Kā tas viss sākās?
Deviņpadsmitā gadsimta beigās fizika nonāca krīzē: tur bija ideāli
Īpašā relativitātes teorija
Tomēr neviens no šiem izcilajiem fiziķiemizdevās visu stāstu salikt kopā. Cerība palika pie jaunā Alberta Einšteina, kurš tolaik jau bija sācis pieiet problēmai jaunā veidā. Sešpadsmit gadu vecumā viņš domāja, kā būtu ceļot ar gaismas staru? Līdz 1905. gadam viņš bija parādījis, ka Ficdžeralda un Lorenca rezultāti izriet no viena vienkārša, bet radikāla pieņēmuma: fizikas likumiem un gaismas ātrumam jābūt vienādiem visiem vienmērīgi kustīgajiem novērotājiem neatkarīgi no viņu relatīvās kustības stāvokļa.
Lai tas “darbotos”, ir vairāk vietas un laikanevar būt neatkarīgs. Drīzāk tie "pārvēršas" viens otrā tā, ka gaismas ātrums paliek nemainīgs visiem novērotājiem. Tāpēc šķiet, ka kustīgie objekti sarūk, kā to izteica Ficdžeralds un Lorencs, un kāpēc kustīgie novērotāji laiku var izmērīt atšķirīgi, kā to izteica Puankarē. Telpa un laiks ir relatīvi, t.i. Tas ir, tie ir atkarīgi no novērotāja kustības, kurš tos mēra, un gaisma ir svarīgāka par abiem. Tas ir Einšteina īpašās relativitātes teorijas pamatā ("īpašais" attiecas uz vienmērīgas kustības ierobežojumu).
Līdzvērtības princips
Drīz pēc savas īpašās teorijas pabeigšanasEinšteinam bija "vislaimīgākā doma viņa dzīvē". Tas notika 1907. gadā, kad viņš sēdēja savā krēslā patentu birojā Bernē un domāja, kā būtu mēģināt nomest bumbu, krītot no ēkas sāniem. Einšteins saprata, ka cilvēks, kurš paātrinās lejup ar bumbu, nespēs noteikt gravitācijas ietekmi uz to. Novērotājs var «pārveidot» gravitācija (vismaz tiešā tuvumā), vienkārši pārejot uz šo paātrināto atskaites sistēmu - neatkarīgi no tā, kāds objekts tiek nomests. Gravitācija (lokāli) ir līdzvērtīga paātrinājumam. Tas ir līdzvērtības princips.
Lai saprastu, cik viņš patiesībā ir brīnišķīgsekvivalences principu, iedomājieties, kas notiktu, ja gravitācija darbotos tāpat kā citi spēki. Ja gravitācija būtu kā, piemēram, elektrība, tad bumbiņas ar lielāku lādiņu spēcīgāk pievilktos Zemei un tāpēc kristu ātrāk nekā bumbiņas ar mazāku lādiņu. Šādus efektus nevarētu pārveidot, pārejot uz vienu un to pašu paātrināto atsauces rāmi visiem objektiem. Bet gravitācija ir “akla pret matēriju” — tā vienādi ietekmē visus objektus. No šī fakta Einšteins izdarīja iespaidīgu secinājumu, ka gravitācija nav atkarīga no matērijas īpašībām (kā, piemēram, elektrība ir atkarīga no elektriskā lādiņa). Drīzāk gravitācijas fenomenam ir jārodas no kādas telpas-laika īpašības.
Smagums kā izliekts telpas laiks
Einšteins galu galā noteica īpašumutelpa-laiks, kas ir atbildīgs par gravitāciju, kā arī tā izliekumu. Telpa un laiks Einšteina Visumā vairs nav plakani (kā Ņūtons netieši pieņēma), bet matērija tos var vilkt, izstiept un deformēt. Gravitācija visspēcīgāk ir jūtama tur, kur telpas laiks ir visvairāk izliekts, un pazūd tur, kur telpas laiks ir plakans. Tā ir Einšteina vispārējās relativitātes teorijas būtība, ko bieži var izteikt ar vārdiem: "matērija stāsta telpai, kā saliekties, un izliekts laiks norāda matērijai, kā kustēties."
Standarta veids, kā ilustrēt šo ideju, ir -uz izstieptas gumijas loksnes (kas atspoguļo telpas laiku) novietojiet boulinga bumbu (kas, piemēram, atspoguļo masīvu priekšmetu, piemēram, sauli). Ja jūs uzliekat bumbu uz gumijas palaga, tā ripos uz boulinga bumbas pusi un to var pat ievietot "orbītā" ap boulinga bumbu. Tas notiek nevis tāpēc, ka mazāko masu "piesaista" spēks, kas izplūst no lielākās, bet gan tāpēc, ka tā pārvietojas pa virsmu, kuru ir deformējusi lielāka masas klātbūtne.
Tāpat gravitācija Einšteina teorijārodas nevis kā spēks, kas izplatās telpā-laikā, bet gan kā paša laiktelpas raksturojums. Pēc Einšteina teiktā, jūsu svars uz Zemes ir saistīts ar faktu, ka jūsu ķermenis pārvietojas izliektā telpā-laikā.
Vispārējā relativitātes teorija
Vispārējā relativitātes teorija (vispārējā relativitāte; tā.allgemeine Relativitätstheorie) ir gravitācijas ģeometriskā teorija, kas attīsta īpašo relativitātes teoriju (SRT), kurā tiek apgalvots, ka gravitācijas un inerciālajiem spēkiem ir vienāds raksturs.
No tā izriet, ka gravitācijas efektiizraisa nevis ķermeņu un lauku, kas atrodas telpā-laikā, spēka mijiedarbība, bet gan paša telpas-laika deformācija, kas jo īpaši saistīta ar masas-enerģijas klātbūtni.
Vispārējā relativitāte atšķiras no citām metriskām gravitācijas teorijām, izmantojot Einšteina vienādojumus, lai saistītu laika un laika izliekumu ar tajā esošo vielu
Vispārējā relativitāte ir fiziski pamatotapēc līdzvērtības principa, bet šai teorijai ir otrs, vairāk matemātisks pamats. Pazīstams kā vispārējās kovariances princips, tā ir prasība, ka universālās gravitācijas likumam jābūt vienādam visiem novērotājiem, pat tiem, kas paātrina, neatkarīgi no koordinātām, kurās tas ir aprakstīts. Šī iemesla dēļ Einšteins savu jauno teoriju nosauca par "vispārīgu", nevis par "īpašu" relativitātes teoriju - viņš atcēla iepriekš pastāvošo ierobežojumu vienmērīgi kustīgiem novērotājiem. Tā izrādījās visgrūtākā problēma, ar kuru Einšteins jebkad saskāries. Kā viņš vēlāk teica, fizisko likumu izteikšana bez koordinātēm ir kā "domu aprakstīšana bez vārdiem". Fiziķim bija jāapgūst virsmu abstraktā matemātika un to apraksts attiecībā uz tenoriem.
Ko zinātnieki uzzināja?
Melnā cauruma gravitācija ir tik spēcīga, kasaliek telpu. Tas darbojas kā sava veida palielināmais stikls, tāpēc šī kosmiskā objekta ēna šķiet lielāka nekā patiesībā. Event Horizon Telescope (EHT) zinātnieki pētīja šo vizuālo kropļojumu un atklāja, ka M87 melnā cauruma ēnas faktiskais izmērs atbilst Einšteina vispārējās relativitātes teorijas prognozēm.
Kā teica Keiichi Asada, EHT zinātniskās padomes loceklisun eksperts melno caurumu radio novērojumos no Academia Sinica Astronomijas un astrofizikas institūta, viņu metode ir "pilnīgi jauns veids, kā pārbaudīt vispārējo relativitāti, izmantojot supermasīvus melnos caurumus."
Kā zinātnieki nonāca pie saviem secinājumiem?
Kad pirmais tika publicēts 2019. gada aprīlīmelnā cauruma attēlu, tas kļuva par spēcīgu Alberta Einšteina gravitācijas jeb vispārējās relativitātes teorijas apstiprinājumu. Teorija ne tikai apraksta, kā matērija izkropļo telpu-laiku, bet arī paredz melno caurumu pastāvēšanu, tostarp to lielumu. ēna, ko melnais caurums met uz spilgtā diska materiāla, kas griežas ap dažiem blīviem objektiem.
Lai veiktu testu, komanda izmantoja pirmokādreiz uzņemts supermasīvā melnā cauruma attēls blakus esošās galaktikas M87 centrā aptuveni 55 miljonu gaismas gadu attālumā, ko pagājušajā gadā uzņēma EHT.
Ikonisks supermasīvas melnās krāsas attēlscaurums parādīja, ka ēna pilnībā atbilst vispārējās relativitātes teorijas prognozēm par tās lielumu. Citiem vārdiem sakot, Einšteinam atkal bija taisnība.
Šis rezultāts, par kuru ziņoja Event Horizon Telescope Collaboration, atbildēja uz vienu jautājumu: vai M87 melnās cauruma izmērs atbilst vispārējai relativitātei?
Bet “ir ļoti grūti atbildēt uz pretējojautājums ir: cik daudz es varu pielāgot vispārējo relativitāti un joprojām atbilst [melnā cauruma] mērījumiem? ”sacīja EHT komandas zinātnieki Dimitrios Psaltis no Arizonas Universitātes Tuksonā. Šis jautājums ir galvenais, jo joprojām ir iespējams, ka kāda cita gravitācijas teorija varētu aprakstīt Visumu, bet slēpjas kā vispārēja relativitāte.
Einšteina varbūtība kļūdīties ir samazināta 500 reizes
Pētījumā, kas publicēts 1. oktobrī izdevumā Physical Review Letters, Psaltis un viņa kolēģi izmantoja melnā cauruma M87 ēnu, lai spertu svarīgu soli šo alternatīvo teoriju atspēkošanā.
Komanda veica ļoti plašu daudzu analīzivispārējās relativitātes modifikācijas, lai definētu gravitācijas teorijas unikālo raksturlielumu, kas nosaka melnā cauruma ēnas lielumu. Zinātnieki ir koncentrējušies uz vairākām alternatīvām, kas izturējušas visus iepriekšējos Saules sistēmas testus.
“Izmantojot sensoru, kuru mēs izstrādājām, mēsparādīja, ka izmērītais melnā cauruma ēnas izmērs M87 gandrīz 500 reizes sašaurina telpu Einšteina vispārējās relativitātes teorijas modifikācijām, salīdzinot ar iepriekšējiem Saules sistēmas testiem, ”skaidro Uarizonas astrofizikas profesors Ferijs Ozels, EHT sadarbība. "Šajā jaunajā un stingrākajā melnā cauruma ēnu testā daudzos veidos, kā modificēt vispārējo relativitāti, neizdodas."
Jauna sensora vizualizācija, kas izstrādāta, lai pārbaudītu modificēto gravitācijas teoriju prognozes, salīdzinot ar M87 ēnas izmēru.
Kredīts: D. Psaltis, Arizonas Universitāte; EHT
Lai būtu pārliecināti par rezultātiem, zinātniekiizmantoja melnā cauruma izmēru, lai veiktu tā saukto "otrās kārtas" vispārējās relativitātes testu. To nav iespējams izdarīt Saules sistēmā, jo gravitācijas lauks ir pārāk vājš, skaidro Lea Medeirosa no Prinstonas Padziļināto pētījumu institūta, kas arī ir EHT locekle.
Einšteina teorijas testi
Kopumā tagad fiziķi uzrāda vispārēju teorijurelativitāte kā korekciju vai papildinājumu kopums Ņūtona gravitācijas teorijā. Vispārējā relativitāte paredz, kādām jābūt šīm virsbūvēm. Ja gravitācijas darbības mērījumi Visumā atšķiras no šīm prognozēm, tad fiziķi zina, ka vispārējā relativitāte vēl nav viss. Jo vairāk testam pievienoto papildinājumu vai faktoru, jo lielāka pārliecība par rezultātu. Jauni testi un melno caurumu pārbaudes nebūs ilgi gaidāmas.
M87 melnā cauruma simulācijas parādīšanaplazmas kustība, virpuļot ap melno caurumu. Spilgti plāns gredzens, ko var redzēt zilā krāsā, ir tā maliņa, ko mēs saucam par melnā cauruma ēnu. Foto: L. Medeiros; K. Čans; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IRD.
Tomēr, ja vispārējā relativitāte tika apstiprināta, kāpēc daži fiziķi nav apmierināti ar rezultātiem? Lieta ir tāda, ka vispārējā relativitāte konfliktē ar kvantu mehāniku.
Relativitāte pret kvantu mehāniku: Visuma cīņa
Fiziķi gadu desmitiem ir mēģinājuši samierināt divas ļoti atšķirīgas teorijas. Un, ja ar vispārējo relativitātes teoriju viss ir skaidrs, tad kāpēc kvantu mehānika atsakās pakļauties Einšteina likumiem?
Fiziķiem šobrīd ir divi atsevišķinoteikumu kopums, kas izskaidro, kā daba darbojas. Pastāv vispārēja relativitātes teorija, kas lieliski izskaidro gravitāciju un visu, ko tā nosaka: planētu rotāciju, galaktiku sadursmes, visa izplešanās Visuma dinamiku kopumā. Šī ir zinātne par lielām lietām».
Un ir arī kvantu mehānika, kas nodarbojasar trim citiem spēkiem – elektromagnētismu un diviem kodolspēkiem. Kvantu teorija ir ļoti prasmīga, lai aprakstītu to, kas notiek, kad urāna atoms sabrūk vai atsevišķas gaismas daļiņas nonāk saules elementā. Šī ir «zinātne par mazām lietām».
Kvantu mehānika - teorētiskā sadaļafizika, aprakstot fiziskas parādības, kurās darbība pēc lieluma ir salīdzināma ar Plankas konstanti. Kvantu mehānikas prognozes var ievērojami atšķirties no klasiskās mehānikas prognozēm.
Patiesi nesavienojamu realitātes aprakstu sadursme
Tagad pie problēmas:relativitātes teorija un kvantu mehānika ir būtībā atšķirīgas teorijas, kurām ir atšķirīgi formulējumi. Tas nav tikai zinātniskās terminoloģijas jautājums; tā ir patiesi nesavienojamu realitātes aprakstu sadursme.
Konflikts starp abām fizikas pusēm ir veidojies jau vairāk nekā gadsimtu - to izprovocēja pāris Einšteina 1905. gada darbi, no kuriem viens apraksta relativitātes teoriju, bet otrs - kvantu.
Būtībā jūs varat domāt par sadalījumu starprelativitātes teorija un kvantu sistēmas kā “gluda” un “īsa”. Vispārējā relativitātes teorijā notikumi ir nepārtraukti un deterministiski, kas nozīmē, ka katrs cēlonis atbilst noteiktai lokālai iedarbībai.
Kvantu mehānikā notikumi, ko izraisasubatomisko daļiņu mijiedarbība notiek lēcieniem (jā, kvantu lēcieniem) ar varbūtības, nevis noteiktiem rezultātiem. Kvantu noteikumi pieļauj savienojumus, ko aizliedz klasiskā fizika. Tas tika pierādīts plaši apspriestā eksperimentā. Tad zinātnieki pierādīja, ka divas daļiņas - šajā gadījumā elektroni - var acumirklī ietekmēt viena otru, pat ja tās atrodas jūdžu attālumā viens no otra. Mēģinot interpretēt gludus relatīvistiskos likumus kodolīgā kvantu stilā vai otrādi, viss nenotiek saskaņā ar plānu.
Bezjēdzīgas atbildes
Relativitāte sniedz bezjēdzīgas atbildes, kadjūs mēģināt to samazināt līdz kvantu lielumam, galu galā gravitācijas aprakstā nokrītot līdz bezgalīgām vērtībām. Tāpat kvantu mehānikā rodas nopietnas problēmas, kad jūs to uzpūšat līdz kosmiskām proporcijām. Kvantu lauki pārvadā noteiktu enerģijas daudzumu pat šķietami tukšā telpā, un enerģijas daudzums palielinās, laukiem palielinoties. Pēc Einšteina domām, enerģija un masa ir ekvivalenti (šis ziņojums ir E = mc 2), tāpēc enerģijas uzkrāšana ir tieši tāda pati kā masas uzkrāšana. Pietiekami liels, lai enerģijas daudzums kvantu laukos kļūtu tik liels, ka tas rada melno caurumu, kas liek Visumam salocīties sevī. Tomēr, kā redzat, tas nenotiek.
Vienkārši sakot, kvantu mehānika nav savienojama ar vispārējo relativitāti, jo kvantu lauka teorijā spēki darbojas lokāli, precīzi definētu kvantu apmaiņas ceļā.
Kāda ir apakšējā līnija?
Rezultātā jaunais rezultāts rada nelielu vilšanos.fiziķi cerot atrast plaisas Einšteina teorijā. Atrodot novirzi no vispārējās relativitātes, varētu norādīt ceļu uz jaunu fiziku. Vai arī tas varētu palīdzēt apvienot vispārējo relativitāti, ļoti lielu fiziku un kvantu mehāniku - vadošo teoriju, kas apraksta ļoti mazu objektu, piemēram, subatomisko daļiņu un atomu, fiziku. Fakts, ka vispārējā relativitāte joprojām atsakās paklausīt, "uztrauc tos no mums, kas esam pietiekami veci, lai cerētu saņemt atbildi mūsu dzīves laikā," saka Psaltis.
Gravitācijas teorijas pārbaude ir pastāvīga meklēšana:Vai vispārējās relativitātes prognozes ir pietiekami labas dažādiem astrofizikāliem objektiem, ka astrofiziķi neuztraucas par iespējamām vispārējās relativitātes atšķirībām vai modifikācijām?
Dažādu stiprības gravitācijas lauku ilustrācija,izpētīti ar kosmoloģiskiem testiem, Saules sistēmas testiem un melnajiem caurumiem. Attēlu kredīts: D. Psaltis, Arizonas universitāte; NASA / WMAP; EKA / Kasīni; EHT
Tomēr turpmākie novērojumi ar EHT sniegs vēl vairākprecīzi vispārējās relativitātes testi, īpaši ar nepublicētiem Sgr A * (Strēlnieka A *) attēliem, melno caurumu Piena ceļa centrā. Ar daudz precīzākiem Sgr A * masas mērījumiem nekā jebkurš cits supermasīvais melnais caurums šis attēls varētu mainīt vispārējo relativitāti.
Strēlnieks A *. Šo attēlu uzņēma NASA rentgena observatorija Chandra. Gaismas atbalsis ir marķētas ar elipsēm. Pilns attēls - 12,5 loka minūtes (avots)
“Melno caurumu attēli pilnībā atklājasjauns leņķis, lai pārbaudītu Einšteina vispārējo relativitātes teoriju,” skaidro Maikls Krāmers, Maksa Planka Radioastronomijas institūta direktors un EHT sadarbības dalībnieks.
"Kopā ar gravitācijas viļņu novērojumiem tas iezīmē jauna laikmeta sākumu melnā cauruma astrofizikā," pārliecināts ir Psaltis.
"Kad mēs iegūstam melnās cauruma attēlu mūsu pašu galaktikas centrā, mēs varam vēl vairāk ierobežot novirzes no vispārējās relativitātes," Ozel secina.
Vai tad Einšteinam būs taisnība? Un kāds ir kvantu mehānikas liktenis?
Lasīt arī:
Uz Zemes ir iespējams izveidot kodolreaktoru. Kādas būs sekas?
Doomsday ledājs izrādījās bīstamāks, nekā domāja zinātnieki. Mēs sakām galveno
Slimības 3. dienā lielākajai daļai COVID-19 pacientu zūd oža un bieži cieš no iesnas