Jak to wszystko się zaczęło?
Pod koniec XIX wieku fizyka znalazła się w kryzysie: istniały ideały
Szczególna teoria względności
Jednak żaden z tych wybitnych fizykówudało się poskładać całą historię w jedną całość. Nadzieja pozostała u młodego Alberta Einsteina, który już w tym czasie zaczął podchodzić do problemu w nowy sposób. W wieku szesnastu lat zastanawiał się, jak by to było podróżować ze snopem światła? Do 1905 roku wykazał, że wyniki Fitzgeralda i Lorentza wynikały z jednego prostego, ale radykalnego założenia: prawa fizyki i prędkość światła muszą być takie same dla wszystkich poruszających się ruchem jednostajnym obserwatorów, niezależnie od ich stanu ruchu względnego.
Aby to „zadziałało”, jest więcej miejsca i czasunie może być niezależny. Raczej „przekształcają się” w siebie w taki sposób, że prędkość światła pozostaje stała dla wszystkich obserwatorów. To dlatego poruszające się obiekty wydają się kurczyć, jak teoretyzowali Fitzgerald i Lorentz, i dlaczego poruszający się obserwatorzy mogą inaczej mierzyć czas, jak teoretyzował Poincaré. Przestrzeń i czas są względne, tzn. Oznacza to, że zależą od ruchu obserwatora, który je mierzy – a światło jest bardziej fundamentalne niż jedno i drugie. Na tym opiera się szczególna teoria względności Einsteina („specjalna” odnosi się do ograniczeń ruchu jednostajnego).
Zasada równoważności
Wkrótce po ukończeniu swojej specjalnej teoriiEinstein miał „najszczęśliwszą myśl w swoim życiu”. Stało się to w 1907 roku, kiedy siedział w swoim fotelu w urzędzie patentowym w Bernie i zastanawiał się, jakby to było spróbować upuścić piłkę spadając z ściany budynku. Einstein zdał sobie sprawę, że osoba przyspieszająca z piłką w dół nie będzie w stanie wykryć wpływu grawitacji na nią. Obserwator może „przemienić” grawitację (przynajmniej w bezpośrednim sąsiedztwie) po prostu poprzez przejście do tego przyspieszonego układu odniesienia – niezależnie od tego, jaki obiekt zostanie upuszczony. Grawitacja jest (lokalnie) równoważna przyspieszeniu. Taka jest zasada równoważności.
Aby zrozumieć, jaki jest naprawdę wspaniałyzasadzie równoważności, wyobraźmy sobie, co by się stało, gdyby grawitacja działała w taki sam sposób, jak inne siły. Gdyby na przykład grawitacja była jak elektryczność, wówczas kule o większym ładunku byłyby silniej przyciągane do Ziemi i dlatego spadałyby szybciej niż kule o mniejszym ładunku. Nie byłoby możliwości przekształcenia takich efektów poprzez przejście do tego samego przyspieszonego układu odniesienia dla wszystkich obiektów. Ale grawitacja jest „ślepa na materię” – wpływa jednakowo na wszystkie obiekty. Z tego faktu Einstein wyciągnął imponujący wniosek, że grawitacja nie zależy od właściwości materii (tak jak na przykład elektryczność zależy od ładunku elektrycznego). Przeciwnie, zjawisko grawitacji musi wynikać z jakiejś właściwości czasoprzestrzeni.
Grawitacja jako zakrzywiona czasoprzestrzeń
Einstein ostatecznie określił tę właściwośćczasoprzestrzeń, która jest odpowiedzialna za grawitację, a także jej krzywiznę. Przestrzeń i czas we wszechświecie Einsteina nie są już płaskie (jak domyślnie zakładał Newton), ale materia może je rozciągać, rozciągać i wypaczać. Grawitacja jest najsilniej odczuwalna tam, gdzie czasoprzestrzeń jest najbardziej zakrzywiona i zanika tam, gdzie czasoprzestrzeń jest płaska. Na tym właśnie polega esencja ogólnej teorii względności Einsteina, którą często można wyrazić słowami: „materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zginać, a zakrzywiona czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać”.
Standardowym sposobem zilustrowania tego pomysłu jest -umieść kulę do kręgli (reprezentującą na przykład masywny obiekt, taki jak słońce) na rozciągniętej gumowej płycie (reprezentującej czasoprzestrzeń). Jeśli położysz piłkę na gumowym arkuszu, potoczy się ona w kierunku kuli do kręgli i może nawet zostać umieszczona na „orbicie” wokół kuli do kręgli. Nie dzieje się tak dlatego, że mniejsza masa jest „przyciągana” przez siłę emanującą z większej, ale dlatego, że porusza się ona po powierzchni, która została zdeformowana obecnością większej masy.
Podobnie grawitacja w teorii Einsteinapowstaje nie jako siła rozchodząca się w czasoprzestrzeni, ale raczej jako cecha samej czasoprzestrzeni. Według Einsteina twoja waga na Ziemi wynika z faktu, że twoje ciało podróżuje w zakrzywionej czasoprzestrzeni.
Ogólna teoria względności
Ogólna teoria względności (ogólna teoria względności; wł. allgemeine Relativitätstheorie) to geometryczna teoria grawitacji, która rozwija specjalną teorię względności (SRT), która zakłada, że siły grawitacyjne i bezwładności mają tę samą naturę.
Stąd wynika, że efekty grawitacyjnenie są spowodowane oddziaływaniem sił ciał i pól znajdujących się w czasoprzestrzeni, ale deformacją samej czasoprzestrzeni, która jest związana w szczególności z obecnością energii-masy.
Ogólna teoria względności różni się od innych metrycznych teorii grawitacji tym, że wykorzystuje równania Einsteina do powiązania krzywizny czasoprzestrzeni z obecną w niej materią
Ogólna teoria względności opiera się na fizycena zasadzie równoważności, ale teoria ta ma również drugą, bardziej matematyczną podstawę. Znana jako zasada ogólnej kowariancji, jest to wymóg, aby prawo powszechnej grawitacji było takie samo dla wszystkich obserwatorów, nawet tych przyspieszających, niezależnie od współrzędnych, w których jest opisane. Z tego powodu Einstein nazwał swoją nową teorię „ogólną”, a nie „specjalną” teorią względności - usunął istniejące wcześniej ograniczenie dotyczące jednakowo poruszających się obserwatorów. Okazało się, że był to najtrudniejszy problem, z jakim kiedykolwiek spotkał się Einstein. Jak powiedział później, wyrażanie praw fizycznych bez współrzędnych jest jak „opisywanie myśli bez słów”. Fizyk musiał opanować abstrakcyjną matematykę powierzchni i ich opis za pomocą tensorów.
Czego dowiedzieli się naukowcy?
Grawitacja czarnej dziury jest tak duża, żezagina przestrzeń. Działa jak rodzaj szkła powiększającego, dlatego cień tego kosmicznego obiektu wydaje się większy niż w rzeczywistości. Naukowcy z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT) zbadali to wizualne zniekształcenie i odkryli, że rzeczywisty rozmiar cienia czarnej dziury M87 odpowiada przewidywaniom ogólnej teorii względności Einsteina.
Jak stwierdził Keiichi Asada, członek rady naukowej EHTa także ekspert ds. obserwacji radiowych czarnych dziur w Instytucie Astronomii i Astrofizyki Academia Sinica, ich metoda to „zupełnie nowy sposób testowania ogólnej teorii względności z wykorzystaniem supermasywnych czarnych dziur”.
Jak naukowcy doszli do swoich wniosków?
Kiedy pierwszy ukazał się w kwietniu 2019 robraz czarnej dziury, stał się potężnym potwierdzeniem teorii grawitacji Alberta Einsteina, czyli ogólnej teorii względności. Teoria ta nie tylko opisuje, w jaki sposób materia zniekształca czasoprzestrzeń, ale także przewiduje samo istnienie czarnych dziur, w tym wielkość cień rzucany przez czarną dziurę na jasny materiał dysku, który obraca się wokół gęstych obiektów.
Do przeprowadzenia testu zespół wykorzystał ten pierwszykiedykolwiek uchwycony obraz supermasywnej czarnej dziury w centrum sąsiedniej galaktyki M87, oddalonej o około 55 milionów lat świetlnych, wykonany przez EHT w zeszłym roku.
Ikoniczny obraz supermasywnej czernihole pokazało, że cień w pełni odpowiada przewidywaniom ogólnej teorii względności odnośnie jego wielkości. Innymi słowy, Einstein miał rację – znowu.
Ten wynik, zgłoszony przez Event Horizon Telescope Collaboration, odpowiedział na jedno pytanie: Czy rozmiar czarnej dziury M87 jest zgodny z ogólną teorią względności?
Ale „bardzo trudno jest odpowiedzieć odwrotniepytanie brzmi: jak bardzo mogę zmienić ogólną teorię względności i nadal dopasować pomiary [czarnej dziury]? ”- powiedział naukowcy z zespołu EHT Dimitrios Psaltis z University of Arizona w Tucson. To pytanie jest kluczowe, ponieważ wciąż jest możliwe, że jakaś inna teoria grawitacji mogłaby opisać Wszechświat, ale przebrała się za ogólną teorię względności.
Prawdopodobieństwo popełnienia błędu przez Einsteina zostało zmniejszone 500-krotnie
W badaniu opublikowanym 1 października w Physical Review Letters, Psaltis i współpracownicy wykorzystali cień czarnej dziury M87, aby zrobić ważny krok w kierunku obalenia tych alternatywnych teorii.
Zespół przeprowadził bardzo szeroką analizę wielumodyfikacje ogólnej teorii względności w celu zdefiniowania unikalnej cechy teorii grawitacji, która określa rozmiar cienia czarnej dziury. Naukowcy skupili się na kilku alternatywach, które przeszły wszystkie poprzednie testy w Układzie Słonecznym.
„Korzystając z opracowanego przez nas czujnika, mywykazał, że zmierzony rozmiar cienia czarnej dziury w M87 zawęża pole do manewru dla modyfikacji ogólnej teorii względności Einsteina prawie 500 razy w porównaniu z poprzednimi testami w Układzie Słonecznym ”- wyjaśnia profesor astrofizyki Ferial Ozel w Uarizonie, starszy członek Współpraca EHT. „Wiele sposobów zmiany ogólnej teorii względności zawodzi w tym nowym i trudniejszym teście cieni czarnych dziur”.
Wizualizacja nowego czujnika zaprojektowanego do testowania przewidywań zmodyfikowanych teorii grawitacji w porównaniu z pomiarami wielkości cienia M87.
Źródło: D. Psaltis, Uniwersytet w Arizonie; EHT
Aby mieć pewność wyników, naukowcywykorzystał rozmiar czarnej dziury do przeprowadzenia tak zwanego testu „drugiego rzędu” ogólnej teorii względności. „Nie da się tego zrobić w Układzie Słonecznym”, ponieważ pole grawitacyjne jest zbyt słabe, wyjaśnia Leah Medeiros z Instytutu Studiów Zaawansowanych w Princeton, również członkini EHT.
Testy teoretyczne Einsteina
Ogólnie rzecz biorąc, obecnie fizycy przedstawiają ogólną teorięteoria względności jako zestaw poprawek lub uzupełnień do teorii grawitacji Newtona. Ogólna teoria względności przewiduje, jakie powinny być te nadbudówki. Jeśli pomiary tego, jak działa grawitacja we wszechświecie, odbiegają od tych przewidywań, fizycy wiedzą, że ogólna teoria względności to nie wszystko. Im więcej dodatków lub czynników dodanych do testu, tym większa pewność wyniku. Nowe testy i kontrole czarnych dziur nie potrwają długo.
Symulacja pokazania czarnej dziury M87ruch plazmy wirującej wokół czarnej dziury. Jasny, cienki pierścień, który można zobaczyć na niebiesko, to krawędź tego, co nazywamy cieniem czarnej dziury. Zdjęcie: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Jeśli jednak ogólna teoria względności została potwierdzona, dlaczego niektórzy fizycy są niezadowoleni z wyników? Chodzi o to, że ogólna teoria względności koliduje z mechaniką kwantową.
Względność a mechanika kwantowa: bitwa o wszechświat
Fizycy spędzili dziesięciolecia, próbując pogodzić dwie bardzo różne teorie. A jeśli wszystko jest jasne w ogólnej teorii względności, to dlaczego mechanika kwantowa odmawia przestrzegania praw Einsteina?
Fizycy mają obecnie dwa oddzielnezbiór zasad wyjaśniających, jak działa przyroda. Istnieje ogólna teoria względności, która doskonale wyjaśnia grawitację i wszystko, co ona determinuje: obrót planet, zderzające się galaktyk, dynamikę rozszerzającego się Wszechświata jako całości. To jest „nauka o wielkich rzeczach”.
Jest jeszcze mechanika kwantowa, która się tym zajmujez trzema innymi siłami - elektromagnetyzmem i dwoma siłami jądrowymi. Teoria kwantowa jest niezwykle biegła w opisywaniu tego, co dzieje się, gdy atom uranu rozpada się lub gdy pojedyncze cząstki światła dostają się do ogniwa słonecznego. To jest „nauka o małych rzeczach”.
Mechanika kwantowa - dział teoretycznyfizyka, opisująca zjawiska fizyczne, w których działanie jest porównywalne pod względem wielkości do stałej Plancka. Przewidywania mechaniki kwantowej mogą się znacznie różnić od przewidywań mechaniki klasycznej.
Zderzenie naprawdę niekompatybilnych opisów rzeczywistości
A teraz do problemu:teoria względności i mechanika kwantowa to zasadniczo różne teorie, które mają różne sformułowania. Nie jest to tylko kwestia terminologii naukowej; jest to zderzenie naprawdę niekompatybilnych opisów rzeczywistości.
Konflikt między dwiema połówkami fizyki toczy się od ponad wieku - sprowokowany przez kilka prac Einsteina z 1905 roku, z których jedna opisuje teorię względności, a druga kwantową.
Zasadniczo można pomyśleć o podziale pomiędzyteorię względności i układy kwantowe jako „gładką” i „krótką”. Zgodnie z ogólną teorią względności zdarzenia mają charakter ciągły i deterministyczny, co oznacza, że każda przyczyna odpowiada konkretnemu lokalnemu skutku.
W mechanice kwantowej zdarzenia spowodowane przezinterakcje cząstek subatomowych zachodzą skokowo (tak, skoki kwantowe), a wyniki są raczej probabilistyczne niż określone. Reguły kwantowe dopuszczają połączenia zabronione przez fizykę klasyczną. Wykazano to w szeroko dyskutowanym eksperymencie. Następnie naukowcy wykazali, że dwie cząstki – w tym przypadku elektrony – mogą natychmiast oddziaływać na siebie, nawet jeśli dzielą je kilometry. Kiedy próbujesz interpretować gładkie prawa relatywistyczne w zwięzłym stylu kwantowym lub odwrotnie, sprawy nie idą zgodnie z planem.
Bezsensowne odpowiedzi
Względność daje bezsensowne odpowiedzi, kiedypróbujesz zredukować ją do rozmiaru kwantowego, ostatecznie spadając do nieskończonych wartości w twoim opisie grawitacji. Podobnie mechanika kwantowa napotyka poważne problemy, gdy nadyma się ją do kosmicznych rozmiarów. Pola kwantowe przenoszą pewną ilość energii nawet w pozornie pustej przestrzeni, a ilość energii rośnie wraz ze wzrostem pól. Według Einsteina energia i masa są równoważne (ta wiadomość to E = mc 2), więc akumulacja energii jest dokładnie taka sama, jak akumulacja masy. Wystarczająco duża, aby ilość energii w polach kwantowych stała się tak duża, że tworzy czarną dziurę, która zmusza wszechświat do złożenia się w siebie. Jednak, jak widać, tak się nie dzieje.
Mówiąc najprościej, mechanika kwantowa jest nie do pogodzenia z ogólną teorią względności, ponieważ w kwantowej teorii pola siły działają lokalnie poprzez wymianę dobrze zdefiniowanych kwantów.
Jaki jest wynik finansowy?
W rezultacie nowy wynik jest nieco rozczarowujący.fizycy mający nadzieję znaleźć pęknięcia w teorii Einsteina. Znalezienie odchylenia od ogólnej teorii względności może wskazać drogę do nowej fizyki. Albo może pomóc połączyć ogólną teorię względności, fizykę bardzo dużych i mechanikę kwantową, wiodącą teorię opisującą fizykę bardzo małych obiektów, takich jak cząstki subatomowe i atomy. Fakt, że ogólna teoria względności wciąż odmawia posłuszeństwa „niepokoi tych z nas, którzy są na tyle dorośli, by mieć nadzieję na odpowiedź za naszego życia” - mówi Psaltis.
Testowanie teorii grawitacji to ciągłe poszukiwanie:Czy przewidywania ogólnej teorii względności są wystarczająco dobre dla różnych obiektów astrofizycznych, aby astrofizycy nie przejmowali się żadnymi możliwymi różnicami lub modyfikacjami ogólnej teorii względności?
Ilustracja różnych sił pól grawitacyjnych,zbadane za pomocą testów kosmologicznych, testów układu słonecznego i czarnych dziur. Źródło: D. Psaltis, University of Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Jednak przyszłe obserwacje z EHT przyniosą jeszcze więcejprecyzyjne testy ogólnej teorii względności, zwłaszcza z niepublikowanymi zdjęciami Sgr A * (Strzelec A *), czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Dzięki znacznie dokładniejszym pomiarom masy Sgr A * niż jakakolwiek inna supermasywna czarna dziura, ten obraz może zmienić ogólną teorię względności.
Strzelec A *. To zdjęcie zostało zrobione przez Chandra, Obserwatorium Rentgenowskie NASA. Echa świetlne są oznaczone elipsami. Pełny obraz — 12,5 minut łuku (źródło)
„Obrazy czarnych dziur ujawniają się całkowicieto nowy punkt widzenia na przetestowanie ogólnej teorii względności Einsteina” – wyjaśnia Michael Kramer, dyrektor Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka i członek zespołu EHT.
„Wraz z obserwacjami fal grawitacyjnych oznacza to początek nowej ery w astrofizyce czarnych dziur” – jest pewien Psaltis.
„Kiedy otrzymamy obraz czarnej dziury w centrum naszej własnej galaktyki, możemy jeszcze bardziej ograniczyć odchylenia od ogólnej teorii względności” – podsumowuje Ozel.
Czy Einstein będzie miał wtedy rację? A jaki jest los mechaniki kwantowej?
Czytaj także:
Możliwe jest stworzenie reaktora termojądrowego na Ziemi. Jakie będą konsekwencje?
Lodowiec Doomsday okazał się bardziej niebezpieczny, niż sądzili naukowcy. Mówimy najważniejsze
W 3. dniu choroby większość pacjentów z COVID-19 traci zmysł węchu i często cierpi na katar