В течение 100 лет общая теория относительности Альберта Эйнштейна выдерживала почти все испытания, которые проводились физиками. Объявленные в ноябре 1915 г. полевые уравнения известного ученого расширили давние законы Исаака Ньютона, переосмыслив гравитацию как искривление в ткани пространства и времени, а не как простую силу между объектами.
Связанный контент
- После столетия поиска мы, наконец, обнаружили гравитационные волны
- Пять вещей, которые нужно знать о гравитационных волнах
- Почему Альберт Эйнштейн, гений теории относительности, любил свою трубу
- Пять практических применений для «жуткой» квантовой механики
Результаты использования общих уравнений относительности на самом деле похожи на результаты математики Ньютона, если задействованные массы не слишком велики, а скорости относительно малы по сравнению со скоростью света. Но концепция была революцией для физики.
Деформированное пространство-время означает, что гравитация влияет на сам свет гораздо сильнее, чем предсказывал Ньютон. Это также означает, что планеты движутся по своим орбитам слегка измененным, но очень значительным образом, и это предсказывает существование экзотических объектов, таких как черные дыры монстров и червоточины.
Общая теория относительности не идеальна - правила гравитации Эйнштейна, похоже, нарушаются, когда вы применяете их к правилам квантовой механики, которые господствуют в субатомных масштабах. Это оставляет множество мучительных пробелов в нашем понимании вселенной. Даже сегодня ученые расширяют границы, чтобы увидеть, как далеко может зайти относительность. А пока вот несколько способов, которыми мы последовательно видим относительность в действии:
Меркурий Орбита
Космический корабль MESSENGER, первый на орбите Меркурия, запечатлел эту ложную окраску крошечной планеты, чтобы показать химические, минералогические и физические различия на ее поверхности. (НАСА / JHUAPL / Институт Карнеги) Еще в 19 веке астроном Урбен ЛеВерье заметил проблему с орбитой Меркурия. Орбиты планет не круглые, а эллипсы, что означает, что планеты могут находиться ближе или дальше от Солнца и друг от друга, когда они движутся по Солнечной системе. Поскольку планеты тянутся друг к другу, их точки ближайшего сближения движутся предсказуемым образом, процесс, называемый прецессией.
Но даже после учета влияния всех других планет, Меркурий, казалось, прецессировал немного дальше, чем следовало бы каждое столетие. Сначала астрономы думали, что другая, невидимая планета, получившая название Вулкан, должна находиться на орбите Меркурия, добавляя гравитационное притяжение к смеси.
Но Эйнштейн использовал уравнения общей теории относительности, чтобы показать, что таинственная планета не нужна. Меркурий, находящийся ближе всего к Солнцу, просто более подвержен влиянию того, как наша массивная звезда искривляет ткань пространства-времени, чего ньютоновская физика не учитывала.
Изгиб Света
Изображение солнечного затмения, увиденное 29 мая 1919 г. Серия А) Согласно общей теории относительности, свет, движущийся через пространство-время ткани, должен следовать изгибам этой ткани. Это означает, что свет, движущийся вокруг массивных объектов, должен огибать их. Когда Эйнштейн опубликовал свои общие статьи относительности, не было ясно, как наблюдать это искажение, так как прогнозируемый эффект невелик.
Британский астроном Артур Эддингтон натолкнулся на идею: посмотреть на звезды возле края Солнца во время солнечного затмения. С бликами солнца, заблокированными луной, астрономы могли видеть, изменилось ли видимое положение звезды, когда гравитация массивного солнца отклонила свой свет. Ученые провели наблюдения из двух мест: одного в восточной части Бразилии и одного в Африке.
Конечно же, команда Эддингтона видела смещение во время затмения 1919 года, и газетные заголовки трубили миру, что Эйнштейн был прав. В последние годы новые исследования данных показали, что по современным стандартам эксперимент был ошибочным - были проблемы с фотографическими пластинами, и точность, доступная в 1919 году, была недостаточно хорошей, чтобы показать правильную величину отклонения в измерениях. из Бразилии. Но последующие эксперименты показали, что эффект налицо, и, учитывая отсутствие современного оборудования, работа была достаточно солидной.
Сегодня астрономы, использующие мощные телескопы, могут видеть, как свет от далеких галактик изгибается и увеличивается другими галактиками, эффект, который теперь называется гравитационным линзированием. Этот же инструмент в настоящее время используется для оценки масс галактик, для поиска темной материи и даже для поиска планет, вращающихся вокруг других звезд.
Черные дыры
Космический телескоп НАСА «Чандра» увидел, что черная дыра в центре нашей галактики, называемая Стрелец А *, в январе испустила сверхъяркий всплеск рентгеновских лучей. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard и др.) Возможно, наиболее впечатляющим предсказанием общей теории относительности является существование черных дыр, объектов, настолько массивных, что даже свет не может избежать их гравитационного притяжения. Идея, однако, не была новой. В 1784 году английский ученый по имени Джон Митчелл представил его на собраниях Королевского общества, а в 1799 году французский математик Пьер-Симон Лаплас пришел к той же концепции и написал более строгое математическое доказательство. Тем не менее, никто не наблюдал ничего подобного черной дыре. Кроме того, эксперименты в 1799 году и впоследствии, казалось, показали, что свет должен быть волной, а не частицей, поэтому гравитация не будет воздействовать так же, если вообще будет.
Введите Эйнштейна. Если гравитация на самом деле вызвана искривлением пространства-времени, то это может повлиять на свет. В 1916 году Карл Шварцшильд использовал уравнения Эйнштейна, чтобы показать, что не только могут существовать черные дыры, но что полученный объект был почти таким же, как у Лапласа. Шварцшильд также ввел концепцию горизонта событий, поверхности, из которой не мог вырваться ни один материальный объект.
Хотя математика Шварцшильда была правильной, астрономам потребовались десятилетия, чтобы увидеть каких-либо кандидатов - Лебедь X-1, сильный источник рентгеновских лучей, стал первым объектом, широко принятым в качестве черной дыры в 1970-х годах. Теперь астрономы считают, что в каждой галактике есть черная дыра, даже наша собственная. Астрономы тщательно проследили орбиты звезд вокруг другого яркого источника рентгеновского излучения в центре Млечного Пути, Стрельца А *, и обнаружили, что система ведет себя как чрезвычайно массивная черная дыра.
«Для таких систем, как Лебедь Х-1 или Стрелец А *, мы можем измерить массу и радиус компактного объекта, и мы просто не можем определить любой другой астрофизический объект, который имел бы такие же наблюдательные свойства», - говорит Пол М. Саттер, астрофизик и приглашенный ученый в Университете штата Огайо.
Съемка луны
Часть эксперимента по лазерной локации Луны, оставленного на Луне Аполлоном 15. (НАСА) Разрабатывая свою общую теорию относительности, Эйнштейн понял, что эффекты гравитации и ускорения вызваны искривлением пространства-времени и что гравитационная сила, испытываемая человеком, стоящим на массивном объекте, будет схожа с этим эффектом. испытанный кем-то ускоряющимся, скажем, от езды на ракете.
Это означает, что законы физики, измеряемые в лаборатории, всегда будут выглядеть одинаково, независимо от того, насколько быстро движется лаборатория или где она находится в пространстве-времени. Также, если вы поместите объект в гравитационное поле, его движение будет зависеть только от его исходного положения и скорости. Это второе утверждение важно, потому что оно подразумевает, что сила притяжения Солнца на Земле и на Луне должна быть очень стабильной, в противном случае, кто знает, какие неприятности могут возникнуть, если наша планета и Луна «упадут» к Солнцу с разной скоростью.
В 1960-х годах миссии «Аполлон» и советские лунные зонды установили на Луну отражатели, и ученые на Земле запускали лазерные лучи в них, чтобы провести множество научных экспериментов, включая измерение расстояния между Землей и Луной и их относительных движений. вокруг солнца Один из уроков этого лунного определения дальности был в том, что Земля и Луна действительно падают к Солнцу с одинаковой скоростью, как предсказывает общая теория относительности.
Перетаскивание пространства
Составной чертеж спутника Gravity Probe B. (Кэтрин Стивенсон, Стэнфордский университет и корпорация Локхид Мартин) В большинстве описаний общей теории относительности люди представляют Землю как шар для боулинга, подвешенный на куске ткани, то есть пространства-времени. Шар заставляет ткань искажаться в углубление. Но поскольку Земля вращается, общая теория относительности говорит, что депрессия должна крутиться и искажаться при вращении шара.
Космический аппарат под названием Gravity Probe B, запущенный в 2004 году, провел год, измеряя кривизну пространства-времени вокруг Земли. Он нашел какое-то свидетельство о том, что перетаскивание кадров или Земля увлекают за собой космическую ткань во время вращения, помогая подтвердить картину гравитации Эйнштейна.
Пространственно-временная рябь
Два массивных пульсара, вращающиеся вокруг друг друга, создадут достаточно возмущений в ткани пространства-времени для генерации гравитационных волн, которые мы сможем обнаружить на Земле. (NASA) Другое следствие движения объектов в пространстве-времени заключается в том, что иногда они создают рябь и волны в ткани, сродни следу корабля. Эти гравитационные волны растягивают пространство-время способами, которые теоретически наблюдаемы. Например, некоторые эксперименты направляют лазерный луч между двумя наборами зеркал и определяют время, необходимое для отражения луча между ними. Если пространственно-временная пульсация проходит через Землю, такие детекторы должны видеть крошечное удлинение и сжатие луча, которое проявилось бы как интерференционная картина.
Пока что гравитационные волны являются одним из последних основных предсказаний общей теории относительности, которые еще предстоит увидеть, хотя есть слухи об обнаружении на объекте в США. Но есть некоторые косвенные доказательства. Пульсары - это мертвые звезды, которые многократно упаковывают массу Солнца в пространство размером с Манхэттен. Наблюдения двух пульсаров, вращающихся вокруг друг друга, дают некоторые намеки на то, что гравитационные волны реальны.
«Наблюдалось, что период обращения первого двойного пульсара затухает со временем примерно на 0, 0001 секунды в год», - говорит физик Алан Костелецкий из Университета Индианы. «Скорость распада соответствует потере энергии из-за гравитационного излучения, которое предсказывается общей теорией относительности».
GPS
Рендеринг художника показывает спутник GPS-IIRM на орбите. (Национальный исполнительный комитет США по космическому позиционированию, навигации и синхронизации) Системы глобального позиционирования не являются в точности тестом относительности, но они абсолютно на него полагаются. GPS использует сеть орбитальных спутников, которые посылают сигналы на телефоны и арендованные автомобили по всей планете. Чтобы получить позицию, эти спутники должны знать, где и когда они находятся, поэтому они сохраняют измерения времени с точностью до миллиардных долей секунды.
Но спутники кружатся на высоте 12 550 миль над нашими головами, где они ощущают меньшее гравитационное притяжение планеты, чем люди на земле. Основываясь на теории специальной теории относительности Эйнштейна, которая гласит, что время для наблюдателей, движущихся с разными скоростями, проходит по-разному, часы на спутнике тикают немного медленнее, чем часы у наземного путешественника.
Тем не менее, общая теория относительности помогает нейтрализовать этот эффект, поскольку гравитация вблизи поверхности Земли замедляет такты часов по сравнению со спутником, летящим над головой. Без этой релятивистской комбинации GPS-часы отключались бы примерно на 38 микросекунд в день. Это может звучать как небольшая ошибка, но GPS требует такой высокой точности, чтобы из-за несоответствия местоположение на карте было заметно неправильным в течение нескольких часов.
