З чого все почалося?
Наприкінці дев'ятнадцятого століття фізика опинилася у кризі: існували досконалі
Спеціальна теорія відносності
Однак жоден із цих видатних фізиків незумів зібрати всю історію воєдино. Надія залишалася на молодого Альберта Ейнштейна, який на той час уже почав підходити до проблеми по-новому. У віці шістнадцяти років він задумався, як це подорожувати разом зі світловим променем? До 1905 року він показав, що результати Фітцджеральда і Лоренца випливають з одного простого, але радикального припущення: закони фізики і швидкість світла повинні бути однаковими для всіх спостерігачів, що рівномірно рухаються, незалежно від їх стану відносного руху.
Щоб це «працювало», простір і час більшене можуть бути незалежними. Швидше вони «конвертуються» один в одного таким чином, щоб швидкість світла залишалася постійною всім спостерігачів. Ось чому здається, що рухомі об'єкти стискаються, як припускали Фітцджеральд і Лоренц, і чому спостерігачі, що рухаються, можуть вимірювати час по-різному, як припускав Пуанкаре. Простір і час відносні, nbsp; е. вони залежать від руху спостерігача, який вимірює їх - і світло більш фундаментальне, ніж те й інше. Це основа спеціальної теорії відносності Ейнштейна («спеціальна» відноситься до обмеження рівномірного руху).
принцип еквівалентності
Незабаром після завершення своєї спеціальної теоріїу Ейнштейна виникла «найщасливіша думка у своєму житті». Це сталося в 1907 році, коли він сидів у своєму кріслі в патентному бюро в Берні і ворожив, як би спробувати впустити м'яч, падаючи зі стіни будівлі. Ейнштейн зрозумів, що людина, яка прискорюється вниз разом із м'ячем, не зможе виявити на ній дію сили тяжіння. Спостерігач може «перетворити» гравітацію (принаймні у безпосередній близькості), просто перемістившись у цю прискорену систему відліку — незалежно від того, який об'єкт упустити. Гравітація (локально) еквівалентна прискоренню. Це і є принцип еквівалентності.
Щоб зрозуміти, наскільки насправді чудовийпринцип еквівалентності, уявіть, що було б, якби гравітація діяла так само, як інші сили. Якби гравітація була подібна до електрики, наприклад, тоді м'ячі з великим зарядом були б сильніше притягнуті до Землі і, отже, падали б швидше, ніж кулі з меншим зарядом. Не було б жодного способу трансформувати такі ефекти, переміщаючись в одну і ту саму прискорену систему відліку для всіх об'єктів. Але гравітація «сліпа до матерії» - вона однаково впливає на всі об'єкти. З цього факту Ейнштейн зробив вражаючий висновок у тому, що гравітація залежить від властивостей матерії (як, наприклад, електрика залежить від електричного заряду). Швидше феномен гравітації повинна відбуватися з деякої властивості простору-часу.
Гравітація як викривлене простір-час
Зрештою Ейнштейн визначив властивістьпростору-часу, який відповідає за гравітацію, як його кривизну. Простір і час у всесвіті Ейнштейна більше не плоскі (як неявно припускав Ньютон), а можуть тягнутися, розтягуватися та деформуватися матерією. Гравітація найсильніше відчувається там, де простір-час найбільш викривлений, і зникає там, де простір-час плоский. У цьому вся суть загальної теорії відносності Ейнштейна, яку часто можна сказати словами: «матерія диктує простору-часу, як згинатися, а викривлений простір-час говорить матерії, як рухатися».
Стандартний спосіб проілюструвати цю ідею -помістити кулю для боулінгу (представляє, наприклад, такий масивний об'єкт, такий як Сонце) на розтягнутий гумовий лист (який представляє простір-час). Якщо на гумовий лист покласти кульку, він буде котитися до кулі для боулінгу і навіть може бути виведений на «орбіту» навколо кулі для боулінгу. Це відбувається не тому, що менша маса «притягується» силою, що виходить від більшої, а тому, що вона рухається по поверхні, яка була деформована присутністю більшої маси.
Точно так же гравітація в теорії Ейнштейнавиникає не як сила, яка поширюється в просторі-часі, а швидше як характеристика самого простору-часу. Згідно Ейнштейну, ваша вага на Землі обумовлений тим, що ваше тіло подорожує в викривленому просторі-часі.
Загальна теорія відносності
Загальна теорія відносності (ЗТВ; ньому.allgemeine Relativitätstheorie) - геометрична теорія тяжіння, розвиваюча спеціальну теорію відносності (СТО) .У цій теорії постулюється, що гравітаційні і інерційні сили мають одну і ту ж природу.
Звідси випливає, що гравітаційні ефектиобумовлені не силовим взаємодією тіл і полів, що знаходяться в просторі-часі, а деформацією самого простору-часу, яка пов'язана, зокрема, з присутністю маси-енергії.
ОТО відрізняється від інших метричних теорій тяжіння використанням рівнянь Ейнштейна для зв'язку кривизни простору-часу з присутньої в ньому матерією
Загальна теорія відносності фізично заснованана принципі еквівалентності, але у цій теорії є і другий, більш математичний фундамент. Відомий як загальна коваріантність, це вимога, щоб закон всесвітнього тяжіння був однаковим для всіх спостерігачів, навіть прискорюються, незалежно від координат, в яких він описаний. Саме з цієї причини Ейнштейн назвав свою нову теорію «загальної», а не «спеціальної» теорією відносності - він зняв раніше існувало обмеження на рівномірно рухомих спостерігачів. Це виявилося найскладнішою проблемою, з якою коли-небудь стикався Ейнштейн. Як він пізніше сказав, висловлювати фізичні закони без координат - все одно що «описувати думки без слів». Фізику довелося опанувати абстрактної математикою поверхонь і їх описом в термінах тензорів.
Що з'ясували вчені?
Гравітація чорної дірки настільки сильна, щовикривляє простір. Вона діє як своєрідне збільшувальне скло, через що тінь цього космічного об'єкта здається більше, ніж вона є насправді. Вчені проекту Event Horizon Telescope (EHT) вивчили це візуальне спотворення та виявили, що справжній розмір тіні чорної діри М87 відповідає прогнозам загальної теорії відносності Ейнштейна.
Як заявив Кейчі Асада, член наукової ради EHTта експерт з радіоспостережень за чорними дірками Інституту астрономії та астрофізики Academia Sinica, їх спосіб це «зовсім новий спосіб перевірити загальну теорію відносності з використанням надмасивних чорних дірок».
Як вчені прийшли до своїх висновків?
Коли у квітні 2019 року було опубліковано першезображення чорної дірки, воно стало потужним підтвердженням теорії гравітації Альберта Ейнштейна або загальної теорії відносності. матеріалу, що обертається навколо деяких щільних об'єктів.
Для проведення тесту команда використала першеколись зроблене зображення надмасивної чорної діри в центрі сусідньої галактики M87 на відстані близько 55 мільйонів світлових років, отримане за допомогою EHT минулого року.
Культове зображення надмасивної чорноїдірки показало, що тінь повністю відповідає передбаченням загальної теорії відносності щодо її розміру. Іншими словами, Ейнштейн мав рацію — знову.
Цей результат, про який повідомила компанія Event Horizon Telescope Collaboration, дав відповідь на одне питання: чи відповідає розмір чорної діри M87 загальної теорії відносності?
Але «дуже складно відповісти на протилежнийпитання: наскільки я можу налаштувати загальну теорію відносності, і при цьому відповідати вимірам [чорної діри]? », заявив вчені команди EHT Дімітріос Псалтіс з Університету Арізони в Тусоні. Це питання є ключовим, тому що все ще можливо, що якась інша теорія гравітації могла б описати Всесвіт, але замаскувалася під загальну теорію відносності.
Імовірність неправоти Ейнштейна скоротилася в 500 разів
У дослідженні, опублікованому 1 жовтня в Physical Review Letters, Псалтіс і його колеги використовували тінь чорної діри M87, щоб зробити важливий крок до спростування цих альтернативних теорій.
Команда провела дуже широкий аналіз багатьохмодифікацій загальної теорії відносності, щоб визначити унікальну характеристику теорії гравітації, яка визначає розмір тіні чорної діри. Вчені зосередилася на ряді альтернатив, які пройшли всі попередні випробування в Сонячній системі.
«Використовуючи розроблений нами датчик, мипоказали, що виміряний розмір тіні чорної діри в M87 звужує простір для маневру для модифікацій загальної теорії відносності Ейнштейна майже в 500 разів у порівнянні з попередніми випробуваннями в Сонячній системі », - пояснює професор астрофізики Уарізони Феріа Озель, старший учасник колаборації EHT. «Багато способи змінити загальну теорію відносності зазнають невдачі в цьому новому і більш жорсткому тесті на тінь від чорної діри».
Візуалізація нового датчика, розробленого для перевірки передбачень модифікованих теорій гравітації, порівняно з вимірюванням розміру тіні M87.
Автори та права: Д. Псалтіс, Універсет Арізони; EHT
Щоб бути впевненими у результатах, вченівикористовували розмір чорної дірки до виконання так званого тесту «другого порядку» загальної теорії відносності. Це «неможливо зробити в Сонячній системі», бо гравітаційне поле надто слабке, — пояснює Лія Медейрос з Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, також учасник EHT.
Перевірки теорії Ейнштейна
Загалом, зараз фізики представляють загальну теоріювідносності як наборі поправок або доповнень до теорії гравітації Ньютона. Загальна теорія відносності пророкує, якими мають бути ці надбудови. Якщо вимірювання того, як гравітація працює у Всесвіті, відхиляються від цих прогнозів, то фізики знають, що загальна теорія відносності - це ще не все. Чим більше доповнень або факторів додано до тесту, тим більше впевненості в результаті. Нові тести і перевірки чорних дір не змусять себе чекати.
Моделювання чорної діри M87, що показуєрух плазми, коли вона крутиться навколо чорної діри. Яскраве тонке кільце, яке можна побачити в синьому, є краєм того, що ми називаємо тінню чорної діри. Фото: Л. Медейрос; К. Чан; Д. Псалтіс; Ф. Озель; UArizona; IAS.
Однак, якщо ОТО підтвердилася, чому деякі фізики незадоволені результатами? Справа в тому, що загальна теорія відносності конфліктує з квантовою механікою.
Відносність проти квантової механіки: битва за Всесвіт
Фізики витратили десятиліття, намагаючись примирити дві дуже різні теорії. І якщо із загальною теорією відносності все зрозуміло, то чому квантова механіка відмовляється підкорятися законам Ейнштейна?
В даний час у фізиків є два окремісклепіння правил, які пояснюють, як влаштована природа. Існує загальна теорія відносності, яка чудово пояснює гравітацію і все, що вона визначає: обертання планет, галактики, що стикаються, динаміку Всесвіту, що розширюється, в цілому. Це «наука про велике».
А є й квантова механіка, яка має справуіз трьома іншими силами — електромагнетизмом та двома ядерними силами. Квантова теорія надзвичайно вправна в описі того, що відбувається, коли атом урану розпадається або коли окремі частинки світла потрапляють у сонячний елемент. Це «наука про малого».
Квантова мехааніка - розділ теоретичноїфізики, що описує фізичні явища, в яких дія порівнянна за величиною з постійною Планка. Пророцтва квантової механіки можуть істотно відрізнятися від прогнозів класичної механіки.
Зіткнення дійсно несумісних описів реальності
Тепер до проблеми:теорія відносності і квантова механіка - це принципово різні теорії, які мають різні формулювання. Це не просто питання наукової термінології; це зіткнення дійсно несумісних описів реальності.
Конфлікт між двома половинами фізики назріває вже понад століття - спровокований парою робіт Ейнштейна 1905 року, одна з яких описує теорію відносності, а інша - квантову.
По суті, ви можете думати про поділ міжтеорією відносності та квантовими системами як про «гладкий» і «короткий». У загальній теорії відносності події безперервні та детерміновані, що означає, що кожна причина відповідає певному локальному слідству.
У квантовій механіці події, спричиненівзаємодією субатомних частинок, що відбуваються стрибками (так, квантовими стрибками) з імовірнісними, а не певними результатами. Квантові правила дозволяють зв'язки, заборонені класичною фізикою. Це було продемонстровано в експерименті, що широко обговорювався. Тоді вчені продемонстрували, що дві частинки – в даному випадку електрони – можуть миттєво впливати одна на одну, навіть якщо вони знаходяться на відстані милі. Коли ви намагаєтеся інтерпретувати гладкі релятивістські закони (закони відносності) в короткому квантовому стилі або навпаки, все йде не за планом.
безглузді відповіді
Відносність дає безглузді відповіді, коливи намагаєтеся зменшити її до квантового розміру, в кінцевому підсумку опускаючись до нескінченних значень в своєму описі гравітації. Точно так же квантова механіка стикається з серйозними проблемами, коли ви роздмухуєте її до космічних розмірів. Квантові поля несуть певну кількість енергії навіть в уявній порожньому просторі, і кількість енергії стає більше по мірі збільшення полів. Згідно Ейнштейну, енергія і маса еквівалентні (це повідомлення E = mc 2), тому накопичення енергії в точності схоже на накопичення маси. Досить великий, і кількість енергії в квантових полях стане настільки великим, що створить чорну діру, яка змушує Всесвіт складатися саму в себе. Однак, як можна помітити, цього не відбувається.
Простіше кажучи, квантова механіка несумісна із загальною теорією відносності, тому що в квантової теорії поля сили діють локально через обмін чітко визначеними квантами.
Що в підсумку?
У підсумку, новий результат трохи розчаровуєфізиків, які сподіваються знайти тріщини в теорії Ейнштейна. Виявлення відхилення від загальної теорії відносності міг би вказати шлях до нової фізики. Або це могло б допомогти об'єднати загальну теорію відносності, фізику дуже великого і квантову механіку, провідну теорію, яка описує фізику дуже малих об'єктів, таких як субатомні частинки і атоми. Той факт, що загальна теорія відносності, як і раніше відмовляється підкорятися, «турбує тих з нас, хто достатньо старий і сподівався отримати відповідь ще за життя», - каже Псалтіс.
Перевірка теорії гравітації - це постійний пошук:чи достатньо хороші передбачення загальної теорії відносності для різних астрофізичних об'єктів, щоб астрофізики не турбувалися про будь-яких можливих відмінностях або модифікаціях загальної теорії відносності?
Ілюстрація різної сили гравітаційних полів,досліджених за допомогою космологічних тестів, тестів сонячної системи і чорних дірок. Автори і права: Д. Псалтіс, Університет Арізони; НАСА / WMAP; ЄКА / Кассіні; EHT
Однак майбутні спостереження з EHT зроблять ще більшточні перевірки загальної теорії відносності, особливо з ще не опублікованими зображеннями Sgr A * (Стрільця А *), чорної діри в центрі Чумацького Шляху. З набагато більш точними вимірами маси Sgr A *, ніж у будь-якій іншій надмасивної чорної діри, це зображення може змінити загальну теорію відносності.
Стрілець A *. Це зображення було знято за допомогою Чандра, рентгенівської обсерваторії НАСА. Еліпсами відзначені світлові луни. Повне зображення - 12,5 кутових хвилин (джерело)
«Зображення чорних дірок відкривають абсолютноновий кут для перевірки загальної теорії відносності Ейнштейна, - пояснює Майкл Крамер, директор Радіоастрономічного інституту Макса Планка та учасник колаборації EHT.
«Разом із спостереженнями за гравітаційними хвилями це знаменує початок нової ери в астрофізиці чорних дір», - впевнений Псалтіс.
«Коли ми отримаємо зображення чорної діри в центрі нашої власної галактики, ми можемо ще більше обмежити відхилення від загальної теорії відносності», - робить висновок Озель.
Чи буде Ейнштейн прав тоді? І яка доля чекає квантову механіку?
Читати також:
Створити термоядерний реактор на Землі реально. Які будуть наслідки?
Льодовик «Судного дня» виявився небезпечніше, ніж думали вчені. розповідаємо головне
На 3 день хвороби більшість хворих COVID-19 втрачають нюх і часто страждають нежиттю