Jak to všechno začalo?
Na konci devatenáctého století se fyzika ocitla v krizi: existovali dokonalí
Speciální teorie relativity
Nicméně žádný z těchto významných fyzikůpodařilo dát dohromady celý příběh. Naděje zůstala u mladého Alberta Einsteina, který v té době již začal k problému přistupovat novým způsobem. V šestnácti letech ho napadlo, jaké by to bylo cestovat s paprskem světla? V roce 1905 prokázal, že výsledky Fitzgeralda a Lorentze vyplývají z jednoho jednoduchého, ale radikálního předpokladu: fyzikální zákony a rychlost světla musí být stejné pro všechny rovnoměrně se pohybující pozorovatele, bez ohledu na jejich stav relativního pohybu.
Aby to „fungovalo“, je více prostoru a časunemůže být nezávislý. Spíše se navzájem "konvertují" takovým způsobem, že rychlost světla zůstává pro všechny pozorovatele konstantní. To je důvod, proč se zdá, že se pohybující se objekty zmenšují, jak teoretizovali Fitzgerald a Lorentz, a proč mohou pohybující se pozorovatelé měřit čas odlišně, jak teoretizoval Poincaré. Prostor a čas jsou relativní, tj. To znamená, že závisí na pohybu pozorovatele, který je měří – a světlo je zásadnější než obojí. To je základem Einsteinovy speciální teorie relativity ("speciální" označuje omezení rovnoměrného pohybu).
Princip ekvivalence
Brzy po dokončení své speciální teorieEinstein měl „nejšťastnější myšlenku svého života“. Stalo se to v roce 1907, když seděl ve svém křesle v patentovém úřadu v Bernu a přemýšlel, jaké by to bylo zkusit upustit míč při pádu ze strany budovy. Einstein si uvědomil, že člověk zrychlující dolů s míčem nebude schopen detekovat vliv gravitace na něj. Pozorovatel může «transformovat» gravitace (alespoň v bezprostřední blízkosti) jednoduše přesunem do této zrychlené vztažné soustavy - bez ohledu na to, jaký objekt spadne. Gravitace je (lokálně) ekvivalentní zrychlení. To je princip ekvivalence.
Aby pochopil, jak úžasný ve skutečnosti jeprincip ekvivalence, představte si, co by se stalo, kdyby gravitace působila stejně jako jiné síly. Pokud by gravitace byla například jako elektřina, pak by koule s větším nábojem byly silněji přitahovány k Zemi, a proto by padaly rychleji než koule s menším nábojem. Neexistoval by žádný způsob, jak transformovat takové efekty přesunem do stejné zrychlené referenční soustavy pro všechny objekty. Ale gravitace je „slepá k hmotě“ – ovlivňuje všechny objekty stejně. Z této skutečnosti Einstein učinil působivý závěr, že gravitace nezávisí na vlastnostech hmoty (jako například elektřina závisí na elektrickém náboji). Fenomén gravitace musí spíše pocházet z nějaké vlastnosti časoprostoru.
Gravitace jako zakřivený časoprostor
Einstein nakonec určil majetekčasoprostor, který je zodpovědný za gravitaci, stejně jako její zakřivení. Prostor a čas v Einsteinově vesmíru již nejsou ploché (jak Newton implicitně předpokládal), ale mohou být taženy, natahovány a deformovány hmotou. Gravitace je nejsilněji pociťována tam, kde je časoprostor nejvíce zakřivený, a mizí tam, kde je časoprostor plochý. To je podstata Einsteinovy teorie obecné relativity, kterou lze často vyjádřit slovy: „hmota říká časoprostoru, jak se ohýbat, a zakřivený časoprostor říká hmotě, jak se pohybovat“.
Standardní způsob, jak tuto myšlenku ilustrovat, je -umístěte bowlingovou kouli (představující například masivní předmět, jako je slunce) na napnutou gumovou fólii (představující časoprostor). Pokud umístíte míč na gumovou podložku, bude se kutálet směrem k bowlingové kouli a lze ji dokonce umístit na „oběžnou dráhu“ kolem bowlingové koule. Není to proto, že menší hmota je „přitahována“ silou vycházející z větší, ale proto, že se pohybuje po povrchu, který byl zdeformován přítomností větší hmoty.
Stejně tak gravitace v Einsteinově teoriinevzniká jako síla šířící se v časoprostoru, ale spíše jako charakteristika samotného časoprostoru. Podle Einsteina je vaše váha na Zemi způsobena skutečností, že vaše tělo cestuje v zakřiveném časoprostoru.
Obecná teorie relativity
Obecná teorie relativity (obecná teorie relativity; it. allgemeine Relativitätstheorie) je geometrická teorie gravitace, která rozvíjí speciální teorii relativity (SRT), která předpokládá, že gravitační a setrvačné síly jsou stejné povahy.
Z toho tedy vyplývá, že gravitační účinkynejsou způsobeny silovou interakcí těles a polí umístěných v časoprostoru, ale deformací samotného časoprostoru, která je spojena zejména s přítomností masové energie.
Obecná relativita se liší od ostatních metrických gravitačních teorií použitím Einsteinových rovnic, které souvisejí s křivkou časoprostoru s hmotou v ní obsaženou
Obecná relativita je fyzicky založenana principu ekvivalence, ale tato teorie má také druhý, matematičtější základ. Známý jako obecný kovarianční princip, je to požadavek, aby byl zákon univerzální gravitace stejný pro všechny pozorovatele, i pro ty, kteří akcelerují, bez ohledu na souřadnice, ve kterých je popsán. Z tohoto důvodu Einstein nazval svou novou teorii „obecnou“ a nikoli „speciální“ teorií relativity - odstranil dříve existující omezení pro rovnoměrně se pohybující pozorovatele. Ukázalo se, že to byl nejtěžší problém, kterému Einstein kdy čelil. Jak později řekl, vyjádření fyzikálních zákonů bez souřadnic je jako „popis myšlenek beze slov“. Fyzik musel zvládnout abstraktní matematiku povrchů a jejich popis z hlediska tenzorů.
Co vědci zjistili?
Gravitace černé díry je tak silná, žeohýbá prostor. Působí jako druh lupy, a proto se stín tohoto kosmického objektu jeví větší, než ve skutečnosti je. Vědci z Event Horizon Telescope (EHT) studovali toto vizuální zkreslení a zjistili, že skutečná velikost stínu černé díry M87 odpovídá předpovědím Einsteinovy teorie obecné relativity.
Jak uvedl Keiichi Asada, člen vědecké rady EHTa odborníkem na rádiová pozorování černých děr z Astronomického a astrofyzického institutu Academia Sinica je jejich metoda „zcela novým způsobem testování obecné teorie relativity pomocí supermasivních černých děr.“
Jak vědci dospěli k jejich závěrům?
Když v dubnu 2019 vyšla prvníobrazem černé díry se stal mocným potvrzením teorie gravitace, neboli obecné teorie relativity Alberta Einsteina. Teorie nejen popisuje, jak hmota deformuje časoprostor, ale také předpovídá samotnou existenci černých děr, včetně velikosti stín vrhaný černou dírou na materiál jasného disku, který rotuje kolem některých hustých objektů.
K provedení testu tým použil prvnídosud pořízený snímek supermasivní černé díry v centru sousední galaxie M87, vzdálené asi 55 milionů světelných let, pořízený loni EHT.
Ikonický obrázek supermasivní černédíra ukázala, že stín plně odpovídá předpovědím obecné relativity ohledně jeho velikosti. Jinými slovy, Einstein měl pravdu – opět.
Tento výsledek, který uvádí Event Horizon Telescope Collaboration, odpověděl na jednu otázku: Odpovídá velikost černé díry M87 obecné relativitě?
Ale „je velmi obtížné odpovědět opačněOtázkou je, jak moc mohu vyladit obecnou relativitu a stále odpovídat měření [černé díry]? Tato otázka je klíčová, protože je stále možné, že by nějaká jiná teorie gravitace mohla popsat vesmír, ale tváří se jako obecná relativita.
Einsteinova pravděpodobnost, že se mýlí, byla snížena o faktor 500
Ve studii publikované 1. října v Physical Review Letters využili Psaltis a kolegové stín černé díry M87 k důležitému kroku k vyvrácení těchto alternativních teorií.
Tým provedl velmi širokou analýzu mnoha z nichmodifikace obecné relativity k definování jedinečné charakteristiky gravitační teorie, která určuje velikost stínu černé díry. Vědci se zaměřili na řadu alternativ, které prošly všemi předchozími testy sluneční soustavy.
"Pomocí senzoru, který jsme vyvinuli, jsme."ukázal, že změřená velikost stínu černé díry v M87 zužuje kroutící se prostor pro modifikace Einsteinovy obecné teorie relativity téměř 500krát ve srovnání s předchozími testy sluneční soustavy, “vysvětluje Uarizona, profesor astrofyziky Ferial Ozel, vedoucí člen Spolupráce EHT. „Mnoho způsobů, jak změnit obecnou relativitu, selhává v tomto novém a přísnějším testu stínu černé díry.“
Vizualizace nového senzoru určeného k testování předpovědí modifikovaných teorií gravitace proti měření velikosti stínu M87.
Kredit: D. Psaltis, University of Arizona; EHT
Abychom si byli jistí výsledky, vědcipoužili velikost černé díry k provedení toho, co je známé jako „druhý řád“ testu obecné relativity. To je „ve sluneční soustavě nemožné“, protože gravitační pole je příliš slabé, vysvětluje Leah Medeiros z Institutu pro pokročilé studium v Princetonu, rovněž členka EHT.
Einsteinovy teoretické testy
Obecně nyní fyzici představují obecnou teoriirelativita jako soubor oprav nebo dodatků k Newtonově gravitační teorii. Obecná relativita předpovídá, jaké by tyto nadstavby měly být. Pokud se měření toho, jak gravitace funguje ve vesmíru, odchýlí od těchto předpovědí, pak fyzikové vědí, že obecná relativita není všechno. Čím více přidání nebo faktorů bylo do testu přidáno, tím větší je důvěra ve výsledek. Nové testy a kontroly na černé díry na sebe nenechají dlouho čekat.
Simulace zobrazení černé díry M87pohyb plazmy, jak víří kolem černé díry. Jasný tenký prsten, který lze vidět modře, je okrajem toho, čemu říkáme stín černé díry. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Pokud však byla potvrzena obecná relativita, proč jsou někteří fyzici nespokojeni s výsledky? Jde o to, že obecná teorie relativity je v rozporu s kvantovou mechanikou.
Relativita versus kvantová mechanika: bitva o vesmír
Fyzici se desítky let snažili sladit dvě velmi odlišné teorie. A pokud je s obecnou teorií relativity vše jasné, tak proč kvantová mechanika odmítá dodržovat Einsteinovy zákony?
Fyzici mají v současnosti dvě samostatnésoubor pravidel, která vysvětlují, jak příroda funguje. Existuje obecná teorie relativity, která dokonale vysvětluje gravitaci a vše, co určuje: rotaci planet, srážející se galaxie, dynamiku rozpínajícího se vesmíru jako celku. To je «věda o velkém».
A existuje také kvantová mechanika, která se zabýváse třemi dalšími silami – elektromagnetismem a dvěma jadernými silami. Kvantová teorie je extrémně zběhlá v popisu toho, co se stane, když se atom uranu rozpadne nebo když jednotlivé částice světla vstoupí do solárního článku. To je «věda o malých věcech».
Kvantová mechanika - část teoretickéfyzika, popisující fyzikální jevy, ve kterých je akce srovnatelná s Planckovou konstantou. Předpovědi kvantové mechaniky se mohou výrazně lišit od předpovědí klasické mechaniky.
Střet skutečně nekompatibilních popisů reality
Nyní k problému:teorie relativity a kvantová mechanika jsou zásadně odlišné teorie, které mají různé formulace. To není jen otázka vědecké terminologie; je to střet skutečně nekompatibilních popisů reality.
Konflikt mezi oběma polovinami fyziky se vaří již více než století - vyprovokoval jej několik Einsteinových děl z roku 1905, z nichž jedna popisuje teorii relativity a druhá kvantovou.
V podstatě si můžete představit rozdělení meziteorie relativity a kvantové systémy jako „hladké“ a „krátké“. V obecné teorii relativity jsou události spojité a deterministické, což znamená, že každá příčina odpovídá specifickému lokálnímu účinku.
V kvantové mechanice události způsobenék interakcím subatomárních částic dochází ve skocích (ano, kvantové skoky) s spíše pravděpodobnostními než definitivními výsledky. Kvantová pravidla umožňují spojení zakázané klasickou fyzikou. To bylo prokázáno v široce diskutovaném experimentu. Poté vědci prokázali, že dvě částice - v tomto případě elektrony - se mohou okamžitě navzájem ovlivňovat, i když jsou od sebe na míle daleko. Když se snažíte interpretovat hladké relativistické zákony ve stručném kvantovém stylu nebo naopak, věci nejdou podle plánu.
Bezvýznamné odpovědi
Relativita dává nesmyslné odpovědi, kdyžsnažíte se ji zmenšit na kvantovou velikost a nakonec ve vašem popisu gravitace klesne na nekonečné hodnoty. Stejně tak kvantová mechanika narazí na vážné problémy, když ji nafouknete do kosmických rozměrů. Kvantová pole přenášejí určité množství energie i ve zdánlivě prázdném prostoru a množství energie se zvyšuje, jak se pole zvětšují. Podle Einsteina jsou energie a hmotnost ekvivalentní (tato zpráva je E = mc 2), takže akumulace energie je přesně jako akumulace hmoty. Dost velké na to, aby se množství energie v kvantových polích zvětšilo natolik, že vytváří černou díru, která nutí vesmír skládat se do sebe. Jak však vidíte, k tomu nedochází.
Jednoduše řečeno, kvantová mechanika je neslučitelná s obecnou relativitou, protože v teorii kvantového pole působí síly lokálně prostřednictvím výměny přesně definovaných kvant.
Jaký je konečný výsledek?
Ve výsledku je nový výsledek trochu zklamáním.fyzici doufají, že najdou trhliny v Einsteinově teorii. Nalezení odchylky od obecné relativity by mohlo ukázat cestu k nové fyzice. Nebo by to mohlo pomoci kombinovat obecnou relativitu, fyziku velmi velkých a kvantovou mechaniku, hlavní teorii, která popisuje fyziku velmi malých objektů, jako jsou subatomové částice a atomy. Skutečnost, že obecná teorie relativity stále odmítá uposlechnout, „znepokojuje ty z nás, kteří jsou dost starí, aby doufali, že v životě dostanou odpověď,“ říká Psaltis.
Testování gravitační teorie je neustálé hledání:Jsou předpovědi obecné relativity dost dobré pro různé astrofyzikální objekty, že astrofyzici si nedělají starosti s možnými rozdíly nebo úpravami obecné relativity?
Ilustrace různých sil gravitačních polí,prozkoumány kosmologickými testy, testy sluneční soustavy a černými dírami. Uznání: D. Psaltis, University of Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Budoucí pozorování s EHT však přinesou ještě vícepřesné testy obecné relativity, zejména s nepublikovanými obrazy Sgr A * (Sagittarius A *), černé díry ve středu Mléčné dráhy. Při mnohem přesnějších měřeních hmotnosti Sgr A * než u kterékoli jiné supermasivní černé díry by tento obrázek mohl změnit obecnou relativitu.
Střelec A *. Tento snímek zachytila Chandra, rentgenová observatoř NASA. Světelné ozvěny jsou označeny elipsami. Celý obrázek - 12,5 obloukových minut (zdroj)
„Snímky černých děr se úplně odhalujínový úhel pro testování Einsteinovy obecné teorie relativity,“ vysvětluje Michael Kramer, ředitel Institutu Maxe Plancka pro radioastronomii a člen spolupráce EHT.
"Spolu s pozorováním gravitačních vln to znamená začátek nové éry astrofyziky černých děr," je si jistý Psaltis.
„Když získáme obraz černé díry ve středu naší vlastní galaxie, můžeme dále omezit odchylky od obecné relativity,“ uzavírá Ozel.
Bude mít tedy Einstein pravdu? A jaký je osud kvantové mechaniky?
Přečtěte si také:
Na Zemi je možné vytvořit termonukleární reaktor. Jaké to bude mít důsledky?
Ledovec Doomsday se ukázal být nebezpečnějším, než si vědci mysleli. Říkáme hlavní věc
Ve 3. dni nemoci většina pacientů COVID-19 ztratí čich a často trpí rýmou.