100 година општа теорија релативности Алберта Еинстеина преживела је готово сваки тест који су физичари бацили на њу. Објављене у новембру 1915., теренске једнаџбе славног научника прошириле су се на дугогодишње законе Исааца Невтона преиспитивањем гравитације као деформације у ткиву простора и времена, а не као једноставне силе између објеката.
Сличан садржај
- Након века претраживања, коначно смо открили гравитационе таласе
- Пет ствари које треба знати о гравитацијским таласима
- Зашто је Алберт Еинстеин, гениј који стоји иза теорије релативности, волио своју цев
- Пет практичних примена за "Спооки" квантну механику
Резултати употребе једнаџби опште релативности заправо изгледају слично ономе што добијате коришћењем Невтонове математике, све док укључене масе нису превелике и брзине су релативно мале у поређењу са брзином светлости. Али концепт је био револуција за физику.
Искривљени простор-време значи да на саму светлост гравитација утиче много јаче него што је Њутн предвидио. То такође значи да се планете крећу око своје орбите на нешто измењен, али врло значајан начин, и предвиђа постојање егзотичних објеката као што су црне рупе и црвоточине.
Општа релативност није савршена - изгледа да се Аинстеинова гравитација руши када их примените на правила квантне механике која владају на субатомским размерама. То оставља пуно мучних празнина у нашем разумевању универзума. И данас научници гурају границе да виде колико нас релативност може одвести. У међувремену, ево неколико начина на које константно видимо релативност у деловању:
Меркурова орбита
Свемирски брод МЕССЕНГЕР, први који је орбитирао Меркуром, снимио је овај лажни поглед на сићушну планету како би показао хемијске, минералошке и физичке разлике на својој површини. (НАСА / ЈХУАПЛ / Царнегие институција) Још у 19. веку астроном Урбаин ЛеВерриер приметио је проблем са орбиту Меркура. Планетарне орбите нису кружне, већ су елипсе, што значи да планете могу бити ближе или удаљеније од Сунца и једна од друге док се крећу кроз Сунчев систем. Док се планете вуку једна на другу, њихове тачке најближег кретања крећу се предвидивим начином, процесом који се зове прецесија.
Али чак и након што је обрачунао ефекте свих осталих планета, Меркур је изгледао као да претеже мало више него што би требало сваког века. У почетку су астрономи помислили да се друга, невиђена планета названа Вулкан мора налазити у орбити Меркура, додајући свој гравитациони потез мешавини.
Али Ајнштајн је користио једначине опште релативности да би показао да никаква планета мистерија није потребна. На Меркур, који је најближи сунцу, једноставно је више погођен начин на који наша масивна звезда закрива тканину простора-времена, нешто што Невтонова физика није узела у обзир.
Светло за савијање
Слика помрачења Сунца виђена 29. маја 1919. („Одређивање одбоја светлости гравитационим пољем Сунца, из опажања извршених у тоталном помрачењу 29. маја 1919." Филозофске трансакције Краљевског друштва Лондона, Серија А) Према општој релативности, светлост која се креће кроз простор-време тканине треба да следи кривине те тканине. То значи да се светлост која се креће око масивних предмета треба савијати око њих. Када је Ајнштајн објавио своје радове о општој релативности, није било јасно како да се примети ово изобличење, јер је предвиђени ефекат мали.
Британски астроном Артхур Еддингтон погодио је идеју: погледајте звезде близу ивице сунца током помрачења Сунца. Са сјајем сунца блокираним месецом астрономи су могли да виде да ли се привидни положај звезде променио док је огромна гравитација Сунца савијала своју светлост. Научници су вршили запажања са две локације: једна у источном Бразилу и једна у Африци.
Сасвим сигурно, Еддингтонов тим је видео расељавање током помрачења 1919. године, а наслови из новина трубили су се у свет да је Ајнштајн у праву. Посљедњих година нова испитивања података показала су да је по модерним стандардима експеримент био погрешан - постојали су проблеми са фотографским плочама, а прецизност доступна 1919. године заправо није била довољно добра да покаже праву количину отклона у мјерењима. из Бразила. Али каснији експерименти показали су ефекат и с обзиром на непостојање савремене опреме, рад је био довољно солидан.
Данас астрономи који користе моћне телескопе могу видети светлост удаљених галаксија савијених и увећаних другим галаксијама, ефекат који се сада назива гравитационо сочивање. Тај исти алат се тренутно користи за процену маса галаксија, за тражење тамне материје, па чак и за тражење планета у орбити око других звезда.
Црне рупе
НАСА-ин свемирски телескоп Цхандра видео је црну рупу у центру наше галаксије, звану Стрелац А *, која је у јануару пустила екстра сјајан прасак рендгенских зрака. (НАСА / ЦКСЦ / Амхерст Цоллеге / Д.Хаггард и остали) Можда најспектакуларније предвиђање опште релативности је постојање црних рупа, објеката толико масивних да чак ни светлост не би могла да избегне њихово гравитационо повлачење. Идеја, међутим, није била нова. 1784. године енглески научник по имену Јохн Митцхелл представио га је на састанцима Краљевског друштва, а 1799. године Пиерре-Симон ЛаПлаце, француски математичар, дошао је до истог концепта и написао ригорознији математички доказ. Упркос томе, нико није приметио нешто попут црне рупе. Поред тога, експерименти из 1799. године и после изгледа да су показали да светлост мора бити талас, а не честица, тако да гравитација не би утицала на исти начин, ако уопште.
Уђите у Ајнштајн. Ако је гравитација заправо последица закривљености простора-времена, тада може утицати на светлост. Карл Сцхварзсцхилд је 1916. године користио Еинстеинове једначине да би показао да не само да могу постојати црне рупе, већ да је резултирајући објекат готово исти као ЛаПлацеов. Сцхварзсцхилд је такођер представио концепт хоризонта догађаја, површине са које ниједан материјални објект не може побјећи.
Иако је Сцхварзсцхилдова математика била звучна, астрономи су требали деценијама да примете било какве кандидате - Цигнус Кс-1, снажан извор рендгенских зрака, постао је први објекат који је 1970-их широко прихваћен као црна рупа. Сада астрономи мисле да свака галаксија има црну рупу у свом срцу - чак и нашу властиту. Астрономи су пажљиво пронашли орбите звезда око другог светлог извора рендгенских зрака у центру Млечног пута, Стрелца А *, и открили да се систем понаша као изузетно масивна црна рупа.
"За системе попут Цигнуса Кс-1 или Стрелца А *, можемо мерити масу и радијус компактног објекта, а једноставно не можемо да нађемо било који други астрофизички објекат који би имао иста посматрачка својства", каже Паул М Суттер, астрофизичар и гостујући научник на Државном универзитету Охио.
Пуцање са Месеца
Део експеримента за лунарни ласерски домет који је на месецу оставио Аполло 15. (НАСА) Израђујући своју општу теорију релативности, Ајнштајн је схватио да су ефекти гравитације и ефекти убрзања узроковани закривљењем простора-времена и да ће гравитациона сила коју искуси неко ко стоји на масивном објекту бити слична ефекту доживио да неко убрзава, рецимо, јахањем на ракети.
То значи да ће закони физике измерени у лабораторији увек изгледати исто без обзира на брзину кретања лабораторија или у простору-времену. Такође, ако ставите предмет у гравитационо поље, његово кретање ће зависити само од његовог почетног положаја и његове брзине. Та је друга изјава важна, јер имплицира да би грејање сунчеве гравитације на Земљи и на Месецу требало да буде веома стабилно - у супротном, ко зна какве би проблеме могле настати ако наша планета и месец „падну“ према Сунцу различитим брзинама.
Шездесетих година прошлог века мисије Аполона и совјетске месечеве сонде поставиле су рефлекторе на Месец, а научници на Земљи пуцали су ласерским сноповима на њих како би извели мноштво научних експеримената, укључујући мерење удаљености између Земље и Месеца и њихових релативних покрета око сунца. Једна од лекција из овог проналаска лунарног распона била је да Земља и Месец заиста падају ка Сунцу истом брзином, баш као што предвиђа општа релативност.
Повлачење простора
Саставни цртеж сателита Гравити Пробе Б. (Катхерине Степхенсон, Универзитет Станфорд и корпорација Лоцкхеед Мартин) У већини описа опште релативности људи замишљају Земљу као куглу за куглање објешену на комад тканине, ака простор-вријеме. Кугла узрокује да се тканина искриви у депресију. Али како се Земља окреће, општа релативност каже да се депресија треба увијати и искривљавати док се лопта врти.
Свемирска летелица под називом Гравити Пробе Б, лансирана 2004. године, провела је годину дана мерећи закривљеност простора-времена око Земље. Пронашао је неке доказе за повлачење оквира, или да Земља вуче космичку тканину са собом док се окреће, помажући да се потврди Аинстеинова слика гравитације.
Времена простор-време
Два огромна пулсара који се окрећу око себе створили би довољно поремећаја у ткиву простора-времена да би створили гравитационе таласе које бисмо требали моћи да откријемо на Земљи. (НАСА) Друга последица објеката који се крећу кроз простор-време је да ће понекад стварати мрешкање и таласе у тканини, сличне буђи брода. Ови гравитациони таласи би се протезали простор-време на начине који су теоретски посматрани. На пример, неки експерименти сјају ласерским снопом између два скупа огледала и времена колико је потребно да се сноп одскочи између њих. Ако просторно-временска мрешка прође кроз Земљу, такви детектори би требали видети сићушно продуљење и контракцију снопа, што би се показало као интерференцијски образац.
До сада су гравитациони таласи једно од последњих већих предвиђања опште релативности које тек треба да се види, мада постоје гласине о откривању на објекту у САД-у, али постоје неки индиректни докази. Пулсари су мртве звезде које спајају вишеструку масу сунца у простор величине Менхетна. Посматрања два пулсара која круже око себе дају неке наговештаје да су гравитациони таласи стварни.
"Примећено је да орбитални период првог бинарног пулсара током времена пропада за око 0, 0001 секунди годишње, " каже физичар Алан Костелецки са Универзитета у Индиани. "Брзина пропадања одговара губитку енергије услед гравитационог зрачења који је предвиђен општу релативност."
ГПС
Умјетнички приказ приказује сателит ГПС-ИИРМ у орбити. (Амерички национални извршни комитет за позиционирање, навигацију и одређивање времена у свемиру) Глобални системи за позиционирање нису баш тест релативности, али на то се апсолутно ослањају. ГПС користи мрежу сателита у орбити који пишу сигнале телефонима и изнајмљеним аутомобилима широм планете. Да би стекли положај, ти сателити морају знати где и када се налазе, тако да врше мерења времена до тачности милијарду секунде.
Али сателити круже 12, 550 миља изнад наших глава, где осећају мање гравитационог повлачења планете него људи на земљи. На основу Еинстеинове теорије посебне релативности, која каже да време пролази другачије за посматраче који се крећу различитим брзинама, сателитски сатови крпе се мало спорије него сат на земаљском путнику.
Међутим, општа релативност помаже да се поништи тај ефекат, јер гравитација у близини Земљине површине успорава откуцаје сата у односу на брзину сателита изнад њега. Ако нема овог релативистичког комбината, ГПС сатови би били искључени за око 38 микросекунди дневно. То можда звучи као мала грешка, али ГПС захтева тако високу тачност да би одступање учинило да ваша мапирана локација приметно буде погрешна за неколико сати.
