100 aasta jooksul on Albert Einsteini üldine relatiivsusteooria säilinud peaaegu iga katse kohta, mille füüsikud sellele on visanud. 1915. aasta novembris välja kuulutatud kuulsa teadlase väljavõrrandid laiendasid Isaac Newtoni pikaajalisi seadusi, kujutledes raskusjõudu pigem ruumi ja aja kangasse kandena, mitte kui objektidevahelise lihtsa jõuna.
Seotud sisu
- Pärast sajandi otsimist tuvastasime lõpuks gravitatsioonilised lained
- Viis asja, mida tuleks teada gravitatsiooniliste lainete kohta
- Miks armastas relatiivsusteooria taga olev geenius Albert Einstein oma toru
- Viis praktilist kasutamist "õudse" kvantmehaanika jaoks
Üldise relatiivsusteguri võrrandite kasutamise tulemused näevad tegelikult sarnased Newtoni matemaatikat kasutades, kui massid pole liiga suured ja kiirused on valguse kiirusega võrreldes suhteliselt väikesed. Kuid kontseptsioon oli füüsika jaoks revolutsioon.
Laineline ruumiaeg tähendab, et gravitatsioon mõjutab valgust ennast palju tugevamalt, kui Newton ennustas. See tähendab ka seda, et planeedid liiguvad ümber oma orbiitide veidi muudetud, kuid väga olulisel viisil, ning see ennustab eksootiliste objektide, nagu koletise mustad augud ja ussiaugud, olemasolu.
Üldrelatiivsus ei ole täiuslik - näib, et Einsteini raskusjõu reeglid purunevad, kui rakendate neid kvantmehaanika reeglitele, mis valitsevad alaatomiliste skaalade järgi. See jätab meie arusaamast universumist palju häirivaid lünki. Ka täna lükkavad teadlased piire, et näha, kui kaugele relatiivsus võib meid viia. Vahepeal on siin mõned viisid, kuidas näeme pidevalt suhtelisust tegevuses:
Merkuuri orbiit
Kosmoselaev MESSENGER, mis esimest korda orbiidil elavhõbedat elavdas, jäädvustas selle väikese värvi vaate väikesele planeedile, et näidata selle pinnal keemilisi, mineraloogilisi ja füüsikalisi erinevusi. (NASA / JHUAPL / Carnegie institutsioon) 19. sajandil märkas astronoom Urbain LeVerrier probleemi Merkuuri orbiidil. Planeetide orbiidid ei ole ringikujulised, need on ellipsid, mis tähendab, et planeedid võivad Päikesesüsteemi liikudes olla Päikesest ja üksteisest lähemal või kaugemal. Kui planeedid üksteise külge tõmbuvad, liiguvad nende lähimad punktid etteaimatavalt, seda protsessi nimetatakse pretsessiooniks.
Kuid isegi pärast kõigi teiste planeetide mõjude arvessevõtmist näis Mercury eelsõnu pisut teisiti, kui peaks igal sajandil. Alguses arvasid astronoomid, et teine, seni Vulcaniks nimetatud planeet peab asuma Merkuuri orbiidil, lisades segule gravitatsioonilise tõmbe.
Kuid Einstein kasutas üldrelatiivsuse võrrandit, et näidata, et müsteeriumiplaneeti pole vaja. Päikesele kõige lähedasemat elavhõbedat mõjutab lihtsalt see, kuidas meie massiivne täht kõverdab aegruumi kangast, mida Newtoni füüsika ei arvestanud.
Valguse painutamine
Pilt päikesevarjutusest, mida nähti 29. mail 1919. ("Valguse läbipainde määramine päikese gravitatsioonivälja poolt, 29. mai 1919. aasta kogupimeduse ajal tehtud tähelepanekutest" Londoni kuningliku seltsi filosoofilised tehingud, Seeria A) Üldrelatiivsusteooria kohaselt peaks kangast ruumi-aja jooksul liikuv valgus järgima selle kanga kõveraid. See tähendab, et massiivsete objektide ümber liikuv valgus peaks nende ümber painutama. Kui Einstein avaldas oma üldrelatiivsuse teemad, polnud selge, kuidas seda moonutust jälgida, kuna ennustatud mõju on väike.
Briti astronoom Arthur Eddington tabas ideed: vaadake päikesevarjutuse ajal päikese serva lähedal olevaid tähti. Kuu poolt blokeeritud päikese pimestamise abil võisid astronoomid näha, kas tähe nähtav asukoht on muutunud, kui tohutu päikese raskusjõud painutab oma valgust. Teadlased tegid vaatlusi kahest kohast: ühe Brasiilia idaosas ja teise Aafrikas.
Tõepoolest, Eddingtoni meeskond nägi 1919. aasta varjutuse ajal ümberpaigutamist ja ajalehtede pealkirjad tõttasid maailmale, et Einsteinil oli õigus. Viimastel aastatel on andmete uued uuringud näidanud, et tänapäevaste standardite kohaselt oli katse viga - fotoplaatidega oli probleeme ja 1919. aastal saadav täpsus polnud tegelikult piisavalt hea, et näidata mõõtmistes õiget läbipainde. Brasiiliast. Kuid hilisemad katsed on näidanud, et mõju on olemas, ja arvestades tänapäevaste seadmete puudumist, oli töö piisavalt kindel.
Täna näevad astronoomid, kes kasutavad võimsaid teleskoope, kaugete galaktikate valgust, mida teised galaktikad on painutanud ja suurendanud, seda efekti nimetatakse nüüd gravitatsiooniläätsedeks. Seda sama tööriista kasutatakse praegu galaktikate masside hindamiseks, tumeaine otsimiseks ja isegi teiste tähtede ümber tiirlevate planeetide otsimiseks.
Mustad augud
NASA Chandra kosmoseteleskoop nägi meie galaktika keskmes olevat musta auku, nimega Ambur A *, vabastades jaanuaris eriti ereda röntgenikihi. (NASA / CXC / Amhersti kolledž / D.Haggard jt) Võib-olla on kõige suurejoonelisem üldrelatiivsuse ennustus mustade aukude olemasolu, objektid, mis on nii massiivsed, et isegi valgus ei pääseks nende gravitatsioonilisest tõmbejõust välja. Idee polnud aga uus. Aastal 1784 esitas inglise teadlane nimega John Mitchell kuningliku seltsi koosolekutel ja 1799 jõudis sama kontseptsiooni juurde prantsuse matemaatik Pierre-Simon LaPlace ja kirjutas rangema matemaatilise tõestuse. Isegi siis polnud keegi täheldanud midagi sellist nagu must auk. Lisaks näisid 1799. aastal ja pärast seda tehtud katsed valguse näitamist olevat pigem laine kui osake, nii et gravitatsioon ei mõjutaks seda samamoodi, kui üldse.
Sisestage Einstein. Kui raskusjõud tuleneb tegelikult aegruumi kumerusest, võib see mõjutada valgust. 1916. aastal kasutas Karl Schwarzschild Einsteini võrrandeid, et näidata, et mitte ainult mustad augud ei eksisteeri, vaid et tulemuseks olev objekt oli peaaegu sama, mis LaPlace'il. Schwarzschild tutvustas ka sündmushorisondi mõistet - pinda, millest ükski materiaalne objekt ei pääseks.
Ehkki Schwarzschildi matemaatika oli mõistlik, kulus kõigi kandidaatide vaatlemiseks astronoomide jaoks aastakümneid - tugevast röntgenkiirte allikast Cygnus X-1 sai esimene objekt, mida 1970. aastatel laialt aktsepteeriti kui musta auku. Nüüd arvavad astronoomid, et kõigi galaktikate keskmes on must auk - isegi meie endi oma. Astronoomid jälgisid hoolikalt Linnutee keskel asuva teise ereda röntgenikiirgusallika, Ambur A * ümber tähtede orbiite ja leidsid, et süsteem käitub nagu äärmiselt massiivne must auk.
"Süsteemide nagu Cygnus X-1 või Ambur A * korral saame mõõta kompaktse objekti massi ja raadiust ning me lihtsalt ei suuda välja mõelda ühtegi muud astrofüüsikalist objekti, millel oleks samad vaatlusomadused, " ütleb Paul M Sutter, astrofüüsik ja külalisteadur Ohio Riiklikus Ülikoolis.
Kuu laskmine
Apollo 15 poolt Kuule jäetud kuulaser-laserkatse katse osa (NASA) Üldrelatiivsusteooria väljatöötamisel mõistis Einstein, et nii gravitatsiooni kui ka kiirenduse mõjud on põhjustatud aegruumi kumerusest ja massiivsel objektil seisva inimese kogetav gravitatsioonijõud on selle efektiga sarnane. kogenud keegi, kes kiirendab näiteks raketiga sõitmist.
See tähendab, et laboratooriumis mõõdetud füüsikaseadused näevad alati ühesugused välja, olenemata sellest, kui kiiresti labor liigub või kus ta asub ruumis-ajas. Samuti, kui paned objekti gravitatsiooniväljale, sõltub selle liikumine ainult selle algpositsioonist ja kiirusest. See teine väide on oluline, kuna see tähendab, et päikese raskuse pukseerimine Maal ja Kuul peaks olema väga stabiilne - vastasel korral, kes teab, millised probleemid võivad tekkida, kui meie planeet ja kuu "langevad" päikese poole erineva kiirusega.
1960. aastatel rajasid Apollo missioonid ja Nõukogude kuuesondid Kuule helkureid ning Maa teadlased on lasknud neile laserkiiri, et viia läbi arvukalt teaduslikke katseid, sealhulgas mõõta Maa ja Kuu vahelist kaugust ning nende suhtelist liikumist ümber päikese. Üks selle kuuulatusest saadud õppetundidest oli, et Maa ja Kuu langevad Päikese poole tõepoolest sama kiirusega, nagu üldrelatiivsus ennustab.
Ruumi lohistamine
Gravitatsiooni Probe B satelliidi liitjoonis. (Katherine Stephenson, Stanfordi ülikool ja Lockheed Martin Corporation) Enamikus üldrelatiivsusteooria kirjeldustes kujutavad inimesed Maad kui kangapallile riputatud vibu-kuuli ehk ruumi-aega. Pall põhjustab kanga moonutamist depressiooniks. Kuid kuna Maa pöörleb, ütleb üldrelatiivsus, et kuuli pöörlemisel peaks depressioon keerduma ja moonutama.
Kosmoselaev nimega Gravity Probe B, mis käivitati 2004. aastal, veetis aasta Maa ümber kosmose-aja kumeruse mõõtmiseks. See leidis mõningaid tõendeid raami lohistamiseks või selle kohta, et Maa lohistab kosmilist kangast selle pöörlemisel, aidates kinnitada Einsteini pilti gravitatsioonist.
Kosmose-aja virvendused
Kaks massiivset pulssi, mis keerlevad üksteise ümber, tekitaksid kosmose-aja kangas piisavalt häireid, et tekitada gravitatsioonilisi laineid, mida peaksime suutma Maal tuvastada. (NASA) Teine aegruumis liikuvate objektide tagajärg on see, et mõnikord tekitavad nad kangas vilinaid ja laineid, mis on sarnased laevaga. Need gravitatsioonilised lained sirutaksid ruumi-aega viisil, mis teoreetiliselt on vaadeldav. Näiteks säravad mõned katsed laserkiire kahe peeglikomplekti vahel ja aega, kui kaua kulub nende vahel põrkamiseks. Kui kosmose-aegne pulsatsioon läbib Maad, peaksid sellised detektorid nägema tala väikest pikenemist ja kokkutõmbumist, mis võiks olla häirimismuster.
Siiani on gravitatsioonilised lained üks viimaseid suuri üldrelatiivsuse prognoose, mida pole veel nähtud, ehkki USAs asuvas rajatises on kuulujutud avastamisest, kuid kaudseid tõendeid on. Pulsarid on surnud tähed, mis pakendavad mitu korda päikese massi Manhattani suurusesse ruumi. Kahe teineteise ümber tiirleva pulsaatori vaatlused annavad vihjeid, et gravitatsioonilained on reaalsed.
"On täheldatud, et esimese binaarse pulsaari orbitaalperiood langeb aja jooksul umbes 0, 0001 sekundi võrra aastas, " ütleb Indiana ülikooli füüsik Alan Kostelecky. "Lagunemiskiirus vastab gravitatsioonikiirgusest tingitud energiakadudele, mida ennustatakse üldrelatiivsusega."
GPS
Kunstniku renderdus näitab orbiidil GPS-IIRM satelliiti. (USA kosmosepõhise positsioneerimise, navigeerimise ja aja määramise riiklik täitevkomitee) Globaalsed positsioneerimissüsteemid pole just relatiivsuse test, kuid nad tuginevad sellele absoluutselt. GPS kasutab orbiidil liikuvate satelliitide võrku, mis pingutab kogu planeedi telefonidele ja rendiautodele signaale. Asukoha saamiseks peavad need satelliidid teadma, kus ja millal nad asuvad, seega peavad nad ajamõõtmisi sekundi täpsusega miljardi täpsusega.
Kuid satelliidid tiirlevad meie pea kohal 1250 miili kohal, kus nad tunnevad planeedi gravitatsioonilist tõmmet vähem kui kohapeal olevad inimesed. Tuginedes Einsteini erirelatiivsusteooriale, mis ütleb, et erineva kiirusega liikuvate vaatlejate jaoks kulub aeg erinevalt, tiksuvad satelliidikellad pisut aeglasemalt kui maapealse ränduri kellad.
Üldine relatiivsus aitab seda mõju siiski kõrvaldada, kuna Maa pinna lähedal asuv gravitatsioon aeglustab kella puuke, võrreldes satelliidi kiirusega üle pea. Selle relativistliku kombinatsiooni puudumisel oleksid GPS-kellad päevas umbes 38 mikrosekundit väljas. See võib tunduda väikese tõrkena, kuid GPS nõuab nii suurt täpsust, et lahknevus muudaks teie kaardistatud asukoha mõne tunniga valesti.
