Splošna teorija relativnosti Alberta Einsteina je že 100 let preživela skoraj vsak test, ki so ga fiziki vrgli. Terenske enačbe slovitega znanstvenika, objavljene novembra 1915, so se razširile na dolgotrajne zakone Isaaca Newtona, tako da je ponovno zamislil gravitacijo kot prepletanje v tkanini prostora in časa, ne pa kot preprosto silo med predmeti.
Sorodne vsebine
- Po stoletju iskanja smo končno zaznali gravitacijske valove
- Pet o tem, kar morate vedeti o gravitacijskih valovih
- Zakaj je Albert Einstein, genij za teorijo relativnosti, ljubil svojo cev
- Pet praktičnih uporab kvantne mehanike "Spooky"
Rezultati uporabe splošnih relativnih enačb so dejansko podobni rezultatom Newtonove matematike, če vpletene mase niso prevelike in so hitrosti relativno majhne v primerjavi s svetlobno hitrostjo. Toda koncept je bil za fiziko revolucija.
Izkrivljen prostor-čas pomeni, da svetloba sama vpliva na težo veliko močneje, kot je Newton napovedoval. Pomeni tudi, da se planeti gibljejo po svoji orbiti na nekoliko spremenjen, a zelo pomemben način, in napoveduje obstoj eksotičnih predmetov, kot so pošastne črne luknje in črvičevine.
Splošna relativnost ni popolna - zdi se, da se pravila Einsteinove gravitacije porušijo, ko jih uporabljate za pravila kvantne mehanike, ki kraljujejo na subatomskih lestvicah. To pušča veliko vrtoglavih vrzeli v našem razumevanju vesolja. Tudi danes znanstveniki spuščajo meje, da bi videli, kako daleč nas lahko vodi relativnost. Medtem je tukaj nekaj načinov, kako dosledno vidimo relativnost v akciji:
Merkurjeva orbita
Vesoljsko plovilo MESSENGER, ki je prvo krožilo z Merkurja, je ujelo ta napačen barvni pogled na majhen planet, ki je na svoji površini pokazal kemijske, mineraloške in fizične razlike. (NASA / JHUAPL / Carnegie institucija) Že v 19. stoletju je astronom Urbain LeVerrier opazil težavo z orbito Mercuryja. Planetne orbite niso krožne, so elipse, kar pomeni, da so planeti lahko bližje ali dlje od sonca in drug od drugega, ko se premikajo po osončju. Ko se planeti vlečejo drug na drugega, se njihove točke najbližjega gibanja premikajo na predvidljiv način, proces, ki se imenuje precesija.
A tudi po tem, ko je upošteval učinke vseh drugih planetov, se je zdelo, da je Merkur predragočini nekoliko bolj kot vsako stoletje. Sprva so astronomi menili, da mora biti drug, neviden planet, ki so ga poimenovali Vulkan, v orbiti Merkurja, kar je mešanici dodalo svoj gravitacijski poteg.
Toda Einstein je z enačbami splošne relativnosti uporabil, da je pokazal, da planet skrivnosti ni potreben. Na živo srebro, ki je najbližje soncu, preprosto bolj vpliva način, kako naša masivna zvezda kriva tkanino vesolja in časa, česar Newtonova fizika ni upoštevala.
Lučka za upogibanje
Slika sončnega mrka, ki je bila videti 29. maja 1919. ("Določitev odklona svetlobe s Sončevim gravitacijskim poljem, iz opazovanj, izvedenih ob popolnem mrku 29. maja 1919" Filozofski posli kraljeve družbe London, Serija A) Po splošni relativnosti mora svetloba, ki se giblje skozi prostor-čas tkanine, slediti krivulji te tkanine. To pomeni, da se mora svetloba, ki se giblje okoli ogromnih predmetov, upogniti okoli njih. Ko je Einstein objavil svoje splošne dokumente o relativnosti, ni bilo jasno, kako opaziti to izkrivljanje, saj je predvideni učinek majhen.
Britanski astronom Arthur Eddington je zadel idejo: med sončnim mrkom si oglejte zvezde ob robu sonca. Ob sončnem bleščanju, ki ga je blokirala luna, so astronomi lahko videli, ali se je navidezni položaj zvezde spremenil, ko je ogromna sončna gravitacija upognila svojo svetlobo. Znanstveniki so opravili opažanja z dveh lokacij: enega v vzhodni Braziliji in enega v Afriki.
Zagotovo je Eddingtonova ekipa opazila premik med mrkom leta 1919 in naslovi časopisov so trobneli v svet, da je imel Einstein prav. V zadnjih letih so nove preiskave podatkov pokazale, da je bil po eksperimentih napaka eksperimenta - težave s fotografskimi ploščicami in natančnost, ki je bila na voljo leta 1919, pravzaprav ni bila dovolj dobra, da bi pokazala pravo količino odklona meritev iz Brazilije. Toda naslednji poskusi so pokazali, da je učinek tam, in glede na odsotnost sodobne opreme je bilo delo dovolj solidno.
Danes astronomi, ki uporabljajo močne teleskope, lahko vidijo svetlobo iz oddaljenih galaksij, ki jo upogibajo in povečujejo druge galaksije, učinek, ki se danes imenuje gravitacijsko leče. To isto orodje se trenutno uporablja za ocenjevanje mase galaksij, iskanje temne snovi in celo iskanje planetov, ki krožijo po drugih zvezdah.
Črne luknje
Nasin vesoljski teleskop Chandra je videl, da je črna luknja v središču naše galaksije, imenovana Strelec A *, januarja sprostila izjemno svetel prašek rentgenskih žarkov. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard in drugi) Morda najbolj spektakularna napoved splošne relativnosti je obstoj črnih lukenj, predmetov, ki so tako masivni, da niti njihova svetloba ne bi mogla ubežati njihovemu gravitacijskemu vlečenju. Ideja pa ni bila nova. Leta 1784 jo je angleški znanstvenik po imenu John Mitchell predstavil na sestankih Kraljeve družbe, leta 1799 pa je Pierre-Simon LaPlace, francoski matematik, prišel do istega koncepta in napisal bolj strog matematični dokaz. Kljub temu pa nihče ni opazil ničesar podobnega črni luknji. Poleg tega so poskusi iz leta 1799 in pozneje pokazali, da svetloba mora biti val, ne pa delci, tako da gravitacija nanjo ne bi vplivala enako.
Vstopite v Einstein. Če je gravitacija dejansko posledica ukrivljenosti prostora in časa, potem lahko vpliva na svetlobo. Karl Schwarzschild je leta 1916 uporabil Einsteinove enačbe, da je pokazal, da ne le da lahko obstajajo črne luknje, ampak da je nastali objekt skoraj enak kot LaPlaceov. Schwarzschild je predstavil tudi koncept obzorja dogodkov, površine, iz katere noben materialni predmet ne bi mogel uiti.
Čeprav je bila matematika Schwarzschilda zdrava, so astronomi potrebovali desetletja, da so opazili vse kandidate - Cygnus X-1, močan vir rentgenskih žarkov, je postal prvi predmet, ki je bil v sedemdesetih letih splošno sprejet kot črna luknja. Zdaj astronomi mislijo, da ima vsaka galaksija črno luknjo v svojem jedru - tudi naša. Astronomi so skrbno izsledili orbite zvezd okoli drugega svetlega izvora rentgenskih žarkov v središču Mlečne poti, Strelca A *, in ugotovili, da se sistem obnaša kot izredno masivna črna luknja.
"Pri sistemih, kot sta Cygnus X-1 ali Strelec A *, lahko izmerimo maso in polmer kompaktnega predmeta in preprosto ne moremo ugotoviti nobenega drugega astrofizičnega predmeta, ki bi imel enake opazovalne lastnosti, " pravi Paul M Sutter, astrofizik in gostujoči znanstvenik na univerzi Ohio State.
Streljanje na Luno
Del eksperimenta lunarnega laserja, ki ga je na Luni pustil Apollo 15. (NASA) Pri izdelavi svoje splošne teorije relativnosti je Einstein spoznal, da učinki gravitacije in učinki pospeška povzročajo ukrivljenost prostora-časa in da bo gravitacijska sila, ki jo je doživel nekdo, ki stoji na masivnem predmetu, podobna učinku doživi, da nekdo pospeši, recimo, z vožnjo po raketi.
To pomeni, da bodo zakoni fizike, merjeni v laboratoriju, vedno videti enako, ne glede na to, kako hitro se laboratorij premika ali v prostoru v času. Če predmet postavite v gravitacijsko polje, bo njegovo gibanje odvisno le od njegovega začetnega položaja in njegove hitrosti. Druga trditev je pomembna, saj pomeni, da mora biti sunkovita gravitacija na Zemlji in na Luni zelo stabilna - drugače, kdo ve, kakšne težave bi lahko nastale, če bi naš planet in Luna »padla« proti soncu z različnimi stopnjami.
V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so misije Apolona in sovjetske lunarne sonde postavile lune reflektorje, znanstveniki na Zemlji pa so nanje streljali laserske žarke, da bi izvedli številne znanstvene poskuse, vključno z merjenjem razdalje med Zemljo in Luno in njihovimi relativnimi gibi okoli sonca. Ena od lekcij iz tega lunarnega razpona je bila, da Zemlja in Luna resnično padata proti Soncu, tako kot napoveduje splošna relativnost.
Vlečenje prostora
Sestavljena risba satelita Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, univerza Stanford in korporacija Lockheed Martin) V večini opisov splošne relativnosti si ljudje predstavljajo Zemljo kot balinarsko žogo, obešeno na koščku tkanine, aka prostor-čas. Kroglica povzroči, da se tkanina izkrivi v depresijo. Ker pa se Zemlja vrti, splošna relativnost pravi, da se mora depresija zasukati in izkriviti, ko se žoga vrti.
Vesoljsko plovilo z imenom Gravity Probe B, ki je bilo predstavljeno leta 2004, je leto dni izmerilo ukrivljenost vesolja in časa okoli Zemlje. Našel je nekaj dokazov za vlečenje okvirjev ali za to, da se Zemlja, ko se vrti, vleče s seboj v kozmično tkivo, kar je pripomoglo k potrditvi Einsteinove slike gravitacije.
Vesoljsko-časovni valovi
Dva ogromna pulza, ki se vrtata drug ob drugem, bi ustvarila dovolj motenj v tkanini vesolja in časa, da bi ustvarila gravitacijske valove, ki bi jih morali zaznati na Zemlji. (NASA) Druga posledica predmetov, ki se gibljejo skozi vesolje-čas, je, da včasih ustvarijo valovanje in valovanje v tkanini, podobno kot ladje. Ti gravitacijski valovi bi raztezali prostor-čas na načine, ki bi jih teoretično lahko opazili. Na primer, nekateri poskusi svetijo laserski žarek med dvema setoma ogledal in čas, kako traja, da se žarek med njimi odbije. Če skozi Zemljo preide valovitost vesolja in časa, bi morali taki detektorji videti drobno podaljševanje in krčenje žarka, kar bi se pokazalo kot moten vzorec.
Do zdaj so gravitacijski valovi ena zadnjih glavnih napovedi splošne relativnosti, ki jih še ni treba videti, čeprav se v ZDA pojavljajo govorice o odkritju, vendar obstajajo nekateri posredni dokazi. Pulsarji so mrtve zvezde, ki množijo večkratno maso sonca v prostoru, velikem na Manhattnu. Opazovanja dveh pulz, ki krožita med seboj, dajeta nekaj namigov, da so gravitacijski valovi resnični.
"Opaženo je, da orbitalno obdobje prvega binarnega pulsara sčasoma propada za približno 0, 0001 sekunde na leto, " pravi fizik Alan Kostelecky z univerze Indiana. "Hitrost razpadanja ustreza izgubi energije zaradi gravitacijskega sevanja, ki jo predvideva splošna relativnost."
GPS
Umetnikov prikaz prikazuje satelit GPS-IIRM v orbiti. (Nacionalni izvršni odbor ZDA za vesoljsko pozicioniranje, navigacijo in določanje časa) Global Positioning Systems niso ravno test relativnosti, vendar se na to absolutno zanašajo. GPS uporablja mrežo satelitov v orbiti, ki pingirajo signale telefonom in najemajo avtomobile po vsem planetu. Če želijo imeti položaj, morajo ti sateliti vedeti, kje in kdaj so, zato meritve časa spremljajo natančno na milijarde sekund.
Toda sateliti krožijo 12.550 milj nad našimi glavami, kjer čutijo manj gravitacijskega vleka planeta kot ljudje na tleh. Na podlagi Einsteinove teorije posebne relativnosti, ki pravi, da čas opazovalcev, ki se gibljejo z različnimi hitrostmi, mineva drugače, satelitske ure odkljukajo nekoliko počasneje kot ura na zemeljskem popotniku.
Vendar splošna relativnost pomaga odpraviti ta učinek, saj gravitacija blizu Zemljinega površja upočasni klope ure v primerjavi s satelitsko hitrostjo nad glavo. Če ne bo te relativistične kombinacije, bi se GPS ure izklopile za približno 38 mikrosekund na dan. To se lahko sliši kot majhna napaka, vendar GPS zahteva tako visoko natančnost, da bi zaradi neskladja vaša preslikana lokacija v nekaj urah opazno napačna.
