איך הכל התחיל?
בסוף המאה התשע-עשרה, הפיזיקה מצאה את עצמה במשבר: היו מושלמים
תורת היחסות המיוחדת
עם זאת, אף אחד מהפיזיקאים הבולטים הללו לאהצליח לחבר את כל הסיפור. התקווה נשארה עם אלברט איינשטיין הצעיר, שבאותה תקופה כבר החל לגשת לבעיה בדרך חדשה. בגיל שש עשרה הוא תהה איך זה יהיה לנסוע עם אלומת אור? עד 1905, הוא הראה שהתוצאות של פיצג'רלד ולורנץ נבעו מהנחה אחת פשוטה אך רדיקלית: חוקי הפיזיקה ומהירות האור חייבים להיות זהים עבור כל הצופים הנעים באופן אחיד, ללא קשר למצב התנועה היחסית שלהם.
כדי שזה "יעבוד", יש יותר מקום וזמןלא יכול להיות עצמאי. במקום זאת, הם "מתמירים" זה לזה באופן שמהירות האור נשארת קבועה עבור כל הצופים. זו הסיבה שעצמים נעים נראים מתכווצים, כפי שפיצג'רלד ולורנץ קבעו, ומדוע צופים נעים יכולים למדוד זמן בצורה שונה, כפי שפואנקרה קבע. מרחב וזמן הם יחסיים, כלומר. כלומר, הם תלויים בתנועת המתבונן שמודד אותם – והאור הוא יסודי יותר משניהם. זהו הבסיס לתורת היחסות המיוחדת של איינשטיין ("מיוחד" מתייחס להגבלה של תנועה אחידה).
עקרון שקילות
זמן קצר לאחר שסיים את התיאוריה המיוחדת שלולאיינשטיין הייתה "המחשבה המאושרת בחייו". זה קרה ב-1907 כשהוא ישב על כיסאו במשרד הפטנטים בברן ותהה איך זה יהיה לנסות להפיל כדור תוך כדי נפילה מצדו של בניין. איינשטיין הבין שאדם המאיץ כלפי מטה עם כדור לא יוכל לזהות את השפעת כוח המשיכה עליו. הצופה יכול «לשנות» כוח הכבידה (לפחות בסביבה הקרובה) פשוט על ידי מעבר למסגרת ההתייחסות המואצת הזו - לא משנה איזה אובייקט נשמט. כוח הכבידה שווה (במקום) לתאוצה. זהו עקרון השוויון.
להבין כמה הוא באמת נפלאעקרון השקילות, תארו לעצמכם מה היה קורה אם כוח המשיכה היה פועל באותו אופן כמו כוחות אחרים. אם כוח הכבידה היה כמו חשמל, למשל, אז כדורים עם יותר מטען היו נמשכים יותר לכדור הארץ ולכן נופלים מהר יותר מכדורים עם פחות מטען. לא תהיה דרך לשנות אפקטים כאלה על ידי מעבר לאותה מסגרת התייחסות מואצת עבור כל האובייקטים. אבל כוח המשיכה הוא "עיוור לחומר" - הוא משפיע על כל העצמים באופן שווה. מעובדה זו הסיק איינשטיין את המסקנה המרשימה שכוח המשיכה אינו תלוי בתכונות החומר (כמו, למשל, חשמל תלוי במטען חשמלי). במקום זאת, תופעת הכבידה חייבת לנבוע ממאפיין כלשהו של מרחב-זמן.
כוח המשיכה כמרחב-זמן מעוקל
איינשטיין קבע בסופו של דבר את הנכסמרחב-זמן, שאחראי לכוח הכבידה, כמו גם לעקמומיות שלו. המרחב והזמן ביקום של איינשטיין כבר אינם שטוחים (כפי שניוטון הניח במרומז), אלא ניתן למשוך, למתוח ולעוות על ידי החומר. כוח הכבידה מורגש בצורה החזקה ביותר במקום בו המרחב הזמן מעוקל ביותר, ונעלם במקום בו המרחב הזמן שטוח. זוהי המהות של תורת היחסות הכללית של איינשטיין, שלעיתים קרובות ניתן לבטא אותה במילים: "החומר אומר למרחב לזמן כיצד להתכופף, והמרחב הזמן המעוקל אומר לחומר כיצד לנוע".
הדרך הסטנדרטית להמחיש רעיון זה היא -הנח כדור באולינג (המייצג, למשל, עצם מסיבי כגון השמש) על יריעת גומי מתוחה (המייצגת מרחב זמן). אם תשים כדור על יריעת גומי, הוא יתגלגל לכיוון כדור הבאולינג ואפשר אפילו להכניס אותו ל"מסלול "סביב כדור הבאולינג. זה לא בגלל שהמסה הקטנה יותר "נמשכת" על ידי הכוח הנובע מהגדול יותר, אלא משום שהיא נעה לאורך משטח שעוותו על ידי נוכחות המסה הגדולה יותר.
כמו כן, כוח המשיכה בתיאוריה של איינשטייןמתעורר לא ככוח המתפשט במרחב-זמן, אלא כמאפיין במרחב-זמן עצמו. לדברי איינשטיין, המשקל שלך על כדור הארץ נובע מהעובדה שגופך נע בחלל זמן מעוקל.
תורת היחסות הכללית
תורת היחסות הכללית (תורת היחסות הכללית; זה.allgemeine Relativitätstheorie) היא תורת גרביטציה גיאומטרית המפתחת את תורת היחסות המיוחדת (SRT), המניחה כי כוחות הכבידה והאינרציה הם מאותו אופי.
מכאן מכאן נובע כי השפעות הכבידהנגרמות לא על ידי אינטראקציה כוחית של גופים ושדות הממוקמים במרחב-זמן, אלא על ידי עיוות המרחב-זמן עצמו, שקשור, במיוחד, לנוכחות של אנרגיה המונית.
תורת היחסות הכללית שונה מתאוריות גרביטציה מטריות אחרות על ידי שימוש במשוואות של איינשטיין כדי לקשר את העקמומיות של מרחב הזמן עם החומר הקיים בה.
תורת היחסות הכללית מבוססת פיזיתעל פי עקרון השוויון, אך לתיאוריה זו יש בסיס שני ומתמטי יותר. המכונה עקרון השונות הכללית, זוהי דרישה שחוק הכבידה האוניברסלי יהיה זהה לכל הצופים, גם אלה המאיצים, ללא קשר לקואורדינטות בהן הוא מתואר. מסיבה זו איינשטיין כינה את התיאוריה החדשה שלו "כללית" ולא "תורת היחסות" מיוחדת - הוא הסיר את המגבלה שקיימת בעבר לגבי משקיפים נעים באופן אחיד. זו התגלתה כבעיה הקשה ביותר שאיינשטיין התמודד איתה. כפי שאמר מאוחר יותר, ביטוי חוקים פיזיקליים ללא קואורדינטות הוא כמו "לתאר מחשבות ללא מילים." הפיזיקאי היה צריך לשלוט במתמטיקה המופשטת של משטחים ותיאורם במונחים של טנזורים.
מה גילו המדענים?
כוח המשיכה של חור שחור הוא כל כך חזקמכופף את החלל. הוא פועל כמעין זכוכית מגדלת, וזו הסיבה שהצל של האובייקט הקוסמי הזה נראה גדול יותר ממה שהוא בפועל. מדעני טלסקופ אופק אירועים (EHT) חקרו את העיוות החזותי הזה ומצאו שהגודל האמיתי של הצל של החור השחור M87 תואם את התחזיות של תורת היחסות הכללית של איינשטיין.
כפי שנאמר על ידי Keiichi Asada, חבר המועצה המדעית של EHTומומחה לתצפיות רדיו של חורים שחורים במכון האקדמיה סיניקה לאסטרונומיה ואסטרופיזיקה, השיטה שלהם היא "דרך חדשה לחלוטין לבדיקת תורת היחסות הכללית באמצעות חורים שחורים סופר מסיביים."
כיצד הגיעו מדענים למסקנותיהם?
כאשר הראשון פורסם באפריל 2019תמונה של חור שחור, היא הפכה לאישור רב עוצמה לתורת הכבידה, או תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. התיאוריה לא רק מתארת כיצד החומר מעוות את המרחב-זמן, אלא גם מנבאת את עצם קיומם של חורים שחורים, כולל גודל הצל שמטיל החור השחור על חומר הדיסק הבהיר שמסתובב סביב כמה חפצים צפופים.
כדי לערוך את הבדיקה, הצוות השתמש בראשוןתמונה שצולמה אי פעם של החור השחור העל-מאסיבי במרכז הגלקסיה השכנה M87, במרחק של כ-55 מיליון שנות אור משם, שצולמה על ידי ה-EHT בשנה שעברה.
תמונה איקונית של שחור סופר מסיביחור הראה שהצל תואם באופן מלא לתחזיות של תורת היחסות הכללית לגבי גודלו. במילים אחרות, איינשטיין צדק - שוב.
תוצאה זו, שדווחה על ידי שיתוף פעולה טלסקופ אירוע אופק, ענתה על שאלה אחת: האם גודל החור השחור של M87 תואם את היחסות הכללית?
אבל "קשה מאוד לענות להיפךהשאלה היא: כמה אוכל לשנות את תורת היחסות הכללית ועדיין להתאים למדידות של [החור השחור]? ", אמרו מדעני צוות ה- EHT דימיטריוס פסאלטיס מאוניברסיטת אריזונה בטוסון. שאלה זו היא המפתח, מכיוון שעדיין ייתכן שתאוריית כובד אחרת יכולה לתאר את היקום, אך התחפשה ליחסות כללית.
ההסתברות של איינשטיין לטעות נחתכה פי 500
במחקר שפורסם ב -1 באוקטובר ב- Physical Review Letters, השתמשו Psaltis ועמיתיו בצל החור השחור M87 כדי לקחת צעד חשוב לקראת הפיכת תיאוריות חלופיות אלה.
הצוות ערך ניתוח רחב ביותר של רביםשינויים בתורת היחסות הכללית כדי להגדיר מאפיין ייחודי של תורת הכבידה שקובע את גודל הצל של חור שחור. מדענים התמקדו במספר חלופות שעברו את כל הבדיקות הקודמות במערכת השמש.
"באמצעות החיישן שפיתחנו, אנחנוהראה כי גודלו הנמדד של צל החור השחור ב- M87 מצמצם את מרחב הנענע לשינויים בתורת היחסות הכללית של איינשטיין כמעט פי 500 בהשוואה לבדיקות קודמות במערכת השמש, "מסביר אוריזונה פרופסור לאסטרופיזיקה Ferial Ozel, חבר בכיר במערכת שיתוף פעולה עם EHT. "דרכים רבות לשינוי תורת היחסות הכללית נכשלות במבחן הצללים החדש והקשה יותר של החור השחור."
הדמיה של חיישן חדש שנועד לבחון את התחזיות של תיאוריות כבידה מתוקנות מול מדידה של גודל הצל של M87.
קרדיט: D. Psaltis, אוניברסיטת אריזונה; EHT
כדי להיות בטוחים בתוצאות, מדעניםהשתמש בגודל של חור שחור כדי לבצע את מה שמכונה "מבחן מסדר שני" של תורת היחסות הכללית. זה "בלתי אפשרי לעשות במערכת השמש" מכיוון ששדה הכבידה חלש מדי, מסבירה לאה מדיירוס מהמכון למחקר מתקדם בפרינסטון, גם היא חברה ב-EHT.
מבחני התיאוריה של איינשטיין
באופן כללי, כעת פיסיקאים מציגים תיאוריה כלליתתורת היחסות כמערכת של תיקונים או תוספות לתורת הכבידה של ניוטון. תורת היחסות הכללית מנבאת כיצד צריכים להיות מבני העל הללו. אם מדידות של אופן פעולת הכבידה ביקום חורגות מהתחזיות הללו, אז פיזיקאים יודעים שיחסות כללית אינה הכל. ככל שמוסיפים יותר תוספות או גורמים למבחן, כך הביטחון רב יותר בתוצאה. בדיקות ובדיקות חדשות על חורים שחורים לא יאחרו להגיע.
סימולציה של מראה חור שחור M87את תנועת הפלזמה כשהיא מסתחררת סביב החור השחור. הטבעת הדקה והבהירה שניתן לראות בכחול היא הקצה של מה שאנחנו מכנים צל של חור שחור. צילום: ל 'מדירוס; ק 'צ'אן; ד 'פסלטיס; ו 'אוסל; אריזונה; IAS.
עם זאת, אם תורת היחסות הכללית אושרה, מדוע ישנם פיזיקאים שאינם מרוצים מהתוצאות? העניין הוא שתורת היחסות הכללית מתנגשת עם מכניקת הקוונטים.
יחסיות מול מכניקת קוונטים: קרב היקום
פיסיקאים השקיעו עשרות שנים בניסיון ליישב שתי תיאוריות שונות מאוד. ואם הכל ברור עם תורת היחסות הכללית, מדוע מכניקת הקוונטים מסרבת לציית לחוקי איינשטיין?
לפיסיקאים יש כרגע שניים נפרדיםמערכת כללים שמסבירה איך הטבע עובד. ישנה תורת היחסות הכללית שמסבירה בצורה מושלמת את כוח המשיכה ואת כל מה שהיא קובעת: סיבוב כוכבי לכת, גלקסיות מתנגשות, הדינמיקה של היקום המתרחב בכללותו. זהו «מדע הדברים הגדולים».
ויש גם מכניקת קוונטים, שעוסקתעם שלושה כוחות נוספים - אלקטרומגנטיות ושני כוחות גרעיניים. תורת הקוונטים מיומנת מאוד בתיאור מה קורה כאשר אטום אורניום מתפרק או כאשר חלקיקי אור בודדים נכנסים לתא סולארי. זהו «מדע הדברים הקטנים».
מכניקת קוונטים - קטע תיאורטיפיזיקה, המתארת תופעות פיזיקליות בהן הפעולה ניתנת להשוואה בגודל לקבוע הפלאנק. התחזיות של מכניקת הקוונטים יכולות להיות שונות משמעותית מהתחזיות של המכניקה הקלאסית.
התנגשות תיאורי המציאות הבלתי תואמים באמת
עכשיו לבעיה:תורת היחסות ומכניקת הקוונטים הן תיאוריות שונות במהותן בעלות ניסוחים שונים. זה לא רק עניין של מינוח מדעי; זו התנגשות של תיאורי מציאות שאינם תואמים באמת.
הסכסוך בין שני חצאי הפיזיקה מתפתח במשך למעלה ממאה שנה - מעורר על ידי כמה מעבודותיו של איינשטיין בשנת 1905, כאשר אחת מהן מתארת את תורת היחסות והשנייה - קוונטית.
בעיקרון אתה יכול לחשוב על חלוקה ביניהםתורת היחסות ומערכות קוונטיות כ"חלקות" ו"קצרות". בתורת היחסות הכללית, אירועים הם מתמשכים ודטרמיניסטיים, מה שאומר שכל סיבה מתאימה להשפעה מקומית ספציפית.
במכניקת הקוונטים, אירועים הנגרמים על ידיאינטראקציות של חלקיקים תת-אטומיים מתרחשות בקפיצות (כן, קפיצות קוונטיות) עם תוצאות הסתברותיות ולא ברורות. כללים קוונטיים מאפשרים חיבורים האסורים על ידי הפיזיקה הקלאסית. זה הוכח בניסוי שנדון בהרחבה. ואז מדענים הוכיחו ששני חלקיקים - במקרה זה אלקטרונים - יכולים להשפיע באופן מיידי זה על זה, גם אם הם במרחק קילומטרים זה מזה. כשאתה מנסה לפרש חוקים רלטיביסטיים חלקים בסגנון קוונטי תמציתי, או להיפך, הדברים לא הולכים לפי התוכנית.
תשובות חסרות משמעות
היחסות נותנת תשובות חסרות משמעות מתיאתה מנסה להקטין את זה לגודל קוונטי, ובסופו של דבר לרדת לערכים אינסופיים בתיאור הכבידה שלך. כמו כן, מכניקת הקוונטים נקלעת לבעיות חמורות כאשר אתה מנפח אותה לממדים קוסמיים. שדות קוונטיים נושאים כמות מסוימת של אנרגיה גם במרחב ריק לכאורה, וכמות האנרגיה הולכת וגדלה ככל שהשדות גדלים. לפי איינשטיין, אנרגיה ומסה שוות ערך (הודעה זו היא E = mc 2), כך שצבירת אנרגיה היא בדיוק כמו צבירת מסה. מספיק גדול, וכמות האנרגיה בשדות קוונטיים תהפוך כל כך גדולה שהיא תיצור חור שחור שמאלץ את היקום להתקפל לתוכו. עם זאת, כפי שאתה יכול לראות, זה לא קורה.
במילים פשוטות, מכניקת הקוונטים אינה מתיישבת עם תורת היחסות הכללית מכיוון שבתורת השדות הקוונטית הכוחות פועלים באופן מקומי באמצעות חילופי קוונטים מוגדרים היטב.
מה השורה התחתונה?
כתוצאה מכך, התוצאה החדשה מעט מאכזבת.פיזיקאים בתקווה למצוא סדקים בתיאוריה של איינשטיין. מציאת סטייה מתורת היחסות הכללית יכולה להצביע על דרך לפיזיקה חדשה. או שזה יכול לעזור בשילוב תורת היחסות הכללית, הפיזיקה של המכניקה הגדולה מאוד, ומכניקת הקוונטים, התיאוריה המובילה המתארת את הפיזיקה של עצמים קטנים מאוד, כמו חלקיקים תת אטומיים. העובדה שהיחסות הכללית עדיין מסרבת לציית "מדאיגה את אלה מאיתנו המבוגרים מספיק כדי לקוות לקבל תשובה עוד בחיינו", אומר פסאלטיס.
בדיקת תורת הכבידה היא חיפוש מתמיד:האם התחזיות של תורת היחסות הכללית מספיקות טובות עבור עצמים אסטרופיזיים שונים, כך שאסטרופיזיקאים לא מודאגים מהבדלים או שינויים אפשריים ביחסיות הכללית?
איור של עוצמות שונות של שדות כבידה,נחקר באמצעות בדיקות קוסמולוגיות, בדיקות מערכת סולארית וחורים שחורים. קרדיט תמונה: ד 'פסאלטיס, אוניברסיטת אריזונה; נאס"א / WMAP; ESA / Cassini; EHT
עם זאת, תצפיות עתידיות עם ה- EHT יעשו עוד יותרמבחנים מדויקים של תורת היחסות הכללית, במיוחד עם תמונות לא פורסמות של Sgr A * (מזל קשת A *), חור שחור במרכז שביל החלב. עם מדידות מדויקות הרבה יותר של מסה Sgr A * מכל חור שחור על-מסיבי אחר, תמונה זו עשויה לשנות את היחסות הכללית.
מזל קשת א *. תמונה זו נלכדה על ידי צ'נדרה, מצפה הרנטגן של נאס"א. הדים קלים מסומנים באליפסות. תמונה מלאה - 12.5 דקות קשת (מקור)
"תמונות של חורים שחורים חושפות לחלוטיןזווית חדשה לבדיקת תורת היחסות הכללית של איינשטיין", מסביר מייקל קרמר, מנהל מכון מקס פלנק לאסטרונומיה רדיו וחבר בשיתוף הפעולה של EHT.
"יחד עם תצפיות על גלי הכבידה, זה מסמן את תחילתו של עידן חדש באסטרופיזיקה של חורים שחורים," בטוח בפסלטיס.
"כשאנחנו מקבלים תמונה של חור שחור במרכז הגלקסיה שלנו, אנחנו יכולים להגביל עוד יותר את הסטיות מתורת היחסות הכללית", מסכם אוזל.
האם אינשטיין יהיה צודק אז? ומה גורלה של מכניקת הקוונטים?
קרא גם:
אפשר ליצור כור תרמו-גרעיני בכדור הארץ. מה יהיו ההשלכות?
קרחון יום הדין התגלה כמסוכן יותר ממה שחשבו המדענים. אנחנו מספרים את העיקר
ביום המחלה השלישי, רוב החולים ב- COVID-19 מאבדים את חוש הריח שלהם ולעיתים קרובות סובלים מנזלת