Cum a început totul?
La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizica s-a trezit în criză: existau perfecte
Teoria specială a relativității
Cu toate acestea, niciunul dintre acești fizicieni eminentia reușit să pună cap la cap întreaga poveste. Speranța a rămas la tânărul Albert Einstein, care la acea vreme deja începuse să abordeze problema într-un mod nou. La vârsta de șaisprezece ani, se întreba cum ar fi să călătorești cu un fascicul de lumină? Până în 1905, el a arătat că rezultatele lui Fitzgerald și Lorentz au rezultat dintr-o presupunere simplă, dar radicală: legile fizicii și viteza luminii trebuie să fie aceleași pentru toți observatorii care se mișcă uniform, indiferent de starea lor de mișcare relativă.
Pentru ca aceasta să „funcționeze”, există mai mult spațiu și timpnu poate fi independent. Mai degrabă, ei „se convertesc” unul în celălalt în așa fel încât viteza luminii să rămână constantă pentru toți observatorii. Acesta este motivul pentru care obiectele în mișcare par să se micșoreze, așa cum au teoretizat Fitzgerald și Lorentz, și de ce observatorii în mișcare pot măsura timpul diferit, așa cum a teoretizat Poincaré. Spațiul și timpul sunt relative, adică. 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 („specială” se referă la limitarea mișcării uniforme).
Principiul echivalenței
La scurt timp după finalizarea teoriei sale specialeEinstein a avut „cel mai fericit gând din viața lui”. S-a întâmplat în 1907, când stătea pe scaunul său din biroul de brevete din Berna și se întreba cum ar fi să încerci să arunci o minge în timp ce cădea dintr-o clădire. Einstein și-a dat seama că o persoană care accelerează în jos cu o minge nu ar fi capabilă să detecteze efectul gravitației asupra acesteia. Observatorul poate «transforma» gravitația (cel puțin în imediata vecinătate) pur și simplu prin deplasarea în acest cadru accelerat de referință - indiferent ce obiect este aruncat. Gravitația este (local) echivalentă cu accelerația. Acesta este principiul echivalenței.
Pentru a înțelege cât de minunat este el cu adevăratprincipiul echivalenței, imaginați-vă ce s-ar întâmpla dacă gravitația ar acționa în același mod ca și alte forțe. Dacă gravitația ar fi ca electricitatea, de exemplu, atunci bilele cu mai multă sarcină ar fi atrase mai puternic de Pământ și, prin urmare, ar cădea mai repede decât bilele cu mai puțină sarcină. Nu ar exista nicio modalitate de a transforma astfel de efecte trecând la același cadru de referință accelerat pentru toate obiectele. Dar gravitația este „oarbă față de materie” – afectează toate obiectele în mod egal. Din acest fapt, Einstein a tras concluzia impresionantă că gravitația nu depinde de proprietățile materiei (cum, de exemplu, electricitatea depinde de sarcina electrică). Mai degrabă, fenomenul gravitației trebuie să provină dintr-o proprietate a spațiu-timpului.
Gravitația ca spațiu-timp curbat
Einstein a determinat în cele din urmă proprietateaspațiu-timp, care este responsabil pentru gravitație, precum și pentru curbura acesteia. 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 este simțită cel mai puternic acolo unde spațiu-timp este cel mai curbat și dispare acolo unde spațiu-timp este plat. Aceasta este esența teoriei relativității generale a lui Einstein, care poate fi adesea exprimată în cuvintele: „materia spune spațiu-timpului cum să se îndoaie, iar spațiu-timpul 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 unei găuri negre este atât de puternică încâtîndoiește spațiul. Acționează ca un fel de lupă, motiv pentru care umbra acestui obiect cosmic pare mai mare decât este în realitate. Oamenii de știință al Telescopului Event Horizon (EHT) au studiat această distorsiune vizuală și au descoperit că dimensiunea reală a umbrei găurii negre M87 se potrivește cu predicțiile teoriei relativității generale a lui Einstein.
După cum a afirmat Keiichi Asada, membru al consiliului științific al EHTși un expert în observațiile radio ale găurilor negre la Institutul de Astronomie și Astrofizică Academia Sinica, metoda lor este „o modalitate complet nouă de a testa relativitatea generală folosind găurile negre supermasive.”
Cum au ajuns oamenii de știință la concluziile lor?
Când primul a fost publicat în aprilie 2019imaginea unei găuri negre, ea a devenit o confirmare puternică a teoriei gravitației sau relativității generale a lui Albert Einstein. Teoria nu numai că descrie modul în care materia distorsionează spațiu-timp, ci și prezice însăși existența găurilor negre, inclusiv dimensiunea umbra aruncată de gaura neagră pe materialul strălucitor al discului care se rotește în jurul unor obiecte dense.
Pentru a efectua testul, echipa a folosit primulImaginea surprinsă mereu a găurii negre supermasive din centrul galaxiei vecine M87 la o distanță de aproximativ 55 de milioane de ani lumină, realizată de EHT anul trecut.
Imagine emblematică a negru supermasivgaura a arătat că umbra corespunde pe deplin predicțiilor relativității generale cu privire la dimensiunea 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”.
O vizualizare a unui nou senzor conceput pentru a testa predicțiile teoriilor modificate ale gravitației față de o măsurare a dimensiunii umbrei lui M87.
Credit: D. Psaltis, Universitatea din Arizona; EHT
Pentru a fi încrezători în rezultate, oameni de științăa folosit dimensiunea unei găuri negre pentru a efectua ceea ce este cunoscut ca un test de „ordinul doi” al relativității generale. Acest lucru 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 membră a 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 determină ea: rotația planetelor, galaxiile care se ciocnesc, dinamica Universului în expansiune în ansamblu. Aceasta este «știința lucrurilor mari».
Și există și mecanica cuantică, care se ocupăcu alte trei forțe - electromagnetismul și două forțe nucleare. Teoria cuantică este extrem de abil în a descrie ce se întâmplă atunci când un atom de uraniu se descompune sau când particulele individuale de lumină intră într-o celulă solară. Aceasta este «știința lucrurilor mici».
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.
În esență, vă puteți gândi la o divizare întreteoria relativității și sistemele cuantice ca „netede” și „scurte”. În relativitatea generală, evenimentele sunt continue și deterministe, ceea ce înseamnă că fiecărei cauze îi corespunde un efect local specific.
În mecanica cuantică, evenimentele cauzate deInteracțiunile particulelor subatomice au loc în salturi (da, salturi cuantice) cu rezultate probabilistice mai degrabă decât definitive. Regulile cuantice permit conexiuni interzise de fizica clasică. Acest lucru a fost demonstrat într-un experiment larg discutat. Apoi, oamenii de știință au demonstrat că două particule - în acest caz electroni - se pot influența instantaneu una pe cealaltă, chiar dacă se află la kilometri distanță. Când încerci să interpretezi legile relativiste netede într-un stil cuantic succint, 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 Radio Astronomie 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