Kāpēc relativitātes patiesība: pierādījumi Einšteina teorijai

Alberts Einšteins

Alberta Einšteina slavenā relativitātes teorija ir apstiprinājusies reālajā pasaulē, to mēra aptumsumos, izkropļotajās galaktikās un pat Visuma uzbūvē. (Attēla kredīts: NASA)





Pols Sutters ir astrofiziķis Ohaio štata universitāte un galvenais zinātnieks plkst COSI zinātnes centrs . Sutters ir arī raidījuma ' Pajautājiet kosmonautam ' un ' Kosmosa radio , 'un noved AstroTours apkārt pasaulei. Sutters sniedza šo rakstu guesswhozoo.com ekspertu balsīm: Op-Ed & Insights.

Mēs visi zinām un mīlam pasaulē iecienītāko gravitācijas teoriju: vispārējo relativitāti (GR), ko vispirms sagatavoja pats Alberts Einšteins lieliskā varoņdarbā, kura pabeigšana un sniegšana prasīja septiņus gadus pārsteidzošas atziņas par to, kā darbojas pasaule.

Tas ir pietiekami vienkārši, lai pāris vienkāršos apgalvojumos pateiktu teorijas tukšo būtību: 'Matērija un enerģija norāda telpas laikam, kā saliekties, un telpas laika saliekšana nosaka, kā pārvietoties.' Bet faktiskais mehāniķis apraksta milzīgus 10 vienādojumus, un katrs no tiem ir ļoti grūts un ļoti saistīts ar citiem. [Einšteina vispārējās relativitātes teorija: vienkāršots skaidrojums]



Kā labiem skeptiķiem mums nevajadzētu uzreiz noticēt šim matemātikas mudžeklim, pat ja tas nāktu no neviena cita kā Einšteina smadzenēm. Tā vietā mums ir vajadzīgi pierādījumi. Labi pierādījumi.

Dievišķais vēstnesis

No visām savas jaunās teorijas iezīmēm Einšteins lepojās ar spēju izskaidrot dzīvsudraba orbītas detaļas. Šai iekšējai planētai ir nedaudz elipsveida orbīta, un šī elipse arvien lēnāk griežas ap sauli. Citiem vārdiem sakot, vieta, kur Merkurs atrodas vistālāk no saules, laika gaitā lēnām mainās.

Ja saules-dzīvsudraba sistēmai pielietojat vienkāršu Ņūtona gravitāciju, šīs izmaiņas laika gaitā sauc par precesiju , neparādās - Īzaks Ņūtons uzskata, ka tas ir nepilnīgs. Kad jūs pievienojat maigo gravitācijas spiedienu un pielāgošanu citu planētu dēļ, gandrīz visu precesiju var izskaidrot ... bet ne visu. Gadu sākumā tā bija plaši pazīstama Saules sistēmas dinamikas problēma, bet ne tāda, kas izraisīja daudz strīdu. Lielākā daļa cilvēku to vienkārši pievienoja arvien pieaugošajam “nedaudz dīvaino lietu, ko mēs nevaram izskaidrot par Visumu” sarakstam, un uzskatīja, ka kādu dienu mēs atradīsim ikdienišķu risinājumu.



Bet Einšteins nebija lielākā daļa cilvēku, un viņš domāja, ka Merkurs viņam dod pavedienu. Kad pēc vairāku gadu mēģinājumiem viņš spēja saliekt vispārējos relativistiskos muskuļus un precīzi izskaidrot dzīvsudraba orbitālās dīvainības, viņš zināja, ka beidzot ir uzlauzis gravitācijas kodu.

Liekuma gaisma

Pirms Einšteins pielika pēdējos pieskārienus lielajam GR, viņš nonāca pie pārsteidzošas atziņas par gravitācijas būtību. Ja jūs esat izolēts uz raķešu kuģa, kas paātrinās ar vienmērīgu un nemainīgu 1 g - nodrošinot tādu pašu paātrinājumu kā Zemes gravitācija - viss jūsu laboratorijā rīkosies tieši tāpat kā uz planētas virsmas, pamatoja Einšteins. Objekti nokritīs zemē tādā pašā ātrumā kā uz Zemes; jūsu kājas stingri paliks uz grīdas utt.

Šī līdzvērtība starp gravitāciju (kā tas ir pieredzēts uz Zemes) un paātrinājumu (kā pieredzēts raķetē) lika Einšteinam virzīties uz priekšu, lai izstrādātu savu teoriju. Bet šajā scenārijā slēpjas pārsteidzošs ieskats. Iedomājieties gaismas staru, kas iekļūst logā kosmosa kuģa kreisajā pusē. Kad gaisma šķērsos kosmosa kuģi, lai izietu, kur tas būs?



No ārējā novērotāja viedokļa atbilde ir acīmredzama. Gaisma pārvietojas pilnīgi taisnā līnijā, perpendikulāri raķetes ceļam. Laikā, kad gaisma iet cauri, raķete virzījās uz priekšu. Pēc tam gaisma iekļūs raķetē pie viena loga - teiksim, pie gala - un izies netālu no apakšas, tuvu dzinējiem.

Tomēr no kosmosa kuģa iekšpuses lietas šķiet dīvainas. Lai gaisma iekļūtu logā pie gala un izietu pie dzinējiem, staru ceļam jābūt izliektam. Patiešām, tieši to jūs redzat.

Un tā kā gravitācija ir tieši tāda pati kā paātrinājums, gaismai jāiet pa izliektiem ceļiem ap masīviem objektiem.

To ir grūti eksperimentāli novērot, jo, lai iegūtu nosakāmu efektu, jums ir nepieciešama liela masa un gaisma, kas iet tuvu virsmai. Taču 1919. gada Saules aptumsums izrādījās īstā iespēja, un sera Artura Eddingtona vadītā ekspedīcija atklāja precīzu tālu zvaigžņu gaismas novirzīšanos, kādu Einšteina topošā teorija bija paredzējusi. [ Kā pilnīgs Saules aptumsums palīdzēja pierādīt Einšteina tiesības attiecībā uz relativitāti ]

Redzot sarkanu

Vēl viens interesants rezultāts izriet no radošajiem domu eksperimentiem, kas saistīti ar vispārējo relativitāti. Šis secinājums balstās uz veco labo Doplera efektu, taču tas tiek piemērots nepazīstamam scenārijam.

Ja kaut kas attālinās no jums, tā radītā skaņa izstiepsies, pārejot uz zemākām frekvencēm - tas ir Doplera efekts. Tas pats attiecas uz gaismu: automašīna, kas attālinās no jums, šķiet arvien sarkanāka nekā tad, ja transportlīdzeklis stāvētu. (Jo sarkanāka gaisma, jo zemāka frekvence.)

Policisti var izmantot šīs maiņas priekšrocības, atslēdzot gaismu no automašīnas, lai jūs pamanītu ātruma pārsniegšanu. Nākamreiz, kad jūs pārvilksiet, varat izmantot iespēju pārdomāt gravitācijas būtību.

Tātad, ja kustība maina gaismas viļņa garumu, tad arī paātrinājums var notikt: mazliet gaismas, kas pārvietojas no paātrinošās raķetes apakšas uz augšu, piedzīvos sarkanā nobīde . Un saskaņā ar GR tas, kas attiecas uz paātrinājumu, attiecas uz smagumu. Tieši tā: no Zemes virsmas izstarotā gaisma pāries uz leju sarkanākās frekvencēs, jo tālāk tā ceļo.

Pagāja dažas desmitgades, lai pārliecinoši pierādītu šo prognozi, jo efekts ir tik niecīgs. Bet 1959. gadā Roberts Pounds un Glens Rebka ierosināja, izstrādāja, uzbūvēja un veica eksperimentu, kas ļāva viņiem izmērīt gaismas sarkano nobīdi, ceļojot dažus stāstus augšup pa Hārvardas universitātes Džefersona laboratoriju.

Nekad nepārtrauciet testēšanu

Pat ar visiem šiem pierādījumiem mēs turpinām pārbaudīt vispārējo relativitāti. Jebkura plaisas pazīme Einšteina lieliskajā darbā izraisītu jaunas gravitācijas teorijas izstrādi, iespējams, paverot ceļu šī spēka kvantu dabas atklāšanai. Tas ir kaut kas, ko mēs šobrīd vispār nesaprotam.

Bet visos aspektos GR iet cauri lidojošām krāsām; no jutīgiem satelītiem līdz gravitācijas lēcām, no zvaigžņu orbītas ap milzu melnajiem caurumiem gravitācijas viļņu viļņošanās un Visuma evolūcija Einšteina mantojums, visticamāk, saglabāsies diezgan ilgu laiku.

Uzziniet vairāk, klausoties epizodi 'Nopietni, kas ir gravitācija? (2. daļa)' podkastā “Jautāt kosmosa cilvēkam”, kas pieejams vietnē iTunes un tīmeklī vietnē http://www.askaspaceman.com . Paldies Andrew P., Joyce S., @Luft08, Ben W., Ter B., Colin E, Christopher F., Maria A., Brett K., bryguytheflyguy, @MarkRiepe, Kenneth L., Allison K., Phil B. un @shrenic_shah par jautājumiem, kas noveda pie šī gabala! Uzdodiet savu jautājumu Twitter, izmantojot #AskASpaceman vai sekojot Pāvilam @PaulMattSutter un facebook.com/PaulMattSutter . Seko mums @Spacedotcom , Facebook un Google+ . Oriģināls raksts par guesswhozoo.com .