Trumpas kursas: Bendrasis reliatyvumas (154)
Alberto Einšteino bendroji reliatyvumo teorija yra vienas iš žymiausių XX a. fizikos pasiekimų. Paskelbta 1916 m., ji paaiškina, kad tai, ką suvokiame kaip gravitacijos jėgą, iš tiesų atsiranda dėl erdvės ir laiko išlinkimo.
Pateikiame žinių apie šią teoriją santrauką, kurioje pateikiami trumpi faktai ir hipotezės, padėsiančios suvokti pačią teoriją, jos pasireiškimų interpretavimą ir dar likusius neaiškumus.
|
Visi šio ciklo įrašai |
|
|
|
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Trumpas kursas: Bendrasis reliatyvumas
praeitis, dabartis ir ateitis
Einšteinas spėjo, kad Saulė ir Žemė keičia šią geometriją. Esant materijos ir energijos, ji gali kisti, temptis, raukšlėtis, formuoti kalvagūbrius, kalnus ir slėnius, verčiančius objektus judėti zigzagais ir kreivėmis. Tad, nors atrodo, kad Žemę prie Saulės traukia gravitacija, tokios jėgos nėra. Tiesiog erdvėlaikio geometrija aplink Saulę nurodo Žemei, kaip judėti.
Bendroji reliatyvumo teorija turi toli siekiančių pasekmių. Ji paaiškina ne tik planetų judėjimą – taip pat gali aprašyti visatos istoriją ir plėtimąsi, juodųjų bedugnių fiziką ir tolimų žvaigždžių ir galaktikų šviesos išlinkimą.
einšteino įžvalgos
1905-aisiais, būdamas 26 metų amžiaus, Einšteinas pasiūlė savo specialiąją reliatyvumo teoriją. Ši teorija apjungė judančių kūnų fiziką, išvystytą Galileo Galilėjaus ir Niutono, su elektromagnetinio spinduliavimo dėsniais. Jame tariama, kad šviesos greitis visada yra toks pats, nepriklausomas nuo jį matuojančio stebėtojo judėjimo. Specialiojoje reliatyvumo teorijoje erdvė ir laikas yra susiviję taip, kaip niekas anksčiau neįsivaizdavo.
Nuo 1907-ųjų Einšteinas stengėsi praplėsti specialiąją reliatyvumo teoriją, kad ji apimtų ir gravitaciją. Pirmasis proveržis įvyko, jam bedirbant patentų biure Berne, Šveicarijoje. „Staiga man nušvito mintis,“ prisiminė jis. „Jei žmogus krenta laisvai, jis nejus savo svorio… Šis paprastas mintinis eksperimentas… nuvedė mane prie gravitacijos teorijos.“ Jis suvokė esant gilų ryšį tarp gravitacijos veikiamų ir greitėjančių sistemų.
Kitas didelis žingsnį įvyko, kai Einšteinas susipažino su XIX a. vokiečių matematikų Carlo Friedricho Gausso ir Bernhardo Riemanno geometrijos matematika. Einšteinas pritaikė jų darbus užrašydamas formules, susiejančias erdvėlaikio geometriją su jos turimu energijos kiekiu. Dabar žinomos, kaip Einšteino lauko lygtys, paskelbtos 1916 m., jos pakeitė Niutono visuotinį traukos dėsnį ir dabar, beveik po šimtmečio, tebenaudojamos.
Naudodamas bendrąjį reliatyvumą, Einšteinas padarė daug spėjimų. Pavyzdžiui, nurodė, kaip jo teorija paaiškina stebimą Merkurijaus orbitos poslinkį. Jis numatė, kad masyvūs objektai, tokie, kaip mūsų saulė, turėtų nukreipti šalia praeinančią šviesą: iš esmės erdvės geometrija turėtų veikti kaip lęšis ir ją sufokusuoti.
Einšteinas dar teigė, kad šviesos, išspinduliuotos netoliese masyvaus kūno, bangos ilgis turėtų būti ištemptas, raudonesnis, jai kopiant išlenktu erdvėlaikiu. Šios trys prognozės dabar vadinamos trimis klasikiniais bendrojo reliatyvumo patikrinimais.
fizikas, superžvaigždė
Einšteino teorija buvo patvirtinta ir pats fizikas įgijo pasaulinę šlovę, kai 1919-ųjų Saulės užtemimas leido patikrinti jo spėjimus.
1919-aisiais anglų astronomas Arthuras Eddingtonas nukeliavo į Principės salą prie vakarinio Afrikos kranto, siekdamas užfiksuoti bendrojo reliatyvumo numatytą šviesos išlinkimą. Jis planavo stebėti ryškių žvaigždžių – Hiadžių – sankaupą, kai, žiūrint iš Žemės, prieš jas praeis Saulės diskas. Kad žvaigždžių šviesa matytųsi, Eddingtonui reikėjo visiško Saulės užtemimo.
Siekdamas užfiksuoti Hiadžių poziciją danguje, Eddingtonas pirmiausia nufotografavo jas naktį Oksforde. Tada, gegužės 29 dieną, nufotografavo Hiades Principėje, kai jos buvo beveik tiesiai už Saulės, vykstant visiškas jos užtemimui. Lygindamas du matavimus, Eddingtonas įrodė, kad poslinkis buvo toks, kokį numatė Einšteinas ir per didelis, kad jį būtų galima paaiškinti Niutono teorija.
Po užtemimo ekspedicijos kilo šiokia tokia kontroversija, kad Eddingtono analizė galėjo būti šališka. Galutinis taškas padėtas aštuntajame dešimtmetyje, kai fotografijų plokštelės buvo išanalizuotos iš naujo ir pasirodė, kad Eddingtono analizė buvo teisinga.
Eddingtono rezultatai pavertė Einšteiną tarptautine žvaigžde: „Einšteino teorija triumfuoja“ skelbė Londono „The Times“ antraštė. Nuo tada, atrandant vis daugiau šios teorijos pasekmių, bendrasis reliatyvumas įsitvirtino populiariojoje vaizduotėje su besiplečiančių visatų ir juodųjų skylių apibūdinimais.
1959-aisiais, amerikiečių fizikai Robertas Poundas ir Glenas Rebka'a savo laboratorijoje Harvardo universitete išmatavo gravitacinį šviesos raudonąjį poslinkį, taip patvirtindami paskutinįjį iš trijų klasikinių bendrojo reliatyvumo teorijos bandymų.
gravitacija iki einšteino
1686 metais, Izaokas Niutonas pasiūlė neįtikėtinai galingą judėjimo teoriją. Jos šerdyje buvo visuotinės traukos dėsnis, teigiantis, kad traukos tarp dviejų objektų jėga yra proporcinga jų masėms ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Niutono dėsnis yra visuotinis, nes gali būti taikomas bet kurioje situacijoje, kur svarbi trauka: nuo medžių krentantiems obuoliams, apie saulę besisukančioms planetoms ir dar daug kur.
Ilgiau, nei 200 metų Niutono gravitacijos teorija buvo sėkmingai naudojama dangaus kūnų judėjimui numatyti ir tiksliai aprašyti saulės sistemos planetų orbitas. Naudodamasis šia teorija 1846 metais prancūzų astronomas Urbain Le Verrier netgi sugebėjo numatyti Neptūno egzistavimą.
Tačiau buvo vienas atvejis, kur Niutono teorija nedavė teisingo atsakymo. Le Verrier ypatingai preciziškai matavo Merkurijaus orbitą ir atrado, kad ji vos vos pasislinko – mažiau, nei viena šimtąja laipsnio dalimi per šimtmetį – lyginant su Niutono teorijos numatymu. Šis Niutono teorijos ir Merkurijaus orbitos neatitikimas XX a. pradžioje buvo vis dar neišspręstas.
kaip bendrasis reliatyvumas keičia mūsų visatą
Einšteino bendroji reliatyvumo teorija atskleidė, kad visata yra ekstremali. Dabar žinome, ji buvo karšta ir tanki ir plečiasi pastaruosius 13,7 milijardus metų. Joje yra ir neįtikėtinai iškreivintų erdvėlaikio regionų, vadinamųjų juodųjų bedugnių, susiurbiančių bet ką, kas pakliūna į jos nagus.
juodosios bedugnės
Kas nutinka, kai ekstremali gravitacija sudrasko erdvėlaikio audinį? Tokio monstro pavyzdžiai glūdi kiekvienos galaktikos širdyje.
Netrukus po to, kai Einšteinas paskelbė savo bendrąją reliatyvumo teoriją, vokiečių fizikas Karlas Schwarzschildas rado vieną iš pirmųjų ir svarbiausių Einšteino lauko lygčių sprendinių. Vadinamasis Schwarzschildo sprendinys apibūdina erdvėlaikio geometriją apie itin tankias žvaigždes – ir turi keletą labai keistų savybių.
Pradžiai, tiesiai tokių kūnų centre erdvėlaikio kreivumas tampa begalinis – susiformuoja vadinamasis singuliarumas. Dar keistesnis nematomas sferinis paviršius, vadinamasis įvykių horizontas, gaubiantis singuliarumą. Niekas, netgi šviesa,negali ištrūkti iš už įvykių horizonto. Schwarzschildo singuliarumą galima laikyti savotiška bedugne erdvėlaikio audinyje.
Septintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje matematikas Roy'us Kerras iš Naujosios Zelandijos atrado bendresnę Einšteino lauko lygčių sprendinių klasę. Joje apibūdinami tankūs besisukantys objektai, ir dar keistesni, nei Schwarzschildo sprendinys.
Schwarzschildo ir Kerro sprendiniais aprašomi objektai yra juodosios bedugnės. Nors tiesiogiai juodųjų bedugnių pamatyti nepavyko, yra daugybė įrodymų, kad jos egzistuoja. Paprastai jos aptinkamos pagal poveikį artimiems astrofiziniams kūnams, pavyzdžiui, žvaigždėms ar dujoms.
Mažiausia juodoji bedugnė gali būti randama poroje su įprasta žvaigžde. Sukdamasi apie juodąją bedugnę, žvaigždė pamažu praranda savo medžiagą, kuri, krisdama į juodąją bedugnę, skleidžia rentgeno spindulius. Pirmoji tokia stebėta juodoji bedugnė buvo Cygnus X-1, ir dabar jau žinoma nemažai rentgeno spindulius skleidžiančių dvinarių sistemų su maždaug 10 Saulės masių juodosiomis bedugnėmis.
Daug didesnių juodųjų bedugnių įrodymai pasirodė septintajame dešimtmetyje, kai danguje buvo stebimi labai tolimi ir šviesūs objektai. Vadinamieji kvazarai kyla iš galaktikų centruose įsikūrusių juodųjų bedugnių. Dėl galaktikos centro juodosios bedugnės traukos susiformuoja besisukantis dujų diskas. Juodųjų bedugnių gravitacija tokia stipri, kad besisukantis dujų diskas skleidžia milžiniškus kiekius energijos, kurią galima stebėti už daugybės milijardų šviesmečių. Dabartiniais vertinimais, šių juodųjų bedugnių masė yra nuo milijono iki milijardo Saulės masių. Dėl to jos vadinamos supermasyviomis juodosiomis bedugnėmis.
Remiantis įrodymais, manoma, kad supermasyvi juodoji bedugnė (o kartais ir ne viena. – red past.) yra kiekvienos galaktikos centre, taip pat ir mūsiškės. Išties, stebėjimai rodo, kad žvaigždžių, skriejančių šalia Paukščių Tako galaktikos centro, orbitos yra itin mažos. Tai gali būti paaiškinta supermasyvios, (daugiau, nei 4 milijonų Saulės masių) juodosios bedugnės sukeliamu stipriu erdvėlaikio iškraipymu.
Nepaisant jų pavadinimo, britų fizikas Stephenas Hawkingas nurodė, kad juodosios bedugnės negali būti visiškai juodos. Jis teigia, kad šalia įvykių horizonto, kvantinis dalelių ir antidalelių kūrimas gali sukurti labai blyškų švytėjimą. Šis švytėjimas, vadinamasis Hawkingo spinduliavimas, dar nėra užfiksuotas, nes jis labai blyškus. Tačiau Hawkingo spinduliavimo pakanka juodųjų bedugnių energijos ir masės garavimui, tad jos galiausiai išnyks.
besiplečianti visata
Einšteinui Didžiojo Sprogimo idėja nepatiko – kol astronomas Edwinas Hubble'as neįrodė, kad galaktikos skrieja viena nuo kitos.
Viena iš netikėčiausių reliatyvumo prognozių kyla mąstant, kas vyksta su visata, kaip tokia.
Netrukus po to, kai Einšteinas paskelbė savo teoriją, rusų meteorologas ir matematikas A. Friedmannas ir belgų kunigas G. Lemaître'as parodė, kad ji numato visatos plėtimąsi dėl turimos energijos. Jie teigė, kad visata iš pradžių turėjo būti maža ir tanki, o laikui bėgant plėtėsi ir retėjo. Dėl to galaktikos turėtų tolti viena nuo kitos.
Einšteinas iš pradžių Friedmanno ir Lemaître'o išvadas priėmė skeptiškai, pirmenybę teikdamas statiškam visatos modeliui. Bet amerikiečių astronomo Edwino Hubble'o atradimas pakeitė jo nuomonę.
Hubble'as analizavo galaktikų tolìmą nuo Paukščių Tako. Jis atrado, kad tolimos galaktikos tolsta greičiau, nei esančios santykinai arti. Hubble'o stebėjimai parodė, kad visata išties plečiasi. Šis kosmoso modelis vėliau pavadintas Didžiojo Sprogimo modeliu.
Per pastaruosius 20 metų daugybė stebėjimų palydovais ir galingais teleskopais pateikė dar daugiau besiplečiančios ir besivystančios visatos įrodymų. Tiksliai išmatavome visatos plėtimosi spartą ir „reliktinio spinduliavimo“, likusio nuo Didžiojo Sprogimo, temperatūrą, sugebėjome užfiksuoti jaunas galaktikas iš visatos kūdikystės. Dabar sutariama, kad visatos amžius yra maždaug 13,7 milijardų metų.
bendrojo reliatyvumo kraštutinumai
Bendrasis reliatyvumas numato egzotiškus visatos reiškinius. Erdvėlaikis gali virpėti, kaip tvenkinio vandens paviršius ir atrodo esąs kupinas paslaptingos energijos, stumiančios ją į šalis. Erdvėlaikis netgi gali taip išsilenkti, kad pasidaro įmanomos kelionės atgal laiku.
gravitacijos bangos
Remiantis bendruoju realiatyvumu, netgi tuščias erdvėlaikis, be žvaigždžių ir galaktikų, gali gyventi savo gyvenimą. Jo raibuliai, – gravitacijos bangos, gali sklisti erdve panašiai, kaip bangelės sklinda tvenkinio paviršiumi.
Vienas iš likusių bendrojo reliatyvumo patikrinimų būtų tiesioginis gravitacijos bangų išmatavimas. Kol kas fizikai pastatė Lazerinio interferometro gravitacijos bangų observatoriją (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO) Hanforde, Vašingtone ir Livingstone, Luizianoje. Kiekviename eksperimente naudojamas lazerio spinduliai, atspindimi nuo veidrodžių, esančių už 4 km vienas nuo kito. Gravitacijos bangos, pereidamos tarp jų, turėtų šiek tiek iškreipti erdvėlaikį, tuo pačiu paslinkdami lazerio spindulius. Stebint lazerio spindulių variacijas, įmanoma ieškoti gravitacijos bangų poveikio.
Kol kas niekas gravitacijos bangų tiesiogiai neužfiksavo, bet turime netiesioginius jų egzistavimo įrodymus. Pulsarams sukantis apie labai tankią žvaigždę, tikimasi, kad jie spinduliuoja nuolatinį gravitacijos bangų srautą, taip prarasdami energiją ir jų orbita vis mažėja. Dvinarių pulsarų orbitų tyrimai patvirtino, kad jie išties netenka energijos ir geriausias to paaiškinimas – šie pulsarai energijos netenka gravitacijos bangų pavidalu.
Pulsarai nėra vieninteliai tikėtini gravitacijos bangų šaltiniai. Didysis Sprogimas turėjo sukurti gravitacijos bangas, tebesklindančias per kosmosą, kaip nedideli erdvėlaikio raibuliai. Šios pirmykštės gravitacijos bangos pernelyg silpnos, kad būtų galima užfiksuoti tiesiogiai, tačiau turėtų būti įmanoma matyti jų paliktus pėdsakus reliktinėje Didžiojo Sprogimo spinduliuotėje – kosminiame mikrobangų spinduliavime.
Gravitacijos bangas turėtų sklisti ir susiduriant dviems juodosioms bedugnėms. Sukantis vienai apie kitą, jos turėtų skleisti specifines gravitacijos bangas. Jei susidūrimas pakankamai artimas ir pakankamai stiprus, turėtų būti įmanoma tai stebėti Žemėje esančiais instrumentais.
Ambicingesnis projektas yra Lazerinio interferometro kosminė antena (Laser Interferometer Space Antenna – LISA), sudaryta iš palydovų trijulės, seksiančios Žemę jos orbita aplink Saulę. Palydovai skleis preciziškai sukalibruotus lazerio spindulius vienas į kitą, maždaug taip pat, kaip ir LIGO. Bet kokia praeinanti gravitacijos banga vos vos sujudins erdvėlaikį ir sukels aptinkamą lazerio spindulių poslinkį. NASA ir Europos Kosmoso agentūra (European Space Agency – ESA) tikisi paleisti LISA kitame dešimtmetyje.
kelionės laiku
Einšteino teorija pateikia intriguojančią kelionių laiku galimybę. Vienas būdas tai atlikti, būtų sukonstruoti vadinamųjų erdvėlaikio tunelių – kirmgraužų – sistemą, jungiančią skirtingas erdvės vietas skirtingu laiku. Teoriškai kirmgraužas sukurti įmanoma. Bet, deja, reikėtų materijos su neigiama energija ir kitų nenatūralių fizinių aplinkybių ne tik jų atvėrimui, bet ir tam, kad per jas būtų įmanoma keliauti. Dar galima sukurti didelius besisukančios erdvės regionus arba naudoti hipotetinius objektus, vadinamąsias kosmines stygas.
Laiko kelionių galimybė gali sukelti fizikinius paradoksus, tokius, kaip senelio paradoksas, kuriame keliautojas laiku grįžta į praeitį ir nužudo savo senelį dar prieš jam sutinkant senelę. Dėl to vienas keliautojo tėvų nebūtų gimęs, kaip ir pats keliautojas. Tačiau teigiama, kad tokių fizinių paradoksų sukūrimas neįmanomas.
tamsioji visata
Visata nesielgia taip, kaip turėtų – štai todėl astronomai ir kosmologai mano, kad joje dominuoja nematoma tamsioji materija ir tamsioji energija.
Bendrojo reliatyvumo numatytą besiplečiančios visatos modelį užtikrintai remia dabartinis mokslas. Tolimų galaktikų stebėjimo ir matavimo metodams tobulėjant, visatos paveiksle atskleidžiamos kai kurios dar egzotiškesnės savybės.
Pavyzdžiui, astronomai išmatavus tolimų spiralinių galaktikų sukimąsi, pasirodė, kad jų pakraščiai sukasi daug greičiau, nei galėtų, jei tai lemtų vien centre esančių žvaigždžių ir dujų masė. Galaktikoms reikia daugiau masės, kad jos neiširtų.
Populiarus tokio reiškinio paaiškinimas yra toks, kad galaktikose yra daug kitokios materijos – vadinamosios „tamsiosios materijos“ – nespinduliuojančios ir neatspindinčios šviesos. Manoma, kad tamsioji materija susikaupusi apie galaktikas ir galaktikų spiečius į gigantiškus halus. Tamsiosios materijos halai gali būti pakankamai tankūs, kad pastebimai iškreiptų erdvėlaikį ir bet kokius šalia jų sklindančius spindulius. Toks gravitacinis lęšiavimas stebėtas daugelyje galaktikų spiečių ir yra vienas tvirčiausių tamsiosios materijos egzistavimo įrodymų.
Bet tai dar ne viskas. Kosmologams pavyko išsiaiškinti visatos plėtimosi spartą skirtingais jos istorijos tarpsniais. Tai atliekama, matuojant atstumus iki sprogstančių žvaigždžių, vadinamųjų supernovų ir kaip greitai jos blėsta dėl erdvėlaikio plėtimosi. Stulbinantys šių stebėjimų rezultatai, pasirodę vos kiek daugiau, nei prieš dešimtmetį, rodo, kad visatos plėtimasis spartėja.
Vienas tokio spartėjančio greitėjimo paaiškinimas yra visatą persmelkianti egzotiška energijos forma, vadinamoji tamsioji energija. Kitaip, nei įprasta materija ir tamsioji materija, išlenkiančios erdvėlaikį taip, kad masę turintys kūnai artėtų, tamsioji energija erdvę stumia ir verčia ją plėstis vis sparčiau.
Jei pasvertume visas materijos ir energijos formas, paaiškėtų stulbinanti išvada: tik 4 procentai visatos sudaryta iš mums pažįstamos masės ir energijos. Apie 24 procentus sudaro tamsioji materija, o likusius 72 – tamsioji energija.
Šis rezultatas kilo iš bendrosios reliatyvumo teorijos moderniosios astronomijos jungtuvių ir tapo didžiausiu fizikų dėmesio objektu. Eksperimentatoriai ir teoretikai deda pastangas, ieškodami atsakymo į šį klausimą: kas tiksliai yra tamsioji materija ir tamsioji energija? Ir kodėl jų savybės tokios keistos?
kvantinė gravitacija
Didžioji neišspręsta moderniosios fizikos problema yra dviejų jos bokštų apjungimas: bendrojo reliatyvumo ir kvantų mechanikos. Kvantinė gravitacija juos suvienytų.
Bendrasis reliatyvumas tėra vienas iš moderniosios fizikos bokštų. Kitas – kvantinė mechanika, aprašanti įvykius atomų ir dar smulkesniu masteliu. Dabartinis jos įsikūnijimas, kvantinio lauko teorija, ypatingai sėkmingai aprašo fundamentaliųjų dalelių ir jėgų veikimą.
Pagrindinis iššūkis yra šių dviejų idėjų sujungimas į vieną visa apimančią teoriją, vadinamąją kvantų gravitaciją. Tokia teorija būtų itin svarbi pirmųjų akimirkų po Didžiojo Sprogimo paaiškinimui, kai visata buvo tanki, karšta ir maža, arba kas vyksta šalia singuliarumo juodųjų bedugnių branduoliuose, kur kvantų fizikos reiškiniai gali varžytis su bendrojo reliatyvumo reiškiniais.
Nors galutinės kvantų gravitacijos teorijos dar nėra, keletas kandidačių aktyviai tyrinėjamos. Viena iš jų yra stygų teorija, aprašanti fundamentaliuosius materijos dėmenis ne kaip taškines daleles, tačiau kaip mikroskopines vibruojančias stygas. Priklausomai nuo jų vibravimo, stygos apibrėžiamos, kaip skirtingos dalelės – tarp jų ir gravitonas, dalelė, kaip manoma, pernešanti gravitacijos sąveiką.
Vaizdo siužete paaiškinama, kuo skiriasi Higso bozonas nuo gravitono. Vaizdžiai tariant, gravitonai – virvės, kuriomis perduodama gravitacijos sąveika, o Higso bozonai – kabliai, prie kurių tos virvės gali būti pritvirtintos. – red. past.
Kvantų gravitacijos teorijos paieškos yra, ko gero, didžiausias modernios fizikos iššūkis. Vienas iš sunkumų yra tai, kad ji pasireiškia tik ypatingai aukštose energijose, daug didesnėse, nei pasiekiamos eksperimentiškai. Fizikai turi rengti eksperimentus ir astronominius stebėjimus, galinčius tikrinti kvantų gravitacijos teorijas.
Dar gali būti, kad erdvėlaikis nėra vientisas, bet susideda iš tarpusavyje sąveikaujančių atskirų blokelių. Tad, jei sugebėtume įžvelgti smulkiausią struktūrą, ji atrodytų kaip purios erdvėlaikio putos. Tokiose teorijose, mūsų suvokiamas masyvių objektų glotniai lenkiamas ir kreivinamas erdvėlaikis yra tiesiog reiškinys, maskuojantis radikalesnį mažesnio mastelio elgesį.
New Scientist, № 2767