Osnovne ideje teorije relativnosti A. Einsteina

Revolucionarni fizičar upotrijebio je svoju maštu umjesto složene matematike kako bi došao do svoje najpoznatije i najelegantnije jednadžbe. Einstein je poznat po predviđanju čudnih, ali istinitih pojava, kao što su astronauti u svemiru koji stare sporije od ljudi na Zemlji i oblici čvrstih tijela koji se mijenjaju velikom brzinom.

Ali ono što je zanimljivo je da ako uzmete kopiju Einsteinovog originalnog rada iz 1905. o relativnosti, prilično ga je lako dešifrirati. Tekst je jednostavan i jasan, a jednadžbe su većinom algebarske - može ih razumjeti svaki srednjoškolac.

To je zato što složena matematika nikada nije bila Einsteinova jača strana. Volio je razmišljati vizualno, izvoditi eksperimente u svojoj mašti i razmišljati kroz njih sve dok fizičke ideje i principi nisu postali kristalno jasni.

Ovdje su započeli Einsteinovi misaoni eksperimenti kada je imao samo 16 godina i kako su ga na kraju doveli do najrevolucionarnije jednadžbe u modernoj fizici.

Do tog trenutka u Einsteinovu životu, njegov slabo prikriveni prijezir prema njemačkim korijenima i njemačkim autoritarnim metodama podučavanja već je uzeo danak, pa je bio izbačen iz srednje škole, pa se preselio u Zürich u nadi da će pohađati Švicarski federalni institut za Tehnologija (ETH).

Ali prvo je Einstein odlučio provesti godinu dana priprema u školi u susjednom gradu Aarau. U tom se trenutku ubrzo zatekao kako se pita kako bi bilo trčati pored snopa svjetla.

Einstein je već na satu fizike naučio što je zraka svjetlosti: skup oscilirajućih električnih i magnetskih polja koja se kreću brzinom od 300 000 kilometara u sekundi, što je izmjerena brzina svjetlosti. Ako bi trčao u blizini istom brzinom, Einstein je shvatio, mogao bi vidjeti mnoga oscilirajuća električna i magnetska polja pored sebe, kao da su zamrznuta u svemiru.

Ali ovo je bilo nemoguće. Prvo, stacionarna polja bi prekršila Maxwellove jednadžbe, matematičke zakone koji su u osnovi svega što su fizičari znali o elektricitetu, magnetizmu i svjetlosti. Ti su zakoni bili (i još uvijek jesu) prilično strogi: svi valovi u tim poljima moraju putovati brzinom svjetlosti i ne smiju stajati, bez iznimaka.

Što je još gore, stacionarna polja nisu odgovarala principu relativnosti, koji je bio poznat fizičarima još od vremena Galilea i Newtona u 17. stoljeću. U biti, načelo relativnosti kaže da zakoni fizike ne mogu ovisiti o tome koliko se brzo krećete: možete mjeriti samo brzinu jednog objekta u odnosu na drugi.

Ali kada je Einstein primijenio ovo načelo na svoj misaoni eksperiment, pojavila se kontradikcija: relativnost je nalagala da sve što može vidjeti dok se kreće blizu snopa svjetlosti, uključujući stacionarna polja, mora biti nešto svjetovno što fizičari mogu stvoriti u laboratoriju. Ali to nitko nikada nije primijetio.

Ovaj će problem proganjati Einsteina još 10 godina, dok je studirao i radio na ETH i preselio se u švicarski glavni grad Bern, gdje će postati ispitivač u švicarskom patentnom uredu. Tamo će jednom zauvijek razriješiti paradoks.

1904: Mjerenje svjetla iz vlaka u pokretu

Nije bilo lako. Einstein je isprobao svako rješenje koje mu je palo na pamet, ali ništa nije uspjelo. Gotovo u očaju počeo je razmišljati o jednostavnom, ali radikalnom rješenju. Možda Maxwellove jednadžbe rade za sve, pomislio je, ali brzina svjetlosti uvijek je bila konstantna.

Drugim riječima, kada vidite snop svjetlosti kako proleti, nije važno kreće li se njegov izvor prema vama, dalje od vas, od vas ili bilo gdje drugdje, i nije važno koliko je brz njegov izvor krećući se. Brzina svjetlosti koju mjerite uvijek će biti 300 000 kilometara u sekundi. Između ostalog, to je značilo da Einstein nikada neće vidjeti stacionarna oscilirajuća polja, budući da nikada neće moći uhvatiti snop svjetlosti.

To je bio jedini način na koji je Einstein vidio da pomiri Maxwellove jednadžbe s načelom relativnosti. Na prvi pogled, međutim, ovo je rješenje imalo svoju fatalnu manu. Kasnije je to objasnio drugim misaonim eksperimentom: zamislite zraku koja je ispaljena duž željezničkog nasipa dok vlak prolazi u istom smjeru brzinom od, recimo, 3000 kilometara u sekundi.

Netko tko bi stajao blizu nasipa morao bi izmjeriti brzinu svjetlosnog snopa i dobiti standardni broj od 300.000 kilometara u sekundi. Ali netko u vlaku će vidjeti svjetlost koja se kreće brzinom od 297.000 kilometara u sekundi. Ako brzina svjetlosti nije konstantna, Maxwellova jednadžba unutar kočije trebala bi izgledati drugačije, zaključio je Einstein, i tada bi se narušilo načelo relativnosti.

Zbog ove očite kontradikcije Einstein je pauzirao gotovo godinu dana. Ali tada je, jednog lijepog jutra u svibnju 1905., hodao na posao sa svojim najboljim prijateljem Michelom Bessom, inženjerom kojeg je poznavao još iz studentskih dana u Zürichu. Dvojica muškaraca razgovarala su o Einsteinovoj dilemi, kao i uvijek. I odjednom je Einstein vidio rješenje. Radio je na tome cijelu noć, a kad su se sljedećeg jutra sreli, Einstein je rekao Bessu: “Hvala. Potpuno sam riješio problem."

Svibanj 1905.: Munja udara u vlak u pokretu

Einsteinovo otkriće bilo je da promatrači u relativnom kretanju različito percipiraju vrijeme: sasvim je moguće da se dva događaja dogode istovremeno sa stajališta jednog promatrača, ali u različito vrijeme sa stajališta drugog. I oba će promatrača biti u pravu.

Einstein je kasnije svoju tvrdnju ilustrirao još jednim misaonim eksperimentom. Zamislite da promatrač opet stoji pokraj pruge i pokraj njega juri vlak. U trenutku kada središnja točka vlaka prođe pokraj promatrača, munje pogađaju svaki kraj vlaka. Budući da munje udaraju na istoj udaljenosti od promatrača, njihova svjetlost istovremeno ulazi u njegove oči. Bilo bi pošteno reći da munja udara istovremeno.

U međuvremenu, drugi promatrač sjedi točno u sredini vlaka. S njegove točke gledišta, svjetlost od dva udara munje putuje istom udaljenosti i brzina svjetlosti će biti ista u bilo kojem smjeru. Ali budući da se vlak kreće, svjetlost koja dolazi od stražnje munje mora prijeći veću udaljenost, pa dolazi do promatrača nekoliko trenutaka kasnije od svjetlosti s početka. Budući da svjetlosni impulsi stižu u različito vrijeme, možemo zaključiti da udari munje nisu istodobni – jedan se događa brže.

Einstein je shvatio da je upravo ta simultanost relativna. I kada to prihvatite, čudni učinci koje sada povezujemo s relativnošću rješavaju se pomoću jednostavne algebre.

Einstein je grozničavo zapisivao svoje misli i predavao svoj rad za objavljivanje. Naslov je bio "O elektrodinamici pokretnih tijela" i odražavao je Einsteinov pokušaj povezivanja Maxwellovih jednadžbi s načelom relativnosti. Besso je dobio posebnu zahvalu.

rujna 1905.: masa i energija

Ovaj prvi rad, međutim, nije bio i posljednji. Einstein je bio opsjednut relativnošću sve do ljeta 1905., au rujnu je predao drugi rad za objavljivanje, ovaj put retrospektivno.

Temeljio se na drugom misaonom eksperimentu. Zamislite objekt koji miruje, rekao je. Sada zamislite da istovremeno emitira dva identična pulsa svjetlosti u suprotnim smjerovima. Predmet će ostati na mjestu, ali budući da svaki puls odnosi određenu količinu energije, energija sadržana u predmetu će se smanjiti.

Sada, napisao je Einstein, kako bi ovaj proces izgledao promatraču u pokretu? S njegove točke gledišta, objekt će se jednostavno nastaviti kretati u ravnoj liniji dok dva pulsa odlete. Ali čak i ako brzina dvaju impulsa ostane ista - brzina svjetlosti - njihove će energije biti različite. Impuls koji se kreće naprijed u smjeru kretanja imat će veću energiju od onog koji se kreće u suprotnom smjeru.

Dodavši malo algebre, Einstein je pokazao da, da bi ovo bilo dosljedno, objekt ne samo da mora izgubiti energiju kada šalje svjetlosne impulse, već i masu. Ili bi masa i energija trebale biti zamjenjive. Einstein je zapisao jednadžbu koja ih povezuje. I postala je najpoznatija jednadžba u povijesti znanosti: E = mc 2.

Jedan od bisera znanstvene misli u tijari ljudskog znanja s kojim smo ušli u 21. stoljeće je Opća teorija relativnosti (u daljnjem tekstu OTR). Ovu su teoriju potvrdili bezbrojni eksperimenti; reći ću još, ne postoji niti jedan eksperiment gdje bi se naša opažanja čak i malo, čak i mrvicu, razlikovala od predviđanja Opće teorije relativnosti. U granicama svoje primjenjivosti, naravno.

Danas vam želim reći kakva je zvijer ova Opća teorija relativnosti. Zašto je to tako teško i zašto Zapravo ona je tako jednostavna. Kao što već razumijete, objašnjenje će ići na prstima™, stoga vas molim da ne sudite prestrogo za vrlo slobodna tumačenja i ne sasvim ispravne alegorije. Želim da bilo tko pročita ovo objašnjenje humanitarni, bez ikakvog znanja o diferencijalnom računu i površinskoj integraciji, mogao je razumjeti osnove opće relativnosti. Uostalom, povijesno gledano, ovo je jedna od prvih znanstvenih teorija koje se počinju udaljavati od uobičajenog svakodnevnog ljudskog iskustva. S Newtonovom mehanikom sve je jednostavno; tri prsta su dovoljna da se objasni - ovdje je sila, ovdje je masa, ovdje je ubrzanje. Evo vam jabuke koja pada na glavu (jesu li svi vidjeli kako jabuke padaju?), evo ubrzanja njenog slobodnog pada, evo koje sile djeluju na nju.

S općom relativnošću nije sve tako jednostavno - zakrivljenost prostora, gravitacijska dilatacija vremena, crne rupe - sve bi to trebalo izazvati (i izaziva!) mnogo nejasnih sumnji kod nespremne osobe - petljaš li mi uši, stari? Što su zakrivljenosti prostora? Tko je vidio te distorzije, odakle dolaze, kako se tako nešto uopće može zamisliti?

Pokušajmo to shvatiti.

Kao što se može razumjeti iz naziva Opće teorije relativnosti, njezina je bit u tome općenito, sve je na svijetu relativno. Vic. Ipak ne baš.

Brzina svjetlosti je veličina u odnosu na koju su relativne sve druge stvari na svijetu. Svi referentni okviri su jednaki, bez obzira gdje se kreću, bez obzira što rade, čak i da se vrte u mjestu, čak i da se kreću s ubrzanjem (što je ozbiljan udarac Newtonu i Galileiju, koji su mislili da se samo ravnomjerno i pravocrtno kreću okviri referentna vrijednost može biti relativna i jednaka, pa čak i tada, samo u okviru elementarne mehanike) - svejedno, uvijek možete pronaći pametan trik(znanstveno se to zove transformacija koordinata), uz pomoć kojega će se moći bezbolno kretati iz jednog referentnog okvira u drugi, praktički ne gubeći pritom ništa.

Einsteinu je do takvog zaključka pomogao postulat (da vas podsjetim - logična izjava uzeta na vjeru bez dokaza zbog svoje očitosti) "o jednakosti sile teže i ubrzanja". (pozor, ovdje je riječ o snažnom pojednostavljenju formulacija, ali općenito je sve točno - ekvivalentnost učinaka jednoliko ubrzanog gibanja i gravitacije u samom je srcu opće relativnosti).

Dokažite ovaj postulat, ili barem mentalno okusiti prilično jednostavno. Dobrodošli u Einsteinov lift.

Ideja ovog misaonog eksperimenta je da ako ste bili zaključani u dizalu bez prozora i vrata, onda ne postoji ni najmanji, apsolutno niti jedan način da znate u kakvoj ste situaciji: ili dizalo nastavlja stajati kako stoji stoji u prizemlju, a na vas (i sve ostale sadržaje lifta) djeluje uobičajena sila privlačenja, tj. sila gravitacije Zemlje, ili cijeli planet Zemlja nestala je ispod vaših nogu, a dizalo se počelo dizati prema gore, ubrzanjem jednakim ubrzanju slobodnog pada g=9,8 m/s 2 .

Što god radili, kakve god pokuse izvodili, kakva god mjerenja okolnih objekata i pojava radili, nemoguće je razlikovati ove dvije situacije, au prvom i drugom slučaju svi procesi u dizalu bit će odvijati potpuno isto.

Čitatelj sa zvjezdicom (*) vjerojatno zna jedan lukav izlaz iz ove poteškoće. Plimne sile. Ako je dizalo vrlo (jako, vrlo) veliko, 300 kilometara u promjeru, teoretski je moguće razlikovati gravitaciju od ubrzanja mjerenjem sile gravitacije (ili veličine ubrzanja, još ne znamo koja je koja) na različitim krajeve dizala. Ovakvo ogromno dizalo bit će lagano stisnuto plimnim silama u poprečnom presjeku i malo istegnuto u uzdužnoj ravnini. Ali to su već trikovi. Ako je dizalo dovoljno malo, nećete moći otkriti nikakve plimne sile. Zato nemojmo o tužnim stvarima.

Ukupno, u prilično malom dizalu to možemo pretpostaviti gravitacija i ubrzanje su ista stvar. Čini se da je ideja očita, pa čak i trivijalna. Što je tu novo ili komplicirano, reći ćete, i dijete bi to trebalo razumjeti! Da, u principu, ništa komplicirano. Nije to izmislio Einstein; takve su stvari bile poznate mnogo ranije.

Einstein je odlučio saznati kako bi se snop svjetlosti ponašao u takvom dizalu. No ta je ideja imala vrlo dalekosežne posljedice, o kojima nitko nije ozbiljno razmišljao sve do 1907. godine. Mislim, da budem iskren, mnogi su razmišljali o tome, ali samo se jedan odlučio tako duboko angažirati.

Zamislimo da svjetiljkom uperimo Einsteina u svoj mentalni lift. Zraka svjetlosti izletjela je iz jednog zida dizala, iz točke 0) i poletjela paralelno s podom prema suprotnom zidu. Dok dizalo miruje, logično je pretpostaviti da će svjetlosni snop pogoditi suprotni zid točno nasuprot početne točke 0), tj. doći će do točke 1). Zrake svjetlosti putuju pravocrtno, svi su išli u školu, svi su to učili u školi, pa tako i mladi Albertik.

Lako je pogoditi da ako bi se dizalo popnelo, tada bi za vrijeme dok je zraka letjela po kabini imala vremena pomaknuti se malo prema gore.
A ako se dizalo kreće ravnomjerno ubrzano, tada će zraka udariti u zid u točki 2), tj. kada se gleda sa stranečinit će se da se svjetlost kreće kao u paraboli.

Pa to je jasno Zapravo nema parabole. Zraka je letjela ravno i još uvijek leti. Samo dok je letio pravolinijski, lift se uspio malo dignuti, pa eto nas Čini se da se greda kretala po paraboli.

Sve je pretjerano i pretjerano, naravno. Misaoni eksperiment, zašto naše svjetlo leti sporo, a dizala se kreću brzo. Ovdje još uvijek nema ništa posebno cool, sve bi to također trebalo biti razumljivo svakom školarcu. Možete provesti sličan eksperiment kod kuće. Samo trebate pronaći "vrlo spore zrake" i dobra, brza dizala.

Ali Einstein je doista bio genij. Danas ga mnogi grde, kao da je nitko i ništa, sjedio je u svom uredu za patente, pleo svoje židovske zavjere i krao ideje od pravi fizičari. Većina onih koji to govore uopće ne razumiju tko je Einstein i što je učinio za znanost i čovječanstvo.

Einstein je rekao - budući da su “gravitacija i akceleracija ekvivalentni” (ponavljam još jednom, nije baš to rekao, namjerno pretjerujem i pojednostavljujem), to znači da u prisutnosti gravitacijskog polja (npr. u blizini planeta Zemlja), svjetlost također neće letjeti u ravnoj liniji, već duž krivulje. Gravitacija će saviti svjetlosnu zraku.

Što je samo po sebi za ono vrijeme bila apsolutna hereza. Svaki bi seljak trebao znati da su fotoni čestice bez mase. To znači da svjetlo "ne teži" ništa. Dakle, svjetlost ne bi trebala mariti za gravitaciju; Zemlja je ne bi trebala "privlačiti", kao što se privlače kamenje, kugle i planine. Ako se netko sjeća Newtonove formule, gravitacija je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između tijela i izravno proporcionalna njihovim masama. Ako zraka svjetlosti nema masu (a svjetlost je zapravo nema), onda ne bi trebalo biti privlačenja! Ovdje su suvremenici počeli poprijeko gledati Einsteina sa sumnjom.

A on, infekcija, otišao je još dalje. Kaže, nećemo seljacima razbijati glave. Vjerujmo starim Grcima (zdravo, stari Grci!), neka se svjetlost širi kao i prije strogo ravnom linijom. Pretpostavimo bolje da se sam prostor oko Zemlje (i bilo kojeg tijela s masom) savija. I to ne samo trodimenzionalni prostor, nego i četverodimenzionalni prostor-vrijeme.

Oni. Svjetlost je letjela u ravnoj liniji i još uvijek leti. Samo što ova ravna linija sada nije nacrtana u ravnini, već leži na nekoj vrsti zgužvanog ručnika. I u 3D također. A upravo bliska prisutnost mase gužva ovaj ručnik. Pa, točnije prisutnost energije-momentuma, da budemo apsolutno precizni.

Sve njemu - “Albertik, ti ​​vozi, što prije prestani s opijumom, jer LSD još nije izmišljen, a ti sigurno ne bi pomislio na to trezne glave! o čemu pričaš?"

A Einstein je rekao: "Pokazat ću ti opet!"

Zatvorite se u svoju bijelu kulu (u patentni ured, mislim) i prilagodimo matematiku idejama. Gurila sam 10 godina dok nisam rodila ovo:

Točnije, ovo je kvintesencija onoga što je iznjedrio. U detaljnijoj verziji nalazi se 10 neovisnih formula, au punoj verziji dvije stranice matematičkih simbola sitnim slovima.

Ako se odlučite za pravi tečaj Opće relativnosti, ovdje završava uvodni dio, a zatim slijede dva semestra učenja grubog jezika. A da biste se pripremili za studij ove matematike, potrebne su vam još najmanje tri godine više matematike, s obzirom da ste završili srednju školu i već ste upoznati s diferencijalnim i integralnim računom.

Ruku na srce, tamo matan nije toliko kompliciran koliko zamoran. Tenzorski račun u pseudo-Riemannovom prostoru nije vrlo zbunjujuća tema za razumijevanje. Ovo nije kvantna kromodinamika, ili, ne daj Bože, nije teorija struna. Ovdje je sve jasno, sve je logično. Ovdje je Riemannov prostor, ovdje je mnogostrukost bez lomova ili nabora, ovdje je metrički tenzor, ovdje je nedegenerirana matrica, napišite formule za sebe i uravnotežite indekse, pazeći da kovarijantne i kontravarijantne reprezentacije vektora s obje strane jednadžbe odgovaraju jedna drugoj. Nije teško. Dugo je i zamorno.

Ali nemojmo ići tako dugo i vratiti se na našim prstima™. Po našem mišljenju, na jednostavan način, Einsteinova formula znači otprilike sljedeće. Lijevo od znaka jednakosti u formuli su Einsteinov tenzor plus kovarijantni metrički tenzor i kozmološka konstanta (Λ). Ova lambda je u biti tamna energija koje imamo i danas ne znamo ništa, ali volimo i poštujemo. A Einstein još ni ne zna za to. Ima svoju zanimljivu priču, vrijednu cijelog zasebnog posta.

Ukratko, sve lijevo od znaka jednakosti pokazuje kako se mijenja geometrija prostora, tj. kako se savija i uvija pod utjecajem gravitacije.

A s desne strane, uz uobičajene konstante poput π , brzina svjetlosti c i gravitacijsku konstantu G postoji pismo T- tenzor energije-moment. U Lammerovim terminima, možemo smatrati da je ovo konfiguracija kako je masa raspoređena u prostoru (točnije energija, jer ono što masa ili energija je isto trg emtse) kako bi stvorio gravitaciju i njome savio prostor kako bi odgovarao lijevoj strani jednadžbe.

To je, u principu, cijela Opća teorija relativnosti na prstima™.

Prije stotinu godina, 1915., mladi švicarski znanstvenik, koji je u to vrijeme već napravio revolucionarna otkrića u fizici, predložio je temeljno novo razumijevanje gravitacije.

Godine 1915. Einstein je objavio opću teoriju relativnosti, koja karakterizira gravitaciju kao temeljno svojstvo prostorvremena. Predstavio je niz jednadžbi koje su opisivale učinak zakrivljenosti prostor-vremena na energiju i gibanje materije i zračenja prisutnog u njoj.

Stotinu godina kasnije, opća teorija relativnosti (OTO) postala je temelj za izgradnju moderne znanosti, izdržala je sve testove kojima su je znanstvenici napadali.

Ali donedavno je bilo nemoguće provoditi pokuse pod ekstremnim uvjetima kako bi se ispitala stabilnost teorije.

Nevjerojatno je koliko se teorija relativnosti pokazala jakom u 100 godina. Još uvijek koristimo ono što je Einstein napisao!

Clifford Will, teorijski fizičar, Sveučilište Florida

Znanstvenici sada imaju tehnologiju za traženje fizike izvan opće teorije relativnosti.

Novi pogled na gravitaciju

Opća teorija relativnosti opisuje gravitaciju ne kao silu (kako se pojavljuje u Newtonovoj fizici), već kao zakrivljenost prostor-vremena zbog mase tijela. Zemlja se okreće oko Sunca ne zato što je zvijezda privlači, već zato što Sunce deformira prostor-vrijeme. Ako stavite tešku kuglu za kuglanje na razvučenu deku, deka će promijeniti oblik – gravitacija utječe na prostor na otprilike isti način.

Einsteinova teorija predvidjela je neka luda otkrića. Na primjer, mogućnost postojanja crnih rupa, koje savijaju prostor-vrijeme do te mjere da ništa ne može pobjeći iznutra, čak ni svjetlost. Na temelju te teorije pronađeni su dokazi za danas općeprihvaćeno mišljenje da se Svemir širi i ubrzava.

Opća teorija relativnosti potvrđena je brojnim promatranjima. Sam Einstein je pomoću opće relativnosti izračunao orbitu Merkura, čije se gibanje ne može opisati Newtonovim zakonima. Einstein je predvidio postojanje objekata toliko masivnih da savijaju svjetlost. Ovo je fenomen gravitacijske leće s kojim se astronomi često susreću. Na primjer, potraga za egzoplanetima oslanja se na učinak suptilnih promjena u zračenju koje savija gravitacijsko polje zvijezde oko koje planet kruži.

Testiranje Einsteinove teorije

Opća relativnost dobro funkcionira za običnu gravitaciju, kao što pokazuju eksperimenti provedeni na Zemlji i promatranja planeta Sunčevog sustava. Ali nikada nije testiran u uvjetima ekstremno jakih polja u prostorima koji leže na granicama fizike.

Način testiranja teorije pod takvim uvjetima koji najviše obećava jest promatranje promjena u prostorvremenu koje se nazivaju gravitacijski valovi. Pojavljuju se kao rezultat velikih događaja, spajanja dvaju masivnih tijela, poput crnih rupa, ili posebno gustih objekata - neutronskih zvijezda.

Kozmički vatromet ove veličine napravio bi samo najmanje mreške u prostor-vremenu. Na primjer, kad bi se dvije crne rupe sudarile i spojile negdje u našoj galaksiji, gravitacijski valovi mogli bi rastegnuti i sabiti udaljenost između objekata koji se nalaze jedan metar jedan od drugog na Zemlji za jednu tisućinku promjera atomske jezgre.

Pojavili su se eksperimenti koji mogu zabilježiti promjene u prostor-vremenu uslijed takvih događaja.

Postoje dobre šanse za otkrivanje gravitacijskih valova u sljedeće dvije godine.

Clifford Will

Opservatorij gravitacijskih valova laserskog interferometra (LIGO), sa zvjezdarnicama u blizini Richlanda, Washington i Livingstona, Louisiana, koristi laser za otkrivanje sitnih izobličenja u dvostrukim detektorima u obliku slova L. Dok prostorno-vremenski valovi prolaze kroz detektore, rastežu i sabijaju prostor, uzrokujući promjenu dimenzija detektora. A LIGO ih može mjeriti.

LIGO je započeo seriju lansiranja 2002. godine, ali nije uspio postići rezultate. Poboljšanja su napravljena 2010. godine, a nasljednik organizacije, Advanced LIGO, trebao bi ponovno biti operativan ove godine. Mnogi od planiranih eksperimenata usmjereni su na traženje gravitacijskih valova.

Drugi način testiranja teorije relativnosti je promatranje svojstava gravitacijskih valova. Na primjer, mogu biti polarizirani, poput svjetlosti koja prolazi kroz polarizirane naočale. Teorija relativnosti predviđa značajke takvog učinka, a svako odstupanje od izračuna može postati razlog za sumnju u teoriju.

Jedinstvena teorija

Clifford Will vjeruje da će otkriće gravitacijskih valova samo ojačati Einsteinovu teoriju:

Mislim da moramo nastaviti tragati za dokazima opće relativnosti kako bismo bili sigurni da je točna.

Zašto su ti eksperimenti uopće potrebni?

Jedan od najvažnijih i nedostižnih zadataka moderne fizike je potraga za teorijom koja će povezati Einsteinova istraživanja, odnosno znanost o makrokozmosu, i kvantnu mehaniku, stvarnost najmanjih objekata.

Napredak u ovom području, kvantna gravitacija, može zahtijevati promjene opće relativnosti. Moguće je da bi eksperimenti s kvantnom gravitacijom zahtijevali toliko energije da bi ih bilo nemoguće izvesti. "Ali tko zna", kaže Will, "možda postoji učinak u kvantnom svemiru koji je beznačajan, ali pretraživ."

Opća teorija relativnosti, uz specijalnu teoriju relativnosti, briljantno je djelo Alberta Einsteina koji je početkom 20. stoljeća promijenio način na koji fizičari gledaju na svijet. Stotinu godina kasnije, opća teorija relativnosti je temeljna i najvažnija teorija fizike u svijetu, i zajedno s kvantnom mehanikom tvrdi da je jedan od dva kamena temeljca "teorije svega". Opća teorija relativnosti opisuje gravitaciju kao posljedicu zakrivljenosti prostor-vremena (sjedinjenih u općoj teoriji relativnosti u jednu cjelinu) pod utjecajem mase. Zahvaljujući općoj teoriji relativnosti, znanstvenici su izveli mnoge konstante, testirali hrpu neobjašnjivih pojava i došli do stvari poput crnih rupa, tamne materije i tamne energije, širenja svemira, Velikog praska i još mnogo toga. GTR je također stavio veto na prekoračenje brzine svjetlosti, čime smo doslovno zarobljeni u našoj okolini (Sunčevom sustavu), ali je ostavio rupu u obliku crvotočina - kratkih mogućih puteva kroz prostor-vrijeme.

Einsteinova teorija relativnosti uvijek mi se činila apstraktnom i neshvatljivom. Pokušajmo jednostavnim riječima opisati Einsteinovu teoriju relativnosti. Zamislite da ste vani po jakoj kiši i da vam vjetar puše u leđa. Ako počnete brzo trčati, kapi kiše vam neće padati na leđa. Kapi će biti sporije ili uopće neće doći do vaših leđa, to je znanstveno dokazana činjenica, a možete se i sami uvjeriti po kišnom nevremenu. Sada zamislite da se okrenete i potrčite protiv vjetra s kišom, kapi bi jače udarale o vašu odjeću i lice nego da samo stojite.

Znanstvenici su prije mislili da se svjetlost ponaša poput kiše po vjetrovitom vremenu. Mislili su da ako se Zemlja kreće oko Sunca, a Sunce oko galaksije, tada bi bilo moguće izmjeriti brzinu njihovog kretanja u svemiru. Po njihovom mišljenju, sve što trebaju učiniti je izmjeriti brzinu svjetlosti i kako se ona mijenja u odnosu na dva tijela.

Znanstvenici su to učinili i pronašao nešto vrlo čudno. Brzina svjetlosti bila je ista, bez obzira na sve, bez obzira na to kako su se tijela kretala i bez obzira u kojem smjeru su mjerenja vršena.

Bilo je vrlo čudno. Ako uzmemo situaciju s kišnom olujom, tada će u normalnim okolnostima kišne kapi utjecati na vas više ili manje, ovisno o vašem kretanju. Slažete se, bilo bi jako čudno da vam kišna oluja jednakom snagom puše u leđa, i pri trčanju i pri zaustavljanju.

Znanstvenici su otkrili da svjetlost nema ista svojstva kao kišne kapi ili bilo što drugo u svemiru. Bez obzira koliko se brzo krećete i bez obzira u kojem smjeru idete, brzina svjetlosti uvijek će biti ista. Ovo je vrlo zbunjujuće i samo je Albert Einstein uspio rasvijetliti ovu nepravdu.

Einstein i još jedan znanstvenik, Hendrik Lorentz, shvatili su da postoji samo jedan način da se objasni kako je sve to moglo biti. To je moguće samo ako vrijeme uspori.

Zamislite što bi se dogodilo da vam vrijeme uspori, a da ne znate da se krećete sporije. Osjećat ćete se kao da se sve ostalo odvija brže., sve oko vas će se kretati, kao u filmu u brzom premotavanju.

Zamislimo sada da ste ponovno pod vjetrovitim pljuskom. Kako je moguće da će kiša jednako utjecati na vas čak i ako trčite? Ispostavilo se da ako ste pokušavali pobjeći od kiše, onda tvoje vrijeme bi se usporilo, a kiša ubrzala. Kišne kapi bi vam istom brzinom udarile u leđa. Znanstvenici to nazivaju vremenskom dilatacijom. Koliko god se brzo kretali, vaše vrijeme se usporava, barem za brzinu svjetlosti ovaj je izraz točan.

Dvojnost dimenzija

Još jedna stvar koju su Einstein i Lorentz shvatili je da dvoje ljudi pod različitim okolnostima mogu dobiti različite izračunate vrijednosti i najčudnije je da će obojica biti u pravu. Ovo je još jedna nuspojava svjetlosti koja se uvijek kreće istom brzinom.

Napravimo misaoni eksperiment

Zamislite da stojite u središtu svoje sobe i postavili ste svjetiljku točno u sredinu sobe. Sada zamislite da je brzina svjetlosti vrlo mala i možete vidjeti kako putuje, zamislite da upalite lampu.

Čim upalite lampu, svjetlost će se početi širiti i svijetliti. Budući da su oba zida na istoj udaljenosti, svjetlost će doprijeti do oba zida u isto vrijeme.

Sada zamislite da je u vašoj sobi veliki prozor i da se vaš prijatelj vozi. Vidjet će još nešto. Njemu će izgledati kao da se vaša soba pomiče udesno i kada upalite lampu, vidjet će lijevi zid kako se kreće prema svjetlu. a desni zid odmiče od svjetla. Vidjet će da je svjetlo najprije udarilo u lijevi zid, a zatim u desni. Činit će mu se da svjetlost nije obasjala oba zida u isti mah.

Prema Einsteinovoj teoriji relativnosti, obje će točke gledišta biti u pravu. S vaše točke gledišta, svjetlost udara u oba zida u isto vrijeme. Sa stajališta vašeg prijatelja, to nije tako. Nema ništa loše.

Zato znanstvenici kažu da je “istodobnost relativna”. Ako mjerite dvije stvari koje bi se trebale dogoditi u isto vrijeme, tada ih netko tko se kreće drugom brzinom ili u drugom smjeru neće moći mjeriti na isti način kao vi.

To nam se čini vrlo čudnim, jer je brzina svjetlosti za nas trenutna, a mi se u usporedbi s njom krećemo vrlo sporo. Budući da je brzina svjetlosti tako velika, ne primjećujemo brzinu svjetlosti dok ne izvedemo posebne pokuse.

Što se objekt brže kreće, to je kraći i manji

Još jedna vrlo čudna nuspojava da se brzina svjetlosti ne mijenja. Brzinom svjetlosti stvari koje se kreću postaju kraće.

Opet, zamislimo da je brzina svjetlosti vrlo mala. Zamislite da putujete vlakom i postavite lampu na sredinu vagona. Sada zamislite da upalite lampu, kao u sobi.

Svjetlost će se širiti i istovremeno doprijeti do zidova ispred i iza automobila. Na ovaj način čak možete izmjeriti duljinu kočije mjerenjem koliko je vremena trebalo svjetlu da dosegne obje strane.

Napravimo izračune:

Zamislimo da je potrebna 1 sekunda da prijeđe 10 metara i da je potrebna 1 sekunda da se svjetlost proširi od svjetiljke do stijenke vagona. To znači da se lampa nalazi 10 metara od obje strane automobila. Budući da je 10 + 10 = 20, to znači da je duljina automobila 20 metara.

Sada zamislimo da je vaš prijatelj na ulici i gleda vlak kako prolazi. Upamtite da on stvari vidi drugačije. Stražnja stijenka kolica pomiče se prema svjetiljci, a prednja stijenka od nje. Na taj način svjetlo neće dodirivati ​​prednji i stražnji dio stijenke automobila u isto vrijeme. Svjetlost će prvo doći straga, a zatim naprijed.

Dakle, ako vi i vaš prijatelj mjerite brzinu širenja svjetlosti od svjetiljke do zidova, dobit ćete različite vrijednosti, ali sa znanstvenog stajališta oba će izračuna biti točna. Samo za vas, prema mjerama, duljina kolica će biti iste veličine, ali za prijatelja će duljina kolica biti manja.

Zapamtite, sve ovisi o tome kako i pod kojim uvjetima vršite mjerenja. Da ste unutar rakete koja se kreće brzinom svjetlosti, ne biste osjetili ništa neobično, za razliku od ljudi na zemlji koji mjere vaše kretanje. Ne biste mogli shvatiti da vam vrijeme teče sporije, ili da su se prednji i stražnji dio broda odjednom približili jedan drugome.

Pritom, da letite na raketi, činilo bi vam se kao da sve planete i zvijezde prolijeću kraj vas brzinom svjetlosti. U ovom slučaju, ako pokušate izmjeriti njihovo vrijeme i veličinu, onda bi logično za njih vrijeme trebalo usporiti i njihova bi se veličina trebala smanjiti, zar ne?

Sve je to bilo vrlo čudno i neshvatljivo, ali Einstein je predložio rješenje i spojio sve te fenomene u jednu teoriju relativnosti.