Kaip viskas prasidėjo?
Devynioliktojo amžiaus pabaigoje fizika atsidūrė krizėje: buvo tobulų
Specialioji reliatyvumo teorija
Tačiau nė vienas iš šių iškilių fizikųpavyko sujungti visą istoriją. Viltis liko jaunam Albertui Einšteinui, kuris tuo metu jau pradėjo žvelgti į problemą nauju būdu. Būdamas šešiolikos jis susimąstė, kaip būtų keliauti su šviesos spinduliu? Iki 1905 m. jis parodė, kad Fitzgeraldo ir Lorentzo rezultatai išplaukė iš vienos paprastos, bet radikalios prielaidos: fizikos dėsniai ir šviesos greitis turi būti vienodi visiems tolygiai judantiems stebėtojams, neatsižvelgiant į jų santykinio judėjimo būseną.
Tam, kad tai „veiktų“, yra daugiau erdvės ir laikonegali būti nepriklausomas. Atvirkščiai, jie „paverčia“ vienas į kitą taip, kad šviesos greitis visiems stebėtojams išliktų pastovus. Štai kodėl judantys objektai traukiasi, kaip teigė Fitzgeraldas ir Lorentzas, ir kodėl judantys stebėtojai gali skirtingai matuoti laiką, kaip teigė Puankarė. Erdvė ir laikas yra santykiniai, t.y. Tai yra, jie priklauso nuo juos matuojančio stebėtojo judėjimo – o šviesa yra svarbesnė už abu. Tai yra specialiosios Einšteino reliatyvumo teorijos pagrindas („specialusis“ reiškia vienodo judėjimo apribojimą).
Ekvivalentiškumo principas
Netrukus baigęs savo specialiąją teorijąEinšteinas turėjo „laimingiausią savo gyvenimo mintį“. Tai atsitiko 1907 m., kai jis sėdėjo savo kėdėje patentų biure Berne ir svarstė, kaip būtų bandyti numesti kamuolį krintant nuo pastato šono. Einšteinas suprato, kad žmogus, greitėjantis rutuliu žemyn, negalės aptikti gravitacijos poveikio jam. Stebėtojas gali «transformuoti» gravitacija (bent jau artimiausioje aplinkoje) tiesiog pereinant į šią pagreitintą atskaitos sistemą – nesvarbu, koks objektas būtų numestas. Gravitacija (lokaliai) prilygsta pagreičiui. Tai yra lygiavertiškumo principas.
Kad suprastų, koks jis nuostabus iš tikrųjųlygiavertiškumo principą, įsivaizduokite, kas atsitiktų, jei gravitacija veiktų taip pat, kaip ir kitos jėgos. Pavyzdžiui, jei gravitacija būtų panaši į elektrą, tai didesnio krūvio rutuliai būtų stipriau traukiami į Žemę ir todėl kristų greičiau nei mažesnio krūvio rutuliai. Tokių efektų nebūtų galima pakeisti visiems objektams pereinant prie to paties pagreitinto atskaitos kadro. Tačiau gravitacija „akla medžiagai“ – ji vienodai veikia visus objektus. Iš šio fakto Einšteinas padarė įspūdingą išvadą, kad gravitacija nepriklauso nuo materijos savybių (kaip, pavyzdžiui, elektra priklauso nuo elektros krūvio). Greičiau gravitacijos reiškinys turi kilti iš tam tikros erdvės-laiko savybės.
Gravitacija kaip išlenktas erdvėlaikis
Einšteinas galiausiai nustatė turtąerdvėlaikis, atsakingas už gravitaciją, taip pat už jos kreivumą. Erdvė ir laikas Einšteino visatoje nebėra plokšti (kaip netiesiogiai manė Niutonas), bet materija juos gali traukti, ištempti ir deformuoti. Gravitacija stipriausiai jaučiama ten, kur erdvėlaikis yra labiausiai išlenktas, o išnyksta ten, kur erdvėlaikis yra plokščias. Tai yra Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos esmė, kurią dažnai galima išreikšti žodžiais: „medžiaga pasako erdvėlaikiui, kaip lenktis, o išlenktas erdvėlaikis – kaip judėti“.
Standartinis šios idėjos iliustravimo būdas yra -padėkite boulingo rutulį (vaizduojantį, pavyzdžiui, masyvų daiktą, pvz., saulę) ant ištempto guminio lakšto (vaizduojančio erdvėlaikį). Jei padėsite rutulį ant guminio lakšto, jis riedės boulingo kamuoliuko link ir netgi gali būti pastatytas į „orbitą“ aplink boulingo kamuolį. Taip yra ne todėl, kad mažesnę masę „pritraukia“ jėga, sklindanti iš didesnės, bet todėl, kad ji juda išilgai paviršiaus, kurį deformavo didesnė masė.
Panašiai gravitacija Einšteino teorijojeatsiranda ne kaip jėga, sklindanti erdvėlaikyje, bet kaip pačios erdvėlaikio savybė. Pasak Einšteino, jūsų svoris Žemėje atsirado dėl to, kad jūsų kūnas keliauja išlenktu erdvėlaikiu.
Bendroji reliatyvumo teorija
Bendroji reliatyvumo teorija (bendrasis reliatyvumas; it.allgemeine Relativitätstheorie) yra geometrinė gravitacijos teorija, kurianti specialiąją reliatyvumo teoriją (SRT), kuri teigia, kad gravitacinės ir inercinės jėgos yra vienodo pobūdžio.
Iš to išplaukia, kad gravitacinis poveikissukelia ne jėgos kūnų ir laukų, esančių erdvėlaikyje, sąveika, bet pačios erdvėlaikio deformacija, kuri visų pirma yra susijusi su masės energijos buvimu.
Bendrasis reliatyvumas nuo kitų metrinių gravitacijos teorijų skiriasi tuo, kad naudojant Einšteino lygtis erdvės laiko kreivė susiejama su joje esančia materija
Bendrasis reliatyvumas yra fiziškai pagrįstaslygiavertiškumo principu, tačiau ši teorija turi ir antrą, labiau matematinį pagrindą. Žinomas kaip bendras kovariacijos principas, tai yra reikalavimas, kad visuotinės traukos dėsnis būtų vienodas visiems stebėtojams, net ir greitėjantiems, neatsižvelgiant į koordinates, kuriose jis aprašytas. Būtent dėl šios priežasties Einšteinas savo naująją teoriją pavadino „bendrąja“, o ne „specialiąja“ reliatyvumo teorija - jis panaikino anksčiau egzistavusį vienodai judančių stebėtojų apribojimą. Tai pasirodė sunkiausia Einšteino problema. Kaip vėliau sakė jis, išreikšti fizinius dėsnius be koordinačių yra tarsi „apibūdinti mintis be žodžių“. Fizikas turėjo įsisavinti abstrakčią paviršių matematiką ir jų aprašymą pagal tenorius.
Ką sužinojo mokslininkai?
Juodosios skylės gravitacija yra tokia stipri, kadsulenkia erdvę. Jis veikia kaip padidinamasis stiklas, todėl šio kosminio objekto šešėlis atrodo didesnis, nei yra iš tikrųjų. Teleskopo „Event Horizon Telescope“ (EHT) mokslininkai ištyrė šį regėjimo iškraipymą ir nustatė, kad tikrasis M87 juodosios skylės šešėlio dydis atitinka Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes.
Kaip teigė EHT mokslinės tarybos narys Keiichi Asadair juodųjų skylių radijo stebėjimo ekspertas iš Academia Sinica Astronomijos ir astrofizikos instituto, jų metodas yra „visiškai naujas būdas patikrinti bendrąjį reliatyvumą naudojant supermasyvias juodąsias skyles“.
Kaip mokslininkai padarė savo išvadas?
Kai pirmasis buvo paskelbtas 2019 m. balandžio mėnjuodosios skylės vaizdas, jis tapo galingu Alberto Einšteino gravitacijos arba bendrosios reliatyvumo teorijos patvirtinimu. Teorija ne tik aprašo, kaip materija iškreipia erdvėlaikį, bet ir numato juodųjų skylių egzistavimą, įskaitant jų dydį. juodosios skylės metamas šešėlis ant ryškios disko medžiagos, kuri sukasi aplink kai kuriuos tankius objektus.
Testui atlikti komanda naudojo pirmąjįamžinai užfiksuotas supermasyvios juodosios skylės vaizdas kaimyninės galaktikos M87 centre maždaug 55 milijonų šviesmečių atstumu, kurį pernai padarė EHT.
Ikoninis supermasyvios juodos spalvos vaizdasskylė parodė, kad šešėlis visiškai atitinka bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes dėl jo dydžio. Kitaip tariant, Einšteinas vėl buvo teisus.
Šis rezultatas, apie kurį pranešė „Event Horizon Telescope Collaboration“, atsakė į vieną klausimą: ar M87 juodosios skylės dydis atitinka bendrą reliatyvumą?
Tačiau „labai sunku atsakyti priešingaiklausimas yra toks: kiek galiu patobulinti bendrąjį reliatyvumą ir vis tiek atitikti [juodosios skylės] matmenis? “, - sakė EHT komandos mokslininkai Dimitrios Psaltis iš Arizonos universiteto Tuksone. Šis klausimas yra esminis, nes vis dar įmanoma, kad kokia nors kita gravitacijos teorija galėtų apibūdinti visatą, tačiau ji būtų užmaskuota kaip bendrasis reliatyvumas.
Einšteino tikimybė klysti sumažėjo 500 kartų
Spalio 1 d. „Physical Review Letters“ paskelbtame tyrime Psaltis ir jo kolegos panaudojo juodosios skylės M87 šešėlį, kad žengtų svarbų žingsnį šių alternatyvių teorijų paneigimo link.
Komanda atliko labai plačią daugelio analizębendrosios reliatyvumo modifikacijos, siekiant apibrėžti unikalią gravitacijos teorijos savybę, lemiančią juodosios skylės šešėlio dydį. Mokslininkai sutelkė dėmesį į daugybę alternatyvų, kurios išlaikė visus ankstesnius Saulės sistemos bandymus.
„Naudodami mūsų sukurtą jutiklį, mesparodė, kad išmatuotas juodosios skylės šešėlio dydis M87 susiaurina galimybę keisti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją beveik 500 kartų, palyginti su ankstesniais Saulės sistemos bandymais “, - aiškina Uarizonos astrofizikos profesorius Ferial Ozel, vyresnysis EHT bendradarbiavimas. „Daugelis būdų, kaip pakeisti bendrąjį reliatyvumą, nepavyksta šiame naujame ir griežtesniame juodosios skylės šešėlio teste.
Naujo jutiklio vizualizacija, skirta modifikuotų gravitacijos teorijų prognozėms patikrinti pagal M87 šešėlio dydį.
Autoriai: D. Psaltis, Arizonos universitetas; EHT
Norėdami būti tikri rezultatais, mokslininkainaudojo juodosios skylės dydį, kad atliktų vadinamąjį „antros eilės“ bendrosios reliatyvumo teorijos testą. Tai „neįmanoma padaryti Saulės sistemoje“, nes gravitacinis laukas yra per silpnas, aiškina Leah Medeiros iš Prinstono Išplėstinių studijų instituto, taip pat EHT narė.
Einšteino teorijos testai
Apskritai dabar fizikai pateikia bendrą teorijąreliatyvumą kaip Niutono gravitacijos teorijos pataisų ar papildymų rinkinį. Bendrasis reliatyvumas numato, kokie turėtų būti šie antstatai. Jei matavimai, kaip gravitacija veikia visatoje, nukrypsta nuo šių prognozių, tada fizikai žino, kad bendras reliatyvumas nėra viskas. Kuo daugiau papildymų ar veiksnių pridėta prie testo, tuo labiau pasitikima rezultatu. Nauji juodųjų skylių bandymai ir patikrinimai netruks.
M87 juodosios skylės modeliavimasplazmos judėjimas, besisukant aplink juodąją skylę. Ryškus plonas žiedas, kurį galima pamatyti mėlynai, yra kraštas to, ką mes vadiname juodosios skylės šešėliu. Nuotrauka: L. Medeiros; K. Chanas; D. Psaltis; F. Oselis; UArizona; TAS.
Tačiau jei bendrasis reliatyvumas buvo patvirtintas, kodėl kai kurie fizikai nepatenkinti rezultatais? Esmė ta, kad bendrasis reliatyvumas prieštarauja kvantinei mechanikai.
Santykinis ir kvantinė mechanika: kova už visatą
Fizikai dešimtmečius bandė suderinti dvi labai skirtingas teorijas. Ir jei su bendrąja reliatyvumo teorija viskas aišku, tai kodėl kvantinė mechanika atsisako paklusti Einšteino įstatymams?
Šiuo metu fizikai turi dvi atskirastaisyklių rinkinys, paaiškinantis, kaip veikia gamta. Egzistuoja bendra reliatyvumo teorija, kuri puikiai paaiškina gravitaciją ir viską, ką ji nulemia: planetų sukimąsi, susidūrusių galaktikų, besiplečiančios Visatos dinamiką. Tai yra «mokslas apie didelius dalykus».
Taip pat yra kvantinė mechanika, kuri užsiimasu dar trimis jėgomis – elektromagnetizmu ir dviem branduolinėmis jėgomis. Kvantinė teorija labai gerai apibūdina, kas nutinka, kai urano atomas suyra arba kai atskiros šviesos dalelės patenka į saulės elementą. Tai yra «smulkių dalykų mokslas».
Kvantinė mechanika - teorinė dalisfizika, apibūdinanti fizinius reiškinius, kurių veiksmas yra panašus į Planko konstantą. Kvantinės mechanikos prognozės gali gerokai skirtis nuo klasikinės mechanikos prognozių.
Tikrai nesuderinamų tikrovės aprašymų susidūrimas
Dabar prie problemos:reliatyvumo teorija ir kvantinė mechanika yra iš esmės skirtingos teorijos, turinčios skirtingas formuluotes. Tai ne tik mokslinės terminijos klausimas; tai tikrai nesuderinamų tikrovės aprašymų susidūrimas.
Dviejų fizikos pusių konfliktas truko daugiau nei šimtmetį - jį išprovokavo pora Einšteino darbų 1905 m., Kurių vienas apibūdina reliatyvumo teoriją, o kita - kvantinę.
Iš esmės galite galvoti apie padalijimą tarpreliatyvumo teorija ir kvantinės sistemos kaip „lygios“ ir „trumpos“. Bendrojoje reliatyvumo teorijoje įvykiai yra tęstiniai ir deterministiniai, o tai reiškia, kad kiekviena priežastis atitinka tam tikrą vietinį poveikį.
Kvantinėje mechanikoje įvykiai, kuriuos sukeliasubatominių dalelių sąveika vyksta šuoliais (taip, kvantiniais šuoliais) su tikimybiniais, o ne apibrėžtais rezultatais. Kvantinės taisyklės leidžia klasikinės fizikos draudžiamus ryšius. Tai buvo įrodyta plačiai aptartame eksperimente. Tada mokslininkai įrodė, kad dvi dalelės – šiuo atveju elektronai – gali akimirksniu paveikti viena kitą, net jei jos yra nutolę mylių atstumu. Kai bandote aiškinti sklandžius reliatyvistinius dėsnius glaustu kvantiniu stiliumi arba atvirkščiai, viskas vyksta ne pagal planą.
Beprasmiški atsakymai
Santykiniškumas duoda beprasmiškus atsakymus, kaijūs bandote jį sumažinti iki kvantinio dydžio, galiausiai sumažindami iki begalinių gravitacijos aprašymo verčių. Panašiai kvantinė mechanika susiduria su rimtomis problemomis, kai ją pripučiate iki kosminių proporcijų. Kvantiniai laukai neša tam tikrą energijos kiekį net iš pažiūros tuščioje erdvėje, o energijos kiekis didėja didėjant laukams. Anot Einšteino, energija ir masė yra lygiavertės (ši žinia yra E = mc 2), todėl kaupianti energija yra lygiai tokia pati kaip kaupianti masė. Pakankamai didelis, kad energijos kiekis kvantiniuose laukuose taptų toks didelis, kad sukuria juodąją skylę, verčiančią visatą susisukti į save. Tačiau, kaip matote, taip neatsitinka.
Paprasčiau tariant, kvantinė mechanika yra nesuderinama su bendru reliatyvumu, nes kvantinio lauko teorijoje jėgos veikia lokaliai, keisdamos gerai apibrėžtus kvantus.
Kokia esmė?
Dėl to naujas rezultatas šiek tiek nuvilia.fizikai, tikėdamiesi rasti plyšių Einšteino teorijoje. Nukrypimo nuo bendrojo reliatyvumo atradimas gali parodyti kelią į naują fiziką. Arba tai galėtų padėti sujungti bendrą reliatyvumą, labai didelių fiziką ir kvantinę mechaniką - pagrindinę teoriją, apibūdinančią labai mažų objektų, tokių kaip subatominės dalelės ir atomai, fiziką. Faktas, kad bendrasis reliatyvumas vis dar atsisako paklusti, „kelia nerimą tiems iš mūsų, kurie yra pakankamai seni, kad tikimės sulaukti atsakymo per savo gyvenimą“, - sako Psaltis.
Gravitacijos teorijos tikrinimas yra nuolatinė paieška:Ar bendrojo reliatyvumo prognozės yra pakankamai geros įvairiems astrofiziniams objektams, kad astrofizikai nesijaudina dėl galimų bendrojo reliatyvumo skirtumų ar modifikacijų?
Įvairių gravitacinių laukų stiprumo iliustracija,ištirti kosmologiniais bandymais, Saulės sistemos bandymais ir juodosiomis skylėmis. Vaizdo kreditas: D. Psaltis, Arizonos universitetas; NASA / WMAP; ESA / „Cassini“; EHT
Tačiau būsimi EHT stebėjimai padarys dar daugiautikslius bendrojo reliatyvumo testus, ypač su neskelbtais Sgr A * (Šaulys A *), juodosios skylės Paukščių Tako centre, vaizdais. Turint daug tikslesnius Sgr A * masės matavimus nei bet kuri kita supermasyvi juodoji skylė, šis vaizdas gali pakeisti bendrą reliatyvumą.
Šaulys A *. Šį vaizdą užfiksavo NASA rentgeno observatorija Chandra. Šviesos aidai pažymėti elipsėmis. Visas vaizdas - 12,5 lanko minutės (šaltinis)
„Juodųjų skylių vaizdai visiškai atsiskleidžianaujas kampas, skirtas išbandyti Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją“, – aiškina Maxo Plancko radijo astronomijos instituto direktorius ir EHT bendradarbiavimo narys Michaelas Krameris.
„Kartu su gravitacinių bangų stebėjimais tai reiškia naujos juodosios skylės astrofizikos eros pradžią“, - įsitikinęs Psaltis.
„Kai gauname juodosios skylės vaizdą mūsų pačių galaktikos centre, galime dar labiau apriboti nukrypimus nuo bendro reliatyvumo“, - apibendrina Ozelis.
Ar tada Einšteinas bus teisus? O koks yra kvantinės mechanikos likimas?
Taip pat skaitykite:
Žemėje įmanoma sukurti termobranduolinį reaktorių. Kokios bus pasekmės?
Doomsday ledynas pasirodė pavojingesnis, nei manė mokslininkai. Mes pasakome pagrindinį dalyką
3 ligos dieną dauguma COVID-19 pacientų praranda kvapo pojūtį ir dažnai kenčia nuo slogos