Η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν

Η Θεωρία της Γενικής
 Σχετικότητας του Αϊνστάιν

E=m c²

 αντικείμενα με μεγάλη μάζα προκαλούν παραμόρφωση στον χώρο-χρόνο.

Το 1905, ο Albert Einstein έκρινε ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για όλους τους μη επιταχυνόμενους παρατηρητές και ότι η ταχύτητα του φωτός σε ένα κενό ήταν ανεξάρτητη από την κίνηση όλων των παρατηρητών. Αυτή ήταν η θεωρία της ειδικής σχετικότητας . Εισήγαγε ένα νέο πλαίσιο για όλη τη φυσική και πρότεινε νέες έννοιες του χώρου και του χρόνου.

Ο Αϊνστάιν πέρασε 10 χρόνια προσπαθώντας να συμπεριλάβει την επιτάχυνση στη θεωρία και δημοσίευσε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας το 1915. Σε αυτήν, διαπίστωσε ότι τα αντικείμενα με μεγάλη μάζα προκαλούν παραμόρφωση στον χώρο-χρόνο, η οποία θεωρείται βαρύτητα.

Η έλξη της βαρύτητας

Δύο αντικείμενα ασκούν μια δύναμη έλξης μεταξύ τους γνωστή ως "βαρύτητα". Ο Sir Isaac Newton ποσοτικοποίησε τη βαρύτητα μεταξύ δύο αντικειμένων όταν διατύπωσε τους τρεις νόμους του σχετικά με την κίνηση. Η ελκτική δύναμη μεταξύ δύο σωμάτων εξαρτάται από το πόση μάζα έχει το κάθε ένα και πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους. Ακόμη και όταν το κέντρο της Γης σας τραβά προς το μέρος του (το οποίο σας κρατά σταθερά στο έδαφος), το κέντρο της μάζας σας τραβά πίσω τη Γη. Όμως, το πιο μαζικό σώμα μόλις αισθάνεται την έλξη από εσάς, ενώ με την πολύ μικρότερη μάζα σας βρίσκεστε σταθερά ριζωμένος, χάρη στην ίδια δύναμη. Ωστόσο, οι νόμοι του Νεύτωνα υποθέτουν ότι η βαρύτητα είναι μια έμφυτη δύναμη ενός αντικειμένου που μπορεί να δράσει σε απόσταση.

Ο Albert Einstein, στη θεωρία του για την ειδική σχετικότητα , έκρινε ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για όλους τους μη επιταχυνόμενους παρατηρητές και έδειξε ότι η ταχύτητα του φωτός μέσα στο κενό είναι η ίδια ανεξάρτητα από την ταχύτητα που ταξιδεύει ο παρατηρητής. Ως αποτέλεσμα, διαπίστωσε ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι συνενωμένοι σε ένα ενιαίο συνεχές γνωστό ως χώρο-χρόνο. Τα συμβάντα που συμβαίνουν ταυτόχρονα για έναν παρατηρητή μπορούν να συμβούν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές για ένα άλλο.

Καθώς επεξεργάστηκε τις εξισώσεις για τη γενική θεωρία της σχετικότητας, ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι τα μαζικά αντικείμενα προκάλεσαν παραμόρφωση στο χώρο-χρόνο. Φανταστείτε την τοποθέτηση ενός μεγάλου σώματος στο κέντρο ενός τραμπολίνο. Το σώμα θα πιέζει προς τα κάτω το ύφασμα, προκαλώντας το λακκούβα. Μία μπίλια που περιφέρεται γύρω από την άκρη θα κάνει στροφές προς τα μέσα προς το σώμα, τραβηγμένο κατά τον ίδιο τρόπο που η βαρύτητα ενός πλανήτη τραβάει τα βράχια στο διάστημα.

Πειραματικά στοιχεία

Αν και τα όργανα δεν μπορούν ούτε να δουν ούτε να μετρήσουν τη χωροχρόνο, πολλά από τα φαινόμενα που προέβλεπε η στρέβλωση τους έχουν επιβεβαιωθεί.

Βαρυτικός φακός: Το φως γύρω από ένα τεράστιο αντικείμενο, όπως μια μαύρη τρύπα, είναι λυγισμένο, προκαλώντας το να λειτουργεί ως φακός για τα πράγματα που βρίσκονται πίσω του. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν συστηματικά αυτή τη μέθοδο για να μελετήσουν τα αστέρια και τους γαλαξίες πίσω από τα αντικείμενα με μεγάλη μάζα.

Ο Σταυρός του Αϊνστάιν είναι ένα παράδειγμα βαρυτικών φακών. (Image credit: NASA και Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA)

"Καθώς ο πλανήτης περιστρέφεται, το μέλι γύρω του θα στροβιλιστεί και είναι το ίδιο με το χώρο και το χρόνο." Ο Gravity Probe-B επιβεβαίωσε δύο από τις πιο βαθιές προβλέψεις του σύμπαντος του Αϊνστάιν, έχοντας εκτεταμένες συνέπειες στην έρευνα αστροφυσικής ".

Ο Σταυρός του Αϊνστάιν, ένα κβάζαρ στον αστερισμό του Πήγασου , είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα βαρυτικών φακών. Το κβάζαρ είναι περίπου 8 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη και κάθεται πίσω από έναν γαλαξία που απέχει 400 εκατομμύρια έτη φωτός. Τέσσερις εικόνες του κβάζαρ εμφανίζονται γύρω από τον γαλαξία, επειδή η έντονη βαρύτητα του γαλαξία λυγίζει το φως που προέρχεται από το κβάζαρ.

Πρόκειται για ένα  Κβάζαρ που με τη βοήθεια ενός βαρυτικού φακού γίνεται τετραπλό είδωλό, που σχηματίζουν ένα σχεδόν τέλειο σταυρό (εξ ου και το όνομά του), με τον γαλαξία που παίζει το ρόλο του φακού στο κέντρο του

Ο βαρυτικός φακός μπορεί να επιτρέψει στους επιστήμονες να δουν μερικά αρκετά όμορφα πράγματα, αλλά μέχρι πρόσφατα, αυτά που εντοπίστηκαν γύρω από το φακό, παρέμειναν αρκετά στατικά. Ωστόσο, δεδομένου ότι το φως ταξιδεύει σε όλο τον φακό παίρνει μια διαφορετική πορεία, κάθε ταξίδι πάνω από ένα διαφορετικό χρονικό διάστημα, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να παρατηρήσουν μια σουπερνόβα να συμβαίνει σε τέσσερις διαφορετικές χρονικές στιγμές καθώς αυτή μεγεθύνονταν από ένα τεράστιο γαλαξία.

Σε άλλη ενδιαφέρουσα παρατήρηση, το τηλεσκόπιο Kepler της NASA εντόπισε σε ένα νεκρό άστρο, γνωστό ως λευκό νάνο, που περιστρέφεται γύρω από έναν κόκκινο νάνο σε ένα δυαδικό σύστημα. Αν και ο λευκός νάνος είναι πιο μαζικός, έχει πολύ μικρότερη ακτίνα από τον σύντροφό του.

«Η τεχνική είναι ισοδύναμη με την επισήμανση ενός ψύλλου σε μια λάμπα 3000 μίλια μακριά, περίπου η απόσταση από το Λος Άντζελες στη Νέα Υόρκη,» είπε σε μια δήλωση ο Avi Shporer του California Institute of Technology

Αλλαγές στην τροχιά του Ερμή: Η τροχιά του Ερμή μετατοπίζεται πολύ σταδιακά με την πάροδο του χρόνου, λόγω της καμπυλότητας του χωροχρόνου γύρω από τον μαζικό Ήλιο. Σε λίγα δισεκατομμύρια χρόνια, θα μπορούσε ακόμη και να συγκρουστεί με τη Γη .

Μετακίνηση του χώρο-χρόνου γύρω από τα περιστρεφόμενα σώματα: Η περιστροφή ενός βαρέως αντικειμένου, όπως η Γη, πρέπει να περιστρέφει και να στρεβλώνει τον χώρο-χρόνο γύρω από αυτό. Το 2004, η NASA εκτόξευσε το Gravity Probe B GP-B). Ο βαθμονομημένος με ακρίβεια δορυφόρος προκάλεσε τους άξονες των γυροσκοπίων μέσα να παρασυρθούν πολύ ελαφρά με την πάροδο του χρόνου, ένα αποτέλεσμα που συμπίπτει με τη θεωρία του Αϊνστάιν.

«Φανταστείτε τη Γη σαν να ήταν βυθισμένη στο μέλι,»  είπε σε μια δήλωση ο Francis Everitt, κύριος ερευνητής του Gravity Probe-B του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ.

Έννοια καλλιτέχνη του διαστημικού σκάφους Gravity Probe B
σε τροχιά γύρω από τη Γη. Image Credit: Στάνφορντ

Βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό: Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ενός αντικειμένου εκτείνεται ελαφρά μέσα σε ένα πεδίο βαρύτητας. Σκεφτείτε τα ηχητικά κύματα που προέρχονται από μια σειρήνα ενός οχήματος έκτακτης ανάγκης. Καθώς το όχημα κινείται προς έναν παρατηρητή, τα ηχητικά κύματα συμπιέζονται, αλλά καθώς απομακρύνεται, απλώνουν ή μετατοπίζονται . Γνωστά ως Doppler Effect, τα ίδια φαινόμενα συμβαίνουν με τα κύματα του φωτός σε όλες τις συχνότητες. Το 1959, δύο φυσικοί, ο Robert Pound και ο Glen Rebka, έριξαν ακτινοβολία ακτίνων-γ από ραδιενεργό σίδηρο σε μια πλευρά ενός πύργου στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και βρήκαν ότι είναι ελάχιστα μικρότερες από τη φυσική τους συχνότητα εξαιτίας στρεβλώσεων που προκαλούνται από την βαρύτητα.

Βαρυτικά κύματα : Βίαια γεγονότα, όπως η σύγκρουση δύο μαύρων οπών, πιστεύεται ότι είναι ικανά να δημιουργήσουν κυματισμούς στον χώρο-χρόνο που είναι γνωστά ως βαρυτικά κύματα . Το 2016, το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory

 ( LIGO ) ανακοίνωσε ότι βρήκε στοιχεία αυτών των ενδεικτικών δεικτών.

Το 2014, οι επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι είχαν ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα που απέμειναν από το Big Bang χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2) στην Ανταρκτική. Θεωρείται ότι τέτοια κύματα είναι ενσωματωμένα στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο . Ωστόσο, περαιτέρω έρευνες αποκάλυψαν ότι τα δεδομένα τους μολύνθηκαν από σκόνη στην γραμμή οπτικής επαφής.

"Η αναζήτηση αυτής της μοναδικής καταγραφής του πολύ πρώιμου σύμπαντος είναι τόσο δύσκολη όσο είναι συναρπαστική", δήλωσε ο Jan Tauber, ο επιστήμονας του έργου της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας για τη διαστημική αποστολή Planck για την αναζήτηση κοσμικών κυμάτων .

Το LIGO σημείωσε το πρώτο επιβεβαιωμένο βαρυτικό κύμα στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 . Το ζευγάρι των οργάνων, με έδρα τη Λουιζιάνα και την Ουάσινγκτον, είχε πρόσφατα αναβαθμιστεί και βρισκόταν στη διαδικασία βαθμονόμησης πριν μπουν σε συνεργασία. Η πρώτη ανίχνευση ήταν τόσο μεγάλη που, σύμφωνα με την εκπρόσωπο της LIGO Gabriela Gonzalez, πήρε την ομάδα αρκετούς μήνες αναλύσεων για να πείστούν ότι ήταν ένα πραγματικό μήνυμα και όχι μια τεχνική βλάβη.

«Ήμασταν πολύ τυχεροί στην πρώτη ανίχνευση ότι ήταν τόσο προφανές», είπε κατά τη διάρκεια της συνάντησης της 228 Αμερικανικής Αστρονομικής Κοινότητας τον Ιούνιο του 2016.

Ένα δεύτερο μήνυμα εντοπίστηκε στις 26 Δεκεμβρίου του ίδιου έτους και ένα άλλο υποψήφιο αναφέρθηκε μαζί με αυτό. Ενώ τα δύο πρώτα σήματα είναι σχεδόν οριστικά αστροφυσικά - η Γκονζάλες είπε ότι υπήρχε λιγότερο από ένα στο εκατομμύριο από αυτά που είναι κάτι άλλο - το τρίτο υποψήφιο έχει μόνο 85% πιθανότητα να είναι βαρυτικό κύμα.

Μαζί, οι δύο σφιχτές παρατηρήσεις παρέχουν αποδείξεις για τα ζεύγη μαύρων οπών που στρέφονται προς τα μέσα και συγκρούονται. Καθώς ο χρόνος περνάει, η Γκονζάλες αναμένει ότι περισσότερα βαρυτικά κύματα θα ανιχνευθούν από τη LIGO και άλλα επερχόμενα όργανα, όπως αυτά που σχεδιάζει η Ινδία .

"Μπορούμε να ελέγξουμε τη γενική σχετικότητα και η γενική σχετικότητα έχει περάσει τη δοκιμασία", δήλωσε η Γκονζάλες.

Πηγή

Διαβάστε σχετικά:

Μπορεί η κβαντική μηχανική να εξηγήσει την ύπαρξη του χωροχρόνου

Αν η θεωρία των χορδών είναι λάθος;
Ζούμε σε ένα  Πολλαπλό Σύμπαν;

Οι τέσσερις θεμελιώδεις  δυνάμεις της φύσης

Η σχετικότητα του Αϊνστάιν

12 Πράγματα που πρέπει να γνωρίζουμε για την Σχετικότητα

Ενιαία Θεωρία Πεδίου: 

Τι είναι η βαρύτητα;