Како је све почело?
Крајем деветнаестог века физика се нашла у кризи: постојале су савршене
Посебна теорија релативности
Међутим, нико од ових еминентних физичарауспео да састави целу причу. Нада је остала код младог Алберта Ајнштајна, који је у то време већ почео да приступа проблему на нов начин. Са шеснаест година питао се како би било путовати са снопом светлости? До 1905. показао је да резултати Фицџералда и Лоренца следе из једне једноставне, али радикалне претпоставке: закони физике и брзина светлости морају бити исти за све посматраче који се равномерно крећу, без обзира на њихово стање релативног кретања.
Да би ово „функционисало“, има више простора и временане може бити независан. Уместо тога, они се "претварају" једни у друге на такав начин да брзина светлости остаје константна за све посматраче. Због тога се чини да се покретни објекти скупљају, као што су теоретисали Фицџералд и Лоренц, и зашто посматрачи у покрету могу другачије да мере време, као што је теоретисао Поенкаре. Простор и време су релативни,&нбсп;тј. То јест, зависе од кретања посматрача који их мери - а светлост је фундаменталнија од оба. Ово је основа Ајнштајнове специјалне теорије релативности („посебно“ се односи на ограничење равномерног кретања).
Принцип еквиваленције
Убрзо након што је завршио своју посебну теоријуАјнштајн је имао „најсрећнију мисао у свом животу“. Десило се то 1907. године, док је седео у својој столици у патентној канцеларији у Берну и питао се како би било да покуша да испусти лопту док пада са стране зграде. Ајнштајн је схватио да особа која убрзава наниже са лоптом неће моћи да открије ефекат гравитације на њу. Посматрач може да «трансформише» гравитације (барем у непосредној близини) једноставним померањем у овај убрзани референтни оквир – без обзира на то који објекат је испуштен. Гравитација је (локално) еквивалентна убрзању. Ово је принцип еквиваленције.
Да разуме колико је он заиста диванпринцип еквиваленције, замислите шта би се десило када би гравитација деловала на исти начин као и друге силе. Када би гравитација била попут електрицитета, на пример, онда би куглице са већим наелектрисањем биле јаче привучене Земљом и стога би падале брже од лоптица са мање наелектрисања. Не би било начина да се такви ефекти трансформишу преласком на исти убрзани референтни оквир за све објекте. Али гравитација је „слепа за материју“ — подједнако утиче на све објекте. Из ове чињенице Ајнштајн је извео импресиван закључак да гравитација не зависи од својстава материје (као што, на пример, електрицитет зависи од електричног набоја). Уместо тога, феномен гравитације мора да потиче од неког својства простор-времена.
Гравитација као закривљени простор-време
Ајнштајн је на крају одредио имовинупростор-време, које је одговорно за гравитацију, као и за њену кривину. Простор и време у Ајнштајновом универзуму више нису равни (као што је Њутн имплицитно претпоставио), већ их материја може повући, растегнути и савијати. Гравитација се најјаче осећа тамо где је простор-време најзакривљеније, а нестаје тамо где је простор-време равно. Ово је суштина Ајнштајнове теорије опште релативности, која се често може изразити речима: „материја говори простору-времену како да се савија, а закривљени простор-време говори материји како да се креће”.
Стандардни начин илустрације ове идеје је -ставите куглу за куглање (која представља, на пример, масиван предмет као што је сунце) на испружену гумену плочу (која представља простор-време). Ако лопту ставите на гумени лим, она ће се котрљати према куглици и чак може да се стави у "орбиту" око лопте за куглање. То није зато што мању масу „привлачи“ сила која произлази из веће, већ зато што се креће дуж површине која је деформисана присуством веће масе.
Исто тако, гравитација у Ајнштајновој теоријинастаје не као сила која се шири у простор-времену, већ као карактеристика самог простора-времена. Према Ајнштајну, ваша тежина на Земљи настаје услед чињенице да ваше тело путује у закривљеном простору-времену.
Општа теорија релативности
Општа теорија релативности (општа релативност; ит. аллгемеине Релативитатстхеорие) је геометријска теорија гравитације која развија посебну теорију релативности (СРТ), која претпоставља да су гравитационе и инерцијалне силе исте природе.
Отуда следи да гравитациони ефектинису узроковане интеракцијом сила тела и поља смештених у простор-времену, већ деформацијом самог простора-времена, која је повезана, посебно, са присуством масене енергије.
Општа релативност се разликује од осталих метричких теорија гравитације коришћењем Ајнштајнових једначина за повезивање закривљености простор-времена са материјом која је у њој присутна
Општа релативност је физички заснованана принципу еквиваленције, али ова теорија има и другу, више математичку основу. Познат као принцип опште коваријантности, ово је захтев да закон универзалне гравитације буде једнак за све посматраче, чак и оне који убрзавају, без обзира на координате у којима је описан. Из тог разлога је Ајнштајн своју нову теорију назвао „општем“, а не „посебном“ теоријом релативности - уклонио је претходно постојеће ограничење на посматраче који се равномерно крећу. Испоставило се да је ово најтежи проблем са којим се Ајнштајн икада суочио. Као што је касније рекао, изражавање физичких закона без координата је попут „описивања мисли без речи“. Физичар је морао да савлада апстрактну математику површина и њихов опис у смислу тензора.
Шта су научници сазнали?
Гравитација црне рупе је толико јака дасавија простор. Делује као нека врста лупе, због чега сенка овог космичког објекта изгледа већа него што заправо јесте. Научници Евент Хоризон Телесцопе (ЕХТ) проучавали су ово визуелно изобличење и открили да се стварна величина сенке црне рупе М87 поклапа са предвиђањима Ајнштајнове теорије опште релативности.&нбсп;
Како је изјавио Кеиицхи Асада, члан научног већа ЕХТ-аи стручњак за радио посматрања црних рупа на Институту за астрономију и астрофизику Ацадемиа Синица, њихов метод је „потпуно нов начин тестирања опште релативности помоћу супермасивних црних рупа.“&нбсп;
Како су научници дошли до својих закључака?
Када је први објављен у априлу 2019слика црне рупе, постала је снажна потврда теорије гравитације Алберта Ајнштајна, или опште релативности.&нбсп;Теорија не само да описује како материја искривљује простор-време, већ предвиђа и само постојање црних рупа, укључујући величину сенка коју црна рупа баца на светли материјал диска који ротира око неких густих објеката.&нбсп;
За спровођење теста, тим је користио првиикада снимљена слика супермасивне црне рупе у центру суседне галаксије М87 на удаљености од око 55 милиона светлосних година, коју је снимио ЕХТ прошле године.
Иконична слика супермасивне црнерупа је показала да сенка у потпуности одговара предвиђањима опште теорије релативности у погледу њене величине. Другим речима, Ајнштајн је поново био у праву.
Овај резултат, који је известио Евент Хоризон Телесцопе Цоллаборатион, одговорио је на једно питање: Да ли величина М87 црне рупе одговара општој релативности?
Али „врло је тешко одговорити супротнопитање је: колико могу да подесим општу релативност и још увек се подударам са мерењима [црне рупе]? “, рекао је научник из ЕХТ-а Димитриос Псалтис са Универзитета у Аризони у Туцсону. Ово питање је кључно јер је још увек могуће да би нека друга теорија гравитације могла да опише свемир, али се маскирала у општу релативност.
Ајнштајнова вероватноћа да греши смањена је за фактор 500
У студији објављеној 1. октобра у Пхисицал Ревиев Леттерс, Псалтис и колеге су користили сенку црне рупе М87 да би предузели важан корак ка оповргавању ових алтернативних теорија.
Тим је спровео врло широку анализу многихмодификације опште релативности како би се дефинисала јединствена карактеристика теорије гравитације која одређује величину сенке црне рупе. Научници су се фокусирали на бројне алтернативе које су прошле све претходне тестове у Сунчевом систему.
„Користећи сензор који смо развили, мипоказали су да измерена величина сенке црне рупе у М87 сужава простор за померање за модификације Ајнштајнове опште теорије релативности за готово 500 пута у поређењу са претходним тестовима у Сунчевом систему “, објашњава професор астрофизике Уаризона Фериал Озел, старији члан ЕХТ сарадња. „Многи начини за промену опште релативности пропадају у овом новом и оштријем тесту сенки црне рупе.“
Визуелизација новог сензора дизајнираног да тестира предвиђања модификованих теорија гравитације у односу на мерење величине сенке М87.
Заслуге: Д. Псалтис, Универзитет Аризона; ЕХТ&нбсп;
Да би били сигурни у резултате, научницикористио је величину црне рупе да изврши оно што је познато као тест опште релативности „другог реда“. Ово је „немогуће урадити у Сунчевом систему“ јер је гравитационо поље преслабо, објашњава Леах Медеирос са Института за напредне студије на Принстону, такође члан ЕХТ-а.
Ајнштајнова теорија проверава
Генерално, сада физичари представљају општу теоријурелативност као скуп исправки или допуна Њутнове теорије гравитације. Општа релативност предвиђа какве би ове надградње требало да буду. Ако мерења како гравитација делује у свемиру одступају од ових предвиђања, онда физичари знају да општа релативност није све. Што се више додавања или фактора дода у тест, то је више поверења у резултат. Нова испитивања и провере црних рупа неће дуго чекати.
Симулација приказа црне рупе М87кретање плазме док се ковитла око црне рупе. Свијетли танки прстен који се може видети у плавој боји је ивица онога што називамо сенком црне рупе. Фотографија: Л. Медеирос; К. Цхан; Д. Псалтис; Ф. Осел; УАризона; ИАС.
Међутим, ако је потврђена општа релативност, зашто су неки физичари незадовољни резултатима? Ствар је у томе што се општа релативност сукобљава са квантном механиком.
Релативност наспрам квантне механике: битка за универзум
Физичари су деценијама покушавали да помире две веома различите теорије. И ако је са општом теоријом релативности све јасно, зашто онда квантна механика одбија да се повинује Ајнштајновим законима?
Физичари тренутно имају два одвојенаскуп правила која објашњавају како природа функционише. Постоји општа теорија релативности која савршено објашњава гравитацију и све што она одређује: ротацију планета, галаксије које се сударају, динамику ширења Универзума у целини. Ово је «наука о великим стварима».
А есть и квантовая механика , которая имеет дело с тремя другими силами — электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория чрезвычайно искусна в описании того, что происходит, когда атом урана распадается или когда отдельные частицы света попадают в солнечный элемент. Это «наука о малом».
Квантна механика - део теоријскефизике, описујући физичке појаве у којима је радња по величини упоредива са Планцковом константом. Предвиђања квантне механике могу се значајно разликовати од предвиђања класичне механике.
Сукоб заиста некомпатибилних описа стварности
Сада на проблем:теорија релативности и квантна механика су фундаментално различите теорије које имају различите формулације. Ово није ствар само научне терминологије; то је сукоб заиста неспојивих описа стварности.
Сукоб између две половине физике трајао је више од једног века - изазвао је неколико Ајнштајнових дела 1905. године, од којих једно описује теорију релативности, а друго квантум.
По сути, вы можете думать о разделении между теорией относительности и квантовыми системами как о «гладком» и «коротком». В общей теории относительности события непрерывны и детерминированы, что означает, что каждая причина соответствует определенному локальному следствию.
В квантовой механике события, вызванные взаимодействием субатомных частиц, происходят скачками (да, квантовыми скачками) с вероятностными, а не определенными результатами. Квантовые правила разрешают связи, запрещенные классической физикой. Это было продемонстрировано в широко обсуждаемом эксперименте. Тогда ученые продемонстрировали, что две частицы — в данном случае электроны — могут мгновенно влиять друг на друга, даже если они находятся на расстоянии мили. Когда вы пытаетесь интерпретировать гладкие релятивистские законы (законы относитеьности) в кратком квантовом стиле или наоборот, все «идет не по плану».
Бесмислени одговори
Релативност даје бесмислене одговоре кадапокушавате да је смањите на квантну величину, да би се на крају спустили до бесконачних вредности у вашем опису гравитације. Слично томе, квантна механика наилази на озбиљне проблеме када је надувате до космичких размера. Квантна поља носе одређену количину енергије чак и у наизглед празном простору, а количина енергије се повећава како се поља повећавају. Према Ајнштајну, енергија и маса су еквивалентне (ова порука је Е = мц 2), па је акумулирање енергије потпуно исто као акумулирање масе. Довољно велика да количина енергије у квантним пољима постане толико велика да ствара црну рупу која приморава свемир да се савије у себе. Међутим, као што видите, то се не дешава.
Једноставно речено, квантна механика је неспојива са општом релативношћу, јер у квантној теорији поља силе делују локално разменом добро дефинисаних кванта.
Која је суштина?
Као резултат, нови резултат је мало разочаравајућ.физичари који се надају да ће пронаћи пукотине у Ајнштајновој теорији. Проналажење одступања од опште релативности могло би да укаже на пут ка новој физици. Или би могао помоћи у комбиновању опште релативности, физике врло великих и квантне механике, водеће теорије која описује физику врло малих објеката попут субатомских честица и атома. Чињеница да општа релативност и даље одбија да се покорава „брине нас који смо довољно стари да се надамо да ћемо добити одговор током свог живота“, каже Псалтис.
Тестирање теорије гравитације је непрестано тражење:Да ли су предвиђања опште релативности довољно добра за разне астрофизичке објекте да астрофизичари не брину због било каквих могућих разлика или модификација опште релативности?
Илустрација различитих јачина гравитационих поља,истражен космолошким тестовима, тестовима Сунчевог система и црним рупама. Заслуга за слику: Д. Псалтис, Универзитет у Аризони; НАСА / ВМАП; ЕСА / Цассини; ЕХТ
Међутим, будућа запажања са ЕХТ-ом учиниће још вишепрецизна испитивања опште релативности, посебно са необјављеним сликамагр А * (Стрелац А *), црне рупе у центру Млечног пута. Са много прецизнијим мерењима масе Сгр А * од било које друге супермасивне црне рупе, ова слика би могла да промени општу релативност.
Стрелац А *. Ову слику је снимила Цхандра, НАСА-ина рендгенска опсерваторија. Светлосни одјеци су означени елипсама. Комплетна слика - 12,5 лучних минута (извор)
«Изображения черных дыр открывают совершенно новый угол для проверки общей теории относительности Эйнштейна , — объясняет Майкл Крамер, директор Радиоастрономического института Макса Планка и участник коллаборации EHT.
„Заједно са посматрањем гравитационих таласа, ово означава почетак нове ере у астрофизици црних рупа“, сигуран је Псалтис.
„Када добијемо слику црне рупе у центру сопствене галаксије, можемо даље ограничити одступања од опште релативности“, закључује Озел.
Да ли ће Ајнштајн тада бити у праву? А каква је судбина квантне механике?
Прочитајте и:
На Земљи је могуће створити термонуклеарни реактор. Какве ће бити последице?
Испоставило се да је глечер Судњег дана опаснији него што су научници мислили. Кажемо главно
Трећег дана болести, већина пацијената са ЦОВИД-19 губи смрад и често пате од цурења из носа