة في أي وقت مضى القوة التنبؤية للنظرية، وأصبح علم الكون النسبوي، كذلك، متوافقًا مع اختبارات الرصد المباشِرة.قالب:Refn

على مر السنين، اكتسبت النسبية العامة سمعة كنظرية عن الجمال الاستثنائي.قالب:Refnقالب:Refnقالب:Refn ذكر سابرامانين تشاندراسخار أنه على مستويات متعددة تُظهر النسبية العامة ما أطلق عليه فرانسيس بيكون "الغرابة في النسبة" (أي العناصر التي تثير الدهشة والمفاجأة)، فهي تجمع بين المفاهيم الأساسية (المكان والزمن مقابل المادة والحركة) والتي كانت تُعتبر سابقًا مستقلة تمامًا. ذكر تشاندراسخار أيضًا أن أدلة أينشتاين الوحيدة في بحثه عن نظرية دقيقة كانت مبدأ التكافؤ واحساسه بأن الوصف الصحيح للجاذبية يجب أن يكون هندسيًا على أساسه، بحيث يكون هناك "عنصر الوحي" في الأسلوب الذي وصل له أينشتاين في نظريته.قالب:Refn العناصر الأخرى للجمال المرتبطة بالنظرية العامة للنسبية هي بساطتها وتناظرها وأسلوب دمجها للثبات والتوحيد واتساقها المنطقي المثالي.قالب:Refn

من الميكانيكا الكلاسيكية إلى النسبية العامة

يمكن فهم النسبية العامة من خلال دراسة أوجه التشابه والاختلافات بينها وبين الفيزياء الكلاسيكية. الخطوة الأولى هي إدراك أن الميكانيكا الكلاسيكية وقانون نيوتن للجاذبية يعترفان بالوصف الهندسي. الجمع بين هذا الوصف وقوانين النسبية الخاصة يؤدي إلى استنتاج إرشادي للنسبية العامة.قالب:Refn

هندسة الجاذبية النيوتنية

ملف:Elevator gravity.svg

وفقًا للنسبية العامة، الأشياء الموجودة في حقل الجاذبية تتصرف بشكل مشابه للأشياء الموجودة بداخل حاوية متسارعة. على سبيل المثال، سوف يرى مراقِب كرة تسقط بالطريقة نفسها في صاروخ (يسارًا) كما يحدث على الأرض (يمينًا)، شريطة أن يكون تسارع الصاروخ مساويًا لـ9.8\ث² (التسارع بسبب الجاذبية على سطح الأرض).

في قاعدة الميكانيكا الكلاسيكية يوجد مفهوم أن حركة الجسم يمكن وصفها بأنها مزيج من الحركة الحرة (أو القصور الذاتي)، والانحرافات من هذه الحركة الحرة. هذه الانحرافات تسببها قوة خارجية تعمل على جسم وفقًا لقانون نيوتن الثاني للحركة، الذي ينص على أن القوة الصافية التي تعمل على الجسم تساوي كتلة هذا الجسم (القصور الذاتي) مضروبة في تسارعها.قالب:Refn ترتبط حركات القصور الذاتي بهندسة الزمن والمكان: في الإطارات المرجعية القياسية للميكانيكا الكلاسيكية، تتحرك الأشياء في حركة حرة على طول الخطوط المستقيمة بسرعة ثابتة. وفي اللغة الحديثة، فإن مساراتها جيوديسية، خطوط العالم المستقيمة في الزمكان المنحني.قالب:Refn

وعلى العكس، قد يتم توقع أنه بمجرد تحديد الحركات بالقصور الذاتي من خلال مراقبة الحركات الفعلية للأجسام والسماح للقوى الخارجية (مثل الكهرومغناطيسية والاحتكاك)، بأنه يمكن استخدامها لتحديد هندسة المكان، وكذلك إحداثية الزمن. ولكن سيكون هناك التباس بمجرد أن تظهر الجاذبية، وفقًا لقانون نيوتن للجاذبية، والتحقق منه بشكل مستقل من خلال تجارب مثل تلك التي قام بها أوتڤوش وخلفاءه مثل تجربة أوتڤوش، فهناك شمولية السقوط الحر (معروفة أيضًا باسم مبدأ التكافؤ الضعيف، أو المساواة الشاملة بين القصور الذاتي وكتلة الجاذبية-السلبية): يعتمد مسار جسم الاختبار فقط على وضعه وسرعته الأولية، ولكن ليس على أي من خصائصه المادية.قالب:Refn يتم تجسيد نسخة مبسطة من هذا في تجربة مصعد أينشتاين، كما هو موضَّح في الرسم على اليسار: بالنسبة لمراقِب موجود في غرفة صغيرة مغلقة، من المستحيل أن يقرر عن طريق رسم مسار الأجسام مثل كرة مُسقَطة، ما إذا كانت الغرفة موجودة في حقل جاذبية أو في الفضاء الحر على متن صاروخ يتسارع بمعدَّل حقل الجاذبية.قالب:Refn

بالنظر إلى شمولية السقوط الحر، لا يوجد تمييز ملحوظ بين حركة القصور الذاتي والحركة تحت تأثير قوة الجاذبية. هذا يشير إلى فئة جديدة من القصور الذاتي، وهي عن السقوط الحر للأشياء تحت تأثير الجاذبية. هذه الفئة الجديدة من الحركات المفضلة تحدد أيضًا هندسة المكان والزمن؛ وفي المصطلحات الرياضية، هي الحركة الجيوديسية التي ترتبط باتصال معين والتي تعتمد على تدرج جهد التثاقل. أما المكان، في هذا البناء، فلا يزال لديه الهندسة الإقليدية العادية. ومع ذلك، الزمكان ككل هو أكثر تعقيدًا، كما هو مبَيَّن باستخدام تجارب فكرية بسيطة تتبع مسارات السقوط الحر لجسيمات الاختبار المختلفة، فإن نتيجة نقل متجهات الزمكان التي يمكن أن تدل على سرعة الجسيم (متجهات شبيه الزمن) ستختلف مع مسار الجسيم؛ ورياضيًا، فإن الاتصال النيوتني غير قابل للتكامل. ومِن هذا، يمكن استنتاج أن الزمكان هو منحني. إن نظرية نيوتن-كارتان الناتجة هي صياغة هندسية للجاذبية النيوتنية باستخدام مفاهيم متغايرة فقط، أي وصف صالح في أي نظام إحداثي مرغوب.قالب:Refn وفي هذا الوصف الهندسي ترتبط تأثيرات المد والجزر - التسارع النسبي للأجسام في السقوط الحر - بمشتق الاتصال، مما يوضح كيف أن الهندسة المعدَّلة سبَبها وجود الكتلة.قالب:Refn

التعميم النسبي

ملف:Light cone ar.svg

مخروط ضوئي.

على الرغم من أن الهندسة النيوتنية مثيرة للاهتمام، فإن أساسها الذي هو الميكانيكا الكلاسيكية، مجرد حالة حدية للميكانيكا النسبية (الخاصة).قالب:Refn وبلغة التناظر: حيث يمكن إهمال الجاذبية، تكون الفيزياء لا متغيرة لورينتز كما في النسبية الخاصة بدلًا من لا متغيرة جاليلي كما في الميكانيكا الكلاسيكية. (التناظر المحدد للنسبية الخاصة هو زمرة پوانكاريه، الذي يشمل الترجمات والدورانات والدفعات). تصبح الاختلافات بين الاثنين مهمة عند التعامل مع السرعات التي تقترب من سرعة الضوء، ومع الظواهر ذات الطاقة العالية.قالب:Refn

ومع تناظر لورينتز تدخل البنيات الإضافية اللعبة. يتم تعريفها من خلال مجموعة من المخاريط الضوئية (انظر الصورة)، تحدد المخاريط الضوئية بنية سببية: لكل حدث A، هناك مجموعة من الأحداث التي - من حيث المبدأ - إما أن تؤثر أو أن تتأثر بالـ A عبر إشارات أو تفاعلات لا تحتاج إلى السفر أسرع من الضوء (مثل الحدث B)، ومجموعة من الأحداث حيث يكون مثل هذا التأثير مستحيلًا (مثل الحدث C). هذه المجموعات مستقلة عن المراقِب.قالب:Refn وبالاقتران مع الخطوط العالمية للجسيمات المتساقطة سقوطًا حرًا، يمكن استخدام المخاريط الضوئية لإعادة بناء مترية الزمن-المكان شبه الريمانية، على الأقل حتى عامل قياسي إيجابي. وفي المصطلحات الرياضية، هذا يحدد بنية متوازيةقالب:Refn أو هندسة متوازية.

يتم تعريف النسبية الخاصة في غياب الجاذبية، لذلك فبالنسبة للطبيقات العملية هي نموذج مناسب كلما أمكن إهمال الجاذبية. فعند وضع الجاذبية في الاعتبار، وافتراض شمولية السقوط الحر؛ ينطبق المنطق المماثل كما في القِسم السابق: لا يوجد إطار مرجعي قصوري شامل، وبدلًا من ذلك هناك إطارات قصورية تقريبية تتحرك جنبًا إلى جنب مع الجسيمات المتساقطة سقوطًا حرًا. وبالترجمة إلى لغة الزمكان: الخطوط المستقيمة لشبيه الزمن التي تحدد الإطار القصوري الخالي من الجاذبية تتشوه إلى خطوط منحنية بالنسبة لبعضها البعض، مما يشير إلى أن تضمين الجاذبية يستلزم تغييرًا في هندسة الزمكان.قالب:Refn

في البداية، ليس واضحًا ما إذا كانت الإطارات المحلية الجديدة في السقوط الحر تتزامن مع الأطر المرجعية التي تسري عليها قوانين النسبية الخاصة؛ هذه النظرية مبنية على انتشار الضوء، وبالتالي على الكهرومغناطيسية، التي يمكن أن يكون لها مجموعة مختلفة مع الإطارات المفضلة. ولكن باستخدام افتراضات مختلفة حول أطر النسبية الخاصة (مثل كونها ثابتة على الأرض، أو في السقوط الحر)، يمكن استنتاج تنبؤات مختلفة عن الانزياح الأحمر الجذبوي، أي الطريقة التي يتحول بها انتشار الضوء عبر حقل الجاذبية (انظر أدناه). وتشير القياسات الفعلية إلى أن أطر السقوط الحر هي تلك التي ينتشر فيها الضوء كما يحدث في النسبية الخاصة.قالب:Refn يُعرف تعميم هذا البيان، أي أن قوانين النسبية الخاصة لها تقدير تقريبي في أطر السقوط الحر المرجعية (وغير الدورية) بمبدأ تكافؤ أينشتاين، وهو مبدأ توجيهي حاسم لتعميم فيزياء النسبية الخاصة لكي تشمل الجاذبية.قالب:Refn

تُظهر البيانات التجريبية نفسها أن الزمن كما يُقاس بواسطة الساعات الموجودة في حقل الجاذبية - الزمن المُحقَّق، لإعطاء المصطلح التقني - لا يتبع قواعد النسبية الخاصة. وفي لغة هندسة الزمكان لا يتم قياسه بواسطة مترية مينكوفسكي. وكما في الحالة النيوتنية، هذا يوحي بوجود هندسة أكثر عمومية. وفي المقاييس الصغيرة، جميع الأطر المرجعية الموجودة في السقوط الحر هي متكافئة، ومينكوفسكية تقريبًا. وبالتالي، نحن نتعامل الآن مع تعميم منحني لمكان مينكوفسكي. إن الموتر المتري الذي يحدد الشكل الهندسي - بشكل خاص، كيف يتم قياس الأطوال والزوايا - ليس مترية مينكوفسكي الخاصة بالنسبية الخاصة، وإنما هو تعميم يُعرف بمترية ريمانية زائفة أو شبه زائفة. بالإضافة إلى ذلك، ترتبط كل مترية ريمانية بنوع معين من الاتصال بشكل طبيعي، اتصال ليڤي-سيڤيتا هو في الواقع الاتصال الذي يرضي مبدأ التكافؤ ويجعل المكان مينكوفسكيًا محليًا (أي في الإحداثيات القصورية الذاتية المحلية المناسِبة، المترية هي مينكوفسكية، وتختفي مشتقاتها الجزئية الأولى ومعاملات الاتصال).قالب:Refn

معادلات أينشتاين

طالع أيضاً: معادلات حقل أينشتاين ورياضيات النسبية العامة

وبصياغة النسبوية، وهي النسخة الهندسية لتأثيرات الجاذبية، تبقى مسألة مصدر الجاذبية. ففي الجاذبية النيوتنية المصدر هو الكتلة. وفي النسبية الخاصة تصبح الكتلة جزءًا من كمية أكثر عمومية تسمى موتر الإجهاد-الزخم، الذي يشمل كل من كثافة الطاقة والزخم وكذلك الإجهاد: الضغط والقص.قالب:Refn وباستخدام مبدأ التكافؤ، يتم تعميم هذا الموتر بسهولة على الزمكان المنحني. وبالاعتماد أكثر على مزيد من التشابه مع الجاذبية النيوتنية الهندسية، من الطبيعي أن نفترض أن معادلة الحقل للجاذبية ترتبط بهذا الموتر وموتر ريتشي، الذي يصف فئة معينة من تأثيرات المد والجزر: التغير في الحجم لسحابة صغيرة من جسيمات الاختبار التي هي في راحة في البداية، ثم تسقط سقوطًا حرًا. في النسبية الخاصة، يتوافق حفظ الطاقة مع القول بأن موتر زخم الطاقة خالٍ من التباعد. هذه الصيغة يتم تعميمها أيضًا بسهولة للزمكان المنحني من خلال استبدال المشتقات الجزئية بنظيراتها متعددة الشعب المنحنية، المشتقات المتغايرة التي دُرست في الهندسة التفاضلية. مع هذا الوضع الإضافي؛ وهو التباعد المتغاير لموتر الإجهاد-الزخم، ومن ثم أيًا كان على الجانب الآخر من المعادلة، فهو صفر؛ أبسط مجموعة من المعادلات هي التي تُسمى معادلات (حقل) أينشتاين:

قالب:Equation box 1

على الجانب الأيسر موتر أينشتاين، وهو مزيج محدد من موتر ريتشي $R_{\mu \nu }$ خالٍ من التباعد والمترية. حيث أن $G_{\mu \nu }$ متناظر، بشكل خاص.

$R=g^{\mu \nu }{R}_{\mu \nu }$

هو سلم الانحناء. موتر ريتشي نفسه مرتبط بعموم موتر انحناء ريمان:

$R_{\mu \nu }={R^{\alpha }}_{\mu \alpha \nu }.$

على الجانب الأيمن، $T_{\mu \nu }$ هو موتر الاجهاد-الزخم. كل الموترات مكتوبة بترميز فهرسي مختصر.قالب:Refn بمطابقة تنبؤ النظرية بالنتائج المرصودة للمدارات الكوكبية، أو بشكل مكافئ، مع ضمان أن حد الجاذبية المنخفض والسرعة المنخفضة هو الميكانيكا النيوتنية، يمكن تثبيت ثابت التناسب كـ κ = 8πG/c⁴ مع G هو ثابت الجاذبية وc هي سرعة الضوء.قالب:Refn عندما لا تكون هناك مادة حاضرة، فإن موتر الطاقة-الزخم يختفي، النتائج هي معادلات أينشتاين الفراغية،

$R_{\mu \nu }=0.$

بدائل النسبية العامة

هناك بدائل للنسبية العامة مبنية على نفس الأسس، والتي تشمل قواعد و\أو قيود إضافية، تؤدي إلى معادلات حقل مختلفة. من الأمثلة: نظرية برانز-ديك وجاذبية f(R) ونظرية وايتهيد ونظرية أينشتاين-كارتان.قالب:Refn

التعريف والتطبيقات الأساسية

طالع أيضاً: رياضيات النسبية العامة

يحتوي الاستنتاج المبيَّن في القسم السابق على جميع المعلومات اللازمة لتحديد النسبية العامة، ووصف خصائصها الرئيسية، ومعالجة مسألة ذات أهمية حاسمة في الفيزياء، وهي كيف يمكن استخدام النظرية في بناء نموذج.

التعريف والخصائص الأساسية

النسبية العامة هي نظرية مترية للتجاذب. وتتواجد معادلات أينشتاين في جوهرها، التي تصف العلاقة بين هندسة متعدد الشعب الريماني الزائف ثلاثي الأبعاد الذي يمثل الزمكان، والإجهاد-الزخم المحتوى في ذلك الزمكان.قالب:Refn الظاهرة التي تعود إلى حركة قوة الجاذبية في الميكانيكا الكلاسيكية (مثل السقوط الحر، والحركة المدارية، ومسارات المركبات الفضائية)، تتوافق مع حركة القصور الذاتي داخل الهندسة المنحنية للزمكان في النسبية العامة؛ لا توجد قوة جذبوية تشوه الأشياء من مساراتها الطبيعية المستقيمة. وبدلًا من ذلك، تتوافق الجاذبية مع التغيُّرات في خصائص المكان والزمن، التي بدورها تُغيِّر أكثر المسارات استقامة ممكنة التي تتبعها الأشياء بشكل طبيعي.قالب:Refn الانحناء بدوره يحدث بسبب الإجهاد-الزخم للمادة. وبإعادة الصياغة للنسبوي چون أرتشيبالد ويلر، الزمكان يخبر المادة كيف تتحرك؛ والمادة تخبر الزمكان كيف ينحني.قالب:Refn

في حين أن النسبية العامة تحل محل الامكانات الجذبوية السلمية للفيزياء الكلاسيكية من خلال موتر متناظر من الرتبة الثانية، فإن الأخيرة تتناقص إلى سابقتها في بعض الحالات المحدَّدة. وبالنسبة لحقول الجاذبية الضعيفة والسرعة البطيئة بالنسبة لسرعة الضوء، تتقارب تنبؤات النظرية مع تلك الخاصة بقانون الجاذبية العام لنيوتن.قالب:Refn

خلال بنائها باستخدام الموترات، تُظهر النسبية العامة التغاير العام: قوانينها - وقوانين إضافية صيغت في الإطار النسبي العام - تتخذ نفس الشكل في جميع الأنظمة الإحداثية.قالب:Refn بالإضافة إلى ذلك، لا تحتوي النظرية على أي بنية خلفية هندسية ثابتة، بمعنى أنها مستقلة الخلفية. وهي بالتالي تفي بمبدأ النسبية العام الأكثر صرامة، وهو أن قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع المراقِبين.قالب:Refn ومحليًا، كما في مبدأ التكافؤ، الزمكان هو مينكوفسكي، وقوانين الفيزياء تعرض تناظر لورينتز المحلي.قالب:Refn

بناء النموذج

إن المفهوم الجوهري لبناء النموذج النسبوي العام هو حل معادلات أينشتاين. بالنظر لكل من معادلات أينشتاين والمعادلات المناسبة لخصائص المادة، حلول كهذه تتكون من مجموعة متعدد الشعب شبه ريمانية (عادةً ما يتم تحديدها من خلال إعطاء المترية في إحداثيات محدَّدة) وحقول المادة المحددة مُعرَّفة في هذا التعدد. المادة والهندسة لا بد أن تُرضِيا معادلات أينشتاين، لذلك على وجه الخصوص، يجب أن يكون موتر-الاجهاد-الزخم خاليًا من التباعد. كما يجب أن ترضي المادة أيضًا بالطبع أي معادلات إضافية تم فرضها على خصائصها. باختصار، حلًا كهذا هو كون نموذجي يرضي قوانين النسبية العامة، وربما قوانين إضافية تحكم أي مادة أيًا كانت قد تكون موجودة.قالب:Refn

معادلات أينشتاين هي معادلات تفاضلية جزئية غير خطية، ولهذا يصعب حلها بدقة.قالب:Refn ومع ذلك، هناك عدد من الحلول الدقيقة معروفة، على الرغم من أن القليل منها فقط له تطبيقات فيزيائية مباشرة.قالب:Refn أفضل الحلول الدقيقة المعروفة، وأيضًا الأكثر إثارة للاهتمام من وجهة نظر الفيزياء، هي حل شڤاتسشيلت وحل ريزنر-نوردستروم ومترية كير، كل منها يتناظر مع نوع معين من الثقوب السوداء في كون فارغ بطريقة مختلفة،قالب:Refn وفريدمان-لوميتر-روبرتسون-ووكر وكون دي سيتر، كل منها يصف كونًا متوسعًا.قالب:Refn تشمل الحلول الدقيقة ذات الاهتمام النظري الكبير كون جودِل (الذي يفتح الإمكانية المثيرة للاهتمام للسفر عبر الزمن في زمكانات منحنية) وحل تاب-نوت (نموذج لكون متجانس، لكنه متباين الخواص)، ومكان دي سيتر المضاد (الذي أصبح بارزًا مؤخرًا في سياق ما يسمى بحدسية مالداسينا).قالب:Refn

نظرًا لصعوبة إيجاد حلول دقيقة، يتم حل معادلات حقل أينشتاين أيضًا بشكل متكرر من خلال التكامل العددي بواسطة الكمپيوتر، أو من خلال النظر في الاضطرابات الصغيرة للحلول الدقيقة. وفي مجال النسبية العددية، يتم استخدام كمپيوترات قوية لمحاكاة هندسة الزمكان وحل معادلات أينشتاين في المواقف المثيرة للاهتمام مثل تصادم ثقبين أسودين.قالب:Refn من حيث المبدأ، هذه الأساليب قد تطبَّق على أي نظام، مع توفير مراجع كافية للكمپيوتر، وقد تعالِج مسائل أساسية مثل التفردات المجردة. يمكن إيجاد حلول تقريبية أيضًا من خلال نظريات الاضطراب مثل الجاذبية الخطيةقالب:Refn وتعميمها، في توسع ما بعد نيوتن، وكلاهما تم تطويرهما من قِبل أينشتاين. توفر هذه الأخيرة منهجية منظَّمة لحل هندسة الزمكان الذي يحتوي على توزيع للمادة التي تتحرك ببطء مقارنةً مع سرعة الضوء. التوسع يتضمن أيضًا سلسلة من الشروط؛ المصطلحات الأولى تمثل الجاذبية النيوتنية، بينما تمثل المصطلحات اللاحقة تصحيحات أصغر لنظرية نيوتن بسبب النسبية العامة.قالب:Refn الامتداد لهذا التوسع هو توسيط شكلية ما بعد النيوتنية، والذي يسمح بإجراء مقارنات كمية بين تنبؤات النسبية العامة والنظريات البديلة.قالب:Refn

عواقب نظرية أينشتاين

النسبية العامة لها عدد من العواقب الفيزيائية، بعضها تبعها مباشرةً من البديهيات النظرية، بينما بعضها الآخر أصبح واضحًا فقط في خلال سنوات عديدة من البحوث التي أعقبت نشر أينشتاين الأول.

تمدد الزمن الثقالي وتحوُّل التردد

ملف:Gravitational red-shifting.png

تمثيل تخطيطي للانزياح الأحمر الثقالي لموجة ضوئية تهرب من سطح جسم ضخم.

طالع أيضاً: تمدد الزمن الثقالي

بافتراض أن مبدأ التكافؤ ينطبق،قالب:Refn الجاذبية تؤثر على الزمن. الضوء المُرسَل لأسفل إلى داخل بئر الجاذبية يتحول إلى الأزرق، في حين أن الضوء المُرسَل في الاتجاه المعاكس (أي يتسلق خروجًا من بئر الجاذبية) يتحول إلى الأحمر؛ يُعرَف هذان التأثيران مجتمعان باسم تحوُّل التردد الثقالي. وبصورة أكثر عمومية، العمليات القريبة من جسم ضخم تجري ببطء أكثر مقارنةً بالعمليات التي تجري بعيدًا عنه؛ يُعرف هذا التأثير باسم تمدد الزمن الثقالي.قالب:Refn

تم قياس الانزياح الأحمر الثقالي في المعملقالب:Refn وباستخدام الرصد الفلكي.قالب:Refn تم قياس تمدد الزمن الثقالي في حقل الأرض الجذبوي مرات عديدة باستخدام الساعات الذرية،قالب:Refn بينما التحقق المستمر تم توفيره من خلال الآثار الجانبية لتشغيل نظام التموضع العالمي (GPS).قالب:Refn ويتم توفير الاختبارات في حقول الجاذبية الأكثر قوة من خلال رصد النباضات الثنائية.قالب:Refn جميع التجارب تتفق مع النسبية العامة.قالب:Refn ومع ذلك، وفي المستوى الحالي من الدقة، هذه النتائج لا يمكنها التمييز بين النسبية العامة والنظريات الأخرى التي يكون فيها مبدأ التكافؤ صحيحًا.قالب:Refn

انحراف الضوء وتأخير الزمن الثقالي

طالع أيضاً: مشكلة الجسمين في النسبية العامة وعدسة الجاذبية

ملف:Light deflection-ar.png

انحراف الضوء (أُرسِل من الموقع الظاهر باللون الأزرق) أثناء مروره بالقرب من جسم مضغوط (يظهر بالرمادي).

تتنبأ النسبية العامة بأن مسار الضوء سيتبع انحناء الزمكان أثناء مروره بالقرب من نجم. تم تأكيد هذا التأثير بشكل مبدئي من خلال رصد أضواء النجوم أو الكويزرات البعيدة التي تنحرف أثناء مرورها بالقرب من الشمس.قالب:Refn

هذا والتنبؤات ذات الصلة التي تأتي من حقيقة أن الضوء يتبع ما يسمى شبيه الضوء أو تعميم الجيوديسية العدمية للخطوط المستقيمة التي يسافر الضوء عبرها بثبات في الفيزياء الكلاسيكية. هذه الجيوديسية هي تعميم لامتغير سرعة الضوء في النسبية الخاصة.قالب:Refn عندما يتم فحص نماذج الزمكان المناسبة (إما حل شڤاتسشيلت الخارجي، أو لأجل أكثر من كتلة واحدة؛ توسع ما بعد نيوتن)،قالب:Refn العديد من تأثيرات الجاذبية تَظهر على انتشار الضوء. على الرغم من أن انحناء الضوء يمكن استخراجه أيضًا من خلال توسيع شمولية السقوط الحر للضوء،قالب:Refn فإن زاوية الانحراف الناتجة عن مثل هذه الحسابات هي فقط نصف القيمة المعطاة من قِبل النسبية العامة.قالب:Refn

تأخير الزمن الثقالي يرتبط بشكل وثيق بانحراف الضوء (أو تأخير شاپيرو)، وهي الظاهرة التي تأخذ فيها الإشارات الضوئية لتنتقل عبر الحقل الجذبوي وقتًا أطول مما كانت ستأخذه في غياب هذا الحقل. وكانت هناك العديد من الاختبارات الناجحة لهذا التنبؤ.قالب:Refn وفي وسائط شكليات ما بعد نيوتن، تُحدِّد قياسات انحراف الضوء وتأخير الزمن الثقالي وسيطًا يسمى γ، الذي يشفر تأثير الجاذبية على هندسة المكان.قالب:Refn

الموجات الثقالية

ملف:Gravwav.gif

حلقة من جسيمات الاختبار مشوهة بواسطة موجة ثقالية عابرة (خطية ومضخمة من أجل رؤية أفضل).

طالع أيضاً: موجة ثقالية

تنبأ ألبرت أينشتاين سنة 1916 بأن هناك موجات ثقالية: تموجات في مترية الزمكان والتي تنتشر بسرعة الضوء. هذه واحدة من أوجه تشابه عديدة بين جاذبية الحقل الضعيفة والكهرومغناطيسية في ذلك، فهي مماثلة للموجات الكهرومغناطيسية. وفي 11 فبراير 2016، أعلن فريق ليجو أنهم اكتشفوا موجات ثقالية بشكل مباشر من خلال اندماج ثقبين أسودين.

يمكن تصور أبسط نوع من هذه الموجة من خلال حركتها على حلقة من الجسيمات الطافية بحُرية. موجة جيبية تنتشر عبر هذه الحلقة باتجاه القارئ تشوه الخاتم بطريقة مميَّزة وإيقاعية (الصورة المتحركة إلى اليسار).قالب:Refn ونظرًا لأن معادلات أينشتاين غير خطية، فإن الموجات الثقالية القوية بشكل اعتباطي لا تطيع التراكب الخطي، مما يجعل من الصعب وصفها. ورغم ذلك، بالنسبة للحقول الضعيفة، فيمكن القيام بتقريب خطي. هذه الموجات الخطية دقيقة بشكل كافي لوصف الموجات شديدة الضُعف التي من المتوقع أن تصل هنا على الأرض من قِبل الأحداث الكونية البعيدة، والتي تؤدي عادةً إلى مسافات نسبية تزداد وتتناقص بمقدار $10^{-21}$ أو أقل. أساليب تحليل البيانات تفيد بشكل روتيني حقيقة أن هذه الموجات الخطية يمكن أن تكون فورييه متجزئة.قالب:Refn

وتصف بعض الحلول الدقيقة الموجات الثقالية دون أي تقريب، مثلًا، قطار موجي يسافر عبر الفضاء الخاليقالب:Refn أو أكوان جوودي، هي أنواع من الكون المتوسع المملوء بالموجات الثقالية.قالب:Refn ولكن بالنسبة للموجات الثقالية التي تنتج في المواقف المتعلقة بالفيزياء الفلكية، مثل اندماج ثقبين أسودين، فالأساليب العددية هي الطريقة الوحيدة في الوقت الحالي لبناء النماذج المناسبة.قالب:Refn

التأثيرات المدارية ونسبية الاتجاه

طالع أيضاً: مشكلة الجسمين في النسبية العامة

تختلف النسبية العامة عن الميكانيكا الكلاسيكية في عدد من التنبؤات المتعلقة بالأجسام المدارية. فهي تتنبأ بالدوران الشامل (المبادرة) للمدارات الكوكبية، وكذلك التدهور المداري الناجم عن انبعاث الموجات الثقالية والآثار المتعلقة بنسبية الاتجاه.

مبادرة القبات

ملف:Relativistic precession.svg

المدار النيوتني (الأحمر) مقابل الأينشتايني (الأزرق) لكوكب وحيد يدور حول نجم.

في النسبية العامة، القبات في أي مدار (نقطة الاقتراب من الجسم المداري الأقرب إلى مركز كتلة النظام) سوف تبادر؛ المدار ليس قطعًا ناقصًا، لكنه يشبه القطع الناقص الذي يدور حول بؤرة تركيزه، ناتجًا شكلًا يشبه منحنى الوردة (انظر الصورة). استنتج أينشتاين هذه النتيجة أولًا باستخدام مترية تقريبية تمثل الحد النيوتني ومعاملة الجسم المداري كجسيم اختبار. فبالنسبة له، حقيقة أن نظريته أعطت تفسيرًا واضحًا لتحوُّل الحضيض الشاذ لعطارد، الذي اكتشفه أوربان لوڤيرييه في وقت سابق سنة 1859، كانت دليلًا مهمًا على أنه حدد أخيرًا الشكل الصحيح لمعادلات حقل الجاذبية.قالب:Refn

يمكن أيضًا اشتقاق التأثير من خلال استخدام مترية شڤاتسشيلت الدقيقة (تصف الزمكان حول كتلة كروية)قالب:Refn أو شكليات ما بعد نيوتن الأكثر عمومية.قالب:Refn يرجع ذلك إلى تأثير الجاذبية على هندسة المكان وإلى مساهمة الطاقة الذاتية في جاذبية الجسم (المشفرة في اللاخطية لمعادلات أينشتاين).قالب:Refn وقد تم رصد المبادرة النسبوية لجميع الكواكب التي تسمح بإجراء قياسات دقيقة للمبادرة (عطارد والزهرة والأرض)،قالب:Refn وكذلك في أنظمة النباضات الثنائية، حيث تكون أكبر بخمسة قيم أسية.قالب:Refn

في النسبية العامة، تَحوُّل الحضيض σ، المُعبَّر عنه بالراديان لكل دورة، يُعطى تقريبًا بواسطة:

$$\begin{gathered} \sigma =\frac{24{\pi }^3{L}^2}{T^2{c}^2(1-e^2)} \\ , \end{gathered}$$

حيث:

• $L$ هو نصف المحور الرئيسي
• $T$ هو الدور المداري
• $c$ هي سرعة الضوء
• $e$ هو الانحراف المداري

التدهور المداري

ملف:Psr1913+16-weisberg-ar.png

التدهور المداري لـ PSR B1913+16: تحوُّل الزمن في الثواني، تم التعقب لأكثر من ثلاث عقود.

بحسب النسبية العامة، النظام الثنائي سيبعث موجات ثقالية، وبالتالي يفقد الطاقة، بسبب هذه الخسارة تنخفض المسافة بين الجسمين الدائرين، وكذلك تنخفض الفترة المدارية. وفي داخل النظام الشمسي أو النجوم الثنائية العادية، يكون التأثير صغيرًا للغاية بحيث لا يمكن رصده. ولكن ليس هذا هو الحال بالنسبة لنباض ثنائي قريب، وهو نظام لنجمين نيوترونيين يدوران، أحدهما نجم نابض: من النجوم النابضة، يتلقى المراقبون على الأرض سلسلة منتظمة من النبضات الراديوية التي يمكن أن تكون بمثابة ساعة دقيقة للغاية، والتي تتيح إجراء قياسات دقيقة للفترة المدارية. ونظرًا لأن النجوم النيوترونية مضغوطة جدًا، فتنبعث منها كميات كبيرة من الطاقة في صورة إشعاع ثقالي.قالب:Refn

أول رصد لانخفاض الفترة المدارية بسبب انبعاث الموجات الثقالية قام به هالس وتايلور، من خلال النجم الثنائي PSR B1913+16 الذي اكتشفاه سنة 1974. كان هذا أول كشف للموجات الثقالية وإن كان غير مباشر، واللذي حصلا بسببه على جائزة نوبل في الفيزياء سنة 1993.قالب:Refn ومنذ ذلك الحين، تم اكتشاف العديد من النجوم النابضة الثنائية، وخاصةً النباض المزدوج PSR J0737-3039 حيث كلا النجمين نابضين.قالب:Refn

المبادرة الجيوديسية وتباطؤ الإطار المرجعي

طالع أيضاً: تأثير جيوديسي وتباطؤ الإطار المرجعي

ترتبط العديد من الآثار النسبية ارتباطًا مباشرًا بنسبية الاتجاه.قالب:Refn إحداها هي التأثير الجيوديسي: اتجاه محور المدوار في السقوط الحر في الزمكان المنحني سوف يتغير عندما تتم مقارنته، على سبيل المثال، مع اتجاه الضوء المستقبَل من النجوم البعيدة، على الرغم من أن هذا المدوار يمثل طريقة للحفاظ على اتجاه مستقر بقدر الإمكان ("النقل الموازي").قالب:Refn بالنسبة لنظام القمر-الأرض، تم قياس هذا التأثير بمساعدة المجال الليزري القمري.قالب:Refn، تم القياس من أجل كتل الاختبار على متن القمر الصناعي مسبار الجاذبية B بدقة تفوق 0.3%.قالب:Refnقالب:Refn

وبالقرب من كتلة دوارة، توجد تأثيرات مغناطيسية جاذبية أو تباطؤ الإطار المرجعي. سوف يحدد مراقِب بعيد أن الأجسام القريبة من الكتلة "يتم جرّها". وهذا يكون أكثر تطرفًا بالنسبة لثقب أسود دوّار، حيث أن الدوران يكون حتميًا لأي جسم يدخل منطقة تُعرف باسم الإرجوسفير.قالب:Refn هذه التأثيرات يمكن اختبارها مرة أخرى من خلال تأثيرها على اتجاه المدوار في السقوط الحر.قالب:Refn تم إجراء اختبارات مثيرة للجدل بعض الشيء باستخدام أقمار (LAGEOS) الصناعية، والتي أكدت التنبؤ النسبوي.قالب:Refn كما تم أيضًا استخدام مسبار مسّاح المريخ العالمي حول المريخ.

تطبيقات الفيزياء الفلكية

عدسة الجاذبية

ملف:Einstein cross.jpg

تقاطع أينشتاين: أربعة صور لنفس الجرم الفلكي، أنتجتها عدسة الجاذبية.

طالع أيضاً: عدسة الجاذبية

انحراف الضوء بواسطة عدسة الجاذبية مسؤول عن فئة جديدة من الظواهر الفلكية. فإذا كان جسمًا ضخمًا يقع بين الفلكي وجسم بعيد مستهدَف له كتلة ومسافات نسبية مناسبة، سيرى الفلكي صورًا متعددة مشوَّهة للهدف؛ هذه التأثيرات تُعرف باسم عدسة الجاذبية.قالب:Refn وبناءً على التكوين والحجم والتوزيع الشامل من الممكن أن تكون هناك صورتين أو أكثر، أو حلقة ساطعة تُعرف بحلقة أينشتاين، أو حلقات جزئية تسمى الأقواس.قالب:Refn وقد تم اكتشاف أول مثال سنة 1979، ومنذ ذلك الوقت تم رصد أكثر من مائة عدسات جاذبية.قالب:Refn وحتى لو كانت الصورة المتعددة قريبة جدًا من بعضها بحيث لا يمكن قياسها، فلا يزال من الممكن قياس التأثير، على سبيل المثال، وبما أنه سطوع شامل للجسم المستهدَف، فقد تم رصد عدد من "أحداث العدسة الصغرية".قالب:Refn

وقد تطورت عدسة الجاذبية إلى أداة لعلم الفلك الرصدي، يتم استخدامها للكشف عن وجود وتوزيع المادة المظلمة، وتوفير "تلسكوپ طبيعي" لرصد المجرات البعيدة، وللحصول على تقدير مستقل لثابت هابل. توفر التقييمات الإحصائية لبيانات العدسات بصيرة للتطور البنيوي للمجرات.قالب:Refn

علم فلك الموجات الثقالية

ملف:LISA.jpg

تصوير فني لكاشف الموجات الثقالية الفضائي ليزا.

طالع أيضاً: علم فلك الموجات الثقالية

يوفر رصد النجوم النابضة الثنائية أدلة غير مباشرة قوية على وجود الموجات الثقالية (انظر التدهور المداري أعلاه). يعد الكشف عن هذه الموجات هدفًا رئيسيًا للبحث الحالي المتعلق بالنسبية.قالب:Refn العديد من كاشفات الموجات الثقالية الأرضية هي قيد التشغيل حاليًا، أبرزها جيو 600 وليجو وتاما 300 وڤيرجو.قالب:Refn تستخدم مصفوفة توقيت النباض (بالإنجليزية: Pulsar timing array) نباضات الميلّي ثانية للكشف عن الموجات الثقالية في نطاق تردد من 10⁻⁹ إلى 10⁻⁶ هرتز، التي تنشأ من الثقوب السوداء الفائقة. يجري حاليًا تطوير جهاز كشف فضائي أوروپي هو ليزاقالب:Refn مع مهمة تمهيدية هي مستكشف ليزا (بالإنجليزية: LISA Pathfinder) أُطلِقت في ديسمبر 2015.

يَعِدْ رصد الموجات الثقالية باكمال الرصد في الطيف الكهرومغناطيسي.قالب:Refn ومن المتوقَّع أن ينتج معلومات عن الثقوب السوداء وغيرها من الأجسام الكثيفة مثل النجوم النيوترونية والأقزام البيضاء، وأنواع معينة من انهيارات المستعرات العظمى، والعمليات في البدايات الأولى للكون المبكر، بما في ذلك أنواع معينة من الأوتار الكونية الافتراضية.قالب:Refn وفي فبراير 2016، أعلن فريق ليجو المتقدم أنهم اكتشفوا موجات ثقالية من اندماج ثقبين أسودين.

الثقوب السوداء والأشياء المضغوطة الأخرى

طالع أيضاً: ثقب أسود

ملف:Black hole - Messier 87 crop max res.jpg

ثقب أسود فائق في مركز مجرة مسييه 87، له 7 مليارات كتلة شمسية، اِلتقطها تلسكوپ أفق الحدث. هي أول صورة مباشرة لثقب أسود.

عندما تصبح نسبة كتلة الجسم إلى نصف قطره كبيرة بشكل كافي، تتنبأ النسبية العامة بتكوين ثقب أسود، وهي منطقة من الفضاء (المكان) لا يوجد شيء ولا حتى الضوء يمكن أن يهرب منها. في النماذج المقبولة حاليًا لتطور النجوم، يُعتقد أن النجوم النيوترونية التي تحتوي على حوالي 1.4 كتلة شمسية، والثقوب السوداء النجمية التي تحتوي على بضعة عشرات من الكتل الشمسية، هي الحالة النهائية لتطور النجوم الضخمة.قالب:Refn عادةً ما تحتوي المجرة في مركزها على ثقب أسود فائق ذو بضعة ملايين أو بضعة مليارات من الكتل الشمسية،قالب:Refn ويُعتقد أن وجودها لعب دورًا مهمًا في تكوين المجرة والبنيات الكونية الأكبر حجمًا.قالب:Refn

ملف:Star collapse to black hole.png

محاكاة مبنية على معادلات النسبية العامة: نجم ينهار ليُكوِّن ثقبًا أسودًا بينما يبعث موجات ثقالية.

فلكيًا، أهم خاصية للأجسام المضغوطة هي أنها توفر آلية فعالة للغاية لتحويل طاقة الجاذبية إلى إشعاع كهرومغناطيسي.قالب:Refn يُعتقد أن التنامي، وهو سقوط الغبار أو المادة الغازية على الثقوب السوداء النجمية أو الفائقة، مسؤولًا عن بعض الأجرام الفلكية المضيئة بشكل مذهل، خاصةً أنواعًا متنوعة من النوى المجرية النشطة على المستويات المجرية والأجرام ذات الأحجام النجمية مثل الكويزرات الصغيرة.قالب:Refn وبشكل خاص، يمكن أن يؤدي التنامي إلى نفثات نسبية، وهي حِزَم مركَّزة مكوَّنة من جسيمات نشطة للغاية يتم قذفها في الفضاء بسرعة الضوء تقريبًا.قالب:Refn تلعب النسبية العامة دورًا مركزيًا في نمذجة كل هذه الظواهر،قالب:Refn وتوفر عمليات الرصد أدلة قوية على وجود الثقوب السوداء مع الخصائص التي تنبأت بها النظرية.قالب:Refn

يتم أيضًا السعي وراء الثقوب السوداء في إطار البحث عن الموجات الثقالية (قارن مع الموجات الثقالية أعلاه). يجب أن يؤدي اندماج الثقوب السوداء الثنائية إلى بعض من أقوى إشارات الموجات الثقالية التي تصل إلى أجهزة الكشف هنا على الأرض، ويمكن استخدام المرحلة التي تسبق الاندماج مباشرةً كشمعة قياسية من أجل استنتاج المسافة إلى أحداث الاندماج، وبالتالي هي بمثابة مسبار للتوسع الكوني على مسافات كبيرة.قالب:Refn يجب أن توفر الموجات الثقالية التي يتم إنتاجها كثقب أسود نجمي يغرق داخل ثقب أسود فائق معلومات مباشرة حول هندسة الثقب الأسود الفائق.قالب:Refn

علم الكون

ملف:Lensshoe hubble.jpg

حدوة الحصان الزرقاء هي مجرة بعيدة تم تضخيمها وعوجها إلى حلقة كاملة تقريبًا بواسطة سحب الجاذبية القوية للمستعر الأحمر الساطع.

طالع أيضاً: علم الكون الفيزيائي

تعتمد النماذج الحالية لعلم الكون على معادلات حقل أينشتاين، التي تشمل الثابت الكوني Λ نظرًا لأنه له تأثير مهم على ديناميكية الكون الواسعة النطاق،

<math> R_{\mu\nu} - {\textstyle 1 \over 2}R\,g_{\mu\nu} + \Lambda\ g_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^{4}}\, T_{\mu\nu} </math>

حيث $g_{\mu \nu }$ هي مترية الزمكان.قالب:Refn تتيح الحلول متوحدة الخواص والمتجانسة لهذه المعادلات المحسَّنة، حلول فريدمان-لوميتر-روبرتسون-ووكر،قالب:Refn للفيزيائيين بأن يصمموا الكون الذي تطور على مدار الـ14 مليار سنة الماضية من مرحلة الانفجار العظيم الساخنة.قالب:Refn فبمجرد أن يتم ترسيخ عددًا صغيرًا من الوسائط (على سبيل المثال، متوسط كثافة المادة للكون) من خلال الرصد الفلكي،قالب:Refn سوف يمكن استخدام مزيد من بيانات الرصد لوضع النماذج في الاختبار.قالب:Refn التنبؤات، وكلها ناجحة، تشمل الوفرة الأولية للعناصر الكيميائية التي تكونت في فترة التخليق النووي البدائي،قالب:Refn والتركيب البنيوي واسع النطاق للكون،قالب:Refn والوجود والخصائص لـ"الصدى الحراري" من الكون المبكر؛ الإشعاع الخلفي الكوني.قالب:Refn

يتيح الرصد الفلكي لمعدَّل التوسع الكوني بتقدير المقدار الكلّي للمادة في الكون، على الرغم من أن طبيعة هذه المادة تظل غامضة جزئيًا. ويبدو أن حوالي 90% من جميع المواد هي مادة مظلمة، والتي لها كتلة (أو تأثير جذبوي مكافئ) لكنها لا تتفاعل كهرومغناطيسيًا، وبالتالي لا يمكن رصدها مباشرةً.قالب:Refn لا يوجد وصف مقبول بشكل عام لهذا النوع الجديد من المادة في إطار فيزياء الجسيمات المعروفةقالب:Refn أو غير ذلك.قالب:Refn تُظهر الأدلة الرصدية من مسوحات الانزياح نحو الأحمر للمستعرات العظمى البعيدة وقياسات الإشعاع الخلفي الكوني أيضًا أن تطور كوننا تأثر بشكل كبير بثابت كوني ينتج عنه تسارع في التوسع الكوني أو، بشكل مكافئ، من خلال شكل من الطاقة له معادلة حالة غير عادية، معروفة باسم الطاقة المظلمة، حيث أن طبيعتها تبقى غير واضحة.قالب:Refn

تم افتراض التضخم الكونيقالب:Refn سنة 1980، وهي مرحلة إضافية من التوسع المتسارع بقوة في الأزمنة الكونية حول 10⁻³³ ثوانٍ، من أجل حساب عدة عمليات رصد محيرة لم تفسرها النماذج الكلاسيكية، مثل التجانس المثالي تقريبًا للإشعاع الخلفي الكوني.قالب:Refn أدت القياسات الحديثة للإشعاع الخلفي الكوني إلى أول دليل على هذا السيناريو.قالب:Refn ورغم ذلك، هناك مجموعة مذهلة من السيناريوهات التضخمية المحتمَلة والتي لا يمكن أن تُقيَّد من خلال الرصد الحالي.قالب:Refn وحتى السؤال الأكبر الذي هو فيزياء الكون الأقدم، قبل مرحلة التضخم وبالقرب من حيث ما تنبأت النماذج الكلاسيكية بتفرد الانفجار العظيم. تتطلب الإجابة الموثوقة نظرية كاملة للجاذبية الكمية، والتي لم يتم تطويرها بعد.قالب:Refn (انظر القسم الجاذبية الكمية أدناه).

السفر عبر الزمن

طالع أيضاً: السفر عبر الزمن

أظهر كورت جودلقالب:Refn أن هناك حلولًا لمعادلات أينشتاين التي تحتوي على منحنيات شبيه زمنية مغلقة، والتي تسمح بوجود الحلقات في الزمن. الحلول تتطلب ظروفًا فيزيائية متطرفة ليس من المرجح أن تحدث على الإطلاق في الممارسات، ويبقى السؤال مفتوحًا عما إذا كانت قوانين الفيزياء الإضافية ستقضي عليها تمامًا. ومنذ ذلك الحين، تم العثور على حلول - غير عملية أيضًا - تحتوي على منحنيات شبيه زمنية مغلقة، مثل أسطوانة تيپلر والثقوب الدودية القابلة للعبور.

مفاهيم متقدمة

البنية السببية والهندسة العالمية

ملف:Penrose-ar.svg

مخطط پنروز-كارتر لكون مينكوفسكي اللانهائي.

في النسبية العامة، لا يمكن لأي جسم مادي اللحاق أو تجاوز نبضة الضوء. لا يمكن لتأثير من الحدث A أن يصل إلى أي موقع آخر X قبل إرسال الضوء من A إلى X. ونتيجة لذلك، فإن استكشاف جميع الخطوط الضوئية العالمية (الجيوديسية العدمية) يعطي معلومات أساسية حول البنية السببية للزمكان. يمكن عرض هذه البنية باستخدام مخططات پنروز-كارتر التي تقلصت فيها المساحات الكبيرة غير المحدودة للمكان والفترات الزمنية اللانهائية ("ضُغِطَت") لكي تناسب الخريطة المحدودة، بينما الضوء لا يزال يسافر على طول الخطوط القُطرية كما هو الحال في مخططات الزمكان القياسية.قالب:Refn

وبادراكهم لأهمية البنية السببية، طور روجر پنروز وآخرون ما تُعرف بالهندسة العالمية. وفي الهندسة العالمية، موضوع الدراسة ليس حلًا معينًا (أو مجموعة من الحلول) لمعادلات أينشتاين. وبدلًا من ذلك، تُستخدم العلاقات التي لا تزال صحيحة بالنسبة لجميع الجيوديسيات، مثل معادلة رايتشاودري، وافتراضات إضافية غير محددة حول طبيعة المادة (عادةً ما تكون في صورة حالات من الطاقة) لاستخراج نتائج عامة.قالب:Refn

الآفاق

طالع أيضاً: أفق الحدث والديناميكا الحرارية للثقب الأسود

باستخدام الهندسة العالمية، يمكن لبعض الزمكانات أن تُظهر أنها تحتوي على حدود تُسمى الآفاق، والتي تضع حدودًا تفصل منطقة واحدة عن بقية الزمكان. أفضل الأمثلة المعروفة هي الثقوب السوداء: إذا تم ضغط كتلة في منطقة مضغوطة من المكان (كما هو محدَّد في حدسية الطوق، فإن مقياس الطول ذو الصلة هو نصف قطر شڤاتسشيلتقالب:Refn)، لا يمكن للضوء في الداخل أن يهرب إلى الخارج. وبما أنه لا يمكن لأي جسم أن يتجاوز نبضة الضوء، فإن جميع الأجسام الداخلية تُحبَس في الداخل أيضًا. ولا يزال المرور من الخارج إلى الداخل ممكنًا، مما يدل على أن الحدود، وهي أفق الثقب الأسود، ليست حاجزًا ماديًا.قالب:Refn

ملف:Ergosphere of a rotating black hole.svg

الإرجوسفير لثقب أسود دوار، والذي يلعب دورًا رئيسيًا عندما يتعلق الأمر باستخراج الطاقة من هذا الثقب الأسود.

اعتَمدت الدراسات المبكرة للثقوب السوداء على حلول واضحة لمعادلات أينشتاين، وبشكل خاص حل شڤاتسشيلت المتناظر كرويًا (يُستخدَم لوصف الثقب الأسود الساكن) وحل كير المتناسق مع المحور (يُستخدَم لوصف الثقب الأسود الدوار والمستقر، وتقديم سمات مثيرة للاهتمام مثل الإرجوسفير). وباستخدام الهندسة العالمية، كشفت الدراسات اللاحقة عن خصائص عامة للثقوب السوداء. فهي مع الوقت تصبح أجسامًا بسيطة نوعًا ما تتميز بأحد عشر وسيطًا محددًا: الشحنة الكهربائية والكتلة-الطاقة والزخم الخطي والزخم الزاوي والموقع في وقت محدَّد. ذُكِر هذا في مبرهنات تفردية الثقوب السوداء: "الثقوب السوداء ليس لديها شَعر"، فلا علامات مميَّزة مثل تسريحات شعر البشر. وبصرف النظر عن تعقيد جسم جذبوي ينهار ليُكَوِّن ثقبًا أسودًا، فإن الجسم الناتج (يبعث موجات ثقالية) هو بسيط للغاية.قالب:Refn

هناك مجموعة عامة من القوانين المعروفة بالديناميكا الحرارية للثقب الأسود، والتي تتشابه مع قوانين الديناميكا الحرارية. على سبيل المثال، بحسب القانون الثاني لميكانيكا الثقب الأسود فإن مساحة أفق الحدث لثقب أسود عام لن تتناقص بمرور الزمن، على غرار إنتروپيا النظام الديناميكي الحراري. وهذا يحد من الطاقة التي يمكن استخراجها بالوسائل الكلاسيكية من ثقب أسود دوار (مثل عملية پنروز).قالب:Refn هناك أدلة قوية على أن قوانين ميكانيكا الثقب الأسود هي في الواقع مجموعة فرعية من قوانين الديناميكا الحرارية، وأن مساحة الثقب الأسود متناسبة مع إنتروپياتها.قالب:Refn وهذا يؤدي إلى تعديل القوانين الأصلية لميكانيكا الثقب الأسود: على سبيل المثال، بما أن القانون الثاني لميكانيكا الثقب الأسود يصبح جزءًا من القانون الثاني للديناميكا الحرارية، فإنه من الممكن أن تتناقص مساحة الثقب الأسود، طالما أن العمليات الأخرى تضمن هذا، وبشكل عام فإن الإنتروپيا تتزايد. كما أجسام الديناميكا الحرارية ذات درجة حرارة غير صفرية، فإن الثقوب السوداء يجب أن تبعث إشعاعًا حراريًا. وتشير الحسابات شبه الكلاسيكية إلى أنها تفعل ذلك بالفعل. حيث تلعب الجاذبية السطحية دور درجة الحرارة في قانون پلانك، ويُعرف هذا الإشعاع بإشعاع هوكينج (انظر قسم نظرية الكم أدناه).قالب:Refn

هناك أنواع أخرى من الآفاق، ففي الكون المتوسع، قد يجد المراقِب أن بعض مناطق الماضي لا يمكن رصدها (أفق الجسيمات)، وأن بعض مناطق المستقبل لا يمكن أن تتأثر (أفق الحدث).قالب:Refn وحتى في مكان مينكوفسكي المسطح، عندما يتم وصفه من قِبل مراقب متسارع (إحداثيات ريندلر)، ستكون هناك آفاق مرتبطة بإشعاع شبه كلاسيكي يُعرف بإشعاع أونرو.قالب:Refn

التفردات

طالع أيضاً: تفرد جذبوي

هناك ميزة أخرى للنسبية العامة هي ظهور حدود الزمكان المعروفة بالتفردات. يمكن استكشاف الزمكان من خلال متابعة جيوديسيات شبيه الزمن وشبيه الضوء - كل الطرق الممكنة التي يمكن أن يسافر بها الضوء والجسيمات في السقوط الحر، ولكن بعض حلول معادلات أينشتاين لديها "حواف شعثاء" - وهي مناطق تُعرف باسم التفردات الزمكانية، حيث تنتهي مسارات الضوء والجسيمات المتساقطة بشكل مفاجئ، وتصبح الهندسة غير محددَّة ومبهَمة. وفي الحالات الأكثر إثارة للاهتمام، هذه هي "تفردات الانحناء"، حيث أن الكميات الهندسية التي تميز انحناء الزمكان، مثل كمية ريكي اللامُتَّجِهة، تأخذ قيمًا لانهائية.قالب:Refn من الأمثلة المعروفة جيدًا للزمكانات ذات التفردات المستقبلية - حيث تنتهي خطوط العالم - حل شڤاتسشيلت، الذي يصف التفرد بداخل ثقب أسود ساكن أبدي،قالب:Refn أو حل كير ذو التفرد حلقي الشكل بداخل ثقب أسود دوار أبدي.قالب:Refn حلول فريدمان-لوميتر-روبرتسون-ووكر وغيرها من الزمكانات التي تصف الأكوان لديها تفردات ماضية حيث تبدأ خطوط العالم، أي تفردات الانفجار العظيم، وبعضها لديها تفردات مستقبلية (الانسحاق العظيم) أيضًا.قالب:Refn

بالنظر إلى أن هذه الأمثلة جميعًا متناظرة تقريبًا - وبالتالي مبسطة - فمن المغري أن نستخلص أن حدوث التفردات هو تحفة من إضفاء المثالية.قالب:Refn إن مبرهنات التفرد الشهيرة، التي تم اثباتها باستخدام الهندسة العالمية، تقول بطريقة مختلفة: التفردات هي خصائص عامة للنسبية العامة، ولا يمكن تجنبها بمجرد أن انهيار جسم له خصائص مادة حقيقية قد تجاوز مرحلة معينةقالب:Refn وكذلك عند بداية درجة واسعة من الأكوان المتوسعة.قالب:Refn ورغم ذلك، فإن المبرهنات لا تقول إلا القليل عن خصائص التفردات، والكثير من الأبحاث الحالية مكرسة لوصف البنية العامة لهذه الكيانات (تم افتراضها على سبيل المثال من قِبل حدسية بي كيه إل).قالب:Refn تذكر فرضية الرقابة الكونية أن جميع التفردات الحقيقية المستقبلية (لا تناظر مثالي، المادة ذات الخصائص الحقيقية) هي مخفية بأمان وراء أفق، وبالتالي هي غير مرئية لجميع المراقِبين البعيدين. على الرغم من عدم وجود دليل رسمي بعد، فإن المحاكاة العددية تقدم أدلة داعمة على صحتها.قالب:Refn

معادلات التطور

كل حل من معادلات أينشتاين يشمل تاريخ الكون كله، وليس مجرد لمحة عن كيف تكُون الأشياء، ولكن في المجمل، ربما يكون مليئًا بالمادة، والزمكان. وتصف حالة المادة والهندسة في كل مكان وفي كل لحظة في هذا الكون بالتحديد. ونظرًا لتغايره العام، لا تكفي نظرية أينشتاين وحدها لتحديد التطور الزمني للموتر المتري، ولابد أن يتم دمجها مع شروط الإحداثيات، والتي هي مماثلة لمقياس التثبيت في نظريات الحقول الأخرى.قالب:Refn

ومن أجل فهم معادلات أينشتاين كمعادلات تفاضلية جزئية، من المفيد صياغتها بطريقة تصف تطور الكون بمرور الزمن. وذلك يتم في تركيبات "3+1"، حيث يتم تقسيم الزمكان إلى ثلاث أبعاد مكانية وبُعد واحد للزمن. المثال الأكثر شهرة هو شكلية أيه دي إم.قالب:Refn تُظهر هذا التحللات أن معادلات تطور الزمكان للنسبية العامة هي حسنة التصرف: الحلول موجودة دائمًا، ويتم تعريفها بشكل فريد، بمجرد أن يتم تحديد الشروط الأولية المناسبة.قالب:Refn وهذه الصيغ من معادلات حقل أينشتاين هي أساس النسبية العددية.قالب:Refn

الكميات العالمية وشبه المحلية

يرتبط مفهوم معادلات التطور ارتباطًا وثيقًا بجانب آخر من فيزياء النسبية العامة. ففي نظرية أينشتاين، تبيَّن أنه من المستحيل إيجاد تعريف عام لخاصية تبدو بسيطة مثل الكتلة الكلية للنظام (أو الطاقة). السبب الرئيسي هو أن حقل الجاذبية - مثل أي حقل فيزيائي - يجب أن يرجع إلى طاقة معينة، ولكن ثبت أنه من المستحيل بشكل أساسي حصر تلك الطاقة.قالب:Refn

ومع ذلك، فهناك إمكانيات لتحديد الكتلة الكلية للنظام، إما باستخدام "مراقِب بعيد لانهائي" افتراضي (كتلة أيه دي إم)قالب:Refn أو تناظر مناسب (كتلة كومار).قالب:Refn إذا تم استثناء الطاقة التي يتم نقلها إلى ما لانهاية عن طريق الموجات الثقالية من الكتلة الكلية للنظام، فإن النتيجة هي (كتلة بوندي) عند لانهاية العدم.قالب:Refn كما هو الحال في الفيزياء الكلاسيكية، حيث يمكن إثبات أن هذه الكتل إيجابية.قالب:Refn توجد تعريفات عالمية لزخم الحركة والزخم الزاوي.قالب:Refn كان هناك أيضًا عدد من المحاولات لتحديد الكميات شبه المحلية، مثل كتلة النظام المعزول المصوَّغة باستخدام كميات فقط بداخل منطقة محدودة من المكان تحوي ذلك النظام. ويبقى الأمل في الحصول على كمية مفيدة للبيانات العامة حول النظم المعزولة، مثل صياغة أكثر دقة لحدسية الطوق.قالب:Refn

العلاقة مع نظرية الكم

إذا اعتُبرت النسبية العامة إحدى الركيزتين الأساسيتين للفيزياء الحديثة، فإن نظرية الكم، وهي أساس فهم المادة من الجسيمات الأولية إلى فيزياء الحالة الصلبة، ستكون هي الركيزة الأخرى.قالب:Refn ومع ذلك، فإن كيفية توفيق نظرية الكم مع النسبية العامة لا تزال مسألة مفتوحة.

نظرية المجال الكمي في الزمكان المنحني

تم تعريف نظريات الحقل الكمي، التي تُكوِّن أساس فيزياء الجسيمات الأولية الحديثة، في مكان مينكوفسكي المسطح، وهو تقدير تقريبي ممتاز عندما يتعلق الأمر بوصف سلوكيات الجسيمات المجهرية في حقول الجاذبية الضعيفة مثل هذه الموجودة على الأرض.قالب:Refn من أجل وصف المواقف التي تكون فيها الجاذبية قوية بشكل كافي للتأثير على المادة (الكَميَّة)، لكنها ليست قوية بما يكفي لكي تتطلب التكمية نفسها، وقد قام الفيزيائيين بصياغة نظريات المجال الكمي في الزمكان المنحني. هذه النظريات تعتمد على النسبية العامة لوصف خلفية الزمكان المنحني، وتعريف نظرية الحقل الكمي المُعمَّم لوصف سلوك المادة الكمية بداخل هذا الزمكان.قالب:Refn وباستخدام هذه الشكليات، يمكن إظهار أن الثقوب السوداء تبعث طيفًا أسود الجسم من الجسيمات المعروفة بإشعاع هوكينج وهو ما يؤدي إلى إحتمالية تبخرها مع مرور الوقت.قالب:Refn وكما ذُكِر بإيجاز أعلاه، يلعب هذا الإشعاع دورًا مهمًا في الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء.قالب:Refn

الجاذبية الكمية

طالع أيضاً: جاذبية كمية

طالع أيضاً: نظرية الأوتار،جاذبية كمية حلقية، وتثليث ديناميكي سببي

يشير الطلب على الاتساق بين الوصف الكمي للمادة والوصف الهندسي للزمكان،قالب:Refn وكذلك ظهور التفردات (حيث تصبح مقاييس طول الانحناء مجهرية)، إلى الحاجة إلى نظرية كاملة للجاذبية الكمية: للحصول على وصفٍ كافٍ لداخل الثقب الأسود، وللكون المبكر للغاية، هناك حاجة إلى نظرية تُوصَف فيها الجاذبية والهندسة المرتبطة بها للزمكان في لغة الفيزياء الكمية.قالب:Refn وعلى الرغم من الجهود الكبيرة المبذولة، لا توجد حاليًا نظرية كاملة معروفة ومتسقة للجاذبية الكمية، على الرغم من وجود عدد من النظريات المرشَّحة الواعدة.قالب:Refnقالب:Refn

ملف:Calabi yau.jpg

إسقاط متعدد شعب كلابي-ياو، إحدى طرق ضغط الأبعاد الإضافية التي تطرحها نظرية الأوتار.

أدت محاولات تعميم نظريات الحقول العادية المستخدَمة في فيزياء الجسيمات الأولية لوصف التفاعلات الأساسية لكي تشمل الجاذبية إلى مشاكل خطيرة.قالب:Refn وقد حاجج البعض بأن هذا النهج أثبت نجاحًا في الطاقات المنخفضة، حيث أنه ينتج نظرية مقبولة فعالة (كمية) في حقل الجاذبية.قالب:Refn ورغم ذلك، وفي الطاقات المرتفعة للغاية، تكون النتائج الاضطرابية متباعدة إلى حد كبير وتؤدي إلى نماذج مجردة من القدرة التنبؤية ("عدم إعادة تطبيع اضطرابية").قالب:Refn

ملف:Spin network.svg

شبكة لَفِّية بسيطة من نوع مستخدَم في حلقة الجاذبية الكمية.

واحدة من المحاولات من أجل التغلب على هذه القيود هي نظرية الأوتار، وهي نظرية كمية ليست للجسيمات النقطية، لكنها للأجسام الممتدة الدقيقة أحادية البُعد.قالب:Refn النظرية تَعِدْ بأن تكون وصفًا موحَّدًا لجميع الجسيمات والتفاعلات، بما في ذلك الجاذبية؛قالب:Refn والثمن الذي يجب دفعه هو سمات غير عادية مثل ستة أبعاد إضافية للمكان تُضاف إلى الثلاثة المعتادة.قالب:Refn في ما يُطلق عليه ثورة الأوتار الفائقة الثانية، كان حدسيًا أن كل من نظرية الأوتار وتوحيد النسبية العامة والتناظر الفائق المعروفين باسم الجاذبية الفائقةقالب:Refn يشكلان جزءًا من نموذج مفترَض ذو أحد عشر بُعدًا يُعرف بنظرية-إم، والتي يمكن أن تشكل نظرية فريدة ومتسقة للجاذبية الكمية.قالب:Refn

نهج آخر يبدأ مع إجراءات التكمية المقنَّنة لنظرية الكم، باستخدام الصيغة-الأولية-لقيمة النسبية العامة (انظر معادلات التطور أعلاه)، تكون النتيجة هي معادلة ويلر-ديويت (هي نظير لمعادلة شرودنجر) والتي تَبيَّن للأسف أنها غير محددَّة بدون قطع مناسب للأشعة فوق البنفسجية (شبيكة).قالب:Refn ومع ذلك، مع تقديم ما يُعرف الآن بمتغيرات أشتكار.قالب:Refn هذا يؤدي إلى نموذج واعد يُعرف بالجاذبية الكمية الحلقية. يُمثل المكان بنية تشبه شبكة الويب تدعى الشبكة اللَّفِية، والتي تتطور بمرور الوقت بخطوات منفصلة.قالب:Refn

اعتمادًا على أي سمات للنسبية العامة ونظرية الكم المقبولة دون تغيير، وعلى أي مستوى يتم إدخال التغييرات،قالب:Refn هناك العديد من المحاولات الأخرى للتوصل إلى نظرية قابلة للتطبيق للجاذبية الكمية، بعض الأمثلة هي نظرية الشبيكة القائمة على نهج المسار المتكامل لفايمان وتفاضل وتكامل ريجي،قالب:Refn والتثليثات الديناميكية،قالب:Refn والمجموعات السببية،قالب:Refn ونماذج اللاويات،قالب:Refn أو النماذج المبنية على المسار المتكامل لعلم الكون الكمي.قالب:Refn

لا تزال جميع النظريات المرشَّحة تعاني من مشاكل شكلية ومفاهيمية كبيرة يجب التغلب عليها. وهي تواجه أيضًا المشكلة الشائعة بأنه لا توجد حتى الآن طريقة لوضع تنبؤات الجاذبية الكمية في الاختبارات التجريبية (وبالتالي الاختيار بين المرشَّحين حيث تختلف تنبؤاتهم)، على الرغم من أنه يوجد أمل لهذا بأن يتغير مثل أن يصبح من المتاح تَغيَُر البيانات المستقبلية من قِبل الرصد الكوني وتجارب فيزياء الجسيمات.قالب:Refn

الحالة الحالية

ملف:LIGO measurement of gravitational waves.svg

رصد الموجات الثقالية من الثقب الأسود الثنائي GW150914.

برزت النسبية العامة كنموذج ناجح للغاية للجاذبية وعلم الكون، والتي اجتازت حتى الآن العديد من الاختبارات الرصدية والتجريبية. ومع ذلك، هناك مؤشرات قوية على أن النظرية غير مكتمَلة.قالب:Refn فلا تزال مشكلة الجاذبية الكمية ومسألة حقيقة تفردات الزمكان مفتوحة.قالب:Refn وقد تشير بيانات الرصد التي يتم أخذها كدليل على الطاقة المظلمة والمادة المظلمة إلى الحاجة إلى فيزياء جديدة.قالب:Refn وحتى لو أخذناها كما هي، فإن النسبية العامة غنية بإمكانيات لمزيد من الاستكشاف. يسعى النسبيون الرياضيون لفهم طبيعة خصائص التفردات والخصائص الأساسية لمعادلات أينشتاين،قالب:Refn بينما يدير النسبيون العدديون عمليات محاكاة كمپيوترية تزداد قوة (مثل تلك التي تصف اندماج الثقوب السوداء).قالب:Refn وفي فبراير 2016، تم الإعلان عن وجود موجات ثقالية تم الكشف عنها بشكل مباشر من قِبل فريق ليجو في 14 سپتمبر 2015.قالب:Refnقالب:Refn وبعد قرن من تقديمها، تظل النسبية العامة مجالًا نشطًا للغاية للأبحاث.

انظر أيضًا

• المساهمون في النسبية العامة
• تجارب أينشتاين الفكرية
• نزاع الأولوية النسبية
• مشغل ألكوبيير (مشغل الاعوجاج)

المصادر

قالب:بداية المراجع

• , doi:10.1038/162774b0 ‎
• Sato, H., ed., ISBN 978-981-02-0950-6 ‎
• , ISBN 978-3-540-96890-0 ‎
• Witten, Louis, ed. ‎
• , doi:10.1103/PhysRevD.77.064035 ‎
• , doi:10.1063/1.1485583 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2003-1 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.57.2244 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevD.36.1587 ‎
• , doi:10.1142/9789812834300_0008, ISBN 978-981-283-426-3 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2004-10 ‎
• , doi:10.1088/0264-9381/21/15/R01 ‎
• , doi:10.1063/1.524151 ‎
• , ISBN 978-0-19-509345-2 ‎
• , doi:10.1038/415054a ‎
• , doi:10.1103/PhysRevD.69.082005 ‎
• , doi:10.1007/BF01645742 ‎
• Florides, P., ed., ISBN 978-981-256-424-5 ‎
• , doi:10.1111/j.1365-2966.2005.09359.x ‎
• , ISBN 978-0-425-18620-6 ‎
• , doi:10.1103/RevModPhys.56.255 ‎
• Françoise, J.-P., ed., ISBN 978-0-12-512660-1 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevD.7.2333 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevD.9.3292 ‎
• , doi:10.1080/00018737000101171 ‎; original paper in Russian: , doi:10.3367/ufnr.0102.197011d.0463 ‎
• , doi:10.1086/377253 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2002-1 ‎
• , ISBN 978-3-540-43128-2 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.58.1062 ‎
• , doi:10.1038/nature01997 ‎
• , doi:10.1146/annurev.astro.36.1.599 ‎
• , ISBN 978-0-521-27858-4 ‎
• , ISBN 978-0-7382-0137-5 ‎
• , doi:10.1088/0264-9381/25/16/165003 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2006-4 ‎
• Hawking, Stephen W., ed., ISBN 978-0-521-37976-2 ‎
• , ISBN 978-0-387-56729-7 ‎
• , doi:10.1007/978-3-540-74353-8_11, ISBN 978-3-540-74352-1 ‎
• , doi:10.1103/PhysRev.124.925 ‎
• , doi:10.1126/science.1082158 ‎
• Witten, Louis, ed., ISBN 978-1-114-29166-9 ‎
• , doi:10.1007/s10714-007-0554-8 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.90.241101 ‎
• , doi:10.1088/2058-7058/17/5/36 ‎
• , doi:10.1088/0034-4885/64/8/301 ‎
• , ISBN 978-0-201-54730-6 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2001-1 ‎
• , ISBN 978-0-521-29928-2 ‎
• , doi:10.1088/0264-9381/16/12A/301 ‎
• , ISBN 978-0-19-850370-5 ‎
• , doi:10.1007/BF02714967 ‎
• , doi:10.1051/0004-6361:20042491 ‎
• , doi:10.1038/nature03007 ‎
• , doi:10.1016/j.newast.2006.02.001 ‎
• , doi:10.1086/380121 ‎
• , ISBN 978-981-238-171-2 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevD.74.063006 ‎
• , doi:10.1088/0264-9381/20/10/301 ‎
• , ISBN 978-0-691-01146-2 ‎
• Cornet, Fernando, ed., ISBN 978-981-02-2908-5 ‎
• , doi:10.1142/S0217751X96002583 ‎
• Israel, Werner, ed., ISBN 978-90-277-0369-9 ‎
• , ISBN 978-3-540-66506-9 ‎
• Ehlers, Jürgen, ed., ISBN 978-3-540-34522-0 ‎
• , doi:10.1023/A:1018843001842 ‎
•  ‎ See also English translation at Einstein Papers Project

•  ‎ See also English translation at Einstein Papers Project
• , doi:10.1002/andp.19163540702 ‎ See also English translation at Einstein Papers Project
•  ‎ See also English translation at Einstein Papers Project
• Lachièze-Rey, Marc, ed., doi:10.1007/978-94-011-4455-1_1, ISBN 978-0-7923-5946-3 ‎
• , doi:10.1080/02698590120118800 ‎
• Lämmerzahl, C., ed., ISBN 978-3-540-41236-6 ‎
•  ‎
• , doi:10.1086/312423 ‎
• , doi:10.1088/1367-2630/7/1/204 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2003-4 ‎
• , doi:10.1007/BF02392131 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2004-1 ‎
• , doi:10.1002/andp.200510173 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2007-2 ‎
• , ISBN 978-0-670-50376-6 ‎
•  ‎
• قالب:استشهاد بدورية محكمة
• , ISBN 978-0-19-856746-2 ‎
• Ehlers, Jürgen, ed., doi:10.1007/3-540-34523-X_4, ISBN 978-3-540-34522-0 ‎
• Stamatescu, I. O., ed., doi:10.1007/978-3-540-71117-9_6, ISBN 978-3-540-71115-5 ‎
• , doi:10.1038/435572a ‎
• , doi:10.12942/lrr-2004-2 ‎
• , doi:10.1016/0370-2693(85)91470-4 ‎
• قالب:Cite arXiv
• , doi:10.1103/PhysRevLett.27.826 ‎
• , doi:10.1016/0003-4916(74)90384-4 ‎
• , ISBN 978-0-521-35752-4 ‎
• , doi:10.1086/151174 ‎
• , doi:10.1007/978-3-540-85293-3, ISBN 978-3-540-85292-6 ‎
• قالب:استشهاد بدورية محكمة
• قالب:استشهاد بدورية محكمة
• قالب:استشهاد بدورية محكمة
• , doi:10.1103/RevModPhys.36.938 ‎
• , doi:10.1098/rspa.1966.0221 ‎
• , doi:10.1007/BF02345020 ‎
• , ISBN 978-0-521-37976-2 ‎
• , ISBN 978-0-521-09906-6 ‎
• Flügge, S., ed. ‎
• , doi:10.12942/lrr-1998-6 ‎
• , ISBN 978-0-521-56735-0 ‎
• , ISBN 978-0-521-56457-1 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2000-3 ‎
• , doi:10.1073/pnas.15.3.168 ‎
• , doi:10.1086/181708 ‎
• , doi:10.1088/0264-9381/17/5/321 ‎
• , doi:10.1007/s11214-008-9478-1 ‎
• Ehlers, Jürgen, ed., ISBN 978-3-540-58339-4 ‎
• , doi:10.1007/BF02450518 ‎
• , ISBN 978-0-521-37976-2 ‎
• , doi:10.1002/andp.200410130 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2005-3 ‎
•  ‎
•  ‎
• , doi:10.1103/PhysRevD.55.7368 ‎
• Renn, Jürgen, ed., ISBN 978-3-527-40574-9 ‎
• , doi:10.1016/j.shpsa.2012.07.010 ‎
• , ISBN 978-0-19-851996-6 ‎
•  ‎
• , doi:10.1103/PhysRev.113.934 ‎
• , doi:10.1007/978-3-540-40991-5_3, ISBN 978-3-540-21967-5 ‎
• , doi:10.1126/science.1132305 ‎
• , ISBN 978-3-528-06909-4 ‎
• Israel, Werner, ed., ISBN 978-90-277-0369-9 ‎
•  ‎
• , doi:10.12942/lrr-2004-8 ‎
• , ISBN 978-0-08-018176-9 ‎
• , doi:10.1088/0264-9381/22/10/048 ‎
• , doi:10.1088/0264-9381/18/17/202 ‎
• , doi:10.1142/9789812776556_0010, ISBN 978-981-238-171-2 ‎
• , ISBN 978-3-7186-0489-0 ‎
• , doi:10.1088/1742-6596/24/1/018 ‎
• , doi:10.12942/lrr-1998-13 ‎
• , doi:10.1063/1.1666069 ‎
• قالب:استشهاد بكتاب
• Mornas, L., ed., doi:10.1063/1.2218172 ‎
• , ISBN 978-0-684-82292-1 ‎
• , doi:10.1016/j.ppnp.2005.08.001 ‎
• , doi:10.1086/173574 ‎
• , ISBN 978-0-691-12201-4 ‎
• , ISBN 978-0-486-40924-5 ‎
•  ‎
• , ISBN 978-0-7167-0344-0 ‎
•  ‎
• , doi:10.1088/1367-2630/7/1/199 ‎
• قالب:Cite arXiv
• , ISBN 978-0-521-41250-6 ‎
• , doi:10.1051/epn:2006604 ‎
•  ‎
• قالب:Cite arXiv
• , doi:10.1016/0039-3681(85)90002-0 ‎
• , ISBN 978-0-393-96501-8 ‎
• , doi:10.1086/425170 ‎
• , doi:10.1086/320579 ‎
• , doi:10.1103/PhysRev.56.455 ‎
• , ISBN 978-0-316-64896-7 ‎
• , ISBN 978-0-19-853907-0 ‎
• , ISBN 978-0-521-41072-4 ‎
• , doi:10.1086/148918 ‎
• , ISBN 978-0-691-01933-8 ‎
• , doi:10.1038/352769a0 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.14.57 ‎
•  ‎
• , ISBN 978-0-679-45443-4 ‎
• , doi:10.1086/148307 ‎
• , ISBN 978-0-201-50397-5 ‎
• , doi:10.1143/JPSJ.76.111017 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2004-6 ‎
• , ISBN 978-0-521-83091-1 ‎
• , ISBN 978-0-521-63303-1 ‎
• , ISBN 978-0-521-63304-8 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.3.439 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.4.337 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.13.539 ‎
• , ISBN 978-0-201-54611-8 ‎
• , doi:10.1038/211468a0 ‎
• , doi:10.1002/andp.19163550905 ‎
• , doi:10.1086/504862 ‎
• Renn, Jürgen, ed., ISBN 978-1-4020-3999-7 ‎
• Renn, Jürgen, ed., ISBN 978-3-527-40571-8 ‎
• , doi:10.12942/lrr-1998-3 ‎
• , ISBN 978-0-19-850836-6 ‎
• , ISBN 978-0-19-853952-0 ‎
• , ISBN 978-0-471-95853-6 ‎
• , doi:10.1016/S0370-1573(96)00020-8 ‎
• , ISBN 978-3110340426 ‎
• قالب:Cite arXiv
• , doi:10.12942/lrr-1998-1 ‎
• , doi:10.1023/B:GERG.0000046180.97877.32 ‎
• , doi:10.1086/378122 ‎
• , ISBN 978-0-521-27703-7 ‎
• Murdin, Paul, ed., ISBN 978-1-56159-268-5 ‎
• , ISBN 978-0-521-45506-0 ‎
• , doi:10.1143/PTPS.170.214 ‎
•  ‎
•  ‎
• Narlikar, J. V., ed., ISBN 978-81-900378-3-9 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.78.2054 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.92.121101 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.13.789 ‎
• , doi:10.1103/PhysRevLett.20.1265 ‎
• , ISBN 978-0-00-715251-3 ‎
• Gomberoff, Andres, ed., ISBN 978-0-387-23995-8 ‎
• , doi:10.1007/BF02435709 ‎
• , doi:10.1086/377226 ‎
• , doi:10.1086/513700 ‎
• , doi:10.1038/nature03597 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2003-5 ‎
• , ISBN 978-0-521-46136-8 ‎
• , ISBN 978-0-7204-0064-9 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2004-4 ‎
• , doi:10.1103/RevModPhys.66.711 ‎
• , doi:10.1007/978-3-540-71117-9_10, ISBN 978-3-540-71115-5 ‎
• , doi:10.1007/978-3-540-45230-0_3, ISBN 978-3-540-40810-9 ‎
•  ‎
• Klauder, J., ed. ‎
• , ISBN 978-0-393-31276-8 ‎
• , ISBN 978-0-521-36853-7 ‎
• قالب:Cite arXiv
• قالب:استشهاد بدورية محكمة
• Bytsenko, A., ed. ‎
• Françoise, J.-P., ed. ‎
• , doi:10.1103/PhysRevD.14.870 ‎
• , doi:10.1038/nature06896 ‎
• Balian, Roger, ed. ‎
• , doi:10.1007/BF01609863 ‎
• , ISBN 978-0-226-87033-5 ‎
• , ISBN 978-0-226-87027-4 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2001-6 ‎
• , doi:10.1038/279381a0 ‎
• , doi:10.12942/lrr-1998-12 ‎
• , ISBN 978-0-471-92567-5 ‎
• , ISBN 978-0-521-55001-7 ‎
• , ISBN 978-0-521-55002-4 ‎
• , ISBN 978-0-521-66000-6 ‎
• Bailes, M., ed. ‎
•  ‎
• , ISBN 978-0-7167-6034-4 ‎
• , ISBN 978-0-521-43973-2 ‎
• , doi:10.12942/lrr-2006-3 ‎
• , ISBN 978-0-521-83143-7 ‎

قالب:نهاية المراجع

قراءات إضافية

كتب شائعة

• , ISBN 978-0-226-28864-2 ‎
• , ISBN 978-1-58988-044-3 ‎
• , ISBN 978-0-226-87029-8 ‎
• , ISBN 978-0-393-31991-0 ‎

كتب دراسية ابتدائية

• , ISBN 978-0-387-98641-8 ‎
• , ISBN 978-0-201-38423-9 ‎

كتب دراسية متقدمة

• , ISBN 978-0-521-88705-2 ‎
• , ISBN 978-0-19-852957-6 ‎
• , ISBN 978-0-387-69199-2 ‎
• , ISBN 978-0-8053-8662-2 ‎
• , ISBN 978-0-521-33943-8 ‎
• , ISBN 978-0-19-859686-8 ‎
• قالب:استشهاد بكتاب

كتب دراسية عليا

• , ISBN 978-0-8053-8732-2 ‎
• , ISBN 978-0-387-69199-2 ‎
• , ISBN 978-0-7506-2768-9 ‎
• , ISBN 978-0-7167-0344-0 ‎
• , ISBN 978-0-521-37941-0 ‎
• , ISBN 978-0-226-87033-5 ‎

وصلات خارجية

يمكنك أن تجد معلومات أكثر عن النسبية العامة عن طريق البحث في المشاريع الشقيقة لويكيبيديا :

ملف:Wiktionary-logo-en.svg تعريفات قاموسية في ويكاموس
ملف:Wikibooks-logo.svg كتب من ويكي الكتب
ملف:Wikiquote-logo.svg اقتباسات من ويكي الاقتباس
ملف:Wikisource-logo.svg نصوص مصدرية من ويكي مصدر
ملف:Commons-logo.svg صور و ملفات صوتية من كومونز
ملف:Wikinews-logo.png أخبار من ويكي الأخبار.

• Einstein Online - مقالات عن مجموعة متنوعة من جوانب الفيزياء النسبوية للجمهور العام، مستضاف من قِبل معهد ماكس پلانك لفيزياء الجاذبية (إنجليزية)
• NCSA Spacetime Wrinkles - أصدرته مجموعة النسبية العددية في NCSA، مع مقدمة أولية للنسبية العامة (إنجليزية)

قالب:Hlist

• نظرية أينشتاين العامة للنسبية على يوتيوب (محاضرة ليونارد سسكيند سُجِّلت في 22 سپتمبر 2008 في جامعة ستانفورد) (إنجليزية)
• سلسلة من المحاضرات حول النسبية العامة أُلقيت سنة 2006 في معهد هنري پوانكاريه (تمهيدية\متقدمة) (إنجليزية)
• دروس النسبية العامة من قِبل چون سي بايز (إنجليزية)
• قالب:استشهاد ويب (إنجليزية)
• قالب:Cite arxiv (إنجليزية)
• قالب:استشهاد ويب (إنجليزية)
• قالب:استشهاد ويب (إنجليزية)

قالب:لا للتعريب

قالب:مواضيع النسبية قالب:نظريات الجاذبية

قالب:ألبرت أينشتاين قالب:ضبط استنادي قالب:موتر

قالب:شريط محتوى متميز قالب:لا لربط البوابات المعادل