В продължение на 100 години общата теория на относителността на Алберт Айнщайн оцелява почти при всеки тест, който физиците са хвърлили върху него. Обявени през ноември 1915 г., полевите уравнения на известния учен се разширяват върху дългогодишните закони на Исак Нютон, като отново си представят гравитацията като изкривяване в тъканта на пространството и времето, а не като обикновена сила между обектите.
Свързано съдържание
- След век на търсене най-накрая открихме гравитационни вълни
- Пет неща, които трябва да знаете за гравитационните вълни
- Защо Алберт Айнщайн, геният зад теорията на относителността, обичаше тръбата си
- Пет практически приложения за „Spooky“ квантова механика
Резултатите от използването на общи уравнения на относителността всъщност изглеждат сходни с тези, които получавате с помощта на математиката на Нютон, стига участващите маси да не са твърде големи и скоростите да са сравнително малки в сравнение със скоростта на светлината. Но концепцията беше революция за физиката.
Изкривено пространство-време означава, че самата светлина се влияе от гравитацията много по-силно, отколкото Нютон прогнозира. Това също означава, че планетите се движат около орбитите си по леко променен, но много значителен начин, и той предсказва съществуването на екзотични обекти, като чудовищни черни дупки и червейни дупки.
Общата относителност не е перфектна - правилата на гравитацията на Айнщайн изглежда се разрушават, когато ги прилагате към правилата на квантовата механика, които царят в субатомни мащаби. Това оставя много мъчителни пропуски в нашето разбиране за Вселената. И до днес учените натискат границите, за да видят докъде може да ни отведе относителността. Междувременно, ето няколко от начините, по които последователно виждаме относителността в действие:
Орбитата на Меркурий
Космическият кораб MESSENGER, първият на орбита на Меркурий, засне тази фалшива окраска на малката планета, която показва химически, минералогични и физически различия на нейната повърхност. (НАСА / JHUAPL / институция Карнеги) Още през 19 век астрономът Урбейн ЛеВериер забеляза проблем с орбитата на Меркурий. Планетарните орбити не са кръгли, те са елипси, което означава, че планетите могат да бъдат по-близо или по-далеч от слънцето и една от друга, докато се движат през Слънчевата система. Тъй като планетите се дръпват една върху друга, точките им на най-близък подход се движат по предсказуем начин - процес, наречен прецесия.
Но дори и след отчитане на ефектите на всички останали планети, Меркурий сякаш преувеличава малко повече от всеки век. Отначало астрономите помислиха, че друга, невиждана планета, наречена Вулкан, трябва да се намира в орбитата на Меркурий, добавяйки нейното гравитационно дърпане към сместа.
Но Айнщайн използва уравненията на общата относителност, за да покаже, че не е необходима загадъчна планета. Меркурий, бидейки най-близо до слънцето, е просто по-засегнат от начина, по който нашата масивна звезда извива тъканта на пространството-времето, нещо, което Нютоновата физика не отчита.
Светлина за огъване
Изображение на слънчевото затъмнение, видяно на 29 май 1919 г. („Определяне на отклонението на светлината от гравитационното поле на Слънцето, от наблюдения, направени при тоталното затъмнение от 29 май 1919 г.„ Философски транзакции на Лондонското кралско общество, Серия A) Според общата относителност, светлината, движеща се през тъканта пространство-време, трябва да следва кривите на тази тъкан. Това означава, че светлината, движеща се около масивни предмети, трябва да се огъва около тях. Когато Айнщайн публикува своите документи за обща относителност, не беше ясно как да се наблюдава това изкривяване, тъй като прогнозираният ефект е малък.
Британският астроном Артър Едингтън удари идеята: погледнете звездите близо до ръба на слънцето по време на слънчево затъмнение. С отблясъците на слънцето, блокирано от Луната, астрономите можеха да видят дали привидното положение на звездата е променено, докато гравитацията на масивното слънце огъва светлината си. Учените направиха наблюдения от две места: едно в източна Бразилия и едно в Африка.
Със сигурност, екипът на Едингтън видя разселването по време на затъмнението от 1919 г., а вестниците заглавиха в света, че Айнщайн е прав. През последните години новите проучвания на данните показват, че по съвременните стандарти експериментът е бил погрешен - имало проблеми с фотографските табели, а точността, налична през 1919 г., всъщност не била достатъчно добра, за да покаже точното количество отклонение в измерванията от Бразилия. Но последвалите експерименти показаха, че ефектът е налице и предвид липсата на модерно оборудване работата беше достатъчно солидна.
Днес астрономите, използващи мощни телескопи, могат да видят светлината от далечни галактики, които са огънати и увеличени от други галактики, ефект сега се нарича гравитационно лещиране. Същият този инструмент в момента се използва за оценка на масите от галактики, за търсене на тъмна материя и дори за търсене на планети, обикалящи около други звезди.
Черни дупки
Космическият телескоп Чандра на НАСА видя черната дупка в центъра на нашата галактика, наречена Стрелец А *, пусна изключително ярък изблик на рентгенови лъчи през януари. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard и др.) Може би най-зрелищното предсказване на общата относителност е наличието на черни дупки, обекти толкова масивни, че дори светлината не би могла да избяга от гравитационното им издърпване. Идеята обаче не беше нова. През 1784 г. английски учен на име Джон Мичъл го представя на заседанията на Кралското общество, а през 1799 г. Пиер-Саймън Лаплас, френски математик, стига до същата концепция и пише по-строго математическо доказателство. Въпреки това никой не беше наблюдавал нещо като черна дупка. В допълнение, експериментите през 1799 г. и след това, изглежда, показват, че светлината трябва да е вълна, а не частица, така че да не бъде засегната от гравитацията по същия начин, ако изобщо.
Влезте в Айнщайн. Ако гравитацията всъщност се дължи на кривина на пространство-време, тогава тя може да повлияе на светлината. През 1916 г. Карл Шварцшилд използва уравненията на Айнщайн, за да покаже, че не само че могат да съществуват черни дупки, но и че полученият обект е почти същият като този на LaPlace. Шварцшилд също въведе концепцията за хоризонт на събитията, повърхност, от която никой материален предмет не може да избяга.
Въпреки че математиката на Шварцшилд беше здрава, астрономите отнеха десетилетия, за да наблюдават всички кандидати - Cygnus X-1, силен източник на рентгенови лъчи, стана първият обект, широко приет като черна дупка през 70-те години. Сега астрономите смятат, че всяка галактика има черна дупка в основата си - дори нашата собствена. Астрономите внимателно проследиха орбитите на звезди около друг ярък рентгенов източник в центъра на Млечния път, Стрелец А *, и откриха, че системата се държи като изключително масивна черна дупка.
"За системи като Cygnus X-1 или Стрелец A *, можем да измерим масата и радиуса на компактния обект и просто не можем да разберем друг астрофизичен обект, който би имал същите наблюдателни свойства", казва Пол М . Sutter, астрофизик и гостуващ учен в Държавния университет в Охайо.
Стрелба на Луната
Част от експеримент за лунен лазер, оставен на Луната от Аполон 15. (НАСА) Изработвайки общата си теория на относителността, Айнщайн осъзнал, че ефектите на гравитацията и ефектите от ускорението се причиняват и от кривината на пространството-времето и че гравитационната сила, изпитвана от някой, който стои на масивен обект, би била близка до ефекта преживян от някой ускоряващ далеч, да речем, с каране на ракета.
Това означава, че законите на физиката, измерени в лаборатория, винаги ще изглеждат еднакво, независимо колко бързо се движи лабораторията или къде е в пространството-времето. Също така, ако поставите обект в гравитационно поле, неговото движение ще зависи само от първоначалното му положение и неговата скорост. Това второ твърдение е важно, защото предполага, че влечението на слънчевата гравитация на Земята и Луната трябва да бъде много стабилно - в противен случай кой знае какви проблеми могат да възникнат, ако нашата планета и Луната „паднат“ към Слънцето с различна скорост.
През 60-те години на миналия век мисиите на Аполон и съветските лунни сонди поставят отражатели на Луната и учените на Земята стрелят с лазерни лъчи по тях, за да проведат множество научни експерименти, включително измерване на разстоянието между Земята и Луната и техните относителни движения около слънцето. Един от уроците от тази лунна диапазона беше, че Земята и Луната наистина падат към Слънцето със същата скорост, точно както прогнозира общата относителност.
Плъзгане на пространство
Композитен чертеж на спътника Gravity Probe B. (Катрин Стивънсън, Станфордския университет и Локхийд Мартин Корпорейшън) В повечето описания на общата относителност хората си представят Земята като топка за боулинг, окачена на парче плат, известен още като пространство-време. Топката кара тъканта да се изкривява в депресия. Но тъй като Земята се върти, общата относителност казва, че депресията трябва да се изкривява и изкривява, докато топката се върти.
Космически кораб, наречен Gravity Probe B, стартиран през 2004 г., прекара една година в измерване на кривината на пространството и времето около Земята. Той намери някои доказателства за влачене на рамки или Земята, която влачи космическата тъкан със себе си, докато се върти, помага да се потвърди картината на Айнщайн за гравитацията.
Космос-време Ripples
Два масивни пулсара, въртящи се един около друг, биха създали достатъчно смущения в тъканта на пространството-времето, за да генерират гравитационни вълни, които би трябвало да можем да открием на Земята. (НАСА) Друго последствие от преместването на обекти през пространството-времето е, че понякога те ще създават вълнички и вълни в тъканта, подобни на будността на кораб. Тези гравитационни вълни биха простирали пространството и времето по начини, които теоретично се наблюдават. Например, някои експерименти блестят лазерен лъч между два набора огледала и време колко време отнема лъчът между тях. Ако пулсация от пространство-време преминава през Земята, такива детектори трябва да видят мъничко удължаване и свиване на лъча, което би се показало като модел на смущения.
Засега гравитационните вълни са едно от последните големи прогнози за обща относителност, които тепърва предстоят, въпреки че има слухове за откриване в съоръжение в САЩ, но има някои косвени доказателства. Пулсарите са мъртви звезди, които опаковат многократно масата на слънцето в пространство с големина на Манхатън. Наблюденията на два пулсара, орбитиращи един друг, дават някои намеци, че гравитационните вълни са реални.
"Наблюдава се, че орбиталният период на първия бинарен пулсар намалява с течение на времето с около 0, 0001 секунди годишно", казва физикът Алън Костелеки от университета в Индиана. "Скоростта на гниене съответства на загубата на енергия поради гравитационното излъчване, което се предвижда от общата относителност."
GPS
Предаването на художник показва GPS-IIRM спътник в орбита. (Национален изпълнителен комитет на САЩ за космическо позициониране, навигация и отчитане на времето) Глобалните системи за позициониране не са точно тест за относителност, но те абсолютно разчитат на него. GPS използва мрежа от орбитни спътници, които пинг сигнали до телефони и коли под наем по цялата планета. За да получат позиция, тези спътници трябва да знаят къде и кога се намират, така че държат измерванията на времето до точност до милиардни секунди.
Но сателитите обикалят 1250 мили над главите ни, където те се чувстват по-малко от гравитационното дърпане на планетата, отколкото хората на земята. Въз основа на теорията на Айнщайн за специална относителност, която казва, че времето минава по различен начин за наблюдателите, които се движат с различна скорост, сателитните часовници тикнат малко по-бавно, отколкото часовникът на земен пътник.
Въпреки това, общата относителност помага да се отмени този ефект, тъй като гравитацията в близост до земната повърхност забавя кърлежите на часовника в сравнение със скоростта на спътника над главата. Отсъствайки това релативистично комбо, GPS часовниците биха изключени с около 38 микросекунди на ден. Това може да звучи като малка грешка, но GPS изисква толкова висока точност, че несъответствието би направило вашето картографирано местоположение видимо погрешно за няколко часа.
