I 100 år har Albert Einsteins generelle relativitetsteori overlevd omtrent hver test som fysikere har kastet den. Den berømte forskerens feltlikninger ble kunngjort i november 1915, og utvidet Isaac Newtons mangeårige lover ved å forestille seg tyngdekraften igjen som en skjevhet i rom og tid, i stedet for en enkel kraft mellom objekter.
Relatert innhold
- Etter et århundre med leting oppdaget vi endelig gravitasjonsbølger
- Fem ting å vite om gravitasjonsbølger
- Hvorfor Albert Einstein, geniet bak relativitetsteorien, elsket hans rør
- Fem praktiske bruksområder for "nifs" kvantemekanikk
Resultatene av å bruke generelle relativitetsligninger likner faktisk på det du får ved å bruke Newtons matematikk, så lenge massene som er involvert ikke er for store og hastighetene er relativt små sammenlignet med lysets hastighet. Men konseptet var en revolusjon for fysikken.
Skrå romtid betyr at lyset i seg selv blir påvirket av tyngdekraften mye sterkere enn Newton forutså. Det betyr også at planeter beveger seg rundt banene sine på en litt endret, men veldig betydelig måte, og den spår eksistensen av eksotiske gjenstander som monster-sorte hull og ormehull.
Generell relativitet er ikke perfekt - reglene for Einsteins tyngdekraft ser ut til å bryte sammen når du bruker dem på kvantemekanikkens regler, som hersker i subatomære skalaer. Det etterlater mange fristende hull i vår forståelse av universet. Selv i dag presser forskere grensene for å se hvor langt relativitet kan ta oss. I mellomtiden er her noen av måtene vi konsekvent ser relativitet i handling:
Mercury's Orbit
MESSENGER-romfartøyet, den første som gikk i bane rundt kvikksølv, fanget denne falske fargen på den lille planeten for å vise kjemiske, mineralogiske og fysiske forskjeller på overflaten. (NASA / JHUAPL / Carnegie-institusjon) Tilbake på 1800-tallet merket astronom Urbain LeVerrier et problem med Mercurius bane. Planetplaner er ikke sirkulære, de er ellipser, noe som betyr at planetene kan være nærmere eller lenger fra solen og fra hverandre når de beveger seg gjennom solsystemet. Når planeter trekker på hverandre, beveger poengene deres med nærmeste tilnærming seg på en forutsigbar måte, en prosess som kalles presisjon.
Men selv etter å ha redegjort for virkningene av alle de andre planetene, så det ut til at Merkur virket en smule litt lenger enn den skulle hvert århundre. Først trodde astronomer at en annen, usett planet som ble kalt Vulcan, må være inne i Merkurius bane, og tilføyde gravitasjonstrekket til blandingen.
Men Einstein brukte likningene av generell relativitet for å vise at det ikke var behov for noen mysterieplanet. Kvikksølv, som er nærmest solen, påvirkes rett og slett mer av måten vår enorme stjerne kurver stoffet fra romtid, noe Newtonsk fysikk ikke sto for.
Bøyelys
Et bilde av solformørkelsen sett 29. mai 1919. ("A Determination of the Deflection of Light by the Suns Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of 29. May 1919" Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Serie A) I henhold til generell relativitet, bør lys som beveger seg gjennom stoffets rom-tid følge kurvene til stoffet. Det betyr at lys som beveger seg rundt massive gjenstander skal bøye seg rundt dem. Da Einstein publiserte sine generelle relativitetspapirer, var det ikke klart hvordan man skulle observere denne forvrengningen, siden den forutsagte effekten er liten.
Den britiske astronomen Arthur Eddington slo på en ide: se på stjernene nær solkanten under en solformørkelse. Med solens blending blokkerte av månen, kunne astronomer se om den tilsynelatende plasseringen av en stjerne ble endret etter hvert som den massive solens tyngdekraft bøyet lyset. Forskerne gjorde observasjoner fra to steder: en i det østlige Brasil og ett Afrika.
Visst nok så Eddingtons team fortrengningen under en formørkelse i 1919, og avisoverskriftene trampet til verden at Einstein hadde rett. De siste årene har nye undersøkelser av dataene vist at eksperimentet med moderne standarder var mangelfullt - det var problemer med de fotografiske platene, og presisjonen som var tilgjengelig i 1919, var faktisk ikke god nok til å vise riktig mengde avbøyning i målingene fra Brasil. Men påfølgende eksperimenter har vist at effekten er der, og gitt fravær av moderne utstyr, var arbeidet solid nok.
I dag kan astronomer som bruker kraftige teleskoper se lyset fra fjerne galakser bli bøyd og forstørret av andre galakser, en effekt som nå kalles gravitasjonslinsing. Det samme verktøyet brukes for tiden til å estimere massene av galakser, for å se etter mørk materie og til og med for å oppsøke planeter som går i bane rundt andre stjerner.
Svarte hull
NASAs Chandra-romteleskop så det sorte hullet i sentrum av galaksen vår, kalt Skytten A *, slippe et ekstra lyst spreng av røntgenbilder i januar. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard et al) Den kanskje mest spektakulære forutsigelsen av generell relativitet er eksistensen av sorte hull, gjenstander så massive at ikke engang lys kan unnslippe tyngdekraften deres. Ideen var imidlertid ikke ny. I 1784 presenterte en engelsk forsker ved navn John Mitchell det på Royal Society-møtene, og i 1799 ankom Pierre-Simon LaPlace, en fransk matematiker, til det samme konseptet og skrev et strengere matematisk bevis. Likevel hadde ingen observert noe som et svart hull. I tillegg syntes eksperimenter i 1799 og etterpå å vise at lys må være en bølge i stedet for en partikkel, slik at den ikke ville bli påvirket av tyngdekraften på samme måte, om i det hele tatt.
Gå inn i Einstein. Hvis tyngdekraften faktisk skyldes en krumning av rom-tid, kan det påvirke lyset. I 1916 brukte Karl Schwarzschild Einsteins ligninger for å vise at det ikke bare var sorte hull, men at det resulterende objektet var nesten det samme som LaPlace. Schwarzschild introduserte også konseptet om en begivenhetshorisont, en overflate som ingen materiell gjenstand kunne komme unna.
Selv om matematikken til Schwarzschild var god, tok det astronomer flere tiår å observere noen kandidater - Cygnus X-1, en sterk kilde til røntgenbilder, ble det første objektet som allment ble akseptert som et svart hull på 1970-tallet. Nå tror astronomer hver galakse har et svart hull i kjernen - også vår egen. Astronomer sporet nøye banene fra stjerner rundt en annen lys røntgenkilde i sentrum av Melkeveien, Skytten A *, og fant ut at systemet oppfører seg som et ekstremt massivt svart hull.
"For systemer som Cygnus X-1 eller Skytten A *, kan vi måle massen og radiusen til det kompakte objektet, og vi kan ganske enkelt ikke finne ut noe annet astrofysisk objekt som vil ha de samme observasjonsegenskapene, " sier Paul M Sutter, en astrofysiker og en besøkende stipendiat ved Ohio State University.
Skyt månen
En del av et måneforsikringseksperiment igjen på månen av Apollo 15. (NASA) Da han utformet sin generelle relativitetsteori, innså Einstein at virkningene av tyngdekraften og virkningene av akselerasjon begge er forårsaket av romtidens krumning, og at gravitasjonskraften som oppleves av noen som står på et massivt objekt, ville være i likhet med effekten opplevd av at noen akselererer bort, for eksempel, ved å sykle på en rakett.
Det betyr at fysikkens lover som målt i et laboratorium alltid vil se like ut uansett hvor raskt laboratoriet beveger seg eller hvor det er i romtid. Hvis du plasserer et objekt i et gravitasjonsfelt, vil bevegelsen bare avhenge av dens startposisjon og hastighet. Den andre uttalelsen er viktig, fordi den innebærer at tauet til solens tyngdekraft på Jorden og månen skal være veldig stabilt - ellers, hvem vet hvilke problemer som kan oppstå hvis planeten vår og månen "faller" mot solen i forskjellige takt.
På 1960-tallet satte Apollo-oppdragene og sovjetiske måneundersøkelser reflekser på månen, og forskere på jorden har avfyrt laserstråler mot dem for å utføre en rekke vitenskapelige eksperimenter, inkludert måling av avstanden mellom Jorden og månen og deres relative bevegelser rundt solen. En av leksjonene fra dette månespekterfunnet var at Jorden og månen virkelig faller mot solen i samme takt, akkurat som generell relativitet forutsier.
Dra plass
En sammensatt tegning av Gravity Probe B-satellitten. (Katherine Stephenson, Stanford University og Lockheed Martin Corporation) I de fleste beskrivelser av generell relativitet, forestiller folk seg Jorden som en bowlingball hengt opp på et stoffstykke, også rom-tid. Ballen får stoffet til å forvrenge til en depresjon. Men siden Jorden roterer, sier generell relativitet at depresjon bør vri seg og forvrenge når ballen snurrer.
Et romskip kalt Gravity Probe B, som ble lansert i 2004, brukte et år på å måle krumningen av romtid rundt jorden. Den fant noen bevis for ramme-draking, eller at Jorden drar det kosmiske stoffet med det når det roterer, og hjalp til med å validere Einsteins bilde av tyngdekraften.
Space-Time Ripples
To massive pulsarer som snurrer rundt hverandre ville skape tilstrekkelig forstyrrelse i stoffets rom-tid til å generere gravitasjonsbølger vi burde være i stand til å oppdage på jorden. (NASA) En annen konsekvens av objekter som beveger seg gjennom romtid er at de noen ganger vil skape krusninger og bølger i stoffet, i likhet med et skipets kjølvann. Disse gravitasjonsbølgene vil strekke romtid på måter som teoretisk sett er observerbare. Noen eksperimenter skinner for eksempel en laserstråle mellom to sett med speil og hvor lang tid det tar strålen å sprette mellom dem. Hvis en rom-tid-krusning passerer gjennom jorden, bør slike detektorer se en liten forlengelse og sammentrekning av bjelken, som vil vises som et interferensmønster.
Så langt er gravitasjonsbølger en av de siste store spådommene om generell relativitet som ennå ikke er blitt sett, selv om det er rykter om en påvisning ved et anlegg i USA, men det er noen indirekte bevis. Pulsarer er døde stjerner som pakker mange ganger solens masse inn i et rom på størrelse med Manhattan. Observasjoner av to pulsarer som går i bane rundt hverandre gir noen hint om at gravitasjonsbølger er reelle.
"Orbitalperioden til den første binære pulsaren har blitt observert å forfalle over tid med omtrent 0, 0001 sekunder per år, " sier fysiker Alan Kostelecky ved Indiana University. "Nedbrytningshastigheten matcher energitapet på grunn av gravitasjonsstråling som er forutsagt av generell relativitet."
GPS
En kunstners gjengivelse viser en GPS-IIRM-satellitt i bane. (USAs nasjonale eksekutivkomite for rombasert posisjonering, navigering og timing) Global Positioning Systems er ikke akkurat en relativitetstest, men de er helt avhengige av det. GPS bruker et nettverk av kretsende satellitter som pinger signaler til telefoner og leide biler over hele planeten. For å få en posisjon, må disse satellittene vite hvor og når de er, så de holder tidsmålinger til en nøyaktighet på milliarddels sekund.
Men satellittene sirkler 1250 mil over hodene våre, der de føler mindre av planetens gravitasjonstrekk enn folk på bakken. Basert på Einsteins teori om spesiell relativitet, som sier at tiden går annerledes for observatører som beveger seg i forskjellige hastigheter, tikker satellittklokkene litt tregere enn klokken på en jordgående reisende.
Imidlertid hjelper generell relativitet til å avlyse denne effekten, fordi tyngdekraften nær jordens overflate bremser flåtten på en klokke sammenlignet med satellitten som farer over hodet. Fraværende denne relativistiske kombinasjonsboksen, ville GPS-klokker være av med omtrent 38 mikrosekunder per dag. Det kan høres ut som en liten feil, men GPS krever så høy nøyaktighet at avviket vil gjøre det kartlagte stedet ditt merkbart galt i løpet av timer.
