Hogy kezdődött az egész?
A tizenkilencedik század végén a fizika válságba került: voltak tökéletesek
Speciális relativitáselmélet
E jeles fizikusok közül azonban egyik semsikerült összerakni az egész történetet. A remény a fiatal Albert Einsteinnél maradt, aki akkoriban már új módon kezdett közelíteni a problémához. Tizenhat évesen azon töprengett, milyen lenne egy fénysugárral utazni? 1905-re kimutatta, hogy Fitzgerald és Lorentz eredményei egyetlen egyszerű, de radikális feltevésből következnek: a fizika törvényeinek és a fénysebességnek azonosnak kell lennie minden egyenletesen mozgó megfigyelő számára, függetlenül a relatív mozgás állapotától.
Ahhoz, hogy ez „működjön”, több tér és idő áll rendelkezésrenem lehet független. Inkább úgy "átalakulnak" egymásba, hogy a fénysebesség minden megfigyelő számára állandó marad. Ez az oka annak, hogy a mozgó objektumok zsugorodnak, ahogy Fitzgerald és Lorentz elmélete szerint, és ezért a mozgó megfigyelők eltérően mérhetik az időt, ahogy Poincaré elmélete szerint. A tér és az idő relatív, ti. Vagyis az őket mérő megfigyelő mozgásától függenek – és a fény mindkettőnél alapvetőbb. Ez az alapja Einstein speciális relativitáselméletének (a "speciális" az egyenletes mozgás korlátozására utal).
Az egyenértékűség elve
Nem sokkal azután, hogy befejezte speciális elméletétEinsteinnek "élete legboldogabb gondolata volt". 1907-ben történt, amikor a berni szabadalmi hivatal székében ült, és azon töprengett, milyen lenne, ha megpróbálna elejteni egy labdát, miközben leesik egy épület oldaláról. Einstein rájött, hogy egy labdával lefelé gyorsító személy nem lesz képes érzékelni a gravitáció rá gyakorolt hatását. A megfigyelő «átalakulhat» a gravitáció (legalábbis a közvetlen közelében) egyszerűen ebbe a felgyorsított vonatkoztatási rendszerbe való belépéssel – függetlenül attól, hogy melyik tárgyat ejtik le. A gravitáció (helyileg) egyenértékű a gyorsulással. Ez az egyenértékűség elve.
Hogy megértse, milyen csodálatos is valójábanekvivalencia elvét, képzeld el, mi történne, ha a gravitáció ugyanúgy hatna, mint a többi erő. Ha például a gravitáció olyan lenne, mint az elektromosság, akkor a nagyobb töltésű golyók erősebben vonzódnának a Földhöz, és ezért gyorsabban esnének, mint a kisebb töltésű golyók. Nem lenne mód az ilyen hatások átalakítására úgy, hogy minden objektumnál ugyanarra a gyorsított referenciakeretre lépünk. De a gravitáció „vak az anyagra” – minden tárgyra egyformán hat. Ebből a tényből Einstein arra a lenyűgöző következtetésre jutott, hogy a gravitáció nem függ az anyag tulajdonságaitól (mint például az elektromosság az elektromos töltéstől). A gravitáció jelenségének inkább a téridő valamely tulajdonságából kell származnia.
A gravitáció mint görbe téridő
Einstein végül meghatározta a tulajdonttéridő, amely a gravitációért, valamint annak görbületéért felelős. Einstein univerzumában a tér és az idő már nem lapos (ahogy azt Newton hallgatólagosan feltételezte), hanem az anyag húzhatja, nyújthatja és deformálhatja. A gravitáció ott érződik a legerősebben, ahol a téridő a leginkább görbült, és eltűnik, ahol a téridő lapos. Ez a lényege Einstein általános relativitáselméletének, amelyet gyakran a következő szavakkal lehet kifejezni: "az anyag megmondja a téridőnek, hogyan kell meghajolni, és az ívelt téridő azt mondja meg, hogyan kell mozogni."
Az ötlet bemutatásának szokásos módja:helyezzen egy bowlinggömböt (amely például egy hatalmas tárgyat, például a napot ábrázol) egy kifeszített (a téridőt képviselő) gumilapra. Ha gumilapra teszel egy labdát, az a tekegolyó felé gördül, és akár a bowling körüli "pályára" is tehető. Ez nem azért van, mert a kisebb tömeget "vonzza" a nagyobbból származó erő, hanem azért, mert egy olyan felület mentén mozog, amelyet a nagyobb tömeg jelenléte deformált.
Hasonlóképpen, a gravitáció Einstein elméletébennem a téridőben terjedő erőként merül fel, sokkal inkább magának a téridőnek a jellemzőjeként. Einstein szerint súlya a Földön annak köszönhető, hogy teste görbe téridőben halad.
A relativitáselmélet általános elmélete
Általános relativitáselmélet (általános relativitáselmélet; it.allgemeine Relativitätstheorie) a gravitáció geometriai elmélete, amely a relativitáselmélet (SRT) speciális elméletét fejleszti ki, amely feltételezi, hogy a gravitációs és tehetetlenségi erők azonos természetűek.
Ezért következik, hogy a gravitációs hatásoknem a téridőben elhelyezkedő testek és mezők erő-kölcsönhatása okozza, hanem maga a téridő deformációja, amely különösen a tömeg-energia jelenlétével jár együtt.
Az általános relativitáselmélet abban különbözik a gravitáció többi metrikus elméletétől, hogy Einstein egyenleteivel összehasonlítja a téridő görbületét a benne lévő anyaggal.
Az általános relativitáselmélet fizikai alapúekvivalencia elvén, de ennek az elméletnek van egy második, matematikai alapja is. Az általános kovariancia elveként ismert követelmény, hogy az egyetemes gravitáció törvénye azonos legyen minden megfigyelő számára, még a gyorsulók számára is, függetlenül a koordinátáktól, amelyekben leírják. Éppen ezért Einstein új elméletét "általános" és nem "speciális" relativitáselméletnek nevezte - eltörölte az egyenletesen mozgó megfigyelőkre korábban érvényben lévő korlátozást. Kiderült, hogy ez a legnehezebb probléma, amellyel Einstein valaha is találkozott. Mint később elmondta, a fizikai törvények koordináták nélküli kifejezése olyan, mint "szavak nélküli gondolatok leírása". A fizikusnak el kellett sajátítania a felületek absztrakt matematikáját és azok leírását a tenzorok szempontjából.
Mit tudtak meg a tudósok?
A fekete lyuk gravitációja olyan erős, hogymeghajlítja a teret. Egyfajta nagyítóként működik, ezért ennek a kozmikus objektumnak az árnyéka nagyobbnak tűnik, mint amilyen valójában. Az Event Horizon Telescope (EHT) tudósai tanulmányozták ezt a vizuális torzulást, és megállapították, hogy az M87 fekete lyuk árnyékának tényleges mérete megegyezik Einstein általános relativitáselméletének előrejelzéseivel.
Mint Keiichi Asada, az EHT tudományos tanácsának tagja elmondtaés az Academia Sinica Csillagászati és Asztrofizikai Intézet fekete lyukak rádiós megfigyeléseinek szakértője, módszerük „egy teljesen új módszer az általános relativitáselmélet szupermasszív fekete lyukak segítségével történő tesztelésére”.
Hogyan jutottak a tudósok a következtetéseikre?
Amikor az első megjelent 2019 áprilisábanegy fekete lyuk képe, Albert Einstein gravitációs vagy általános relativitáselméletének erőteljes megerősítése lett. Az elmélet nemcsak azt írja le, hogy az anyag hogyan torzítja a téridőt, hanem megjósolja a fekete lyukak létezését is, beleértve a lyukak méretét is. a fekete lyuk árnyéka a fényes lemezanyagra, amely néhány sűrű objektum körül forog.
A teszt elvégzéséhez a csapat az elsőt használtaA szomszédos M87 galaxis középpontjában, mintegy 55 millió fényév távolságra lévő szupermasszív fekete lyukról készült örökké készült felvétel, amelyet az EHT tavaly készített.
A szupermasszív fekete ikonikus képelyuk kimutatta, hogy az árnyék teljes mértékben megfelel az általános relativitáselmélet előrejelzéseinek a méretét illetően. Más szóval, Einsteinnek ismét igaza volt.
Ez az eredmény, amelyet az Event Horizon Telescope Collaboration jelentett, egy kérdésre adott választ: Megegyezik-e az M87 fekete lyukának mérete az általános relativitáselmélettel?
De „nagyon nehéz az ellenkezőjét megválaszolnia kérdés az, hogy mennyire tudok csípni az általános relativitáselméletnek, és még mindig megfelelek a [fekete lyuk] dimenzióinak? " Ez a kérdés kulcsfontosságú, mert még mindig lehetséges, hogy valamilyen más gravitációs elmélet leírhatná az univerzumot, de általános relativitáselméletnek álcázta magát.
Einstein valószínűsége, hogy téved, 500-szorosára csökkent
A Physical Review Letters október 1-jén közzétett tanulmányában Psaltis és munkatársai az M87 fekete lyuk árnyékával fontos lépést tettek ezen alternatív elméletek megcáfolása felé.
A csapat nagyon széles elemzést végzett sok közülaz általános relativitáselmélet módosításai a gravitációelmélet egyedi jellemzőjének meghatározása érdekében, amely meghatározza a fekete lyuk árnyékának méretét. A tudósok számos alternatívára összpontosítottak, amelyek a Naprendszer összes korábbi tesztjén megfeleltek.
„Az általunk kifejlesztett érzékelő segítségével mikimutatta, hogy az M87-es fekete lyuk árnyékának mért mérete csaknem 500-szorosára szűkíti az Einstein általános relativitáselméletének módosítási lehetőségeit a naprendszerben végzett korábbi vizsgálatokhoz képest. ”- magyarázza Ferial Ozel, az Uarizona asztrofizika professzora, a EHT együttműködés. "Az általános relativitáselmélet megváltoztatásának sok módja kudarcot vall ebben az új és szigorúbb fekete lyuk árnyék tesztben."
Egy új érzékelő vizualizációja, amelyet arra terveztek, hogy tesztelje a gravitáció módosított elméleteinek előrejelzéseit az M87 árnyékának mérésével.
Köszönetnyilvánítás: D. Psaltis, Arizonai Egyetem; EHT
Hogy bízzunk az eredményekben, tudósokfekete lyuk méretét használta fel az általános relativitáselmélet úgynevezett „másodrendű” tesztjének elvégzésére. Ez a Naprendszerben „lehetetlen”, mert a gravitációs tér túl gyenge – magyarázza Leah Medeiros, a Princetoni Institute for Advanced Study munkatársa, aki szintén az EHT tagja.
Einstein elméleti tesztjei
Általában a fizikusok most egy általános elméletet mutatnak bea relativitás mint javítások vagy kiegészítések összessége Newton gravitációs elméletéhez. Az általános relativitáselmélet megjósolja, hogy mik legyenek ezek a felépítmények. Ha a gravitáció működésének mérése az univerzumban eltér ettől az előrejelzéstől, akkor a fizikusok tudják, hogy az általános relativitáselmélet nem minden. Minél több adalék vagy tényező adódik a teszthez, annál nagyobb az önbizalom az eredményben. Az új tesztek és a fekete lyukak ellenőrzése nem sokáig várat magára.
Az M87 fekete lyuk bemutatásának szimulációjaa plazma mozgása, ahogy kavarog a fekete lyuk körül. A kékben látható fényes vékony gyűrű a fekete lyuk árnyékának nevezett pereme. Fotó: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Ha azonban az általános relativitáselmélet megerősítést nyert, miért vannak elégedetlenek a fizikusokkal az eredményekkel? A lényeg az, hogy az általános relativitáselmélet ütközik a kvantummechanikával.
Relativitás és kvantummechanika: az univerzumért vívott harc
A fizikusok évtizedekig próbáltak összehangolni két nagyon különböző elméletet. És ha minden világos az általános relativitáselmélettel, akkor a kvantummechanika miért nem hajlandó engedelmeskedni Einstein törvényeinek?
A fizikusoknak jelenleg két különállószabályrendszer, amely elmagyarázza a természet működését. Létezik egy általános relativitáselmélet, amely tökéletesen megmagyarázza a gravitációt és mindent, amit ez meghatároz: a bolygók forgását, az ütköző galaxisokat, a táguló Univerzum egészének dinamikáját. Ez a «nagy dolgok tudománya».
És ott van a kvantummechanika is, amely foglalkozikhárom másik erővel - elektromágnesességgel és két nukleáris erővel. A kvantumelmélet rendkívül ügyesen leírja, mi történik, amikor egy uránatom lebomlik, vagy ha egyes fényrészecskék belépnek a napelembe. Ez a «a kis dolgok tudománya».
Kvantummechanika - az elméleti szakaszfizika, olyan fizikai jelenségeket ír le, amelyekben a cselekvés nagyságrendileg Planck állandójához hasonlítható. A kvantummechanika jóslatai jelentősen eltérhetnek a klasszikus mechanika jóslataitól.
A valóság valóban összeegyeztethetetlen leírásainak ütközése
Most a problémára:a relativitáselmélet és a kvantummechanika alapvetően különbözõ elméletek, amelyek különbözõ megfogalmazásokkal rendelkeznek. Ez nem csak tudományos terminológia kérdése; ez valóban összeegyeztethetetlen valóságleírások összecsapása.
A fizika két fele közötti konfliktus már több mint egy évszázad óta kirajzolódik - Einstein 1905-ben készült néhány munkája váltotta ki, amelyek közül az egyik a relativitáselméletet írja le, a másik pedig a kvantumot.
Lényegében el lehet gondolkodni a felosztás közötta relativitáselmélet és a kvantumrendszerek mint „sima” és „rövid”. Az általános relativitáselméletben az események folyamatosak és determinisztikusak, ami azt jelenti, hogy minden ok egy adott helyi hatásnak felel meg.
A kvantummechanikában az események által okozotta szubatomi részecskék kölcsönhatásai ugrásszerűen (igen, kvantum ugrásokkal) mennek végbe, nem határozott, hanem valószínűségi eredménnyel. A kvantumszabályok lehetővé teszik a klasszikus fizika által tiltott kapcsolatokat. Ezt egy széles körben vitatott kísérlet bizonyította. Aztán a tudósok bebizonyították, hogy két részecske - jelen esetben az elektronok - azonnal befolyásolhatják egymást, még akkor is, ha mérföldekre vannak egymástól. Amikor megpróbálod a sima relativisztikus törvényeket tömör kvantumstílusban értelmezni, vagy fordítva, a dolgok nem a tervek szerint mennek.
Értelmetlen válaszok
A relativitás értelmetlen válaszokat ad, amikorkvantumméretre próbálja csökkenteni, végül a gravitáció leírásában végtelen értékekre esik. Hasonlóképpen, a kvantummechanika komoly problémákba ütközik, amikor azt kozmikus arányokra fújja. A kvantummezők bizonyos mennyiségű energiát hordoznak az üresnek tűnő térben is, és az energia mennyisége növekszik, ahogy a mezők nőnek. Einstein szerint az energia és a tömeg ekvivalens (ez az üzenet E = mc 2), tehát az akkumuláló energia pontosan olyan, mint a felhalmozó tömeg. Elég nagy, és a kvantummezőkben lévő energia mennyisége olyan nagy lesz, hogy fekete lyukat hoz létre, amely arra kényszeríti az univerzumot, hogy önmagába hajoljon. Amint azonban láthatja, ez nem történik meg.
Egyszerűen fogalmazva: a kvantummechanika nem kompatibilis az általános relativitáselmélettel, mert a kvantumtérelméletben az erők helyileg, jól definiált kvantumok cseréjén keresztül hatnak.
Mi a lényeg?
Ennek eredményeként az új eredmény kissé kiábrándító.fizikusok abban a reményben, hogy repedéseket találnak Einstein elméletében. Az általános relativitástól való eltérés megtalálása utat mutathat egy új fizika felé. Vagy segíthet az általános relativitáselmélet, a nagyon nagy fizika és a kvantummechanika ötvözésében. Ez a vezető elmélet nagyon kicsi tárgyak, például szubatomi részecskék és atomok fizikáját írja le. Az a tény, hogy az általános relativitáselmélet továbbra sem hajlandó engedelmeskedni, „aggaszt minket, akik elég idősek vagyunk ahhoz, hogy reméljük, hogy életünk során választ kapunk” - mondja Psaltis.
A gravitáció elméletének tesztelése állandó keresés:Elég jóak-e az általános relativitás-előrejelzések különböző asztrofizikai objektumokhoz, hogy az asztrofizikusok ne aggódjanak az általános relativitáselmélet esetleges különbségei vagy módosításai miatt?
A gravitációs mezők különböző erősségeinek illusztrációja,kozmológiai tesztekkel, a naprendszer tesztjeivel és a fekete lyukakkal fedezték fel. Kép hitel: D. Psaltis, Arizonai Egyetem; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Az EHT-vel kapcsolatos jövőbeni megfigyelések azonban még többet fognak hozniaz általános relativitásellenőrzés pontos tesztjei, különösen Sgr A * (Nyilas A *), a Tejútrendszer közepén lévő fekete lyuk nem publikált képeivel. Sgr A * tömegének sokkal pontosabb mérésével, mint bármely más szupermasszív fekete lyuk, ez a kép megváltoztathatja az általános relativitást.
Nyilas A *. Ezt a képet Chandra, a NASA Röntgen Obszervatóriuma készítette. A fényvisszhangokat ellipszisekkel jelölik. Teljes kép - 12,5 ívperc (forrás)
„A fekete lyukak képei teljesen felfedikegy új szempont Einstein általános relativitáselméletének tesztelésére” – magyarázza Michael Kramer, a Max Planck Rádiócsillagászati Intézet igazgatója és az EHT együttműködés tagja.
"A gravitációs hullámok megfigyelésével együtt ez egy új korszak kezdetét jelenti a fekete lyuk asztrofizikában" - biztos Psaltis.
"Amikor képet kapunk egy fekete lyukról a saját galaxisunk közepén, tovább korlátozhatjuk az általános relativitáselmélet eltéréseit" - zárja Ozel.
Akkor igaza lesz Einsteinnek? És mi a kvantummechanika sorsa?
Olvassa el még:
Lehetőség van termonukleáris reaktor létrehozására a Földön. Milyen következményei lesznek?
A Doomsday-gleccser veszélyesebbnek bizonyult, mint azt a tudósok gondolták. Elmondjuk a fő dolgot
A betegség 3. napján a legtöbb COVID-19 beteg elveszíti szaglásérzetét, és gyakran orrfolyástól szenved