Hoe is het allemaal begonnen?
Aan het einde van de negentiende eeuw bevond de natuurkunde zich in een crisis: er waren perfecte
Speciale relativiteitstheorie
Geen van deze eminente natuurkundigen echtererin geslaagd om het hele verhaal samen te voegen. De hoop bleef bij de jonge Albert Einstein, die op dat moment al het probleem op een nieuwe manier begon te benaderen. Op zestienjarige leeftijd vroeg hij zich af hoe het zou zijn om met een lichtstraal te reizen? In 1905 had hij aangetoond dat de resultaten van Fitzgerald en Lorentz voortkwamen uit één eenvoudige maar radicale veronderstelling: de wetten van de natuurkunde en de snelheid van het licht moeten hetzelfde zijn voor alle uniform bewegende waarnemers, ongeacht hun relatieve bewegingstoestand.
Om dit te laten “werken”, is er meer ruimte en tijdkan niet onafhankelijk zijn. Integendeel, ze 'converteren' in elkaar op zo'n manier dat de lichtsnelheid voor alle waarnemers constant blijft. Dit is de reden waarom bewegende objecten lijken te krimpen, zoals Fitzgerald en Lorentz theoretiseerden, en waarom bewegende waarnemers de tijd anders kunnen meten, zoals Poincaré theoretiseerde. Ruimte en tijd zijn relatief, d.w.z. Dat wil zeggen, ze zijn afhankelijk van de beweging van de waarnemer die ze meet - en licht is fundamenteler dan beide. Dit is de basis van Einsteins speciale relativiteitstheorie ("speciaal" verwijst naar de beperking van eenparige beweging).
Gelijkwaardigheidsprincipe
Kort na het voltooien van zijn speciale theorieEinstein had 'de gelukkigste gedachte van zijn leven'. Het gebeurde in 1907, toen hij in zijn stoel in het octrooibureau in Bern zat en zich afvroeg hoe het zou zijn om te proberen een bal te laten vallen terwijl hij van de zijkant van een gebouw valt. Einstein realiseerde zich dat een persoon die met een bal naar beneden versnelt, het effect van de zwaartekracht daarop niet zou kunnen waarnemen. De waarnemer kan «transformeren» zwaartekracht (althans in de directe omgeving) door eenvoudigweg in dit versnelde referentiekader te bewegen - ongeacht welk object er valt. Zwaartekracht is (lokaal) gelijk aan versnelling. Dit is het gelijkwaardigheidsbeginsel.
Om te begrijpen hoe geweldig hij werkelijk isgelijkwaardigheidsbeginsel, stel je eens voor wat er zou gebeuren als de zwaartekracht op dezelfde manier zou werken als andere krachten. Als de zwaartekracht bijvoorbeeld op elektriciteit zou lijken, zouden ballen met meer lading sterker door de aarde worden aangetrokken en daarom sneller vallen dan ballen met minder lading. Er zou geen manier zijn om dergelijke effecten te transformeren door voor alle objecten naar hetzelfde versnelde referentiekader te gaan. Maar de zwaartekracht is ‘blind voor materie’: ze beïnvloedt alle objecten in gelijke mate. Op basis van dit feit trok Einstein de indrukwekkende conclusie dat de zwaartekracht niet afhankelijk is van de eigenschappen van materie (zoals bijvoorbeeld elektriciteit afhankelijk is van elektrische lading). Het fenomeen zwaartekracht moet eerder voortkomen uit een eigenschap van de ruimte-tijd.
Zwaartekracht als een gekromde ruimte-tijd
Einstein bepaalde uiteindelijk de eigenschapruimte-tijd, die verantwoordelijk is voor de zwaartekracht en de kromming ervan. Ruimte en tijd in het universum van Einstein zijn niet langer vlak (zoals Newton impliciet aannam), maar kunnen door materie worden getrokken, uitgerekt en kromgetrokken. De zwaartekracht wordt het sterkst gevoeld waar de ruimtetijd het meest gebogen is, en verdwijnt waar de ruimtetijd vlak is. Dit is de essentie van Einsteins algemene relativiteitstheorie, die vaak kan worden uitgedrukt in de woorden: "materie vertelt de ruimtetijd hoe ze moet buigen, en de gekromde ruimtetijd vertelt de materie hoe ze moet bewegen."
De standaardmanier om dit idee te illustreren is -plaats een bowlingbal (die bijvoorbeeld een massief object zoals de zon vertegenwoordigt) op een uitgerekt rubberen laken (dat ruimte-tijd vertegenwoordigt). Als je een bal op een rubberen laken legt, rolt deze naar de bowlingbal en kan hij zelfs in een "baan" rond de bowlingbal worden gebracht. Dit is niet omdat de kleinere massa wordt "aangetrokken" door de kracht die uitgaat van de grotere, maar omdat hij beweegt langs een oppervlak dat is vervormd door de aanwezigheid van de grotere massa.
Evenzo zwaartekracht in de theorie van Einsteinontstaat niet als een kracht die zich voortplant in ruimte-tijd, maar eerder als een kenmerk van ruimte-tijd zelf. Volgens Einstein is je gewicht op aarde te wijten aan het feit dat je lichaam in gekromde ruimte-tijd reist.
Algemene relativiteitstheorie
Algemene relativiteitstheorie (algemene relativiteitstheorie; it. allgemeine Relativitätstheorie) is een geometrische zwaartekrachttheorie die de speciale relativiteitstheorie (SRT) ontwikkelt, die stelt dat zwaartekracht en traagheidskrachten van dezelfde aard zijn.
Hieruit volgt dat gravitatie-effectenworden niet veroorzaakt door de krachtinteractie van lichamen en velden die zich in ruimte-tijd bevinden, maar door de vervorming van de ruimte-tijd zelf, die met name geassocieerd is met de aanwezigheid van massa-energie.
De algemene relativiteitstheorie verschilt van andere metrische theorieën over zwaartekracht door het gebruik van Einsteins vergelijkingen om de kromming van ruimte-tijd te relateren aan de materie die erin aanwezig is
De algemene relativiteitstheorie is fysiek gebaseerdop het gelijkwaardigheidsbeginsel, maar deze theorie heeft een tweede, meer wiskundige basis. Bekend als het principe van algemene covariantie, is dit een vereiste dat de wet van universele zwaartekracht hetzelfde is voor alle waarnemers, zelfs degenen die versnellen, ongeacht de coördinaten waarin deze wordt beschreven. Het is om deze reden dat Einstein zijn nieuwe theorie "algemene" en niet "speciale" relativiteitstheorie noemde - hij verwijderde de eerder bestaande beperking op uniform bewegende waarnemers. Dit bleek het moeilijkste probleem te zijn waarmee Einstein ooit te maken heeft gehad. Zoals hij later zei, is het uitdrukken van natuurkundige wetten zonder coördinaten als 'gedachten zonder woorden beschrijven'. De fysicus moest de abstracte wiskunde van oppervlakken en hun beschrijving in termen van tensoren beheersen.
Wat ontdekten de wetenschappers?
De zwaartekracht van een zwart gat is zo sterk datbuigt de ruimte. Het werkt als een soort vergrootglas, waardoor de schaduw van dit kosmische object groter lijkt dan hij in werkelijkheid is. Wetenschappers van de Event Horizon Telescope (EHT) bestudeerden deze visuele vervorming en ontdekten dat de werkelijke grootte van de schaduw van het zwarte gat M87 overeenkomt met de voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Zoals verklaard door Keiichi Asada, lid van de wetenschappelijke raad van de EHTen een expert op het gebied van radiowaarnemingen van zwarte gaten aan het Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, is hun methode “een compleet nieuwe manier om de algemene relativiteitstheorie te testen met behulp van superzware zwarte gaten.”
Hoe kwamen wetenschappers tot hun conclusies?
Toen de eerste in april 2019 verscheenbeeld van een zwart gat, werd het een krachtige bevestiging van de zwaartekrachttheorie van Albert Einstein, oftewel de algemene relativiteitstheorie. De theorie beschrijft niet alleen hoe materie de ruimte-tijd vervormt, maar voorspelt ook het bestaan van zwarte gaten, inclusief de grootte van zwarte gaten. de schaduw die door het zwarte gat wordt geworpen op het heldere schijfmateriaal dat rond sommige dichte objecten draait.
Om de test uit te voeren, gebruikte het team de eersteooit vastgelegde afbeelding van het superzware zwarte gat in het centrum van het naburige sterrenstelsel M87 op een afstand van ongeveer 55 miljoen lichtjaar, vorig jaar gemaakt door de EHT.
Iconisch beeld van supermassief zwartgat toonde aan dat de schaduw volledig overeenkomt met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie met betrekking tot zijn grootte. Met andere woorden: Einstein had opnieuw gelijk.
Dit resultaat, gerapporteerd door Event Horizon Telescope Collaboration, beantwoordde één vraag: komt de grootte van het zwarte gat van M87 overeen met de algemene relativiteitstheorie?
Maar “het is erg moeilijk om het tegenovergestelde te beantwoordende vraag is: in hoeverre kan ik de algemene relativiteitstheorie aanpassen en toch de metingen van [het zwarte gat] evenaren? ”, aldus EHT-teamwetenschappers Dimitrios Psaltis van de Universiteit van Arizona in Tucson. Deze vraag is de sleutel omdat het nog steeds mogelijk is dat een andere zwaartekrachttheorie het universum zou kunnen beschrijven, maar zichzelf vermomd als algemene relativiteitstheorie.
Einsteins kans om ongelijk te hebben is 500 keer verkleind
In een studie die op 1 oktober in Physical Review Letters werd gepubliceerd, gebruikten Psaltis en collega's de schaduw van het zwarte gat M87 om een belangrijke stap te zetten in het weerleggen van deze alternatieve theorieën.
Het team heeft een zeer brede analyse van velen uitgevoerdwijzigingen van de algemene relativiteitstheorie om een uniek kenmerk te definiëren van de zwaartekrachttheorie die de grootte van de schaduw van een zwart gat bepaalt. Wetenschappers hebben zich geconcentreerd op een aantal alternatieven die alle eerdere tests in het zonnestelsel hebben doorstaan.
“Met de door ons ontwikkelde sensor hebben wetoonde aan dat de gemeten grootte van de schaduw van het zwarte gat in M87 de bewegingsruimte voor modificaties van Einsteins algemene relativiteitstheorie bijna 500 keer verkleint in vergelijking met eerdere tests in het zonnestelsel, ”legt Uarizona-hoogleraar astrofysica Ferial Ozel uit, senior lid van de EHT-samenwerking. "Veel manieren om de algemene relativiteitstheorie te wijzigen, mislukken in deze nieuwe en zwaardere schaduwtest voor zwart gat."
Een visualisatie van een nieuwe sensor die is ontworpen om de voorspellingen van gewijzigde zwaartekrachttheorieën te testen aan de hand van een meting van de grootte van de schaduw van M87.
Krediet: D. Psaltis, Universiteit van Arizona; EHT
Om vertrouwen te hebben in de resultaten, wetenschappersgebruikte de grootte van een zwart gat om een zogenaamde ‘tweede orde’ test van de algemene relativiteitstheorie uit te voeren. Dit "kan niet worden gedaan in het zonnestelsel" omdat het zwaartekrachtveld te zwak is, legt Leah Medeiros van het Institute for Advanced Study in Princeton uit, ook lid van de EHT.
Einsteins theorie-tests
In het algemeen presenteren natuurkundigen nu een algemene theorierelativiteitstheorie als een reeks correcties of toevoegingen aan Newtons zwaartekrachttheorie. De algemene relativiteitstheorie voorspelt wat deze bovenbouw zou moeten zijn. Als metingen van de werking van de zwaartekracht in het universum afwijken van deze voorspellingen, dan weten natuurkundigen dat de algemene relativiteitstheorie niet alles is. Hoe meer toevoegingen of factoren aan de test worden toegevoegd, hoe meer vertrouwen in het resultaat. Nieuwe tests en controles op zwarte gaten zullen niet lang op zich laten wachten.
Simulatie van M87 zwart gat tonende beweging van het plasma terwijl het rond het zwarte gat wervelt. De heldere dunne ring die in blauw te zien is, is de rand van wat we de schaduw van het zwarte gat noemen. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Als de algemene relativiteitstheorie echter is bevestigd, waarom zijn sommige natuurkundigen dan niet tevreden met de resultaten? Het punt is dat de algemene relativiteitstheorie in strijd is met de kwantummechanica.
Relativiteit versus kwantummechanica: The Battle of the Universe
Natuurkundigen hebben tientallen jaren geprobeerd twee zeer verschillende theorieën met elkaar te verzoenen. En als alles duidelijk is met de algemene relativiteitstheorie, waarom weigert de kwantummechanica dan om de wetten van Einstein te gehoorzamen?
Natuurkundigen hebben momenteel twee afzonderlijkeeen reeks regels die uitleggen hoe de natuur werkt. Er bestaat een algemene relativiteitstheorie die de zwaartekracht en alles wat deze bepaalt perfect verklaart: de rotatie van planeten, botsende sterrenstelsels, de dynamiek van het uitdijende heelal als geheel. Dit is de ‘wetenschap van grote dingen’.
En er is ook de kwantummechanica, die zich ermee bezighoudtmet drie andere krachten: elektromagnetisme en twee nucleaire krachten. De kwantumtheorie is buitengewoon bedreven in het beschrijven van wat er gebeurt als een uraniumatoom vervalt of als individuele lichtdeeltjes een zonnecel binnendringen. Dit is de ‘wetenschap van kleine dingen’.
Kwantummechanica - een deel van de theorienatuurkunde, die fysische verschijnselen beschrijft waarin de actie in grootte vergelijkbaar is met de constante van Planck. De voorspellingen van de kwantummechanica kunnen significant verschillen van de voorspellingen van de klassieke mechanica.
De botsing van werkelijk onverenigbare beschrijvingen van de werkelijkheid
Nu naar het probleem:de relativiteitstheorie en de kwantummechanica zijn fundamenteel verschillende theorieën met verschillende formuleringen. Dit is niet alleen een kwestie van wetenschappelijke terminologie; het is een botsing van werkelijk onverenigbare beschrijvingen van de werkelijkheid.
Het conflict tussen de twee helften van de fysica is al meer dan een eeuw aan de gang - uitgelokt door een paar van Einsteins werken in 1905, waarvan er één de relativiteitstheorie beschrijft, en de andere - kwantum.
In essentie kun je denken aan een scheiding tussenrelativiteitstheorie en kwantumsystemen als “glad” en “kort”. In de algemene relativiteitstheorie zijn gebeurtenissen continu en deterministisch, wat betekent dat elke oorzaak overeenkomt met een specifiek lokaal effect.
In de kwantummechanica worden gebeurtenissen veroorzaakt doorinteracties van subatomaire deeltjes vinden plaats in sprongen (ja, kwantumsprongen) met probabilistische in plaats van definitieve resultaten. Kwantumregels maken verbindingen mogelijk die verboden zijn door de klassieke natuurkunde. Dit werd aangetoond in een veelbesproken experiment. Vervolgens toonden wetenschappers aan dat twee deeltjes – in dit geval elektronen – elkaar onmiddellijk kunnen beïnvloeden, zelfs als ze kilometers van elkaar verwijderd zijn. Wanneer je soepele relativistische wetten probeert te interpreteren in een beknopte kwantumstijl, of omgekeerd, lopen de zaken niet volgens plan.
Zinloze antwoorden
Relativiteit geeft zinloze antwoorden wanneerje probeert het terug te brengen tot een kwantumgrootte, en uiteindelijk daalt het tot oneindige waarden in je beschrijving van de zwaartekracht. Evenzo stuit de kwantummechanica op serieuze problemen wanneer je het opblaast tot kosmische proporties. Kwantumvelden dragen een bepaalde hoeveelheid energie, zelfs in schijnbaar lege ruimte, en de hoeveelheid energie neemt toe naarmate de velden toenemen. Volgens Einstein zijn energie en massa equivalent (dit bericht is E = mc 2), dus het verzamelen van energie is precies hetzelfde als het verzamelen van massa. Groot genoeg, en de hoeveelheid energie in kwantumvelden zal zo groot worden dat er een zwart gat ontstaat dat het universum dwingt zich in zichzelf te vouwen. Zoals u kunt zien, gebeurt dit echter niet.
Simpel gezegd, de kwantummechanica is onverenigbaar met de algemene relativiteitstheorie, omdat in de kwantumveldentheorie krachten lokaal werken door de uitwisseling van goed gedefinieerde kwanta.
Waar komt het op neer?
Daardoor valt het nieuwe resultaat een beetje tegen.natuurkundigen die barsten in de theorie van Einstein hopen te vinden. Het vinden van een afwijking van de algemene relativiteitstheorie zou de weg kunnen wijzen naar een nieuwe fysica. Of het kan helpen om de algemene relativiteitstheorie, de fysica van de zeer grote en de kwantummechanica te combineren, de leidende theorie die de fysica van zeer kleine objecten beschrijft, zoals subatomaire deeltjes en atomen. Het feit dat de algemene relativiteitstheorie nog steeds weigert te gehoorzamen "baart degenen onder ons die oud genoeg zijn om te hopen tijdens ons leven een antwoord te krijgen", zegt Psaltis.
Het testen van de zwaartekrachttheorie is een constante zoektocht:Zijn de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie goed genoeg voor verschillende astrofysische objecten dat astrofysici zich geen zorgen hoeven te maken over mogelijke verschillen of wijzigingen in de algemene relativiteitstheorie?
Illustratie van verschillende sterktes van zwaartekrachtvelden,onderzocht met kosmologische tests, tests van het zonnestelsel en zwarte gaten. Image Credit: D. Psaltis, Universiteit van Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Toekomstige waarnemingen met de EHT zullen echter nog meer opleverennauwkeurige tests van de algemene relativiteitstheorie, vooral met niet-gepubliceerde afbeeldingen van Sgr A * (Boogschutter A *), een zwart gat in het centrum van de Melkweg. Met veel nauwkeurigere metingen van Sgr A * -massa dan enig ander superzwaar zwart gat, zou deze afbeelding de algemene relativiteitstheorie kunnen veranderen.
Boogschutter A *. Deze foto is gemaakt door Chandra, NASA's röntgenobservatorium. Lichte echo's zijn gemarkeerd met ellipsen. Volledig beeld - 12,5 boogminuten (bron)
“Beelden van zwarte gaten onthullen volledigeen nieuwe invalshoek om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen”, legt Michael Kramer uit, directeur van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie en lid van de EHT-samenwerking.
"Samen met waarnemingen van zwaartekrachtgolven, markeert dit het begin van een nieuw tijdperk in de astrofysica van zwarte gaten", weet Psaltis zeker.
"Als we een beeld krijgen van een zwart gat in het centrum van ons eigen melkwegstelsel, kunnen we de afwijkingen van de algemene relativiteitstheorie verder beperken", besluit Ozel.
Zal Einstein dan gelijk hebben? En wat is het lot van de kwantummechanica?
Lees ook:
Het is mogelijk om op aarde een thermonucleaire reactor te maken. Wat zijn de gevolgen?
De Doomsday-gletsjer bleek gevaarlijker te zijn dan wetenschappers dachten. We vertellen het belangrijkste
Op dag 3 van de ziekte verliezen de meeste COVID-19-patiënten hun reukvermogen en hebben ze vaak een loopneus