Wie hat alles angefangen?
Am Ende des 19. Jahrhunderts befand sich die Physik in einer Krise: Es gab Perfekte
Spezielle Relativitätstheorie
Allerdings keiner dieser bedeutenden Physikerhat es geschafft, die ganze Geschichte zusammenzustellen. Die Hoffnung blieb beim jungen Albert Einstein, der zu dieser Zeit bereits begonnen hatte, das Problem auf neue Weise anzugehen. Im Alter von 16 Jahren fragte er sich, wie es wäre, mit einem Lichtstrahl zu reisen? Bis 1905 hatte er gezeigt, dass die Ergebnisse von Fitzgerald und Lorentz auf einer einfachen, aber radikalen Annahme beruhten: Die Gesetze der Physik und die Lichtgeschwindigkeit müssen für alle sich gleichmäßig bewegenden Beobachter gleich sein, unabhängig von ihrem Relativbewegungszustand.
Damit dies „funktioniert“, gibt es mehr Raum und Zeitkann nicht unabhängig sein. Vielmehr „wandeln“ sie sich so ineinander um, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter konstant bleibt. Aus diesem Grund scheinen sich bewegende Objekte zu schrumpfen, wie Fitzgerald und Lorentz theoretisierten, und warum sich bewegende Beobachter die Zeit unterschiedlich messen können, wie Poincaré theoretisierte. Raum und Zeit sind relativ, d. h. Das heißt, sie hängen von der Bewegung des Beobachters ab, der sie misst – und Licht ist grundlegender als beides. Dies ist die Grundlage von Einsteins spezieller Relativitätstheorie („speziell“ bezieht sich auf die Begrenzung der gleichförmigen Bewegung).
Äquivalenzprinzip
Bald nach Abschluss seiner SpezialtheorieEinstein hatte „den glücklichsten Gedanken seines Lebens“. Es geschah im Jahr 1907, als er auf seinem Stuhl im Patentamt in Bern saß und sich fragte, wie es wäre, einen Ball fallen zu lassen, während er von der Seite eines Gebäudes fiel. Einstein erkannte, dass eine Person, die mit einer Kugel nach unten beschleunigt, die Wirkung der Schwerkraft auf sie nicht spüren kann. Der Beobachter kann Dinge „transformieren“. Die Schwerkraft (zumindest in der unmittelbaren Umgebung) lässt sich einfach durch die Bewegung in diesen beschleunigten Bezugsrahmen überwinden – egal, welches Objekt fallen gelassen wird. Die Schwerkraft ist (lokal) gleichbedeutend mit der Beschleunigung. Das ist das Prinzip der Äquivalenz.
Um zu verstehen, wie wunderbar er wirklich istStellen Sie sich nach dem Äquivalenzprinzip vor, was passieren würde, wenn die Schwerkraft genauso wirken würde wie andere Kräfte. Wenn die Schwerkraft beispielsweise wie Elektrizität wäre, würden Kugeln mit mehr Ladung stärker von der Erde angezogen und würden daher schneller fallen als Kugeln mit weniger Ladung. Es gäbe keine Möglichkeit, solche Effekte zu transformieren, indem für alle Objekte derselbe beschleunigte Referenzrahmen verwendet würde. Aber die Schwerkraft ist „blind für Materie“ – sie wirkt sich gleichermaßen auf alle Objekte aus. Aus dieser Tatsache zog Einstein die beeindruckende Schlussfolgerung, dass die Schwerkraft nicht von den Eigenschaften der Materie abhängt (so wie beispielsweise Elektrizität von der elektrischen Ladung abhängt). Vielmehr muss das Phänomen der Schwerkraft auf einer Eigenschaft der Raumzeit beruhen.
Schwerkraft als gekrümmte Raumzeit
Einstein bestimmte schließlich die EigenschaftRaumzeit, die für die Schwerkraft verantwortlich ist, sowie deren Krümmung. Raum und Zeit in Einsteins Universum sind nicht mehr flach (wie Newton implizit annahm), sondern können durch Materie gedehnt, gedehnt und verformt werden. Die Schwerkraft ist dort am stärksten zu spüren, wo die Raumzeit am stärksten gekrümmt ist, und verschwindet dort, wo die Raumzeit flach ist. Dies ist die Essenz von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die oft mit den Worten ausgedrückt werden kann: „Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich biegen soll, und die gekrümmte Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll.“
Die Standardmethode zur Veranschaulichung dieser Idee ist:Legen Sie eine Bowlingkugel (die beispielsweise ein massives Objekt wie die Sonne darstellt) auf eine gespannte Gummiplatte (die die Raumzeit darstellt). Wenn Sie eine Kugel auf eine Gummiplatte legen, rollt sie in Richtung der Bowlingkugel und kann sogar in die "Umlaufbahn" um die Bowlingkugel gelegt werden. Dies liegt nicht daran, dass die kleinere Masse von der von der größeren ausgehenden Kraft "angezogen" wird, sondern daran, dass sie sich entlang einer Oberfläche bewegt, die durch das Vorhandensein der größeren Masse verformt wurde.
Ebenso die Schwerkraft in Einsteins Theorieentsteht nicht als eine Kraft, die sich in der Raumzeit ausbreitet, sondern als ein Merkmal der Raumzeit selbst. Laut Einstein ist Ihr Gewicht auf der Erde darauf zurückzuführen, dass sich Ihr Körper in einer gekrümmten Raumzeit bewegt.
Allgemeine Relativitätstheorie
Allgemeine Relativitätstheorie (Allgemeine Relativitätstheorie; es. Allgemeine Relativitätstheorie) - die geometrische Gravitationstheorie, die die spezielle Relativitätstheorie (SRT) entwickelt, die postuliert, dass Gravitations- und Trägheitskräfte gleicher Natur sind.
Daraus folgt, dass Gravitationseffekteverursacht nicht durch die Kraftwechselwirkung von Körpern und Feldern in der Raumzeit, sondern durch die Verformung der Raumzeit selbst, die insbesondere mit dem Vorhandensein von Massenenergie verbunden ist.
Die allgemeine Relativitätstheorie unterscheidet sich von anderen metrischen Gravitationstheorien durch die Verwendung von Einsteins Gleichungen, um die Krümmung der Raumzeit mit der darin vorhandenen Materie in Beziehung zu setzen
Die allgemeine Relativitätstheorie basiert physikalischnach dem Prinzip der Äquivalenz, aber diese Theorie hat eine zweite, mathematischere Grundlage. Bekannt als das allgemeine Kovarianzprinzip, ist dies die Voraussetzung, dass das Gesetz der universellen Gravitation für alle Beobachter, auch für diejenigen, die sich beschleunigen, unabhängig von den Koordinaten, in denen es beschrieben wird, gleich ist. Aus diesem Grund nannte Einstein seine neue Theorie "allgemeine" und nicht "spezielle" Relativitätstheorie - er hob die bisher bestehende Beschränkung auf sich gleichmäßig bewegende Beobachter auf. Dies stellte sich als das schwierigste Problem heraus, mit dem Einstein jemals konfrontiert war. Wie er später sagte, ist das Ausdrücken physikalischer Gesetze ohne Koordinaten wie "Gedanken ohne Worte beschreiben". Der Physiker musste die abstrakte Mathematik der Oberflächen und ihre Beschreibung in Tensoren beherrschen.
Was haben die Wissenschaftler herausgefunden?
Die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs ist so stark, dasskrümmt den Raum. Es fungiert als eine Art Lupe, weshalb der Schatten dieses kosmischen Objekts größer erscheint, als er tatsächlich ist. Wissenschaftler des Event Horizon Telescope (EHT) untersuchten diese visuelle Verzerrung und fanden heraus, dass die tatsächliche Größe des Schattens des Schwarzen Lochs M87 mit den Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt.
Wie Keiichi Asada, Mitglied des wissenschaftlichen Rates des EHT, erklärteund Experte für Radiobeobachtungen von Schwarzen Löchern am Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica, ihre Methode ist „eine völlig neue Möglichkeit, die allgemeine Relativitätstheorie mithilfe supermassiver Schwarzer Löcher zu testen“.
Wie sind Wissenschaftler zu ihren Schlussfolgerungen gekommen?
Als der erste im April 2019 veröffentlicht wurdeDas Bild eines Schwarzen Lochs wurde zu einer überzeugenden Bestätigung von Albert Einsteins Gravitationstheorie oder allgemeiner Relativitätstheorie. Die Theorie beschreibt nicht nur, wie Materie die Raumzeit verzerrt, sondern sagt auch die Existenz von Schwarzen Löchern selbst voraus, einschließlich der Größe von der Schatten, den das Schwarze Loch auf das helle Scheibenmaterial wirft, das sich um einige dichte Objekte dreht.
Zur Durchführung des Tests nutzte das Team das erstejemals aufgenommenes Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Nachbargalaxie M87 in einer Entfernung von etwa 55 Millionen Lichtjahren, aufgenommen vom EHT im vergangenen Jahr.
Ikonisches Bild von supermassivem SchwarzLoch zeigte, dass der Schatten hinsichtlich seiner Größe vollständig den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie entspricht. Mit anderen Worten: Einstein hatte Recht – wieder einmal.
Dieses Ergebnis, das von Event Horizon Telescope Collaboration gemeldet wurde, beantwortete eine Frage: Entspricht die Größe des Schwarzen Lochs M87 der allgemeinen Relativitätstheorie?
Aber „es ist sehr schwierig, das Gegenteil zu beantwortenDie Frage ist: Wie viel kann ich die allgemeine Relativitätstheorie optimieren und trotzdem die Messungen von [dem Schwarzen Loch] anpassen? “, sagte der Wissenschaftler des EHT-Teams, Dimitrios Psaltis von der Universität von Arizona in Tucson. Diese Frage ist von entscheidender Bedeutung, da es immer noch möglich ist, dass eine andere Gravitationstheorie das Universum beschreibt, sich jedoch als allgemeine Relativitätstheorie tarnt.
Einsteins Wahrscheinlichkeit, falsch zu liegen, wurde 500-mal gesenkt
In einer Studie, die am 1. Oktober in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, nutzten Psaltis und Kollegen den Schatten des Schwarzen Lochs M87, um einen wichtigen Schritt zur Widerlegung dieser alternativen Theorien zu unternehmen.
Das Team führte eine sehr umfassende Analyse von vielen durchModifikationen der allgemeinen Relativitätstheorie, um ein einzigartiges Merkmal der Gravitationstheorie zu definieren, das die Größe des Schattens eines Schwarzen Lochs bestimmt. Wissenschaftler haben sich auf eine Reihe von Alternativen konzentriert, die alle vorherigen Tests im Sonnensystem bestanden haben.
„Mit dem von uns entwickelten Sensor haben wirzeigten, dass die gemessene Größe des Schwarzlochschattens in M87 den Spielraum für Modifikationen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie im Vergleich zu früheren Tests im Sonnensystem um fast das 500-fache einschränkt “, erklärt Ferial Ozel, Professor für Astrophysik in Uarizona, leitendes Mitglied der EHT-Kollaboration. "Viele Möglichkeiten, die allgemeine Relativitätstheorie zu modifizieren, scheitern in diesem neuen und härteren Schatten-Test für Schwarze Löcher."
Eine Visualisierung eines neuen Sensors, der die Vorhersagen modifizierter Schwerkrafttheorien anhand einer Messung der Größe des Schattens von M87 testen soll.
Bildnachweis: D. Psaltis, University of Arizona; EHT
Um von den Ergebnissen überzeugt zu sein, Wissenschaftlernutzte die Größe eines Schwarzen Lochs, um einen sogenannten Test der Allgemeinen Relativitätstheorie „zweiter Ordnung“ durchzuführen. Dies sei „im Sonnensystem unmöglich“, weil das Gravitationsfeld zu schwach sei, erklärt Leah Medeiros vom Institute for Advanced Study in Princeton, ebenfalls Mitglied des EHT.
Einsteins theoretische Tests
Im Allgemeinen präsentieren Physiker jetzt eine allgemeine TheorieRelativitätstheorie als eine Reihe von Korrekturen oder Ergänzungen zu Newtons Gravitationstheorie. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, wie diese Aufbauten aussehen sollten. Wenn Messungen der Funktionsweise der Schwerkraft im Universum von diesen Vorhersagen abweichen, wissen die Physiker, dass die allgemeine Relativitätstheorie nicht alles ist. Je mehr Ergänzungen oder Faktoren zum Test hinzugefügt werden, desto mehr Vertrauen in das Ergebnis. Neue Tests und Kontrollen an Schwarzen Löchern werden nicht lange auf sich warten lassen.
Simulation der Darstellung des Schwarzen Lochs M87die Bewegung des Plasmas, wenn es um das Schwarze Loch wirbelt. Der helle, dünne Ring, der in Blau zu sehen ist, ist der Rand dessen, was wir den Schatten eines Schwarzen Lochs nennen. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Wenn jedoch die allgemeine Relativitätstheorie bestätigt wurde, warum sind einige Physiker mit den Ergebnissen unzufrieden? Der Punkt ist, dass die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik in Konflikt steht.
Relativitätstheorie vs. Quantenmechanik: Die Schlacht des Universums
Physiker haben jahrzehntelang versucht, zwei sehr unterschiedliche Theorien miteinander in Einklang zu bringen. Und wenn mit der allgemeinen Relativitätstheorie alles klar ist, warum weigert sich dann die Quantenmechanik, Einsteins Gesetzen zu gehorchen?
Physiker haben derzeit zwei getrennteeine Reihe von Regeln, die erklären, wie die Natur funktioniert. Es gibt eine allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft und alles, was sie bestimmt, perfekt erklärt: die Rotation von Planeten, kollidierende Galaxien, die Dynamik des expandierenden Universums als Ganzes. Das ist die „Wissenschaft vom Großen“.
Und es gibt auch die Quantenmechanik, die sich damit beschäftigtmit drei anderen Kräften – Elektromagnetismus und zwei Kernkräften. Die Quantentheorie ist äußerst geschickt darin, zu beschreiben, was passiert, wenn ein Uranatom zerfällt oder wenn einzelne Lichtteilchen in eine Solarzelle eindringen. Das ist die „Wissenschaft der kleinen Dinge“.
Quantenmechanik - ein Abschnitt der TheoriePhysik, die physikalische Phänomene beschreibt, bei denen die Wirkung in ihrer Größe mit der Planck-Konstante vergleichbar ist. Die Vorhersagen der Quantenmechanik können sich erheblich von den Vorhersagen der klassischen Mechanik unterscheiden.
Das Aufeinandertreffen wirklich unvereinbarer Beschreibungen der Realität
Nun zum Problem:Die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik sind grundlegend unterschiedliche Theorien, die unterschiedliche Formulierungen haben. Dies ist nicht nur eine Frage der wissenschaftlichen Terminologie; es ist ein Zusammenprall von wirklich inkompatiblen Beschreibungen der Realität.
Der Konflikt zwischen den beiden Hälften der Physik braut sich seit über einem Jahrhundert zusammen - provoziert durch einige von Einsteins Werken im Jahr 1905, von denen eines die Relativitätstheorie und das andere das Quantum beschreibt.
Im Wesentlichen kann man sich eine Aufteilung zwischen vorstellenRelativitätstheorie und Quantensysteme als „glatt“ und „kurz“. In der Allgemeinen Relativitätstheorie sind Ereignisse kontinuierlich und deterministisch, was bedeutet, dass jede Ursache einer bestimmten lokalen Wirkung entspricht.
In der Quantenmechanik werden Ereignisse verursacht durchWechselwirkungen subatomarer Teilchen erfolgen sprunghaft (ja, Quantensprünge) mit eher probabilistischen als eindeutigen Ergebnissen. Quantenregeln ermöglichen Verbindungen, die in der klassischen Physik verboten sind. Dies wurde in einem viel diskutierten Experiment nachgewiesen. Dann zeigten Wissenschaftler, dass zwei Teilchen – in diesem Fall Elektronen – einander sofort beeinflussen können, selbst wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind. Wenn man versucht, glatte relativistische Gesetze in einem prägnanten Quantenstil zu interpretieren oder umgekehrt, laufen die Dinge nicht nach Plan.
Sinnlose Antworten
Die Relativitätstheorie gibt sinnlose Antworten, wennSie versuchen, es auf eine Quantengröße zu reduzieren und fallen schließlich in Ihrer Beschreibung der Schwerkraft auf unendliche Werte. Ebenso stößt die Quantenmechanik auf ernsthafte Probleme, wenn Sie sie auf kosmische Proportionen aufblasen. Quantenfelder tragen selbst im scheinbar leeren Raum eine bestimmte Energiemenge, und die Energiemenge nimmt mit zunehmenden Feldern zu. Nach Einstein sind Energie und Masse gleichwertig (diese Meldung lautet E = mc 2), sodass die Akkumulation von Energie genau der Akkumulation von Masse entspricht. Groß genug, damit die Energiemenge in Quantenfeldern so groß wird, dass ein Schwarzes Loch entsteht, das das Universum zwingt, sich in sich selbst zu falten. Wie Sie sehen, geschieht dies jedoch nicht.
Einfach ausgedrückt ist die Quantenmechanik nicht mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar, da in der Quantenfeldtheorie Kräfte lokal durch den Austausch genau definierter Quanten wirken.
Was ist das Endergebnis?
Infolgedessen ist das neue Ergebnis etwas enttäuschend.Physiker, die hoffen, Risse in Einsteins Theorie zu finden. Das Finden einer Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie könnte den Weg zu einer neuen Physik weisen. Oder es könnte helfen, die allgemeine Relativitätstheorie, die Physik der sehr großen und die Quantenmechanik zu kombinieren, die führende Theorie, die die Physik sehr kleiner Objekte wie subatomarer Teilchen und Atome beschreibt. Die Tatsache, dass die allgemeine Relativitätstheorie sich immer noch weigert zu gehorchen, „beunruhigt diejenigen von uns, die alt genug sind, um zu hoffen, in unserem Leben eine Antwort zu erhalten“, sagt Psaltis.
Das Testen der Gravitationstheorie ist eine ständige Suche:Sind die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie für verschiedene astrophysikalische Objekte gut genug, damit sich Astrophysiker keine Gedanken über mögliche Unterschiede oder Modifikationen der allgemeinen Relativitätstheorie machen?
Darstellung verschiedener Stärken von Gravitationsfeldern,erkundet mit kosmologischen Tests, Sonnensystemtests und Schwarzen Löchern. Bildnachweis: D. Psaltis, Universität von Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Zukünftige Beobachtungen mit dem EHT werden jedoch noch mehr bewirkenpräzise Tests der allgemeinen Relativitätstheorie, insbesondere mit unveröffentlichten Bildern von Sgr A * (Schütze A *), einem Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Mit viel genaueren Messungen der Sgr A * -Masse als jedes andere supermassereiche Schwarze Loch könnte dieses Bild die allgemeine Relativitätstheorie verändern.
Schütze A *. Dieses Bild wurde von Chandra, dem Röntgenobservatorium der NASA, aufgenommen. Leichte Echos sind mit Ellipsen markiert. Vollbild - 12,5 Bogenminuten (Quelle)
„Bilder von Schwarzen Löchern enthüllen allesein neuer Blickwinkel, um Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu testen“, erklärt Michael Kramer, Direktor des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und Mitglied der EHT-Kollaboration.
"Zusammen mit der Beobachtung von Gravitationswellen markiert dies den Beginn einer neuen Ära in der Astrophysik des Schwarzen Lochs", ist sich Psaltis sicher.
„Wenn wir ein Bild eines Schwarzen Lochs im Zentrum unserer eigenen Galaxie erhalten, können wir die Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie weiter begrenzen“, schließt Ozel.
Wird Einstein dann Recht haben? Und was ist das Schicksal der Quantenmechanik?
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