https://frosthead.com

Siedem prostych sposobów, o których wiemy, że Einstein miał rację (na razie)

Przez 100 lat ogólna teoria względności Alberta Einsteina przetrwała prawie każdy test, który rzucili na nią fizycy. Ogłoszone w listopadzie 1915 r. Równania pola słynnego naukowca rozszerzyły się na wieloletnie prawa Izaaka Newtona, ponownie wyobrażając sobie grawitację jako wypaczenie w przestrzeni i czasie, a nie zwykłą siłę między obiektami.

powiązana zawartość

  • Po stuleciu poszukiwań w końcu wykryliśmy fale grawitacyjne
  • Pięć rzeczy, które należy wiedzieć o falach grawitacyjnych
  • Dlaczego Albert Einstein, geniusz za teorią względności, kochał swoją fajkę
  • Pięć praktycznych zastosowań dla „upiornej” mechaniki kwantowej

Wyniki zastosowania ogólnych równań względności wyglądają podobnie do tych, które uzyskuje się przy użyciu matematyki Newtona, o ile zaangażowane masy nie są zbyt duże, a prędkości są stosunkowo małe w porównaniu z prędkością światła. Ale ta koncepcja była rewolucją dla fizyki.

Wypaczona czasoprzestrzeń oznacza, że ​​na samo światło działa grawitacja znacznie silniej niż przewidywał Newton. Oznacza to również, że planety poruszają się po swoich orbitach w nieco zmieniony, ale bardzo znaczący sposób, i przewiduje istnienie egzotycznych obiektów, takich jak czarne dziury i tunele czasoprzestrzenne.

Ogólna teoria względności nie jest doskonała - reguły grawitacji Einsteina wydają się załamać, gdy zastosujesz je do zasad mechaniki kwantowej, które rządzą w skali subatomowej. Pozostawia to wiele kuszących luk w naszym rozumieniu wszechświata. Nawet dzisiaj naukowcy przekraczają granice, aby zobaczyć, jak daleko może nas zaprowadzić teoria względności. Tymczasem oto kilka sposobów konsekwentnego postrzegania względności w działaniu:

Orbita Merkurego

PIA16853.jpg Statek kosmiczny MESSENGER, pierwszy na orbicie Merkurego, uchwycił ten fałszywy widok małej planety, aby pokazać chemiczne, mineralogiczne i fizyczne różnice na jej powierzchni. (NASA / JHUAPL / Carnegie Institution)

W XIX wieku astronom Urbain LeVerrier zauważył problem z orbitą Merkurego. Orbity planet nie są okrągłe, są elipsami, co oznacza, że ​​planety mogą znajdować się bliżej lub dalej od Słońca i od siebie nawzajem podczas przemieszczania się przez Układ Słoneczny. Gdy planety szarpią się, ich najbliższe punkty poruszają się w przewidywalny sposób, proces zwany precesją.

Ale nawet po uwzględnieniu skutków wszystkich innych planet, Merkury wydawał się troszeczkę większy niż powinien w każdym stuleciu. Początkowo astronomowie sądzili, że inna, niewidzialna planeta, nazwana Vulcan, musi znajdować się na orbicie Merkurego, dodając siłę przyciągania grawitacyjnego do mieszanki.

Ale Einstein wykorzystał równania ogólnej teorii względności, aby pokazać, że żadna tajemnicza planeta nie była potrzebna. Rtęć, znajdująca się najbliżej Słońca, po prostu bardziej wpływa na to, w jaki sposób nasza masywna gwiazda zakrzywia tkaninę czasoprzestrzeni, czego nie uwzględniła fizyka newtonowska.

Gięcie światła

1919eclipse.jpg Obraz zaćmienia Słońca widziany 29 maja 1919 r. („Określenie ugięcia światła przez pole grawitacyjne Słońca, z obserwacji dokonanych podczas całkowitego zaćmienia Słońca w dniu 29 maja 1919 r.” Filozoficzne transakcje Royal Society of London, Seria A)

Zgodnie z ogólną teorią względności, światło przemieszczające się w czasoprzestrzeni tkaniny powinno podążać za krzywymi tej tkaniny. Oznacza to, że światło poruszające się wokół masywnych obiektów powinno się wokół nich zgiąć. Kiedy Einstein opublikował swoje ogólne artykuły dotyczące teorii względności, nie było jasne, jak zaobserwować to zniekształcenie, ponieważ przewidywany efekt jest niewielki.

Brytyjski astronom Arthur Eddington wpadł na pomysł: spójrz na gwiazdy w pobliżu krawędzi Słońca podczas zaćmienia Słońca. Gdy blask słońca został zablokowany przez księżyc, astronomowie mogli zobaczyć, czy widoczna pozycja gwiazdy uległa zmianie, gdy grawitacja masywnego słońca wygięła jego światło. Naukowcy dokonali obserwacji z dwóch miejsc: jednego we wschodniej Brazylii i jednego w Afryce.

Rzeczywiście, zespół Eddingtona widział przemieszczenie podczas zaćmienia w 1919 r., A nagłówki gazet trąbiły światu, że Einstein ma rację. W ostatnich latach nowe badania danych wykazały, że według współczesnych standardów eksperyment był wadliwy - wystąpiły problemy z płytkami fotograficznymi, a dokładność dostępna w 1919 r. Nie była wystarczająco dobra, aby pokazać odpowiednią wielkość ugięcia w pomiarach z Brazylii. Ale kolejne eksperymenty wykazały, że efekt już istnieje, a biorąc pod uwagę brak nowoczesnego sprzętu, praca była wystarczająco solidna.

Dziś astronomowie używający potężnych teleskopów mogą zobaczyć światło z odległych galaktyk, które jest wyginane i powiększane przez inne galaktyki, efekt ten nazywany jest teraz soczewkowaniem grawitacyjnym. To samo narzędzie jest obecnie używane do szacowania mas galaktyk, wyszukiwania ciemnej materii, a nawet wyszukiwania planet krążących wokół innych gwiazd.

Czarne dziury

sgra_lg.jpg Teleskop kosmiczny Chandra NASA zobaczył czarną dziurę w centrum naszej galaktyki, zwaną Strzelcem A *, uwalniającą wyjątkowo jasny rozbłysk promieni rentgenowskich w styczniu. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard i in.)

Być może najbardziej spektakularną prognozą ogólnej teorii względności jest istnienie czarnych dziur, obiektów tak masywnych, że nawet światło nie umknie ich przyciąganiu grawitacyjnemu. Pomysł nie był jednak nowy. W 1784 r. Angielski naukowiec John Mitchell przedstawił go na spotkaniach Royal Society, aw 1799 r. Francuski matematyk Pierre-Simon LaPlace doszedł do tej samej koncepcji i napisał bardziej rygorystyczny dowód matematyczny. Mimo to nikt nie zauważył czegoś takiego jak czarna dziura. Ponadto eksperymenty przeprowadzone w 1799 r. I później wykazały, że światło musi być falą, a nie cząsteczką, więc grawitacja nie wpłynie na nią w ten sam sposób, jeśli w ogóle.

Wpisz Einstein. Jeśli grawitacja jest faktycznie spowodowana krzywizną czasoprzestrzeni, może wpływać na światło. W 1916 roku Karl Schwarzschild wykorzystał równania Einsteina, aby pokazać, że nie tylko istniały czarne dziury, ale że powstały obiekt był prawie taki sam jak LaPlace. Schwarzschild wprowadził także koncepcję horyzontu zdarzeń, powierzchni, z której żaden materialny przedmiot nie mógł uciec.

Chociaż matematyka Schwarzschilda była dobra, astronomowie potrzebowali dziesięcioleci na obserwację wszystkich kandydatów - Cygnus X-1, silne źródło promieni rentgenowskich, stał się pierwszym obiektem powszechnie akceptowanym jako czarna dziura w latach siedemdziesiątych. Teraz astronomowie uważają, że każda galaktyka ma czarną dziurę - nawet naszą własną. Astronomowie dokładnie prześledzili orbity gwiazd wokół innego jasnego źródła promieniowania rentgenowskiego w centrum Drogi Mlecznej, Strzelca A *, i odkryli, że układ zachowuje się jak niezwykle masywna czarna dziura.

„W przypadku systemów takich jak Cygnus X-1 lub Sagittarius A * możemy zmierzyć masę i promień zwartego obiektu i po prostu nie możemy ustalić żadnego innego obiektu astrofizycznego, który miałby takie same właściwości obserwacyjne”, mówi Paul M. Sutter, astrofizyk i wizytujący badacz z Ohio State University.

Strzelanie do księżyca

ALSEP_AS15-85-11468.jpg Część księżycowego eksperymentu laserowego na odległość pozostawionego na Księżycu przez Apollo 15. (NASA)

Tworząc swoją ogólną teorię względności, Einstein zdał sobie sprawę, że zarówno skutki grawitacji, jak i przyspieszenia są powodowane przez krzywiznę czasoprzestrzeni i że siła grawitacji odczuwana przez osobę stojącą na masywnym obiekcie byłaby podobna do efektu doświadczany przez kogoś, kto przyspiesza, powiedzmy, jadąc na rakiecie.

Oznacza to, że prawa fizyki mierzone w laboratorium zawsze będą wyglądać tak samo, bez względu na to, jak szybko laboratorium się porusza lub gdzie jest w czasoprzestrzeni. Ponadto, jeśli umieścisz obiekt w polu grawitacyjnym, jego ruch będzie zależał tylko od jego położenia początkowego i prędkości. To drugie stwierdzenie jest ważne, ponieważ implikuje, że przyciąganie grawitacji Słońca na Ziemię i Księżyc powinno być bardzo stabilne - w przeciwnym razie, kto wie, jakie problemy mogą wystąpić, jeśli nasza planeta i księżyc „spadną” w kierunku Słońca z różną prędkością.

W latach sześćdziesiątych misje Apollo i radzieckie sondy księżycowe ustawiły reflektory na Księżycu, a naukowcy na Ziemi strzelali do nich wiązkami laserowymi, aby przeprowadzić szereg eksperymentów naukowych, w tym zmierzyć odległość między Ziemią a Księżycem i ich względne ruchy wokół Słońca. Jedną z lekcji z tego ustalenia księżycowego zasięgu było to, że Ziemia i Księżyc rzeczywiście spadają w kierunku Słońca w tym samym tempie, tak jak przewiduje ogólna teoria względności.

Przeciąganie spacji

162798main_gpb_real_model.jpg Złożony rysunek satelity Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Uniwersytet Stanforda i Lockheed Martin Corporation)

W większości opisów ogólnej teorii względności ludzie wyobrażają sobie Ziemię jako kulę do kręgli zawieszoną na kawałku tkaniny, czyli czasoprzestrzeni. Piłka powoduje odkształcenie tkaniny w zagłębienie. Ale ponieważ Ziemia się obraca, ogólna teoria względności mówi, że depresja powinna się skręcać i odkształcać w miarę obracania się kuli.

Statek kosmiczny o nazwie Grawitacja Probe B, wystrzelony w 2004 roku, spędził rok na pomiarze krzywizny czasoprzestrzeni wokół Ziemi. Znalazł pewne dowody na przeciąganie ramek lub ciągnięcie przez Ziemię kosmicznej tkaniny, gdy się obraca, co pomaga zweryfikować obraz grawitacji Einsteina.

Fale czasoprzestrzenne

681325main_gravitational-waves.jpg Dwa masywne pulsary wirujące wokół siebie stworzyłyby wystarczająco zakłócenia w strukturze czasoprzestrzeni, aby wygenerować fale grawitacyjne, które powinniśmy być w stanie wykryć na Ziemi. (NASA)

Inną konsekwencją obiektów poruszających się w czasoprzestrzeni jest to, że czasami wytwarzają one fale i fale w materiale, podobnie jak na statku. Te fale grawitacyjne rozciągałyby czasoprzestrzeń w sposób, który teoretycznie można zaobserwować. Na przykład niektóre eksperymenty świecą wiązką lasera między dwoma zestawami luster i określają czas, przez jaki wiązka odbija się między nimi. Jeśli tętno czasoprzestrzenne przechodzi przez Ziemię, takie detektory powinny zobaczyć niewielkie wydłużenie i skurcz wiązki, które pojawiłyby się jako wzór interferencji.

Do tej pory fale grawitacyjne są jednym z ostatnich głównych prognoz ogólnej teorii względności, które jeszcze nie zostały zauważone, choć krążą pogłoski o wykryciu w obiekcie w USA. Istnieją jednak pewne pośrednie dowody. Pulsary to martwe gwiazdy, które spakowują masę Słońca wielokrotnie w przestrzeń wielkości Manhattanu. Obserwacje dwóch pulsarów krążących wokół siebie dają pewne wskazówki, że fale grawitacyjne są rzeczywiste.

„Zaobserwowano, że okres orbitalny pierwszego binarnego pulsara zanika w czasie o około 0, 0001 sekundy rocznie” - mówi fizyk Alan Kostelecky z Indiana University. „Szybkość rozpadu odpowiada stracie energii spowodowanej promieniowaniem grawitacyjnym, którą przewiduje ogólna teoria względności”.

GPS

GPS-IIRM.jpg Renderowanie przez artystę pokazuje satelitę GPS-IIRM na orbicie. (Krajowy Komitet Wykonawczy USA ds. Pozycjonowania, nawigacji i pomiaru czasu w przestrzeni kosmicznej)

Globalne systemy pozycjonowania nie są dokładnie testem względności, ale całkowicie na tym polegają. GPS wykorzystuje sieć orbitujących satelitów wysyłających sygnały do ​​telefonów i wynajętych samochodów na całym świecie. Aby uzyskać pozycję, te satelity muszą wiedzieć, gdzie i kiedy się znajdują, dlatego utrzymują pomiary czasu z dokładnością do miliardowych części sekundy.

Ale satelity krążą 12.550 mil nad naszymi głowami, gdzie odczuwają mniej przyciągania grawitacyjnego planety niż ludzie na ziemi. Opierając się na teorii szczególnej teorii względności Einsteina, która mówi, że czas płynie inaczej dla obserwatorów poruszających się z różnymi prędkościami, zegary satelitarne tykają nieco wolniej niż zegarek podróżujący z Ziemi.

Jednak ogólna teoria względności pomaga zlikwidować ten efekt, ponieważ grawitacja blisko powierzchni Ziemi spowalnia tiki zegara w porównaniu do prędkości satelity nad głową. Bez tej relatywistycznej kombinacji zegary GPS byłyby wyłączone o około 38 mikrosekund dziennie. Może to zabrzmieć jak niewielki błąd, ale GPS wymaga tak dużej dokładności, że rozbieżność sprawi, że Twoja mapa zostanie zauważalnie błędna w ciągu kilku godzin.

Siedem prostych sposobów, o których wiemy, że Einstein miał rację (na razie)