Relatiivsusteooria, siis ja nüüd

"Olen kurnatud. Kuid edu on kuulsusrikas."

Seotud sisu

• Matemaatik Emmy Noether peaks olema teie kangelane

See oli sada aastat tagasi tänavu novembris ja Albert Einstein nautis haruldast rahulolu. Päevi varem, 25. novembril 1915, oli ta astunud lavale Preisi Teaduste Akadeemiasse Berliinis ja teatanud, et on viimaks lõpetanud oma piinava, aastakümnepikkuse ekspeditsiooni gravitatsiooni uue ja sügavama mõistmise juurde. Üldine relatiivsusteooria, mille Einstein kinnitas, oli nüüd täielik.

Kuu, mis eelnes ajaloolisele teadaandele, oli olnud tema elu intellektuaalselt kõige intensiivsem ja ärevam. See kulmineerus Einsteini radikaalselt uue visiooniga ruumi, aja, mateeria, energia ja gravitatsiooni koosmõjust, mis on laiem lugu kui inimkonna üks suurimaid intellektuaalseid saavutusi.

Üldrelatiivsusteooria kuulis omal ajal ainult esoteerilise füüsika äärelinnas tegutsevate mõtlejate koobas. Kuid alates sajandist on Einsteini vaimusünnitusest saanud seos mitmesuguste aluspõhimõtetega, sealhulgas universumi päritolu, mustade aukude struktuuri ja loodusjõudude ühendamisega ning teooria on rakendatud ka rohkem rakendatavate ülesannete jaoks nagu ekstrasolaarsete planeetide otsimine, kaugete galaktikate massi määramine ja isegi autosõitjate ning ballistiliste rakettide trajektooride juhendamine. Üldrelatiivsus, mis oli kunagi gravitatsiooni eksootiline kirjeldus, on nüüd võimas uurimisvahend.

Püüdlus gravitatsiooni haarata algas juba ammu enne Einsteini. 1665–1666 Euroopat räsinud katku ajal taganes Isaac Newton oma ametikohalt Cambridge'i ülikoolis, asus varjupaika oma pere kodus Lincolnshire'is ja jõudeoleku ajal mõistis, et iga objekt, olgu see siis maa peal või taevas, tõmbab üksteise peale jõuga, mis sõltub ainult sellest, kui suured objektid on - nende mass - ja kui kaugel nad on ruumis - nende kaugus. Koolilapsed on kogu maailmas õppinud Newtoni seaduse matemaatilist versiooni, mis on teinud nii muljetavaldavalt täpseid ennustusi kõigest liikumisest alates kividest kuni planeetide tiirlemiseni, et tundus, et Newton oli kirjutanud lõppsõna raskusjõu kohta. Kuid ta polnud seda teinud. Ja Einstein oli esimene, kes selles kindel oli.

**********

Aastal 1905 avastas Einstein spetsiaalse relatiivsusteooria, kehtestades kuulsa diktumi, et miski - ükski objekt ega signaal - ei saa liikuda kiiremini kui valguse kiirus. Ja selles peitub hõõrumine. Newtoni seaduse kohaselt, kui raputate Päikest nagu kosmiline maraka, põhjustab gravitatsioon ka Maa raputamist. See tähendab, et Newtoni valem tähendab, et gravitatsioon avaldab oma mõju hetkega ühest kohast teise. See pole mitte ainult kiirem kui valgus, vaid ka lõpmatu.

Suhteomadused: eri- ja üldteooria

See üldine relatiivsusteooria sajandal aastapäeval ilmunud Einsteini kuulsa raamatu kena väljaanne paigutab teose ajaloolisesse ja intellektuaalsesse konteksti, pakkudes samas hindamatut teavet kõigi aegade suurimatest teaduslikest mõtetest.

Einsteinil poleks seda mitte ühtegi. Kindlasti peab olema olemas raskusjõu täpsem kirjeldus, milles gravitatsioonilised mõjud ei ületa valgust. Einstein pühendus selle leidmisele. Ja selleks, et ta aru saaks, peab ta vastama näiliselt põhiküsimusele: kuidas gravitatsioon töötab? Kuidas ulatub Päike 93 miljoni miili kaugusele ja avaldab Maale gravitatsioonilist tõmmet? Igapäevase kogemuse tuntumate tõmbamiste jaoks - ukse avamine, veinipudelist lahti võtmine - ilmneb mehhanism: teie käsi ja tõmmet kogev objekt on otseses kontaktis. Kuid kui Päike tõmbab Maad, toimub see tõmbus üle kogu ruumi - tühja ruumi. Otsest kontakti pole. Milline nähtamatu käsi on tööl gravitatsiooni pakkumist täites?

Newton leidis ise, et see küsimus on hämmastav, ja otsustas, et tema enda suutmatus tuvastada, kuidas gravitatsioon oma mõju avaldab, et tema teooria, vaatamata sellele, kui edukalt ennustati, oli kindlasti puudulik. Ometi oli Newtoni lubamine juba üle 200 aasta midagi muud kui tähelepanuta jäetud joonealune märkus teooria kohta, mis muidu leppis tähelepanekutega kokku.

1907. aastal hakkas Einstein sellele küsimusele tõsiselt vastuseid pakkuma; 1912. aastaks oli sellest saanud tema täiskohaga kinnisidee. Ja selle käputäie aastate jooksul tabas Einstein peamist kontseptuaalset läbimurret, mida on nii lihtne öelda, kui seda on keeruline mõista: kui Päikese ja Maa vahel pole midagi muud kui tühi ruum, peab kosmos avaldama nende vastastikust gravitatsioonilist tõmmet. ise. Aga kuidas?

Einsteini vastus, mis on korraga ilus ja salapärane, on see, et näiteks Päike ja Maa põhjustavad selle ümber kosmose kõverust ja sellest tulenev väändunud ruumi kuju mõjutab teiste kehade liikumist, mis neist mööduvad.

Siit saate teada mõelda. Pilt sirgest trajektoorist, millele järgneb marmor, mille olete rullinud tasasele puitpõrandale. Kujutage nüüd ette marmori veeremist üleujutusega väänatud ja väänatud puitpõrandale. Marmor ei järgi sama sirget trajektoori, kuna see on nihutatud nii ja seda põranda kõverjooneliste kontuuride järgi. Nii nagu põrandaga, nii ka ruumiga. Einstein nägi ette, et ruumi kumerad kontuurid lükkavad löögiga pesapalli, et järgida selle tuttavat paraboolset rada ja meelitada Maad, et see järgiks oma tavalist elliptilist orbiiti.

See oli hingemattev hüpe. Kuni selle ajani oli ruum abstraktne mõiste, omamoodi kosmiline konteiner, mitte käegakatsutav üksus, mis võiks muutusi mõjutada. Tegelikult oli hüpe ikkagi suurem. Einstein taipas, et ka aeg võib väänduda. Intuitiivselt mõeldes me kõik näeme, et kellad, sõltumata nende asukohast, märgistavad sama kiirusega. Kuid Einstein tegi ettepaneku, et mida lähemal on massiivsele kehale, nagu Maale, seda aeglasemalt need linnukesega märgiksid, peegeldades gravitatsiooni ehmatavat mõju väga aja möödudes. Ja nii palju kui ruumiline lõime võib objekti trajektoori nihutada, nii ka ajalise jaoks: Einsteini matemaatika soovitas objekte joonistada kohtadesse, kus aeg kulgeb aeglasemalt.

Ent Einsteini radikaalne gravitatsiooni ümbersõnastamine ruumi ja aja kuju osas ei olnud tema jaoks piisav võidu saamiseks. Ta pidi arendama ideed ennustavaks matemaatiliseks raamistikuks, mis kirjeldaks täpselt ruumi, aja ja aine järgi tantsitud koreograafiat. Isegi Albert Einsteini jaoks osutus see monumentaalseks väljakutseks. 1912. aastal, võrrandite kujundamise nimel vaeva nähes, kirjutas ta ühele kolleegile, et “Ma pole kunagi varem oma elus midagi sellist piinanud.” Kuid alles aasta hiljem, töötades Zürichis koos oma matemaatiliselt paremini kursis oleva kolleegi Marcel Grossmanniga, Einstein jõudis vastusele ahvatlevalt lähedal. Võimendades tulemusi 1800. aastate keskpaigast, mis andis kõverjooneliste kujundite kirjeldamiseks geomeetrilise keele, lõi Einstein täiesti uudse, kuid siiski täielikult range gravitatsiooni ümbersõnastamise ruumi ja aja geomeetria osas.

Kuid siis tundus see kõik kokku varisevat. Uute võrrandite uurimisel tegi Einstein saatusliku tehnilise vea, pannes teda mõtlema, et tema ettepanek ei suutnud kõikvõimalikke tavalisi liikumisi õigesti kirjeldada. Kaks pikka, pettumust valmistavat aastat üritas Einstein meeleheitlikult probleemi lappida, kuid miski ei töötanud.

Einstein, hoolimata nende tulekust, jäi arugi ja 1915. aasta sügisel nägi ta lõpuks edasist tegevust. Selleks ajaks oli ta Berliinis professor ja ta oli valitud Preisimaa Teaduste Akadeemiasse. Isegi nii oli tal aega käes. Tema võõrandunud naine Mileva Maric nõustus lõpuks, et tema elu Einsteiniga oli läbi, ja kolis koos kahe pojaga tagasi Zürichisse. Ehkki üha pingelisemad peresuhted mõjutasid Einsteini tugevalt, võimaldas see korraldus tal ka viljatu Berliini korteri vaikses üksinduses vabalt jälgida oma matemaatilisi jälitusi, häirimatult nii päeval kui öösel.

Novembriks kandis see vabadus vilja. Einstein parandas oma varasema vea ja asus viimasel tõusul üldrelatiivsusteooria poole. Kuid intensiivsete matemaatiliste detailide kallal töötades muutusid tingimused ootamatult petlikuks. Mõni kuu varem oli Einstein kohtunud tuntud saksa matemaatiku David Hilbertiga ja jaganud kogu mõtte oma uue gravitatsiooniteooria kohta. Ilmselt õppis Einstein oma nördimuseks, et kohtumine oli Hilberti huvi nii äratanud, et ta kihutas Einsteini nüüd finišisse.

Seeria postkaarte ja kirju, mida kaks kogu novembri 1915 jooksul vahetasid, dokumenteerib südamlikku, kuid intensiivset võistlust, kui mõlemad suleti üldise relatiivsusteooria võrrandites. Hilbert pidas ausaks mänguks paljulubava, kuid veel lõpetamata gravitatsiooniteooria avamist; Einstein pidas seda kohutavalt halvaks vormiks, kus Hilbert oma üksi-ekspeditsioonil nii tippkohtumise läheduses osales. Veelgi enam, Einstein mõistis murelikult, et Hilberti sügavamad matemaatilised reservid kujutavad endast tõsist ohtu. Vaatamata oma aastatepikkusele raskele tööle võib Einstein jääda lüüa.

Mure oli hästi põhjendatud. Laupäeval, 13. novembril sai Einstein Hilbertilt kutse liituda temaga järgmisel teisipäeval Göttingenis, et õppida „väga detailselt” „teie suurele probleemile lahendus”. Einstein vaidlustas. „Ma pean hetkeks hoiduma Göttingeni reisimisest ja pigem kannatlikult ootama, kuni saan teie süsteemi trükitud artiklist uurida; sest ma olen väsinud ja vaevavad ka kõhuvalud. ”

Kuid sel neljapäeval, kui Einstein oma postituse avas, sattus ta vastamisi Hilberti käsikirjaga. Einstein kirjutas viivitamatult tagasi, varjates ärritust: “Teie pakutav süsteem nõustub - niipalju kui ma näen - täpselt sellega, mille ma viimase paari nädala jooksul leidsin ja mille akadeemiale esitasin.” Einstein uskus oma sõbrale Heinrich Zanggerile., "Oma isikliku kogemuse kohaselt pole ma inimliigi armetust paremini õppinud, nagu selle teooria puhul ..."

Nädal hiljem, 25. novembril, pidades Preisi Akadeemias loenguid varjatud publikule, avalikustas Einstein lõplikud võrrandid, mis moodustasid üldise relatiivsusteooria.

Keegi ei tea, mis selle viimase nädala jooksul juhtus. Kas Einstein jõudis omal jõul lõplike võrranditeni või pakkus Hilberti paber lubamatut abi? Kas Hilberti mustand sisaldas võrrandite õiget vormi või lisas Hilbert Einsteini tööst inspireerituna need võrrandid paberi versioonisse, mille Hilbert mitu kuud hiljem avaldas? Intriig süveneb alles siis, kui saame teada, et Hilberti paberilehe põhitõed, mis võisid küsimused lahendada, olid sõna otseses mõttes ära lõigatud.

Lõpuks tegi Hilbert õigesti. Ta tunnistas, et ükskõik milline võis olla ka tema roll lõplike võrrandite katalüüsimisel, peaks üldine relatiivsusteooria õigustatult omistama Einsteinile. Ja nii see on. Hilbert on saanud oma kohustuse ka seetõttu, et tehniline, kuid eriti kasulik viis üldrelatiivsuste võrrandite väljendamiseks kannab mõlema mehe nimesid.

Muidugi oleks krediit väärt ainult seda, kui üldine relatiivsusteooria kinnitatakse vaatluste abil. Tähelepanuväärselt nägi Einstein, kuidas seda saaks teha.

**********

Üldrelatiivsus ennustas, et kaugete tähtede kiirgavad valguskiired liiguvad kõverdatud trajektooridel, kui nad läbivad väändunud piirkonna Päikese lähedal Maale. Einstein kasutas selle täpsustamiseks uusi võrrandeid - ta arvutas nende kõverate trajektooride matemaatilise kuju. Kuid ennustuse kontrollimiseks peaksid astronoomid nägema kaugeid tähti, kui Päike on esiplaanil, ja see on võimalik ainult siis, kui Kuu blokeerib Päikese valguse, päikesevarjutuse ajal.

Järgmine päikesevarjutus, 29. mai 1919, oleks seega üldrelatiivsuse tõestatud pinnas. Briti astronoomide meeskonnad Sir Arthur Eddingtoni juhtimisel rajasid kaupluse kahes kohas, kus oleks täielik päikesevarjutus - Brasiilias Sobralis ja Aafrika lääneranniku ääres Príncipes. Ilmastiku väljakutsetega võideldes võttis iga meeskond rea kaugete tähtede fotoplaate, mis olid Kuu triivides üle Päikese hetkeks nähtavad.

Järgnevate kuude hoolika analüüsi ajal ootas Einstein kannatlikult tulemusi. Lõpuks, 22. septembril 1919, sai Einstein telegrammi, milles teatas, et eclipse'i tähelepanekud kinnitasid tema ennustust.

Ajalehed kogu maailmas võtsid selle loo üles, hingematvate pealkirjadega kuulutades Einsteini võidukäiku ja katapultides teda praktiliselt üleöö kogu maailmas sensatsiooniks. Kõigi elevuste keskel küsis noor õpilane Ilse Rosenthal-Schneider Einsteinilt, mida ta oleks arvanud, kui tähelepanekud ei oleks üldrelatiivsusteooria ennustusega nõus. Einstein vastas võluva bravadoga kuulsalt: "Mul oleks olnud kallist isandast kahju, sest teooria on õige."

Tõepoolest, aastakümnete jooksul pärast varjutuse mõõtmist on toimunud väga palju muid vaatlusi ja katseid - mõned on käimas -, mis on põhjustanud kindla kindluse üldise relatiivsustegevuse suhtes. Üks muljetavaldavamaid on vaatluskatse, mis kestis ligi 50 aastat NASA kõige kauem kestnud projektide hulgas. Üldrelatiivsusteooria väidab, et kuna keha, nagu Maa keerleb oma teljel, peaks ta lohistama ruumi keerises mõnevõrra sarnaselt melassi ämbris oleva pöörleva veerisiga. 1960. aastate alguses koostasid Stanfordi füüsikud prognoosi kontrollimiseks skeemi: Käivitage neli ülitäpset güroskoopi Maa-lähedale orbiidile ja otsige güroskoopide telgede orientatsioonis väikeseid nihkeid, mis vastavalt teooriale peaksid selle põhjustama. keeriseva ruumi poolt.

Vajaliku güroskoopilise tehnoloogia väljatöötamiseks kulus põlvkond teadusuuringuid ja seejärel aastatepikkune andmeanalüüs, et muu hulgas ületada kosmoses omandatud güroskoopide kahetsusväärne võnge. Kuid 2011. aastal teatas Gravity Probe B taga olev meeskond, nagu projekt on teada, et poole sajandi pikkune eksperiment oli jõudnud eduka lõpptulemuseni: güroskoopide teljed olid keeratud Einsteini ennustatud matemaatikataseme võrra.

On jäänud üks katse, praegu on see tehtud rohkem kui 20 aastat ja mida paljud peavad üldise relatiivsusteooria viimaseks katseks. Teooria kohaselt tekitavad kaks põrkuva objekti, olgu need tähed või mustad augud, kosmose kangas laineid, samamoodi nagu kaks muidu põnevat paati muidu rahulikul järvel tekitavad veelaineid. Ja kui sellised gravitatsioonilised lained pulbitsevad väljapoole, laieneb ruum nende kokkutõmbumisel ja tõmbub kokku mõnevõrra nagu taignapall, mida vahelduvalt venitatakse ja kokkusurutakse.

1990-ndate alguses algatas MIT-i ja Caltechi teadlaste juhitud meeskond uurimisprogrammi gravitatsioonilainete tuvastamiseks. Väljakutse ja see on suur, on see, et kui tormakas astrofüüsikaline kohtumine toimub kaugel, on selleks ajaks Maa läbi pestud ruumilised lainemised levinud nii laialt, et need fantastiliselt lahjenevad, võib-olla venitavad ja suruvad ruumi kokku ainult murdosa aatomituumast.

Sellegipoolest on teadlased välja töötanud tehnoloogia, mis lihtsalt võib-olla suudab näha Maakera veeremisel kosmosekangas pisikesi märgumärke kosmosekangas. 2001. aastal võeti Louisiana osariigis Livingstonis ja Hanfordis kasutusele kaks nelja kilomeetri pikkust L-kujulist seadet, ühiselt tuntud kui LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Strateegia on see, et mööduv gravitatsiooniline laine sirutab ja surub vaheldumisi kummagi L kahte õlavarre, jättes jälje laservalgusele, mis võistleb kummagi õla üles ja alla.

2010. aastal likvideeriti LIGO enne gravitatsiooniliste lainete signatuuride tuvastamist - aparaadil puudus peaaegu kindlasti tundlikkus, mis on vajalik pisikeste tõmblemiste registreerimiseks, mille põhjustas gravitatsiooniline laine Maale. Kuid nüüd rakendatakse LIGO täiustatud versiooni, mis on eeldatavasti kümme korda tundlikum. Uurijad arvavad, et mõne aasta jooksul on kaugetest kosmilistest häiretest põhjustatud kosmose avastamine tavaline.

Edu oleks põnev mitte seetõttu, et keegi tõesti üldises relatiivsuses kahtleks, vaid seetõttu, et teooria ja vaatluse kinnitatud seosed võivad anda uusi jõulisi rakendusi. Näiteks 1919. aasta eclipse mõõtmised, mis kinnitasid, et gravitatsioon painutab valguse trajektoori, on inspireerinud edukat tehnikat, mida nüüd kasutatakse kaugete planeetide leidmiseks. Kui sellised planeedid mööduvad oma hosttähtede ees, fokuseerivad nad tähe valgust pisut, põhjustades heleduse ja tuhmuse mustri, mida astronoomid saavad tuvastada. Sarnane tehnika on ka astronoomidel võimaldanud mõõta konkreetsete galaktikate massi, jälgides, kui tugevalt nad moonutavad veelgi kaugemate allikate kiirgava valguse trajektoori. Teine, tuttavam näide on globaalne positsioneerimissüsteem, mis tugineb Einsteini avastusele, et gravitatsioon mõjutab aja möödumist. GPS-seade määrab oma asukoha, mõõtes erinevatelt orbiidil olevatelt satelliitidelt saadud signaalide reisiaega. Kui ei võeta arvesse gravitatsiooni mõju satelliitidele kulunud ajale, ei suudaks GPS-süsteem õigesti määrata objekti, sealhulgas teie auto või juhitava raketi asukohta.

Füüsikud usuvad, et gravitatsioonilainete tuvastamine on võimeline genereerima omaenda rakenduse, millel on sügav tähtsus: uus lähenemisviis vaatlusastronoomiale.

Galileo ajast alates oleme teleskoope taeva poole pööranud, et koguda kaugetest objektidest kiirgavaid valguslaineid. Astronoomia järgmine etapp võib väga hästi keskenduda kaugete kosmiliste murrangute tekitatud gravitatsioonilainete kogumisele, mis võimaldab meil universumit proovida täiesti uuel viisil. See on eriti põnev, kuna valguselained ei pääsenud ruumi, mis täitis ruumi, alles mõnesaja tuhande aasta möödumisel Suurest Paugust, kuid raskuse lained võisid. Ühel päeval võime seega kasutada gravitatsiooni, mitte valgust, oma kõige läbitungivama sondina universumi varaseimate hetkede suhtes.

Kuna gravitatsioonilained rändavad kosmosest mõnevõrra kui õhu kaudu levivad helilained, räägivad teadlased gravitatsioonisignaalide kuulamisest. Seda metafoori aktsepteerides on imeline ette kujutada, et üldrelatiivsusteooria teine ​​sajandal aastal võib füüsikute jaoks olla pidulik tähistada loomingu helide lõplikku kuulmist.

Toimetajate märkus, 29. september 2015: Selle artikli varasem versioon kirjeldas ebatäpselt, kuidas GPS-süsteemid töötavad. Teksti on vastavalt muudetud.