Al 100 jaar overleeft de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein zowat elke test die natuurkundigen erop hebben gedaan. Aangekondigd in november 1915, breidden de veldvergelijkingen van de beroemde wetenschapper uit op de aloude wetten van Isaac Newton door de zwaartekracht opnieuw te beschouwen als een kromtrekken in de structuur van ruimte en tijd, in plaats van een eenvoudige kracht tussen objecten.
gerelateerde inhoud
- Na een eeuw zoeken hebben we eindelijk zwaartekrachtgolven ontdekt
- Vijf dingen om te weten over zwaartekrachtgolven
- Waarom Albert Einstein, het genie achter de relativiteitstheorie, van zijn pijp hield
- Vijf praktische toepassingen voor "Spooky" Quantummechanica
De resultaten van het gebruik van algemene relativiteitsvergelijkingen lijken in feite op wat je krijgt met Newton's wiskunde, zolang de betrokken massa's niet te groot zijn en de snelheden relatief klein zijn in vergelijking met de snelheid van het licht. Maar het concept was een revolutie voor de natuurkunde.
Verdraaide ruimtetijd betekent dat licht zelf veel sterker door zwaartekracht wordt beïnvloed dan Newton voorspelde. Het betekent ook dat planeten op een enigszins gewijzigde maar zeer belangrijke manier rond hun banen bewegen en voorspelt het bestaan van exotische objecten zoals zwarte monstergaten en wormgaten.
Algemene relativiteitstheorie is niet perfect - de regels van de zwaartekracht van Einstein lijken te breken wanneer je ze toepast op de regels van de kwantummechanica, die regeren op subatomaire schalen. Dat laat veel verleidelijke hiaten achter in ons begrip van het universum. Zelfs vandaag verleggen wetenschappers de grenzen om te zien hoe ver relativiteit ons kan brengen. In de tussentijd zijn hier enkele manieren waarop we consequent relativiteit in actie zien:
De baan van Mercurius
Het ruimtevaartuig MESSENGER, de eerste die in een baan om Mercurius draaide, ving dit valse kleurenbeeld van de kleine planeet op om chemische, mineralogische en fysieke verschillen op het oppervlak te tonen. (NASA / JHUAPL / Carnegie Institution) In de 19e eeuw zag astronoom Urbain LeVerrier een probleem met de baan van Mercurius. Planetaire banen zijn niet cirkelvormig, het zijn ellipsen, wat betekent dat planeten dichterbij of verder van de zon en van elkaar verwijderd kunnen zijn als ze door het zonnestelsel bewegen. Terwijl planeten aan elkaar trekken, bewegen hun dichtstbijzijnde punten op een voorspelbare manier, een proces dat precessie wordt genoemd.
Maar zelfs na rekening te hebben gehouden met de effecten van alle andere planeten, leek Mercurius nog een klein beetje verder te gaan dan elke eeuw zou moeten. Aanvankelijk dachten astronomen dat een andere, ongeziene planeet genaamd Vulcan zich in de baan van Mercurius moet bevinden, waardoor zijn aantrekkingskracht groter wordt.
Maar Einstein gebruikte de vergelijkingen van algemene relativiteitstheorie om aan te tonen dat er geen mysterieplaneet nodig was. Mercurius, het dichtst bij de zon, wordt gewoon meer beïnvloed door de manier waarop onze massieve ster de structuur van de ruimtetijd doorbuigt, iets waar de Newtoniaanse fysica geen rekening mee hield.
Licht buigen
Een afbeelding van de zonsverduistering gezien op 29 mei 1919. ("Een bepaling van de afbuiging van het licht door het zwaartekrachtsveld van de zon, van waarnemingen tijdens de totale zonsverduistering van 29 mei 1919" Filosofische transacties van de Royal Society of London, Serie A) Volgens de algemene relativiteitstheorie moet licht dat door de ruimte-tijd van de stof beweegt de rondingen van die stof volgen. Dat betekent dat licht dat rond massieve objecten beweegt, er omheen moet buigen. Toen Einstein zijn algemene relativiteitspapieren publiceerde, was het niet duidelijk hoe deze vervorming waar te nemen, omdat het voorspelde effect klein is.
De Britse astronoom Arthur Eddington kwam op een idee: kijk naar de sterren aan de rand van de zon tijdens een zonsverduistering. Met de schittering van de zon geblokkeerd door de maan, konden astronomen zien of de schijnbare positie van een ster was veranderd terwijl de zwaartekracht van de massieve zon zijn licht boog. De wetenschappers hebben observaties gedaan vanuit twee locaties: een in het oosten van Brazilië en een in Afrika.
En ja hoor, het team van Eddington zag de verplaatsing tijdens een zonsverduistering in 1919 en krantenkoppen bazelden de wereld dat Einstein gelijk had. In de afgelopen jaren hebben nieuwe onderzoeken van de gegevens aangetoond dat het experiment volgens moderne normen gebrekkig was - er waren problemen met de fotografische platen en de precisie die in 1919 beschikbaar was, was niet echt goed genoeg om de juiste hoeveelheid doorbuiging in de metingen te laten zien van Brazilie. Maar latere experimenten hebben aangetoond dat het effect daar is, en gezien de afwezigheid van moderne apparatuur, was het werk solide genoeg.
Tegenwoordig kunnen astronomen die krachtige telescopen gebruiken, zien dat het licht van verre sterrenstelsels wordt gebogen en vergroot door andere sterrenstelsels, een effect dat nu zwaartekrachtlenzen wordt genoemd. Deze zelfde tool wordt momenteel gebruikt om de massa's van sterrenstelsels te schatten, om donkere materie te zoeken en zelfs om planeten te zoeken die rond andere sterren cirkelen.
Zwarte gaten
NASA's Chandra-ruimtetelescoop zag het zwarte gat in het centrum van onze melkweg, genaamd Boogschutter A *, in januari een extra heldere uitbarsting van röntgenstralen afgeven. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard et al) Misschien is de meest spectaculaire voorspelling van algemene relativiteitstheorie het bestaan van zwarte gaten, objecten die zo massief zijn dat zelfs licht niet aan hun aantrekkingskracht kan ontsnappen. Het idee was echter niet nieuw. In 1784 presenteerde een Engelse wetenschapper genaamd John Mitchell het op de Royal Society-vergaderingen, en in 1799 kwam Pierre-Simon LaPlace, een Franse wiskundige, tot hetzelfde concept en schreef een meer rigoureus wiskundig bewijs. Toch had niemand zoiets als een zwart gat waargenomen. Bovendien leken experimenten in 1799 en daarna te tonen dat licht een golf moet zijn in plaats van een deeltje, dus het zou niet door zwaartekracht worden beïnvloed, of helemaal niet.
Ga Einstein in. Als zwaartekracht eigenlijk te wijten is aan een kromming van ruimte-tijd, dan kan dit het licht beïnvloeden. In 1916 gebruikte Karl Schwarzschild de vergelijkingen van Einstein om aan te tonen dat niet alleen zwarte gaten konden bestaan, maar dat het resulterende object bijna hetzelfde was als dat van LaPlace. Schwarzschild introduceerde ook het concept van een evenementenhorizon, een oppervlak waaruit geen materieel object kon ontsnappen.
Hoewel de wiskunde van Schwarzschild goed was, duurde het tientallen jaren voordat astronomen kandidaten zagen - Cygnus X-1, een sterke bron van röntgenstralen, werd het eerste object dat algemeen werd aanvaard als een zwart gat in de jaren 1970. Nu denken astronomen dat elke melkweg een zwart gat in de kern heeft - zelfs onze eigen. Astronomen volgden zorgvuldig de banen van sterren rond een andere heldere röntgenbron in het centrum van de Melkweg, Boogschutter A *, en ontdekten dat het systeem zich gedraagt als een extreem massief zwart gat.
"Voor systemen zoals Cygnus X-1 of Boogschutter A * kunnen we de massa en de straal van het compacte object meten, en we kunnen eenvoudigweg geen ander astrofysisch object uitzoeken dat dezelfde observatie-eigenschappen zou hebben", zegt Paul M Sutter, een astrofysicus en een bezoekende geleerde aan de Ohio State University.
De maan schieten
Onderdeel van een maanlaser-experiment dat Apollo 15 op de maan heeft achtergelaten (NASA) Bij het opstellen van zijn algemene relativiteitstheorie realiseerde Einstein zich dat de effecten van zwaartekracht en de effecten van versnelling beide worden veroorzaakt door de kromming van ruimte-tijd, en dat de zwaartekracht die iemand ervaart die op een massief object staat, verwant zou zijn aan het effect ervaren door iemand die weg versnelt, bijvoorbeeld door op een raket te rijden.
Dat betekent dat de natuurwetten zoals gemeten in een laboratorium er altijd hetzelfde zullen uitzien, ongeacht hoe snel het laboratorium beweegt of waar het zich in de ruimte-tijd bevindt. Als u een object in een zwaartekrachtveld plaatst, hangt de beweging ervan alleen af van de beginpositie en de snelheid. Die tweede uitspraak is belangrijk, omdat het impliceert dat het trekken van de zwaartekracht van de zon op aarde en de maan zeer stabiel moet zijn - anders, wie weet welke problemen zouden kunnen ontstaan als onze planeet en de maan met verschillende snelheden op de zon "vallen".
In de jaren zestig richtten de Apollo-missies en Sovjet-sondes van de maan reflectoren op de maan op, en wetenschappers op aarde hebben laserstralen op hen afgevuurd om een groot aantal wetenschappelijke experimenten uit te voeren, waaronder het meten van de afstand tussen de aarde en de maan en hun relatieve bewegingen rond de zon. Een van de lessen uit deze zoektocht naar de maan was dat de aarde en de maan inderdaad met dezelfde snelheid naar de zon vallen, net zoals de algemene relativiteitstheorie voorspelt.
Sleepruimte
Een samengestelde tekening van de Gravity Probe B-satelliet. (Katherine Stephenson, Stanford University en Lockheed Martin Corporation) In de meeste beschrijvingen van algemene relativiteit, denken mensen aan de aarde als een bowlingbal die aan een stuk stof hangt, ook wel ruimtetijd genoemd. De bal zorgt ervoor dat de stof vervormt tot een depressie. Maar omdat de aarde draait, zegt de algemene relativiteitstheorie dat depressie zou moeten verdraaien en vervormen als de bal draait.
Een ruimtevaartuig genaamd Gravity Probe B, gelanceerd in 2004, heeft een jaar besteed aan het meten van de kromming van ruimtetijd rond de aarde. Het vond enig bewijs voor frame-dragging, of de aarde die het kosmische weefsel meesleept terwijl het roteert, wat helpt om Einstein's beeld van de zwaartekracht te valideren.
Ruimte-tijd rimpelingen
Twee enorme pulsars die om elkaar heen draaien, zouden genoeg verstoring veroorzaken in de structuur van ruimte-tijd om zwaartekrachtgolven te genereren die we op aarde zouden moeten kunnen detecteren. (NASA) Een ander gevolg van objecten die door de ruimtetijd bewegen, is dat ze soms rimpelingen en golven in de stof creëren, vergelijkbaar met het spoor van een schip. Deze zwaartekrachtgolven zouden ruimtetijd oprekken op manieren die theoretisch waarneembaar zijn. Sommige experimenten schijnen bijvoorbeeld een laserstraal tussen twee sets spiegels en de tijd hoe lang het duurt voordat de straal ertussen stuitert. Als een ruimtetijdrimpeling door de aarde gaat, zouden dergelijke detectoren een kleine verlenging en samentrekking van de straal moeten zien, die zou verschijnen als een interferentiepatroon.
Tot nu toe zijn zwaartekrachtsgolven een van de laatste belangrijke voorspellingen van algemene relativiteit die nog moeten worden gezien, hoewel er geruchten zijn over een detectie in een faciliteit in de VS. Maar er is indirect bewijs. Pulsars zijn dode sterren die vele malen de massa van de zon samenvoegen in een ruimte zo groot als Manhattan. Waarnemingen van twee rond elkaar draaiende pulsars geven enkele aanwijzingen dat zwaartekrachtgolven echt zijn.
"De orbitale periode van de eerste binaire pulsar is na verloop van tijd met ongeveer 0, 0001 seconden per jaar vervallen, " zegt natuurkundige Alan Kostelecky van de Indiana University. "De snelheid van verval komt overeen met het energieverlies als gevolg van zwaartekrachtstraling die wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie."
GPS
De weergave van een kunstenaar toont een GPS-IIRM-satelliet in een baan om de aarde. (US National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation and Timing) Global Positioning Systems zijn niet bepaald een test van de relativiteitstheorie, maar ze vertrouwen er absoluut op. GPS maakt gebruik van een netwerk van satellieten die signalen naar telefoons en huurauto's over de hele wereld pingen. Om een positie te krijgen, moeten die satellieten weten waar en wanneer ze zijn, dus houden ze tijdmetingen bij met een nauwkeurigheid van miljardsten van een seconde.
Maar de satellieten cirkelen 12.550 mijl boven ons hoofd, waar ze minder last hebben van de zwaartekracht van de planeet dan mensen op de grond. Gebaseerd op de speciale relativiteitstheorie van Einstein, die zegt dat de tijd anders verstrijkt voor waarnemers die met verschillende snelheden bewegen, tikken de satellietklokken iets langzamer dan het horloge van een aardgebonden reiziger.
De algemene relativiteitstheorie helpt dit effect echter teniet te doen, omdat de zwaartekracht dicht bij het aardoppervlak de tikken van een klok vertraagt in vergelijking met de satelliet die boven ons vliegt. Zonder deze relativistische combinatie zouden GPS-klokken ongeveer 38 microseconden per dag uitgeschakeld zijn. Dat klinkt misschien als een kleine fout, maar GPS vereist zo'n hoge nauwkeurigheid dat de discrepantie uw toegewezen locatie binnen enkele uren merkbaar verkeerd zou maken.
