Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria on säilynyt 100 vuoden ajan lähes jokaisesta testistä, jonka fyysikot ovat heittäneet siihen. Marraskuussa 1915 julkistetun kuuluisan tutkijan kenttäyhtälöt laajensivat Isaac Newtonin pitkäaikaisiin lakeihin kuvitellemalla painovoima tilan ja ajan kankaaseen käyristykseksi objektien välisen yksinkertaisen voiman sijasta.
Asiaan liittyvä sisältö
- Vuosisata kestäneen etsinnän jälkeen havaitsimme lopulta gravitaation aallot
- Viisi asiaa, jotka tiedetään painovoima-aalloista
- Miksi Albert Einstein, suhteellisuusteorian takana oleva geeni, rakasti putkensa
- Viisi käytännöllistä käyttöä "Spooky" -kvanttimekaniikkaan
Tulokset yleisten suhteellisuustekijöiden yhtälöiden käytöstä näyttävät tosiaankin samanlaisilta kuin mitä saat Newtonin matematiikalla, kunhan mukana olevat massat eivät ole liian suuria ja nopeudet ovat suhteellisen pieniä verrattuna valon nopeuteen. Mutta konsepti oli fysiikan vallankumous.
Vääntynyt avaruus-aika tarkoittaa, että painovoima vaikuttaa valoon itseään paljon voimakkaammin kuin Newton ennusti. Se tarkoittaa myös, että planeetat liikkuvat kiertoradallaan hiukan muuttuneella mutta erittäin merkittävällä tavalla, ja se ennustaa eksoottisten esineiden, kuten hirviöiden mustien reikien ja madonreikien, olemassaolon.
Yleinen suhteellisuusteoria ei ole täydellinen - Einsteinin painovoiman säännöt näyttävät hajoavan, kun käytät niitä kvanttimekaniikan sääntöihin, jotka vallitsevat alaatomisissa asteikoissa. Se jättää runsaasti houkuttelevia aukkoja käsityksessämme maailmankaikkeudesta. Vielä nykyäänkin tutkijat ajavat rajoja nähdäkseen, kuinka pitkälle suhteellisuusteoria voi viedä meidät. Sillä välin tässä on muutamia tapoja nähdä suhteellisuustehokkuus jatkuvasti toiminnassa:
Mercuryn kiertorata
MESSENGER-avaruusalus, joka kiertää ensimmäisenä Mercuriaa, valloitti tämän väärän kuvan pienestä planeetasta osoittaen kemiallisia, mineralogisia ja fysikaalisia eroja sen pinnalla. (NASA / JHUAPL / Carnegie-instituutio) Tähtitieteilijä Urbain LeVerrier huomasi jo 1800-luvulla ongelman Mercuryn kiertoradalla. Planeetta kiertoradat eivät ole pyöreitä, ne ovat ellipsejä, mikä tarkoittaa, että planeetat voivat olla lähempänä tai kauempana auringosta ja toisistaan liikkuessaan aurinkokunnan läpi. Kun planeetat vetävät toisiaan, niiden lähimmät lähestymispisteet liikkuvat ennakoitavalla tavalla, prosessi, jota kutsutaan preesiona.
Mutta edes sen jälkeen, kun oli selvitetty kaikkien muiden planeettojen vaikutukset, Mercury näytti etenevän pikkuisen pikemminkin kuin sen pitäisi joka vuosisata. Aluksi tähtitieteilijät ajattelivat, että toisen, näkymättömän, Vulcaniksi kutsutun planeetan on oltava Mercuryn kiertoradalla lisäämällä sen painovoimavetoa sekoitukseen.
Mutta Einstein käytti yleisen suhteellisuustekijän yhtälöitä osoittaakseen, ettei mitään mysteeri-planeettaa tarvita. Elohopeaan, joka on lähinnä aurinkoa, vaikuttaa yksinkertaisesti enemmän tapa, jolla massiiviset tähtemme kaarevat avaruus-ajan kankaalla, jota Newtonin fysiikka ei ottanut huomioon.
Taivutusvalo
Kuva auringonpimennyksestä, joka nähtiin 29. toukokuuta 1919. ("Valon taipuman määrittäminen auringon gravitaatiokentällä, havainnoista, jotka tehtiin 29. toukokuuta 1919 pidetyssä kokonaispimennyksessä" "Lontoon kuninkaallisen yhdistyksen filosofiset tapahtumat" Sarja A) Yleisen suhteellisuustekijän mukaan kankaan tila-ajan läpi liikkuvan valon tulisi noudattaa kankaan käyriä. Tämä tarkoittaa, että massiivisten esineiden ympärillä liikkuvan valon tulisi taipua niiden ympärille. Kun Einstein julkaisi yleiset suhteellisuustehtävänsä, ei ollut selvää, kuinka tätä vääristymistä voidaan tarkkailla, koska ennustettu vaikutus on pieni.
Brittiläinen tähtitieteilijä Arthur Eddington sai aikaan idean: Katso tähtiä lähellä auringon reunaa auringonpimennyksen aikana. Kuun tukkeman auringon häikäisyn avulla tähtitieteilijät saivat nähdä, muuttuivatko tähden näkyvä sijainti, kun massiivinen auringon painovoima taivutti sen valoa. Tutkijat tekivät havaintoja kahdesta sijainnista: yhden itäisen Brasilian ja toisen Afrikan.
Totta, Eddingtonin joukkue näki siirtymisen vuoden 1919 pimennyksen aikana, ja sanomalehtien otsikot torjuivat maailmaa, että Einstein oli oikeassa. Viime vuosina uudet tietojen tutkimukset ovat osoittaneet, että nykyaikaisten standardien mukaan kokeessa oli virheitä - valokuvalevyillä oli ongelmia, ja vuonna 1919 saatu tarkkuus ei ollut oikeastaan tarpeeksi hyvä osoittamaan oikean suunnan taipumaa mittauksissa Brasiliasta. Mutta myöhemmät kokeet ovat osoittaneet, että vaikutus on olemassa, ja koska nykyaikaisia laitteita ei ollut, työ oli riittävän vankka.
Nykyään tähtitieteilijät, jotka käyttävät voimakkaita teleskooppeja, näkevät etäisten galaksien valon taivuttamalla ja suurentamalla toisia galakseja, vaikutusta kutsutaan nykyään gravitaatiolinssiksi. Tätä samaa työkalua käytetään tällä hetkellä arvioimaan galaksien massoja, etsimään tummaa ainetta ja jopa etsimään planeettoja, jotka kiertävät muita tähtiä.
Mustat aukot
NASA: n Chandran avaruusteleskooppi näki galaksin keskellä olevan mustan aukon, nimeltään Jousimies A *, vapautti erityisen kirkkaan röntgensäteiden purskeen tammikuussa. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard ym.) Ehkä kaikkein näyttävin ennuste yleisrelatiivisuudesta on mustien reikien olemassaolo, esineet niin massiiviset, että edes valo ei pääse pakenemaan niiden painovoimavetosta. Idea ei kuitenkaan ollut uusi. Vuonna 1784 englantilainen tiedemies nimeltä John Mitchell esitteli sen kuninkaallisen yhdistyksen kokouksissa, ja vuonna 1799 ranskalainen matemaatikko Pierre-Simon LaPlace saapui samaan käsitykseen ja kirjoitti tiukemman matemaattisen todisteen. Silti kukaan ei ollut havainnut mitään kuten musta aukko. Lisäksi kokeilujen vuonna 1799 ja sen jälkeen näytti osoittavan valoa, sen tulee olla pikemminkin kuin aalto kuin hiukkas, jotta painovoima ei vaikuta siihen samalla tavalla, jos ollenkaan.
Kirjoita Einstein. Jos painovoima todella johtuu avaruus-ajan kaarevuudesta, se voi vaikuttaa valoon. Vuonna 1916 Karl Schwarzschild käytti Einsteinin yhtälöitä osoittaakseen, että paitsi että mustia reikiä voi myös olla, mutta että tuloksena oleva kohde oli melkein sama kuin LaPlace. Schwarzschild esitteli myös konseptin horisontista, pinnasta, josta mikään aineellinen esine ei päässyt pakoon.
Vaikka Schwarzschildin matematiikka oli vakaa, tähtitieteilijöiden havaitseminen mahdollisesti vaati vuosikymmeniä - Cygnus X-1, voimakas röntgenlähde, tuli ensimmäiseksi esineeksi, joka hyväksyttiin mustana aukkona 1970-luvulla. Nyt tähtitieteilijöiden mielestä jokaisella galaksin ytimessä on musta aukko - jopa meidän oma. Tähtitieteilijät seurasivat tähtien kiertoradat varovaisesti toisen kirkkaan röntgenlähteen ympärillä Linnunradan keskustassa, Jousimies A *, ja havaitsivat, että järjestelmä käyttäytyy kuin erittäin massiivinen musta aukko.
"Järjestelmille, kuten Cygnus X-1 tai Jousimies A *, voimme mitata kompaktin esineen massan ja säteen, emmekä yksinkertaisesti pysty selvittämään mitään muuta astrofysiikan kohdetta, jolla olisi samat havaintoominaisuudet", sanoo Paul M Sutter, astrofysiikka ja vieraileva tutkija Ohion osavaltion yliopistossa.
Kuun ampuminen
Osa kuun lasersäteilykokeesta, jonka Apollo 15 on jättänyt kuuhun (NASA) Suunnitellessaan suhteellisuusteoriaaan Einstein tajusi, että painovoiman vaikutukset ja kiihtyvyyden vaikutukset johtuvat sekä avaruus-ajan kaarevuudesta että että massiivisella esineellä seisovan henkilön kokema painovoima on samanlainen kuin vaikutukset kokenut jonkun kiihtyvän esimerkiksi rakettiin ajamalla.
Tämä tarkoittaa, että fysiikan lait, laboratoriossa mitatut, näyttävät aina samoilta riippumatta siitä, kuinka nopeasti laboratorio liikkuu tai missä se on avaruusajassa. Lisäksi, jos asetat esineen painovoimakenttään, sen liike riippuu vain sen alkuperäisestä sijainnista ja nopeudesta. Tämä toinen lausunto on tärkeä, koska se merkitsee sitä, että auringon painovoiman hinauksen maapallolla ja kuulla tulisi olla erittäin vakaa - muuten, kuka tietää, mitä vaikeuksia voi aiheutua, jos planeettamme ja kuu "putoavat" kohti aurinkoa eri nopeudella.
1960-luvulla Apollo-operaatiot ja Neuvostoliiton kuunantimet asettivat heijastimet kuuhun, ja maan päällä olevat tutkijat ovat ampuneet heihin lasersäteitä suorittaakseen joukon tieteellisiä kokeita, kuten mittaamalla maan ja kuun välisen etäisyyden ja niiden suhteelliset liikkeet ympäri aurinkoa. Yksi tämän kuun kantaman havainnoista oli se, että Maa ja kuu todellakin putoavat kohti aurinkoa samalla nopeudella, kuten yleinen suhteellisuusteoria ennustaa.
Vedä tilaa
Yhdistelmäpiirros Gravity Probe B -satelliitista. (Katherine Stephenson, Stanford University ja Lockheed Martin Corporation) Useimmissa yleisen suhteellisuussuhteen kuvauksissa ihmiset kuvittelevat maata keilapalloksi, joka on ripustettu kangaspalaan, eli avaruus-aika. Pallo aiheuttaa kankaan vääristymisen syvennykseksi. Mutta koska Maa pyörii, yleinen suhteellisuusteoria kertoo, että masennuksen tulisi kiertyä ja vääristyä pallo pyöritettäessä.
Vuonna 2004 lanseerattu Gravity Probe B -niminen avaruusalus käytti vuoden mittaamaan avaruus-ajan kaarevuutta Maan ympäri. Se löysi todisteita kehyksen vetämisestä tai maapallon vetämisestä kosmisessa kankaassa sen kanssa pyöriessään, mikä auttoi vahvistamaan Einsteinin kuvan painovoimasta.
Avaruus-ajan väreily
Kaksi massiivista pulssaria, jotka pyörivät toistensa ympäri, aiheuttaisi tarpeeksi häiriöitä avaruus-ajan kankaassa tuottamaan painovoima-aaltoja, jotka meidän pitäisi pystyä havaitsemaan maan päällä. (NASA) Toinen seuraus avaruusajan kautta liikkuvista esineistä on, että joskus ne aiheuttavat värejä ja aaltoja kankaassa, samankaltaisia kuin laivan aalto. Nämä painovoima-aallot venyttäisivät avaruus-aikaa teoriassa havaittavissa olevilla tavoilla. Esimerkiksi, jotkut kokeilut loistavat lasersäteen kahden peilisarjan välillä ja kuinka kauan säde vie heidän kimppuun. Jos avaruusajan aaltoilu kulkee maan läpi, tällaisten ilmaisimien tulisi nähdä säteen pieni pidentyminen ja supistuminen, mikä näkyy häiriökuvana.
Toistaiseksi gravitaatioaallot ovat yksi viimeisimmistä yleissuhteellisuussuhteiden ennusteista, joita ei ole vielä nähty, vaikka Yhdysvalloissa sijaitsevassa laitoksessa on huhuja havaitsemisesta, mutta epäsuoria todisteita on. Pulsarit ovat kuolleita tähtiä, jotka pakavat monta kertaa auringon massan Manhattanin kokoiseen tilaan. Kahden toisiaan kiertävän pulsaattorin havainnot antavat joitain vinkkejä siitä, että painovoima-aallot ovat todellisia.
"Ensimmäisen binaarisen pulssin kiertoradan on havaittu rappeutuvan ajan myötä noin 0, 0001 sekunnilla vuodessa", sanoo fyysikko Alan Kostelecky Indianan yliopistosta. "Rapistumisnopeus vastaa gravitaatiosäteilystä johtuvaa energiahäviötä, jonka yleinen suhteellisuusteoria ennustaa."
GPS
Taiteilijan renderointi näyttää GPS-IIRM-satelliitin kiertoradalla. (Yhdysvaltain kansallinen avaruuspaikannuksen, navigoinnin ja ajoituksen komitea) Globaalit paikannusjärjestelmät eivät ole tarkalleen suhteellisuustestit, mutta ne luottavat siihen ehdottomasti. GPS käyttää kiertävien satelliittien verkkoa, joka pingottaa signaaleja puhelimiin ja vuokra-autoihin ympäri maailmaa. Paikan saadakseen näiden satelliittien on tiedettävä missä ja milloin ne ovat, joten ne pitävät aikamittauksia sekunnin miljardin tarkkuudella.
Mutta satelliitit kiertävät 12 550 mailia päämme yläpuolella, missä he tuntevat vähemmän planeetan painovoimavetoa kuin ihmiset maassa. Perustuen Einsteinin erityissuhteellisuusteoriaan, jossa sanotaan, että aika kuluu eri tavoin eri nopeuksilla liikkuville tarkkailijoille, satelliittikellot osoittavat hiukan hitaammin kuin maapallon matkustajan kellot.
Yleinen suhteellisuusteoria auttaa kuitenkin poistamaan tämän vaikutuksen, koska maanpinnan lähellä oleva painovoima hidastaa kellon tikkeja verrattuna satelliitin ylinopeuteen yläpuolella. Ilman tätä relativistista yhdistelmää GPS-kellot olisivat pois päältä noin 38 mikrosekunnilla päivässä. Se saattaa kuulostaa pieneltä virheeltä, mutta GPS vaatii niin suurta tarkkuutta, että ristiriitaisuus tekisi kartatusta sijainnistasi tuntuvasti väärän muutamassa tunnissa.
