Astronomi su posmatrali efekat dilatacije vremena u dalekim dijelovima svemira, što je prvi put da je čudan efekat, koji je Albert Ajnštajn predvidio prije više od 100 godina, primijećen u ranom kosmosu.
Događaji su se dešavali pet puta sporije kada je univerzum bio star tek milijardu godina – deseti dio njegove trenutne starosti – zbog načina na koji širenje kosmosa “rasteže” protok vremena.
– Vraćajući se u vrijeme kada je univerzum bio star tek milijardu godina, vidimo da je vrijeme teklo pet puta sporije. Da ste bili prisutni, u mladom kosmosu, jedna sekunda bi se činila kao jedna sekunda, ali iz naše perspektive, više od 12 milijardi godina kasnije, to rano vrijeme čini se da se vuče – objašnjava Džerald Luis, profesor astrofizike sa Univerziteta u Sidneju.
Ajnštajn je 1915. godine rekao da se stvari u svemiru dešavaju sporije kad su dalje od nas. To je zato što se svemir širi i povlači svjetlost i vrijeme sa sobom.
Kad gledamo zvijezde kako eksplodiraju, vidimo da su one daleko i da se njihove eksplozije odvijaju polako. Ali kad gledamo kvazare, koje su još dalje i sjajnije, nismo mogli da vidimo taj efekat.
Dva naučnika iz Novog Zelanda su proučavali 190 kvazara koje su drugi gledali u zadnjih 20 godina. Oni su otkrili da se kvazari stvarno kreću sporije kad su dalje od nas, baš kao što je Ajnštajn rekao.
Jedan australijski naučnik koji je dobio Nobelovu nagradu za fiziku kaže da je to dobar dokaz za Ajnštajnovu teoriju i da nema razloga da sumnjamo u nju.
Gravitacija nije sila, već je zakrivljenost četverodimenzionalnog prostora vremena.
Da bismo gravitaciju tretirali Einsteinovski, moramo se odreći svoje intuicije o tome kako prostor i vrijeme funkcioniraju, ovladati matematikom zakrivljenog prostora i neeuklidskog prostora i naučiti o ne tako lakim stvarima poput tenzora i čitave gomile drugih stvari. I sve ovo za šta?
Ispostavilo se da kada gravitaciju tretirate njutnovski, što znači da je smatrate samo još jednom silom, rezultirajuća greška je izuzetno mala. Toliko mala, da je u skoro svakodnevnim aplikacijama fizike i inženjerskim stvarima sa kojima gradimo i radimo ovdje, na zemlji, ta greška skoro nula.
Stoga, ima smisla samo tretirati gravitaciju kao silu sve dok se bavimo većinom svakodnevne fizike i ne idemo u ekstreme.
Prava priroda gravitacije, jer nije sila, potrebna je samo kada se radi o stvarima poput crnih rupa, neutronskih zvijezda ili svjetlosti u gravitacionom polju, u osnovi ludih masivnih stvari. Njutnova gravitacija je dovoljno dobra da omogući putanju svih planeta oko Sunca sa veoma visokim stepenom tačnosti.
Dakle, vidite, fizika nije samo u tome da ima sve savršene zakone, već i o tome kako pojednostaviti i približiti naizgled komplikovane zakone, kada je to potrebno.
Newton i zakon gravitacije Newton je objavio jedno od najslavnijih naučnih djela, Principia, 1687. godine. U njemu je opisao da je sila koja vuče predmete prema zemlji ista sila koja je u osnovi kretanja planeta i zvijezda.
Da bi došao do ovog zaključka, Newton je zamislio da odnese predmet daleko od površine Zemlje i baci ga. Ako ga bacite s premalo zamaha, on će pasti prema Zemlji, zarobljen gravitacijom poput nas samih. Ako ga bacite s previše zamaha, ubrzaće se od planete, započinjući putovanje u svemirske domete. Ali sa tačno pravim zamahom, možete ga baciti tako da neprestano pada oko Zemlje, okolo i okolo u vječnom natezanju konopa. Predmet pokušava nastaviti putem kojim ste ga bacili, ali gravitacija ga neprestano uvlači. Uz pravilan balans, objekt se sada nalazi u orbiti oko Zemlje – baš poput Mjeseca ili poput Zemlje oko Sunca.
Newton je formulisao ovaj uvid u matematičku jednadžbu, danas poznatu kao zakon univerzalne gravitacije. U kombinaciji sa znanjem o geometriji i ostalim Newtonovim jednadžbama kretanja, možemo ga koristiti za predviđanje kretanja planeta ili putanja kometa ili koliko je snage potrebno da se raketa dovede do Mjeseca.
Newtona priznajemo ne samo zbog njegove ideje, već i zato što ju je formulirao u jednačinu koja je predviđala s većom preciznošću nego ikad prije. Ali nije bilo savršeno – Newtonove jednadžbe dale su neka pogrešna predviđanja i, što je još važnije, nije opisao kako gravitacija djeluje na način na koji to radi. Newton je bio dobro svjestan toga kad je rekao,
Gravitaciju mora prouzrokovati agent koji stalno djeluje u skladu s određenim zakonima; ali da li je ovaj agent materijalni ili nematerijalni, ostavio sam na razmatranje svojim čitateljima. Isaac Newton
Iskrivljenja u prostoru i vremenu Više od 200 godina nakon što je Principia objavljena, svijet je još uvijek bio bez razumijevanja mehanizma gravitacije. Nakon toga je došao Albert Einstein – čovjek koji je na toliko načina trebao promijeniti svijet. Ali prije nego što pređemo na njegov posao, morat ćemo napraviti digresiju.
Ne možete znati krećete li se (konstantnom brzinom)
godine, čak i prije nego što je Newton objavio svoje danas poznato djelo, Galileo Galilei je pisao o relativnom kretanju objekata poznatih u njegovo vrijeme: brodova.
Ako ste u zatvorenoj sobi na brodu koji plovi konstantnom brzinom, a vožnja je savršeno glatka, predmeti se ponašaju kao na kopnu. Ne postoji fizički eksperiment koji biste mogli provesti da li se krećete ili mirujete (pod pretpostavkom da ne virite iz okna). Ovo je srž ideje koja stoji iza relativnosti i isti je razlog zašto ne osjećamo kretanje naše planete oko Sunca ili kretanje našeg Sunčevog sistema kroz galaksiju.
Prostor i vrijeme su povezani Gotovo 300 godina nakon Galileja, Einstein je razmišljao o posljedicama relativnosti u kontekstu važnog faktora: brzine svjetlosti. Nije bio jedina osoba koja je razmišljala o tim temama – drugi su fizičari u to vrijeme bili svjesni da na ovom frontu ima neodgovorenih pitanja. Ali Einstein je bio taj koji je formulirao teoriju – svoju teoriju posebne relativnosti – da objasni postojeće pojave i stvori nova predviđanja. U početku se činilo da posebna relativnost nema puno veze s gravitacijom, ali je Einsteinu bila bitan kamen za razumijevanje gravitacije.
POKRETNI SATOVI OTKUCAVAJU SPORIJE Eksperimenti za vrijeme Einsteina pokazali su da se čini da je brzina svjetlosti konstantna. Bez obzira koliko brzo pokušavali da je sustignete, čini se da vam svjetlost uvijek odmiče brzinom od gotovo 300 000 000 metara u sekundi.
Zašto je ovo važno? Pa, zamislimo da sami konstruiramo sat od same svjetlosti. Dva ogledala postavljena su jedno nasuprot drugog, a „otkucaj“ sata je vrijeme potrebno da čestica svjetlosti putuje s jedne na drugu stranu i natrag.
Sada zamislimo da vaš prijatelj, koji je na svemirskom brodu koji zipa pokraj Zemlje, ima jedan od ovih satova. Čini se da za vašeg prijatelja sat radi normalno – čestice svjetlosti putuju gore-dolje, kako se očekivalo, a vrijeme teče na svoj uobičajeni način. Ali iz vaše perspektive, gledajući brod kako prolazi, svjetlost se pomiče i gore i dolje i u stranu, s brodom. Svjetlost putuje veću udaljenost sa svakim otkucajem.
Dakle, za svemirskog putnika svjetlost putuje brzinom od 300 000 000 m / s i samo gore-dolje; a posmatraču koji je vezan za Zemlju, svjetlost putuje 300 000 000 m / s, ali mora preći veću, dijagonalnu udaljenost; tada promatraču uz Zemlju sat treba duže da “otkuca”.
Taj se efekt naziva vremenska dilatacija. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme.
PERSPEKTIVNA PITANJA Ali čije je vrijeme zaista usporeno? Je li to osobe na Zemlji, koja gleda svog prijatelja kako prolazi kroz njen svemirski brod? Ili astronaut, koji tvrdi da ostaje miran dok Zemlja prolazi?
Čudno je da su oba gledišta valjana, ali samo dok su oba u stalnom pokretu.
Za ilustraciju, pretpostavimo da su, kada je astronaut napustio Zemlju, on i njegov prijatelj bili istih godina. Kad on ode, svemirski brod ubrzava od Zemlje. Kad se vrati, svemirski brod usporava kako bi izbjegao pad. I prilikom odlaska i povratka svemirski brod mijenja referentni okvir i naš astronaut može osjetiti promjenu kretanja. Eksperimenti izvedeni unutar svemirskog broda za vrijeme ubrzavanja i usporavanja pokazali bi da se nešto mijenja. To ruši simetriju situacije, a kada se svemirski brod spusti natrag na Zemlju, naš astronaut zaista će biti mlađi od svog kolege vezanog za Zemlju.
Efekti su primjetni samo ako su putovali jako, jako brzo – ali još uvijek je istina reći da će današnji astronauti i piloti borbenih aviona koji se vrate iz brze misije, a ostarit će i malo i manje od ostalih tokom te misije.
ČETIRI DIMENZIJE PROSTORNOG VREMENA Slijedom ovoga, umjesto da razmišljamo o tri dimenzije prostora i jednoj zasebnoj dimenziji vremena, možemo ih smatrati četiri dimenzije „prostora-vremena“. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme i obrnuto.
OBJEKTI PRI KRETANJU SE SAŽIMAJU U PROSTORU Još jedna posljedica posebne relativnosti je da se čini da se objekti koji se brzo kreću skupljaju u smjeru svog kretanja. (I opet, ovo se preokreće, ovisno iz čije perspektive gledate.)
To proizlazi iz izobličenja vremena – uostalom, možete izmjeriti dužinu nečega prema količini prostora koji nešto putuje kroz vrijeme (npr. Svjetlosne godine, svjetlosne sekunde). I dok je lukavo zamisliti mjerenje dužine predmeta u pokretu iz tuđe perspektive, kontrakcija dužine je stvarni, fizički efekt, a ne samo rezultat nepreciznih mjerenja.
Za razliku od dobnih razlika koje mogu nastati dilatacijom vremena, ne postoje rezidualni efekti zbog kontrakcije dužine nakon što se pokretni objekt i posmatrač ponovo sjedine.
Razumijevanje gravitacije Einsteinov opis gravitacije dovodi do situacija jednako bizarnih kao i posebna relativnost – uključujući putovanje kroz vrijeme!
UBRZANJE I GRAVITACIJA MOGU DA SE NE MOGU RAZLIKOVATI Zamislite da se budite u svemirskom brodu, ubrzavajući kroz svemir. Baš kao što ste gurnuti natrag u sjedište automobila koji ubrzava, svemirski brod koji vas ubrzava odgurne vas u stranu nasuprot onoj prema kojoj ubrzavate. Uz određenu brzinu ubrzanja, set vaga mogao bi vam reći da težite potpuno isto kao i kad ste kod kuće na Zemlji.
Postoji li bilo kakav fizički eksperiment koji biste mogli obaviti u granicama svog svemirskog broda da biste utvrdili jeste li zaista ubrzavali kroz svemir (pod pretpostavkom da nije bilo prozora kroz koji ste mogli gledati) ili ste se, umjesto toga, nalazili u svemirskom brodu stacionarnom na površini Zemlja? Einstein je rekao ne – baš kao što je Galileo zamišljao nerazlučivost osobe u jedrenjaku s konstantnim kretanjem (zatvorenim bez prozora) i osobe na kopnu, Einstein je shvatio da se i efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati. To se naziva principom ekvivalencije.
Einstein je shvatio da se efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati.
PROSTOR SE ZAKRIVLJUJE ISPOD UBRZANOG POKRETA Jednom kada je Einstein formulirao princip ekvivalencije, gravitacija je postala manje misteriozna. Svoje znanje o ubrzanju mogao je primijeniti kako bi bolje razumio gravitaciju.
Možda znate da ubrzanje ne znači uvijek promjenu brzine, kao kad ubrzavate u automobilu, gurajući vas na naslon sjedala. To također može značiti promjenu smjera, na primjer kada zaobiđete kružni tok, zbog čega ćete se nagnuti prema boku automobila.
Da to dalje proširimo, zamislimo cilindričnu karnevalsku vožnju gdje ste vi i vaši suputnici prikovani za vanjsku površinu. Cilindar se okreće sve brže i brže dok ubrzanje ne popusti i kretanje ne ostane konstantno. Ali čak i kad je brzina konstantna, i dalje osjećate ubrzano kretanje – osjećate se prikovanim za vanjski rub vožnje.
Da je ova okretaja bila dovoljno velika i kretala se dovoljno brzo, počeli biste primjećivati neke bizarne efekte u samoj vožnji, ne samo sa stajališta nekoga tko stoji izvan nje.
Svakom rotacijom oni na rubu vožnje prelaze puni opseg cilindra – dok se u samom središtu gotovo uopće ne pomiče. Dakle, ako bi netko stajao u samom središtu vožnje (možda ga drži ograda, sprečavajući ga da padnu na rub), primijetio bi sve one čudne efekte koje smo vidjeli u posebnoj relativnosti – da će se oni na rubu promijeniti u dužini, i njihovi će satovi otkucavati sporije.
GRAVITACIJA JE ZAKRIVLJENJE PROSTOR – VREMENA Princip ekvivalencije govori nam da se efekti gravitacije i ubrzanja ne mogu razlikovati. Razmišljajući o primjeru cilindrične vožnje, vidimo da ubrzano kretanje može iskriviti prostor i vrijeme. Tu je Einstein spojio tačke sugerirajući da je gravitacija iskrivljenje prostora i vremena. Gravitacija je zakrivljenost svemira uzrokovana masivnim tijelima koja određuje put kojim predmeti putuju. Ta zakrivljenost je dinamična, kreće se kako se ti objekti kreću.
U Einsteinovom pogledu na svijet, gravitacija je zakrivljenost prostor – vremena uzrokovana masivnim objektima. Izvor slike: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.
Ova teorija, opća relativnost, predviđa sve, od orbita zvijezda do sudara asteroida do jabuka koje padaju s grane na zemlju – sve što smo očekivali od teorije gravitacije.
Prostor vrijeme zahvaća masu, govori joj kako da se kreće … Masa zahvaća prostor vrijeme, govori mu kako da se zakrivi. Fizičar John Wheeler
Uspjeh opšte relativnosti Baš kao što je Newtonova formulacija zakona gravitacije bila dragocjena zbog njihove prediktivne moći, isto vrijedi i za Einsteinove. Do danas su njegova predviđanja – koliko god čudno zvučala – izdržala test vremena.
Dokazi o Einsteinovoj teoriji gravitacije uključuju savijanje zvjezdane svjetlosti (ili, u ovom slučaju, svjetlosti čitavih galaksija) oko masivnih objekata. Izvor slike: ESA / Hubble & NASA / Wikimedia Commons.
Gravitacijski talasi EHO JAKO UDALJENE KATAKLIZME Zamislite dva vrlo masivna predmeta, poput crnih rupa. Ako bi se ti objekti sudarili, potencijalno bi mogli stvoriti ekstremne poremećaje u tkivu svemira, krećući se prema van poput mreškanja u jezercu. Ali koliko su se daleko mogli osjećati takvi valovi? Einstein je predvidio da gravitacijski valovi postoje, ali vjerovao je da će biti premali da bi se otkrili dok su stigli do nas ovdje na Zemlji.
Tako je s velikim uzbuđenjem 11. februara 2016. godine znanstvena zajednica bila puna objave da je otkriven gravitacijski val. Bili su nam potrebni instrumenti sposobni za otkrivanje signala promjera jednog desethiljaditog dijela promjera protona (10-19 metara). To je upravo ono što Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), kojom upravljaju Kalifornijski institut za tehnologiju i Massachusetts Institute of Technology, može.
LIGO EKSPERIMENT U LIGO eksperimentu laser se usmjerava u veliku strukturu tunela. Laserski snop je podijeljen tako da polovina putuje niz jedan od 4 kilometra dugih „krakova“, a druga polovina u isto vrijeme pada niz drugi krak od 4 kilometra. Na kraju svake ruke zrcalo reflektira svjetlost od lasera natrag odakle je došla, a dvije zrake se stapaju u jednu.
Uobičajeno, laserski zraci trebali bi se rekombinirati u isto vrijeme. Ali ako se gravitacijski talas talasa kroz svemir dok su detektori uključeni, to valjanje će ispružiti jedan krak strukture u obliku slova L prije rastezanja drugog. Gravitacijski talas narušava prolazak svjetlosti, što rezultira određenom vrstom interferencijskog svjetlosnog uzorka koji se detektira na kraju.
ASTRONOMIJA GRAVITACIONIH TALASA Uspješni LIGO eksperiment otvorio je novu eru astronomije. Prije toga, astronomi su se uglavnom fokusirali na proučavanje elektromagnetskog spektra (uključujući svjetlost i radio valove). Kroz taj smo posao uspjeli otkriti ogromnu količinu našeg svemira, ali sada imamo potpuno novi način proučavanja svemira.
Otkriće gravitacijskih valova daje astronomima novi ‘smisao’ s kojim mogu istraživati svemir, pa će tako gotovo sigurno biti iznenađenja pred nama. Ono što znamo je da će nam ova tehnika omogućiti bolje razumijevanje najmasivnijih objekata u svemiru kao što su crne rupe, neutronske zvijezde i supernove; i pružit će nam novi prozor za proučavanje kako je nastao svemir.
Da li je naše razumijevanje potpuno? Iako je Einsteinova teorija gravitacije potvrđivana eksperimentom za eksperimentom, to ne znači da je naše razumijevanje cjelovito. U stvari, znamo da nešto nije sasvim u redu.
Jedno neodgovoreno pitanje je da li gravitaciju širi graviton – predložena (ali do sada neotkrivena) čestica odgovorna za gravitacijske interakcije. Još važnije, znamo da je opća relativnost u svom sadašnjem obliku nekompatibilna s drugim stubom moderne fizike: kvantnom mehanikom. Ovo je pokazatelj da su jedna ili obje teorije nepotpune ili da nam nedostaje neka druga ključna komponenta.
Hoće li Einsteinova teorija gravitacije ostati nepromijenjena, nije poznato. Ali proizveo je mnoga neočekivana, neintuitivna predviđanja koja su se iznova potvrđivala tokom više od sto godina. To je znak velike naučne teorije – daje predviđanja koja se u to vrijeme možda neće moći dokazati, ali će se suprotstaviti rigoroznim testiranjima. Ovo je bilo jedno od najvećih putovanja u istoriji nauke, uključujući ne samo Newtona i Einsteina, već i mislioce i činioce širom svijeta koji su radili na testiranju ovih teorija.
Uprkos tome, raskol između relativnosti i kvantne mehanike ostaje. Što se tiče sljedećeg, niko sa sigurnošću ne zna. Međutim, postoji nekoliko teorija – teorija struna, teorija petlji, višedimenzionalnih teorija – nedokazanih, ali s obećanjem da će postati sljedeća prekretnica u razumijevanju našeg kosmosa.
Upotrebom Einsteinovog zbrajanja brzine koji je v = (u + v ’) / (1 + uv’ / c ^ 2) koji se, kada je u = v ’= c, smanjuje na v = c. Dakle, foton jedan u odnosu na drugi bi se kretali brzinom svjetlosti.
Drugo je reći da je vrlo teško ili čak nemoguće zamisliti da foton ima referentni okvir, jer gama, što je omjer vremenskih brzina, ide u beskonačnost, što znači da vrijeme za foton ide na nulu. Ako koristite gornju vezu da biste vidjeli kako se razvija Einsteinov dodatak brzine, formula je posljedica činjenice da promatrač vidi kako vrijeme prolazi sve sporije u drugom pokretnom okviru. Dakle, ako umjesto fotona na slici imamo posmatrača A koji se približava brzini svjetlosti dok promatra B koji približava se svjetlosnoj brzini prema A onda pitanje ima smisla. Iz perspektive A se vidi B unutar referentnog okvira koji se kreće prema A. Kako taj referentni okvir ide uvijek brže, A vidi da se B kreće usporeno (jer se čini da je vrijeme usporeno u tom referentnom okviru). Kako se referentni okvir približava brzini svjetlosti, efekt usporenog pokreta čini B približavanjem nuli brzine. Neto efekt je da će, kako se i A i B približavaju c, A vidjeti relativnu brzinu kao brzinu okvira (koja teži “c”) plus B-ovu usporenu brzinu (koja teži 0), što će kad se severe dati “c ”.
Opća relativnost sama ne pretpostavlja postojanje prenosnika sile. Problem je u tome što još ne znamo kako inkorporirati gravitaciju u teoriju koja je kompatibilna s kvantnom mehanikom. Drugi učinci koji su klasično razmatrani u smislu polja, poput elektromagnetizma i nuklearnih sila, formulirani su u smislu nositelja sile u kvantnoj teoriji polja.
Zbog uspjeha QFT (kvantne teorije polja), neki se nadaju da bi slične tehnike mogle održati obećanje u potrazi za ugradnjom gravitacije. Te teorije predlažu graviton kao nosioca gravitacione sile, ali postojanje takve čestice nije dokazano, pa ni matematička teorija takvih čestica nije dokazana kao kompatibilna s predviđanjima opće relativnosti.
Opća relativnost može biti slična drugim teorijama u “formalizmu prvog reda”, gdje je prostorna veza jedno od dinamičkih polja. Jednadžbe gibanja OR-a kažu kako sve što ima energiju služi kao izvor zakrivljenosti veze – baš kao i kod svih ostalih teorija polja.
U principu, OR nastaje i iz kvantne teorije. To znači da postoji najmanje moguće pobuđenje gravitacijskog polja – graviton. Znamo njezina svojstva proučavajući klasičnu granicu, OR. Teorija prostornog zakrivljenja (OR) trebala bi biti klasična granica kvantne teorije polja koja opisuje gibanje gravitona.
U fizici, prostorvrijeme je bilo koji matematički model koji spaja tri dimenzije prostora i jednu dimenziju vremena u jedan četverodimenzionalni kontinuum. Prostorvremenski dijagrami mogu se koristiti za vizualizaciju relativističkih efekata kao što su razlozi zašto različiti promatrači percipiraju gdje i kada se nešto događa.
Do prijelaza 20. stoljeća, pretpostavka je bila da je trodimenzionalna geometrija Svemira (njegov prostorni izraz u smislu koordinata, udaljenosti i smjerova) bio neovisan o jednodimenzionalnom vremenu. Međutim, 1905. Albert Einstein temelji svoj temeljni rad na posebnoj relativnosti na dva postulata:
(1) Zakoni fizike su invarirajući (tj. Identični) u svim inercijalnim sustavima (tj. Ne-ubrzavajući referentni okviri);
(2) Brzina svjetlosti u vakuumu jednaka je svim promatračima, bez obzira na gibanje izvora svjetlosti.
Logična posljedica uzimanja tih postulata je spajanje prostora i vremena u jednu dimenziju, do sada pretpostavljenog kao nezavisnog, prostora i vremena. Mnoge se proturječne posljedice pojavljuju: osim što je neovisno od kretanja izvora svjetlosti, brzina svjetlosti ima istu brzinu bez obzira na referentni okvir u kojem se mjeri; udaljenosti, pa čak i vremenski poredak parova događaja se mijenjaju kada se mjere u različitim inercijalnim referentnim okvirima (to je relativnost simultanosti); i linearna aditivnost brzina više ne vrijedi.
Einstein je u svojoj kinematici uokvirio svoju teoriju (proučavanje pokretnih tijela). Njegova je teorija bila napredak prema Lorentzovoj teoriji elektromagnetskih pojava iz 1904. i Poincarovoj elektrodinamičkoj teoriji. Iako su te teorije uključivale jednadžbe identične onima koje je Einstein uveo (tj. Lorentzovu transformaciju), one su u suštini bile ad hoc modeli koji su predložili objašnjavanje rezultata različitih eksperimenata – uključujući poznati Michelson-Morleyov interferometarski eksperiment – koji su bili izuzetno teški za uklapanje u postojeće paradigme.
Godine 1908. Hermann Minkowski, jedan od profesora matematike mladog Einsteina u Zürichu, predstavio je geometrijsku interpretaciju posebne relativnosti koja je spojila vrijeme i tri prostorne dimenzije prostora u jedan četverodimenzionalni kontinuum sada poznat kao Minkowski prostor. Ključna značajka ovog tumačenja je formalna definicija vremenskog intervala. Iako se mjerenja udaljenosti i vremena između događaja razlikuju za mjerenja izvedena u različitim referentnim okvirima, razmak prostorvremena neovisan je o inercijalnom referentnom okviru u kojem su snimljeni.
Minkowskijeva geometrijska interpretacija relativnosti bila je za Einsteinov razvoj Opće teorije relativnosti 1915. godine od vitalne važnosti, gdje je pokazao kako masa i energija zakrivljuju ovo ravno prostorvrijeme do Pseudo Riemannijskog mnogoznačnika.
Ne-relativistička klasična mehanika tretira vrijeme kao univerzalnu količinu mjerenja koja je ujednačena u cijelom prostoru i koja je odvojena od prostora. Klasična mehanika pretpostavlja da vrijeme ima konstantnu stopu prolaska koja je neovisna o stanju gibanja promatrača, ili čak bilo čega vanjskog. Nadalje, pretpostavlja da je prostor Euklidski, tj. pretpostavlja da prostor slijedi geometriju zdravog razuma.
U kontekstu posebne relativnosti, vrijeme se ne može odvojiti od tri dimenzije prostora, jer promatrana brzina kojom vrijeme prolazi za objekt ovisi o brzini objekta u odnosu na promatrača. Opća relativnost, osim toga, pruža objašnjenje kako gravitacijska polja usporavaju prolazak vremena za objekt kakav je promatrač vidio izvan polja.
U običnom prostoru, pozicija se određuje s tri broja, poznata kao dimenzije. U kartezijanskom koordinatnom sustavu, oni se zovu x, y i z. Pozicija u prostorvremenu zove se događaj i zahtijeva četiri broja: trodimenzionalno mjesto u prostoru, plus položaj na vrijeme. Prostorvrijeme je stoga četverodijelno. Događaj je nešto što se događa trenutačno na jednoj točki u prostoru, predstavljenoj sa skupom koordinata x, y, z i t.
Riječ “događaj” koja se koristi u relativnosti ne smije se miješati s upotrebom riječi “događaj” u normalnom razgovoru, gdje bi to moglo značiti “događaj” kao nešto poput koncerta, sportskog događaja ili bitke. To nisu matematički “događaji” u načinu na koji se ta riječ upotrebljava u relativnosti, jer imaju konačno trajanje i opseg. Za razliku od analogija koje se koriste za objašnjenje događaja, poput petardi ili munja, matematički događaji imaju nulto trajanje i predstavljaju jednu tačku u prostor vremenu.
Put čestice kroz prostorvrijeme može se smatrati slijedom događaja. Niz događaja može se međusobno povezati kako bi oblikovao liniju koja predstavlja napredak čestice kroz prostorvrijeme. Ta se crta naziva svjetskom linijom čestice.
Matematički, prostorvrijeme je glatko, što znači da izgleda lokalno “ravno” blizu svake tačke na isti način na koji, na dovoljno malim mjerilima, kugla izgleda ravna. Faktor izuzetno velikih razmjera, c (obično nazvan brzina svjetlosti) odnosi se na udaljenosti izmjerene u prostoru s udaljenosti izmjerenim u vremenu. Značaj ovog faktora skale (gotovo 300.000 km u prostoru ekvivalentan je vremenu od 1 sekunde), uz činjenicu da je prostorvrijeme ravno, podrazumijeva da je kod običnih, nerelativističkih brzina i kod običnih udaljenosti na ljudskoj razini malo toga što bi ljudi mogli promatrati što je vidljivo različito od onoga što bi mogli promatrati da je svijet Euklidski. Tek s pojavom osjetljivih naučnih mjerenja sredinom 1800-ih, kao što je eksperiment Fizeau i Michelson-Morleyov eksperiment, počeli su primijetiti zbunjujuće razlike između promatranja i predviđanja temeljenih na implicitnoj pretpostavci euklidskog prostora.
Svako mjesto prostorvremena označeno je s četiri broja definirana referentnim okvirom: položaj u prostorvremenu (koje se može vizualizirati kao čitanje sata koji se nalazi na svakoj poziciji u svemiru). ‘Promatrač’ sinkronizira satove prema vlastitom referentnom okviru. U posebnoj relativnosti, promatrač će u većini slučajeva označiti referentni okvir iz kojeg se mjeri skup objekata ili događaja. Ta se upotreba znatno razlikuje od običnog engleskog značenja pojma. Referentni okviri su inherentno nestalkalni konstrukti, a prema ovoj uporabi pojma, nema smisla govoriti o promatraču kao da ima lokaciju. Zamislite da je okvir koji se razmatra opskrbljen s gustom rešetkom satova, usklađenih unutar ovog referentnog okvira, koji se proteže na neodređeno vrijeme kroz tri dimenzije prostora. Nijedna specifična lokacija unutar rešetke nije važna. Kolekcija satova se koristi za određivanje vremena i položaja događaja koji se odvijaju unutar cijelog okvira. Pojam “promatrač” odnosi se na cijeli skup satova koji su povezani s jednim inercijalnim referentnim okvirom. U ovom idealiziranom slučaju, svaka tačka u prostoru ima sat koji je povezan s time, tako da satovi odmah registriraju svaki događaj, bez vremenskog kašnjenja između događaja i njegovog snimanja.
Pravi promatrač, međutim, vidjet će kašnjenje između emisije signala i njegovog otkrivanja zbog brzine svjetlosti. Za sinkronizaciju satova, u redukciji podataka nakon eksperimenta, vrijeme primanja signala bit će ispravljeno tako da odražava njegovo stvarno vrijeme da je snimljeno idealiziranom rešetkom satova.
U mnogim knjigama o posebnoj relativnosti, posebno starijima, riječ “promatrač” koristi se u uobičajenijem smislu riječi. Obično je jasno iz konteksta koje je značenje prihvaćeno.
Fizičari razlikuju ono što neko mjeri i ono šta neko opaža (nakon što je faktorizirao kašnjenje propagacije signala), u odnosu na ono što vizualno vidi bez takvih ispravaka. Nerazumijevanje razlike između onoga što mjeri / promatra u odnosu na ono što se vidi je izvor velike pogreške među početnim studentima relativnosti.
Opća relativnost ili opća teorija relativnosti (OTR) fizikalna je teorija koju je Albert Einstein objavio u članku Osnove opće teorije relativnosti (njem. Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie), 20. ožujka 1916. godine u Annalen der Physik. Ova teorija predstavlja relativističko poopćenje Newtonove teorije gravitacije.
Za razliku od klasičnog, Newtonovog opisa gravitacije kao sile koja se javlja među masivnim tijelima na pozadini apsolutnog prostor-vremena, u OTR ulogu gravitacije uzima samo prostor-vrijeme. Njega sada opisujemo pomoću metričkog tenzora ) koji je rješenje Einsteinove jednadžbe
gdje je Riccijev tenzor, Riccijev skalar, a tenzor energije-impulsa. Konstante u jednadžbi su , brzina svijetlosti i , gravitacijska konstanta. Utjecaj gravitacije na čestice definiran je zakrivljenošću prostor-vremena (tj. njegovom geometrijom) koju definiraju mase i sva fizikalna polja (osim gravitacijskog).
Opća relativnost ili opća teorija relativnosti (OTR) fizikalna je teorija koju je Albert Einstein objavio u članku Osnove opće teorije relativnosti (njem. Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie), 20. ožujka 1916. godine u Annalen der Physik. Ova teorija predstavlja relativističko poopćenje Newtonove teorije gravitacije.
Za razliku od klasičnog, Newtonovog opisa gravitacije kao sile koja se javlja među masivnim tijelima na pozadini apsolutnog prostor-vremena, u OTR ulogu gravitacije uzima samo prostor-vrijeme. Njega sada opisujemo pomoću metričkog tenzora ) koji je rješenje Einsteinove jednadžbe
gdje je Riccijev tenzor, Riccijev skalar, a tenzor energije-impulsa. Konstante u jednadžbi su , brzina svijetlosti i , gravitacijska konstanta. Utjecaj gravitacije na čestice definiran je zakrivljenošću prostor-vremena (tj. njegovom geometrijom) koju definiraju mase i sva fizikalna polja (osim gravitacijskog).
Slika: Dvije neutronske zvijezde se sudaraju; rezultujući gravitacijski talas se prostire brzinom svetlosti. (Kredit: Nacionalna naučna fondacija / LIGO / Državni univerzitet Sonoma / A. Simonne)
Mrtve jezgre dvije zvijezde su se sudarile prije 130 miliona godina u dalekoj galaksiji. Sudar je bio toliko ekstreman da je izazvao bore u prostor-vremenu – gravitacioni talas. Taj gravitacioni talas i svjetlost od zvezdane eksplozije su putovali zajedno u kosmosu. Oni su stigli na Zemlju istovremeno u 6:41 sati istočno 17. avgusta 2017. godine.
Događaj je izazvao naslove širom svijeta kao zoru “multimessenger astronomije”. Astronomi su čekali generaciju za ovaj trenutak. Ali to je bila i prva direktna potvrda da gravitacija putuje brzinom svetlosti.
Brzina gravitacije
Svi znamo da svjetlost pokriva ograničenje brzine – otprilike 300 000 km u sekundi. Ništa ne putuke brže. Ali zašto bi gravitacija putovala istom brzinom?
To pitanje zahteva poznavanje opšte teorije relativitets Alberta Ajnštajna ili teoriju gravitacije – istu teoriju koja je prije 100 godina predvidjala gravitacione talase.
Ajnštajn je odbacio ideju Isaka Newtona o “apsolutnom vremenu”. Njutn je razmišljao o tome kako je vreme išlo na sve strane istovetnim tempom – bez obzira na to kako smo mi smrtnici to shvatili. Bilo je beskrajno. Tim razmišljanjem, jedna sekunda na Zemlji je jedna sekunda u blizini crne rupe (za koju nije znao da postoji).
Njutn je takođe smatrao da gravitacija deluje odmah. Udaljenost nije važna.
Sve je relativno
Ali onda je Ajnštajn pokazao da je vrijeme relativno. To se mijenja brzinom i prisustvom gravitacije. Jedna od posljedica toga je da ne možete imati istovremene akcije na daljinu. Dakle, informacije bilo koje vrste imaju ograničenu brzinu, bilo da je to foton – čestica koja nosi svjetlost – ili graviton, koji nosi silu gravitacije.
U relativnosti postoji ” brzina informacija”- maksimalna brzina kojom možete da šaljete informacije od jedne do druge tačke”, kaže fizičar Univerziteta u Viskonsinu i Milvokiju Jolien Creighton, stručnjak za opću relativnost i član LIGO tima koji je prvi primjetio gravitacione talase.
Creighton objašnjava da u elektromagnetizmu, kada protresete elektron, stvarate promjenu u električnom polju koja se prostire brzinom svjetlosti. Gravitacija radi na isti način. Protresite masu i promenu gravitacionog polja – gravitacioni talas – propagira sa istom brzinom.
“Dakle, činjenica da je brzina gravitacionih talasa jednaka brzini elektromagnetnih talasa je jednostavno zato što oboje putuju brzinom informacija.”, kaže Creighton.
Postoji i lak način da se ovo vidi. Zamislite da je Sunce sada nestalo. Zemlja se ne bi odmah pomjerala u svemir. Poslje osam minuta, Zemlja bi bila mračna i istovremeno se odgurnula po pravoj liniji.
Vrijeme je lukava stvar u fizici, pogotovo kada je u pitanju mjerenje. A satovi možda neće riješiti ovaj problem na način na koji smo nekoć mislili da jesu, istraživači sada govore. Sat ovdje ne znači jednostavno onaj koji visi u vašoj sobi, već koncept fizike. Da, fizikalni satovi su instrumenti koji mjere vrijeme, ali vrijeme kao točke koje se mogu mjeriti na obližnjim mjestima u prostoru s beskrajnom točnosti. Ukratko, fizika nam je rekla da satovi ne utječu na prostor i na vrijeme – oni označavaju dosljedan ritam i mjere istu količinu vremena zahvaljujući principu pod nazivom “vremenska pretvorba invariancije”.
Međutim, teorijski fizičari sa Sveučilišta u Beču i Austrijske akademije znanosti pokazali su temeljnu manu u našoj sposobnosti mjerenja vremena. U istraživanju objavljenom u časopisu Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti (PNAS), istraživači su došli do ovog zaključka proučavanjem veze između kvantne mehanike i Einsteinove teorije opće relativnosti.”Otkrili smo da postoje temeljna ograničenja zajedničke mjerljivosti vremena duž susjednih prostorno – vremenskih trajektorija”, napisali su tri autora u studiji.
Razmazana vremena
U kvantnoj mehanici, Heisenbergov princip nesigurnosti pretpostavlja postojanje granice preciznosti s kojom se mogu poznavati dva fizikalna svojstva – energija i vrijeme sata. S druge strane, postoji opće relativnosti “efekt gravitacijske dilatacije vremena”, koji opisuje kako se protjecanje vremena mijenja prisustvom mase ili izvora energije.
“Međutim, ako je vrijeme definirano operativno, kao položaj pokazivača fizičkog sata koji poštuje principe opće relativnosti i kvantne mehanike, [da postoji idealni sat svakoj svjetskoj liniji], najviše je prikladna fikcija” Napisali su istraživači.
Ukratko, što je veća nesigurnost energije, to je veća nesigurnost vremena. Istraživači su pokazali da satovi postavljeni jedan do drugog stvaraju “zamagljen” protok vremena.
Ovo ograničenje, navodno, je univerzalno, na koje ne utječu ni podređeni mehanizmi satova niti materijal iz kojeg su izrađeni. Istraživanje ukazuje na važnost preciznijih satova koji mjere vrijeme, jer su ključni za moderne tehnologije – na primjer, u GPS uređajima, koje redovito koristimo.
Reference: Phys.org – najnovije vijesti iz znanosti i tehnologije, Zbornik Nacionalne akademije znanosti
