Για 100 χρόνια, η γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein επέζησε σχεδόν για κάθε δοκιμασία που οι φυσικοί το έριξαν. Ανακοινώθηκε τον Νοέμβριο του 1915, οι εξισώσεις πεδίου των διάσημων επιστημόνων επεκτάθηκαν στους μακροχρόνιους νόμους του Isaac Newton επαναπροσδιορίζοντας τη βαρύτητα ως στρέβλωση στο ύφασμα του χώρου και του χρόνου αντί για μια απλή δύναμη μεταξύ αντικειμένων.
σχετικό περιεχόμενο
- Μετά από έναν αιώνα αναζήτησης, εντοπίσαμε τελικά κύματα βαρύτητας
- Πέντε πράγματα που πρέπει να γνωρίζετε για τα κύματα βαρύτητας
- Γιατί ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, η ιδιοφυία πίσω από τη θεωρία της σχετικότητας, αγάπησε το σωλήνα του
- Πέντε Πρακτικές χρήσεις για την "Spooky" Κβαντομηχανική
Τα αποτελέσματα της χρήσης των εξισώσεων γενικής σχετικότητας φαίνονται όμοια με αυτά που παίρνετε χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά του Νεύτωνα, αρκεί οι εμπλεκόμενες μάζες να μην είναι πολύ μεγάλες και οι ταχύτητες να είναι σχετικά μικρές σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός. Αλλά η ιδέα ήταν μια επανάσταση για τη φυσική.
Ο διαστρεβλωμένος χώρος-χρόνος σημαίνει ότι το ίδιο το φως επηρεάζεται πολύ περισσότερο από τη βαρύτητα από ότι προέβλεπε ο Newton. Σημαίνει επίσης ότι οι πλανήτες κινούνται γύρω από τις τροχιές τους με ελαφρώς αλλοιωμένο αλλά πολύ σημαντικό τρόπο και προβλέπουν την ύπαρξη εξωτικών αντικειμένων όπως οι μαύρες τρύπες και οι σκουληκότρυπες.
Η γενική σχετικότητα δεν είναι τέλεια - οι κανόνες της βαρύτητας του Αϊνστάιν φαίνονται να καταρρέουν όταν τις εφαρμόζετε στους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, οι οποίοι βασίζονται σε υποατομικές κλίμακες. Αυτό αφήνει πολλά εντυπωσιακά κενά στην κατανόηση του σύμπαντος. Ακόμα και σήμερα, οι επιστήμονες πιέζουν τα όρια για να δουν πόσο μακριά μπορεί να μας πάρει η σχετικότητα. Εν τω μεταξύ, εδώ είναι μερικοί από τους τρόπους που βλέπουμε σταθερά τη σχετικότητα στη δράση:
Η τροχιά του υδραργύρου
Το διαστημικό σκάφος MESSENGER, το πρώτο στην τροχιά του Ερμή, κατέλαβε αυτήν την ψευδώς έγχρωμη όψη του μικροσκοπικού πλανήτη για να δείξει χημικές, ορυκτολογικές και φυσικές διαφορές στην επιφάνεια του. (Ινστιτούτο NASA / JHUAPL / Carnegie) Πίσω στον 19ο αιώνα, ο αστρονόμος Urbain LeVerrier παρατήρησε ένα πρόβλημα με την τροχιά του Ερμή. Οι πλανητικές τροχιές δεν είναι κυκλικές, είναι ελλείψεις, πράγμα που σημαίνει ότι οι πλανήτες μπορούν να είναι πιο κοντά ή μακρύτερα από τον ήλιο και από κάθε άλλο καθώς κινούνται μέσα από το ηλιακό σύστημα. Καθώς οι πλανήτες ρυμουλκούνται ο ένας στον άλλο, τα σημεία προσέγγισής τους κινούνται με έναν προβλέψιμο τρόπο, μια διαδικασία που ονομάζεται μετακόμιση.
Αλλά ακόμα και αφού καταγράψαμε τις επιδράσεις όλων των άλλων πλανητών, ο Ερμής φαίνεται να προχωρεί σε ένα teeny λίγο περισσότερο από ό, τι θα έπρεπε κάθε αιώνα. Αρχικά οι αστρονόμοι πίστευαν ότι ένας άλλος, αόρατος πλανήτης που ονομάζεται Vulcan πρέπει να βρίσκεται μέσα στην τροχιά του Ερμή, προσθέτοντας την βαρυτική έλξη του στο μίγμα.
Αλλά ο Αϊνστάιν χρησιμοποίησε τις εξισώσεις γενικής σχετικότητας για να δείξει ότι δεν χρειάζεται μυστήριο πλανήτης. Ο υδράργυρος, που βρίσκεται πλησιέστερα στον ήλιο, απλώς επηρεάζεται περισσότερο από τον τρόπο που ο μαζικός μας αστερίσκος καμπυλώνει τον ιστό του χωροχρόνου, κάτι που η Νευτώνεια φυσική δεν είχε υπόψη του.
Φως κάμψης
Εικόνα της ηλιακής έκλειψης που παρουσιάστηκε στις 29 Μαΐου 1919. («Προσδιορισμός της εκτροπής του φωτός από το βαρυτικό πεδίο του ήλιου, από παρατηρήσεις που έγιναν στη συνολική έκλειψη της 29ης Μαΐου 1919» Φιλοσοφικές συναλλαγές της βασιλικής κοινωνίας του Λονδίνου, Σειρά Α) Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, το φως που κινείται μέσα από το χώρο-χρόνος των υφασμάτων πρέπει να ακολουθεί τις καμπύλες του υφάσματος. Αυτό σημαίνει ότι το φως που κινείται γύρω από μαζικά αντικείμενα πρέπει να λυγίσει γύρω τους. Όταν ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τα γενικά του έγγραφα σχετικότητας, δεν ήταν σαφές πώς να παρατηρήσουμε αυτή την παραμόρφωση, αφού το προβλεπόμενο αποτέλεσμα είναι μικρό.
Ο Βρετανός αστρονόμος Arthur Eddington έπληξε μια ιδέα: κοιτάξτε τα αστέρια κοντά στην άκρη του ήλιου κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης. Με την αντανάκλαση του ήλιου που αποκλείστηκε από το φεγγάρι, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να δουν αν η εμφανής θέση ενός αστέρα άλλαζε καθώς η βαρύτητα του μαζικού ήλιου λυγίζει το φως. Οι επιστήμονες έκαναν παρατηρήσεις από δύο τοποθεσίες: μία στην ανατολική Βραζιλία και μία στην Αφρική.
Σίγουρα, η ομάδα του Eddington είδε τον εκτοπισμό κατά τη διάρκεια της έκλειψης του 1919 και οι τίτλοι των εφημερίδων τράβηξαν στον κόσμο ότι ο Αϊνστάιν είχε δίκιο. Τα τελευταία χρόνια, οι νέες εξετάσεις των δεδομένων έδειξαν ότι με τα σύγχρονα πρότυπα το πείραμα ήταν λανθασμένο - υπήρχαν προβλήματα με τις φωτογραφικές πλάκες και η ακρίβεια που ήταν διαθέσιμη το 1919 δεν ήταν αρκετά καλή για να δείξει τη σωστή εκτροπή στις μετρήσεις απο την Βραζιλία. Αλλά τα επακόλουθα πειράματα έχουν δείξει ότι το αποτέλεσμα είναι εκεί, και δεδομένης της απουσίας σύγχρονου εξοπλισμού, το έργο ήταν αρκετά σταθερό.
Σήμερα οι αστρονόμοι που χρησιμοποιούν ισχυρά τηλεσκόπια μπορούν να δουν το φως από τους μακρινούς γαλαξίες να κάμπτεται και να μεγεθύνεται από άλλους γαλαξίες, ένα φαινόμενο που τώρα ονομάζεται βαρυτικός φακός. Αυτό το ίδιο εργαλείο χρησιμοποιείται σήμερα για την εκτίμηση των μαζών των γαλαξιών, για την αναζήτηση σκοτεινής ύλης και ακόμη και για την αναζήτηση πλανητών που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια.
Μαύρες τρύπες
Το διαστημικό τηλεσκόπιο Chandra της NASA είδε τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας, ο οποίος ονομάζεται Τοξότης A *, να απελευθερώσει μια εξαιρετικά έντονη έκρηξη ακτίνων Χ τον Ιανουάριο. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard et αϊ) Ίσως η πιο θεαματική πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας είναι η ύπαρξη μαύρων οπών, αντικειμένων τόσο τεράστιων που ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από την βαρυτική έλξη τους. Η ιδέα, ωστόσο, δεν ήταν νέα. Το 1784, ένας αγγλικός επιστήμονας που ονομάστηκε John Mitchell το παρουσίασε στις συναντήσεις της Βασιλικής Εταιρείας, και το 1799 ο Pierre-Simon LaPlace, γαλλικός μαθηματικός, έφτασε στην ίδια έννοια και έγραψε μια αυστηρότερη μαθηματική απόδειξη. Ακόμα κι έτσι, κανείς δεν είχε παρατηρήσει τίποτα σαν μια μαύρη τρύπα. Επιπλέον, τα πειράματα του 1799 και μετά φαινόταν να δείχνουν ότι το φως πρέπει να είναι κύμα και όχι σωματίδιο, οπότε δεν θα επηρεαστεί από την βαρύτητα με τον ίδιο τρόπο, αν υπάρχει καθόλου.
Εισάγετε τον Einstein. Εάν η βαρύτητα στην πραγματικότητα οφείλεται σε μια καμπυλότητα του χωροχρόνου, τότε θα μπορούσε να επηρεάσει το φως. Το 1916 ο Karl Schwarzschild χρησιμοποίησε τις εξισώσεις του Einstein για να δείξει ότι όχι μόνο θα μπορούσαν να υπάρχουν μαύρες τρύπες, αλλά ότι το προκύπτον αντικείμενο ήταν σχεδόν το ίδιο με το LaPlace. Ο Schwarzschild εισήγαγε επίσης την έννοια του ορίζοντα γεγονότος, επιφάνειας από την οποία δεν μπορούσε να διαφύγει κάποιο υλικό αντικείμενο.
Αν και τα μαθηματικά του Schwarzschild ήταν υγιή, χρειάστηκαν δεκαετίες για να παρατηρηθούν από τους αστρονόμους οι υποψήφιοι - Cygnus X-1, μια ισχυρή πηγή ακτίνων Χ, έγινε το πρώτο αντικείμενο ευρέως αποδεκτό ως μαύρη τρύπα στη δεκαετία του 1970. Τώρα οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι κάθε γαλαξίας έχει μια μαύρη τρύπα στον πυρήνα της - ακόμη και τη δική μας. Οι αστρονόμοι παρακολούθησαν προσεκτικά τις τροχιές των αστεριών γύρω από μια άλλη φωτεινή πηγή ακτίνων Χ στο κέντρο του Γαλαξία, τον Τοξότη A *, και διαπίστωσαν ότι το σύστημα συμπεριφέρεται σαν μια εξαιρετικά μαζική μαύρη τρύπα.
"Για συστήματα όπως το Cygnus X-1 ή ο Τοξότης A *, μπορούμε να μετρήσουμε τη μάζα και την ακτίνα του συμπαγούς αντικειμένου και απλά δεν μπορούμε να καταλάβουμε οποιοδήποτε άλλο αστροφυσικό αντικείμενο που θα έχει τις ίδιες παρατηρητικές ιδιότητες», λέει ο Paul M, Sutter, αστροφυσικός και φιλοξενούμενος μελετητής στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο.
Σκοποβολή της Σελήνης
Μέρος από ένα σεληνιακό πείραμα που εκτείνεται σε φεγγάρι από τον Απόλλωνα 15. (NASA) Για να σχεδιάσει τη γενική θεωρία της σχετικότητας, ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι οι επιδράσεις της βαρύτητας και των επιδράσεων της επιτάχυνσης προκαλούνται και οι δύο από την καμπυλότητα του χωροχρόνου και ότι η βαρυτική δύναμη που βιώνει κάποιος που στέκεται πάνω σε ένα μαζικό αντικείμενο θα είναι παρόμοιο με το αποτέλεσμα που βιώνει κάποιος επιταχύνοντας μακριά, ας πούμε, κάνοντας ιππασία σε έναν πυραύλο.
Αυτό σημαίνει ότι οι νόμοι της φυσικής, όπως μετρούνται σε ένα εργαστήριο, θα φαίνονται πάντα ίδιοι, ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα το εργαστήριο κινείται ή όπου βρίσκεται στο διάστημα. Επίσης, εάν βάλετε ένα αντικείμενο σε ένα πεδίο βαρύτητας, η κίνηση του θα εξαρτηθεί μόνο από την αρχική του θέση και την ταχύτητά του. Αυτή η δεύτερη δήλωση είναι σημαντική γιατί υποδηλώνει ότι η έλξη της βαρύτητας του ήλιου στη Γη και το φεγγάρι θα πρέπει να είναι πολύ σταθερή - αλλιώς, ποιος θα μπορούσε να προκύψει αν ο πλανήτης μας και το φεγγάρι «πέσουν» προς τον ήλιο με διαφορετικούς ρυθμούς.
Στη δεκαετία του 1960, οι αποστολές Apollo και οι σοβιετικοί σεληνιακοί ανιχνευτές εγκαθιστούσαν ανακλαστήρες στο φεγγάρι και οι επιστήμονες στη Γη πυροβολούσαν ακτίνες λέιζερ σε αυτά για να τρέξουν μια σειρά επιστημονικών πειραμάτων, συμπεριλαμβανομένης της μέτρησης της απόστασης μεταξύ της Γης και του φεγγαριού και των σχετικών κινήσεων τους γύρω από τον ήλιο. Ένα από τα μαθήματα αυτής της σεληνιακής εύρεσης ήταν ότι η Γη και το φεγγάρι πέφτουν πράγματι προς τον ήλιο με τον ίδιο ρυθμό, όπως προβλέπει η γενική σχετικότητα.
Σύρετε το διάστημα
Ένα σύνθετο σχέδιο του δορυφόρου Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Πανεπιστήμιο του Stanford και Lockheed Martin Corporation) Στις περισσότερες περιγραφές της γενικής σχετικότητας, οι άνθρωποι φαντάζονται τη Γη ως σφαίρα μπόουλινγκ αναρτημένη σε ένα κομμάτι ύφασμα, γνωστό και ως χώρος-χρόνος. Η μπάλα προκαλεί στρέβλωση του υφάσματος σε κατάθλιψη. Αλλά από τη στιγμή που η Γη περιστρέφεται, η γενική σχετικότητα λέει ότι η κατάθλιψη θα πρέπει να στρεβλώνει και να στρεβλώνει καθώς η μπάλα γυρίζει.
Ένα διαστημικό σκάφος που ονομάζεται Gravity Probe B, που ξεκίνησε το 2004, πέρασε ένα χρόνο μετρώντας την καμπυλότητα του χωροχρόνου γύρω από τη Γη. Βρήκε κάποια στοιχεία για τη σύρραξη των πλαισίων ή τη Γη που σέρνει τον κοσμικό ιστό μαζί του καθώς περιστρέφεται, συμβάλλοντας στην επικύρωση της εικόνας της βαρύτητας του Αϊνστάιν.
Χρονικά διαστήματα
Δύο τεράστιοι παλμογράφοι που περιστρέφονται γύρω από τον άλλο θα δημιουργούσαν αρκετές διαταραχές στον ιστό του χωροχρόνου για να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα που θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε στη Γη. (NASA) Μια άλλη συνέπεια των αντικειμένων που κινούνται μέσα από το χωροχρόνο είναι ότι μερικές φορές θα δημιουργήσουν κυματισμούς και κύματα στο ύφασμα, παρόμοια με το πέρασμα ενός πλοίου. Αυτά τα κύματα βαρύτητας θα τεντώσουν το χωροχρόνο με τρόπους που θεωρητικά είναι παρατηρήσιμοι. Για παράδειγμα, μερικά πειράματα λάμπουν μια ακτίνα λέιζερ μεταξύ δύο σετ κατόπτρων και το χρόνο που διαρκεί για να αναπηδήσει η δέσμη μεταξύ τους. Εάν ένα κύμα διαστήματος-χρόνου περνάει μέσα από τη Γη, αυτοί οι ανιχνευτές θα πρέπει να δουν μια μικροσκοπική επιμήκυνση και συστολή της δέσμης, η οποία θα εμφανιστεί ως πρότυπο παρεμβολής.
Μέχρι στιγμής, τα βαρυτικά κύματα είναι μια από τις τελευταίες σημαντικές προβλέψεις της γενικής σχετικότητας που δεν έχουν ακόμη δει, αν και υπάρχουν φήμες για ανίχνευση σε μια εγκατάσταση στις ΗΠΑ. Υπάρχουν όμως κάποιες έμμεσες αποδείξεις. Οι πάλσαρ είναι νεκρά αστέρια που πακετάρουν πολλές φορές τη μάζα του ήλιου σε ένα χώρο με το μέγεθος του Μανχάταν. Παρατηρήσεις δύο πάλσαρ που περιστρέφονται γύρω από την άλλη παρέχουν μερικές συμβουλές ότι τα κύματα βαρύτητας είναι πραγματικά.
"Η τροχιακή περίοδος του πρώτου δυαδικού pulsar έχει παρατηρηθεί ότι αποσυντίθεται με την πάροδο του χρόνου κατά περίπου 0, 0001 δευτερόλεπτα ετησίως", λέει ο φυσικός Alan Kostelecky του Πανεπιστημίου της Ιντιάνα. "Ο ρυθμός αποσύνθεσης ταιριάζει με την απώλεια ενέργειας λόγω της βαρυτικής ακτινοβολίας που προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα".
GPS
Η απόδοση του καλλιτέχνη δείχνει δορυφόρο GPS-IIRM σε τροχιά. (Εθνική Εκτελεστική Επιτροπή των ΗΠΑ για την τοποθέτηση, τη ναυσιπλοΐα και το χρονισμό) Τα συστήματα παγκόσμιας εντοπισμού θέσης δεν είναι ακριβώς μια δοκιμασία της σχετικότητας, αλλά στηρίζονται απολύτως σε αυτήν. Το GPS χρησιμοποιεί ένα δίκτυο περιστρεφόμενων δορυφόρων, το οποίο μεταδίδει σήματα σε κινητά τηλέφωνα και ενοικιαζόμενα αυτοκίνητα σε όλο τον πλανήτη. Για να πάρουν μια θέση, οι δορυφόροι αυτοί πρέπει να γνωρίζουν πού και πότε είναι, έτσι ώστε να κρατούν τις μετρήσεις χρόνου με ακρίβεια των δισεκατομμυρίων του δευτερολέπτου.
Αλλά οι δορυφόροι περνούν 12.550 μίλια πάνω από τα κεφάλια μας, όπου αισθάνονται λιγότερο από την βαρυτική έλξη του πλανήτη από τους ανθρώπους στο έδαφος. Με βάση τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, που λέει ότι ο χρόνος περνάει διαφορετικά για τους παρατηρητές που κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες, τα δορυφορικά ρολόγια τσιμπηδεύουν λίγο πιο αργά από το ρολόι σε έναν ταξιδιώτη με γη.
Ωστόσο, η γενική σχετικότητα βοηθά στην εξουδετέρωση αυτής της επίδρασης, επειδή η βαρύτητα κοντά στην επιφάνεια της Γης επιβραδύνει τους κροταλισμούς ενός ρολογιού σε σύγκριση με την επιβάρυνση του δορυφορικού επιταχυντή. Εάν δεν υπάρχει αυτό το σχετικιστικό σύνθετο, τα ρολόγια GPS θα είναι εκτός λειτουργίας κατά περίπου 38 μικροδευτερόλεπτα την ημέρα. Αυτό μπορεί να ακούγεται σαν ένα μικρό σφάλμα, αλλά το GPS απαιτεί τόσο μεγάλη ακρίβεια ώστε η ασυμφωνία να κάνει την χαρτογραφημένη σας θέση αισθητά λάθος σε λίγες ώρες.
