A. Einsteini relatiivsusteooria põhiideed

Revolutsiooniline füüsik kasutas oma kuulsaima ja elegantseima võrrandi leidmiseks pigem oma kujutlusvõimet kui keerukat matemaatikat. Einstein on tuntud kummaliste, kuid tõeste nähtuste ennustamise poolest, nagu astronaudid kosmoses vananevad aeglasemalt kui inimesed Maal ja tahkete objektide kuju, mis muutuvad suure kiirusega.

Huvitav on aga see, et kui võtta kätte koopia Einsteini 1905. aasta relatiivsusteooria algupärasest paberist, on seda üsna lihtne dešifreerida. Tekst on lihtne ja selge ning võrrandid on enamasti algebralised – iga gümnaasiumiõpilane saab neist aru.

Seda seetõttu, et keeruline matemaatika ei olnud kunagi Einsteini tugevaim külg. Ta armastas visuaalselt mõelda, oma kujutlusvõimes katseid teha ja neid läbi mõelda, kuni füüsilised ideed ja põhimõtted kristallselgeks said.

Siit said alguse Einsteini mõtteeksperimendid, kui ta oli vaid 16-aastane, ja kuidas need viisid ta lõpuks kaasaegse füüsika kõige revolutsioonilisema võrrandini.

Selleks ajaks Einsteini elus oli tema halvasti varjatud põlgus oma saksa juurte ja Saksamaa autoritaarsete õpetamismeetodite vastu juba oma osa võtnud ning ta oli keskkoolist välja visatud, mistõttu kolis ta Zürichisse lootuses osaleda Šveitsi Föderaalses Instituudis. Tehnoloogia (ETH).

Kuid kõigepealt otsustas Einstein veeta ühe aasta ettevalmistusi naaberlinna Aarau koolis. Siinkohal avastas ta end peagi mõtlemast, mis tunne oleks valgusvihu kõrval joosta.

Einstein oli juba füüsikatunnis õppinud, mis on valguskiir: võnkuvate elektri- ja magnetväljade kogum, mis liigub kiirusega 300 000 kilomeetrit sekundis, valguse mõõdetud kiirus. Kui ta jookseks läheduses sama kiirusega, mõistis Einstein, võib ta enda kõrval näha palju võnkuvaid elektri- ja magnetvälju, mis oleksid justkui kosmosesse tardunud.

Kuid see oli võimatu. Esiteks rikuksid statsionaarsed väljad Maxwelli võrrandeid, matemaatilisi seadusi, mis on aluseks kõigele, mida füüsikud teadsid elektrist, magnetismist ja valgusest. Need seadused olid (ja on siiani) üsna ranged: kõik lained neil väljadel peavad liikuma valguse kiirusel ega tohi paigal seista, ei mingeid erandeid.

Mis veelgi hullem, statsionaarsed väljad ei sobinud relatiivsusprintsiibiga, mis oli füüsikutele teada juba Galilei ja Newtoni päevilt 17. sajandil. Põhimõtteliselt ütleb relatiivsuspõhimõte, et füüsikaseadused ei saa sõltuda sellest, kui kiiresti te liigute: saate mõõta ainult ühe objekti kiirust teise suhtes.

Kuid kui Einstein seda põhimõtet oma mõtteeksperimendis rakendas, tekkis vastuolu: relatiivsusteooria järgi pidi kõik, mida ta valguskiire lähedal liikudes näeb, sealhulgas statsionaarsed väljad, olema midagi ilmalikku, mida füüsikud võivad laboris luua. Kuid keegi pole seda kunagi täheldanud.

See probleem kummitab Einsteini veel 10 aastat, kuna ta õppis ja töötas ETH-s ning kolis edasi Šveitsi pealinna Berni, kus temast sai Šveitsi patendiameti eksamineerija. Seal lahendab ta paradoksi lõplikult.

1904: Liikuva rongi valguse mõõtmine

See ei olnud kerge. Einstein proovis kõiki lahendusi, mida ta suutis mõelda, kuid miski ei töötanud. Peaaegu meeleheitel hakkas ta mõtlema lihtsa, kuid samas radikaalse lahenduse peale. Võib-olla töötasid Maxwelli võrrandid kõige jaoks, arvas ta, kuid valguse kiirus oli alati olnud konstantne.

Teisisõnu, kui näete valguskiirt mööda lendamas, pole vahet, kas selle allikas liigub teie poole, teist eemale, teist eemale või kuhugi mujale, ja pole vahet, kui kiiresti selle allikas on. liigub. Valguse kiirus, mida mõõdate, on alati 300 000 kilomeetrit sekundis. Muuhulgas tähendas see seda, et Einstein ei näe kunagi statsionaarseid võnkuvaid välju, kuna ta ei suuda kunagi tabada valguskiirt.

See oli ainus viis, kuidas Einstein nägi Maxwelli võrrandite ja relatiivsusprintsiibi ühitamist. Esmapilgul oli sellel lahendusel aga oma saatuslik viga. Hiljem selgitas ta seda teise mõtteeksperimendiga: kujutage ette kiirt, mis lastakse mööda raudteetammi, samal ajal kui rong möödub samas suunas näiteks kiirusega 3000 kilomeetrit sekundis.

Keegi muldkeha lähedal seisja peaks mõõtma valgusvihu kiirust ja saama standardarvuks 300 000 kilomeetrit sekundis. Kuid keegi rongis näeb valgust liikumas kiirusega 297 000 kilomeetrit sekundis. Kui valguse kiirus pole konstantne, peaks Maxwelli võrrand vankri sees teistmoodi välja nägema, järeldas Einstein ja siis rikutaks relatiivsuspõhimõtet.

See näiline vastuolu andis Einsteinile pea aastase pausi. Kuid siis, ühel ilusal 1905. aasta maikuu hommikul, kõndis ta tööle koos oma parima sõbra Michel Bessoga, inseneriga, keda ta teadis Zürichi tudengipõlvest saadik. Kaks meest rääkisid nagu alati Einsteini dilemmast. Ja äkki nägi Einstein lahendust. Ta töötas selle kallal terve öö ja kui nad järgmisel hommikul kohtusid, ütles Einstein Bessole: "Aitäh. Ma lahendasin probleemi täielikult."

Mai 1905: välk tabab liikuvat rongi

Einsteini ilmutus seisnes selles, et suhtelises liikumises olevad vaatlejad tajuvad aega erinevalt: on täiesti võimalik, et ühe vaatleja seisukohalt toimuvad kaks sündmust üheaegselt, kuid teise vaatleja seisukohast eri aegadel. Ja mõlemal vaatlejal on õigus.

Hiljem illustreeris Einstein oma seisukohta teise mõtteeksperimendiga. Kujutage ette, et vaatleja seisab taas raudtee kõrval ja temast kihutab mööda rong. Sel hetkel, kui rongi keskpunkt vaatlejast möödub, lööb välk rongi mõlemasse otsa. Kuna välk lööb vaatlejast samal kaugusel, siseneb nende valgus tema silmadesse samal ajal. Oleks aus öelda, et välk lööb üheaegselt.

Samal ajal istub teine ​​vaatleja täpselt rongi keskel. Tema vaatenurgast läbib kahe välgutabamuse valgus sama kaugele ja valguse kiirus on igas suunas sama. Aga kuna rong liigub, peab tagumisest välgust tulev valgus läbima suurema vahemaa, mistõttu jõuab see vaatlejani mõni hetk hiljem kui algusest peale tulnud valgus. Kuna valgusimpulsid saabuvad erinevatel aegadel, siis võib järeldada, et välgulöögid ei ole üheaegsed – üks toimub kiiremini.

Einstein mõistis, et just see samaaegsus on suhteline. Ja kui te sellega nõustute, lahendatakse kummalised efektid, mida me praegu relatiivsusteooriaga seostame, lihtsa algebra abil.

Einstein pani palavikuliselt oma mõtted kirja ja esitas oma töö avaldamiseks. Pealkiri oli "Liikuvate kehade elektrodünaamikast" ja see peegeldas Einsteini katset ühendada Maxwelli võrrandid relatiivsuspõhimõttega. Besso pälvis erilise tänu.

September 1905: mass ja energia

See esimene töö ei jäänud aga viimaseks. Einstein oli relatiivsusteooria kinnisideeks kuni 1905. aasta suveni ja septembris esitas ta avaldamiseks teise töö, seekord tagantjärele.

See põhines teisel mõtteeksperimendil. Kujutage ette puhkeasendit, ütles ta. Kujutage nüüd ette, et see kiirgab samaaegselt kahte identset valgusimpulssi vastassuundades. Objekt jääb paigale, kuid kuna iga impulss kannab teatud hulga energiat minema, siis objektis sisalduv energia väheneb.

Nüüd kirjutas Einstein, kuidas see protsess liikuva vaatleja jaoks välja näeks? Tema vaatenurgast jätkab objekt lihtsalt sirgjoonelist liikumist, samal ajal kui kaks impulssi ära lendavad. Kuid isegi kui kahe impulsi kiirus jääb samaks – valguse kiirus – on nende energia erinev. Impulssil, mis liigub edasi liikumissuunas, on suurem energia kui sellel, mis liigub vastupidises suunas.

Lisades veidi algebrat, näitas Einstein, et selle järjekindluse tagamiseks ei pea objekt kaotama mitte ainult valgusimpulsside väljasaatmisel energiat, vaid ka massi. Või peaks mass ja energia olema omavahel asendatavad. Einstein kirjutas üles võrrandi, mis neid ühendab. Ja sellest sai kõige kuulsam võrrand teaduse ajaloos: E = mc 2.

Üks teadusliku mõtte pärle inimteadmiste tiaaras, millega me 21. sajandisse sisenesime, on Üldrelatiivsusteooria (edaspidi GTR). Seda teooriat on kinnitanud lugematud katsed, ma ütlen veel, et pole ühtegi katset, kus meie tähelepanekud erineksid kasvõi natukenegi üldrelatiivsusteooria ennustustest. Selle rakendatavuse piires muidugi.

Täna tahan teile rääkida, milline metsaline see üldine relatiivsusteooria on. Miks see nii raske on ja miks Tegelikult ta on nii lihtne. Nagu juba aru saite, läheb selgitus teie sõrmedel™ Seetõttu palun mitte hinnata liiga karmi hinnangut väga vabade tõlgenduste ja mitte täiesti õigete allegooriate pärast. Ma tahan, et keegi seda selgitust loeks humanitaar, ilma igasuguste teadmisteta diferentsiaalarvutusest ja pindintegratsioonist, suutis mõista üldrelatiivsusteooria põhitõdesid. Lõppude lõpuks on see ajalooliselt üks esimesi teaduslikke teooriaid, mis hakkavad kaugenema tavapärasest igapäevasest inimkogemusest. Newtoni mehaanikaga on kõik lihtne, selle selgitamiseks piisab kolmest sõrmest - siin on jõud, siin on mass, siin on kiirendus. Siin kukub sulle pähe õun (kas kõik on näinud, kuidas õunad kukuvad?), siin on tema vabalangemise kiirendus, siin mõjuvad jõud.

Üldrelatiivsusteooria puhul pole kõik nii lihtne – ruumikõverus, gravitatsiooniline aja dilatatsioon, mustad augud – kõik see peaks tekitama (ja tekitab!) ettevalmistamata inimeses palju ebamääraseid kahtlusi – kas sa jamad mu kõrvadega, kutt? Millised on ruumi kõverused? Kes neid moonutusi nägi, kust need tulevad, kuidas saab midagi sellist üldse ette kujutada?

Proovime selle välja mõelda.

Nagu üldise relatiivsusteooria nimest aru võib saada, seisneb selle olemus selles üldiselt on maailmas kõik suhteline. Nali. Päris siiski mitte.

Valguse kiirus on suurus, mille suhtes kõik teised asjad maailmas on suhtelised. Kõik võrdlusraamid on võrdsed, olenemata sellest, kus nad liiguvad, mida nad teevad, isegi pöörlevad, isegi liiguvad kiirendusega (mis on tõsine löök Newtoni ja Galileo sisikonnale, kes arvasid, et ainult ühtlaselt ja sirgjooneliselt liikuvad kaadrid viide võib olla suhteline ja võrdne ning isegi siis, ainult elementaarmehaanika raames) - sama, võite alati leida kaval trikk(teaduslikult nimetatakse seda koordinaatide teisendus), mille abil on võimalik valutult liikuda ühest võrdlusraamist teise, praktiliselt ilma midagi teelt kaotamata.

Postulaat aitas Einsteinil sellisele järeldusele jõuda (lubage mul teile meelde tuletada - loogiline väide, mis on võetud usu kohta ilma tõestuseta selle ilmselguse tõttu) "gravitatsiooni ja kiirenduse võrdsuse kohta". (tähelepanu, siin on sõnastusi kõvasti lihtsustatud, kuid üldiselt on kõik õige – ühtlaselt kiirendatud liikumise ja gravitatsiooni mõju samaväärsus on üldrelatiivsusteooria keskmes).

Tõesta see postulaat või vähemalt vaimselt maitstaüsna lihtne. Tere tulemast Einsteini lifti.

Selle mõtteeksperimendi idee seisneb selles, et kui teid lukustati ilma akende ja usteta lifti, siis pole vähimatki, absoluutselt mitte ainsatki võimalust teada, millises olukorras te olete: kas lift seisab niisama. seisis esimese korruse tasemel ning teie (ja kogu muu liftisisu) mõjub tavaline külgetõmbejõud, st. Maa gravitatsioonijõud või kogu planeet Maa eemaldati teie jalge alt ja lift hakkas tõusma ülespoole, kiirendusega, mis oli võrdne vabalangemise kiirendusega g=9,8 m/s2.

Olenemata sellest, mida te teete, milliseid katseid te teete, ükskõik milliseid ümbritsevate objektide ja nähtuste mõõtmisi teete, on nende kahe olukorra vahel võimatu vahet teha ning esimesel ja teisel juhul hakkavad kõik liftis toimuvad protsessid. toimuma täpselt samamoodi.

Tõenäoliselt teab tärniga (*) tähistatud lugeja üht keerulist väljapääsu sellest raskusest. Loodete jõud. Kui lift on väga (väga-väga) suur, läbimõõduga 300 kilomeetrit, on teoreetiliselt võimalik eristada gravitatsiooni kiirendusest, mõõtes gravitatsioonijõudu (või kiirenduse suurust, me ei tea veel, kumb on kumb) erinevatel hetkedel. lifti otsad. Sellist tohutut lifti suruvad loodete jõud ristlõikes veidi kokku ja pikitasandis venitavad need veidi. Aga need on juba trikid. Kui lift on piisavalt väike, ei saa te mõõnajõude tuvastada. Nii et ärme räägi kurbadest asjadest.

Kokkuvõttes üsna väikeses liftis võime seda eeldada gravitatsioon ja kiirendus on samad asjad. Näib, et idee on ilmne ja isegi triviaalne. Mis siin nii uut või keerulist on, ütlete, see peaks ju lapsele selge olema! Jah, põhimõtteliselt pole midagi keerulist. See ei olnud Einstein, kes selle välja mõtles, selliseid asju teati palju varem.

Einstein otsustas uurida, kuidas valguskiir sellises liftis käitub. Kuid sellel ideel olid väga kaugeleulatuvad tagajärjed, mille peale kuni 1907. aastani keegi tõsiselt ei mõelnud. Ütlen ausalt, et paljud inimesed mõtlesid sellele, kuid ainult üks otsustas nii sügavalt kaasa lüüa.

Kujutagem ette, et valgustame oma vaimses liftis Einsteini taskulambiga. Valguskiir lendas lifti ühest seinast välja punktist 0) ja lendas paralleelselt põrandaga vastasseina suunas. Lift paigal seistes on loogiline eeldada, et valguskiir tabab vastasseina täpselt lähtepunkti 0 vastas, s.o. jõuab punkti 1). Valguskiired liiguvad sirgjooneliselt, kõik käisid koolis, kõik õppisid seda koolis, noor Albertik samuti.

Lihtne on arvata, et kui lift tõuseks, siis ajal, mil kiir lendab üle kabiini, oleks tal aega veidi ülespoole liikuda.
Ja kui lift liigub ühtlase kiirendusega, siis kiir tabab seina punktis 2), st. küljelt vaadates valgus näib liikuvat justkui paraboolina.

No see on selge Tegelikult parabooli pole olemas. Tala lendas otse ja lendab siiani. Lihtsalt sirgjoonel lennates suutis lift veidi üles tõusta, nii et siin me oleme Näib et kiir liikus paraboolis.

Kõik on muidugi liialdatud ja liialdatud. Mõtteeksperiment, miks meie valgus lendab aeglaselt ja liftid liiguvad kiiresti. Midagi eriti lahedat siin ikka ei ole, see kõik peaks ka igale koolilapsele arusaadav olema. Sarnase katse saate läbi viia ka kodus. Peate lihtsalt leidma "väga aeglased talad" ja head, kiired liftid.

Kuid Einstein oli tõesti geenius. Tänapäeval kiruvad paljud teda, et ta on eikeegi ja üldse mitte midagi, ta istus oma patendibüroos, kudus oma juudi vandenõusid ja varastas sealt ideid. tõelised füüsikud. Enamik neist, kes seda ütlevad, ei saa üldse aru, kes on Einstein ja mida ta teaduse ja inimkonna heaks tegi.

Einstein ütles - kuna "gravitatsioon ja kiirendus on samaväärsed" (ma kordan veel kord, ta ei öelnud täpselt seda, ma liialdan ja lihtsustan meelega), tähendab see seda, et gravitatsioonivälja olemasolul (näiteks planeet Maa), valgus lendab ka mitte sirgjooneliselt, vaid mööda kõverat . Gravitatsioon painutab valguskiire.

Mis iseenesest oli tolle aja kohta absoluutne ketserlus. Iga talupoeg peaks teadma, et footonid on massita osakesed. See tähendab, et valgus "ei kaalu" midagi. Seetõttu ei tohiks valgus gravitatsioonist hoolida, kuna Maa tõmbab ligi kive, palle ja mägesid. Kui keegi mäletab Newtoni valemit, on gravitatsioon pöördvõrdeline kehadevahelise kauguse ruuduga ja võrdeline nende massiga. Kui valguskiirel ei ole massi (ja valgusel tegelikult polegi), siis ei tohiks olla külgetõmmet! Siin hakkasid kaasaegsed Einsteini kahtlustavalt vaatama.

Ja tema, infektsioon, läks veelgi kaugemale. Ta ütleb, et me ei murra talupoegade päid. Uskugem vanu kreeklasi (tere, vanakreeklased!), las valgus levib nagu enne rangelt sirgjooneliselt. Oletame parem, et ruum ise Maa (ja iga massiga keha) ümber paindub. Ja mitte ainult kolmemõõtmeline ruum, vaid neljamõõtmeline aegruum.

Need. Tuli lendas sirgjooneliselt ja lendab siiani. Ainult see sirgjoon pole nüüd tõmmatud mitte tasapinnale, vaid asetseb omamoodi kortsunud rätikul. Ja ka 3D-s. Ja selle rätiku kortsutab massi tihe kohalolek. No täpsemalt energia-impulsi olemasolu, kui täiesti täpne olla.

Kõik talle - “Albertik, sa sõidad, lõpeta oopiumiga niipea kui võimalik, sest LSD-d pole veel leiutatud ja sa ei tuleks kindlasti oma kaine peaga välja! millest sa räägid?"

Ja Einstein ütles: "Ma näitan sulle uuesti!"

Lukusta end oma valgesse torni (patendiametisse, ma mõtlen) ja kohandame matemaatikat ideedega. Surusin 10 aastat, kuni sünnitasin selle:

Täpsemalt on see kvintessents sellest, mille ta sünnitas. Üksikasjalikumas versioonis on 10 sõltumatut valemit ja täisversioonis on kaks lehekülge väikeses kirjas matemaatilisi sümboleid.

Kui otsustate võtta üldrelatiivsusteooria reaalkursuse, lõpeb sissejuhatav osa siin ja siis peab järgnema kaks semestrit karmi keele õppimist. Ja selle matemaatika õppimiseks valmistumiseks vajate veel vähemalt kolm aastat kõrgemat matemaatikat, arvestades, et olete keskkooli lõpetanud ja olete juba tuttav diferentsiaal- ja integraalarvutusega.

Käsi südamel, matan pole seal niivõrd keeruline kui tüütu. Tensorarvutus pseudo-Riemanni ruumis ei ole väga segane teema, millest aru saada. See ei ole kvantkromodünaamika ega, jumal hoidku, mitte stringiteooria. Siin on kõik selge, kõik on loogiline. Siin on Riemanni ruum, siin on kollektor ilma katkestuste ja voltideta, siin on meetriline tensor, siin on mittedegenereerunud maatriks, kirjutage enda jaoks valemid ja tasakaalustage indeksid, veendudes, et vektorite kovariantsed ja kontravariantsed esitused mõlemal pool võrrand vastavad üksteisele. See ei ole raske. See on pikk ja tüütu.

Kuid ärgem laskugem nii kaugele ja pöördugem tagasi meie sõrmedele™. Meie arvates tähendab Einsteini valem lihtsal viisil ligikaudu järgmist. Valemis võrdusmärgist vasakul on Einsteini tensor pluss kovariandi meetriline tensor ja kosmoloogiline konstant (Λ). See lambda on sisuliselt tume energia mis meil tänaseni alles on me ei tea midagi, aga me armastame ja austame. Ja Einstein isegi ei tea sellest veel. Sellel on oma huvitav lugu, mis väärib tervet eraldi postitust.

Lühidalt, kõik, mis jääb võrdusmärgist vasakule, näitab, kuidas muutub ruumi geomeetria, s.t. kuidas see gravitatsiooni mõjul paindub ja väändub.

Ja paremal lisaks tavalistele konstantidele nagu π , valguse kiirus c ja gravitatsioonikonstant G on kiri T- energia-impulsi tensor. Lammeri terminites võib mõelda, et see on konfiguratsioon, kuidas mass jaotub ruumis (täpsemalt energia, sest mis mass või energia on sama emtse väljak), et tekitada gravitatsiooni ja painutada sellega ruumi, et vastata võrrandi vasakule poolele.

See on põhimõtteliselt kogu üldine relatiivsusteooria teie sõrmedel™.

Sada aastat tagasi, 1915. aastal, pakkus noor Šveitsi teadlane, kes oli selleks ajaks juba teinud füüsikas revolutsioonilisi avastusi, põhimõtteliselt uue arusaama gravitatsioonist.

1915. aastal avaldas Einstein üldise relatiivsusteooria, mis iseloomustab gravitatsiooni kui aegruumi põhiomadust. Ta esitas rea võrrandeid, mis kirjeldasid aegruumi kõveruse mõju selles esineva aine ja kiirguse energiale ja liikumisele.

Sada aastat hiljem sai üldrelatiivsusteooria (GTR) kaasaegse teaduse ülesehitamise aluseks, see pidas vastu kõigile katsetele, millega teadlased seda ründasid.

Kuid kuni viimase ajani oli teooria stabiilsuse kontrollimiseks võimatu ekstreemsetes tingimustes katseid läbi viia.

On hämmastav, kui tugevaks on relatiivsusteooria 100 aastaga osutunud. Kasutame ikka seda, mida Einstein kirjutas!

Clifford Will, teoreetiline füüsik, Florida ülikool

Teadlastel on nüüd tehnoloogia, et otsida füüsikat väljaspool üldrelatiivsusteooriat.

Uus pilk gravitatsioonile

Üldrelatiivsusteooria kirjeldab gravitatsiooni mitte kui jõudu (nagu see ilmneb Newtoni füüsikas), vaid kui objektide massist tulenevat aegruumi kõverust. Maa tiirleb ümber Päikese mitte sellepärast, et täht teda tõmbab, vaid seetõttu, et Päike deformeerib aegruumi. Kui paned raske keeglipalli venitatud teki peale, muudab tekk kuju – gravitatsioon mõjutab ruumi umbes samamoodi.

Einsteini teooria ennustas mõningaid pööraseid avastusi. Näiteks mustade aukude olemasolu võimalus, mis painutavad aegruumi sedavõrd, et seest ei pääse miski välja, isegi valgus mitte. Teooria põhjal leiti tõendeid tänapäeval üldtunnustatud arvamusele, et Universum paisub ja kiireneb.

Üldrelatiivsusteooriat on kinnitanud arvukad tähelepanekud. Einstein ise kasutas Merkuuri orbiidi arvutamiseks üldrelatiivsusteooriat, mille liikumist ei saa kirjeldada Newtoni seadustega. Einstein ennustas nii massiivsete objektide olemasolu, et need painutavad valgust. See on gravitatsiooniläätse nähtus, millega astronoomid sageli kokku puutuvad. Näiteks eksoplaneetide otsimine tugineb selle tähe gravitatsioonivälja poolt painutatud kiirguse peente muutuste mõjule, mille ümber planeet tiirleb.

Einsteini teooria testimine

Üldrelatiivsusteooria töötab tavalise gravitatsiooni korral hästi, nagu näitavad Maal tehtud katsed ja Päikesesüsteemi planeetide vaatlused. Kuid seda pole kunagi katsetatud ülitugevate väljade tingimustes füüsika piiril asuvates ruumides.

Kõige paljutõotavam viis teooria testimiseks sellistes tingimustes on aegruumi muutuste jälgimine, mida nimetatakse gravitatsioonilaineteks. Need tekivad suurte sündmuste, kahe massiivse keha, näiteks mustade aukude või eriti tihedate objektide – neutrontähtede – ühinemise tulemusena.

Sellise ulatusega kosmiline ilutulestik peegeldaks ainult aegruumi väikseimaid lainetusi. Näiteks kui kaks musta auku põrkasid kokku ja ühinesid kuskil meie galaktikas, võivad gravitatsioonilained venitada ja suruda Maa üksteisest meetri kaugusel asuvate objektide vahelise kauguse tuhandendiku võrra aatomituuma läbimõõdust.

Ilmunud on katsed, mis suudavad registreerida sellistest sündmustest tulenevaid aegruumi muutusi.

Gravitatsioonilainete tuvastamiseks on hea võimalus järgmise kahe aasta jooksul.

Clifford Will

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), mille vaatluskeskused asuvad Richlandi osariigis Washingtonis ja Livingstoni osariigis Louisiana osariigis, kasutab laserit, et tuvastada kahekordsetes L-kujulistes detektorites väikseid moonutusi. Kui aegruumi lainetus läbib detektoreid, siis need venivad ja suruvad ruumi kokku, põhjustades detektori mõõtmete muutumist. Ja LIGO saab neid mõõta.

LIGO alustas sarja käivitamist 2002. aastal, kuid ei saavutanud tulemusi. 2010. aastal tehti täiendusi ja organisatsiooni järglane Advanced LIGO peaks taas tööle asuma sel aastal. Paljud kavandatavad katsed on suunatud gravitatsioonilainete otsimisele.

Teine võimalus relatiivsusteooria testimiseks on vaadelda gravitatsioonilainete omadusi. Näiteks võivad need olla polariseeritud, nagu valgus, mis läbib polariseeritud klaase. Relatiivsusteooria ennustab sellise efekti tunnuseid ja kõik kõrvalekalded arvutustest võivad olla põhjuseks teoorias kahelda.

Ühtne teooria

Clifford Will usub, et gravitatsioonilainete avastamine ainult tugevdab Einsteini teooriat:

Arvan, et peame jätkama üldrelatiivsusteooria tõendite otsimist, et olla kindlad, et need on õiged.

Milleks neid katseid üldse vaja on?

Kaasaegse füüsika üks olulisemaid ja tabamatumaid ülesandeid on otsida teooriat, mis ühendaks Einsteini uurimistööd, st makrokosmose teaduse ja kvantmehaanika, kõige väiksemate objektide reaalsuse.

Edusammud selles valdkonnas, kvantgravitatsioon, võivad nõuda muudatusi üldrelatiivsusteoorias. Võimalik, et kvantgravitatsiooni katsed nõuaksid nii palju energiat, et neid oleks võimatu läbi viia. "Aga kes teab," ütleb Will, "võib-olla on kvantuniversumis mõju, mis on tähtsusetu, kuid otsitav."

Üldrelatiivsusteooria koos erirelatiivsusteooriaga on Albert Einsteini hiilgav töö, kes 20. sajandi alguses muutis füüsikute suhtumist maailma. Sada aastat hiljem on üldrelatiivsusteooria maailma fundamentaalne ja kõige olulisem füüsikateooria, mis koos kvantmehaanikaga väidab end olevat üks kahest "kõige teooria" nurgakivist. Üldrelatiivsusteooria kirjeldab gravitatsiooni kui aegruumi (üldises relatiivsusteoorias üheks tervikuks ühendatud) kõveruse tagajärge massi mõjul. Tänu üldrelatiivsusteooriale on teadlased tuletanud palju konstante, katsetanud hunnikut seletamatuid nähtusi ja jõudnud selliste asjadeni nagu mustad augud, tumeaine ja tumeenergia, Universumi paisumine, Suur Pauk ja palju muud. GTR pani veto ka valguse kiiruse ületamisele, püüdes meid sellega sõna otseses mõttes meie ümbrusesse (Päikesesüsteemi), kuid jättis lünga ussiaukude näol – lühikesed võimalikud teed läbi aegruumi.

Einsteini relatiivsusteooria on mulle alati tundunud abstraktne ja arusaamatu. Proovime kirjeldada Einsteini relatiivsusteooriat lihtsate sõnadega. Kujutage ette, et viibite õues tugeva vihmaga ja tuul puhub teie selja tagant. Kui hakkad kiiresti jooksma, ei lange vihmapiisad selga. Tilgad tulevad aeglasemalt või ei ulatu üldse selga, see on teaduslikult tõestatud tõsiasi ja vihmasajuga saad seda ise kontrollida. Kujutage nüüd ette, kui pööraksite ümber ja jookseksite vihmaga vastutuult, tabaksid piisad teie riideid ja nägu tugevamini, kui lihtsalt seistes.

Teadlased arvasid varem, et valgus toimib tuulise ilmaga nagu vihm. Nad arvasid, et kui Maa liiguks ümber Päikese ja Päike liiguks ümber galaktika, siis oleks võimalik mõõta nende liikumise kiirust ruumis. Nende arvates tuleb neil vaid mõõta valguse kiirust ja selle muutumist kahe keha suhtes.

Teadlased tegid seda ja leidis midagi väga imelikku. Valguse kiirus oli sama, olenemata sellest, kuidas kehad liikusid ja mis suunas mõõtmisi tehti.

See oli väga imelik. Kui võtta olukorda vihmasajuga, siis tavaolukorras mõjutavad vihmapiisad olenevalt sinu liigutustest rohkem või vähem. Nõus, oleks väga imelik, kui vihmasadu puhuks sulle võrdse jõuga selga nii jooksmisel kui ka peatumisel.

Teadlased on avastanud, et valgusel ei ole samu omadusi kui vihmapiiskadel või muul universumis. Olenemata sellest, kui kiiresti te liigute ja mis suunas liigute, jääb valguse kiirus alati samaks. See on väga segane ja ainult Albert Einstein suutis seda ebaõiglust valgustada.

Einstein ja teine ​​teadlane Hendrik Lorentz leidsid, et on ainult üks viis selgitada, kuidas see kõik juhtuda saab. See on võimalik ainult siis, kui aeg aeglustub.

Kujutage ette, mis juhtuks, kui aeg teie jaoks aeglustuks ja te ei teaks, et liigute aeglasemalt. Teile tundub, et kõik muu toimub kiiremini., kõik teie ümber liigub nagu filmis edasikerimisega.

Kujutagem nüüd ette, et olete taas tuulise paduvihma käes. Kuidas on võimalik, et vihm mõjutab sind samamoodi isegi siis, kui jooksed? Selgub, et kui sa üritasid vihma eest põgeneda, siis teie aeg aeglustuks ja vihm kiireneks. Vihmapiisad tabaksid selga sama kiirusega. Teadlased nimetavad seda aega dilatatsiooniks. Ükskõik kui kiiresti te ka ei liiguks, teie aeg aeglustub, vähemalt valguse kiiruse puhul on see väljend tõsi.

Mõõtmete duaalsus

Teine asi, mille Einstein ja Lorentz välja mõtlesid, oli see, et kaks inimest erinevates tingimustes võivad saada erinevad arvutatud väärtused ja kõige kummalisem on see, et neil mõlemal on õigus. See on veel üks kõrvalmõju, kui valgus liigub alati sama kiirusega.

Teeme mõtteeksperimendi

Kujutage ette, et seisate oma toa keskel ja olete paigaldanud lambi otse ruumi keskele. Kujutage nüüd ette, et valguse kiirus on väga aeglane ja näete, kuidas see liigub, kujutage ette, et lülitate lambi põlema.

Niipea, kui lambi sisse lülitate, hakkab valgus levima ja süttima. Kuna mõlemad seinad on samal kaugusel, jõuab valgus mõlemale seinale korraga.

Kujutage nüüd ette, et teie toas on suur aken ja teie sõber sõidab mööda. Ta näeb midagi muud. Talle tundub, et teie tuba liigub paremale ja kui lülitate lambi sisse, näeb ta vasakpoolset seina liikumas valguse poole. ja parem sein eemaldub valgusest. Ta näeb, et valgus tabas kõigepealt vasakut seina ja seejärel paremat. Talle tundub, et tuli ei valgustanud mõlemat seina korraga.

Einsteini relatiivsusteooria järgi saavad mõlemad seisukohad õiged. Teie vaatevinklist tabab valgus mõlemat seina korraga. Teie sõbra vaatenurgast pole see nii. Midagi viga pole.

Seetõttu ütlevad teadlased, et "samaaegsus on suhteline". Kui mõõdate kahte asja, mis peaksid juhtuma samal ajal, siis ei saa keegi, kes liigub erineva kiirusega või erinevas suunas, neid samamoodi mõõta kui teie.

See tundub meile väga kummaline, sest valguse kiirus on meie jaoks hetkeline ja me liigume sellega võrreldes väga aeglaselt. Kuna valguse kiirus on nii suur, ei märka me valguse kiirust enne, kui teeme spetsiaalseid katseid.

Mida kiiremini objekt liigub, seda lühem ja väiksem see on

Veel üks väga kummaline kõrvalmõju et valguse kiirus ei muutu. Valguse kiirusel muutuvad liikuvad asjad lühemaks.

Jällegi kujutame ette, et valguse kiirus on väga aeglane. Kujutage ette, et reisite rongis ja olete paigaldanud vaguni keskele lambi. Kujutage nüüd ette, et lülitate lambi põlema, nagu toas.

Valgus levib ja jõuab samaaegselt nii auto ees kui ka taga seintele. Nii saate isegi vankri pikkust mõõta, mõõtes, kui kaua kulus valguse mõlemale poole jõudmiseks.

Teeme arvutused:

Kujutagem ette, et 10 meetri läbimiseks kulub 1 sekund ja valguse levimiseks lambist vankri seinale kulub 1 sekund. See tähendab, et lamp asub 10 meetri kaugusel auto mõlemast küljest. Kuna 10 + 10 = 20, siis see tähendab, et auto pikkus on 20 meetrit.

Kujutagem nüüd ette, et teie sõber on tänaval ja vaatab möödasõitvat rongi. Pidage meeles, et ta näeb asju erinevalt. Vankri tagasein liigub lambi poole ja esisein eemaldub sellest. Nii ei puuduta tuli korraga auto esi- ja tagaseina. Valgus jõuab kõigepealt taha ja seejärel ette.

Seega, kui mõõdate koos sõbraga valguse levimise kiirust lambist seintele, saate erinevaid väärtusi, kuid teaduslikust seisukohast on mõlemad arvutused õiged. Ainult sinul on mõõtude järgi vankri pikkus sama suur, aga sõbral on vankri pikkus väiksem.

Pidage meeles, et kõik sõltub sellest, kuidas ja millistel tingimustel te mõõtmisi teete. Kui viibiksite valguskiirusel liikuva raketi sees, ei tunneks te midagi ebatavalist, erinevalt teie liikumist mõõtvatest maapealsetest inimestest. Sa ei saaks arugi, et aeg liigub sinu jaoks aeglasemalt või et laeva esi- ja tagaosa olid järsku teineteisele lähedasemaks saanud.

Samas, kui sa lendaksid raketiga, siis sulle tunduks, nagu lendaksid kõik planeedid ja tähed sinust valguskiirusel mööda. Sel juhul, kui proovite mõõta nende aega ja suurust, siis loogiliselt võttes peaks nende jaoks aeg aeglustuma ja nende suurused vähenema, eks?

See kõik oli väga kummaline ja arusaamatu, aga Einstein pakkus välja lahenduse ja ühendas kõik need nähtused üheks relatiivsusteooriaks.