שבע דרכים פשוטות שאנחנו יודעים שאיינשטיין צדק (לעת עתה)

במשך מאה שנה, תיאוריית היחסות הכללית של אלברט איינשטיין שרדה כמעט כל מבחן שהפיזיקאים הטילו עליו. משוואות השטח של המדען המפורסם הוכרזו בנובמבר 1915, והרחיבו את חוקיו ארוכי השנים של אייזק ניוטון בכך שדמיין מחדש את כוח הכבידה כמי שעווה במרקם של מרחב וזמן, ולא ככוח פשוט בין עצמים.

תוכן קשור

• לאחר מאה חיפושים גילינו סוף סוף גלי כבידה
• חמישה דברים שכדאי לדעת על גלי כבידה
• מדוע אלברט איינשטיין, הגאון מאחורי תורת היחסות, אהב את הצינור שלו
• חמישה שימושים מעשיים למכניקת קוונטים "מפחידים"

התוצאות של שימוש במשוואות תורת היחסות הכלליות נראות למעשה דומות למה שתקבלו במתמטיקה של ניוטון, כל עוד ההמונים המעורבים אינם גדולים מדי והמהירות יחסית קטנה יחסית למהירות האור. אבל הרעיון היה מהפכה לפיזיקה.

זמן חלל מעוות פירושו שהאור עצמו מושפע מכוח הכובד הרבה יותר חזק ממה שניבא ניבא. המשמעות היא גם שכוכבי לכת נעים סביב מסלוליהם בצורה מעט שונה אך משמעותית מאוד, והיא מנבאת את קיומם של חפצים אקזוטיים כמו חורים שחורים מפלצתיים וחורים תולעים.

תורת היחסות הכללית אינה מושלמת - נראה כי כללי הכובד של איינשטיין מתקלקלים כשמיישמים אותם על כללי מכניקת הקוונטים, השולטים בקנה מידה תת-אטומי. זה משאיר הרבה פערים מפתים בהבנתנו את היקום. גם בימינו מדענים דוחפים את הגבולות כדי לראות עד כמה היחסות יכולה לקחת אותנו. בינתיים, הנה כמה מהדרכים בהן אנו רואים בעקביות את היחסות בפעולה:

מסלולו של מרקורי

החללית MESSENGER, הראשונה שהקיפה מסלול מרקורי, תפסה את התצוגה הצבעונית השגויה הזו על הכוכב הזעיר כדי להראות הבדלים כימיים, מינרלוגיים ופיזיים על פני השטח שלו. (NASA / JHUAPL / מוסד קרנגי)

עוד במאה ה -19 הבחין האסטרונום אורביין לברייר בבעיה במסלולו של מרקורי. מסלולי כדור הארץ אינם מעגליים, הם אליפסות, מה שאומר שכוכבי לכת יכולים להיות קרובים יותר או רחוקים יותר מהשמש ומזה מזה כאשר הם עוברים דרך מערכת השמש. כאשר כוכבי לכת מושכים זה את זה, נקודות הגישה הקרובה ביותר שלהם נעות בצורה צפויה, תהליך שנקרא הכרה.

אבל אפילו לאחר שהסביר את השפעותיהם של כל שאר כוכבי הלכת, נראה כי מרקורי מקדימה מעט יותר ממה שהיה צריך בכל מאה. תחילה חשבו אסטרונומים שכוכב לכת אחר, שלא נראה, שכונה וולקן, חייב להיות בתוך מסלולו של מרקורי, והוסיף את משיכת הכבידה שלו לתערובת.

אבל איינשטיין השתמש במשוואות היחסות הכללית כדי להראות שלא היה צורך בכוכב לכת מסתורי. מרקורי, כשהוא הכי קרוב לשמש, מושפע יותר מהאופן בו הכוכב המסיבי שלנו מתעקם את מרקם הזמן-חלל, דבר שהפיזיקה הניוטונית לא הביאה בחשבון.

אור כיפוף

תמונה של ליקוי החמה שנראה ב- 29 במאי 1919. ("קביעת סטיה של האור על ידי שדה הכבידה של השמש, מתצפיות שנערכו בליקוי החמה של 29 במאי 1919" עסקאות פילוסופיות של החברה המלכותית של לונדון, סדרה א)

על פי תורת היחסות הכללית, אור הנעה בזמן המרחב-בד צריך לעקוב אחר עקומותיו של אותו בד. זה אומר שאור הנע סביב עצמים מאסיביים צריך להתכופף סביבם. כשפרסם איינשטיין את מאמרי היחסות הכללית שלו, לא היה ברור כיצד לצפות בעיוות זה, מכיוון שההשפעה החזויה היא קטנה.

האסטרונום הבריטי ארתור אדינגטון פגע ברעיון: התבונן בכוכבים הסמוכים לקצה השמש במהלך ליקוי חמה. עם בוהק השמש חסום על ידי הירח, אסטרונומים יכלו לראות אם מיקומו לכאורה של כוכב השתנה ככל שכובד השמש המסיבי כופף את אורו. המדענים ערכו תצפיות משני מוקדים: אחד במזרח ברזיל ואחד באפריקה.

מה שבטוח, צוותו של אדינגטון ראה את העקירה במהלך ליקוי חמה של שנת 1919, וכותרות העיתונים חתרקו לעולם כי איינשטיין צדק. בשנים האחרונות, בדיקות חדשות של הנתונים הראו כי לפי הסטנדרטים המודרניים הניסוי היה פגום - היו בעיות בלוחיות הצילום, והדיוק שהיה זמין בשנת 1919 לא היה ממש מספיק טוב כדי להראות את הכמות הנכונה של הסטייה במדידות. מברזיל. אך ניסויים שלאחר מכן הראו שההשפעה שם, ובהתחשב בהיעדר ציוד מודרני, העבודה הייתה מספיק סולידית.

כיום יכולים אסטרונומים המשתמשים בטלסקופים רבי עוצמה לראות את האור מגלקסיות רחוקות שמכופפים ומוגדלים על ידי גלקסיות אחרות, אפקט המכונה כיום עדשת כבידה. אותו כלי משמש כיום להערכת המוני הגלקסיות, לחיפוש אחר חומר אפל ואפילו לחיפוש אחר כוכבי לכת המקיפים כוכבים אחרים.

חורים שחורים

טלסקופ החלל צ'נדרה של נאס"א ראה את החור השחור במרכז הגלקסיה שלנו, שנקרא מזל קשת A *, ומשחרר פרץ בהיר במיוחד של צילומי רנטגן בינואר. (NASA / CXC / מכללת אמהרסט / D.Haggard et al)

אולי התחזית המרהיבה ביותר של תורת היחסות הכללית היא קיומם של חורים שחורים, עצמים כה מסיביים שאפילו אור לא יכול היה להימלט ממשיכת הכבידה שלהם. הרעיון, לעומת זאת, לא היה חדש. בשנת 1784 הציג אותו מדען אנגלי בשם ג'ון מיטשל בישיבות האגודה המלכותית, ובשנת 1799 הגיע פייר-סיימון לאפלס, מתמטיקאי צרפתי, לאותה מושג וכתב הוכחה מתמטית קפדנית יותר. אף על פי כן, איש לא הבחין בדומה לחור שחור. בנוסף, ניסויים ב- 1799 ואילך נראה כי אור מראה שחייב להיות גל ולא חלקיק, כך שהוא לא יושפע מכוח המשיכה באותה צורה, אם בכלל.

כנסו לאיינשטיין. אם כוח הכבידה נובע למעשה מהתעקמות זמן-חלל, זה יכול להשפיע על האור. בשנת 1916 השתמש קארל שוורצשילד במשוואות של איינשטיין כדי להראות שלא רק שיכולים להתקיים חורים שחורים, אלא שהאובייקט שהתקבל היה כמעט זהה לזה של לה-פלייס. שוורצשילד הציג גם את המושג אופק אירועים, משטח שממנו לא יכול היה לחפץ שום אובייקט חומרי.

אף על פי שהמתמטיקה של שוורצשילד הייתה קול, עברו עשרות שנים עד שהאסטרונומים התבוננו במועמדים כלשהם - Cygnus X-1, מקור חזק לצילומי רנטגן, הפך לאובייקט הראשון שהתקבל ברבים כחור שחור בשנות השבעים. כעת האסטרונומים חושבים שלכל גלקסיה יש חור שחור בבסיסה - אפילו שלנו. אסטרונומים עקבו בזהירות אחר מסלולי הכוכבים סביב מקור רנטגן בהיר אחר במרכז שביל החלב, קשת A *, וגילו שהמערכת מתנהגת כמו חור שחור מסיבי במיוחד.

"עבור מערכות כמו Cygnus X-1 או מזל קשת A *, אנו יכולים למדוד את המסה ואת הרדיוס של האובייקט הקומפקטי, ואנחנו פשוט לא יכולים להבין שום אובייקט אסטרופיזי אחר שיהיה לו אותם תכונות תצפיתיות, " אומר פול M סוטר, אסטרופיסיקאי ומלומד אורח באוניברסיטת אוהיו.

יורה בירח

חלק מניסוי לייזר ירחי שנמשך על הירח על ידי אפולו 15. (נאס"א)

ביצירת תיאוריית היחסות הכללית שלו, איינשטיין הבין כי השפעות הכובד והשפעות האצה נגרמות שניהם בגלל עקמומיות החלל-זמן, וכי כוח הכבידה שחווה מישהו העומד על עצם מסיבי יהיה דומה לאפקט שחווה מישהו שמאץ משם, נניח ברכיבה על טיל.

זה אומר שחוקי הפיזיקה כפי שנמדדים במעבדה תמיד ייראו זהים, לא משנה כמה מהר המעבדה עוברת או היכן שהיא נמצאת במרחב-זמן. כמו כן, אם תשים חפץ בשדה כבידה, תנועתו תהיה תלויה רק ​​במיקומו הראשוני ובמהירותו. אמירה שנייה זו חשובה, מכיוון שהיא מרמזת כי משיכת כוח המשיכה של השמש על פני כדור הארץ והירח צריכה להיות יציבה מאוד - אחרת, מי יודע איזו צרה עלולה להיווצר אם כוכב הלכת שלנו והירח "נופלים" לעבר השמש בקצבים שונים.

בשנות השישים, משימות אפולו ובדיקות הירח הסובייטיות הציבו מחזירי אור על הירח, ומדענים על כדור הארץ שיגרו עליהם קרני לייזר כדי לבצע שלל ניסויים מדעיים, כולל מדידת המרחק בין כדור הארץ לירח ותנועותיהם היחסיות. סביב השמש. אחד הלקחים מממצאי טווח הירח הזה היה שכדור הארץ והירח אכן נופלים לעבר השמש באותו קצב, בדיוק כפי שחזית היחסות הכללית.

גרירת שטח

ציור מורכב של הלוויין Gravity Probe B. (קתרין סטפנסון, אוניברסיטת סטנפורד ותאגיד לוקהיד מרטין)

ברוב התיאורים של תורת היחסות הכללית, אנשים מדמיינים את כדור הארץ ככדור באולינג תלוי על פיסת בד, המכונה זמן-חלל. הכדור גורם לעיוות של הבד לדיכאון. אך מכיוון שכדור הארץ מסתובב, תורת היחסות הכללית אומרת שדיכאון צריך להתפתל ולעוות ככל שהכדור מסתובב.

חללית בשם Gravity Probe B, שהושקה בשנת 2004, בילתה שנה במדידת עקמומיות החלל סביב כדור הארץ. הוא מצא כמה ראיות לגרירת מסגרות, או לכדור הארץ שגורר איתו את הבד הקוסמי כשהוא מסתובב, ועוזר לאמת את תמונת הכובד של איינשטיין.

אדוות זמן-חלל

שני פולסים ענקיים מסתובבים זה בזה יוצרים הפרעה מספקת במרקם הזמן-חלל בכדי לייצר גלי כבידה שעלינו להיות מסוגלים לזהות בכדור הארץ. (נאס"א)

תוצאה נוספת של עצמים העוברים במרחב-זמן היא שלפעמים הם יווצרו אדוות וגלים בבד, בדומה לעוקבת ספינה. גלי כבידה אלה ימתחו זמן-חלל בדרכים שניתן לראות באופן תיאורטי. לדוגמה, ניסויים מסוימים מאירים קרן לייזר בין שתי קבוצות של מראות וזמן כמה זמן לוקח לקורה להקפיץ ביניהן. אם אדווה חללית עוברת בכדור הארץ, גלאים כאלה צריכים לראות התארכות והתכווצות זעירה של הקורה, שתופיע כדפוס התערבות.

עד כה, גלי כבידה הם אחת התחזיות העיקריות האחרונות לתורת היחסות הכללית שטרם נראו, אם כי יש שמועות על גילוי במתקן בארצות הברית, אך ישנן עדויות עקיפות. פולסרים הם כוכבים מתים האורזים פעמים רבות את מסת השמש לחלל בגודל מנהטן. תצפיות על שני פולסארים המקיפים זה את זה מספקות רמזים לכך שגלי הכבידה הם אמיתיים.

"נצפה כי התקופה המסלולית של הפולסר הבינארי הראשון נופלת לאורך זמן בכ- 0.0001 שניות בשנה", אומר הפיזיקאי אלן קוסטלקי מאוניברסיטת אינדיאנה. "קצב הריקבון תואם את אובדן האנרגיה כתוצאה מקרינת כבידה שמנבאת על ידי תורת היחסות הכללית."

ג'י.פי. אס

עיבוד של אמן מציג לוויין GPS-IIRM במסלול. (הוועד המנהל הארצי של ארה"ב למיקום, ניווט ותזמון מבוסס שטח)

מערכות מיצוב גלובליות אינן בדיוק מבחן היחסות, אך הן סומכות עליה לחלוטין. GPS משתמש ברשת של לוויינים המקיפים כי הם מציגים אותות לטלפונים ולמכוניות שכורות בכל רחבי כדור הארץ. כדי לקבל עמדה, לוויינים אלה צריכים לדעת היכן ומתי הם, ולכן הם מקפידים על מדידות זמן לרמת דיוק של מיליארדי שנייה.

אבל הלוויינים מסתובבים במרחק של 12, 550 מיילים מעל ראשינו, שם הם חשים פחות במשיכת הכבידה של כדור הארץ מאשר אנשים על האדמה. בהתבסס על תיאוריית היחסות המיוחדת של איינשטיין, האומרת שהזמן עובר אחרת עבור משקיפים שנעים במהירויות שונות, שעוני הלוויין מתקתקים מעט לאט יותר מהשעון שנוסע במטוס ארצי.

עם זאת, תורת היחסות הכללית עוזרת לבטל את האפקט הזה, מכיוון שכוח הכבידה קרוב לפני השטח של כדור הארץ מאט את קרציות השעון בהשוואה ללוויין המזרז את התקורה. בהיעדר המשולבת הרלטיבית הזו, שעוני ה- GPS יסתיימו בכ- 38 מיקרו-שניות ליום. זה אולי נשמע כמו שגיאה קטנה, אך GPS דורש דיוק כה גבוה עד שהפערים יהפכו את המפה הממופה שלך לא נכונה תוך שעות ספורות.