Содержание
Что такое Общая теория относительности Эйнштейна?
Общая теория относительности является основным строительным блоком современной физики. Она объясняет гравитацию, основываясь на способности пространства «изгибаться», или, говоря точнее, связывает силу тяжести с изменяющейся геометрией пространства-времени. Альберт Эйнштейн основал «Общую» теорию относительности (ОТО) в 1915 году, через десять лет после создания «специальной» теории, применив универсальную скорость света и предположив, что законы физики остаются неизменными в любой данной системе отсчета. Но так ли сложна ОТО, как может показаться на первый взгляд?
Общая теория относительности – геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности
Общую теорию относительности Эйнштейна можно выразить всего в 12 словах:«пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как изгибаться». Но это краткое описание, сделанное физиком Джоном Уилером, скрывает более сложную и глубокую истину.
Помимо квантовой теории, общая теория относительности является одним из двух столпов современной физики – нашей рабочей теории гравитации и очень большой теории планет, галактик и Вселенной в целом. Она является продолжением специальной теории относительности Эйнштейна – но настолько массивной, что ему потребовалось 10 лет, с 1905 по 1915 год, чтобы перейти от одной к другой.
Как пишет New Scientist, согласно специальной теории относительности (СТО) движение искривляет пространство и время. ОТО Эйнштейна объединила ее с принципом, отмеченным Галилеем более трех столетий назад: падающие объекты ускоряются с одинаковой скоростью независимо от их массы.
Перо и молоток, упавшие с падающей Пизанской башни, ударятся о землю одновременно, если вы не учитываете сопротивление воздуха.
Вслед за Галилеем Исаак Ньютон показал, что это может быть верно только в том случае, если присутствует странное совпадение: инерционная масса, которая количественно определяет сопротивление тела ускорению, всегда должна быть равна гравитационной массе, которая количественно определяет реакцию тела на гравитацию.
Нет никакой очевидной причины, почему это должно быть так, но ни один эксперимент никогда не разделял эти две величины.
Точно так же, как он использовал постоянную скорость света для построения специальной теории относительности, Эйнштейн объявил это принципом природы: принципом эквивалентности. Вооружившись этим и новой концепцией пространства и времени как переплетенного «пространства-времени», вы можете построить картину, в которой гравитация является лишь формой ускорения.
Массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя предметы ускоряться по направлению к ним.
Хотя гравитация доминирует в больших космических масштабах и вблизи очень больших масс, таких как планеты или звезды, она на самом деле является самой слабой из четырех известных сил природы – и единственной, не объясненной квантовой теорией. Квантовая теория и общая теория относительности применяются в разных масштабах. Это мешает понять, что происходило в самые ранние моменты Большого взрыва, например, когда Вселенная была очень маленькой, а сила гравитации огромна.
В другой ситуации, когда эти силы сталкиваются у горизонта событий черной дыры, возникают неразрешимые парадоксы.
Например, квантовая механика имеет способы принимать во внимание такие понятия, как бесконечность, но если мы попытаемся сделать то же самое с общей теорией относительности, математика порождает предсказания, которые не имеют смысла.
Некоторые физики возлагают надежду на то, что однажды некая «теория всего» сможет объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, хотя такие попытки, как теория струн и теория петлевой квантовой гравитации, до сих пор не принесли никаких результатов. Между тем ОТО Эйнштейна предсказала, что очень плотные скопления массы могут исказить пространство-время настолько, что даже свет не сможет вырваться из него. Теперь мы называем эти объекты «черными дырами», можем фотографировать «горизонт событий», который окружает этих космических монстров, и практически убеждены, что в центре каждой массивной галактики вращается сверхмассивная черная дыра.
Математические уравнения общей теории относительности Эйнштейна, проверенные снова и снова, в настоящее время являются наиболее точным способом предсказания гравитационных взаимодействий, заменив разработанные Исааком Ньютоном за несколько столетий до этого.
Еще больше интересных статей о том, как устроена Вселенная вокруг нас, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Подписка позволяет читать статьи, которых нет на сайте.
Но, возможно, самый большой триумф общей теории относительности наступил в 2015 году, когда были открыты гравитационные волны – рябь в пространстве-времени, вызванная движением очень массивных объектов. Сигнал о том, что две черные дыры соединились и слились воедино, стал триумфом кропотливой, терпеливой работы, проделанной международной командой исследователей лабораторий LIGO VIRGO. Подробнее о том, как эксперты ищут гравитационные волны сегодня, читайте в увлекательном материале Ильи Хеля. Так или иначе, разработка квантово-физической «версии» общей теории относительности остается постоянной целью современной физики.
Квантовая физикаОбщая теория относительности
Для отправки комментария вы должны или
Теория относительности успешно прошла тест длительностью в 16 лет
Новости
27 декабря 2021
—
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна, опубликованная еще в 1915 году, в очередной раз успешно прошла один из самых сложных тестов, который длился практически 16 лет. Научная группа из Института Макса Планка (Германия), Национальной научной службы Австралии и института CSIRO использовала для этого наблюдения радиотелескопов в разных уголках земного шара, включая и известный радиотелескоп Паркса.
«Общая теория относительности описывает, как именно гравитация работает на самых крупных уровнях масштаба во Вселенной, но эта теория «ломается» на уровне атомов и субатомных частиц, там, где безраздельно властвуют законы квантовой механики» — пишут исследователи, — «Нам было нужно найти способ проверки теории Эйнштейна на некотором промежуточном уровне для того, чтобы увидеть пределы ее достоверности».
И подходящая для такой проверки «космическая лаборатория», система из двух пульсаров, находящаяся на удалении 2400 световых лет от Земли, была найдена в 2003 году при помощи радиотелескопа Паркса.
«Наши наблюдения за двойным пульсаром за прошлые 16 лет удивительно точно согласовываются с теорией относительности Эйнштейна» — пишут исследователи, — «Точность согласования составляет 99.99 процентов».
Как это следует из названия, система двойного пульсара состоит из двух пульсаров, вращающихся с большой скоростью компактных нейтронных звезд, испускающих периодические радиосигналы и создающих весьма сильные гравитационные поля.
Один из пульсаров совершает 45 оборотов за секунду, а второй вращается несколько медленней, за одну секунду он совершает 2.8 оборота. Вокруг друг друга эти нейтронные звезды движутся по орбите, период которой равен 2.5 часа. Согласно общей теории относительности, предельные силы и ускорения, возникающие в этой системе, колеблют саму основу пространственно-временного континуума, а возникающие гравитационные волны постоянно отбирают у звезд энергию и постепенно замедляют всю систему в целом.
Согласно расчетам, эти два пульсара должны будут столкнуться через 85 миллионов лет.
Такие небольшие изменения энергетики системы двойного пульсара достаточно тяжело обнаружить на протяжении короткого периода времени. К счастью сами пульсары, точнее, их периодичные радиосигналы, являются прекрасным инструментом для отслеживания даже самых маленьких изменений.
Используя сеть радиотелескопов Very Long Baseline Array, разбросанных по всему земному шару, астрономы зарегистрировали точные параметры около 20 миллиардов «тиков» двойного пульсара. Такого огромного количества данных стало достаточным для расчетов и определения самых мелких отклонений позиции каждой нейтронной звезды с дискретностью в один год.
И, как уже упоминалось выше, полученные результаты совпали с предсказаниями Общей теории относительности Альберта Эйнштейна на 99.99 процента.
«Но в будущем, когда в нашем распоряжении появятся новые и более совершенные радиотелескопы, мы снова вернемся к этой задаче» — пишут исследователи, — «Мы все еще надеемся найти какие-то трещины в теории Эйнштейна, и если это получится, это приведет к разработке новой теории гравитации, которая будет в большей степени соответствовать реальному положению вещей».
Поделиться
Отправить
Твитнуть
Отправить
Научный портал «Атомная энергия 2.0“ – это открытое к сотрудничеству прогрессивное цифровое СМИ с элементами управления ядерными знаниями, семантического анализа и ценностного лидерства, ставящее своей целью решение ключевых социально-ориентированных задач фундаментальной системообразующей атомной отрасли:
– образования и общения широкой общественности и специалистов об инновационном развитии экологически устойчивых, эффективных и полезных ядерных и радиационных наук и технологий в России и мире,
– формирования популярного сообщества ученых, инноваторов, деловых, государственных, общественных и экологических лидеров, открыто поддерживающих их дальнейшее развитие и изучение,
– формирования популярного сообщества компаний и организаций, открыто обменивающихся передовым опытом, знаниями, культурой, возможностями, инновациями и инициативами,
– и поддержки и привлечения талантливой и амбициозной молодежи к реализации длительных и успешных профессиональных карьер в атомной и смежных индустриях.
Мы предлагаем Вашей организации стать одним из партнеров нашего просветительского проекта и получить уникальный пакет профессиональных коммуникационных и рекламных услуг.
Почему нужна атомная энергетика?
Развитие физики в СССР. Кн. 1. — 1967 — Электронная библиотека «История Росатома»
Развитие физики в СССР. Кн. 1. — 1967 — Электронная библиотека «История Росатома»
Главная → Указатель произведений
ЭлектроннаябиблиотекаИстория Росатома
Ничего не найдено.
Загрузка результатов…
Закладки
ОбложкаIIIIIIIVVVI пустаяVIIVIIIIXXX вкл.XIXIIXIIIXIVXV12 пустая3456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152 пустая153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250250 вкл.
251252253254255256 пустая257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280280 вкл.281282283284284 вкл.285286287288288 вкл.289290290 вкл.291292292 вкл.293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328328 вкл.329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430431432432 вкл.433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452Обложка (с. 4)
Увеличить/уменьшить масштаб
По ширине страницы
По высоте страницы
Постранично/Разворот
Поворот страницы
Навигация по документу
Закладки
Поиск в издании
Структура документа
Скопировать текст страницы
(работает в Chrome 42+,
Microsoft Internet Explorer и Mozilla FireFox
c установленным Adobe Flash Player)
Добавить в закладки
Текущие страницы выделены рамкой.
Содержание
ОбложкаОбложка
IТитульные листы
VIIПредисловие
IXВведение
1Теоретические основы физики
3
Ширков Д. В., Медведев Б. В., Павлов В. П.
Теория квантованных полей 19
Ахиезер А. И.
Квантовая электродинамика 35
Измайлов С. В.
Классическая электродинамика и частная теория относительности 58
Петров А. З.
Общая теория относительности 74
Левич В. Г., Крылов В. С.
Статистическая физика 99
Ахутин А. В.
Термодинамика 113
Гуревич Л. Э.
Физическая кинетика 141
Гуревич Л. Э.
Теория плазмы
151Электромагнитные процессы и физическая электроника
153
Комельков В. С., Спивак Г. В.
Физика газового разряда 182
Моргулис Н. Д., Городецкий Д. А.
Эмиссионная электроника 197
Явор С. Я.
Электронная оптика 209
Мигулин В. В.
Радиофизика 233
Дунская И. М.
Квантовая электроника
255Физика атомных и молекулярных систем
257
Лифшиц И. М., Каганов М. И.
Теория твердого тела 274
Юрин В.
А.
Кристаллография 297
Жданов Г. С.
Механические свойства твердого тела 303
Горелик Б. В.
Физика диэлектриков 323
Регель А. Р., Соминский М. С.
Полупроводники 344
Дорфман Я. Г.
Магнетизм 358
Фишер И. З.
Физика жидкостей 377
Балабекян О. И.
Физика низких температур 430
Верещагин Л. Ф., Ицкевич Е. С., Яковлев Е. Н.
Физика высоких давлений
450Содержание
452Концевая страница
Обложка (с. 4)Обложка
Обращаясь к сайту «История Росатома — Электронная библиотека»,
я соглашаюсь с условиями использования представленных там материалов.
Правила сайта (далее – Правила)
- Общие положения
- Настоящие правила определяют порядок и условия использования материалов, размещенных на сайте www.biblioatom.ru (далее именуется Сайт), а также правила использования материалов Сайтом и порядок
взаимодействия с Администрацией Сайта. - Любые материалы, размещенные на Сайте, являются объектами интеллектуальной собственности (объектами авторского права или смежных прав, а также прав на средства индивидуализации).
Права Администрации
Сайта на указанные материалы охраняются законодательством о правах на результаты интеллектуальной деятельности. - Использование материалов, размещенных на Сайте, допускается только с письменного согласия Администрации Сайта или иного правообладателя, прямо указанного на конкретном материале, размещенном на
Сайте, или в непосредственной близости от указанного материала. - Права на использование и разрешение использования материалов, размещенных на Сайте, принадлежащих иным правообладателям, нежели Администрация Сайта, допускается с разрешения таких правообладателей
или в соответствии с условиями, установленными такими правообладателями. Никакое из положений настоящих Правил не дает прав третьим лицам на использование материалов правообладателей, прямо указанных на
конкретном материале, размещенном на Сайте, или в непосредственной близости от указанного материала. - Настоящие Правила распространяют свое действие на следующих пользователей: информационные агентства, электронные и печатные средства массовой информации, любые физические и юридические лица, а также
индивидуальные предприниматели (далее — «Пользователи»).
- Настоящие правила определяют порядок и условия использования материалов, размещенных на сайте www.biblioatom.ru (далее именуется Сайт), а также правила использования материалов Сайтом и порядок
- Использование материалов. Виды использования
- Под использованием материалов Сайта понимается воспроизведение, распространение, публичный показ, сообщение в эфир, сообщение по кабелю, перевод, переработка, доведение до всеобщего сведения и иные
способы использования, предусмотренные действующим законодательством Российской Федерации. - Использование материалов Сайта без получения разрешения от Администрации Сайта не допустимо.
- Внесение каких-либо изменений и/или дополнений в материалы Сайта запрещено.
- Использование материалов Сайта осуществляется на основании договоров с Администрацией Сайта, заключенных в письменной форме, или на основании письменного разрешения, выданного Администрацией Сайта.
- Запрещается любое использование (бездоговорное/без разрешения) фото-, графических, видео-, аудио- и иных материалов, размещенных на Сайте, принадлежащих Администрации Сайта и иным правообладателям
(третьим лицам).
- Стоимость использования каждого конкретного материала или выдача разрешения на его использование согласуется Пользователем и Администрацией Сайта в каждом конкретном случае.
- В случае необходимости использования материалов Сайта, права на которые принадлежат третьим лицам (иным правообладателям, нежели Администрация Сайта, о чем прямо указано на таких материалах либо в
непосредственной близости от них), Пользователи обязаны обращаться к правообладателям таких материалов для получения разрешения на использование материалов.
- Под использованием материалов Сайта понимается воспроизведение, распространение, публичный показ, сообщение в эфир, сообщение по кабелю, перевод, переработка, доведение до всеобщего сведения и иные
- Обязанности Пользователей при использовании материалов Сайта
- 3.1. При использовании материалов Сайта в любых целях при наличии разрешения Администрации Сайта, ссылка на Сайт обязательна и осуществляется в следующем виде:
- в печатных изданиях или в иных формах на материальных носителях Пользователи обязаны в каждом случае использования материалов указать источник – электронная библиотека «История Росатома»
(www. biblioatom.ru)
- в интернете или иных формах использования в электронном виде не на материальных носителях, Пользователи в каждом случае использования материалов обязаны разместить гиперссылку на Сайт —
электронная
библиотека «История Росатома» (www.biblioatom.ru), гиперссылка должна являться активной и прямой, при нажатии на которую Пользователь переходит на конкретную страницу Сайта, с которой заимствован
материал. - Ссылка на источник или гиперссылка, указанные в пп. 3.1.1 и 3.1.2. настоящих Правил, должны быть помещены Пользователем в начале используемого текстового материала, а также непосредственно
под используемым аудио-, видео-, фотоматериалом, графическим материалом Администрации Сайта.
- в печатных изданиях или в иных формах на материальных носителях Пользователи обязаны в каждом случае использования материалов указать источник – электронная библиотека «История Росатома»
- Размеры шрифта ссылки на источник или гиперссылки не должны быть меньше размера шрифта текста, в котором используются материалы Сайта, либо размера шрифта текста Пользователя, сопровождающего аудио-,
видео-, фотоматериалы и графические материалы Сайта, а также цвет ссылки должен быть идентичен цветам ссылок на Сайте и должен быть видимым Пользователю.
- Использование материалов с Сайта, полученных из вторичных источников (от иных правообладателей, нежели Администрация Сайта, о чем прямо указано на таких материалах либо в непосредственной близости от
них), возможно только со ссылкой на эти источники и, в случае необходимости, установленной такими источниками (правообладателями), — с их разрешения. - Не допускается переработка оригинального материала (произведения), взятого с Сайта, в том числе сокращение материала, иная его переработка, в том числе приводящая к искажению его смысла.
- 3.1. При использовании материалов Сайта в любых целях при наличии разрешения Администрации Сайта, ссылка на Сайт обязательна и осуществляется в следующем виде:
- Права на материалы третьих лиц, урегулирование претензий
- Материалы, права на которые принадлежат третьим лицам, размещенные на Сайте, размещены либо с разрешения правообладателя, полученного Администрацией Сайта, либо, в случае, если таковое использование
прямо не запрещено правообладателем, в соответствии с Законодательством РФ в информационных целях с обязательным указанием имени автора, материал которого используется, и источника заимствования.
- В случае, если в обозначении авторства материалов в соответствии с п. 4.1. настоящих Правил содержится ошибка, или в случае использования материала с предполагаемым или реальным нарушением прав
третьих лиц, или в иных спорных случаях использования объектов интеллектуальной собственности, размещенных на Сайте, в том числе в случае, когда права третьего лица тем или иным образом нарушаются с
использованием Сайта, применяется следующая схема урегулирования претензий третьих лиц к Администрации Сайта:- в адрес Администрации Сайта по электронной почте на адрес [email protected] направляется претензия, содержащая информацию об объекте интеллектуальной собственности, права на который
принадлежат
заявителю и который используется незаконно посредством Сайта или с нарушением правил использования, или иным образом права заявителя как обладателя исключительного права на объект интеллектуальной
собственности, размещенный на Сайте, нарушены посредством Сайта, с приложением документов, подтверждающих правомочия заявителя, данные о правообладателе и копия доверенности на действия от лица
правообладателя, если лицо, направляющее претензию, не является руководителем компании правообладателя или непосредственно физическим лицом — правообладателем. В претензии также указывается адрес
страницы
Сайта, которая содержит данные, нарушающие права, и излагается полное описание сути нарушения прав; - Администрация Сайта обязуется рассмотреть надлежаще оформленную претензию в срок не менее 5 (пяти) рабочих дней с даты ее получения по электронной почте. Администрация Сайта обязуется
уведомить
заявителя о результатах рассмотрения его заявления (претензии) посредством отправки письма по электронной почте на адрес, указанный заявителем, а также направить ответ в письменном виде на адрес,
указанный заявителем (в случае неуказания такового адреса отправки, обязательство по предоставлению письменного ответа на претензию с Администрации Сайта снимается). В том числе, Администрация
Сайта
вправе запросить дополнительные документы, свидетельства, данные, подтверждающие законность предъявляемой претензии. В случае признания претензии правомерной, Администрация Сайта примет все
возможные
меры, необходимые для прекращения нарушения прав заявителя и урегулирования претензии; - Администрация Сайта в любом случае предпринимает все возможные меры к скорейшему удовлетворению обоснованных претензий третьих лиц и стремиться к максимально скорому урегулированию всех
спорных
вопросов.
- в адрес Администрации Сайта по электронной почте на адрес [email protected] направляется претензия, содержащая информацию об объекте интеллектуальной собственности, права на который
- Материалы, права на которые принадлежат третьим лицам, размещенные на Сайте, размещены либо с разрешения правообладателя, полученного Администрацией Сайта, либо, в случае, если таковое использование
- Прочие условия
- Администрация Сайта оставляет за собой право изменять настоящие Правила в одностороннем порядке в любое время без уведомления Пользователей. Любые изменения будут размещены на Сайте. Изменения
вступают в силу с момента их опубликования на Сайте. - По всем вопросам использования материалов Сайта Пользователи могут обращаться к Администрации Сайта по следующим координатам: [email protected]
- Во всем, что не урегулировано настоящими Правилами в отношении вопросов использования материалов на Сайте, стороны руководствуются положениями Законодательства РФ.
- Администрация Сайта оставляет за собой право изменять настоящие Правила в одностороннем порядке в любое время без уведомления Пользователей. Любые изменения будут размещены на Сайте. Изменения
Права Администрации
biblioatom.ru)
В претензии также указывается адрес
СогласенНе согласен
Общая теория относительности Эйнштейна поставлена под сомнение, но «пока» остается в силе – Обсерватория В. М. Кека
Художественная визуализация звезды S0-2, проходящей мимо сверхмассивной черной дыры в Галактическом центре.
Предоставлено: Николь Р. Фуллер, Национальный научный фонд. общая теория относительности, она начинает трещать по краям, говорит Андреа Гез, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Теперь, когда Гез и ее исследовательская группа провели наиболее полную проверку общей теории относительности вблизи чудовищной черной дыры в центре нашей галактики 25 июля в журнале Наука , подтверждающая общую теорию относительности Эйнштейна.
«Эйнштейн прав, по крайней мере, на данный момент», — сказал Гез, один из ведущих авторов исследования. «Мы можем абсолютно исключить закон всемирного тяготения Ньютона. Наши наблюдения согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна. Однако его теория определенно демонстрирует уязвимость. Она не может полностью объяснить гравитацию внутри черной дыры, и в какой-то момент нам нужно будет выйти за рамки теории Эйнштейна и перейти к более всеобъемлющей теории гравитации, объясняющей, что такое черная дыра».
Общая теория относительности Эйнштейна 1915 года утверждает, что то, что мы воспринимаем как силу гравитации, возникает из-за искривления пространства и времени.
Ученый предположил, что такие объекты, как Солнце и Земля, изменяют эту геометрию. Теория Эйнштейна — лучшее описание того, как работает гравитация, сказал Гез, чья команда астрономов под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе провела прямые измерения явления вблизи сверхмассивной черной дыры — исследование, которое Гез называет «экстремальной астрофизикой».
законы физики, включая гравитацию, должны действовать повсюду во Вселенной,
— сказала Гез, добавив, что ее исследовательская группа — одна из двух групп в
мира, чтобы увидеть, как звезда, известная как S0-2, совершает полный оборот по орбите в трех измерениях.
вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Полный
орбите занимает 16 лет, а масса черной дыры примерно в четыре миллиона раз
что от солнца.
Исследователи говорят, что их работа является самым подробным исследованием сверхмассивной черной дыры и общей теории относительности Эйнштейна из когда-либо проводившихся.
Ключевыми данными в исследовании были спектры, которые команда Гез проанализировала в апреле, мае и сентябре, когда ее «любимая звезда» максимально приблизилась к огромной черной дыре. Спектры, которые Гез назвал «радугой света» от звезд, показывают интенсивность света и дают важную информацию о звезде, от которой исходит свет. Спектры также показывают состав звезды. Эти данные были объединены с измерениями, которые Гез и ее команда провели за последние 24 года.
Спектры, собранные в обсерватории В. М. Кека на Гавайях с помощью спектрографа, построенного в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе группой под руководством его коллеги Джеймса Ларкина, обеспечивают третье измерение, раскрывая движение звезды с недостижимым ранее уровнем точности (изображения звезды, исследователи из обсерватории Кека предоставили два других измерения).
По словам Гез, прибор Ларкина принимает свет от звезды и рассеивает его, подобно тому, как капли дождя рассеивают солнечный свет, создавая радугу.
«Что
настолько особенным в S0-2 является то, что у нас есть его полная орбита в трех измерениях», — сказал
Гез, который занимает кафедру Лорен Б. Лейхтман и Артур Э. Левин в
Астрофизика. «Вот что дает нам входной билет на тесты общего
относительность. Мы спросили, как ведет себя гравитация вблизи сверхмассивной черной дыры, и
расскажет ли нам теория Эйнштейна всю историю. Видя, как звезды проходят
их полная орбита дает первую возможность проверить фундаментальную физику
используя движения этих звезд».
Гез
Исследовательская группа смогла увидеть смешение пространства и времени вблизи
сверхмассивная черная дыра. «В ньютоновской версии гравитации пространство и время
разделяйте и не смешивайтесь; при Эйнштейне они полностью смешались
рядом с черной дырой, — сказала она.
«Изготовление
измерение такой фундаментальной важности потребовало многих лет терпения
наблюдения, обеспечиваемые самыми современными технологиями», — сказал Ричард Грин,
директор отдела астрономии Национального научного фонда
наук. Более двух десятилетий дивизия поддерживала Гез,
наряду с несколькими техническими элементами, критически важными для исследования
открытие команды. «Благодаря своим неустанным усилиям Гез и ее сотрудники
произвели важное подтверждение идеи Эйнштейна о сильном
сила тяжести.»
Кек
Директор обсерватории Хилтон Льюис назвал Гез «одним из наших самых увлеченных и
стойкие пользователи Keck». «Ее последнее новаторское исследование, — сказал он, — это
кульминация непоколебимой приверженности за последние два десятилетия, чтобы открыть
Тайны сверхмассивной черной дыры в центре нашего Млечного Пути
галактика».
Исследователи изучали фотоны — частицы света — на пути от S0-2.
на Землю. S0-2 движется вокруг черной дыры с молниеносной скоростью более 16
миллионов миль в час при ближайшем сближении.
Эйнштейн сообщил, что в
В этой области, близкой к черной дыре, фотонам приходится выполнять дополнительную работу. Их
Длина волны, когда они покидают звезду, зависит не только от того, насколько быстро движется звезда.
движущихся, но и от того, сколько энергии тратят фотоны, чтобы покинуть черную
мощное гравитационное поле дыры. Рядом с черной дырой гравитация намного
сильнее, чем на Земле.
Гез
прошлым летом была предоставлена возможность представить частичные данные, но она предпочла этого не делать.
чтобы ее команда могла сначала тщательно проанализировать данные. «Мы учимся, как
гравитация работает. Это одна из четырех фундаментальных сил, которую мы протестировали.
по крайней мере, — сказала она. «Есть много регионов, где мы просто не спрашивали, как
здесь работает гравитация? Легко быть самонадеянным, и есть много способов
неправильно интерпретировать данные, множество способов, которыми небольшие ошибки могут накапливаться в
существенные ошибки, поэтому мы не торопились с анализом».
Художник визуализирует, как звезда S0-2 приближается к сверхмассивной черной дыре в центре Млечного Пути и вызывает гравитационное красное смещение, предсказанное общей теорией относительности Эйнштейна. Наблюдая за этим красным смещением, мы можем проверить теорию гравитации Эйнштейна. Предоставлено: Николь Р. Фуллер, Национальный научный фонд
Гез,
в 2008 году получил стипендию Макартура «Гений», изучает более 3000
звезд, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры. Сотни из них молодые, она
сказал, в регионе, где астрономы не ожидали их увидеть.
Это
фотонам из S0-2 требуется 26 000 лет, чтобы достичь Земли. «Мы так взволнованы,
и годами готовились к этим измерениям», — сказал Гез, который
руководит группой Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Для нас это
интуитивно, это сейчас — но на самом деле это произошло 26 000 лет назад!»
Это
является первым из многих тестов общей теории относительности, которые исследовательская группа Гез будет
проводят на звезды вблизи сверхмассивной черной дыры.
Среди звезд, которые больше всего
ее интересует S0-102, у которого самая короткая орбита, за 11 1/2 лет
совершить полный оборот вокруг черной дыры. Большинство звезд Гез изучает
имеют орбиты намного дольше, чем продолжительность жизни человека.
Гез
команда проводила измерения примерно каждые четыре ночи в критические периоды 2018 года.
с помощью обсерватории Кека, которая находится на вершине спящего вулкана Мауна-Кеа на Гавайях.
и содержит один из крупнейших и лучших в мире оптических и инфракрасных
телескопы. Измерения также проводятся с помощью оптико-инфракрасного телескопа на
Обсерватория Джемини и телескоп Субару, также на Гавайях. Она и ее команда имеют
использовали эти телескопы как на месте на Гавайях, так и удаленно с места наблюдения
комната на факультете физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Черный
дыры имеют такую высокую плотность, что ничто не может избежать их гравитационного притяжения,
даже не свет. (Их нельзя увидеть напрямую, но их влияние на близлежащие
звезд виден и обеспечивает подпись.
Как только что-то пересекает «событие
горизонт» черной дыры, она не сможет выбраться. Однако звезда S0-2
все еще довольно далеко от горизонта событий, даже при его максимальном приближении, поэтому
его фотоны не втягиваются.)
Ghez’s
соавторами являются Туан До, ведущий автор научной статьи, исследования Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
ученый и заместитель директора группы Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Орельен Хис,
бывший докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, ныне научный сотрудник Парижской обсерватории;
Марк Моррис, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Эрик Беклин, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе
почетный профессор физики и астрономии; Смадар Наоз, ассистент Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе
профессор физики и астрономии; Джессика Лу, бывшая аспирантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе
который сейчас является доцентом астрономии Калифорнийского университета в Беркли; выпускник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе
студент Девин Чу; Грег Мартинес, ученый проекта Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Шоко Сакаи, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе
научный сотрудник; Сёго Нишияма, доцент Японского
Педагогический университет Мияги; и Райнер Шедель, исследователь из испанского
Институт астрофизики Андалусии.
Национальный научный фонд финансировал исследования Гез в течение последних 25 лет. Совсем недавно ее исследование также было поддержано Фондом WM Keck, Фондом Гордона и Бетти Мур и Фондом Хейзинга-Саймонса.
В
В 1998 году Гез ответил на один из самых важных вопросов астрономии, помогая
показать, что сверхмассивная черная дыра находится в центре нашего Млечного Пути
галактика. Этот вопрос был предметом многочисленных дискуссий среди астрономов.
более четверти века.
А
мощная технология, которую Гез помог внедрить, называемая адаптивной оптикой,
корректирует искажающие эффекты атмосферы Земли в режиме реального времени. С
адаптивной оптики в обсерватории Кека, Гез и ее коллеги обнаружили много
сюрпризы об окружающей среде, окружающей сверхмассивные черные дыры. За
например, они открыли молодые звезды там, где их не ожидали увидеть, и
отсутствие старых звезд там, где многие ожидались. Неясно, является ли S0-2
молодой или просто маскируется под молодую звезду, сказал Гез.
В
В 2000 году она и ее коллеги сообщили, что астрономы впервые увидели
звезды ускоряются вокруг сверхмассивной черной дыры. В 2003 году Гез
сообщил, что аргументы в пользу черной дыры Млечного Пути укрепились
существенно и что все предложенные альтернативы могут быть исключены.
В
В 2005 году Гез и ее коллеги сделали первый четкий снимок
центр Млечного Пути, включая область, окружающую черную дыру, в Кеке
Обсерватория. А в 2017 году исследовательская группа Гез сообщила, что S0-2 не имеет
звезда-компаньон, разгадывающая еще одну загадку.
ОБ АДАПТИВНОЙ ОПТИКЕ
Обсерватория им. В. М. Кека является выдающимся лидером в области адаптивной оптики (АО), революционной технологии, которая устраняет искажения, вызванные турбулентностью в атмосфере Земли. Обсерватория Кека стала пионером в астрономическом использовании как естественной опорной звезды (NGS), так и адаптивной оптики лазерной опорной звезды (LGS AO) на больших телескопах, и современные системы теперь обеспечивают изображения в три-четыре раза более четкие, чем космический телескоп Хаббла.
Keck AO сфотографировал четыре массивные планеты, вращающиеся вокруг звезды HR879.9 измерил массу гигантской черной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь, обнаружил новые сверхновые в далеких галактиках и определил конкретные звезды, которые были их прародителями. Эту технологию щедро поддержали Фонд Боба и Рене Парсонс, Фонд Change Happens, Фонд Гордона и Бетти Мур, Астрономический фонд горы Куба, НАСА, Национальный научный фонд и Фонд В. М. Кека.
ОБ ОБСЕРВАТОРИИ им. В. М. Кека
Телескопы обсерватории им. В. М. Кека являются наиболее научно
продуктивно на Земле. Два 10-метровых оптических/инфракрасных телескопа на вершине
Маунакеа на острове Гавайи оснащен набором современных инструментов.
включая тепловизоры, многообъектные спектрографы, спектрографы высокого разрешения,
спектрометры с интегральным полем и ведущий в мире лазерный указатель с адаптивной звездой
системы оптики. Представленные здесь данные были получены в лаборатории W. M. Keck.
Обсерватория, которая действует как научное партнерство Калифорнийского
Технологический институт, Калифорнийский университет и Национальный
Управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.
Обсерватория стала возможной благодаря
щедрая финансовая поддержка Фонда В. М. Кека. Авторы признают
и признать очень важную культурную роль, которую вершина Маунакеа
всегда было в сообществе коренных жителей Гавайев. Нам больше всего повезло
иметь возможность вести наблюдения с этой горы.
100 лет общей теории относительности
- Барб Мэтсон
- 25 ноября 2015 г.
- Комментарии к записи 100 лет общей теории относительности отключены
На этой неделе исполняется 100 лет общей теории относительности Эйнштейна. 25 ноября 1915 года Эйнштейн опубликовал уравнения гравитационного поля, лежащие в основе общей теории относительности.
Конечно, вы слышали об Эйнштейне — он был умным парнем. И вы, наверное, слышали об общей теории относительности, но что она означает? И, что еще более важно, почему вас это должно волновать?
Уравнения общей теории относительности Эйнштейна были впервые опубликованы 25 ноября 1915 года в Proceedings of the Royal Prussian Academy of Science.
Проблемы с чтением страницы? Это на немецком! Название переводится как: «Уравнения гравитационного поля». Предоставлено: Proceedings of the Royal Prussian Academy of Sciences, Berlin
Более чем за два столетия до Эйнштейна гравитация описывалась законом всемирного тяготения Ньютона. Если вы изучали физику в средней школе, вы, вероятно, узнали об этом. Возможно, вы даже проводили эксперимент, вычисляя ускорение свободного падения падающего на Землю объекта (вы даже помните, что оно равно 90,8 м/с 2 ). Оказывается, ньютоновское формирование гравитации отлично подходит для большинства практических целей здесь, на Земле.
Но в 1905 году Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности, которая показала, что пространство и время переплетаются как единая структура, которую он назвал пространство-время. Затем, в течение следующего десятилетия, он работал над тем, чтобы включить гравитацию в эту картину. Результатом стала общая теория относительности.
В своей основе общая теория относительности — это способ описать гравитацию, приписывая ее искривлению пространства-времени, возникающему в присутствии массивных тел.
Массивные объекты заставляют пространство-время растягиваться. Один из способов подумать об этом — представить, что между парой человек натягивается кусок ткани, а затем бросается в середину софтбольный мяч. Мяч оставит вмятину на ткани. Затем, если вы прокатите небольшой мяч по ткани, он будет казаться притянутым к софтболу, хотя на самом деле он просто следует за вмятиной на ткани. Это не полная картина того, как работают гравитация и общая теория относительности, но это хороший способ начать осваивать теорию Эйнштейна.
Массивные объекты заставляют пространство-время искривляться подобно тому, как тяжелый мяч создает углубление в растянутом куске ткани. (Фото: NASA/GSFC/J. Friedlander)
Эйнштейн понял, что традиционное гравитационное поле можно понимать как движение частиц — звезд, планет и даже света — на растянутой и искривленной поверхности пространства-времени.
Гравитацию можно рассматривать как движение частиц в искривленном пространстве-времени. Предоставлено: NASA
Хотя концепция кажется простой, формулировка общей теории относительности сложна.
Одна из причин того, что общая теория относительности кажется нам такой чуждой, заключается в том, что ее эффекты незаметны с нашей точки зрения. Они вступают в игру, только если вы хотите сделать очень точные измерения гравитации, если вы путешествуете со скоростью, близкой к скорости света, или если вы случайно оказались в области экстремальной гравитации (например, очень, очень близко к черной дыре).
Однако есть одно место, где вы сталкиваетесь с относительностью изо дня в день. Вы знаете этот смартфон в вашем кармане? Тот, который вы используете, чтобы проложить путь к новому ресторану? Или пометить свое местоположение на картинке? Это зависит от технологии GPS, которая нуждается в общей и специальной теории относительности для правильной работы.
GPS использует радиосигналы от сети спутников, вращающихся вокруг Земли на высоте 20 000 км, для точного определения местоположения приемника GPS. Точность позиционирования GPS зависит от точности измерения времени в миллиардные доли секунды.
Однако для достижения такой точности синхронизации необходимо учитывать относительность.
Сеть спутников глобального позиционирования (GPS) передает радиосигналы для точного определения местоположения приемников GPS (например, вашего смартфона) на поверхности Земли. (Фото: НАСА/GSFC)
Специальная теория относительности показывает, что если мы поместим часы на спутник и сравним записанное время с такими же часами в нашей системе отсчета на Земле, то покажется, что часы спутника отстают. Для спутников GPS эта разница составляет около 7 микросекунд в сутки. С другой стороны, общая теория относительности показывает, что те же часы будут идти на 45 микросекунд в день быстрее .
Комбинированный эффект теории относительности заключается в том, что часы на спутниках идут быстрее примерно на 38 микросекунд каждый день. Это звучит как крошечная сумма — какая разница? Ну, если не учитывать эти релятивистские эффекты, ошибки будут накапливаться примерно на 10 км в день.
А тот новый ресторан, который вы хотели посетить? Он не будет находиться рядом с тем местом, где, по мнению GPS, он должен быть!
ССЫЛКИ:
* Занимаемся астрономией с закрытыми глазами (гостевой блог Blueshift Айры Торп)
* Кому какое дело до гравитации? (гостевой блог Blueshift, автор Umburto Cannella)
Теги: гравитационные волны, гравитация
Эп. 44: Общая теория относительности Эйнштейна
Фрейзер Кейн: Итак, на этой неделе мы собираемся вернуться и сделать вторую часть эпизода, который мы начали с девятого эпизода. Еще в девятом эпизоде мы рассмотрели специальную теорию относительности Эйнштейна, но это только половина картины относительности. Великий ученый оказал еще более глубокое влияние на физику своей общей теорией относительности, заменив Ньютона лучшей моделью гравитации. 92, которое появлялось везде, от Симпсонов до почти всех других телевизионных и мультипликационных вещей, где угодно.
Затем он продолжил работу, пытаясь выяснить, что люди/наблюдатели, путешествующие с разной скоростью, воспринимают относительно друг друга.
В итоге мы получаем изящные эффекты, такие как замедление времени, увеличение массы по мере того, как вы двигаетесь быстрее… в итоге мы получаем просто множество действительно странных, изящных мысленных экспериментов, которые мы подробно рассмотрели в девятом шоу.
Одна вещь, которая не вышла из специальной теории относительности, — это то, как гравитация влияет на все это. В общем, все, что обсуждается в специальной теории относительности, просто имеет дело с: «Итак, вы двигаетесь. Давайте обсудим предложение». Он не вдается в подробности о силе гравитации и о том, как она заставляет вещи ускоряться. Эйнштейн пытался понять, как ввести гравитацию, и на это у него ушло несколько лет. В 1916 он выступил со своей обобщенной теорией относительности, которая ввела гравитацию.
Фрейзер: Итак, каковы основы этой теории?
Памела: До Эйнштейна люди рассматривали гравитацию просто как силу: чем больше масса чего-либо, тем больше оно будет притягивать другие объекты с этой массой.
После Эйнштейна наш взгляд на это немного изменился. Пожалуй, лучше всего ее резюмировал Джон Уиллер, сказавший, что геометрическую теорию гравитации Эйнштейна можно резюмировать так: пространство-время указывает материи, как двигаться, а материя сообщает пространству-времени, как искривляться.
Это означает, что вместо того, чтобы рассматривать материю как нечто, проявляющее некую невидимую магическую силу, он вместо этого смог представить вселенную в четырех измерениях и увидеть массу как способ искривления формы пространства, так что, когда я Я падаю на Землю, не то чтобы меня притягивала какая-то сила, скорее геометрия заставляет меня спускаться вниз в гравитацию.
Фрейзер: Это изображение, которое вы всегда видите, когда мяч подвешен на каком-то листе резины, и на резине есть сетка, и чем тяжелее мяч, тем мяч как бы вдавливается в этот лист резины и так далее. если у вас есть какой-то объект, вращающийся вокруг шара, вы можете увидеть, как он будет пытаться следовать по прямой линии, но на самом деле он движется по кривой линии, потому что более тяжелый объект на самом деле искажает пространство-время вокруг него.
Памела: Спутник — это не что иное, как шарикоподшипник, вращающийся внутри изогнутой чаши. Это просто другой способ визуализации пространства и времени, который Эйнштейн каким-то образом смог придумать. Каждый эксперимент, который мы когда-либо проводили, показывал, что Эйнштейн был совершенно прав во всем, что он придумал.
Фрейзер: Так где же тогда расходятся расчеты Ньютона для Вселенной и расчеты Эйнштейна для Вселенной, причем Эйнштейн более точен?
Памела: Когда вы достигаете более высоких скоростей, когда вы достигаете больших масс, они начинают расходиться. Когда вы начинаете привносить энергию, ньютоновская теория гравитации не принимает во внимание одну вещь: энергия имеет массу. Это означает, что лазер способен оказывать какое-то гравитационное притяжение так же, как поток шарикоподшипников может оказывать гравитационное притяжение. Ни один из них не собирается сильно тянуть, но это притяжение все еще есть.
Где это начинает приобретать большее значение, так это, скажем, в том, что вы берете электрон.
2) для нерелятивистских случаев. Когда вы начинаете смотреть на высокоскоростной электрон, его масса заметно меняется по мере того, как вы заставляете его двигаться быстрее.
Фрейзер: Думаю, Ньютон ничего не знал об электронах, но именно при этих более высоких скоростях, при таких больших массах и энергиях вступают в действие расчеты Эйнштейна. Это потрясающе.
Памела: в основном каждый раз, когда числа становятся слишком большими, чтобы работать с ними в вашей голове, тогда вы начинаете беспокоиться.
Фрейзер: Правильно. Итак, какие предсказания сделал Эйнштейн? Как люди смогли доказать, что его расчеты были правильными?
Памела: Есть много разных способов. Например, он предсказал гравитационное красное смещение. Это в основном говорит о том, что, когда свет пытается покинуть источник с большой массой, он притягивается этой массой, поэтому его цвет в конечном итоге изменится. Мы обнаружили это, изучив белый карлик Сириус B экспериментально в астрофизике (другие люди проводили лабораторные эксперименты).
Сириус B — белый карлик, вращающийся вокруг самой яркой звезды в небе нашего северного полушария, Сириуса. Когда этот маленький белый карлик испускает свет, свет, пытающийся покинуть его поверхность, в конечном итоге становится красным. Точно так же здесь, на Земле, есть небольшие различия между тем, что мы видим на поверхности планеты, и тем, что в конечном итоге наблюдает спутник, с точки зрения цвета. По мере того как свет приближается к поверхности Земли, его длина волны медленно смещается в сторону синего цвета по мере того, как он приближается к поверхности нашей планеты. Все эти разные небольшие сдвиги складываются.
Теперь, поскольку наша планета имеет довольно малую массу и довольно большой радиус, эти различия мы никогда не заметим, но когда мы начинаем смотреть на массивные объекты с малыми радиусами, возникает гравитационное поле. сила притяжения на поверхности настолько сильна, что мы действительно можем увидеть изменение цвета, эквивалентное более чем 80 км/с, в свете, пытающемся убежать от звезды.
Фрейзер: так что свет оттягивается назад, пытаясь уйти от звезды, а затем ускоряется. Я думаю, мой вопрос в том, как это может изменить скорость света? Разве скорость света не просто скорость света?
Памела: Это не столько изменение скорости света, сколько изменение цвета света. Вот где мы называем его красным смещением.
Фрейзер: О, так это растягивает длину волны.
Памела: Ага.
Фрейзер: Хорошо, хорошо. Таким образом, скорость света остается той же, но количество энергии, падающей на нас в любой момент, уменьшается, потому что длины волн растягиваются. Итак, мы видим, как цвет меняется в сторону правого конца спектра.
Памела: Да.
Фрейзер: Хорошо, я понял. Итак, насколько экстремальным это может быть? Как вы говорите, с белым карликом… видим ли мы это с нейтронными звездами? Можем ли мы увидеть, как их радиоволны делают то же самое?
Памела: Я не знаю, на сколько миль в час или километров в секунду смещается нейтронная звезда, но она будет смещаться все больше и больше по мере увеличения массы и уменьшения радиуса объекта.
Таким образом, если мы смотрим на скорость 80 км/с или более для белого карлика, мы будем рассматривать значительно большую скорость света, исходящего от нейтронных звезд.
Фрейзер: И если бы только свет мог выйти из черной дыры.
Памела: Здесь хитрость заключается в том, чтобы получить что-то прямо на краю горизонта событий и посмотреть, какой сдвиг вы получите от этого, но мы еще не проводили этот эксперимент.
Фрейзер: Правильно. Итак, какие еще предсказания были сделаны тогда?
Памела: Одним из других точных предсказаний является смещение перигелия у объектов, находящихся на орбите. Наблюдая за Меркурием на протяжении десятилетий и столетий, люди сделали очень и очень точные измерения его местоположения. После того, как Кеплер придумал свои великие теории движения планет, Меркурий лишь отчасти следовал его правилам. Когда появился Ньютон, они по-прежнему следовали точно таким же образом, что-то вроде того, что ртуть немного смещалась каждый год.
Дело в том, что его орбита не является идеальной окружностью. Это небольшой эллипс, поэтому иногда он немного ближе к Солнцу, а иногда немного дальше. Мы можем видеть эти небольшие изменения в том, как далеко он появляется на небе от Солнца.
Точка, в которой она находится дальше всего от Солнца, кажется вращающейся. Итак, если вы посмотрите вниз на систему с Солнцем в центре и посмотрите вниз на орбиту, вы увидите, что сама орбита медленно вращается, а Меркурий вращается и вращается, что-то вроде старых игрушек-калейдографов, которые были у нас в детстве. . В итоге вы создадите спираль вместо идеального эллипса.
Почему орбита Меркурия медленно вращалась по спирали, было загадкой, пока не появилась общая теория относительности Эйнштейна. На самом деле он смог учесть, откуда произошел этот сдвиг.
Фрейзер: Очень удобно. Насколько я помню, он выдвинул теорию, и тогда они смогли сразу же подтвердить это предсказание.
Памела: Да, данные накапливались десятилетиями, десятилетиями и десятилетиями, поэтому он вычислил уравнения, немного почесал в затылке и сказал: «Ну, Меркьюри действительно делает это?» Данные уже были.
Другие части этой теории им пришлось ждать солнечных затмений, они должны были ждать изобретения спутниковой технологии, и некоторые из этих вещей мы все еще работаем над доказательством сегодня. Но вместе с этим внезапно была полностью раскрыта великая тайна.
Фрейзер: Итак, какое еще предсказание он сделал?
Памела: У нас также есть гравитационные временные задержки. На самом деле это означает, что время замедляется по мере приближения к поверхности массивного объекта. Здесь действительно имеет значение Земля. Поэтому спутники GPS в открытом космосе постоянно посылают нам данные: «вот где вы находитесь, вот в какое время вы находитесь». За исключением того, что на орбите время течет с другой скоростью, поэтому информация, которую они посылают нам, если бы они не учитывали общую теорию относительности, была бы неверной. Они должны вносить поправки в то, как далеко вы находитесь от центра масс объекта, какова масса этого объекта, и все поправки, которые они должны сделать, чтобы все эти разные часы работали синхронно друг с другом.
полностью совпадают с теориями Эйнштейна.
Фрейзер: Итак, спутники на самом деле меняют свои часы в зависимости от их положения вокруг Земли, скорости, с которой они движутся, просто из-за относительности. Это восхитительно.
Памела: На самом деле они не меняют свои часы, потому что атомные часы — это всего лишь часы атомного распада. Но что они делают, так это перед тем, как отправить нам информацию о метке времени, они говорят: «Вот то, что мои часы считают временем, вот уравнение, которое говорит мне, какое время на Земле относительно меня». Им постоянно приходится прогонять все эти уравнения.
Фрейзер: Интересно, что за смена. Это должно быть в наносекундах, верно?
Памела: Очень, очень маленький. Что приятно, так это то, что они могут вносить различные исправления в зависимости от того, кому они отправляют информацию. Когда информация GPS отправляется на другой спутник, который не имеет такого же смещения, этот другой спутник знает, как взять эти данные и сказать: «Хорошо, я не на поверхности Земли, поэтому мне нужно это».
введена другая коррекция». Итак, чтобы все наши спутники и все люди говорили в рамках одного и того же стандартного времени, мы должны делать все виды гравитационных поправок для этих разных замедлений времени, происходящих на разных высотах.
Фрейзер: Очень круто. Таким образом, многие из предсказаний Эйнштейна мы используем ежедневно. Это потрясающе.
Памела: Люди, которые пытаются сказать: «Я никогда этого не видел» или «Эйнштейн, должно быть, ошибался», не обращают внимания на различные виды технологий, которые используются для создания различных типов постоянно поправлять то, что придумал Эйнштейн.
Фрейзер: Ладно, продолжай. Больше доказательств!
Памела: Хорошо! Итак, теперь мы начинаем переходить к тем, которые труднее доказать или труднее понять. Должен признаться, я не до конца уложился в этом вопросе, но есть экспериментальные данные, и я всецело верю в эксперименты.
Существует также так называемая гравитационная задержка времени.
Это было обнаружено Ирвином Шапиро и называется эффектом Шапиро. Если вы отправляете радиолокационный сигнал с поверхности Земли на Марс и измеряете время, которое требуется этому радарному сигналу, чтобы пройти от Земли до Марса и обратно, вы можете фактически получить временную задержку в зависимости от того, насколько близко это расстояние. луч проходит к Солнцу. эта временная задержка может составлять до 120 микросекунд.
Чтобы провести этот тест, доктор Шапиро сначала провел расчеты, затем они отправились в обсерваторию Хейстек в Массачусетсе (именно там я работал в старшей школе) и отправили радарные сигналы на Марс, когда Марс был очень близко к Солнцу на небо. Так что сигнал радара должен был едва пройти мимо Солнца, добраться до Марса и вернуться обратно.
Затем они подождали, пока Марс и Земля выровняются так, что сигналу радара вообще не нужно будет приближаться к Солнцу. Там они обнаружили задержку всего около 60 микросекунд по сравнению с тем, что можно было бы ожидать, если бы Солнца вообще не было.
Эта задержка вызвана тем, что свет должен пройти через колодец Солнца. представьте, если вы едете на машине. Вам потребуется другое количество времени, если вы перейдете от горной вершины к горной вершине, но машины этого не делают. Вместо этого вы должны въехать в долину и выехать обратно.
Фрейзер: Получается, это похоже на изменение количества времени для радиоволн?
Памела: изменяет время прохождения радиолокационной волны от Земли до Марса и обратно.
Фрейзер: Верно, так это занимает больше или меньше времени?
Памела: Это требует больше времени.
Фрейзер: Это безумие. Дело не в том, что радиоволнам приходится преодолевать большее расстояние, просто когда они проходят так близко от гравитационного колодца, они получают больше времени.
Теперь, с некоторыми из этих более массивных объектов, нужно еще раз дойти до экстремальных уровней.
Памела: Вы будете получать все большие и большие временные задержки, чем больше объект, который пытается пройти ваш световой луч.
В общем, у нас нет способа точно узнать, сколько времени источник света покинул место, откуда он пришел, и массу объекта, мимо которого он движется. Это не то, что легко измерить в практических обстоятельствах.
Фрейзер: Верно, потому что в этом эксперименте они смогли отправить луч с Земли на Марс, а затем от Марса, я думаю, он отразился обратно. Таким образом, они смогли узнать время, но если мы измеряем свет, исходящий от какой-то далекой галактики, проходящей вблизи квазара, мы не знаем, когда был отправлен этот свет, поэтому мы не можем знать, какая гравитационная временная задержка это переживание.
Памела: Хорошо. Одна из приятных вещей, если подумать об этом, заключается в том, что свет от объекта постоянно задерживается на своем пути, когда он проходит через эти долины, которые невидимы для глаза, но реальны для объекта, путешествующего через гравитационное пространство. Таким образом, свет постоянно удерживается этой долиной и удерживается той долиной, где каждая долина является точкой в пространственно-временном континууме, созданной массивным объектом.
Фрейзер: Вау. Таким образом, свет почти не испытывает остановок и звезд, потому что он всегда движется с одной и той же скоростью, но ему предстоит более длительное путешествие, поскольку он проходит мимо различных объектов на своем извилистом пути, чтобы достичь нас.
Памела: Точно.
Фрейзер: Хорошо. Более.
Памела: Итак, мы подошли к перетаскиванию кадров, которое я толком не объяснил еще в эпизоде 9. Перетаскивание кадров в основном происходит из-за вращения массы. Небольшой изящный способ визуализировать это, который придумали люди, стоящие за проектом Эйнштейна в Стэнфордском университете, состоит в том, чтобы представить себе, что вы берете бумажную тарелку и кладете в ее центр супершар после того, как насыпали в тарелку мед. Итак, у вас есть куча мёда, воткните в неё супершар, положите в мёд пару перчинок. Мед представляет собой гравитационное поле планеты, ваш супершар представляет собой планету, а перчинки — спутники.
Удерживая шарик в меду, если вы повернете шарик, он схватится за мед (это делают силы трения), и перчинки, которые находятся ближе всего к супершару, в конечном итоге будут двигаться по очень заметной орбите. Те, кто находится немного дальше от супершара, в значительной степени будут сидеть там, но, возможно, немного увлекутся.
Поскольку наша планета вращается, мы закручиваем пространство-время вокруг себя так же, как супершар закручивает вокруг себя мед. Это называется перетаскиванием кадров. Это на самом деле имеет странный эффект: световой луч, движущийся в направлении вращения, будет восприниматься как движущийся немного быстрее, чем световой луч, движущийся в противоположном направлении вращения. Это просто воспринимаемая разница во времени, потому что наше пространство-время немного отличается в каждой ориентации из-за этого странного эффекта перетаскивания кадров.
Фрейзер: Итак, когда вы говорите о более быстром путешествии, это означает более длительное путешествие или красное смещение?
Памела: В этом случае расстояние, которое должен пройти свет, немного отличается из-за перетаскивания кадра.
Фрейзер: Это одна из вещей, которую пытался решить Gravity Probe-B.
Pamela: Gravity Probe-B был великим спутником, у которого были одни из самых точно построенных гироскопов, когда-либо построенных людьми. Было четыре разных гироскопа, которые были ориентированы по двум разным осям, поэтому они очень точно измеряли ориентацию спутника. Они были погружены в супержидкость, так что трения между деталями при вращении практически не было.
К сожалению, они сделали все так точно и так хорошо, но когда они опускали шарикоподшипники, вокруг которых вращались предметы, они опускали одну сторону, а затем другую, так что поверхность не была постоянной с обеих сторон. Это похоже на то, как когда вы смотрите на пластиковый шар, вы можете увидеть то же самое вокруг центра, как они сделали его в форме. У разных частей этих шарикоподшипников были немного разные электромагнитные свойства, и по мере их вращения они создавали электромагнитные поля, которые влияли на окончательные результаты.
Итак, они надеялись опубликовать результаты Gravity Probe-B к настоящему времени, но в этот момент НАСА фактически продлило результаты, и они, вероятно, собираются опубликовать все свои результаты в декабре.
Мы до сих пор не знаем окончательных результатов Gravity Probe-B, но мы многое узнали о точной конструкции гироскопов. К счастью, у них есть математические инструменты для исправления этих непреднамеренных электромагнитных полей, которые они в конечном итоге создали.
Теперь, как говорится во всех этих предостережениях, когда они получат свои окончательные результаты, когда они выяснят, как скорректировать все, что нужно исправить, они смогут посмотреть на свои измерения того, как гироскопы остались. ориентироваться по разным частям орбиты и быть в состоянии сказать «ага», эти изменения произошли из-за эффектов общей теории относительности, эти эффекты были из-за этих различных частей этой теории, включая перетаскивание системы отсчета.
Фрейзер: Но во вселенной есть и другие места, куда можно заглянуть, чтобы увидеть такие вещи, как перетаскивание кадров.
Разве нет вращающихся вокруг двойных нейтронных звезд и тому подобного?
Памела: Правильно. Когда вы смотрите на действительно массивные системы, мы называем их двойными вырожденными двоичными файлами. Здесь у вас есть либо нейтронная звезда и черная дыра, нейтронная звезда и нейтронная звезда, иногда нейтронная звезда и белый карлик (но они не имеют таких поразительных гравитационных явлений, когда вы видите гравитационное излучение и можете надеяться обнаружить его). см. гравитационные волны).
Когда объекты с очень большой массой вращаются очень близко друг к другу, они искривляют пространство вокруг себя, создавая гравитационные волны. Это похоже на то, как если вы представите, что шевелите пальцем в воде, вы в конечном итоге создадите волны. В этом случае у нас есть два объекта с большой массой, вращающиеся вокруг друг друга, каждый из которых несет свою маленькую впадину в пространстве, свою маленькую впадину, которую они создают с помощью своей гравитационной массы в космосе.
По мере того, как они двигаются по спирали, они в конечном итоге излучают гравитационную энергию и создают гравитационные волны по мере своего движения.
Фрейзер: Думаю, тогда вам придется объяснить гравитационные волны.
Памела: (смеется) Это уже становится предметом разговора.
Фрейзер: Это правда, это должно быть целое отдельное шоу, но хотя бы короткую версию дайте.
Памела: Хорошо, я дам ссылку на эту действительно классную анимацию, потому что ее трудно понять только на словах.
Начните с мысленного представления большого тяжелого мяча в пластиковой ткани с сеткой внутри. Установите этот объект, катающийся в этом пластиковом листе. Когда он катается по пластиковому листу, он начинает генерировать волны в пластиковом листе. Эти волны обычно не возникают, если у вас есть только один мяч в реальном пространстве и времени, но они возникают, когда вы начинаете получать два разных мяча, вращающихся вокруг друг друга.
Они генерируют волны.
Теперь вы также можете получить эти волны, когда у вас есть почти все, что происходит асимметрично. Если у вас есть звезда, которая взорвется, и она не взорвется идеально симметрично, это внезапное изменение в распределении массы не идеально сферическим образом приведет к запуску гравитационных волн. По сути, в любое время, когда у вас происходит асимметричное событие, вы можете получить гравитационные волны.
Это также означает, что сплющенная планета теоретически могла бы (если бы она была достаточно массивной — как масса нейтронной звезды) при вращении создавать гравитационные волны. Один из способов подумать об этом — представить себе гигантскую гору. Эта гора на вершине планеты в конечном итоге перемешивает пространство, когда оно вращается.
Таким образом, всякий раз, когда у вас возникает асимметрия, вы получаете гравитационные волны на том или ином уровне.
Фрейзер: Верно, и я думаю, что в будущем шоу мы расскажем об экспериментах, которые на самом деле проводятся, чтобы это выяснить, как наземных, так и космических.
Я брал интервью у человека, работавшего над этим наземным проектом, и когда эти гравитационные волны пересекают Вселенную и проходят над нами, они на самом деле заставляют нас расти и сжиматься, и именно это они и измеряют.
Памела: Да, пространство, которое мы занимаем, сам пространственно-временной континуум в конечном итоге искажается этими волнами. Итак, если вы представите себе сетку, в которой сидит этот маленький шарик, в нашем дурацком воображении картинка, которая, должно быть, пришла из какого-то телешоу в какой-то момент времени… если вы подпрыгиваете на нем вверх и вниз, как на батуте, сетки будут расширяться и сжиматься, расширяться и сжиматься.
Если вы привязаны к этой сетке, вы будете расширяться и сжиматься. Когда волна проходит через сетку, разные части сетки будут расширяться и сжиматься в разное время. С детекторами здесь, на планете Земля, мы начинаем со знания (как мы думаем) или предположения, что гравитация движется со скоростью света.
Итак, мы думаем: «Если мы получаем рост и сжатие в этом месте и в это время», то если мы получаем рост и сжатие в каком-то другом месте с задержкой на нужное количество времени, тогда это единичное событие гравитационной волны.
Фрейзер: Так где же разваливаются теории Эйнштейна?
Памела: Они начинают разваливаться всякий раз, когда вы начинаете иметь дело с квантовыми весами или доходите до вещей, движущихся со скоростью света и обладающих массой. Итак, когда вы попадаете внутрь черной дыры и когда вы попадаете в первый момент в начале Вселенной. Каждый раз, когда вы начинаете иметь дело с внутренностями атома. Эти три места разваливаются.
Люди пытались использовать теорию струн для объединения гравитации и квантовой теории, но это не сработало. Одним из великих поисков нашего нынешнего научного поколения является теория квантовой гравитации. Раньше мы говорили: «Мы ищем великую единую теорию всего». Прямо сейчас, я думаю, мы бы согласились на квантовую гравитацию, потому что как только мы доберемся до квантовой гравитации, все остальное должно стать на свои места естественным образом.
Мы построили теории, которые объединяют все, кроме гравитации.
Одна из проблем заключается в том, как перейти от геометрического понимания гравитации, где гравитация рассматривается как физическая деформация пространства, к взгляду на вселенную с точки зрения теории частиц, в которой все передается через бозоны, где все является полем и основанный на силе. Есть разница в мышлении между двумя разными теориями.
Эйнштейн считал, что пространство физически изменяется под действием массы, помещенной во вселенную. Вместо этого физик частиц скажет, что объект большой массы связан с большим количеством частиц Хиггса, которые придают ему массу, а гравитоны передают гравитацию между скалярной гравитацией — он проникает во все эти частицы, физические вещи, где мы сейчас говорим о частицах. даже еще не обнаружил.
Это сложный вопрос, и он будет интересным, потому что, если мы когда-нибудь найдем эти частицы, передающие гравитацию, это будет означать, что гравитация — это не просто геометрическая вещь, это все еще часть вселенной физики элементарных частиц.
Фрейзер: Эйнштейн умер, пытаясь это выяснить.
Памела: Эйнштейн умер, пытаясь понять это, и он действительно ненавидел квантовую теорию.
[смех]
Одна из основных предпосылок квантовой теории состоит в том, что в мире нет ничего определенного. Все является вероятностью. Есть вероятность, что все электроны и протоны в моем теле спонтанно выстроятся в правильную линию, и я провалюсь сквозь стул, сквозь пол и прямо сейчас приземлюсь на кухне, чтобы быть поближе к кофейнику (к лучшему или к лучшему). хуже того, этого не произойдет, и мне придется встать, спуститься вниз и выпить еще кофе, когда мы закончим запись).
Эйнштейну это не понравилось. Он назвал это так: «Бог не играет в кости». Он хотел, чтобы на это действие у Вселенной была такая реакция, а не на это действие у Вселенной есть вероятность этой реакции, другая вероятность этой реакции и очень низкая (но не нулевая) вероятность того, что я упаду через пол прямо сейчас.