https://frosthead.com

Șapte moduri simple despre care știm că Einstein avea dreptate (deocamdată)

Timp de 100 de ani, teoria generală a relativității lui Albert Einstein a supraviețuit aproape la fiecare test pe care fizicienii l-au aruncat. Anunțată în noiembrie 1915, ecuațiile faimosului om de știință s-au extins pe legile îndelungate ale lui Isaac Newton, prin re-imaginați gravitația ca o deformare a țesăturii spațiului și a timpului, mai degrabă decât o simplă forță între obiecte.

Continut Asemanator

  • După un secol de căutare, am detectat în sfârșit valurile gravitaționale
  • Cinci lucruri de știut despre valurile gravitaționale
  • De ce Albert Einstein, geniul din spatele teoriei relativității, i-a iubit conducta
  • Cinci utilizări practice pentru mecanica cuantică „Spooky”

Rezultatele utilizării ecuațiilor de relativitate generală arată de fapt similar cu ceea ce obțineți folosind matematica lui Newton, atât timp cât masele implicate nu sunt prea mari și viteza este relativ mică în comparație cu viteza luminii. Dar conceptul a fost o revoluție pentru fizică.

Spațiul-timp distorsionat înseamnă că lumina însăși este afectată de gravitate mult mai puternic decât a prezis Newton. Înseamnă, de asemenea, că planetele se deplasează pe orbitele lor într-un mod ușor alterat, dar foarte semnificativ și prezice existența unor obiecte exotice, cum ar fi găurile negre monstru și găurile de vierme.

Relativitatea generală nu este perfectă - regulile gravitației lui Einstein par să se descompună atunci când le aplici regulilor mecanicii cuantice, care domnesc la scări subatomice. Acest lucru lasă o mulțime de lacune tentante în înțelegerea noastră despre univers. Chiar și astăzi, oamenii de știință împing limitele pentru a vedea cât de mult ne poate duce relativitatea. Între timp, iată câteva dintre modurile în care observăm constant relativitatea în acțiune:

Orbita lui Mercur

PIA16853.jpg Nava spațială MESSENGER, prima care a orbitat pe Mercur, a surprins această vedere falsă a culorii planetei minuscule pentru a arăta diferențe chimice, mineralogice și fizice pe suprafața sa. (NASA / JHUAPL / Instituția Carnegie)

În secolul 19, astronomul Urbain LeVerrier a observat o problemă cu orbita lui Mercur. Orbitele planetare nu sunt circulare, ci sunt elipse, ceea ce înseamnă că planetele pot fi mai aproape sau mai îndepărtate de soare și unul de celălalt pe măsură ce se deplasează prin sistemul solar. Pe măsură ce planetele se aruncă reciproc, punctele lor de abordare cea mai apropiată se mișcă într-o manieră previzibilă, un proces numit precesie.

Dar chiar și după ce a contabilizat efectele tuturor celorlalte planete, Mercur părea să precesioneze un pic mai îndepărtat decât ar trebui în fiecare secol. La început, astronomii au crezut că o altă planetă, nevăzută, numită Vulcan, trebuie să se afle în interiorul orbitei lui Mercur, adăugându-i atracția gravitațională la amestec.

Dar Einstein a folosit ecuațiile relativității generale pentru a arăta că nu era nevoie de o planetă misterioasă. Mercur, fiind cel mai apropiat de soare, este pur și simplu mai afectat de felul în care steaua noastră masivă curbește țesătura spațiului-timp, ceea ce fizica newtoniană nu a ținut cont.

Lumina de îndoire

1919eclipse.jpg O imagine a eclipsei solare văzută pe 29 mai 1919. ("O determinare a devierii luminii de câmpul gravitațional al Soarelui, din observațiile făcute la Eclipsa totală din 29 mai 1919" Tranzacții filozofice ale Royal Society of London, Seria A)

Conform relativității generale, lumina care se deplasează prin țesătură spațiu-timp ar trebui să urmeze curbele țesăturii respective. Asta înseamnă că lumina care se mișcă în jurul obiectelor masive ar trebui să se aplece în jurul lor. Când Einstein a publicat lucrările sale de relativitate generală, nu a fost clar cum să observăm această denaturare, deoarece efectul prevăzut este mic.

Astronomul britanic Arthur Eddington s-a lovit de o idee: priviți stelele de lângă marginea soarelui în timpul unei eclipse solare. Cu strălucirea soarelui blocată de lună, astronomii au putut vedea dacă poziția aparentă a unei stele a fost schimbată pe măsură ce gravitația masivă a soarelui își îndoaie lumina. Oamenii de știință au făcut observații din două locații: una din estul Braziliei și una din Africa.

Destul de sigur, echipa lui Eddington a văzut deplasarea în timpul unei eclipse din 1919, iar titlurile ziarului au trâmbițat lumii că Einstein avea dreptate. În ultimii ani, noile examinări ale datelor au arătat că, conform standardelor moderne, experimentul a fost defectuos - au existat probleme cu plăcile fotografice, iar precizia disponibilă în 1919 nu a fost suficient de bună pentru a arăta cantitatea corectă de deviere în măsurători. din Brazilia. Dar experimentele ulterioare au arătat că efectul este acolo și, având în vedere absența echipamentului modern, munca a fost suficient de solidă.

Astăzi, astronomii care folosesc telescoape puternice pot vedea lumina din galaxiile îndepărtate fiind îndoită și mărită de alte galaxii, efect numit acum lentila gravitațională. Aceeași unealtă este folosită în prezent pentru a estima masele galaxiilor, pentru a căuta materie întunecată și chiar pentru a căuta planete care orbitează alte stele.

Găuri negre

sgra_lg.jpg Telescopul spațial Chandra al NASA a văzut gaura neagră din centrul galaxiei noastre, numită Săgetătorul A *, eliberând o explozie strălucitoare de raze X în ianuarie. (NASA / CXC / Colegiul Amherst / D.Haggard et al)

Poate cea mai spectaculoasă predicție a relativității generale este existența găurilor negre, obiecte atât de masive încât nici măcar lumina nu ar putea scăpa de atracția lor gravitațională. Ideea nu a fost însă nouă. În 1784, un om de știință englez pe nume John Mitchell l-a prezentat la întâlnirile Royal Society, iar în 1799, Pierre-Simon LaPlace, matematician francez, a ajuns la același concept și a scris o dovadă matematică mai riguroasă. Chiar și așa, nimeni nu a observat ceva ca o gaură neagră. În plus, experimentele din 1799 și ulterior păreau să arate că lumina trebuie să fie mai degrabă o undă decât o particulă, așa că nu ar fi afectată de gravitație în același mod, chiar dacă.

Intrați pe Einstein. Dacă gravitația se datorează de fapt unei curburi a spațiului-timp, atunci aceasta ar putea afecta lumina. În 1916, Karl Schwarzschild a folosit ecuațiile lui Einstein pentru a arăta că nu numai că pot exista găuri negre, dar că obiectul rezultat a fost aproape același cu cel al lui LaPlace. Schwarzschild a introdus, de asemenea, conceptul de orizont de eveniment, o suprafață din care nu a putut scăpa niciun obiect material.

Deși matematica lui Schwarzschild era solidă, astronomii au avut nevoie de zeci de ani pentru a observa orice candidați - Cygnus X-1, o sursă puternică de raze X, a devenit primul obiect larg acceptat ca o gaură neagră în anii '70. Acum, astronomii cred că fiecare galaxie are o gaură neagră în miezul său - chiar și al nostru. Astronomii au urmărit cu atenție orbitele stelelor din jurul altei surse de raze X strălucitoare din centrul Căii Lactee, Săgetătorul A * și au descoperit că sistemul se comportă ca o gaură neagră extrem de masivă.

"Pentru sisteme precum Cygnus X-1 sau Sagetatorul A *, putem măsura masa și raza obiectului compact și pur și simplu nu ne putem da seama de niciun alt obiect astrofizic care să aibă aceleași proprietăți de observație", spune Paul M Sutter, astrofizician și savant în vizită la Ohio State University.

Împușcarea Lunii

ALSEP_AS15-85-11468.jpg O parte dintr-un experiment lunar cu laser lăsat pe Lună de Apollo 15. (NASA)

În elaborarea teoriei sale generale despre relativitate, Einstein și-a dat seama că efectele gravitației și efectele accelerației sunt cauzate de ambele curbură ale spațiului-timp și că forța gravitațională experimentată de cineva care stă pe un obiect masiv ar fi asemănătoare cu efectul experimentat de cineva care se accelerează, să zicem, călărind pe o rachetă.

Aceasta înseamnă că legile fizicii măsurate într-un laborator vor arăta mereu la fel, cât de repede se mișcă laboratorul sau unde se află în spațiu-timp. De asemenea, dacă așezați un obiect într-un câmp gravitațional, mișcarea lui va depinde doar de poziția inițială și de viteza sa. A doua afirmație este importantă, deoarece implică faptul că gravitatea soarelui de pe Pământ și Lună ar trebui să fie foarte stabilă - în caz contrar, cine știe ce probleme ar putea întâmpina dacă planeta noastră și luna „ar cădea” spre soare, în ritmuri diferite.

În anii 1960, misiunile Apollo și sondele lunare sovietice au creat reflectoare pe Lună, iar oamenii de știință de pe Pământ au tras raze laser asupra lor pentru a efectua o serie de experimente științifice, inclusiv măsurarea distanței dintre Pământ și Lună și mișcările lor relative. în jurul soarelui. Una dintre lecțiile din această constatare lunară a intervalului a fost că Pământul și Luna cad într-adevăr către Soare în același ritm, așa cum prevede relativitatea generală.

Tragerea spațiului

162798main_gpb_real_model.jpg Un desen compozit din satelitul Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Universitatea Stanford și Lockheed Martin Corporation)

În majoritatea descrierilor relativității generale, oamenii își imaginează Pământul ca o minge de bowling suspendată pe o bucată de țesătură, denumită spațiu-timp. Mingea face ca materialul să denatureze o depresiune. Dar, deoarece Pământul se rotește, relativitatea generală spune că depresia ar trebui să se răsucească și să distorsioneze pe măsură ce mingea se învârte.

O navă spațială numită Gravity Probe B, lansată în 2004, a petrecut un an măsurând curbura spațiului-timp în jurul Pământului. A găsit câteva dovezi pentru glisarea cadrelor sau Pământul trăgând țesătura cosmică cu ea în timp ce se rotește, ajutând la validarea imaginii gravitaționale a lui Einstein.

Ripple-spațiu-timp

681325main_gravitational-waves.jpg Două pulsaere masive care se învârt în jurul celuilalt ar crea o perturbare suficientă în materialul spațiu-timp pentru a genera valuri gravitaționale pe care ar trebui să le putem detecta pe Pământ. (NASA)

O altă consecință a obiectelor care se deplasează prin spațiu-timp este că uneori vor crea ondulări și valuri în țesătură, asemănătoare cu așteptarea unei nave. Aceste unde gravitaționale s-ar întinde spațiu-timp în moduri care teoretic sunt observabile. De exemplu, unele experimente strălucesc un fascicul laser între două seturi de oglinzi și timpul cât durează fasciculul pentru a sări între ele. Dacă o ondulare spațio-temporală trece prin Pământ, astfel de detectori ar trebui să vadă o prelungire și o contracție minusculă a fasciculului, care ar apărea ca un model de interferență.

Până în prezent, undele gravitaționale sunt una dintre ultimele predicții majore ale relativității generale care încă nu au fost văzute, deși există zvonuri despre o detectare la o instalație din SUA, dar există unele dovezi indirecte. Pulsars sunt stele moarte care împachetează de multe ori masa soarelui într-un spațiu de dimensiunea Manhattanului. Observațiile a două pulsars care se orbitează reciproc oferă câteva indicii că undele gravitaționale sunt reale.

„S-a observat că perioada orbitală a primului pulsar binar a scăzut în timp cu aproximativ 0, 0001 de secunde pe an”, spune fizicianul Alan Kostelecky, de la Universitatea Indiana. "Rata de degradare se potrivește cu pierderea de energie datorată radiațiilor gravitaționale care este prevăzută de relativitatea generală."

GPS

GPS-IIRM.jpg Redarea unui artist arată un satelit GPS-IIRM pe orbită. (Comitetul Executiv Național al SUA pentru poziționare, navigație și sincronizare spațială)

Sistemele de poziționare globală nu sunt tocmai un test al relativității, dar se bazează absolut pe acesta. GPS folosește o rețea de sateliți orbitanți, care transmit semnale către telefoane și mașini închiriate de pe toată planeta. Pentru a obține o poziție, acești sateliți trebuie să știe unde și când sunt, astfel încât să mențină măsurările de timp până la o precizie de miliarde de secunde.

Dar sateliții se învârt cu 12.550 de mile deasupra capului nostru, unde se simt mai puțin din atracția gravitațională a planetei decât oamenii de pe sol. Bazat pe teoria relativității speciale a lui Einstein, care spune că timpul trece diferit pentru observatorii care se deplasează cu viteze diferite, ceasurile de satelit bifează un pic mai încet decât ceasul unui călător care se află la sol.

Cu toate acestea, relativitatea generală ajută la anularea acestui efect, deoarece gravitația aproape de suprafața Pământului încetinește căpușele unui ceas în comparație cu viteza satelitului deasupra capului. În absența acestei combo relativiste, ceasurile GPS ar fi oprite cu aproximativ 38 de microsecunde pe zi. Acest lucru poate părea o mică eroare, dar GPS-ul necesită o precizie atât de mare încât discrepanța ar face ca locația dvs. mapată să fie vizibil greșită în câteva ore.

Șapte moduri simple despre care știm că Einstein avea dreptate (deocamdată)