Gaura neagră a confirmat că Einstein avea dreptate. Dar problema „cuantică” rămâne

Cum a început totul?

La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizica s-a aflat într-o criză: erau perfecte

teoriile mecanicii (Newton) și electromagnetismului(Maxwell), dar nu păreau să fie foarte de acord. Lumina era cunoscută ca fenomen electromagnetic, dar nu respecta aceleași legi ale mecanicii ca și materia. Experimentele lui Albert A. Michelson și alții din anii 1880 au arătat că se mișca întotdeauna cu aceeași viteză, indiferent de viteza sursei sale.

Teoria specială a relativității

Cu toate acestea, niciunul dintre acești fizicieni eminenția reușit să pună întreaga poveste laolaltă. Speranța i-a rămas tânărului Albert Einstein, care la acel moment începuse deja să abordeze problema într-un mod nou. La vârsta de șaisprezece ani, se întreba cum ar fi să călătorești cu un fascicul de lumină? În 1905, el arătase că rezultatele lui Fitzgerald și Lorentz provin dintr-o presupunere simplă, dar radicală: legile fizicii și viteza luminii trebuie să fie aceleași pentru toți observatorii în mișcare uniformă, indiferent de starea lor de mișcare relativă.

Pentru ca acest lucru să funcționeze, spațiul și timpul sunt mai marinu poate fi independent. Mai degrabă, ei se „convertesc” unul în celălalt, astfel încât viteza luminii să rămână constantă pentru toți observatorii. Acesta este motivul pentru care se pare că obiectele în mișcare se contractă, așa cum sugerează Fitzgerald și Lorentz și de ce observatorii în mișcare pot măsura timpul diferit, așa cum sugerează Poincaré. Spațiul și timpul sunt relative, adică depind de mișcarea observatorului care le măsoară - iar lumina este mai fundamentală decât ambele. Aceasta este baza teoriei speciale a relativității a lui Einstein („special” se referă la limitarea mișcării uniforme).

Principiul echivalenței

La scurt timp după finalizarea teoriei sale specialeEinstein a avut „cel mai fericit gând din viața sa”. Acest lucru s-a întâmplat în 1907, în timp ce stătea pe scaunul său la biroul de brevete din Berna și se întreba cum ar fi să încerci să arunci o minge în timp ce cazi de pe peretele clădirii. Einstein a realizat că o persoană care accelerează în jos cu o minge nu poate detecta efectul gravitației asupra ei. Observatorul poate „transforma” gravitația (cel puțin în imediata apropiere) prin simpla deplasare în acest cadru de referință accelerat - indiferent de obiectul căzut. Gravitația (local) este echivalentă cu accelerația. Acesta este principiul echivalenței.

Pentru a înțelege cât de minunat este cu adevăratprincipiul echivalenței, imaginați-vă cum ar fi dacă gravitația ar acționa la fel ca alte forțe. Dacă gravitația ar fi ca electricitatea, de exemplu, atunci bilele cu o sarcină mai mare ar fi mai atrase de Pământ și, prin urmare, ar cădea mai repede decât bilele cu o sarcină mai mică. Nu ar exista nicio modalitate de a transforma astfel de efecte deplasându-se în același cadru de referință accelerat pentru toate obiectele. Dar gravitația este „oarbă față de materie” - afectează în același mod toate obiectele. Din acest fapt, Einstein a tras concluzia impresionantă că gravitația nu depinde de proprietățile materiei (deoarece, de exemplu, electricitatea depinde de o sarcină electrică). Mai degrabă, fenomenul gravitației trebuie să provină dintr-o anumită proprietate a spațiului-timp.

Gravitația ca spațiu-timp curbat

În cele din urmă, Einstein a definit proprietateaspațiu-timp, care este responsabil pentru gravitație ca curbură a acestuia. Spațiul și timpul din universul lui Einstein nu mai sunt plate (așa cum presupunea implicit Newton), ci pot fi trase, întinse și deformate de materie. Gravitația se simte cel mai puternic acolo unde spațiul-timp este cel mai curbat și dispare acolo unde spațiul-timp este plat. Aceasta este esența teoriei generale a relativității a lui Einstein, care poate fi adesea exprimată în cuvinte: „materia dictează spațiului-timp cum să se aplece, iar spațiul-timp curbat spune materiei cum să se miște”.

Modul standard de a ilustra această idee este -așezați o minge de bowling (reprezentând, de exemplu, un obiect masiv precum soarele) pe o foaie de cauciuc întinsă (reprezentând spațiul-timp). Dacă puneți o minge pe o foaie de cauciuc, aceasta se va rostogoli spre bila de bowling și poate fi chiar pusă pe „orbită” în jurul mingii de bowling. Acest lucru nu se datorează faptului că masa mai mică este „atrasă” de forța emanată de cea mai mare, ci pentru că se deplasează de-a lungul unei suprafețe care a fost deformată de prezența masei mai mari.

La fel, gravitația în teoria lui Einsteinnu apare ca o forță care se propagă în spațiu-timp, ci mai degrabă ca o caracteristică a spațiului-timp în sine. Potrivit lui Einstein, greutatea ta pe Pământ se datorează faptului că corpul tău călătorește în spațiu-timp curbat.

Teoria generală a relativității

Teoria generală a relativității (relativitatea generală; it.allgemeine Relativitätstheorie) este o teorie geometrică a gravitației care dezvoltă teoria specială a relativității (SRT), care postulează că forțele gravitaționale și inerțiale sunt de aceeași natură.

De aici rezultă că efectele gravitaționalesunt cauzate nu de interacțiunea forței corpurilor și câmpurilor situate în spațiu-timp, ci de deformarea spațiului-timp în sine, care este asociată, în special, cu prezența masei-energie.

Relativitatea generală diferă de alte teorii metrice ale gravitației prin utilizarea ecuațiilor lui Einstein pentru a raporta curbura spațiu-timp cu materia prezentă în ea

Relativitatea generală se bazează fizicpe principiul echivalenței, dar această teorie are un al doilea fundament mai matematic. Cunoscut ca principiul covarianței generale, aceasta este o cerință ca legea gravitației universale să fie aceeași pentru toți observatorii, chiar și pentru cei care accelerează, indiferent de coordonatele în care este descrisă. Din acest motiv, Einstein a numit noua sa teorie „generală” și nu „relativă” teoria relativității - a eliminat restricția existentă anterior asupra observatorilor care se mișcau uniform. Aceasta s-a dovedit a fi cea mai dificilă problemă cu care s-a confruntat vreodată Einstein. După cum a spus mai târziu, exprimarea legilor fizice fără coordonate este ca „descrierea gândurilor fără cuvinte”. Fizicianul a trebuit să stăpânească matematica abstractă a suprafețelor și descrierea lor în termeni de tensori.

Ce au aflat oamenii de știință?

Gravitația găurii negre este atât de puternică încâtîndoaie spațiul. Acționează ca un fel de lupă, făcând umbra acestui obiect cosmic să pară mai mare decât este în realitate. Oamenii de știință de la Event Horizon Telescope (EHT) au studiat această distorsiune vizuală și au descoperit că dimensiunea reală a umbrei găurii negre M87 se potrivește cu previziunile teoriei generale a relativității a lui Einstein.

După cum a afirmat Keiichi Asada, membru al Consiliului științific EHTși un expert în observații radio ale găurilor negre de la Institutul de Astronomie și Astrofizică Academia Sinica, metoda lor este „un mod complet nou de a testa relativitatea generală folosind găurile negre supermasive”.

Cum au ajuns oamenii de știință la concluziile lor?

Când prima a fost publicată în aprilie 2019imagine a unei găuri negre, a devenit o confirmare puternică a teoriei gravitației sau a relativității generale a lui Albert Einstein. Teoria nu numai că descrie modul în care materia distorsionează spațiul-timp, dar prezice și existența găurilor negre, inclusiv dimensiunea umbrei aruncate de o gaură neagră pe un disc luminos de material care orbitează unele obiecte dense.

Pentru a efectua testul, echipa a folosit primulimaginea mereu făcută a unei găuri negre supermasive în centrul galaxiei M87 din apropiere, la aproximativ 55 de milioane de ani lumină distanță, capturată de EHT anul trecut.

Imaginea iconică a unei găuri negre supermasivea arătat că umbra este pe deplin compatibilă cu previziunile relativității generale în ceea ce privește mărimea sa. Cu alte cuvinte, Einstein avea dreptate - din nou.

Acest rezultat, raportat de Event Horizon Telescope Collaboration, a răspuns la o întrebare: Dimensiunea găurii negre M87 se potrivește cu relativitatea generală?

Dar „este foarte greu să răspunzi contrariulîntrebarea este: cât de mult pot să ajustez relativitatea generală și să mă pot potrivi cu măsurătorile [găurii negre]? ”, au declarat oamenii de știință ai echipei EHT Dimitrios Psaltis de la Universitatea din Arizona la Tucson. Această întrebare este esențială, deoarece este încă posibil ca o altă teorie a gravitației să descrie universul, dar s-a deghizat în relativitate generală.

Probabilitatea lui Einstein de a greși a fost redusă de 500 de ori

Într-un studiu publicat în 1 octombrie în Physical Review Letters, Psaltis și colegii săi au folosit umbra găurii negre M87 pentru a face un pas important către respingerea acestor teorii alternative.

Echipa a efectuat o analiză foarte largă a multoramodificări ale relativității generale pentru a defini o caracteristică unică a teoriei gravitației care determină dimensiunea umbrei unei găuri negre. Oamenii de știință s-au concentrat pe o serie de alternative care au trecut toate testele anterioare din sistemul solar.

„Folosind senzorul pe care l-am dezvoltat, noia arătat că dimensiunea măsurată a umbrei găurii negre din M87 restrânge spațiul pentru modificări ale teoriei generale a relativității a lui Einstein de aproape 500 de ori față de testele anterioare din sistemul solar ”, explică profesorul de astrofizică Uarizona Ferial Ozel, membru senior al Colaborare EHT. „Multe modalități de modificare a relativității generale eșuează în acest nou și mai dur test de umbră a găurii negre”.

Imagistica unui nou senzor conceput pentru a testa predicțiile teoriilor gravitaționale modificate față de măsurarea dimensiunii umbrei lui M87.
Credit de imagine: D. Psaltis, Universitatea din Arizona; EHT

Pentru a fi siguri de rezultate, oamenii de științăa folosit dimensiunea găurii negre pentru a efectua așa-numitul test de „ordinul doi” al relativității generale. Este „imposibil de făcut în sistemul solar”, deoarece câmpul gravitațional este prea slab, explică Leah Medeiros de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, de asemenea membru al EHT.

Testele teoretice ale lui Einstein

În general, acum fizicienii prezintă o teorie generalărelativitatea ca un set de corecții sau adăugiri la teoria gravitației lui Newton. Relativitatea generală prezice cum ar trebui să fie aceste suprastructuri. Dacă măsurătorile despre modul în care funcționează gravitația în univers se abat de la aceste predicții, atunci fizicienii știu că relativitatea generală nu este totul. Cu cât se adaugă mai mulți adăugi sau factori la test, cu atât mai multă încredere în rezultat. Noile teste și verificări ale găurilor negre nu vor întârzia să apară.

Simularea afișării găurii negre M87mișcarea plasmei în timp ce se învârte în jurul găurii negre. Inelul strălucitor și subțire care poate fi văzut în albastru este marginea a ceea ce numim umbra unei găuri negre. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.

Totuși, dacă relativitatea generală a fost confirmată, de ce unii fizicieni sunt nemulțumiți de rezultate? Ideea este că relativitatea generală intră în conflict cu mecanica cuantică.

Relativitatea versus mecanica cuantică: bătălia pentru univers

Fizicienii au petrecut zeci de ani încercând să împace două teorii foarte diferite. Și dacă totul este clar cu teoria generală a relativității, atunci de ce refuză mecanica cuantică să respecte legile lui Einstein?

Fizicienii au în prezent două separateun set de reguli care explică modul în care funcționează natura. Există o teorie generală a relativității, care explică perfect gravitația și tot ceea ce definește: rotația planetelor, galaxiile care se ciocnesc, dinamica universului în expansiune ca întreg. Aceasta este „știința marelui”.

Și există, de asemenea, mecanica cuantică, care se ocupăcu alte trei forțe - electromagnetismul și două forțe nucleare. Teoria cuantică este extrem de abilă să descrie ce se întâmplă atunci când un atom de uraniu se descompune sau când particule individuale de lumină lovesc o celulă solară. Aceasta este „știința micului”.

Mecanica cuantică - o secțiune teoreticăfizică, descriind fenomene fizice în care acțiunea este comparabilă ca mărime cu constanta lui Planck. Predicțiile mecanicii cuantice pot diferi semnificativ de predicțiile mecanicii clasice.

Ciocnirea descrierilor realității incompatibile

Acum la problemă:teoria relativității și mecanica cuantică sunt în mod fundamental teorii diferite care au formulări diferite. Aceasta nu este doar o chestiune de terminologie științifică; este o ciocnire a descrierilor realității incompatibile.

Conflictul dintre cele două jumătăți ale fizicii se dezvoltă de peste un secol - provocat de câteva lucrări ale lui Einstein în 1905, dintre care una descrie teoria relativității și cealaltă, cuantica.

Practic, vă puteți gândi la separarea dintreteoria relativității și a sistemelor cuantice ca „netede” și „scurte”. În relativitatea generală, evenimentele sunt continue și deterministe, ceea ce înseamnă că fiecare cauză corespunde unui efect local specific.

În mecanica cuantică, evenimentele provocate deinteracțiunile particulelor subatomice apar în salturi (da, salturi cuantice) cu rezultate probabiliste, mai degrabă decât definite. Regulile cuantice permit conexiunile interzise de fizica clasică. Acest lucru a fost demonstrat într-un experiment larg discutat. Oamenii de știință au demonstrat apoi că două particule - în acest caz electroni - se pot influența instantaneu una pe cealaltă, chiar dacă sunt la o milă distanță. Când încercați să interpretați legi relativiste netede (legi ale relativității) într-un stil cuantic concis, sau invers, lucrurile nu merg conform planului.

Răspunsuri fără sens

Relativitatea oferă răspunsuri fără sens atunci cândîncercați să o reduceți la o dimensiune cuantică, ajungând în cele din urmă la valori infinite în descrierea gravitației. La fel, mecanica cuantică întâmpină probleme serioase atunci când o umflați la proporții cosmice. Câmpurile cuantice transportă o anumită cantitate de energie chiar și în spațiu aparent gol, iar cantitatea de energie crește pe măsură ce câmpurile cresc. Potrivit lui Einstein, energia și masa sunt echivalente (acest mesaj este E = mc 2), deci acumularea energiei este exact ca masa acumulată. Suficient de mare pentru ca cantitatea de energie din câmpurile cuantice să devină atât de mare încât creează o gaură neagră care forțează universul să se plieze în sine. Cu toate acestea, după cum puteți vedea, acest lucru nu se întâmplă.

Pur și simplu, mecanica cuantică este incompatibilă cu relativitatea generală, deoarece în teoria câmpului cuantic forțele acționează local prin schimbul de cuante bine definite.

Care este linia de jos?

În cele din urmă, noul rezultat este puțin dezamăgitor.fizicienii care speră să găsească fisuri în teoria lui Einstein. Găsirea unei abateri de la relativitatea generală ar putea indica calea către o nouă fizică. Sau ar putea ajuta la combinarea relativității generale, a fizicii foarte mari și a mecanicii cuantice, principala teorie care descrie fizica obiectelor foarte mici, cum ar fi particulele subatomice și atomii. Faptul că relativitatea generală încă refuză să se supună „ne îngrijorează pe cei dintre noi care suntem suficient de în vârstă pentru a spera să obținem un răspuns în viața noastră”, spune Psaltis.

Testarea teoriei gravitației este o căutare constantă:Sunt predicțiile relativității generale suficient de bune pentru diferite obiecte astrofizice, încât astrofizicienii nu își fac griji cu privire la eventualele diferențe sau modificări ale relativității generale?

Ilustrația diferitelor forțe ale câmpurilor gravitaționale,explorat cu teste cosmologice, teste ale sistemului solar și găuri negre. Credit de imagine: D. Psaltis, Universitatea din Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT

Cu toate acestea, observațiile viitoare cu EHT vor face și mai multeteste precise ale relativității generale, în special cu imagini nepublicate ale Sgr A * (Săgetător A *), o gaură neagră în centrul Căii Lactee. Cu măsurători mult mai precise ale masei Sgr A * decât orice altă gaură neagră supermasivă, această imagine ar putea schimba relativitatea generală.

Săgetător A *. Această imagine a fost surprinsă de Chandra, Observatorul de raze X al NASA. Ecourile ușoare sunt marcate cu elipse. Imagine completă - 12,5 minute arc (sursă)

„Imaginile găurilor negre dezvăluie completun nou unghi pentru a testa teoria generală a relativității a lui Einstein, explică Michael Kramer, director al Institutului Max Planck pentru Radioastronomie și membru al colaborării EHT.

„Împreună cu observațiile undelor gravitaționale, aceasta marchează începutul unei noi ere în astrofizica găurilor negre”, este sigur Psaltis.

„Când obținem o imagine a unei găuri negre în centrul propriei noastre galaxii, putem limita în continuare abaterile de la relativitatea generală”, conchide Ozel.

Va avea dreptate Einstein atunci? Și care este soarta mecanicii cuantice?

Citește și:

Este posibil să se creeze un reactor termonuclear pe Pământ. Care vor fi consecințele?

Ghețarul Doomsday s-a dovedit a fi mai periculos decât credeau oamenii de știință. Spunem principalul lucru

În ziua a 3-a de boală, majoritatea pacienților cu COVID-19 își pierd simțul mirosului și suferă adesea de un nas curgător