fbpx
На фокусНаукаНаука и технологии

Гениите също грешат: за кое Алберт Айнщайн е бил прав и за кое не ?

Преди 145 години е роден един от основоположниците на съвременната теоретична физика Алберт Айнщайн. Въпреки техническите ограничения на своето време, той в първата половина на миналия век е успял да опише много точно някои от основните процеси в макросвета. Неговите теории и досега намират своите потвърждения при наблюденията на Вселената. Но Айнщайн не за всичко е бил прав. За какво е бил прав великият учен и къде е грешал?

Алберт Айнщайн е известен преди всичко със своята теория на относителността. Тя съдържа една проста идея: описанието на различните физически явления зависи от референтната система, в която се намира наблюдателят. От това следва друга фундаментална теза: законите на природата, които са отговорни за определени събития, остават непроменени (инвариантни) и не зависят от начина, по който тези събития са описани. Освен това Айнщайн е предложил Вселената да се разглежда като четириизмерно пространство, тоест освен трите пространствени координати да се включва и времето.

Този подход теоретично прави възможни редица невероятни неща, например ефекта на забавяне на времето, според който времето от часовник, движещ се относително наблюдателя, протича по-бавно отколкото от това, отчитано от часовника на ръката му. Поради техническите ограничения, в продължение на много години изчисленията на Айнщайн не можеха нито да бъдат потвърдени, нито опровергани – много от тях получиха доказателство почти сто години след първата публикация. Ето някои съвременни наблюдения, които доказват, че Айнщайн е бил прав.

Първото изображение на черна дупка

Общата теория на относителността (ОТО) описва гравитацията като следствие от деформацията на пространствено-времевия континуум. С други думи, Земята се върти около Слънцето съвсем не поради силата на взаимно привличане, а защото звездата със своята маса създава вдлъбнатина в еластичната тъкан на пространство-времето.

За да се разбере как точно работи това е достатъчно да си представете батут с плътно опъната тъкан. Ако поставите тежък предмет върху него (в случая Слънцето), материалът ще се огъне, образувайки нещо като фуниевидна вдлъбнатина около обекта. На теория в нея се въртят по-малките космически обекти, например малката топка на Земята. От гледна точка на теорията на относителността даже силата на тежестта представлява друго проявление на кривината на пространство-времето, а не силата, описана от Нютон.

Теорията на Айнщайн също така допуска, че може да има свръхмасивни обекти във Вселената, които деформират тъканта на пространство времето толкова силно, че всичко, дори светлината, се „влива“ в образуваната от тях фуния. И въпреки че самият физик не е вярвал, че това е възможно в действителност, по-късното откриването на черните дупки потвърди, че фантастичната му теория е вярна.

Когато учените през 2019 г., използвайки Event Horizon Telescope, успяха да снимат за първи път свръхмасивна черна дупка, се оказа, че Айнщайн, без да подозира, е бил прав и за други конкретни неща. Например физикът предположил, че около всяка черна дупка има условна граница, от която дори за светлината връщане няма и тя се нарича хоризонт на събитията.

Какво представлява хоризонтът на събитията

Това е специална граница в астрофизиката, свързана с втората космическа скорост (тази скорост трябва да се развие от по-малък обект, за да се преодолее гравитационното привличане на по-големия). Факт е, че колкото по-силна е гравитацията на едно космическо тяло, толкова по-голяма скорост трябва да се развие, за да се „отървете“ от него. В случай на черната дупка обаче това може да е невъзможно: след определена точка (хоризонта на събитията) дори светлината, най-бързият обект във Вселената, не може да избегне нейното привличане.

Според Айнщайн хоризонтът на събитията по своята форма напомня кръг, а размерът му зависи пряко от масата на черната дупка.

През 2019 г. теорията на Айнщайн беше потвърдена. Event Horizon Telescope успя да заснеме свръхмасивна черна дупка, която изглеждаше рамкирана от попадащата в нея материя. Това наблюдение доказа, че Айнщайн е бил прав в своите специфични изчисления за размера на хоризонта на събитията, както и формата, която има.

Гравитационните вълни

Теорията на относителността на Айнщайн предполага, че върху тъканта на пространство-времето могат да се появят огромни гравитационни вълни. Това са вид “пулсации” в пространствено-времевия континуум, които карат всички масивни тела да се движат с променливо ускорение. Такива колебания най-лесно могат да се открият при свръхмасивните тела – например черни дупки, неутронни звезди или бели джуджета – които се въртят едно около друго и в резултат на това се сблъскват. По време на своето движение, космическите обекти генерират енергия под формата на гравитационни вълни, които от своя страна се разпространяват наоколо със скоростта на светлината и провокират свиване и разширяване на пространство-времето. На същия принцип камъче хвърлено във вода причинява нарушаване гладкостта на повърхността на езерото и видимите колебания се разпространяват във всички посоки.

През 2015 г. учените от проекта LIGO успяха директно да открият гравитационни вълни.

Какво представлява проекта LIGO?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) е гравитационно-вълнова обсерватория с лазерен интерферометър, предназначена за откриване на гравитационни вълни. С помощта на специални огледални тунели, през които се пускат лазерни лъчи, е възможно да се определи кога настъпват промени в тъканта на пространство-времето.

На 14 септември 2015 г. огледалата в тунелите започнали да колебаят с честота 150 Hz и невероятно малка амплитуда от 10–19 м. След анализ на записаното явление се оказало, че това се дължи на сливането на две масивни черни дупки на разстояние 1,3 милиарда светлинни години от Земята, като първата тежала колкото 29 слънца, а втората – 36. Получилата се черна дупка в резултат на сливането е загубила три слънчеви маси, преобразувани в енергия, която предизвикала колебания в пространствено-времевия континуум. През 2017 г. това откритие беше удостоено с Нобелова награда по физика.

Гравитационни лещи

Айнщайн е смятал, че космическите обекти, които имат достатъчна маса (планети, звезди и галактически клъстери), са способни да променят чрез своето гравитационно поле посоката на разпространение на електромагнитното излъчване, към което се отнася и светлината,. На същия принцип работят и обикновените лещи, които могат да променят траекторията на слънчевите лъчи.

Благодарение на гравитационните лещи е възможно да се наблюдават отдалечени обекти, чиято светлина преминава близо до масивни космически тела: фотоните, летящи във всички посоки, ще променят траекторията си поради гравитационното поле на „лещата“, в резултат на което се получава изкривено изображение на далечните простори в точката за наблюдение. Благодарение на този ефект от Земята могат да се видят далечни звезди и галактики, които всъщност са оградени от нашата планета с физически препятствия.

Използвайки този принцип, с помощта на орбиталната обсерватория “Джеймс Уеб”.е получено „най-дълбокото и ясно инфрачервено изображение на далечната Вселена до момента“, Тя регистрира масивния галактически клъстер SMACS 0723, който се намира на повече от 4,6 милиарда светлинни години от Земята.

Обаче SMACS 0723 не се явява само цел за наблюдение, но и средство. Той действа като гравитационна леща, позволявайки ни да видим още по-далечни пространства на Вселената, а именно галактики, които са отдалечени на около 13 милиарда светлинни години от Земята.

В какво е грешал Айнщайн?

Въпреки че теорията на относителността на Айнщайн обяснява много принципи във Вселената и непрекъснато намира експериментални потвърждения, тя губи всякакъв смисъл в микрокосмоса на отделните частици. С други думи, теорията на относителността си противоречи със законите на квантовата механика.

Фундаментално различните и взаимно противоречащи си подходи на тези теории са добре илюстрирани от феномена на квантовото заплитане, характерен за квантовата механика. Най-кратко обяснено: частиците в квантовата механика имат спин, тоест собствен момент на импулса. Спинът може да бъде ориентиран в едната или другата посока. Но понякога частиците могат да се заплитат една с друга и в резултат на това можем да кажем с увереност, че спинът на едната частица задължително ще бъде противоположен на спина на другата.

Защо е удивително, че можете да предсказвате въртенето в квантовата механика?

В квантовата механика частиците до измерването нямат определена позиция. Те, като котката на Шрьодингер, могат да бъдат едновременно „мъртви“ и „живи“ преди отварянето на кутията (измерването). Това състояние на частиците се нарича суперпозиция и представлява вид комбинация от всички събития, които биха могли да се случат с изследваната частица. С други думи, извън момента на непосредственото наблюдение учените не могат да кажат как ще се държи тази или онази частица. Ето защо фактът, че можете да определите въртенето на една заплетена частица, като гледате друга, е удивителен.

Описаната връзка е вярна, независимо от това колко далеч са заплетените частици една от друга: веднага щом изследвате едната, въртенето на другата става противоположно. Това означава, че информацията между тях се предава по-бързо от скоростта на светлината.

Именно тук Айнщайн е допуснал грешка. Според теорията на относителността скоростта на светлината е абсолютна граница, която не може да бъде преодоляна, което противоречи на принципа на квантовото заплитане. Той през целия си живот се е присмивал на това явление, настоявайки, че е невъзможно да се превиши скоростта на светлината. Освен това е твърдял, че обектите се характеризират с определено състояние, независимо от това дали ги измерваме или не (един от основните постулати на теорията на относителността).

Очевидно обаче гениалният физик е грешал. Многобройни експерименти показват, че заплетените частици действително си влияят една на друга – и тяхното състояние може да бъде определено само в момента на измерване, но не и преди това.

0 0 votes
Article Rating
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments

Харесайте ни :-)


This will close in 25 seconds

0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x