Come è iniziato tutto?
Alla fine dell’Ottocento la fisica si trovò in crisi: erano perfetti
Teoria speciale della relatività
Tuttavia, nessuno di questi eminenti fisiciriuscito a mettere insieme tutta la storia. La speranza rimase nel giovane Albert Einstein, che a quel tempo aveva già iniziato ad affrontare il problema in un modo nuovo. All'età di sedici anni si chiese come sarebbe stato viaggiare con un raggio di luce? Nel 1905 dimostrò che i risultati di Fitzgerald e Lorentz derivavano da un presupposto semplice ma radicale: le leggi della fisica e la velocità della luce devono essere le stesse per tutti gli osservatori in movimento uniforme, indipendentemente dal loro stato di movimento relativo.
Perché questo “funzioni”, c’è più spazio e temponon può essere indipendente. Piuttosto, si "convertono" l'uno nell'altro in modo tale che la velocità della luce rimanga costante per tutti gli osservatori. Questo è il motivo per cui gli oggetti in movimento sembrano rimpicciolirsi, come teorizzarono Fitzgerald e Lorentz, e perché gli osservatori in movimento possono misurare il tempo in modo diverso, come teorizzò Poincaré. Spazio e tempo sono relativi, ad es. Dipendono cioè dal movimento dell'osservatore che li misura – e la luce è più fondamentale di entrambi. Questa è la base della teoria della relatività speciale di Einstein ("speciale" si riferisce alla limitazione del moto uniforme).
Principio di equivalenza
Subito dopo aver completato la sua teoria specialeEinstein ebbe "il pensiero più felice della sua vita". Accadde nel 1907 mentre sedeva sulla sedia dell'ufficio brevetti di Berna e si chiedeva come sarebbe stato provare a far cadere una palla cadendo dal lato di un edificio. Einstein si rese conto che una persona che accelera verso il basso con una palla non sarebbe in grado di rilevare l'effetto della gravità su di essa. L'osservatore può «trasformare» gravità (almeno nelle immediate vicinanze) semplicemente spostandosi in questo sistema di riferimento accelerato, indipendentemente dall'oggetto lasciato cadere. La gravità è (localmente) equivalente all'accelerazione. Questo è il principio di equivalenza.
Per capire quanto sia davvero meravigliosoprincipio di equivalenza, immagina cosa accadrebbe se la gravità agisse allo stesso modo delle altre forze. Se la gravità fosse come l’elettricità, ad esempio, le palline con più carica sarebbero attratte più fortemente dalla Terra e quindi cadrebbero più velocemente delle palline con meno carica. Non ci sarebbe modo di trasformare tali effetti spostandosi verso lo stesso sistema di riferimento accelerato per tutti gli oggetti. Ma la gravità è “cieca alla materia”: influenza tutti gli oggetti allo stesso modo. Da questo fatto Einstein trasse la conclusione impressionante che la gravità non dipende dalle proprietà della materia (come, ad esempio, l'elettricità dipende dalla carica elettrica). Piuttosto, il fenomeno della gravità deve avere origine da qualche proprietà dello spazio-tempo.
La gravità come spazio-tempo curvo
Alla fine Einstein ne determinò la proprietàspazio-tempo, che è responsabile della gravità, nonché della sua curvatura. Lo spazio e il tempo nell'universo di Einstein non sono più piatti (come Newton implicitamente supponeva), ma possono essere tirati, allungati e deformati dalla materia. La gravità si avverte più fortemente dove lo spaziotempo è più curvo e scompare dove lo spaziotempo è piatto. Questa è l'essenza della teoria della relatività generale di Einstein, che spesso può essere espressa con le parole: "la materia dice allo spaziotempo come piegarsi, e lo spaziotempo curvo dice alla materia come muoversi".
Il modo standard per illustrare questa idea è:posizionare una palla da bowling (che rappresenta, ad esempio, un oggetto massiccio come il sole) su un foglio di gomma teso (che rappresenta lo spazio-tempo). Se metti una palla su un foglio di gomma, rotolerà verso la palla da bowling e può anche essere messa in "orbita" attorno alla palla da bowling. Questo non perché la massa più piccola è "attratta" dalla forza emanata da quella più grande, ma perché si muove lungo una superficie che è stata deformata dalla presenza della massa più grande.
Allo stesso modo, la gravità nella teoria di Einsteinnon nasce come una forza che si propaga nello spazio-tempo, ma piuttosto come una caratteristica dello spazio-tempo stesso. Secondo Einstein, il tuo peso sulla Terra è dovuto al fatto che il tuo corpo viaggia nello spazio-tempo curvo.
Teoria generale della relatività
Teoria generale della relatività (relatività generale; it. allgemeine Relativitätstheorie) è una teoria geometrica della gravitazione, che sviluppa la teoria della relatività speciale (SRT), la quale postula che le forze gravitazionali e inerziali sono della stessa natura.
Quindi ne consegue che gli effetti gravitazionalisono causati non dall'interazione di forze di corpi e campi nello spazio-tempo, ma dalla deformazione dello spazio-tempo stesso, che è associata, in particolare, alla presenza di massa-energia.
La relatività generale differisce dalle altre teorie metriche della gravitazione per l'uso delle equazioni di Einstein per mettere in relazione la curvatura dello spazio-tempo con la materia presente in esso
La relatività generale è basata fisicamentesul principio di equivalenza, ma questa teoria ha un secondo fondamento più matematico. Noto come principio di covarianza generale, questo è il requisito che la legge di gravitazione universale sia la stessa per tutti gli osservatori, anche quelli in accelerazione, indipendentemente dalle coordinate in cui è descritta. È per questa ragione che Einstein chiamò la sua nuova teoria "generale" e non "speciale" teoria della relatività - rimosse la precedente restrizione sugli osservatori in movimento uniforme. Questo è risultato essere il problema più difficile che Einstein abbia mai affrontato. Come disse in seguito, esprimere leggi fisiche senza coordinate è come "descrivere pensieri senza parole". Il fisico doveva padroneggiare la matematica astratta delle superfici e la loro descrizione in termini di tensori.
Cosa hanno scoperto gli scienziati?
La gravità di un buco nero è così forte chepiega lo spazio. Funziona come una sorta di lente d'ingrandimento, motivo per cui l'ombra di questo oggetto cosmico appare più grande di quanto non sia in realtà. Gli scienziati dell'Event Horizon Telescope (EHT) hanno studiato questa distorsione visiva e hanno scoperto che la dimensione effettiva dell'ombra del buco nero M87 corrisponde alle previsioni della teoria della relatività generale di Einstein.
Lo afferma Keiichi Asada, membro del consiglio scientifico dell'EHTed esperto di osservazioni radio dei buchi neri presso l'Istituto di Astronomia e Astrofisica Academia Sinica, il loro metodo è "un modo completamente nuovo per testare la relatività generale utilizzando buchi neri supermassicci".
Come sono giunti gli scienziati alle loro conclusioni?
Quando il primo è stato pubblicato nell'aprile 2019immagine di un buco nero, divenne una potente conferma della teoria della gravità di Albert Einstein, o relatività generale. La teoria non solo descrive come la materia distorce lo spazio-tempo, ma predice anche l'esistenza stessa dei buchi neri, inclusa la dimensione di l'ombra proiettata dal buco nero sul materiale luminoso del disco che ruota attorno ad alcuni oggetti densi.
Per condurre il test, il team ha utilizzato il primoImmagine mai catturata del buco nero supermassiccio al centro della vicina galassia M87 ad una distanza di circa 55 milioni di anni luce, scattata dall’EHT l’anno scorso.
Immagine iconica del nero supermassicciobuco ha mostrato che l'ombra corrisponde pienamente alle previsioni della relatività generale riguardo alle sue dimensioni. In altre parole, Einstein aveva ragione, ancora una volta.
Questo risultato, riportato da Event Horizon Telescope Collaboration, ha risposto a una domanda: le dimensioni del buco nero di M87 corrispondono alla relatività generale?
Ma “è molto difficile rispondere al contrariola domanda è: quanto posso modificare la relatività generale e uguagliare ancora le dimensioni [del buco nero]? ”ha detto gli scienziati del team EHT Dimitrios Psaltis dell'Università dell'Arizona a Tucson. Questa domanda è fondamentale, perché è ancora possibile che qualche altra teoria della gravità possa descrivere l'universo, ma mascherata da relatività generale.
La probabilità che Einstein si sbagli è stata ridotta di 500 volte
In uno studio pubblicato l'1 ottobre su Physical Review Letters, Psaltis e colleghi hanno utilizzato l'ombra del buco nero M87 per compiere un passo importante verso la confutazione di queste teorie alternative.
Il team ha condotto un'analisi molto ampia di moltimodifiche della relatività generale per definire una caratteristica unica della teoria della gravità che determina la dimensione dell'ombra di un buco nero. Gli scienziati si sono concentrati su una serie di alternative che hanno superato tutti i test precedenti nel sistema solare.
“Usando il sensore che abbiamo sviluppato, noiha mostrato che la dimensione misurata dell'ombra del buco nero in M87 restringe lo spazio per le modifiche della teoria della relatività generale di Einstein di quasi 500 volte rispetto ai precedenti test nel sistema solare ", spiega Ferial Ozel, professore di astrofisica dell'Uarizona, membro senior della collaborazione EHT. "Molti modi per modificare la relatività generale falliscono in questo nuovo e più duro test dell'ombra del buco nero".
Una visualizzazione di un nuovo sensore progettato per testare le previsioni delle teorie della gravità modificate rispetto a una misurazione della dimensione dell'ombra di M87.
Credito: D. Psaltis, Università dell'Arizona; EHT
Per avere fiducia nei risultati, gli scienziatiha utilizzato le dimensioni di un buco nero per eseguire quello che è noto come test di “secondo ordine” della relatività generale. Questo è “impossibile da fare nel sistema solare” perché il campo gravitazionale è troppo debole, spiega Leah Medeiros dell’Institute for Advanced Study di Princeton, anche lei membro dell’EHT.
I test di teoria di Einstein
In generale, ora i fisici presentano una teoria generalerelatività come insieme di correzioni o aggiunte alla teoria della gravità di Newton. La relatività generale predice come dovrebbero essere queste sovrastrutture. Se le misurazioni di come funziona la gravità nell'universo deviano da queste previsioni, i fisici sanno che la relatività generale non è tutto. Più aggiunte o fattori vengono aggiunti al test, maggiore è la fiducia nel risultato. Nuovi test e controlli sui buchi neri non tarderanno ad arrivare.
Simulazione della rappresentazione del buco nero M87il movimento del plasma mentre vortica attorno al buco nero. L'anello sottile e luminoso che può essere visto in blu è il bordo di ciò che chiamiamo l'ombra di un buco nero. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Tuttavia, se la relatività generale è stata confermata, perché alcuni fisici non sono soddisfatti dei risultati? Il punto è che la relatività generale è in conflitto con la meccanica quantistica.
Relatività contro meccanica quantistica: la battaglia dell'Universo
I fisici hanno impiegato decenni a cercare di conciliare due teorie molto diverse. E se tutto è chiaro con la teoria della relatività generale, allora perché la meccanica quantistica si rifiuta di obbedire alle leggi di Einstein?
I fisici attualmente ne hanno due separatiun insieme di regole che spiegano come funziona la natura. Esiste una teoria generale della relatività che spiega perfettamente la gravità e tutto ciò che determina: la rotazione dei pianeti, la collisione delle galassie, la dinamica dell'Universo in espansione nel suo insieme. Questa è la "scienza delle grandi cose".
E c'è anche la meccanica quantistica, che si occupacon altre tre forze: l'elettromagnetismo e due forze nucleari. La teoria quantistica è estremamente abile nel descrivere cosa succede quando un atomo di uranio decade o quando singole particelle di luce entrano in una cella solare. Questa è la «scienza delle piccole cose».
Meccanica quantistica - una sezione di teoricofisica, descrivendo fenomeni fisici in cui l'azione è paragonabile in grandezza alla costante di Planck. Le previsioni della meccanica quantistica possono differire in modo significativo dalle previsioni della meccanica classica.
Lo scontro di descrizioni della realtà veramente incompatibili
Ora al problema: la teoria della relatività e la meccanica quantistica sono teorie fondamentalmente differenti che hanno formulazioni differenti. Non è solo una questione di terminologia scientifica; è uno scontro di descrizioni della realtà veramente incompatibili.
Il conflitto tra le due metà della fisica è in fermento da oltre un secolo, provocato da un paio di lavori di Einstein nel 1905, uno dei quali descrive la teoria della relatività e l'altro il quantistico.
Essenzialmente si può pensare ad una divisione trateoria della relatività e sistemi quantistici come “lisci” e “corti”. Nella relatività generale, gli eventi sono continui e deterministici, il che significa che ciascuna causa corrisponde a uno specifico effetto locale.
Nella meccanica quantistica, gli eventi causati dale interazioni delle particelle subatomiche avvengono a balzi (sì, salti quantici) con risultati probabilistici piuttosto che definiti. Le regole quantistiche consentono connessioni proibite dalla fisica classica. Ciò è stato dimostrato in un esperimento ampiamente discusso. Successivamente gli scienziati hanno dimostrato che due particelle, in questo caso gli elettroni, possono influenzarsi istantaneamente a vicenda, anche se sono a chilometri di distanza. Quando si tenta di interpretare le leggi relativistiche in uno stile quantistico conciso, o viceversa, le cose non vanno secondo i piani.
Risposte senza senso
La relatività dà risposte prive di significato quandostai cercando di ridurlo a una dimensione quantica, scendendo infine a valori infiniti nella tua descrizione della gravità. Allo stesso modo, la meccanica quantistica incontra seri problemi quando la si gonfia a proporzioni cosmiche. I campi quantistici trasportano una certa quantità di energia anche in uno spazio apparentemente vuoto e la quantità di energia aumenta con l'aumentare dei campi. Secondo Einstein, l'energia e la massa sono equivalenti (questo messaggio è E = mc 2), quindi accumulare energia è esattamente come accumulare massa. Abbastanza grande perché la quantità di energia nei campi quantistici diventi così grande da creare un buco nero che fa piegare l'universo su se stesso. Tuttavia, come puoi vedere, questo non accade.
In poche parole, la meccanica quantistica è incompatibile con la relatività generale, perché nella teoria quantistica dei campi, le forze agiscono localmente attraverso lo scambio di quanti ben definiti.
Qual è la linea di fondo?
Di conseguenza, il nuovo risultato è un po 'deludente.fisici che sperano di trovare crepe nella teoria di Einstein. Trovare una deviazione dalla relatività generale potrebbe indicare la strada per una nuova fisica. Oppure potrebbe aiutare a combinare la relatività generale, la fisica delle grandi dimensioni e la meccanica quantistica, la teoria principale che descrive la fisica di oggetti molto piccoli come le particelle e gli atomi subatomici. Il fatto che la relatività generale si rifiuti ancora di obbedire “preoccupa quelli di noi che sono abbastanza grandi da sperare di ottenere una risposta nel corso della vita”, dice Psaltis.
Testare la teoria della gravità è una ricerca costante: Le previsioni della relatività generale sono abbastanza buone per vari oggetti astrofisici in modo che gli astrofisici non si preoccupino di eventuali differenze o modifiche della relatività generale?
Illustrazione dei diversi punti di forza dei campi gravitazionali,esplorato con test cosmologici, test del sistema solare e buchi neri. Credito immagine: D. Psaltis, University of Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Tuttavia, le future osservazioni con l'EHT ne faranno ancora di piùprecisi test di relatività generale, soprattutto con immagini inedite di Sgr A * (Sagittarius A *), un buco nero al centro della Via Lattea. Con misurazioni molto più accurate della massa Sgr A * rispetto a qualsiasi altro buco nero supermassiccio, questa immagine potrebbe cambiare la relatività generale.
Sagittario A *. Questa immagine è stata catturata da Chandra, l'osservatorio a raggi X della NASA. Gli echi di luce sono contrassegnati da ellissi. Immagine completa - 12,5 minuti d'arco (sorgente)
“Le immagini dei buchi neri rivelano completamenteuna nuova prospettiva per testare la teoria generale della relatività di Einstein”, spiega Michael Kramer, direttore dell'Istituto Max Planck per la radioastronomia e membro della collaborazione EHT.
"Insieme alle osservazioni delle onde gravitazionali, questo segna l'inizio di una nuova era nell'astrofisica dei buchi neri", è sicuro Psaltis.
"Quando otteniamo un'immagine di un buco nero al centro della nostra galassia, possiamo limitare ulteriormente le deviazioni dalla relatività generale", conclude Ozel.
Einstein avrà ragione allora? E qual è il destino della meccanica quantistica?
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