Как започна всичко?
В края на деветнадесети век физиката беше в криза: имаше перфектни
Специална теория на относителността
Въпреки това, никой от тези видни физици не е успял да сглоби цялата история.Надеждата остава за младия Алберт Айнщайн, който по това време вече е започнал да подхожда към проблема по нов начин.На шестнадесет години той се чудеше какво би било да пътува със светлинен лъч.До 1905 г. той показва, че резултатите на Фицджералд и Лоренц следватОт едно просто, но радикално предположение: законите на физиката и скоростта на светлината трябва да бъдат еднакви за всички равномерно движещи се наблюдатели, независимо от това далитехните състояния на относително движение.
За да може това да "работи", пространството и времето вече не могат да бъдат независими.По-скоро те се "превръщат" един в друг по такъв начин, че скоростта на светлината остава постоянна за всички наблюдатели.Ето защо движещите се обекти изглеждат компресирани, както предполагат Фицджералд и Лоренц, и защо движещите се наблюдатели могат даПространството и времето са относителни, т.е.д.те зависят отдвиженията на наблюдателя, който ги измерва, са по-фундаментални и от двете.Това е в основата на специалната теория на относителността на Айнщайн ("специална" се отнася до ограничаването на равномерното движение).
Принцип на еквивалентност
Малко след като завършва специалната си теория, Айнщайн има "най-щастливата мисъл в живота си".Това се случило през 1907 г., когато той седял на стола си в патентното ведомство в Берн, чудейки се какво би било да се опита да пусне топка, падайки от стената на сграда.Айнщайн е осъзнал, че човек, който ускорява надолу с топката, няма да може даНаблюдателят може да "трансформира" гравитацията (поне в непосредствена близост) просто като се премести в тази ускорена отправна система - независимо дали еГравитацията е (локално) еквивалентна на ускорението.Това е принципът на еквивалентността.
За да разберете колко забележителен е принципът на еквивалентността, представете си какво би било, ако гравитацията действаше по същия начин като другите сили.Ако гравитацията беше като електричеството, например, тогава топките с по-висок заряд щяха да бъдат по-привлечени от Земята и следователно да падат по-бързо от топките с по-нисък заряд.Няма да има начин да се трансформират такива ефекти, като се премине в една и съща ускорена референтна рамка за всички обекти.Но гравитацията е "сляпа за материята" – тя засяга всички обекти по един и същи начин.От този факт Айнщайн стига до впечатляващия извод, че гравитацията е независимасвойства на материята (като, например, електричеството зависи отПо-скоро феноменът на гравитацията трябва да идва от някакво свойство на пространство-времето.
Гравитацията като извито пространство-време
В крайна сметка Айнщайн дефинира свойството на пространство-времето, което е отговорно за гравитацията, като нейната кривина.Пространството и времето във Вселената на Айнщайн вече не са плоски (както имплицитно е предполагал Нютон), а могатГравитацията се усеща най-силно там, където пространство-времето е най-извито и изчезваТова е същността на Общата теория на относителността на Айнщайн, която често може да се изрази с думите: "материята диктувапространство-времето казва на материята как да се огъва, а изкривеното пространство-време казва на материята как да се движи.
Стандартният начин за илюстриране на тази идея е -поставете топка за боулинг (представляваща, например, масивен обект като слънцето) върху опънат гумен лист (представляващ пространство-време). Ако поставите топка върху гумен лист, тя ще се търкаля към топката за боулинг и дори може да бъде поставена в "орбита" около топката за боулинг. Това не е защото по-малката маса се „привлича“ от силата, излъчваща се от по-голямата, а защото се движи по повърхност, която е била деформирана от присъствието на по-голямата маса.
По същия начин гравитацията в теорията на Айнщайнвъзниква не като сила, разпространяваща се в пространството-време, а по-скоро като характеристика на самото пространство-време. Според Айнщайн теглото ви на Земята се дължи на факта, че тялото ви пътува в извито пространство-време.
Обща теория на относителността
Обща теория на относителността (обща теория на относителността; то. allgemeine Relativitätstheorie) е геометрична теория на гравитацията, която разработва специалната теория на относителността (SRT), която постулира, че гравитационните и инерционни сили са от една и съща природа.
Оттук следва, че гравитационните ефектиса причинени не от силовото взаимодействие на тела и полета, разположени в пространство-времето, а от деформацията на самото пространство-време, което е свързано, по-специално, с наличието на маса-енергия.
Общата теория на относителността се различава от другите метрични теории за гравитацията по използването на уравненията на Айнщайн за свързване на кривината на пространството-времето с материята, присъстваща в него
Общата теория на относителността се основава физическина принципа на еквивалентността, но тази теория има втора, по-математическа основа. Известен като принцип на общата ковариация, това е изискване законът на универсалната гравитация да бъде еднакъв за всички наблюдатели, дори и за ускоряващите, независимо от координатите, в които е описан. Поради тази причина Айнщайн нарича новата си теория „обща“, а не „специална“ теория на относителността - той премахва съществуващото преди това ограничение за равномерно движещи се наблюдатели. Това се оказа най-трудният проблем, с който се е сблъсквал Айнщайн. Както по-късно каза, изразяването на физически закони без координати е като „описване на мисли без думи“. Физикът трябваше да овладее абстрактната математика на повърхностите и тяхното описание от гледна точка на тензори.
Какво откриха учените?
Гравитацията на черната дупка е толкова силна, че изкривява пространството.като вид лупа, която прави сянката на този космически обект да изглежда по-голяма, отколкото е в действителност.Учените от телескопа Event Horizon (EHT) са проучили това визуално изкривяване и са установили, че истинският размер наСянката на черната дупка М87 е в съответствие с предсказанията на Общата теория на относителността на Айнщайн.
Според Кейичи Асада, член на Научния съвет на EHT и експертСпоред радионаблюденията на черните дупки от Academia Sinica Institute for Astronomy and Astrophysics, техният метод е "напълно нов начин за тестване на общата теория на относителността с помощта на свръхмасивни черни дупки".
Как учените стигнаха до заключенията си?
Когато първото изображение на черна дупка беше публикувано през април 2019 г., това беше мощно потвърждение на теорията на гравитацията на Алберт Айнщайн или общата теория на относителността. Теорията не само описваначинът, по който материята изкривява пространство-времето, но също така предсказва самото съществуване на черни дупки, включително размера наСянката, хвърлена от черна дупка върху ярък диск от материал, който обикаля около някои плътни обекти.
За да проведе теста, екипът използва първото по рода си изображение, направено някога на свръхмасивната черна дупка в центъра на близката галактика M87 , на около 55 милиона светлинни години, направено от EHT миналата година.
Емблематичното изображение на свръхмасивна черна дупка показа, че сянката е напълно в съответствие с прогнозите на общата теория на относителността по отношение на нейния размер.С други думи, Айнщайн е бил прав – отново.
Този резултат, отчетен от Event Horizon Telescope Collaboration, отговори на един въпрос: Размерът на черната дупка M87 отговаря ли на общата теория на относителността?
Но „много е трудно да се отговори на обратнотовъпросът е: доколко мога да променя общата теория на относителността и да продължа да съответствам на измерванията на [черната дупка]? “, каза учените от екипа на EHT Димитриос Псалтис от университета в Аризона в Тусон. Този въпрос е ключов, тъй като все още е възможно някаква друга теория на гравитацията да опише Вселената, но маскирана като обща теория на относителността.
Вероятността на Айнщайн да сгреши е намалена 500 пъти
В изследване, публикувано на 1 октомври във Physical Review Letters, Псалтис и колеги използваха сянката на черната дупка M87, за да направят важна стъпка към опровергаването на тези алтернативни теории.
Екипът проведе много широк анализ на мнозинамодификации на общата теория на относителността, за да се определи уникална характеристика на теорията на гравитацията, която определя размера на сянката на черната дупка. Учените са се фокусирали върху редица алтернативи, които са преминали всички предишни тестове в Слънчевата система.
„Използвайки разработения от нас сензор, ниепоказа, че измереният размер на сянката на черната дупка в M87 стеснява помещението за модификация на общата теория на относителността на Айнщайн с почти 500 пъти в сравнение с предишни тестове в Слънчевата система “, обяснява професорът по астрофизика Уаризона Фериал Озел, старши член на сътрудничеството на EHT. „Много начини за модифициране на общата теория на относителността се провалят в този нов и по-строг тест за сянка на черната дупка.“
Визуализация на нов сензор, предназначен да тества прогнозите на модифицираните теории за гравитацията в сравнение с измерването на размера на сянката M87.
Кредити и права: Д. Псалтис, Университет на Аризона; ЕХТ
За да бъдат сигурни в резултатите, учените са използвали размера на черната дупка, за да извършат така наречения тест на общата теория на относителността от "втори ред".Това е "невъзможно да се направи в Слънчевата система", защото гравитационното поле е твърде слабо, обяснява тойЛия Медейрос от Института за напреднали изследвания в Принстън, също член на EHT.
Тестовете на Айнщайн
Като цяло, сега физиците представят обща теорияотносителността като набор от корекции или допълнения към теорията за гравитацията на Нютон. Общата теория на относителността предсказва какви трябва да бъдат тези надстройки. Ако измерванията на това как гравитацията работи във Вселената се отклоняват от тези прогнози, тогава физиците знаят, че общата теория на относителността не е всичко. Колкото повече добавки или фактори се добавят към теста, толкова повече увереност в резултата. Новите тестове и проверки на черните дупки няма да закъсняват.
Показване на симулация на черна дупка M87движението на плазмата, докато се вихри около черната дупка. Яркият тънък пръстен, който може да се види в синьо, е ръбът на това, което наричаме сянка на черна дупка. Снимка: Л. Медейрос; К. Чан; D. Псалтис; Ф. Осел; UArizona; IAS.
Ако обаче е потвърдена общата теория на относителността, защо някои физици са недоволни от резултатите? Въпросът е, че общата теория на относителността противоречи на квантовата механика.
Относителността срещу квантовата механика: битката за Вселената
Физиците прекараха десетилетия, опитвайки се да примирят две съвсем различни теории. И ако всичко е ясно с общата теория на относителността, тогава защо квантовата механика отказва да се подчинява на законите на Айнщайн?
В момента физиците имат два отделни набора от правила, които обясняват как работи природата.Съществува обща теория на относителността, която перфектно обяснява гравитацията и всичко, което тя определя: въртенето на планетите, сблъскващите се галактики, динамиката на разширяващата се Вселена като цяло.Това е "науката на голямото".
И тогава има квантова механика, която се занимава с три други сили – електромагнетизъм и две ядрени сили.Квантовата теория е изключително умела в описването на това, което се случва, когато уранов атом се разпадне или когато отделни частици светлина ударятТова е "наука за малките неща".
Квантова механика - раздел от теоретиченфизика, описваща физически явления, при които действието е сравнимо по мащаб с константата на Планк. Предсказанията на квантовата механика могат да се различават значително от предсказанията на класическата механика.
Сблъсъкът на наистина несъвместими описания на реалността
Сега към проблема: теорията на относителността и квантовата механика са фундаментално различни теории, които имат различни формулировки. Това не е въпрос само на научна терминология; това е сблъсък на наистина несъвместими описания на реалността.
Конфликтът между двете половини на физиката назрява повече от век - провокиран от няколко творби на Айнщайн през 1905 г., едната от които описва теорията на относителността, а другата - квантовата.
По същество можете да мислите за разделението между относителността и квантовите системи като "гладко" и "кратко".В общата теория на относителността събитията са непрекъснати и детерминистични, което означава, че всяка причина съответства наопределена местна последица.
В квантовата механика събитията, причинени от взаимодействието на субатомни частици, се случват в скокове (да, квантови скокове) с вероятностни, а не с категорични резултати.Квантовите правила позволяват връзки, забранени от класическата физика.След това учените демонстрираха, че две частици - в този случай електрони - могат дамигновено си влияят един на друг, дори и да са на километър разстояние.Когато се опитвате да интерпретирате гладките релативистични закони (законите на относителността) в сбит квантов стил или обратното, всичко "върви"Не по план."
Безсмислени отговори
Относителността дава безсмислени отговори, когатовие се опитвате да го намалите до квантов размер, в крайна сметка намалявайки до безкрайни стойности в описанието на гравитацията. По същия начин квантовата механика среща сериозни проблеми, когато я надуете до космически размери. Квантовите полета носят определено количество енергия дори в привидно празно пространство и количеството енергия става по-голямо с увеличаването на полетата. Според Айнщайн енергията и масата са еквивалентни (това съобщение е E = mc 2), така че натрупването на енергия е точно като натрупването на маса. Достатъчно голям, за да може количеството енергия в квантовите полета да стане толкова голямо, че да създаде черна дупка, която кара Вселената да се сгъне в себе си. Както виждате обаче, това не се случва.
Най-просто казано, квантовата механика е несъвместима с общата теория на относителността, тъй като в квантовата теория на полето силите действат локално чрез обмен на добре дефинирани кванти.
Какъв е долният ред?
В резултат на това новият резултат е малко разочароващ.физици с надеждата да открият пукнатини в теорията на Айнщайн. Намирането на отклонение от общата теория на относителността може да посочи пътя към нова физика. Или може да помогне за комбинирането на общата теория на относителността, физиката на много големите и квантовата механика, водещата теория, която описва физиката на много малки обекти като субатомни частици и атоми. Фактът, че общата теория на относителността все още отказва да се подчинява, „притеснява онези от нас, които са достатъчно възрастни и са се надявали да получат отговор през целия си живот“, казва Псалтис.
Тестването на теорията на гравитацията е постоянно търсене: Достатъчно добри ли са предсказанията за общата теория на относителността за различни астрофизични обекти, така че астрофизиците да не се притесняват от възможни разлики или модификации на общата теория на относителността?
Илюстрация на различни сили на гравитационните полета,изследван с космологични тестове, тестове на слънчевата система и черни дупки. Кредит за изображение: Д. Псалтис, Университет на Аризона; НАСА / WMAP; ЕКА / Касини; EHT
Бъдещите наблюдения с EHT обаче ще направят още повечепрецизни тестове за обща теория на относителността, особено с непубликувани изображения на Sgr A * (Стрелец A *), черна дупка в центъра на Млечния път. С много по-точни измервания на масата на Sgr A * от всяка друга свръхмасивна черна дупка, това изображение може да промени общата теория на относителността.
Стрелец A *. Това изображение е заснето от Чандра, рентгеновата обсерватория на НАСА. Леките ехо са маркирани с елипси. Пълно изображение - 12,5 дъгови минути (източник)
„Изображенията на черни дупки разкриват напълнонов ъгъл за тестване на общата теория на относителността на Айнщайн“, обяснява Майкъл Крамър, директор на Института за радиоастрономия Макс Планк и член на сътрудничеството EHT.
„Заедно с наблюденията на гравитационните вълни, това бележи началото на нова ера в астрофизиката на черните дупки“, сигурен е Псалтис.
„Когато получим изображение на черна дупка в центъра на нашата собствена галактика, можем допълнително да ограничим отклоненията от общата теория на относителността“, заключава Озел.
Ще бъде ли прав Айнщайн тогава? И каква е съдбата на квантовата механика?
Прочетете също:
Възможно е да се създаде термоядрен реактор на Земята. Какви ще са последиците?
Ледникът на Страшния съд се оказа по-опасен, отколкото учените смятаха. Казваме основното
На 3-ти ден от заболяването повечето пациенти с COVID-19 губят обонянието си и често страдат от хрема