I 100 år har Albert Einsteins generelle relativitetsteori overlevet næsten hver test, som fysikere har kastet den. Den berømte videnskabsmands feltligninger blev annonceret i november 1915 og udvidede Isaac Newtons mangeårige love ved at forestille sig tyngdekraften igen som en fordrejning i rummet og tiden, snarere end en simpel kraft mellem objekter.
Relateret indhold
- Efter et århundrede med søgning opdagede vi endelig tyngdekraftsbølger
- Fem ting at vide om gravitationsbølger
- Hvorfor Albert Einstein, geniet bag relativitetsteorien, elskede hans rør
- Fem praktiske anvendelser til "uhyggelig" kvantemekanik
Resultaterne af at bruge generelle relativitetsligninger ligner faktisk det, man får ved hjælp af Newtons matematik, så længe de involverede masser ikke er for store, og hastighederne er relativt små sammenlignet med lysets hastighed. Men konceptet var en revolution for fysik.
Skrå rumtid betyder, at lyset i sig selv påvirkes af tyngdekraften meget stærkere, end Newton forudsagde. Det betyder også, at planeter bevæger sig rundt på deres baner på en lidt ændret, men meget betydningsfuld måde, og det forudsiger eksistensen af eksotiske objekter som monster sorte huller og ormehuller.
Generel relativitet er ikke perfekt - reglerne for Einsteins tyngdekraft ser ud til at bryde sammen, når du anvender dem til kvantemekanikens regler, der hersker i subatomære skalaer. Det efterlader masser af fristende huller i vores forståelse af universet. Selv i dag skubber forskere grænserne for at se, hvor langt relativitet kan føre os. I mellemtiden er her nogle af de måder, vi konsekvent ser relativitet i handling:
Mercury's Orbit
MESSENGER-rumfartøjet, den første, der kredsede rundt om Merkur, fangede denne falske farvebillede af den lille planet for at vise kemiske, mineralogiske og fysiske forskelle på dens overflade. (NASA / JHUAPL / Carnegie-institution) Tilbage i det 19. århundrede bemærkede astronom Urbain LeVerrier et problem med Merkurius bane. Planetplaner er ikke cirkulære, de er ellipser, hvilket betyder, at planeter kan være tættere eller længere væk fra solen og fra hinanden, når de bevæger sig gennem solsystemet. Når planeter trækker på hinanden, bevæger deres punkter med tætteste tilgang sig på en forudsigelig måde, en proces kaldet præcession.
Men selv efter at have redegjort for virkningerne af alle de andre planeter, så det ud til, at Merkur var ved at gå en lille smule længere end det skulle hvert århundrede. Først troede astronomer, at en anden, usynet planet, der kaldes Vulcan, må være inde i Merkurius bane og tilføje dens tyngdepunkt til blandingen.
Men Einstein brugte ligningerne af den generelle relativitet til at vise, at der ikke var behov for nogen mysterieplanet. Kviksølv, der er tættest på solen, er simpelthen mere påvirket af den måde, vores enorme stjerne krummer stoffet fra rumtid, noget Newtonsk fysik ikke tog højde for.
Bøjningslys
Et billede af solformørkelsen set den 29. maj 1919. ("En bestemmelse af lysets nedbøjning ved solens tyngdefelt fra observationer foretaget ved den samlede formørkelse af 29. maj 1919" Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Serie A) I henhold til den generelle relativitet skal lys, der bevæger sig gennem stoffets rumtid, følge stoffets kurver. Det betyder, at lys, der bevæger sig omkring massive genstande, skal bøje sig omkring dem. Da Einstein offentliggjorde sine generelle relativitetspapirer, var det ikke klart, hvordan man kunne observere denne forvrængning, da den forudsagte effekt er lille.
Den britiske astronom Arthur Eddington ramte en idé: se på stjernerne nær solkanten under en solformørkelse. Med solens blænding blokeret af månen kunne astronomer se, om den stjerners tilsyneladende position blev ændret, efterhånden som den massive solens tyngdekraft bøjede sit lys. Forskerne lavede observationer fra to steder: et i det østlige Brasilien og et Afrika.
Selvfølgelig så Eddingtons team forskydningen under en formørkelse i 1919, og avisoverskrifter trompet til verden, at Einstein havde ret. I de senere år har nye undersøgelser af dataene vist, at eksperimentet ved moderne standarder var mangelfuld - der var problemer med de fotografiske plader, og den tilgængelige præcision i 1919 var faktisk ikke god nok til at vise den rigtige afbøjning i målingerne fra Brasilien. Men efterfølgende eksperimenter har vist, at effekten er der, og i betragtning af fraværet af moderne udstyr var arbejdet solidt nok.
I dag kan astronomer, der bruger magtfulde teleskoper, se lyset fra fjerne galakser blive bøjet og forstørret af andre galakser, en effekt, der nu kaldes gravitationslinsering. Det samme værktøj bruges i øjeblikket til at estimere masserne af galakser, til at se efter mørkt stof og endda til at søge planeter, der kredser rundt om andre stjerner.
Sorte huller
NASAs Chandra-rumteleskop så det sorte hul i midten af vores galakse, kaldet Skytten A *, frigive et ekstra lyst burst af røntgenstråler i januar. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard et al) Den mest spektakulære forudsigelse af generel relativitet er måske eksistensen af sorte huller, objekter, der er så massive, at ikke engang lys kan undslippe deres tyngdepunkt. Idéen var imidlertid ikke ny. I 1784 præsenterede en engelsk videnskabsmand ved navn John Mitchell det på Royal Society-møderne, og i 1799 ankom Pierre-Simon LaPlace, en fransk matematiker, til det samme koncept og skrev et mere strengt matematisk bevis. Alligevel havde ingen observeret noget som et sort hul. Derudover syntes eksperimenter i 1799 og bagefter at vise lys må være en bølge snarere end en partikel, så det ikke ville blive påvirket af tyngdekraften på samme måde, hvis overhovedet.
Gå ind i Einstein. Hvis tyngdekraften faktisk skyldes en krumning af rum-tid, kan det påvirke lyset. I 1916 brugte Karl Schwarzschild Einsteins ligninger for at vise, at der ikke kun var sorte huller, men at det resulterende objekt var næsten det samme som LaPlace's. Schwarzschild introducerede også konceptet om en begivenhedshorisont, en overflade, hvorfra ingen materiel genstand kunne undslippe.
Selvom Schwarzschilds matematik var sund, tog det årtier for astronomer at observere enhver kandidat - Cygnus X-1, en stærk kilde til røntgenstråler, blev det første objekt, der bredt blev accepteret som et sort hul i 1970'erne. Nu tror astronomer, at enhver galakse har et sort hul i kernen - også vores egen. Astronomer spores omhyggeligt banernes stjerner omkring en anden lys røntgenkilde i midten af Mælkevejen, Skytten A *, og fandt, at systemet opfører sig som et ekstremt massivt sort hul.
"For systemer som Cygnus X-1 eller Skytten A * kan vi måle massen og radius for det kompakte objekt, og vi kan simpelthen ikke finde ud af noget andet astrofysisk objekt, der vil have de samme observationsegenskaber, " siger Paul M Sutter, en astrofysiker og gæstestudent ved Ohio State University.
Skydning af månen
En del af et månelaser-eksperiment, der blev efterladt på månen af Apollo 15. (NASA) Da han udarbejdede sin generelle relativitetsteori, indså Einstein, at virkningerne af tyngdekraften og virkningerne af acceleration begge er forårsaget af rumtidens krumning, og at tyngdekraften, der opleves af en person, der står på et massivt objekt, ville svare til virkningen oplevet af nogen, der accelererer væk, siger vi ved at køre på en raket.
Det betyder, at fysiklovgivningen, som målt i et laboratorium, altid vil se ens ud, uanset hvor hurtigt laboratoriet bevæger sig, eller hvor det er i rumtid. Hvis du lægger et objekt i et tyngdefelt, vil dets bevægelse kun afhænge af dets oprindelige position og dens hastighed. Denne anden erklæring er vigtig, fordi den indebærer, at trækket i solens tyngdekraft på Jorden og månen skal være meget stabilt - ellers, hvem ved, hvad der kan opstå problemer, hvis vores planet og månen "falder" mod solen i forskellige hastigheder.
I 1960'erne oprettede Apollo-missionerne og sovjetiske månesonder reflekser på månen, og forskere på Jorden har fyret laserstråler mod dem for at køre en række videnskabelige eksperimenter, herunder måling af afstanden mellem Jorden og månen og deres relative bevægelser omkring solen. En af lektionerne fra dette månetidsfund var, at Jorden og månen virkelig falder mod solen i samme takt, ligesom den generelle relativitet forudsiger.
Træk plads
En sammensat tegning af Gravity Probe B-satellitten. (Katherine Stephenson, Stanford University og Lockheed Martin Corporation) I de fleste beskrivelser af generel relativitet forestiller folk sig Jorden som en bowlingkugle ophængt på et stykke stof, også kaldet rumtid. Bolden får stoffet til at forvrænge til en depression. Men da Jorden roterer, siger den generelle relativitet, at depression skal vri og forvrænge, når kuglen drejer.
Et rumfartøj kaldet Gravity Probe B, der blev lanceret i 2004, brugte et år på at måle krumningen af rumtid omkring Jorden. Den fandt nogle beviser for rammetrækning, eller at Jorden trækker det kosmiske stof med det, mens det roterer, hvilket hjalp med til at validere Einsteins tyngdekraft.
Space-Time Ripples
To massive pulsarer, der spinder rundt om hinanden, ville skabe nok forstyrrelse i rummet i rummet til at generere tyngdekraftsbølger, som vi skulle være i stand til at registrere på Jorden. (NASA) En anden konsekvens af genstande, der bevæger sig gennem rumtiden, er, at de undertiden skaber krusninger og bølger i stoffet, svarende til kølvandet på et skib. Disse gravitationsbølger ville strække rumtid på måder, som teoretisk set kan observeres. F.eks. Skinner nogle eksperimenter en laserstråle mellem to sæt spejle og hvor lang tid det tager strålen at hoppe mellem dem. Hvis en rumtids-krusning passerer gennem Jorden, bør sådanne detektorer se en lille forlængelse og sammentrækning af bjælken, som vil vises som et interferensmønster.
Indtil videre er tyngdepunktbølger en af de sidste store forudsigelser om generel relativitet, som endnu ikke er set, selvom der er rygter om en opdagelse på et anlæg i USA, men der er noget indirekte bevis. Pulsarer er døde stjerner, der pakker mange gange solens masse ind i et rum på størrelse med Manhattan. Observationer af to pulsarer, der kredser om hinanden, giver nogle antydninger om, at gravitationsbølger er reelle.
"Orbitalperioden for den første binære pulsar er observeret at henfalde over tid med ca. 0, 0001 sekunder om året, " siger fysiker Alan Kostelecky fra Indiana University. "Forfaldshastigheden matcher energitabet på grund af gravitationsstråling, der er forudsagt af generel relativitet."
GPS
En kunstners gengivelse viser en GPS-IIRM-satellit i kredsløb. (US National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation and Timing) Globale positioneringssystemer er ikke nøjagtigt en relativitetstest, men de er absolut afhængige af det. GPS bruger et netværk af kredsløbssatellitter, der pinger signaler til telefoner og lejede biler over hele planeten. For at få en position skal disse satellitter vide, hvor og hvornår de er, så de holder tidsmålinger til en nøjagtighed på milliarddels sekund.
Men satellitterne cirkler 12.550 miles over vores hoveder, hvor de føler mindre af klodens tyngdekraft end folk på jorden. Baseret på Einsteins teori om særlig relativitet, der siger, at tiden går forskelligt for observatører, der bevæger sig i forskellige hastigheder, krydser satelliturene lidt langsommere end uret hos en jordbunden rejsende.
Imidlertid hjælper den generelle relativitet med at annullere denne virkning, fordi tyngdekraften tæt på Jordens overflade bremser urets flåte sammenlignet med satellitens hastighedsoverhead. Mangler denne relativistiske kombination, ville GPS-ur være slukket med ca. 38 mikrosekunder pr. Dag. Det lyder måske som en lille fejl, men GPS kræver så stor nøjagtighed, at uoverensstemmelsen vil gøre din kortlagte placering mærkbar forkert i løbet af få timer.
