Защо относителността е вярна: доказателства за теорията на Айнщайн

Алберт Айнщайн

Известната теория на относителността на Алберт Айнщайн е потвърдена в реалния свят, измерена в затъмнения, изкривени галактики и дори структурата на Вселената. (Кредит на изображението: НАСА)



Пол Сътър е астрофизик в Държавният университет на Охайо и главният учен в Научен център COSI . Sutter също е домакин на „ Попитайте космическия човек ' и ' Космическо радио , 'и води AstroTours по света. Сътър допринесе тази статия за експертните гласове на demokratija.eu: Op-Ed & Insights.



Всички ние познаваме и обичаме любимата в света теория на гравитацията: обща теория на относителността (GR), изготвена за първи път от самия Алберт Айнщайн във великолепен подвиг, който отне 7 години, за да бъде завършен и предоставен невероятни прозрения за това как работи светът.

Достатъчно лесно е да се изрази същността на теорията в няколко ясни изявления: „Материята и енергията казват на пространството-времето как да се огъва, а огъването на пространството-времето казва на въпроса как да се движим.“ Но действителната механика отнема огромни 10 уравнения за описване, като всяко от тях е много трудно и силно взаимосвързано с другите. [Теория на общата относителност на Айнщайн: Опростено обяснение]



Като добри скептици, не бива веднага да повярваме на тази плетеница от математика отначало, дори и да е дошла от мозъка на никой друг освен на Айнщайн. Вместо това се нуждаем от доказателства. Добри доказателства.

Божествен пратеник

От всички характеристики на новата си теория, Айнщайн се гордееше със способността си да обяснява детайлите на орбитата на Меркурий. Тази най-вътрешна планета има леко елипсовидна орбита и тази елипса все така бавно се върти около Слънцето. С други думи, мястото, където Меркурий е най -отдалечен от слънцето, бавно се променя с времето.

Ако приложите проста нютонова гравитация към системата слънце-Меркурий, тази промяна с течение на времето, наречена прецесия , не се показва - възгледът на Исак Нютон е непълен. След като добавите лекото гравитационно изтласкване и промяна поради другите планети, почти цялата прецесия може да бъде обяснена ... но не всички. До началото на 1900-те години това беше добре известен проблем в динамиката на слънчевата система, но не и такъв, който предизвика много противоречия. Повечето хора просто го добавиха към непрекъснато нарастващия списък с „леко странни неща, които не можем да обясним за Вселената“ и предположиха, че някой ден ще намерим светско решение.



Но Айнщайн не беше повечето хора и той мислеше, че Меркурий му дава представа. Когато след години опити той успя да сгъне общите си релативистки мускули и да обясни точно орбиталните странности на Меркурий, той разбра, че най -накрая е разбил гравитационния код.

Светлина за огъване

Преди Айнщайн да довърши последните неща на големия GR, той стигна до някои изумителни осъзнавания за природата на гравитацията. Ако сте изолирани на ракетен кораб, който се ускорява с плавен и постоянен 1 g - осигурявайки същото ускорение като земната гравитация - всичко във вашата лаборатория ще се държи точно както би било на повърхността на планетата, разсъждава Айнщайн. Обектите ще падат на земята със същата скорост като на Земята; краката ви ще останат здраво стъпили на пода и т.н.

Тази еквивалентност между гравитацията (както е преживяна на Земята) и ускорението (както е преживяна в ракетата) задвижва (предназначен за игра с каламбури) Айнщайн напред да развие своята теория. Но скрито в този сценарий е изненадващо прозрение. Представете си лъч светлина, който влиза в прозорец от лявата страна на космическия кораб. Докато светлината прекоси космическия кораб, за да излезе, къде ще бъде тя?



От гледна точка на външен наблюдател, отговорът е очевиден. Светлината се движи по перфектно права линия, перпендикулярна на пътя на ракетата. През времето, през което светлината преминава, ракетата се изтласква напред. След това светлината ще влезе в ракетата на един прозорец - да речем, близо до върха - и ще излезе близо до дъното, близо до двигателите.

Отвътре космическият кораб обаче нещата изглеждат странни. За да може светлината да влезе в прозорец близо до върха и да излезе близо до двигателите, пътят на лъча трябва да бъде извит. Всъщност точно това виждате.

И тъй като гравитацията е точно същата като ускорението, светлината трябва да следва извити пътища около масивни обекти.

Трудно е да се наблюдава това експериментално, защото се нуждаете от много маса и малко светлина, която преминава близо до повърхността, за да получите забележим ефект. Но слънчевото затъмнение през 1919 г. се оказа точно подходящата възможност и експедиция, ръководена от сър Артър Едингтън, откри точно изместването на далечната звездна светлина, което предсказващата зараждаща се теория на Айнщайн. [ Как пълно слънчево затъмнение помогна да докаже, че Айнщайн е прав относно относителността ]

Виждайки червено

Друг интересен резултат изплува от експериментите на творческата мисъл около общата теория на относителността. Това заключение разчита на добрия старомоден доплеров ефект, но е приложен към непознат сценарий.

Ако нещо се отдалечава от вас, звукът, който произвежда, ще се разтегне и ще се измести надолу към по -ниски честоти - това е ефектът на Доплер. Същото важи и за светлината: Кола, която се отдалечава от вас, изглежда все по-малко по-червена, отколкото би била, ако превозното средство беше неподвижно. (Колкото по -червена е светлината, толкова по -ниска е честотата.)

Ченгетата могат да се възползват от тази смяна, като светнат от колата ви, за да ви хванат с превишена скорост. Следващият път, когато бъдете спряни, можете да използвате възможността да помислите за естеството на гравитацията.

Така че, ако движението измести дължината на вълната на светлината, ускорението също може: Малко светлина, пътуваща от дъното към върха на ускоряваща ракета, ще изпита червено отместване . А под GR това, което се отнася за ускорението, отива за гравитацията. Точно така: Светлината, излъчвана от повърхността на Земята, ще се измести надолу към по -червени честоти, колкото по -нагоре се движи.

Бяха необходими няколко десетилетия, за да се докаже окончателно тази прогноза, защото ефектът е толкова малък. Но през 1959 г. Робърт Паунд и Глен Ребка предлагат, проектират, изграждат и изпълняват експеримент, който им позволява да измерват червеното изместване на светлината, докато пътува няколко етажа нагоре в лабораторията Джеферсън в Харвардския университет.

Никога не спирайте тестването

Дори и с всички тези доказателства, ние продължаваме да подлагаме на тест общата теория на относителността. Всеки признак на пукнатина във великолепното произведение на Айнщайн би предизвикал развитието на нова теория на гравитацията, може би проправяйки пътя към разкриването на пълната квантова природа на тази сила. Това е нещо, което в момента изобщо не разбираме.

Но във всички отношения GR преминава с отлични цветове; от чувствителни спътници до гравитационни лещи, от орбитите на звездите около гигантски черни дупки до вълнички от гравитационни вълни и еволюцията на Вселената самото наследство на Айнщайн вероятно ще продължи дълго време.

Научете повече, като слушате епизода 'Сериозно, какво е гравитацията? (Част 2)' в подкаста „Попитайте космическия човек“, достъпен на iTunes и в мрежата на http://www.askaspaceman.com . Благодарение на Andrew P., Joyce S., @Luft08, Ben W., Ter B., Colin E, Christopher F., Maria A., Brett K., bryguytheflyguy, @MarkRiepe, Kenneth L., Allison K., Phil Б. и @shrenic_shah за въпросите, които доведоха до това парче! Задайте свой собствен въпрос в Twitter, като използвате #AskASpaceman или като следвате Пол @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter . Последвай ни @Spacedotcom , Facebook и Google+ . Оригинална статия на demokratija.eu .