Kako je sve počelo?
Krajem devetnaestog stoljeća fizika se našla u krizi: bilo je savršenih
Posebna teorija relativnosti
Međutim, nitko od tih eminentnih fizičarauspio sastaviti cijelu priču. Nada je ostala u mladom Albertu Einsteinu, koji je u to vrijeme već počeo pristupati problemu na nov način. U dobi od šesnaest godina pitao se kako bi bilo putovati sa snopom svjetlosti? Do 1905. pokazao je da rezultati Fitzgeralda i Lorentza slijede iz jedne jednostavne, ali radikalne pretpostavke: zakoni fizike i brzina svjetlosti moraju biti isti za sve promatrače koji se jednoliko kreću, bez obzira na njihovo stanje relativnog gibanja.
Da bi ovo "radilo", ima više prostora i vremenane može biti nezavisna. Umjesto toga, one se "pretvaraju" jedna u drugu na takav način da brzina svjetlosti ostaje konstantna za sve promatrače. To je razlog zašto se čini da se pokretni objekti skupljaju, kao što su teoretizirali Fitzgerald i Lorentz, i zašto promatrači u pokretu mogu drugačije mjeriti vrijeme, kao što je teoretizirao Poincaré. Prostor i vrijeme su relativni, tj. Odnosno, ovise o kretanju promatrača koji ih mjeri - a svjetlost je temeljnija od oboje. To je osnova Einsteinove posebne teorije relativnosti ("posebna" se odnosi na ograničenje jednolikog gibanja).
Načelo ekvivalencije
Ubrzo nakon što je završio svoju specijalnu teorijuEinstein je imao "najsretniju misao u svom životu". Dogodilo se to 1907. dok je sjedio u svojoj stolici u patentnom uredu u Bernu i pitao se kako bi bilo pokušati ispustiti loptu dok pada sa strane zgrade. Einstein je shvatio da osoba koja ubrzava s loptom prema dolje neće moći otkriti učinak gravitacije na nju. Promatrač može «transformirati» gravitacije (barem u neposrednoj blizini) jednostavnim prelaskom u ovaj ubrzani referentni okvir - bez obzira na to koji objekt ispušten. Gravitacija je (lokalno) ekvivalentna ubrzanju. To je načelo jednakosti.
Da shvati koliko je zapravo divannačelo ekvivalencije, zamislite što bi se dogodilo kada bi gravitacija djelovala na isti način kao i druge sile. Da je gravitacija poput elektriciteta, na primjer, tada bi kuglice s više naboja bile jače privučene Zemlji i stoga bi padale brže od kuglica s manje naboja. Ne bi postojao način transformacije takvih učinaka prelaskom na isti ubrzani referentni okvir za sve objekte. Ali gravitacija je "slijepa za materiju" - ona jednako utječe na sve objekte. Iz te činjenice Einstein je izveo impresivan zaključak da gravitacija ne ovisi o svojstvima materije (kao što npr. elektricitet ovisi o električnom naboju). Umjesto toga, fenomen gravitacije mora potjecati iz nekog svojstva prostor-vremena.
Gravitacija kao zakrivljeni prostor-vrijeme
Einstein je na kraju odredio svojstvoprostor-vrijeme, koje je odgovorno za gravitaciju, kao i za njenu zakrivljenost. Prostor i vrijeme u Einsteinovom svemiru više nisu ravni (kako je Newton implicitno pretpostavio), već ih materija može vući, rastezati i savijati. Gravitacija se najjače osjeća tamo gdje je prostorvrijeme najzakrivljenije, a nestaje tamo gdje je prostorvrijeme ravno. To je bit Einsteinove teorije opće relativnosti koja se često može izraziti riječima: "materija govori prostorvremenu kako da se savija, a zakrivljeni prostorvrijeme govori materiji kako da se kreće."
Standardni način ilustriranja ove ideje je −postavite kuglu za kuglanje (koja predstavlja, na primjer, masivni objekt kao što je Sunce) na rastegnutu gumenu ploču (koja predstavlja prostor-vrijeme). Ako se lopta stavi na gumeni lim, ona će se otkotrljati prema kugli za kuglanje i čak se može dovesti u "orbitu" oko kugle za kuglanje. To nije zato što manju masu "vuče" sila koja proizlazi iz veće, već zato što se kreće po površini koja je deformirana prisutnošću veće mase.
Slično, gravitacija u Einsteinovoj teorijine nastaje kao sila koja se širi kroz prostor-vrijeme, već kao karakteristika samog prostor-vremena. Prema Einsteinu, vaša težina na Zemlji je posljedica vašeg tijela koje putuje kroz zakrivljeni prostor-vrijeme.
Opća teorija relativnosti
Opća teorija relativnosti (GR)allgemeine Relativitätstheorie) je geometrijska teorija gravitacije koja razvija specijalnu teoriju relativnosti (SRT). Ova teorija postulira da su gravitacijske i inercijalne sile iste prirode.
Iz toga slijedi da su gravitacijski učincinisu uzrokovane interakcijom sila tijela i polja smještenih u prostor-vremenu, već deformacijom samog prostor-vremena, što je posebno povezano s prisutnošću mase-energije.
Opća teorija relativnosti razlikuje se od ostalih metričkih teorija gravitacije korištenjem Einsteinovih jednadžbi za povezivanje zakrivljenosti prostor-vremena s materijom prisutnom u njemu.
Opća teorija relativnosti je fizički utemeljenana principu ekvivalencije, ali ova teorija ima drugu, više matematičku osnovu. Poznat kao princip opće kovarijacije, ovo je zahtjev da zakon univerzalne gravitacije bude isti za sve promatrače, čak i one koji ubrzavaju, bez obzira na koordinate u kojima je opisan. Upravo iz tog razloga Einstein je svoju novu teoriju nazvao "općom", a ne "posebnom" relativnošću - uklonio je prethodno postojeće ograničenje na jednoliko pokretne promatrače. Pokazalo se da je ovo najteži problem s kojim se Einstein ikada suočio. Kako je kasnije rekao, izražavanje fizikalnih zakona bez koordinata je poput "opisivanja misli bez riječi". Fizičar je morao savladati apstraktnu matematiku površina i njihov opis u terminima tenzora.
Što su znanstvenici otkrili?
Gravitacija crne rupe je toliko jaka dasavija prostor. Djeluje kao neka vrsta povećala, zbog čega se sjena ovog kozmičkog objekta čini većom nego što zapravo jest. Znanstvenici Event Horizon Telescope (EHT) proučavali su ovu vizualnu distorziju i otkrili da stvarna veličina sjene crne rupe M87 odgovara predviđanjima Einsteinove opće teorije relativnosti.
Kako je rekao Keiichi Asada, član znanstvenog vijeća EHT-ai stručnjaka za radijska promatranja crnih rupa na Institutu za astronomiju i astrofiziku Academia Sinica, njihova je metoda "potpuno novi način testiranja opće relativnosti pomoću supermasivnih crnih rupa".
Kako su znanstvenici došli do svojih zaključaka?
Kada je prvi objavljen u travnju 2019slika crne rupe, postala je snažna potvrda teorije gravitacije Alberta Einsteina ili opće relativnosti. Teorija ne samo da opisuje kako materija iskrivljuje prostor-vrijeme, već predviđa i samo postojanje crnih rupa, uključujući veličinu sjena koju baca crna rupa na svijetli materijal diska koji se okreće oko nekih gustih objekata.
Za provođenje testa tim je koristio prviikad snimljena slika supermasivne crne rupe u središtu susjedne galaksije M87, udaljene oko 55 milijuna svjetlosnih godina, koju je snimio EHT prošle godine.
Kultna slika supermasivne crne bojerupa je pokazala da sjena u potpunosti odgovara predviđanjima opće teorije relativnosti glede svoje veličine. Drugim riječima, Einstein je opet bio u pravu.
Ovaj rezultat, objavljen od Event Horizon Telescope Collaboration, odgovara na jedno pitanje: Je li veličina crne rupe M87 u skladu s općom relativnošću?
Ali „jako je teško odgovoriti suprotnopitanje je: koliko mogu podesiti opću relativnost i još uvijek odgovarati mjerenjima [crne rupe]?” rekao je znanstvenici EHT tima Dimitrios Psaltis sa Sveučilišta Arizona u Tucsonu. Ovo pitanje je ključno jer je još uvijek moguće da je neka druga teorija gravitacije mogla opisati svemir, ali se prerušila u opću relativnost.
Einsteinova šansa da pogriješi smanjena je za faktor 500
U studiji objavljenoj 1. listopada u Physical Review Letters, Psaltis i suradnici koristili su sjenu crne rupe M87 kako bi poduzeli važan korak prema razotkrivanju ovih alternativnih teorija.
Tim je proveo vrlo široku analizu mnogihmodifikacije opće relativnosti kako bi se definirala jedinstvena značajka teorije gravitacije koja određuje veličinu sjene crne rupe. Znanstvenici su se usredotočili na brojne alternative koje su prošle sve prethodne testove u Sunčevom sustavu.
“Upotrebom senzora koji smo razvili, mipokazalo je da izmjerena veličina sjene crne rupe u M87 sužava prostor za modifikacije Einsteinove opće teorije relativnosti za faktor od gotovo 500 u usporedbi s prethodnim testovima u Sunčevom sustavu,” objašnjava profesor astrofizike u Uarizoni Ferial Ozel, viši član EHT suradnji. "Mnogi načini za promjenu opće relativnosti ne uspijevaju u ovom novom i strožem testu sjene crne rupe."
Vizualizacija novog senzora dizajniranog za testiranje predviđanja modificiranih teorija gravitacije u odnosu na mjerenje veličine sjene M87.
Zasluge: D. Psaltis, Sveučilište u Arizoni; EHT
Da bi bili sigurni u rezultate, znanstvenicikoristio veličinu crne rupe za izvođenje onoga što je poznato kao test "drugog reda" opće relativnosti. To je "nemoguće učiniti u Sunčevom sustavu" jer je gravitacijsko polje preslabo, objašnjava Leah Medeiros s Instituta za napredne studije na Princetonu, također član EHT-a.
Testiranje Einsteinove teorije
Općenito, sada fizičari predstavljaju opću teorijurelativnost kao skup ispravaka ili dodataka Newtonovoj teoriji gravitacije. Opća teorija relativnosti predviđa kakve bi te nadgradnje trebale biti. Ako mjerenja djelovanja gravitacije u svemiru odstupaju od ovih predviđanja, onda fizičari znaju da opća teorija relativnosti nije sve. Što je više dodataka ili čimbenika dodano testu, to je više povjerenja u rezultat. Novi testovi i provjere crnih rupa neće vas natjerati da čekate.
Simulacija prikaza crne rupe M87gibanje plazme dok kruži oko crne rupe. Svijetli, tanki prsten koji se vidi u plavoj boji je rub onoga što nazivamo sjenom crne rupe. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Ozel; UArizona; IAS.
Međutim, ako je opća teorija relativnosti potvrđena, zašto su neki fizičari nezadovoljni rezultatima? Činjenica je da je opća teorija relativnosti u sukobu s kvantnom mehanikom.
Relativnost protiv kvantne mehanike: Bitka za svemir
Fizičari su desetljećima pokušavali pomiriti dvije vrlo različite teorije. A ako je s općom teorijom relativnosti sve jasno, zašto onda kvantna mehanika odbija poštivati Einsteinove zakone?
Fizičari trenutno imaju dvije odvojeneskup pravila koja objašnjavaju kako priroda funkcionira. Postoji opća teorija relativnosti koja savršeno objašnjava gravitaciju i sve što ona određuje: rotaciju planeta, sudaranje galaksija, dinamiku širenja Svemira u cjelini. Ovo je «znanost velikih stvari».
A postoji i kvantna mehanika, koja se bavis tri druge sile – elektromagnetizmom i dvije nuklearne sile. Kvantna teorija izuzetno je vješta u opisivanju onoga što se događa kada se atom urana raspadne ili kada pojedinačne čestice svjetlosti uđu u solarnu ćeliju. Ovo je «znanost malih stvari».
Kvantna mehanika je grana teorijskefizike, koja opisuje fizičke pojave u kojima je djelovanje usporedivo po veličini s Planckovom konstantom. Predviđanja kvantne mehanike mogu se značajno razlikovati od predviđanja klasične mehanike.
Sukob uistinu nespojivih opisa stvarnosti
Sada na problem:Teorija relativnosti i kvantna mehanika u osnovi su različite teorije koje imaju različite formulacije. Ovo nije samo stvar znanstvene terminologije; to je sraz uistinu nespojivih opisa stvarnosti.
Sukob između dviju polovica fizike sprema se više od jednog stoljeća - izazvan parom Einsteinovih radova iz 1905. godine, od kojih jedan opisuje teoriju relativnosti, a drugi - kvantnu.
U biti možete zamisliti podjelu izmeđuteorija relativnosti i kvantni sustavi kao “glatki” i “kratki”. U općoj teoriji relativnosti događaji su kontinuirani i deterministički, što znači da svaki uzrok odgovara određenom lokalnom učinku.
U kvantnoj mehanici, događaji uzrokovaniinterakcije subatomskih čestica događaju se u skokovima (da, kvantnim skokovima) s vjerojatnim, a ne definitivnim rezultatima. Kvantna pravila dopuštaju veze koje klasična fizika zabranjuje. To je pokazano u eksperimentu o kojem se naširoko raspravljalo. Zatim su znanstvenici pokazali da dvije čestice - u ovom slučaju elektroni - mogu trenutačno utjecati jedna na drugu, čak i ako su udaljene miljama. Kada pokušavate protumačiti glatke relativističke zakone u sažetom kvantnom stilu, ili obrnuto, stvari ne idu po planu.
Besmisleni odgovori
Relativnost daje besmislene odgovore kadapokušavate ga svesti na kvantnu veličinu, na kraju potonuti na beskonačne vrijednosti u vašem opisu gravitacije. Slično, kvantna mehanika nailazi na ozbiljne probleme kada je raznesete do kozmičkih dimenzija. Kvantna polja nose određenu količinu energije čak i u naizgled praznom prostoru, a količina energije postaje sve veća kako se polja povećavaju. Prema Einsteinu, energija i masa su ekvivalentne (ova poruka je E = mc 2 ), tako da je akumulacija energije upravo kao akumulacija mase. Dovoljno velika, a količina energije u kvantnim poljima postat će tolika da će stvoriti crnu rupu koja uzrokuje da se svemir savija u sebe. Međutim, kao što vidite, to se ne događa.
Jednostavno rečeno, kvantna mehanika je nekompatibilna s općom relativnošću jer, u kvantnoj teoriji polja, sile djeluju lokalno kroz razmjenu dobro definiranih kvanta.
Koji je zaključak?
Na kraju je novi rezultat pomalo razočaravajući.fizičari koji se nadaju da će pronaći pukotine u Einsteinovoj teoriji. Otkriće odstupanja od opće teorije relativnosti moglo bi ukazati na put do nove fizike. Ili bi moglo pomoći ujediniti opću relativnost, fiziku vrlo velikih i kvantnu mehaniku, vodeću teoriju koja opisuje fiziku vrlo malih objekata kao što su subatomske čestice i atomi. Činjenica da opća teorija relativnosti još uvijek odbija poslušati “zabrinjava one od nas koji smo dovoljno stari i koji su se nadali da ćemo dobiti odgovor za života”, kaže Psaltis.
Testiranje teorije gravitacije je stalna potraga za:jesu li predviđanja opće relativnosti dovoljno dobra za razne astrofizičke objekte da astrofizičari ne brinu o eventualnim razlikama ili modifikacijama opće relativnosti?
Ilustracija različite jačine gravitacijskih polja,istražena pomoću kozmoloških testova, testova Sunčevog sustava i crnih rupa. Autorska prava i autorska prava: D. Psaltis, University of Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Međutim, buduća promatranja EHT-a učinit će još višeprecizni testovi opće relativnosti, posebno sa slikama Sgr A* (Strijelac A*), crne rupe u središtu Mliječne staze koje tek treba biti objavljene. Uz daleko točnija mjerenja mase Sgr A* od bilo koje druge supermasivne crne rupe, ova bi slika mogla promijeniti opću relativnost.
Strijelac A*. Ovu je sliku snimio NASA-in rendgenski opservatorij Chandra. Elipse označavaju svjetlosne odjeke. Cijela slika - 12,5 lučnih minuta (izvor)
“Slike crnih rupa potpuno otkrivajunovi kut za testiranje Einsteinove opće teorije relativnosti,” objašnjava Michael Kramer, direktor Instituta Max Planck za radioastronomiju i član EHT suradnje.
"Zajedno s promatranjima gravitacijskih valova, ovo označava početak nove ere u astrofizici crnih rupa", rekao je Psaltis.
"Kada dobijemo sliku crne rupe u središtu naše vlastite galaksije, možemo dodatno ograničiti odstupanja od opće relativnosti", zaključuje Ozel.
Bi li Einstein tada bio u pravu? A kakva je sudbina kvantne mehanike?
Pročitajte i:
Na Zemlji je moguće stvoriti termonuklearni reaktor. Kakve će biti posljedice?
Ledenjak Doomsdaya pokazao se opasnijim nego što su znanstvenici mislili. Kažemo glavno
Na 3. dan bolesti, većina bolesnika s COVID-19 gubi smrad i često pate od curenja iz nosa