Hur började det hela?
I slutet av artonhundratalet befann sig fysiken i kris: det fanns perfekta
Särskild relativitetsteori
Men ingen av dessa framstående fysikerlyckades få ihop hela historien. Hoppet fanns kvar hos den unge Albert Einstein, som redan vid den tiden hade börjat närma sig problemet på ett nytt sätt. Vid sexton års ålder undrade han hur det skulle vara att resa med en ljusstråle? År 1905 hade han visat att resultaten av Fitzgerald och Lorentz följde av ett enkelt men radikalt antagande: fysikens lagar och ljusets hastighet måste vara desamma för alla observatörer som rör sig likformigt, oavsett deras relativa rörelsetillstånd.
För att detta ska "fungera" finns det mer utrymme och tidkan inte vara oberoende. Snarare "konverterar" de till varandra på ett sådant sätt att ljusets hastighet förblir konstant för alla observatörer. Det är därför som rörliga objekt verkar krympa, som Fitzgerald och Lorentz teoretiserade, och varför rörliga observatörer kan mäta tid på olika sätt, som Poincaré teoretiserade. Rum och tid är relativa, d.v.s. Det vill säga att de är beroende av rörelsen hos betraktaren som mäter dem – och ljus är mer fundamentalt än båda. Detta är grunden för Einsteins speciella relativitetsteori ("special" hänvisar till begränsningen av enhetlig rörelse).
Likvärdighetsprincip
Strax efter att ha avslutat sin speciella teoriEinstein hade "sitt livs lyckligaste tanke". Det hände 1907 när han satt i sin stol på patentkontoret i Bern och undrade hur det skulle vara att försöka tappa en boll när han faller från sidan av en byggnad. Einstein insåg att en person som accelererar nedåt med en boll inte skulle kunna upptäcka gravitationens inverkan på den. Observatören kan «förvandla» gravitation (åtminstone i omedelbar närhet) helt enkelt genom att flytta in i denna accelererade referensram – oavsett vilket föremål som tappas. Tyngdkraften är (lokalt) ekvivalent med acceleration. Detta är likvärdighetsprincipen.
För att förstå hur underbar han verkligen ärlikvärdighetsprincipen, föreställ dig vad som skulle hända om gravitationen verkade på samma sätt som andra krafter. Om gravitationen var som elektricitet, till exempel, skulle bollar med mer laddning vara starkare attraherade till jorden och därför falla snabbare än bollar med mindre laddning. Det skulle inte finnas något sätt att omvandla sådana effekter genom att flytta till samma accelererade referensram för alla objekt. Men gravitationen är "blind för materia" - den påverkar alla objekt lika. Av detta faktum drog Einstein den imponerande slutsatsen att gravitationen inte beror på materiens egenskaper (som till exempel elektricitet beror på elektrisk laddning). Snarare måste fenomenet gravitation härröra från någon egenskap hos rum-tid.
Gravitation som en krökt rymdtid
Einstein bestämde så småningom fastighetenrum-tid, som är ansvarig för gravitationen, såväl som dess krökning. Rymden och tiden i Einsteins universum är inte längre platt (som Newton implicit antog), utan kan dras, sträckas ut och förvrängas av materia. Tyngdkraften känns starkast där rumtiden är mest krökt och försvinner där rumtiden är platt. Detta är kärnan i Einsteins allmänna relativitetsteori, som ofta kan uttryckas med orden: "materia berättar för rumtiden hur den ska böjas, och den krökta rumtiden berättar för materien hur den ska röra sig."
Det vanliga sättet att illustrera denna idé är -placera en bowlingkula (representerar till exempel ett massivt föremål som solen) på ett sträckt gummilak (som representerar rymdtid). Om du lägger en boll på ett gummilak rullar den mot bowlingkulan och kan till och med sättas i en "bana" runt bowlingkulan. Detta beror inte på att den mindre massan "lockas" av den kraft som kommer från den större, utan för att den rör sig längs en yta som har deformerats av närvaron av den större massan.
På samma sätt tyngdkraften i Einsteins teoriuppstår inte som en kraft som sprids i rymdtid utan snarare som ett kännetecken för själva rymdtiden. Enligt Einstein beror din vikt på jorden på att din kropp färdas i krökt rymdtid.
Allmän relativitetsteori
Allmän relativitetsteori (allmän relativitet; it. allgemeine Relativitätstheorie) är en geometrisk gravitationsteori som utvecklar den speciella relativitetsteorin (SRT), som postulerar att gravitations- och tröghetskrafter är av samma natur.
Därav följer att gravitationella effekterorsakas inte av kraftinteraktionen mellan kroppar och fält som är belägna i rymd-tid, utan av deformationen av själva rymdtiden, som i synnerhet är förknippad med närvaron av massenergi.
Allmän relativitet skiljer sig från andra metriska gravitationsteorier genom att använda Einsteins ekvationer för att relatera rymdtidens krökning med den materia som finns i den
Allmän relativitet är fysiskt baseradpå likvärdighetsprincipen, men denna teori har en andra, mer matematisk grund. Känd som principen om allmän kovarians, är detta ett krav att lagen om universell gravitation ska vara densamma för alla observatörer, även de som accelererar, oavsett koordinaterna i vilka den beskrivs. Det är av den anledningen som Einstein kallade sin nya teori för "allmän" och inte "speciell" relativitetsteori - han tog bort den tidigare befintliga begränsningen för likformigt rörliga observatörer. Detta visade sig vara det svåraste problemet Einstein någonsin har mött. Som han senare sa är att uttrycka fysiska lagar utan koordinater som att "beskriva tankar utan ord." Fysikern var tvungen att behärska ytornas abstrakta matematik och deras beskrivning i termer av tensorer.
Vad fick forskarna veta?
Tyngdkraften hos ett svart hål är så stark attböjer utrymmet. Det fungerar som ett slags förstoringsglas, varför skuggan av detta kosmiska objekt verkar större än vad den faktiskt är. Forskare från Event Horizon Telescope (EHT) studerade denna visuella förvrängning och fann att den faktiska storleken på M87 svarta hålets skugga matchar förutsägelserna i Einsteins allmänna relativitetsteori.
Som sagt av Keiichi Asada, medlem av EHT:s vetenskapliga rådoch expert på radioobservationer av svarta hål vid Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, deras metod är "ett helt nytt sätt att testa allmän relativitet med supermassiva svarta hål."
Hur kom forskarna fram till sina slutsatser?
När den första publicerades i april 2019bild av ett svart hål, det blev en kraftfull bekräftelse på Albert Einsteins gravitationsteori, eller allmänna relativitetsteori. Teorin beskriver inte bara hur materia förvränger rum-tid, utan förutsäger också själva existensen av svarta hål, inklusive storleken på skuggan som kastas av det svarta hålet på det ljusa skivmaterialet som roterar runt några täta föremål.
För att genomföra testet använde teamet det förstanågonsin fången bild av det supermassiva svarta hålet i mitten av granngalaxen M87, cirka 55 miljoner ljusår bort, tagen av EHT förra året.
Ikonisk bild av supermassiv svarthål visade att skuggan helt motsvarar förutsägelserna av den allmänna relativitetsteorien angående dess storlek. Med andra ord, Einstein hade rätt – igen.
Detta resultat, rapporterat av Event Horizon Telescope Collaboration, svarade på en fråga: Stämmer storleken på M87: s svarta hål i allmän relativitet?
Men ”det är väldigt svårt att svara motsatsenfrågan är, hur mycket kan jag justera allmän relativitet och fortfarande matcha mätningarna av [det svarta hålet]? Den här frågan är nyckeln eftersom det fortfarande är möjligt att någon annan gravitationsteori kan beskriva universum, men förklädde sig som allmän relativitet.
Einsteins sannolikhet för att ha fel har minskats med en faktor 500
I en studie publicerad 1 oktober i Physical Review Letters använde Psaltis och kollegor skuggan av det svarta hålet M87 för att ta ett viktigt steg mot att motbevisa dessa alternativa teorier.
Teamet genomförde en mycket bred analys av mångamodifieringar av allmän relativitet för att definiera en unik egenskap hos gravitationsteorin som bestämmer storleken på ett svart håls skugga. Forskare har fokuserat på ett antal alternativ som har klarat alla tidigare tester i solsystemet.
”Med hjälp av sensorn vi utvecklade, vivisade att den uppmätta storleken på den svarta hålskuggan i M87 minskar vickrummet för ändringar av Einsteins allmänna relativitetsteori nästan 500 gånger jämfört med tidigare tester i solsystemet, förklarar Uarizona-professor i astrofysik Ferial Ozel, ledande medlem av EHT-samarbete. "Många sätt att ändra allmän relativitet misslyckas i detta nya och hårdare skuggprov med svart hål."
En visualisering av en ny sensor designad för att testa förutsägelserna av modifierade teorier om gravitation mot en mätning av storleken på M87:s skugga.
Kredit: D. Psaltis, University of Arizona; EHT
För att vara säker på resultaten, forskareanvände storleken på ett svart hål för att utföra ett så kallat "andra ordningens" test av allmän relativitet. Detta "kan inte göras i solsystemet" eftersom gravitationsfältet är för svagt, förklarar Leah Medeiros från Institutet för avancerade studier i Princeton, också en EHT-medlem.
Einsteins teoriprov
Generellt presenterar nu fysiker en allmän teorirelativitet som en uppsättning korrigeringar eller tillägg till Newtons gravitationsteori. Generell relativitet förutsäger vad dessa överbyggnader ska vara. Om mätningar av hur gravitationen fungerar i universum avviker från dessa förutsägelser, vet fysiker att allmän relativitet inte är allt. Ju fler tillägg eller faktorer som läggs till testet, desto mer förtroende för resultatet. Nya tester och kontroller av svarta hål kommer inte att vänta.
Simulering av M87 svart hålvisningplasmaens rörelse när den virvlar runt det svarta hålet. Den ljusa tunna ringen som kan ses i blått är kanten på det vi kallar skuggan av ett svart hål. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Men om allmän relativitet har bekräftats, varför är vissa fysiker missnöjda med resultaten? Poängen är att allmän relativitetskonflikt strider mot kvantmekanik.
Relativitet kontra kvantmekanik: striden om universum
Fysiker har tillbringat decennier för att förena två mycket olika teorier. Och om allt är klart med den allmänna relativitetsteorin, varför vägrar kvantmekanik att lyda Einsteins lagar?
В настоящее время у физиков есть два отдельных свода правил, объясняющих, как устроена природа. Существует общая теория относительности, которая прекрасно объясняет гравитацию и все, что она определяет: вращение планет, сталкивающиеся галактики, динамику расширяющейся Вселенной в целом. Это «наука о большом».
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».
Kvantmekanik - ett avsnitt av teoretisktfysik, som beskriver fysiska fenomen där handlingen är jämförbar i storlek med Planck-konstanten. Förutsägelserna för kvantmekanik kan skilja sig avsevärt från de klassiska mekanikernas förutsägelser.
Sammandrabbningen av verkligt oförenliga verklighetsbeskrivningar
Nu till problemet:relativitetsteorin och kvantmekaniken är fundamentalt olika teorier som har olika formuleringar. Detta är inte bara en fråga om vetenskaplig terminologi; det är en sammandrabbning av verkligt oförenliga verklighetsbeskrivningar.
Konflikten mellan de två halvorna av fysiken har bryggts i över ett sekel - provocerat av ett par av Einsteins verk 1905, varav en beskriver relativitetsteorin och den andra, kvantitet.
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».
Meningslösa svar
Relativitet ger meningslösa svar närdu försöker reducera den till en kvantstorlek och så småningom släppa till oändliga värden i din beskrivning av gravitationen. På samma sätt stöter kvantmekanik på allvarliga problem när du blåser upp den till kosmiska proportioner. Kvantfält bär en viss mängd energi även i till synes tomt utrymme, och mängden energi ökar när fälten ökar. Enligt Einstein är energi och massa ekvivalenta (detta meddelande är E = mc 2), så ackumulering av energi är precis som ackumulerande massa. Stor nog för att mängden energi i kvantfält ska bli så stor att den skapar ett svart hål som tvingar universum att vika in i sig själv. Men som du kan se, så händer det inte.
Enkelt uttryckt är kvantmekanik oförenlig med allmän relativitet, eftersom krafter verkar lokalt genom kvantfältsteori genom utbyte av väldefinierade kvanta.
Vad är slutresultatet?
Som ett resultat är det nya resultatet lite nedslående.fysiker som hoppas hitta sprickor i Einsteins teori. Att hitta en avvikelse från allmän relativitet kan peka vägen till en ny fysik. Eller så kan det hjälpa till att kombinera allmän relativitet, den mycket stora fysiken och kvantmekaniken, den ledande teorin som beskriver fysiken hos mycket små föremål som subatomära partiklar och atomer. Det faktum att allmän relativitet fortfarande vägrar att lyda ”oroar oss som är tillräckligt gamla för att hoppas få svar under vår livstid”, säger Psaltis.
Att testa gravitationsteorin är en konstant sökning:Är förutsägelserna om allmän relativitet tillräckligt bra för olika astrofysiska objekt att astrofysiker inte oroar sig för eventuella skillnader eller modifieringar av allmän relativitet?
Illustration av olika styrkor av gravitationsfält,utforskas med kosmologiska tester, solsystemstester och svarta hål. Bildkredit: D. Psaltis, University of Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Men framtida observationer med EHT kommer att göra ännu flerexakta tester av allmän relativitet, särskilt med opublicerade bilder av Sgr A * (Skytt A *), ett svart hål i mitten av Vintergatan. Med mycket mer exakta mätningar av Sgr A * -massa än något annat supermassivt svart hål kan den här bilden förändra allmän relativitet.
Skytten A *. Denna bild fångades av Chandra, NASAs röntgenobservatorium. Ljusekon är markerade med ellipser. Komplett bild - 12,5 bågminuter (källa)
«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.
"Tillsammans med observationer av gravitationsvågor markerar detta början på en ny era inom astrofysik i svart hål", är Psaltis säker.
"När vi får en bild av ett svart hål i mitten av vår egen galax kan vi ytterligare begränsa avvikelserna från allmän relativitet", avslutar Ozel.
Kommer Einstein att ha rätt då? Och vad är kvantmekanikens öde?
Läs också:
Det är möjligt att skapa en termonukleär reaktor på jorden. Vilka blir konsekvenserna?
Doomsday-glaciären visade sig vara farligare än forskare trodde. Vi berättar det viktigaste
På sjukdagens dag 3 förlorar de flesta COVID-19-patienter luktkänslan och lider ofta av en rinnande näsa