100 godina, opća teorija relativnosti Alberta Einsteina preživjela je gotovo svaki test koji su fizičari bacili na njega. Najavljene u studenom 1915., terenske jednadžbe slavnog znanstvenika proširile su se na dugogodišnje zakone Isaaca Newtona iznova zamišljajući gravitaciju kao izvijanje u tkivu prostora i vremena, a ne kao jednostavnu silu između predmeta.
Povezani sadržaj
- Nakon stoljeća pretraživanja, konačno smo otkrili gravitacijske valove
- Pet stvari koje treba znati o gravitacijskim valovima
- Zašto je Albert Einstein, genij koji stoji iza teorije relativnosti, volio svoju cijev
- Pet praktičnih primjena za "Spooky" kvantnu mehaniku
Rezultati korištenja jednadžbi opće relativnosti zapravo izgledaju slično onome što dobivate Newtonovom matematikom, sve dok uključene mase nisu prevelike, a brzine relativno male u odnosu na brzinu svjetlosti. Ali koncept je bio revolucija za fiziku.
Izkrivljeni prostor-vrijeme znači da sama svjetlost utječe na gravitaciju mnogo snažnije nego što je Newton predvidio. To također znači da se planeti kreću oko svoje orbite na pomalo izmijenjen, ali vrlo značajan način, a predviđa postojanje egzotičnih objekata poput crno-ružnih čudovišta i crvotočina.
Opća relativnost nije savršena - izgleda da se Einsteinova gravitacija ruši kada ih primijenite na pravila kvantne mehanike koja vladaju na subatomskim mjerilima. To ostavlja puno mučnih praznina u našem razumijevanju svemira. Čak i danas znanstvenici guraju granice da vide koliko nas relativnost može odvesti. U međuvremenu, evo nekoliko načina na koje konstantno vidimo relativnost u djelovanju:
Merkurska orbita
Svemirski brod MESSENGER, prvi koji je orbitirao Merkurom, snimio je ovaj lažni prikaz sićušne planete kako bi pokazao kemijske, mineraloške i fizičke razlike na svojoj površini. (NASA / JHUAPL / Carnegie institucija) Još u 19. stoljeću astronom Urbain LeVerrier primijetio je problem s orbitu Merkura. Planetarne orbite nisu kružne, one su elipse, što znači da planete mogu biti bliže ili udaljenije od Sunca i jedna od druge dok se kreću kroz Sunčev sustav. Kako se planete povlače jedna na drugu, njihove se točke najbližeg kretanja kreću predvidljivim postupkom, procesom koji se zove precesija.
Ali čak i nakon što je obračunao učinke svih ostalih planeta, činilo se da Merkur prevladava malo više nego što bi to trebalo svako stoljeće. Isprva su astronomi pomislili da se drugi, neviđeni planet nazvan Vulkan mora nalaziti u orbiti Merkura, dodajući svoj gravitacijski potez mješavini.
Ali Einstein je koristio jednadžbe opće relativnosti kako bi pokazao da planet misterija nije potreban. Na Merkur, budući da je najbliže suncu, jednostavno više utječe način na koji naša masivna zvijezda zakriva tkaninu prostora-vremena, nešto što Newtonova fizika nije uzela u obzir.
Svjetlo za savijanje
Slika pomračenja Sunca viđena 29. svibnja 1919. ("Određivanje odbojnosti svjetlosti gravitacijskim poljem Sunca, iz opažanja izvršenih u totalnom pomračenju 29. svibnja 1919." Filozofske transakcije Kraljevskog društva Londona, Serija A) Prema općoj relativnosti, svjetlost koja se kreće kroz prostor-vrijeme tkanine trebala bi pratiti krivulje te tkanine. To znači da se svjetlost koja se kreće oko masivnih predmeta treba savijati oko njih. Kad je Einstein objavio svoje opće radove o relativnosti, nije bilo jasno kako primijetiti ovo izobličenje jer je predviđeni učinak mali.
Britanski astronom Arthur Eddington pogodio je ideju: pogledajte zvijezde kraj ruba sunca za vrijeme pomračenja Sunca. S sjajem sunca kojeg je blokirao Mjesec astronomi su mogli vidjeti je li se prividni položaj neke zvijezde promijenio dok je ogromna sunčeva gravitacija nagnula svoju svjetlost. Znanstvenici su promatrali dva mjesta: jedno u istočnom Brazilu i jedno u Africi.
Sigurno da je Eddingtonov tim vidio pomak tijekom pomračenja 1919. godine, a naslovi novina trubili su svijet da je Einstein u pravu. Posljednjih godina nova ispitivanja podataka pokazala su da je po modernim standardima eksperiment bio pogrešan - postojali su problemi s fotografskim pločama, a preciznost dostupna 1919. godine zapravo nije bila dovoljno dobra da pokaže pravu količinu otklona u mjerenjima. iz Brazila. No kasniji su pokusi pokazali učinak postoji, a s obzirom na nepostojanje moderne opreme, rad je bio dovoljno solidan.
Danas astronomi koji koriste moćne teleskope mogu vidjeti svjetlost iz udaljenih galaksija savijenih i uvećanih drugim galaksijama, što je efekt koji se danas naziva gravitacijskim lećanjem. Taj se isti alat trenutno koristi za procjenu masa galaksija, za traženje tamne materije, pa čak i za traženje planeta u orbiti oko drugih zvijezda.
Crne rupe
NASA-in svemirski teleskop Chandra vidio je crnu rupu u središtu naše galaksije, zvanu Strijelac A *, koja je u siječnju pustila ekstra svijetli prasak X-zraka. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard i ostali) Možda najspektakularnije predviđanje opće relativnosti je postojanje crnih rupa, objekata toliko masivnih da čak niti svjetlost ne bi mogla izbjeći njihovo gravitacijsko povlačenje. Ideja, međutim, nije bila nova. Godine 1784. engleski znanstvenik po imenu John Mitchell predstavio ga je na sastancima Kraljevskog društva, a 1799. godine Pierre-Simon LaPlace, francuski matematičar, došao je do istog koncepta i napisao stroži matematički dokaz. Unatoč tome, nitko nije opazio nešto poput crne rupe. Uz to, eksperimenti iz 1799. i nakon toga činilo se da pokazuju da svjetlost mora biti val, a ne čestica, tako da na njega gravitacija ne bi utjecala na isti način, ako uopće.
Uđite u Einstein. Ako je gravitacija zapravo zakrivljenost prostora-vremena, tada bi mogla utjecati na svjetlost. Karl Schwarzschild je 1916. godine koristio Einsteinove jednadžbe kako bi pokazao da ne samo da mogu postojati crne rupe, već da je dobiveni objekt gotovo isti kao LaPlaceov. Schwarzschild je također predstavio koncept horizonta događaja, površine s koje nijedan materijalni objekt ne može pobjeći.
Iako je Schwarzschilhova matematika bila zvučna, astronomi su trebali desetljećima promatrati bilo kakve kandidate - Cygnus X-1, snažan izvor X-zraka, postao je prvi objekt široko prihvaćen kao crna rupa 1970-ih. Sada astronomi misle da svaka galaksija ima crnu rupu u srži - čak i našu vlastitu. Astronomi su pažljivo pronašli orbite zvijezda oko drugog svijetlog izvora rendgenskih zraka u središtu Mliječnog puta, Strijelca A *, i otkrili da se sustav ponaša poput izuzetno masivne crne rupe.
"Za sustave poput Cygnusa X-1 ili Strijelca A *, možemo izmjeriti masu i polumjer kompaktnog objekta, a jednostavno ne možemo utvrditi nijedan drugi astrofizički objekt koji bi imao ista promatračka svojstva", kaže Paul M Sutter, astrofizičar i gostujući stipendist sa Sveučilišta Ohio State.
Pucanje s Mjeseca
Dio pokusa lunarnog lasera na Mjesecu koji je na Mjesecu ostavio Apollo 15. (NASA) Izrađujući svoju opću teoriju relativnosti, Einstein je shvatio da su učinci gravitacije i efekti ubrzanja uzrokovani zakrivljenjem prostora-vremena i da će gravitacijska sila koju iskusi netko tko stoji na masivnom objektu biti slična učinku doživio da netko ubrzava, recimo, jašući na raketi.
To znači da će zakoni fizike izmjereni u laboratoriju uvijek izgledati jednako bez obzira na brzinu kretanja laboratorija ili u prostoru-vremenu. Također, stavite li objekt u gravitacijsko polje, njegovo kretanje ovisit će samo o njegovom početnom položaju i brzini. Ta je druga izjava važna, jer podrazumijeva da bi sunčeva gravitacija na Zemlji i na Mjesecu trebala biti vrlo stabilna - u protivnom, tko zna kakve bi nevolje mogle nastati ako naš planet i mjesec „padnu“ prema Suncu različitim brzinama.
Šezdesetih godina prošlog vijeka misije Apolona i sovjetske lunarne sonde postavile su reflektori na Mjesec, a znanstvenici na Zemlji ispalili su laserske zrake na njih kako bi izveli niz znanstvenih eksperimenata, uključujući mjerenje udaljenosti između Zemlje i Mjeseca i njihovih relativnih pokreta oko sunca. Jedna od lekcija iz ovog Mjesečevog pronalaska bila je da Zemlja i Mjesec doista padaju prema Suncu jednakom brzinom, baš kao što predviđa opća relativnost.
Povlačenje prostora
Sastavni crtež satelita Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Sveučilište Stanford i korporacija Lockheed Martin) U većini opisa opće relativnosti ljudi zamišljaju Zemlju kao kuglu za kuglanje obješenu na komad tkanine, aka prostor-vrijeme. Kugla uzrokuje da se tkanina iskrivi u depresiju. No, budući da se Zemlja okreće, opća relativnost kaže da se depresija treba uvijati i iskrivljavati dok se lopta vrti.
Svemirska letjelica nazvana Gravity Probe B, lansirana 2004. godine, provela je godinu dana u mjerenju zakrivljenosti prostora-vremena oko Zemlje. Pronašao je neke dokaze za povlačenje okvira ili Zemlju kako vuče kozmičku tkaninu sa sobom kako se okreće, pomažući da potvrdi Einsteinovu sliku gravitacije.
Prostorno-vremenske varalice
Dva ogromna pulsara koji se okreću oko sebe stvorili bi dovoljno poremećaja u tkivu prostora-vremena da bi stvorili gravitacijske valove koje bismo trebali moći detektirati na Zemlji. (NASA) Druga posljedica predmeta koji se kreću kroz prostor-vrijeme jest ta što će ponekad stvarati mreškanje i valove u tkanini, slične buđi broda. Ti bi se gravitacijski valovi protezali prostor-vrijeme na načine koji su teoretski vidljivi. Na primjer, neki eksperimenti sjaje laserskim snopom između dva skupa zrcala i vremena koliko je potrebno da se snop odskoči između njih. Ako prostorno-vremenska mrena prođe kroz Zemlju, takvi bi detektori trebali vidjeti sićušno produljenje i kontrakciju snopa, što bi se pokazalo kao obrazac interferencije.
Do sada su gravitacijski valovi jedno od posljednjih glavnih predviđanja opće relativnosti koje tek treba vidjeti, iako se u SAD-u postoje glasine o otkrivanju, ali postoje neki neizravni dokazi. Pulsari su mrtve zvijezde koje spajaju višestruku masu sunca u prostor veličine Manhattana. Promatranja dva pulsara koja kruže oko sebe pružaju neke naznake da su gravitacijski valovi stvarni.
"Primijećeno je da orbitalno razdoblje prvog binarnog pulsara vremenom propada za oko 0, 0001 sekundi godišnje", kaže fizičar Alan Kostelecky sa sveučilišta Indiana. "Brzina propadanja odgovara gubitku energije zbog gravitacijskog zračenja koji je predviđen općom relativnošću."
GPS
Umjetnički prikaz prikazuje satelit GPS-IIRM u orbiti. (Američki nacionalni izvršni odbor za pozicioniranje, navigaciju i određivanje vremena u svemiru) Global Positioning Systems nisu baš test relativnosti, ali oni se na to apsolutno oslanjaju. GPS koristi mrežu satelita u orbiti koji pišu signale telefonima i iznajmljenim automobilima širom planete. Da bi stekli položaj, ti sateliti moraju znati gdje su i kada se nalaze, pa drže mjerenja vremena do točnosti milijarde sekundi.
Ali sateliti kruže 1250 milja iznad naših glava, gdje osjećaju manje gravitacijskog povlačenja planeta nego ljudi na zemlji. Na temelju Einsteinove teorije posebne relativnosti, koja kaže da vrijeme prolazi drugačije za promatrače koji se kreću različitim brzinama, satelitski satovi krpe se malo sporije nego sat na zemaljskom putniku.
Međutim, opća relativnost pomaže da se poništi taj efekt, jer gravitacija blizu Zemljine površine usporava otkucaje sata u odnosu na brzinu satelita iznad glave. Ako nema ovog relativističkog kombinata, GPS satovi bi bili isključeni oko 38 mikrosekundi dnevno. To može zvučati kao mala pogreška, ali GPS zahtijeva tako visoku točnost da bi neiskrenost za nekoliko sati učinila vašu preslikanu lokaciju vidljivo pogrešnom.
