Herşey nasıl başladı?
On dokuzuncu yüzyılın sonunda fizik kendini bir krizde buldu: mükemmel teoriler vardı.
Özel görelilik teorisi
Ancak bu seçkin fizikçilerin hiçbiritüm hikayeyi bir araya getirmeyi başardı. Umut, o zamanlar soruna yeni bir şekilde yaklaşmaya başlamış olan genç Albert Einstein'da kaldı. On altı yaşındayken bir ışık huzmesiyle seyahat etmenin nasıl bir şey olacağını merak etti. 1905'e gelindiğinde, Fitzgerald ve Lorentz'in sonuçlarının basit ama radikal bir varsayımdan çıktığını göstermişti: Fizik yasaları ve ışık hızı, göreceli hareket durumları ne olursa olsun, düzgün şekilde hareket eden tüm gözlemciler için aynı olmalıdır.
Bunun "işe yaraması" için daha fazla alan ve zaman varbağımsız olamaz. Aksine, ışığın hızı tüm gözlemciler için sabit kalacak şekilde birbirlerine "dönüşürler". Fitzgerald ve Lorentz'in teorileştirdiği gibi, hareketli nesnelerin küçülüyor gibi görünmesinin ve Poincaré'nin teorileştirdiği gibi, hareket eden gözlemcilerin zamanı farklı şekilde ölçebilmelerinin nedeni budur. Uzay ve zaman görecelidir, yani. Yani, onları ölçen gözlemcinin hareketine bağlıdırlar ve ışık her ikisinden de daha temeldir. Bu, Einstein'ın özel görelilik teorisinin temelidir ("özel", düzgün hareketin sınırlandırılması anlamına gelir).
Eşdeğerlik ilkesi
Özel teorisini tamamladıktan kısa bir süre sonraEinstein "hayatının en mutlu düşüncesine" sahipti. Bu, 1907'de Bern'deki patent ofisindeki sandalyesine otururken ve bir binanın yanından düşen bir topu düşürmeye çalışmanın nasıl bir şey olacağını merak ederken gerçekleşti. Einstein, bir topla aşağıya doğru hızlanan bir kişinin, yerçekiminin top üzerindeki etkisini tespit edemeyeceğini fark etti. Gözlemci 'dönüşebilir'; Hangi nesne düşürülürse düşürülsün, yerçekimi (en azından yakın çevrede) sadece bu hızlandırılmış referans çerçevesine doğru hareket ederek sağlanır. Yerçekimi (yerel olarak) ivmeye eşdeğerdir. Bu denklik ilkesidir.
Onun gerçekte ne kadar harika olduğunu anlamak içinEşdeğerlik ilkesine göre, yerçekimi diğer kuvvetlerle aynı şekilde hareket ederse ne olacağını hayal edin. Örneğin yerçekimi elektriğe benzeseydi, daha fazla yüklü toplar Dünya'ya daha güçlü bir şekilde çekilir ve dolayısıyla daha az yüklü toplara göre daha hızlı düşerdi. Tüm nesneler için aynı hızlandırılmış referans çerçevesine hareket ederek bu tür efektleri dönüştürmenin bir yolu olmayacaktır. Ancak yerçekimi "maddeye karşı kördür"; tüm nesneleri eşit şekilde etkiler. Bu gerçekten hareketle Einstein, yerçekiminin maddenin özelliklerine bağlı olmadığı (örneğin elektriğin elektrik yüküne bağlı olduğu gibi) gibi etkileyici bir sonuca vardı. Aksine, yerçekimi olgusunun uzay-zamanın bazı özelliklerinden kaynaklanması gerekir.
Eğri uzay-zaman olarak yerçekimi
Einstein sonunda özelliği belirlediyerçekiminden ve eğriliğinden sorumlu olan uzay-zaman. Einstein'ın evrenindeki uzay ve zaman artık düz değil (Newton'un dolaylı olarak varsaydığı gibi), madde tarafından çekilebilir, gerilebilir ve bükülebilir. Yerçekimi, uzay-zamanın en kavisli olduğu yerde en güçlü şekilde hissedilir ve uzay-zamanın düz olduğu yerde kaybolur. Bu, Einstein'ın genel görelilik teorisinin özüdür ve çoğu zaman şu sözlerle ifade edilebilir: "Madde uzay-zamana nasıl büküleceğini söyler, kavisli uzay-zaman ise maddeye nasıl hareket edeceğini söyler."
Bu fikri açıklamanın standart yolu şudur:bir bowling topunu (örneğin, güneş gibi büyük bir nesneyi temsil eden) uzatılmış bir lastik örtü üzerine (uzay-zamanı temsil eden) yerleştirin. Bir topu lastik bir çarşafa koyarsanız, bowling topuna doğru yuvarlanır ve hatta bowling topunun etrafında "yörüngeye" yerleştirilebilir. Bunun nedeni, küçük kütlenin büyük olandan kaynaklanan kuvvet tarafından "çekilmesi" değil, daha büyük kütlenin varlığıyla deforme olmuş bir yüzey boyunca hareket etmesidir.
Aynı şekilde, Einstein'ın teorisinde yerçekimiuzay-zamanda yayılan bir kuvvet olarak değil, uzay-zamanın kendisinin bir özelliği olarak ortaya çıkar. Einstein'a göre, Dünya'daki ağırlığınız, vücudunuzun kavisli uzay-zamanda yolculuk etmesinden kaynaklanıyor.
Genel görelilik teorisi
Genel görelilik teorisi (genel görelilik; it. Allgemeine Relativitätstheorie), özel görelilik teorisini (SRT) geliştiren geometrik bir kütleçekim teorisidir ve yerçekimi ve eylemsizlik kuvvetlerinin aynı doğaya sahip olduğunu varsayar.
Bu nedenle, yerçekimi etkilerininuzay-zamanda cisimlerin ve alanların kuvvet etkileşiminden değil, özellikle kütle-enerjinin varlığıyla ilişkili olan uzay-zamanın kendisinin deformasyonundan kaynaklanır.
Genel görelilik, uzay-zaman eğriliğini içinde bulunan maddeyle ilişkilendirmek için Einstein denklemlerinin kullanılmasıyla diğer metrik kütleçekim teorilerinden farklıdır.
Genel görelilik fiziksel temellidireşdeğerlik ilkesine dayanıyor, ancak bu teorinin daha matematiksel ikinci bir temeli var. Genel kovaryans ilkesi olarak bilinen bu, evrensel çekim yasasının, açıklandığı koordinatlara bakılmaksızın hızlananlar dahil tüm gözlemciler için aynı olması gerekliliğidir. Bu nedenle, Einstein yeni teorisini "özel" görelilik teorisi değil "genel" olarak adlandırdı - tekdüze hareket eden gözlemciler üzerindeki önceden var olan kısıtlamayı kaldırdı. Bu, Einstein'ın karşılaştığı en zor sorun olduğu ortaya çıktı. Daha sonra söylediği gibi, fiziksel yasaları koordinatsız ifade etmek, "düşünceleri kelimeler olmadan tanımlamak" gibidir. Fizikçi, yüzeylerin soyut matematiği ve bunların tensörler cinsinden tanımlanmasında ustalaşmalıydı.
Bilim adamları ne öğrendi?
Kara deliğin çekim kuvveti o kadar güçlü kiuzayı büker. Bir tür büyüteç görevi görüyor, bu nedenle bu kozmik nesnenin gölgesi gerçekte olduğundan daha büyük görünüyor. Event Horizon Telescope (EHT) bilim insanları bu görsel bozulmayı incelediler ve M87 kara deliğinin gölgesinin gerçek boyutunun Einstein'ın genel görelilik teorisinin tahminleriyle eşleştiğini buldular.
EHT bilimsel konsey üyesi Keiichi Asada'nın belirttiği gibive Academia Sinica Astronomi ve Astrofizik Enstitüsü'nde kara deliklerin radyo gözlemleri konusunda uzman olan yöntemleri, "süper kütleli kara delikleri kullanarak genel göreliliği test etmenin tamamen yeni bir yolu."
Bilim adamları sonuçlarına nasıl ulaştı?
İlki Nisan 2019'da yayınlandığındaBir kara deliğin görüntüsü, Albert Einstein'ın yerçekimi teorisinin veya genel göreliliğin güçlü bir doğrulaması haline geldi. Teori, yalnızca maddenin uzay-zamanı nasıl bozduğunu açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda boyutları da dahil olmak üzere kara deliklerin varlığını da öngörüyor. kara deliğin bazı yoğun nesnelerin etrafında dönen parlak disk malzemesi üzerine düşürdüğü gölge.
Testi gerçekleştirmek için ekip ilkini kullandı.Yaklaşık 55 milyon ışıkyılı uzaklıktaki komşu gökada M87'nin merkezindeki süper kütleli kara deliğin geçen yıl EHT tarafından çekilen, sürekli yakalanan görüntüsü.
Süper kütleli siyahın ikonik görüntüsüdelik, gölgenin boyutuyla ilgili olarak genel göreliliğin tahminlerine tamamen karşılık geldiğini gösterdi. Başka bir deyişle Einstein yine haklıydı.
Event Horizon Telescope Collaboration tarafından bildirilen bu sonuç bir soruyu yanıtladı: M87'nin kara deliğinin boyutu genel göreliliğe uyuyor mu?
Ama "tersini yanıtlamak çok zorsoru şu: Genel göreliliği ne kadar değiştirebilirim ve yine de [kara delik] boyutlarıyla eşleşebilirim? ”dedi Tucson'daki Arizona Üniversitesi'nden EHT ekibi bilim adamları Dimitrios Psaltis. Bu soru anahtardır, çünkü başka bir yerçekimi teorisinin evreni tanımlayabilmesi, ancak kendisini genel görelilik olarak gizlemesi hala mümkündür.
Einstein'ın hata yapma olasılığı 500 kat azaldı
1 Ekim'de Physical Review Letters'da yayınlanan bir çalışmada, Psaltis ve meslektaşları, bu alternatif teorileri çürütmek için önemli bir adım atmak için M87 kara deliğinin gölgesini kullandılar.
Ekip, birçok kişinin çok geniş bir analizini yaptı.bir kara deliğin gölgesinin boyutunu belirleyen yerçekimi teorisinin benzersiz bir özelliğini tanımlamak için genel görelilik modifikasyonları. Bilim adamları, güneş sistemindeki önceki tüm testleri geçen bir dizi alternatife odaklandılar.
"Geliştirdiğimiz sensörü kullanarak,EHT işbirliğinin kıdemli üyesi olan Uarizona astrofizik profesörü Ferial Özel, M87'de ölçülen kara delik gölgesinin boyutunun, Einstein'ın genel görelilik kuramındaki değişiklikler için kıpır kıpır odayı, güneş sistemindeki önceki testlere kıyasla neredeyse 500 kat daralttığını gösterdi ”diyor. "Genel göreliliği değiştirmenin birçok yolu, bu yeni ve daha zorlu kara delik gölge testinde başarısız oluyor."
Değiştirilmiş yerçekimi teorilerinin tahminlerini M87'nin gölgesinin boyutunun ölçümüne göre test etmek için tasarlanmış yeni bir sensörün görselleştirilmesi.
Katkıda bulunanlar: D. Psaltis, Arizona Üniversitesi; EHT
Sonuçlara güvenebilmek için bilim insanlarıgenel göreliliğin "ikinci derece" testi olarak bilinen testi gerçekleştirmek için kara deliğin boyutunu kullandı. Aynı zamanda EHT'nin bir üyesi olan Princeton İleri Araştırma Enstitüsü'nden Leah Medeiros, yerçekimi alanının çok zayıf olması nedeniyle bunun "güneş sisteminde yapılması imkansız" olduğunu açıklıyor.
Einstein'ın teori testleri
Genel olarak, şimdi fizikçiler genel bir teori sunuyorNewton'un yerçekimi teorisine bir dizi düzeltme veya ekleme olarak görelilik. Genel görelilik, bu üst yapıların nasıl olması gerektiğini öngörür. Evrende yerçekiminin nasıl çalıştığına dair ölçümler bu tahminlerden sapıyorsa, o zaman fizikçiler genel göreliliğin her şey olmadığını bilirler. Teste ne kadar fazla ekleme veya faktör eklenirse, sonuçta o kadar güvenir olunur. Kara delikler üzerinde yeni testler ve kontroller çok uzun sürmeyecek.
M87 kara deliğinin simülasyonu gösteriliyorkaradeliğin etrafında dönen plazmanın hareketi. Mavi olarak görülebilen parlak ince halka, kara deliğin gölgesi dediğimiz şeyin kenarıdır. Fotoğraf: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Bununla birlikte, genel görelilik doğrulanmışsa, neden bazı fizikçiler sonuçlardan memnun değil? Mesele şu ki, genel görelilik kuantum mekaniği ile çelişiyor.
Görelilik ve Kuantum Mekaniği: Evren Savaşı
Fizikçiler, çok farklı iki teoriyi uzlaştırmak için onlarca yıl harcadılar. Ve genel görelilik teorisinde her şey açıksa, o zaman neden kuantum mekaniği Einstein yasalarına uymayı reddediyor?
Fizikçiler şu anda iki ayrıdoğanın nasıl çalıştığını açıklayan bir dizi kural. Yerçekimini ve onun belirlediği her şeyi mükemmel bir şekilde açıklayan genel bir görelilik teorisi vardır: gezegenlerin dönüşü, çarpışan galaksiler, bir bütün olarak genişleyen Evrenin dinamikleri. Bu 'büyük şeylerin bilimi'dir.
Ayrıca kuantum mekaniği de var;diğer üç kuvvetle - elektromanyetizma ve iki nükleer kuvvet. Kuantum teorisi, bir uranyum atomu bozunduğunda veya bireysel ışık parçacıkları bir güneş hücresine girdiğinde ne olacağını açıklamakta son derece ustadır. Bu 'küçük şeylerin bilimi'dir.
Kuantum mekaniği - teorik bir bölümFizik, eylemin büyüklük olarak Planck sabiti ile karşılaştırılabilir olduğu fiziksel olayları tanımlamaktadır. Kuantum mekaniğinin tahminleri, klasik mekaniğin tahminlerinden önemli ölçüde farklı olabilir.
Gerçekliğin gerçekten uyumsuz tanımlarının çatışması
Şimdi soruna gelelim: görelilik teorisi ve kuantum mekaniği temelde farklı formülasyonlara sahip farklı teorilerdir. Bu sadece bilimsel bir terminoloji meselesi değildir; gerçekliğin gerçekten uyumsuz tanımlarının bir çatışmasıdır.
Fiziğin iki yarısı arasındaki çatışma, bir yüzyılı aşkın süredir - Einstein'ın biri görelilik teorisini diğeri de kuantumu tanımlayan 1905'teki birkaç eseri tarafından kışkırtıldı.
Esasen arasında bir ayrım düşünebilirsiniz.görelilik teorisi ve kuantum sistemleri “düzgün” ve “kısa” olarak nitelendiriliyor. Genel göreliliğe göre olaylar sürekli ve deterministiktir; bu, her nedenin belirli bir yerel etkiye karşılık geldiği anlamına gelir.
Kuantum mekaniğinde olayların neden olduğu olaylarAtom altı parçacıkların etkileşimleri, kesin sonuçlar yerine olasılıksal sonuçlarla sıçramalar halinde (evet, kuantum sıçramaları) meydana gelir. Kuantum kuralları klasik fiziğin yasakladığı bağlantılara izin verir. Bu, geniş çapta tartışılan bir deneyde kanıtlandı. Daha sonra bilim insanları, iki parçacığın (bu durumda elektronların) kilometrelerce uzakta olsalar bile birbirlerini anında etkileyebileceğini gösterdi. Pürüzsüz görelilik yasalarını kısa ve öz bir kuantum tarzında yorumlamaya çalıştığınızda veya tam tersi, işler planladığınız gibi gitmez.
Anlamsız cevaplar
Görelilik ne zaman anlamsız yanıtlar verir?onu bir kuantum boyutuna indirmeye çalışıyorsunuz, sonunda yerçekimi tanımınızda sonsuz değerlere düşüyorsunuz. Aynı şekilde, kuantum mekaniği, onu kozmik oranlara şişirdiğinizde ciddi sorunlarla karşılaşır. Kuantum alanları boş görünen uzayda bile belli miktarda enerji taşırlar ve alanlar arttıkça enerji miktarı da artar. Einstein'a göre, enerji ve kütle eşdeğerdir (bu mesaj E = mc2'dir), dolayısıyla enerji biriktirmek tam olarak kütle birikimi gibidir. Yeterince büyük ve kuantum alanlarındaki enerji miktarı o kadar büyük olacak ki, evreni kendi içine katlanmaya zorlayan bir kara delik yaratacak. Ancak gördüğünüz gibi bu olmuyor.
Basitçe söylemek gerekirse, kuantum mekaniği genel görelilikle uyumsuzdur, çünkü kuantum alan teorisinde kuvvetler, iyi tanımlanmış kuantumların değişimi yoluyla yerel olarak hareket eder.
Sonuç nedir?
Sonuç olarak, yeni sonuç biraz hayal kırıklığı yaratıyor.fizikçiler Einstein'ın teorisinde çatlaklar bulmayı umuyor. Genel görelilikten bir sapma bulmak, yeni bir fiziğe giden yolu işaret edebilir. Veya genel göreliliği, çok büyük fiziği ve atom altı parçacıklar ve atomlar gibi çok küçük nesnelerin fiziğini tanımlayan önde gelen teori olan kuantum mekaniğini birleştirmeye yardımcı olabilir. Psaltis, genel göreliliğin hâlâ itaat etmeyi reddettiği gerçeği, "yaşamımız boyunca bir yanıt almayı umacak yaşta olanlarımızı endişelendiriyor" diyor.
Yerçekimi teorisini test etmek sürekli bir araştırmadır: Genel görelilik tahminleri, astrofizikçilerin genel göreliliğin olası farklılıkları veya modifikasyonları hakkında endişelenmedikleri çeşitli astrofiziksel nesneler için yeterince iyi mi?
Yerçekimi alanlarının farklı güçlerinin gösterimi,kozmolojik testler, güneş sistemi testleri ve kara deliklerle keşfedildi. İmaj Kredisi: D. Psaltis, Arizona Üniversitesi; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Ancak, EHT ile gelecekte yapılacak gözlemler daha da fazlaÖzellikle Samanyolu'nun merkezindeki bir kara delik olan Yay A * (Yay A *) 'nın yayınlanmamış görüntüleri ile genel göreliliğin kesin testleri. Yay A * kütlesinin diğer süper kütleli kara deliklerden çok daha doğru ölçümleriyle, bu görüntü genel göreliliği değiştirebilir.
Yay A *. Bu görüntü NASA'nın X-ray Gözlemevi Chandra tarafından çekildi. Işık ekoları elipslerle işaretlenmiştir. Tam görüntü - 12,5 ark dakikası (kaynak)
"Kara deliklerin görüntüleri tamamen ortaya çıkıyorEinstein'ın genel görelilik teorisini test etmek için yeni bir bakış açısı" diye açıklıyor Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü müdürü ve EHT işbirliğinin üyesi Michael Kramer.
"Yerçekimi dalgalarının gözlemleriyle birlikte bu, kara delik astrofiziğinde yeni bir çağın başlangıcını işaret ediyor," Psaltis emin.
Özel, "Kendi galaksimizin merkezinde bir kara deliğin görüntüsünü aldığımızda, genel görelilikten sapmaları daha da sınırlandırabiliriz" diye bitiriyor.
Einstein haklı mı olacak? Ve kuantum mekaniğinin kaderi nedir?
Ayrıca okuyun:
Yeryüzünde termonükleer reaktör oluşturmak mümkündür. Sonuçlar ne olacak?
Kıyamet buzulu bilim adamlarının sandığından daha tehlikeli çıktı. Ana şeyi söyleriz
Hastalığın 3. gününde, COVID-19 hastalarının çoğu koku alma duyusunu kaybeder ve sıklıkla burun akıntısı çekerler