Черная дыра подтвердила правоту Эйнштейна. Но осталась «квантовая» проблема

Общая теория относительности Эйнштейна — мысль о том, что гравитация — это <span class="wp-tooltip" title="максимально широкая философская категория содержание которой обратно содержанию группы «безупречное» В группы заключены представления о единой субстанции лежащей в базе видимого обилия вещей схожей вещ, искажающая пространство-время, — выдержала наиболее 100 лет кропотливого исследования и тестирования, включая новые тесты, проведенные коллаборацией Event Horizon Telescope, размещенные в крайнем выпуске Physical Review Letters. Согласно крайним результатам, теорию Эйнштейна сделалось в 500 раз сложнее опровергнуть. Но есть одна неувязка: невзирая на свои успехи, надежная теория Эйнштейна остается математически несопоставимой с квантовой механикой, научным осознанием субатомного мира. Рассказываем основное о этом непростом научном открытии.

С чего же все началось?

В конце девятнадцатого века физика оказалась в упадке: существовали совершенные теории механики (Ньютон) и электромагнетизма (Максвелл), но они, похоже, не особо согласовывались. свет был известен как электромагнитное явление, но он не подчинялся этим же законам механики, что и <span class="wp-tooltip" title="максимально широкая философская категория содержание которой обратно содержанию группы «безупречное» В группы заключены представления о единой субстанции лежащей в базе видимого обилия вещей схожей вещ. Опыты Альберта А. Михельсона и остальных ученых в 1880-х годах проявили, что он постоянно двигался с одной и той же скоростью, независимо от скорости собственного источника. 

Особая теория относительности

Но ни один из этих выдающихся физиков не смог собрать всю историю воедино. Надежда оставалась на юного Альберта Эйнштейна, который в то время уже начал подступать к дилемме заного. В возрасте шестнадцати лет он задумался, каково это — путешествовать совместно со световым лучом? К 1905 году он показал, что результаты Фитцджеральда и Лоренца вытекают из 1-го обычного, но конструктивного догадки: законы физики и скорость света должны быть схожим для всех умеренно передвигающихся наблюдателей, независимо от их состояния относительного движения.

Чтоб это «работало», место и время больше не могут быть независящими. Быстрее они «конвертируются» друг в друга таковым образом, чтоб скорость света оставалась неизменной для всех наблюдателей. Вот почему кажется, что передвигающиеся объекты сжимаются, как подразумевали Фитцджеральд и Лоренц, и почему передвигающиеся наблюдатели могут определять время по-разному, как подразумевал Пуанкаре. место и время относительны, т. е. они зависят от движения наблюдающего, который определяет их — и свет наиболее фундаментален, чем то и другое. Это база специальной теории относительности Эйнштейна («особая» относится к ограничению равномерного движения).

Принцип эквивалентности

Скоро опосля окончания собственной специальной теории у Эйнштейна появилась «самая счастливая идея в собственной жизни». Это вышло в 1907 году, когда он посиживал в собственном кресле в патентном бюро в Берне и гадал, каково было бы попробовать уронить мяч, падая с стенки строения. Эйнштейн сообразил, что человек, который ускоряется вниз совместно с мячом, не сумеет найти на нем действие силы тяжести. Наблюдающий может «конвертировать» гравитацию (по последней мере, в конкретной близости), просто переместившись в эту ускоренную систему отсчета — независимо от того, какой объект уронить. Гравитация (локально) эквивалентна убыстрению. Это и есть принцип эквивалентности.

Чтоб осознать, как по сути замечателен принцип эквивалентности, представьте, что было бы, если б гравитация действовала так же, как и остальные силы. Если б гравитация была подобна электричеству, к примеру, тогда мячи с огромным зарядом могли быть посильнее притянуты к Земле и, как следует, падали бы резвее, чем шары с наименьшим зарядом. Не было бы никакого метода трансформировать такие эффекты, перемещаясь в одну и ту же ускоренную систему отсчета для всех объектов. Но гравитация «слепа к материи» — она ​​идиентично повлияет на все объекты. Из этого факта Эйнштейн сделал впечатляющий вывод о том, что гравитация не зависит от параметров материи (как, к примеру, электричество зависит от электронного заряда). Быстрее парадокс гравитации обязана происходить из некого характеристики пространства-времени.

Гравитация как искривленное пространство-время

В конце концов Эйнштейн обусловил свойство пространства-времени, которое отвечает за гравитацию, как его кривизну . место и время во вселенной Эйнштейна больше не плоские (как неявно подразумевал Ньютон), а могут тянуться, растягиваться и деформироваться материей. Гравитация посильнее всего чувствуется там, где пространство-время более искривлено, и исчезает там, где пространство-время плоское. В этом сущность общей теории относительности Эйнштейна, которую нередко можно выразить словами: «материя диктует пространству-времени, как изгибаться, а искривленное пространство-время гласит материи, как двигаться».

Обычный метод проиллюстрировать эту идею — поместить шар для боулинга (представляющий, к примеру, таковой мощный объект, таковой как солнце) на растянутый резиновый лист (представляющий пространство-время). Если на резиновый лист положить шарик, он будет катиться к шару для боулинга и даже быть может выведен на «орбиту» вокруг шара для боулинга. Это происходит не поэтому, что наименьшая масса «притягивается» силой, исходящей от большей, а поэтому, что она движется по поверхности, которая была деформирована присутствием большей массы.

Буквально так же гравитация в теории Эйнштейна возникает не как сила, распространяющаяся в пространстве-времени, а быстрее как черта самого пространства-времени. Согласно Эйнштейну, ваш вес на Земле обоснован тем, что ваше тело путешествует в искривленном пространстве-времени.

Общая теория относительности

Общая теория относительности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО).В данной нам теории постулируется, что гравитационные и инерциальные силы имеют одну и ту же природу.

Отсюда следует, что гравитационные эффекты обоснованы не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, а именно, с присутствием массы-энергии.

ОТО различается от остальных метрических теорий тяготения внедрением уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей

Общая теория относительности на физическом уровне базирована на принципе эквивалентности, но у данной нам теории есть и 2-ой, наиболее математический фундамент. Узнаваемый как принцип общей ковариантности, это требование, чтоб законпроизнес, выражать физические законы без координат — все равно что «обрисовывать мысли без слов». Физику пришлось завладеть абстрактной арифметикой поверхностей и их описанием в определениях тензоров.

Что узнали ученые?

Гравитация темной дыры так сильна, что искривляет место. Она действует как типичное увеличительное стекло, из-за чего же <span class="wp-tooltip" title="Архетип Нечто обратное тому что индивидум акцентирует в собственном сознании Как несовместимое с избранной сознательной установкой не допускается к проявлению в настоящей жизни и из-за этого в конечном счете образует достат этого галлактического объекта кажется больше, чем она есть по сути. Ученые проекта Event Horizon Telescope (EHT) исследовали это зрительное искажение и нашли, что реальный размер тени темной дыры М87 соответствует пророчествам общей теории относительности Эйнштейна. 

Как заявил Кейчи Асада, член научного совета EHT и эксперт по радионаблюдениям за темными дырами Института астрономии и астрофизики Academia Sinica, их метод это «совсем новейший метод проверить общую теорию относительности с внедрением сверхмассивных темных дыр». 

Как ученые пришли к своим выводам?

Когда в апреле 2019 года было размещено 1-ое изображение темной дыры, оно сделалось массивным доказательством теории гравитации Альберта Эйнштейна либо общей теории относительности. Теория не только лишь обрисовывает то, как <span class="wp-tooltip" title="максимально широкая философская категория содержание которой обратно содержанию группы «безупречное» В группы заключены представления о единой субстанции лежащей в базе видимого обилия вещей схожей вещ искажает пространство-время, да и предвещает само существование темных дыр, включая размер тени, отбрасываемой темной дырой на броский диск материала, который вращается вокруг неких плотных объектов. 

Для проведения теста команда употребляла 1-ое когда-либо изготовленное изображение сверхмассивной темной дыры в центре примыкающей галактики M87 на расстоянии около 55 миллионов световых лет, приобретенное при помощи EHT в прошедшем году.

Культовое изображение сверхмассивной темной дыры показало, что <span class="wp-tooltip" title="Архетип Нечто обратное тому что индивидум акцентирует в собственном сознании Как несовместимое с избранной сознательной установкой не допускается к проявлению в настоящей жизни и из-за этого в конечном счете образует достат на сто процентов соответствует пророчествам общей теории относительности относительно ее размера. Иными словами, Эйнштейн был прав — опять.

Этот итог, о котором сказала компания Event Horizon Telescope Collaboration, отдал ответ на один вопросец: соответствует ли размер темной дыры M87 общей теории относительности?

Но «весьма трудно ответить на обратный вопросец: как я могу настроить общую теорию относительности, и при всем этом соответствовать измерениям [черной дыры]?», заявил ученые команды EHT Димитриос Псалтис из Института Аризоны в Тусоне. Этот вопросец является главным, поэтому что все еще может быть, что какая-то иная теория гравитации могла бы обрисовать Вселенную, но замаскировалась под общую теорию относительности.

Возможность неправоты Эйнштейна сократилась в 500 раз

В исследовании, размещенном 1 октября в Physical Review Letters, Псалтис и его коллеги употребляли <span class="wp-tooltip" title="Архетип Нечто обратное тому что индивидум акцентирует в собственном сознании Как несовместимое с избранной сознательной установкой не допускается к проявлению в настоящей жизни и из-за этого в конечном счете образует достат темной дыры M87, чтоб создать принципиальный шаг к опровержению этих других теорий.

Команда провела весьма широкий анализ почти всех модификаций общей теории относительности, чтоб найти неповторимую характеристику теории гравитации, которая описывает размер тени темной дыры. Ученые сосредоточилась на ряде альтернатив, которые прошли все прошлые тесты в Солнечной системе.

«Используя разработанный нами датчик, мы проявили, что измеренный размер тени темной дыры в M87 сузивает место для маневра для модификаций общей теории относительности Эйнштейна практически в 500 раз по сопоставлению с прошлыми испытаниями в Солнечной системе», — разъясняет доктор астрофизики Уаризоны Фериал Озель, старший участник коллаборации EHT. «Почти все методы поменять общую теорию относительности терпят беду в этом новеньком и наиболее твердом тесте на <span class="wp-tooltip" title="Архетип Нечто обратное тому что индивидум акцентирует в собственном сознании Как несовместимое с избранной сознательной установкой не допускается к проявлению в настоящей жизни и из-за этого в конечном счете образует достат от темной дыры».

Визуализация новейшего датчика, разработанного для проверки пророчеств измененных теорий гравитации по сопоставлению с измерением размера тени M87.
Создатели и права: Д. Псалтис, Универсет Аризоны; EHT 

Чтоб быть уверенными в результатах, ученые употребляли размер темной дыры для выполнения так именуемого теста «второго порядка» общей теории относительности. Это «нереально создать в Солнечной системе», поэтому что гравитационное поле очень слабенькое, — разъясняет Лия Медейрос из Института многообещающих исследовательских работ в Принстоне, также участник EHT.

Проверки теории Эйнштейна

В общем, на данный момент физики представляют общую теорию относительности как наборе поправок либо дополнений к теории гравитации Ньютона. Общая теория относительности предвещает, какими должны быть эти надстройки. Если измерения того, как гравитация работает во Вселенной, отклоняются от этих пророчеств, то физики знают, что общая теория относительности — это еще не все. Чем больше дополнений либо причин добавлено к тесту, тем больше убежденности в итоге. Новейшие испытания и проверки темных дыр не принудят себя ожидать.

Моделирование темной дыры M87, показывающее движение плазмы, когда она кружится вокруг темной дыры. Колоритное тонкое кольцо, которое можно узреть в голубом, является краем того, что мы называем тенью темной дыры. фото: Л. Медейрос; К. Чан; Д. Псалтис; Ф. Озель; UArizona; IAS.

Но, если ОТО подтвердилась, почему некие физики недовольны плодами? Дело в том, что общая теория относительности конфликтует с квантовой механикой.

Относительность против квантовой механики: битва за Вселенную

Физики издержали десятилетия, пытаясь примирить две весьма различные теории. И если с общей теорией относительности все понятно, то почему квантовая механика отрешается подчиняться законам Эйнштейна?

В истинное время у физиков есть два отдельных свода правил, объясняющих, как устроена природа. Существует общая теория относительности, которая отлично разъясняет гравитацию и все, что она описывает: вращение планет, сталкивающиеся галактики, динамику расширяющейся Вселенной в целом. Это «наука о большенном».

А есть и квантовая механика , которая имеет дело с 3-мя иными силами — электромагнетизмом и 2-мя ядерными силами. Квантовая теория очень умела в описании того, что происходит, когда атом урана распадается либо когда отдельные частички света попадают в солнечный элемент. Это «наука о малом».

Квантовая мехааника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в каких действие сопоставимо по величине с неизменной Планка. Пророчества квантовой механики могут значительно различаться от пророчеств традиционной механики.

Столкновение вправду несопоставимых описаний действительности

сейчас к дилемме: теория относительности и квантовая механика — это принципно различные теории, которые имеют различные формулировки. Это не попросту вопросец научной терминологии; это столкновение вправду несопоставимых описаний действительности.

Конфликт (наиболее острый способ разрешения противоречий в интересах, целях, взглядах, возникающий в процессе социального взаимодействия) меж 2-мя половинами физики назревает уже наиболее века — спровоцированный парой работ Эйнштейна 1905 года, одна из которых обрисовывает теорию относительности, а иная — квантовую.

На самом деле, вы сможете мыслить о разделении меж теорией относительности и квантовыми системами как о «гладком» и «маленьком». В общей теории относительности действия непрерывны и детерминированы, что значит, что любая причина соответствует определенному локальному следствию. 

В квантовой механике действия, вызванные взаимодействием субатомных частиц, происходят скачками (да, квантовыми скачками) с вероятностными, а не определенными плодами. Квантовые правила разрешают связи, нелегальные традиционной физикой. Это было продемонстрировано в обширно обсуждаемом опыте. Тогда ученые показали, что две частички — в данном случае электроны — могут одномоментно влиять друг на друга, даже если они находятся на расстоянии мили. Когда вы пытаетесь интерпретировать гладкие релятивистские законы (законы относитеьности) в коротком квантовом стиле либо напротив, все «идет не по плану».

Глупые ответы

Относительность дает глупые ответы, когда вы пытаетесь уменьшить ее до квантового размера, в итоге опускаясь до нескончаемых значений в собственном описании гравитации. Буквально так же квантовая механика сталкивается с суровыми неуввязками, когда вы раздуваете ее до галлактических размеров. Квантовые поля несут определенное количество энергии даже в кажущемся пустом пространстве, и количество энергии становится больше по мере роста полей. Согласно Эйнштейну, энергия и масса эквивалентны (это сообщение E = mc 2 ), потому скопление энергии в точности похоже на скопление массы. Довольно большенный, и количество энергии в квантовых полях станет так огромным, что создаст черную дыру, которая принуждает Вселенную складываться саму в себя. Но, как можно увидеть, этого не происходит.

Проще говоря, квантовая механика несовместима с общей теорией относительности, поэтому что в квантовой теории поля силы действуют локально через обмен верно определенными квантами.

Что в итоге?

В итоге, новейший итог незначительно разочаровывает физиков, надеющихся отыскать трещинкы в теории Эйнштейна. Обнаружение отличия от общей теории относительности мог бы указать путь к новейшей физике. Либо это могло бы посодействовать соединить общую теорию относительности, физику весьма огромного и квантовую механику, ведомую теорию, которая обрисовывает физику весьма малых объектов, таковых как субатомные частички и атомы. Тот факт, что общая теория относительности как и раньше отрешается подчиняться, «волнует тех из нас, кто довольно стар и возлагал надежды получить ответ еще при жизни», — гласит Псалтис.

Проверка теории гравитации — это неизменный поиск: довольно ли неплохи пророчества общей теории относительности для разных астрофизических объектов, чтоб астрофизики не волновались о всех вероятных различиях либо модификациях общей теории относительности?

Иллюстрация различной силы гравитационных полей, исследованных при помощи космологических тестов, тестов солнечной системы и темных дыр. Создатели и права: Д. Псалтис, Институт Аризоны; НАСА (Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства — ведомство, принадлежащее федеральному правительству США) / WMAP; ЕКА / Кассини; EHT

Но будущие наблюдения с EHT сделают еще наиболее четкие проверки общей теории относительности, в особенности с еще не размещенными изображениями Sgr A * (Стрельца А*), темной дыры в центре Млечного Пути. С еще наиболее точными измерениями массы Sgr A *, чем у хоть какой иной сверхмассивной темной дыры, это изображение может поменять общую теорию относительности.

Стрелец A*. Это изображение было снято при помощи Чандра, рентгеновской обсерватории НАСА (Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства — ведомство, принадлежащее федеральному правительству США). Эллипсами отмечены световые эха. Полное изображение — 12,5 угловых минут (источник)

«Изображения темных дыр открывают совсем новейший угол для проверки общей теории относительности Эйнштейна , — разъясняет Майкл Крамер, директор Радиоастрономического института Макса Планка и участник коллаборации EHT.

«Совместно с наблюдениями за гравитационными волнами это знаменует начало новейшей эпохи в астрофизике темных дыр», — уверен Псалтис.

«Когда мы получим изображение темной дыры в центре нашей своей галактики, мы можем еще больше ограничить отличия от общей теории относительности», — заключает Озель.

Будет ли Эйнштейн прав тогда? И какая судьба ожидает квантовую механику?

Читать также:

Сделать ядерный реактор на Земле реально. Какие будут последствия?

Ледник «Судного денька» оказался опаснее, чем задумывались ученые. Рассказываем основное

На 3 денек

Источник