100 évig Albert Einstein relativitáselmélete szinte minden tesztben megmaradt, amelyet a fizikusok vetettek rá. Az 1915 novemberében bejelentett híres tudós mezőbeli egyenletei kiterjesztették Isaac Newton régóta fennálló törvényeit azáltal, hogy a gravitációt inkább a tér és az idő szövetének hullámaként ábrázolták, nem pedig az objektumok közötti egyszerű erőként.
kapcsolodo tartalom
- Egy évszázados keresés után végül felfedeztük a gravitációs hullámokat
- Öt dolog, amit tudni kell a gravitációs hullámokról
- Miért szerette Albert Einstein, a relativitáselmélet mögött álló zseni?
- Öt gyakorlati alkalmazás a "kísérteties" kvantummechanikához
Az általános relativitáselméleti egyenletek alkalmazásának eredményei valójában hasonlóak ahhoz, mint amit Newton matematikájával kapunk, mindaddig, amíg a részt vevő tömegek nem túl nagyok és a sebességek viszonylag kisek a fénysebességhez képest. A koncepció azonban a fizika forradalma volt.
A megvetemedett téridő azt jelenti, hogy maga a fényt sokkal erősebben befolyásolja a gravitáció, mint Newton előre jelezte. Ez azt is jelenti, hogy a bolygók kissé megváltozott, de nagyon jelentős módon mozognak a pályájukon, és megjósolja egzotikus tárgyak létezését, például a szörnyek fekete lyukait és a féreglyukakat.
Az általános relativitáselmélet nem tökéletes - úgy tűnik, hogy Einstein gravitációs szabályai megsérülnek, amikor azokat a kvantummechanika szabályaira alkalmazzák, amelyek a szubatomi skálán uralkodnak. Ez sok bántó hiányosságot hagy az univerzum megértésében. A tudósok ma is meghúzzák a határokat, hogy megnézhessék, milyen messzire képes a relativitáselmélet. Időközben itt van néhány módszer, ahogyan a relativitáselméletet következetesen látjuk a működésben:
A higany pályája
A MESSENGER űrhajó, amely elsőként keringtette a Merkúrot, elragadta az apró bolygó hamis színű nézetét, hogy felszínén kémiai, ásványtani és fizikai különbségeket mutatjon be. (NASA / JHUAPL / Carnegie Intézet) Urbain LeVerrier csillagász még a 19. században észrevette a problémát a Merkúr pályáján. A bolygó pályái nem kör alakúak, ellipszisek, vagyis a bolygók közelebb vagy távolabb helyezkedhetnek el a Naptól és egymástól, amikor a Naprendszerben mozognak. Ahogy a bolygók egymásra húzódnak, a legközelebbi megközelítési pontok kiszámítható módon mozognak, ezt a folyamatot precessziónak nevezik.
De még azután, hogy figyelembe vettük az összes többi bolygó hatásait, a Merkúr úgy tűnt, hogy egy apróbb kicsit prédikál, mint amennyire minden évszázadnak kellene. A csillagászok először úgy gondolták, hogy egy másik, még láthatatlan, Vulcan-nak nevezhető bolygónak a Merkúr pályáján belül kell lennie, és hozzáteszi gravitációs vonzódását a keverékhez.
De Einstein az általános relativitáselmélet egyenleteit használta annak bemutatására, hogy nincs szükség rejtélyes bolygóra. A Merkúrra, mivel a legközelebb van a naphoz, egyszerűen jobban befolyásolja a mi hatalmas csillagunk görbéje a tér-idő szövetét, amit a newtoni fizika nem vett figyelembe.
Hajlító fény
A napfogyatkozás képe, amelyet 1919. május 29-én láttak. ("A fény elhajlásának meghatározása a nap gravitációs mezőjével, az 1919. május 29-i teljes napfogyatkozásnál tett megfigyelések alapján", A Londoni Királyi Társaság filozófiai tranzakciói, A sorozat) Az általános relativitáselmélet szerint a szövet tér-időben áthaladó fényének követnie kell a szövet görbéjét. Ez azt jelenti, hogy a hatalmas tárgyak körül mozgó fénynek körül kell hajolnia. Amikor Einstein közzétette az általános relativitáselméleti cikkeit, nem volt egyértelmű, hogyan lehet ezt a torzítást megfigyelni, mivel a várható hatás kicsi.
A brit csillagász Arthur Eddington egy ötletből állt: nézzen meg a nap szélén lévő csillagokat egy napfogyatkozás idején. A hold eltakarta a nap tükröződését, és a csillagászok láthatták, hogy egy csillag látszólagos helyzete megváltozott-e, amikor a hatalmas nap gravitációja meghajolta a fényét. A tudósok két helyről tettek megfigyeléseket: egy Brazília keleti részén és egy Afrikában.
Valóban, Eddington csapata látta az elmozdulást egy 1919-es napfogyatkozás során, és az újságok címei megcélozták a világot, hogy Einsteinnek igaza van. Az utóbbi években az adatok új vizsgálata azt mutatta, hogy a korszerű szabványok szerint a kísérlet hibás - voltak problémák a fotólemezekkel, és az 1919-ben rendelkezésre álló pontosság valójában nem volt elég jó ahhoz, hogy a méréseknél megfelelő mértékű elhajlást mutasson. Brazílíából. A későbbi kísérletek azonban megmutatták, hogy van-e a hatás, és mivel a modern felszerelés hiányzik, a munka elég szilárd volt.
Manapság az erős távcsöveket használó csillagászok láthatják a távoli galaxisok fényét, amelyet más galaxisok hajlítottak és nagyítottak fel, egy olyan hatást, amelyet ma gravitációs lencsének hívnak. Ugyanezt az eszközt használják jelenleg a galaxisok tömegének becslésére, sötét anyag megkeresésére és más csillagokat keringő bolygók felkutatására.
Fekete lyukak
A NASA Chandra űrteleszkópja galaxisunk közepén, a Nyilas A * nevű fekete lyukon látta el a rendkívül fényes röntgenfelvételeket januárban. (NASA / CXC / Amherst Főiskola / D.Haggard et al) Az általános relativitáselmélet talán a leglátványosabb előrejelzése a fekete lyukak létezése, olyan masszív tárgyak, hogy még a fény sem képes megszabadulni a gravitációs vonzódásuktól. Az ötlet azonban nem volt új. 1784-ben egy John Mitchell nevű angol tudós bemutatta a Királyi Társaság ülésein. 1799-ben Pierre-Simon LaPlace, egy francia matematikus, ugyanabba a koncepcióba lépett be, és szigorúbb matematikai bizonyítékot írt. Ennek ellenére senki sem figyelt meg egy fekete lyukra. Ezenkívül az 1799-ben és azt követően végzett kísérleteknek úgy tűnt, hogy a fényt hullámnak kell lenniük, nem részecskének, így a gravitáció ugyanúgy nem érinti, ha egyáltalán.
Lépjen be Einsteinbe. Ha a gravitáció valójában a tér-idő görbületének köszönhető, akkor ez befolyásolhatja a fényt. 1916-ban Karl Schwarzschild Einstein egyenleteivel kimutatta, hogy nemcsak létezhetnek fekete lyukak, hanem az eredményül kapott tárgy majdnem megegyezik a LaPlaceéval. Schwarzschild bevezette egy eseményhorizont fogalmát is, amelynek olyan felülete van, ahonnan egyetlen anyag sem tudott elmenekülni.
Bár Schwarzschild matematikája jó volt, évtizedekbe telt, amíg a csillagászok megfigyelték a jelölteket. A Cygnus X-1, az erős röntgenforrás, az első olyan tárgy lett az 1970-es években, mint fekete lyuk. A csillagászok szerint minden galaxis magjában van egy fekete lyuk - még a miénk is. A csillagászok gondosan nyomon követték a csillagok keringését a Tejút közepén, a Nyilas A * másik fényes röntgenforrás körül, és megállapították, hogy a rendszer egy rendkívül hatalmas fekete lyukként viselkedik.
"Olyan rendszereknél, mint például a Cygnus X-1 vagy a Nyilas A *, megmérhetjük a kompakt tárgy tömegét és sugárját, és egyszerűen nem tudunk kitalálni más asztrofizikai objektumot, amely ugyanazokkal a megfigyelési tulajdonságokkal rendelkezik" - mondja M Paul Sutter, asztrofizikus és vendégtudós az Ohio Állami Egyetemen.
Lövés a Holdra
A Holdon az Apollo 15 hagyta a holdi lézeres mérési kísérletet (NASA) A relativitáselmélet általános elméletének kidolgozása során Einstein rájött, hogy a gravitáció és a gyorsulás következményeit egyaránt a tér-idő görbülete okozza, és hogy a gravitációs erő, amelyet valaki egy hatalmas tárgyon álló személynél tapasztal, hasonló lesz a hatáshoz. amit valaki felgyorsul, mondjuk egy rakéta segítségével.
Ez azt jelenti, hogy a fizikában a laboratóriumban mért törvények mindig azonosak lesznek, függetlenül attól, hogy milyen gyorsan mozog a labor, vagy hol van a tér-idő. Továbbá, ha egy tárgyat gravitációs mezőbe helyez, akkor annak mozgása csak a kiindulási helyzetétől és a sebességétől függ. Ez a második állítás fontos, mivel azt jelenti, hogy a Nap gravitációjának a Földön és a Holdon nagyon stabilnak kell lennie - különben ki tudja, milyen bajok járhatnak, ha bolygónk és a hold különböző sebességgel "esik" a Nap felé.
Az 1960-as években az Apollo missziók és a szovjet holdszondák reflektorokat állítottak fel a Holdra, és a Föld tudósai lézersugarakat lőttek rájuk, hogy számos tudományos kísérletet végezzenek, beleértve a Föld és a Hold közötti távolság és a relatív mozgások mérését. a nap körül. A Hold-felfedezés egyik tanulsága az volt, hogy a Föld és a hold valóban ugyanolyan sebességgel esik a Nap felé, ahogy az általános relativitáselmélet előrejelzi.
Húzza a helyet
A Gravity Probe B műhold összetett rajza. (Katherine Stephenson, a Stanfordi Egyetem és a Lockheed Martin Corporation) Az általános relativitáselmélet legtöbb leírásában az embereket úgy gondolják, hogy a Földet bowling-golyóként szövetdarabra függesztik, más néven a tér-idő. A golyó miatt az anyag torzulhat depresszióvá. De mivel a Föld forog, az általános relativitáselmélet szerint a depressziónak el kell fordulnia és torzulnia kell, amikor a labda forog.
A 2004-ben elindított Gravity Probe B nevű űrhajó egy évet töltött a Föld körül a tér-idő görbületének mérésével. Bizonyos bizonyítékokat talált a kerethúzásra, vagy arra, hogy a Föld a kozmikus szövet magával húzza, miközben elfordul, segítve Einstein gravitációs képének érvényesítését.
A tér-idő hullámai
Két egymás körül forgó hatalmas pulzátor elegendő zavart okozna a téridő szerkezetében olyan gravitációs hullámok generálására, amelyeket képesek lennénk a Földön észlelni. (NASA) A tér-időben mozgó tárgyak másik következménye az, hogy néha hullámok és hullámok alakulnak ki az anyagban, hasonlóan a hajó nyomán. Ezek a gravitációs hullámok a tér-időt olyan módon nyújtják meg, amely elméletileg megfigyelhető. Például néhány kísérlet a lézernyalábot két tükrkészlet között ragyogja, és mennyi ideig tart a fénynyaláb ugrása közöttük. Ha egy téridőbeli hullámzás áthalad a Földön, az ilyen detektoroknak látniuk kell a sugár apró meghosszabbodását és összehúzódását, amely interferencia mintázatként jelenik meg.
Eddig a gravitációs hullámok az általános relativitáselmélet egyik legfontosabb előrejelzése, amelyet még nem láttak, bár pletykák vannak az USA-ban egy létesítményben történő észlelésről, de vannak közvetett bizonyítékok. A pulzárok olyan halott csillagok, amelyek a nap tömegének többszörösét egy manhattani méretű térbe csomagolják. Két egymással keringő pulzátor megfigyelése néhány tippet ad arra, hogy a gravitációs hullámok valósak-e.
"Megfigyelték, hogy az első bináris pulzár orbitális periódusa idővel évente körülbelül 0, 0001 másodpercvel romlik." - mondta Alan Kostelecky, az Indianai Egyetem fizikusa. "A lebomlás sebessége megegyezik a gravitációs sugárzás okozta energiaveszteséggel, amelyet az általános relativitáselmélet előrejelz."
GPS
A művész renderelése GPS-IIRM műholdat mutat keringő pályán. (Az űrbázisú helymeghatározás, navigáció és időmérés amerikai végrehajtó bizottsága) A globális helymeghatározó rendszerek nem pontosan a relativitás teszte, de abszolút támaszkodnak rá. A GPS olyan keringő műholdak hálózatát használja, amelyek jelzik a telefonokat és a bérelt autókat az egész bolygón. A helyzet megszerzéséhez ezeknek a műholdaknak tudniuk kell, hol és mikor vannak, tehát az időméréseket másodperces milliárdod pontossággal tartják.
De a műholdak 1250 mérföld körül körbejárnak a fejünk felett, ahol kevésbé érzik magukat a bolygó gravitációs vonzása, mint a földön élők. Az Einstein speciális relativitáselmélet elmélete alapján, amely szerint az eltérõ sebességgel mozgó megfigyelõk számára az idõ eltérõen telik el, a mûholdas órák kissé lassabban ketyegnek, mint a földi utazók órái.
Az általános relativitáselmélet azonban segít kiküszöbölni ezt a hatást, mivel a Föld felszínéhez közeli gravitáció lelassítja egy óra kullancsát, mint a műholdas sebesség fölött. Ennek a relativista kombinációnak a hiányában a GPS órák napi 38 mikrosekundummal kikapcsolnának. Ez kicsinek tűnhet, de a GPS olyan nagy pontosságot igényel, hogy az eltérés órákon belül észrevehetően tévesvé tenné a leképezett helyét.
