Kuinka kaikki alkoi?
Yhdeksännentoista vuosisadan lopulla fysiikka oli kriisissä: siellä oli täydellinen
Erityinen suhteellisuusteoria
Kukaan näistä merkittävistä fyysikoista ei kuitenkaan ole pystynyt kokoamaan koko tarinaa.Toivoa jäi nuorelle Albert Einsteinille, joka tuolloin oli jo alkanut lähestyä ongelmaa uudella tavalla.Kuusitoistavuotiaana hän mietti, millaista olisi matkustaa valonsäteen kanssa.Vuoteen 1905 mennessä hän oli osoittanut, että Fitzgeraldin ja Lorenzin tulokset seurasivatYhdestä yksinkertaisesta mutta radikaalista oletuksesta: fysiikan lakien ja valon nopeuden tulisi olla samat kaikille tasaisesti liikkuville tarkkailijoille riippumatta siitä, onkoniiden suhteellisen liikkeen tilat.
Jotta tämä "toimisi", tila ja aika eivät voi enää olla itsenäisiä.Pikemminkin ne "muuntavat" toisiinsa siten, että valon nopeus pysyy vakiona kaikille tarkkailijoille.Tästä syystä liikkuvat esineet näyttävät olevan puristettuja, kuten Fitzgerald ja Lorenz ehdottivat, ja miksi liikkuvat tarkkailijat voivatTila ja aika ovat suhteellisia, ts.e.ne riippuvatNiitä mittaavan tarkkailijan liikkeet ovat perustavanlaatuisempia kuin molemmat.Tämä on Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian perusta ("erityinen" viittaa yhtenäisen liikkeen rajoittamiseen).
Vastaavuusperiaate
Pian erikoisteoriansa valmistumisen jälkeen Einsteinilla oli "elämäni onnellisin ajatus".Se tapahtui vuonna 1907, kun hän istui tuolillaan Bernin patenttivirastossa ja mietti, millaista olisi yrittää pudottaa pallo putoamalla rakennuksen seinältä.Einstein tajusi, että henkilö, joka kiihtyy pallon kanssa, ei pystyTarkkailija voi "muuntaa" gravitaation (ainakin lähietäisyydellä) yksinkertaisesti siirtymällä tähän nopeutettuun viitekehykseen - riippumatta siitä, onko sePainovoima vastaa (paikallisesti) kiihtyvyyttä.Tämä on vastaavuusperiaate.
Ymmärtääksesi, kuinka merkittävä vastaavuusperiaate todella on, kuvittele, millaista olisi, jos painovoima toimisi samalla tavalla kuin muut voimat.Jos painovoima olisi esimerkiksi kuin sähkö, korkeammalla varauksella varustetut pallot houkuttelisivat enemmän maata ja putoaisivat siksi nopeammin kuin pallot, joilla on pienempi varaus.Ei olisi mitään keinoa muuttaa tällaisia vaikutuksia siirtymällä samaan nopeutettuun viitekehykseen kaikille kohteille.Mutta painovoima on "sokea aineelle" – se vaikuttaa kaikkiin kappaleisiin samalla tavalla.Tästä tosiasiasta Einstein teki vaikuttavan johtopäätöksen, että painovoima on riippumatonaineen ominaisuudet (kuten esimerkiksi sähkö riippuuGravitaatioilmiön täytyy pikemminkin tulla jostakin aika-avaruuden ominaisuudesta.
Painovoima kaarevana avaruusaikana
Lopulta Einstein määritteli painovoimasta vastaavan aika-avaruuden ominaisuuden sen kaarevuudeksi.Avaruus ja aika Einsteinin maailmankaikkeudessa eivät ole enää litteitä (kuten Newton implisiittisesti oletti), mutta voivatPainovoima tuntuu voimakkaimmin siellä, missä aika-avaruus on kaarevin ja katoaaTämä on Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ydin, joka voidaan usein ilmaista sanoilla: "aine saneleeAika-avaruus kertoo aineelle, miten taipua, ja kaareva aika-avaruus kertoo aineelle, miten liikkua."
Tavallinen tapa havainnollistaa tätä ajatusta on -aseta keilapallo (joka edustaa esimerkiksi massiivista esinettä kuten aurinkoa) venytetylle kumilevylle (edustaa aika-aikaa). Jos laitat pallon kumilevylle, se pyörii kohti keilapalloa ja voidaan jopa laittaa "kiertoradalle" keilapallon ympärille. Tämä ei johdu siitä, että pienempää massaa "houkuttelee" isommasta lähtevä voima, vaan koska se liikkuu pintaa pitkin, joka on deformoitunut suuremman massan läsnäolon vuoksi.
Samoin painovoima Einsteinin teoriassasyntyy ei aika-tilassa etenevänä voimana, vaan pikemminkin itse aika-ajan ominaisuutena. Einsteinin mukaan painosi maapallolla johtuu siitä, että kehosi kulkee kaarevassa aika-ajassa.
Suhteellisuusteoria
Yleinen suhteellisuusteoria (yleinen suhteellisuusteoria; se. allgemeine Relativitätstheorie) on geometrinen gravitaatioteoria, joka kehittää erityistä suhteellisuusteoriaa (SRT), joka oletetaan, että gravitaatio- ja inertiavoimat ovat luonteeltaan samanlaisia.
Tästä seuraa, että painovoima vaikutuksiaeivät johdu aika-avaruudessa olevien kappaleiden ja kenttien voiman vuorovaikutuksesta, vaan itse aika-ajan muodonmuutoksesta, joka liittyy erityisesti massa-energian läsnäoloon.
Yleinen suhteellisuusteoria eroaa muista gravitaation metrisista teorioista käyttämällä Einsteinin yhtälöitä avaruuskaaren ja sen läsnä olevan aineen yhdistämiseen
Yleinen suhteellisuusteoria perustuu fyysisestivastaavuusperiaatteella, mutta tällä teorialla on toinen matemaattisempi perusta. Tämä tunnetaan yleisen kovarianssin periaatteena, ja tämä edellyttää, että yleisen painovoiman laki on sama kaikille tarkkailijoille, myös kiihtyville, riippumatta koordinaateista, joissa se on kuvattu. Tästä syystä Einstein kutsui uutta teoriaansa "yleiseksi" eikä "erityiseksi" suhteellisuusteoriaksi - hän poisti aiemmin voimassa olevan rajoituksen tasaisesti liikkuville tarkkailijoille. Tämä osoittautui vaikeimmaksi ongelmaksi, jonka Einstein on koskaan kohdannut. Kuten hän myöhemmin sanoi, fyysisten lakien ilmaiseminen ilman koordinaatteja on kuin "ajatusten kuvaaminen ilman sanoja". Fyysikon täytyi hallita abstrakti matemaattinen pinta-ala ja niiden kuvaus tensoreiden suhteen.
Mitä tutkijat selvisivät?
Mustan aukon painovoima on niin vahva, ettätaivuttaa tilaa. Se toimii eräänlaisena suurennuslasina, minkä vuoksi tämän kosmisen esineen varjo näyttää suuremmalta kuin se todellisuudessa on. Event Horizon Telescope (EHT) -tutkijat tutkivat tätä visuaalista vääristymää ja havaitsivat, että mustan aukon M87 varjon todellinen koko vastaa Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennusteita.
Kuten EHT:n tieteellisen neuvoston jäsen Keiichi Asada totesija mustien aukkojen radiohavaintojen asiantuntija Academia Sinica Astronomy and Astrophysics -instituutissa, heidän menetelmänsä on "täysin uusi tapa testata yleistä suhteellisuusteoriaa supermassiivisten mustien aukkojen avulla."
Kuinka tutkijat tulivat johtopäätöksiinsä?
Kun ensimmäinen julkaistiin huhtikuussa 2019kuva mustasta aukosta, siitä tuli voimakas vahvistus Albert Einsteinin painovoimateorialle tai yleiselle suhteellisuusteorialle. Teoria ei ainoastaan kuvaa sitä, kuinka aine vääristää aika-avaruutta, vaan myös ennustaa mustien aukkojen olemassaolon, mukaan lukien niiden koon. mustan aukon varjo kirkkaalle levymateriaalille, joka pyörii joidenkin tiheiden esineiden ympärillä.
Testin suorittamiseen ryhmä käytti ensimmäistäEHT:n viime vuonna ottama kuva supermassiivisesta mustasta aukosta naapurigalaksin M87:n keskustassa noin 55 miljoonan valovuoden etäisyydellä.
Ikoninen kuva supermassiivisesta mustastareikä osoitti, että varjo vastaa täysin yleisen suhteellisuusteorian ennusteita sen koosta. Toisin sanoen Einstein oli oikeassa – jälleen.
Tämä tulos, jonka raportoi Event Horizon Telescope Collaboration, vastasi yhteen kysymykseen: Vastaako M87: n mustan aukon koko yleistä suhteellisuutta?
Mutta "on hyvin vaikea vastata päinvastoinkysymys kuuluu: kuinka paljon voin säätää yleistä suhteellisuusteoriaa ja silti sovittaa [mustan aukon] mittaukset? ", kertoivat EHT-ryhmän tutkijat Dimitrios Psaltis Arizonan yliopistosta Tucsonista. Tämä kysymys on avainasemassa, koska on silti mahdollista, että jokin muu painovoiman teoria voisi kuvata maailmankaikkeutta, mutta peitti itsensä yleiseksi suhteellisuusteoriaksi.
Einsteinin todennäköisyys olla väärässä on pienentynyt kertoimella 500
Physical Review Lettersissä 1. lokakuuta julkaistussa tutkimuksessa Psaltis ja hänen kollegansa käyttivät mustan aukon M87 varjoa ottaakseen tärkeän askeleen näiden vaihtoehtoisten teorioiden kumoamiseksi.
Tiimi teki erittäin laajan analyysin monistamodifikaatiot yleiseen suhteellisuusteoriaan painovoimateorian ainutlaatuisen ominaisuuden määrittämiseksi, joka määrittää mustan aukon varjon koon. Tutkijat ovat keskittyneet useisiin vaihtoehtoihin, jotka ovat läpäisseet kaikki aikaisemmat testit aurinkokunnassa.
"Kehitetyn anturin avulla meosoitti, että M87: n mustan aukon varjon mitattu koko kaventaa Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian muokkaustilaa melkein 500 kertaa verrattuna aikaisempiin aurinkokunnan kokeisiin ", kertoo Uarizonan astrofysiikan professori Ferial Ozel, EHT-yhteistyö. "Monet uudet suhteellisen relatiivisuuden muutostavat epäonnistuvat tässä uudessa ja tiukemmassa mustan aukon varjotestissä."
Uuden anturin visualisointi, joka on suunniteltu testaamaan muunneltujen painovoimateorioiden ennusteita M87:n varjon koon mittaukseen verrattuna.
Luotto: D. Psaltis, Arizonan yliopisto; EHT
Tiedemiehet ollakseen varmoja tuloksistakäytti mustan aukon kokoa yleisen suhteellisuusteorian "toisen asteen" testin suorittamiseen. Tämä on "mahdotonta tehdä aurinkokunnassa", koska gravitaatiokenttä on liian heikko, selittää Leah Medeiros Princetonin instituutista, joka on myös EHT:n jäsen.
Einsteinin teoriakokeet
Yleensä nyt fyysikot esittävät yleisen teoriansuhteellisuusteoria joukona korjauksia tai lisäyksiä Newtonin painovoimateoriaan. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, mitä näiden päällirakenteiden tulisi olla. Jos painovoiman mittaukset universumissa poikkeavat näistä ennusteista, niin fyysikot tietävät, että yleinen suhteellisuusteoria ei ole kaikki. Mitä enemmän lisäyksiä tai tekijöitä lisätään testiin, sitä enemmän luottamus tulokseen. Uusia testejä ja mustien aukkojen tarkastuksia ei ole odotettavissa kauan.
Simulaatio M87: n mustasta aukostaplasman liike, kun se pyörii mustan aukon ympärillä. Kirkas ohut rengas, joka näkyy sinisenä, on reuna sille, mitä kutsumme mustan aukon varjoksi. Kuva: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Jos yleinen suhteellisuusteoria on kuitenkin vahvistettu, miksi jotkut fyysikot ovat tyytymättömiä tuloksiin? Asia on, että yleinen suhteellisuusteoria on ristiriidassa kvanttimekaniikan kanssa.
Suhteellisuusteoria vs. kvanttimekaniikka: taistelu maailmankaikkeudesta
Fyysikot ovat vuosikymmenien ajan yrittäneet sovittaa yhteen kaksi hyvin erilaista teoriaa. Ja jos kaikki on selvää suhteellisen suhteellisuusteorian kanssa, miksi kvanttimekaniikka kieltäytyy noudattamasta Einsteinin lakeja?
Fyysikoilla on tällä hetkellä kaksi erillistäjoukko sääntöjä, jotka selittävät, miten luonto toimii. On olemassa yleinen suhteellisuusteoria, joka selittää täydellisesti painovoiman ja kaiken sen määräävän: planeettojen pyörimisen, törmäävät galaksit, laajenevan maailmankaikkeuden dynamiikan kokonaisuutena. Tämä on «isojen asioiden tiedettä».
Ja siellä on myös kvanttimekaniikka, joka käsitteleekolmen muun voiman kanssa - sähkömagnetismin ja kahden ydinvoiman kanssa. Kvanttiteoria on erittäin taitava kuvaamaan, mitä tapahtuu, kun uraaniatomi hajoaa tai kun yksittäisiä valohiukkasia saapuu aurinkokennoon. Tämä on «pienten asioiden tiedettä».
Kvanttimekaniikka - osa teoreettistafysiikka, joka kuvaa fyysisiä ilmiöitä, joissa toiminta on suuruudeltaan verrattavissa Planckin vakioon. Kvanttimekaniikan ennusteet voivat poiketa merkittävästi klassisen mekaniikan ennusteista.
Todellisuuden yhteensopimattomien kuvausten yhteenotto
Nyt ongelmaan:suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ovat pohjimmiltaan erilaisia teorioita, joilla on erilaiset muotoilut. Kyse ei ole vain tieteellisestä terminologiasta; se on todellisuuden yhteensopimattomien kuvausten yhteenotto.
Konflikti kahden fysiikan puoliskon välillä on ollut jo yli vuosisadan ajan - provosoitu parin Einsteinin teoksella vuonna 1905, joista toinen kuvaa suhteellisuusteoriaa ja toinen kvanttia.
Pohjimmiltaan voit ajatella jakoasuhteellisuusteoria ja kvanttijärjestelmät "sileäksi" ja "lyhyiksi". Yleisessä suhteellisuusteoriassa tapahtumat ovat jatkuvia ja deterministisiä, mikä tarkoittaa, että jokainen syy vastaa tiettyä paikallista vaikutusta.
Kvanttimekaniikassa tapahtumat aiheuttavatsubatomisten hiukkasten vuorovaikutukset tapahtuvat harppauksin (kyllä, kvanttihyppyinä) todennäköisyyspohjaisin tuloksin kuin varmana. Kvanttisäännöt sallivat klassisen fysiikan kieltämät yhteydet. Tämä osoitettiin laajasti keskusteltuun kokeeseen. Sitten tutkijat osoittivat, että kaksi hiukkasta - tässä tapauksessa elektronit - voivat välittömästi vaikuttaa toisiinsa, vaikka ne olisivat kilometrien päässä toisistaan. Kun yrität tulkita sileitä relativistisia lakeja ytimekkäällä kvanttityylillä tai päinvastoin, asiat eivät mene suunnitelmien mukaan.
Merkityksettömät vastaukset
Suhteellisuusteoria antaa merkityksettömiä vastauksia milloinyrität pienentää sitä kvanttikokoon pudoten lopulta äärettömiin arvoihin painovoiman kuvauksessa. Samoin kvanttimekaniikka törmää vakaviin ongelmiin, kun täytät sen kosmisiin mittasuhteisiin. Kvanttikentät kuljettavat tietyn määrän energiaa jopa näennäisesti tyhjässä tilassa, ja energiamäärä kasvaa kenttien kasvaessa. Einsteinin mukaan energia ja massa ovat samanarvoisia (tämä viesti on E = mc 2), joten energian kertyminen on täsmälleen samanlainen kuin massan kertyminen. Tarpeeksi suuri, jotta kvanttikenttien energiamäärä kasvaa niin suureksi, että se luo mustan aukon, joka pakottaa universumin taittumaan itseensä. Kuten näette, tätä ei kuitenkaan tapahdu.
Yksinkertaisesti sanottuna kvanttimekaniikka on yhteensopimaton yleisen suhteellisuusteorian kanssa, koska kvanttikenttäteoriassa voimat vaikuttavat paikallisesti vaihtamalla hyvin määriteltyjä kvantteja.
Mikä lopputulos on?
Tämän seurauksena uusi tulos on hieman pettymys.fyysikot toivovat löytävänsä halkeamia Einsteinin teoriasta. Poikkeaman löytäminen yleisestä suhteellisuusteoriasta voi osoittaa tietä uudelle fysiikalle. Tai se voisi auttaa yhdistämään yleisen suhteellisuusteorian, erittäin suuren fysiikan ja kvanttimekaniikan, johtava teoria, joka kuvaa hyvin pienten esineiden, kuten subatomisten hiukkasten ja atomien, fysiikkaa. Se tosiasia, että yleinen suhteellisuusteoria kieltäytyy tottelemasta, "huolestuttaa meitä, jotka ovat tarpeeksi vanhoja toivomaan vastauksen saamista elämässämme", Psaltis sanoo.
Painovoimateorian testaaminen on jatkuva haku:Ovatko yleisen suhteellisuusteoriaennusteet riittävän hyviä erilaisille astrofyysisille esineille, joita astrofyysikot eivät välitä mahdollisista yleisen suhteellisuusteollisuuden eroista tai muunnoksista?
Kuva painovoimakenttien eri vahvuuksista,tutkittiin kosmologisilla testeillä, aurinkokuntatesteillä ja mustilla aukoilla. Kuvahaku: D. Psaltis, Arizonan yliopisto; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Tulevat havainnot EHT: n kanssa tekevät kuitenkin vielä enemmäntarkat yleisen suhteellisuustestit, erityisesti julkaisemattomilla kuvilla Sgr A *: sta (Jousimies A *), mustasta aukosta Linnunradan keskellä. Paljon tarkemmilla Sgr A * -massan mittauksilla kuin mikään muu supermassiivinen musta aukko tämä kuva voisi muuttaa yleistä suhteellisuutta.
Jousimies A *. Tämän kuvan sieppasi NASA: n röntgentutkimuslaitoksen Chandra. Valokaiku on merkitty ellipsillä. Koko kuva - 12,5 kaariminuuttia (lähde)
"Kuvat mustista aukoista paljastavat täysinuusi näkökulma Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian testaamiseen”, selittää Michael Kramer, Max Planck Institute for Radio Astronomy -instituutin johtaja ja EHT-yhteistyön jäsen.
"Yhdessä gravitaatioaaltojen havaintojen kanssa tämä merkitsee uuden aukon alkua mustien aukkojen astrofysiikassa", Psaltis on varma.
"Kun saamme kuvan mustasta aukosta oman galaksimme keskellä, voimme edelleen rajoittaa poikkeamia yleisestä suhteellisuudesta", Ozel lopettaa.
Onko Einstein oikeassa? Ja mikä on kvanttimekaniikan kohtalo?
Lue myös:
Maapallolle on mahdollista luoda lämpöydinreaktori. Mitkä ovat seuraukset?
Tuomiopäivän jäätikkö osoittautui vaarallisemmaksi kuin tutkijat ajattelivat. Kerromme pääasia
Sairauspäivänä 3 useimmat COVID-19-potilaat menettävät hajuaistunsa ja kärsivät usein nenästä