Popis: Pohled z vrcholu hory Mount Blue Sky na konec silnice Mount Blue Sky, Crest House a observatoř Meyer-Womble, 2010.
Během tří letních období budou vědci pomocí optických atomových hodin testovat předpověď obecné teorie relativity Alberta Einsteina. Zachytí dosud možná nejpřesnější měření toho, jak se čas zrychluje, čím dále se člověk vzdaluje od středu Země.
Průzkum na vrcholu hory Mount Blue Sky otestuje atomové hodiny nové generace způsobem, jaký dosud nebyl proveden. Tato zařízení sledují čas s pozoruhodnou přesností a správností měřením energetických hladin atomů. Díky menším rozměrům a vyšší spolehlivosti těchto hodin by technologie mohla způsobit revoluci ve všem od předpovídání blížících se sopečných erupcí až po navigaci kosmických lodí k jiným planetám.
Ohýbání prostoru a času
Vědecký tým se potýká s jednou z největších výzev současnosti v oboru fyziky. Mohou vědci po letech vědeckého pokroku přenést kvantovou technologii z laboratoře do reálného a neúprosného světa?
Tato přesnost umožňuje týmu sledovat jev, který Einstein navrhl před více než 100 lety.
Foto: Martin Wolf, IceCube / NSF /Tiskový zdrojLaboratoř IceCube pod hvězdami v Antarktidě.
Einsteinova teorie obecné relativity vysvětluje, že gravitace je způsobena zakřivením směrů prostoru a času. Nejznámějším projevem je zemská gravitace, která nás drží na zemi a vysvětluje, proč jablka padají na podlahu.
Podle Eureka Alert, se vědci po několika letech pokusili sjednotit tyto dvě oblasti studia, aby dosáhli kvantového popisu gravitace. To by mělo spojit fyziku zakřivení spojenou s obecnou relativitou se záhadnými náhodnými fluktuacemi spojenými s kvantovou mechanikou.
Na druhou stranu v oblasti fyziky vysokých energií vědci studují drobné neviditelné objekty, které se řídí zákony kvantové mechaniky, vyznačující se náhodnými fluktuacemi, které vytvářejí nejistotu v pozicích a energiích částic, jako jsou elektrony, protony a neutrony. Pochopení náhodnosti kvantové mechaniky je nutné k vysvětlení chování hmoty a světla v subatomárním měřítku.
Nová studie v Nature Physics, publikovaná fyziky z Texaské univerzity v Arlingtonu, uvádí novou sondu do hlubokého rozhraní mezi těmito dvěma teoriemi využívající ultravysokoenergetické neutrinové částice detekované částicovým detektorem umístěným hluboko v antarktickém ledovci na jižním pólu.
"Výzva sjednocení kvantové mechaniky s teorií gravitace zůstává jedním z nejnaléhavějších nevyřešených problémů ve fyzice," řekl spoluautor Benjamin Jones, docent fyziky. "Pokud se gravitační pole chová podobně jako ostatní pole v přírodě, jeho zakřivení by mělo vykazovat náhodné kvantové fluktuace."
Aby tým hledal známky kvantové gravitace, umístil tisíce senzorů po celém kilometru čtverečním poblíž jižního pólu v Antarktidě, které monitorovaly neutrina, neobvyklé, ale hojné subatomární částice, které mají neutrální náboj a nemají žádnou hmotnost. Tým byl schopen studovat více než 300 000 neutrin. Hledali, zda těmto ultravysokoenergetickým částicím vadí náhodné kvantové fluktuace v časoprostoru, které by se daly očekávat, pokud by gravitace byla kvantově mechanická, protože cestují na velké vzdálenosti.
„Hledali jsme tyto výkyvy studiem chutí neutrin detekovaných observatoří IceCube,“ řekl Negi. „Naše práce vyústila v měření, které bylo mnohem citlivější než předchozí (více než milionkrát více, u některých modelů), ale nenašli jsme důkazy o očekávaných kvantových gravitačních efektech.“
Foto: UT Arlington / Tiskový zdrojBenjamin Jones, docent fyziky na Texaské univerzitě v Arlingtonu.
Toto nepozorování kvantové geometrie časoprostoru je silným prohlášením o dosud neznámé fyzice, která funguje na rozhraní kvantové fyziky a obecné teorie relativity.
„Tato analýza představuje poslední kapitolu téměř desetiletého příspěvku společnosti UTA k observatoři IceCube,“ řekl Jones. „Moje skupina nyní provádí nové experimenty, jejichž cílem je pochopit původ a hodnotu hmoty neutrin pomocí technik atomové, molekulární a optické fyziky.“
Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS, vědecká studie byla publikována v Naturephysic.
Ze všech vzdálených konceptů v astronomii mohou být černé díry nejpodivnější. Oblast vesmíru, kde je hmota stlačena tak pevně, že nic, ani samotné světlo, nemůže uniknout, představují tato temná monstra docela děsivou vyhlídku. Vzhledem k tomu, že se v nich hroutí všechna normální fyzikální pravidla, je lákavé zavrhnout černé díry jako sci-fi. Přesto existuje spousta důkazů – přímých i nepřímých – že ve vesmíru skutečně existují, napsal Live Science.
Einsteinova „robustní předpověď“
Jako teoretickou možnost černé díry předpověděl v roce 1916 Karl Schwarzschild, který je shledal jako nevyhnutelný důsledek Einsteinovy obecné teorie relativity. Jinými slovy, pokud je Einsteinova teorie správná – a všechny důkazy tomu naznačují – pak černé díry musí existovat. Následně je postavili na ještě pevnější půdu Roger Penrose a Stephen Hawkung, kteří podle univerzity v Cambridgi ukázali, že jakýkoli objekt, který se zhroutí do černé díry, vytvoří singularitu, kde se zhroutí tradiční fyzikální zákony. To se stalo tak široce akceptovaným, že Penrose získal podíl na Nobelově ceně za fyziku v roce 2020 „za objev, že tvorba černých děr je robustní předpověď obecné teorie relativity.“
Záblesky gama
Foto: NASA/Swift/Cruz deWildeZáblesky gama způsobené zrozením černých děr byly detekovány zařízením na Zemi.
Podle NASA se ve 30. letech 20. století indický astrofyzik Subramanian Chandrasekhar podíval na to, co se stane s hvězdou, když spotřebuje veškeré své jaderné palivo. Zjistil, že konečný výsledek, závisí na hmotnosti hvězdy. Pokud je tato hvězda opravdu velká, řekněme 20x hmotnost Slunce, pak její husté jádro, které samo může být třikrát nebo vícekrát větší než hmotnost Slunce, se podle NASA zhroutí až do černé díry. Poslední kolaps jádra se děje neuvěřitelně rychle, během několika sekund, a uvolňuje obrovské množství energie ve formě gama záblesku. Tento výbuch může vyslat do vesmíru tolik energie, kolik obyčejná hvězda vyzařuje za celý svůj život. A teleskopy na Zemi zachytily mnoho z těchto výbuchů, z nichž některé pocházejí z galaxií vzdálených miliardy světelných let, takže můžeme skutečně vidět, jak se rodí černé díry.
Gravitační vlny
Foto: R. Hurt/Caltech-JPLUmělcův dojem gravitačních vln. Černé díry, které se navzájem obíhají, vytvářejí v časoprostoru vlnky, které se šíří směrem ven jako gravitační vlny.
Černé díry neexistují vždy izolovaně, někdy se vyskytují ve dvojicích a obíhají kolem sebe. Když se tak stane, gravitační interakce mezi nimi vytvoří vlnění v časoprostoru, které se šíří směrem ven jako gravitační vlny – další předpověď Einsteinovy teorie relativity. S observatořemi, jako je Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory a Virgo, jsme nyní schopni tyto vlny detekovat. První objev, zahrnující spojení dvou černých děr, byl oznámen již v roce 2016 a od té doby bylo učiněno mnoho dalších. Se zlepšující se citlivostí detektoru jsou kromě slučování černých děr zjišťovány i další vlny generující události – jako je srážka mezi černou dírou a neutronovou hvězdou, která se odehrála daleko za naší vlastní galaxií ve vzdálenosti 650 milionů až 1,5 miliardy světelných let od Země, uvedla Live Science.
Neviditelný společník
Foto: L. Calçada/ESOObraz ukazuje oběžné dráhy objektů v trojitém systému HR 6819.
Krátkodobé události s vysokou energií, které produkují záblesky gama a gravitační vlny, mohou být viditelné v polovině pozorovatelného vesmíru, ale po většinu svého života budou černé díry ze své podstaty téměř nedetekovatelné. Skutečnost, že nevyzařují žádné světlo ani jiné záření, znamená, že by se mohly skrývat v našem kosmickém sousedství, aniž by si toho astronomové uvědomovali. Existuje však jeden spolehlivý způsob, jak odhalit, a to prostřednictvím jejich gravitačních účinků na jiné hvězdy. Při pozorování obyčejně vyhlížejícího binárního systému nebo dvojice obíhajících hvězd, známé jako HR 6819 v roce 2020, si astronomové všimli zvláštností v pohybu dvou viditelných hvězd, které by bylo možné vysvětlit pouze tehdy, pokud tam byl třetí, zcela neviditelný objekt. Když zjistili jeho hmotnost – nejméně čtyřikrát větší než Slunce – vědci věděli, že zbývá pouze jediná možnost. Musela to být černá díra – dosud nejblíže objevená k Zemi, pouhých tisíc světelných let daleko uvnitř naší vlastní galaxie.
Rentgenové vidění
Foto: NASA/CXCČerná díra Cygnus X-1 stahuje materiál z masivní modré doprovodné hvězdy.
První pozorovací důkaz černé díry se objevil v roce 1971 a také pocházel z binárního hvězdného systému v naší vlastní galaxii. Systém nazvaný Cygnus X-1 produkuje některé z nejjasnějších rentgenových paprsků vesmíru. Ty nevycházejí ze samotné černé díry ani z její viditelné doprovodné hvězdy – která je podle NASA obrovská, 33krát větší než naše Slunce. Spíše je hmota neustále odstraňována z obří hvězdy a vtahována do akrečního disku kolem černé díry, a právě z tohoto akrečního disku je podle NASA vyzařováno rentgenové záření. Stejně jako u HR 6819 mohou astronomové použít pozorovaný pohyb hvězd k odhadu hmotnosti neviditelného objektu v Cygnus X-1. Nejnovější výpočty stanovily, že temný objekt má 21 hmotností Slunce soustředěných do tak malého prostoru, že to nemůže být nic jiného než černá díra.
Supermasivní černé díry
Foto: ESA–C. CarreauVe středu naší galaxie je supermasivní černá díra v oblasti známé jako Sagittarius A.
Kromě černých děr, které vznikly kolapsem hvězd, důkazy naznačují, že supermasivní černé díry, každá o hmotnosti miliónů nebo dokonce miliard slunečních hmot, číhají v centrech galaxií od počátku historie vesmíru, uvedla Live Science. V případě takzvaných aktivních galaxií jsou důkazy pro tyto těžké váhy velkolepé. Podle NASA jsou centrální černé díry v těchto galaxiích obklopeny akrečními disky, které produkují intenzivní záření na všech vlnových délkách světla. Máme také důkazy, že naše vlastní galaxie má ve svém středu černou díru. Je to proto, že vidíme hvězdy v této oblasti svištět kolem tak rychle – až 8% rychlosti světla – že musí obíhajít něco extrémně malého a masivního. Současné odhady uvádějí centrální černou díru Mléčné dráhy někde kolem 4 milionů hmotností Slunce.
Špagetování
Dalším důkazem o existenci černých děr je… špagetizace. Možná se divíte, co je to špagetizace? To se stane, když spadnete do černé díry, a to je docela samovysvětlující. Extrémní gravitační silou černé díry se roztáhnete na tenká vlákna. Naštěstí se to vám nebo někomu, koho znáte, pravděpodobně nestane, ale může to být osud hvězdy, která se zatoulá dostala příliš blízko k supermasivní černé díře, uvedla Live Science. V říjnu 2020 byli astronomové svědky tohoto rozpadu – nebo alespoň viděli záblesk světla z nešťastné hvězdy, když byla roztrhána na kusy. Naštěstí ke špagetování nedošlo nikde poblíž Země, ale v galaxii vzdálené 215 milionů světelných let.
A konečně — přímý obraz
Foto: Event Horizon Telescope CollaborationVůbec první přímý snímek černé díry.
Doposud jsme měli spoustu přesvědčivých nepřímých důkazů o černých dírách: výbuchy záření, gravitační vlny nebo dynamické efekty na jiná tělesa, které nemohly být vytvořeny žádným jiným objektem známým vědě. Ale konečný úspěch přišel v dubnu 2019 v podobě přímého snímku supermasivní černé díry v centru aktivní galaxie Messier 87. Tato úžasná fotografie byla pořízena dalekohledem Event Horizon Telescope – trochu zavádějící název, protože se skládá z velké sítě dalekohledů roztroušených po celém světě, nikoli z jediného přístroje. Podle NASA platí, že čím více dalekohledů se může zúčastnit a čím větší jsou jejich rozmístění, tím lepší je výsledná kvalita obrazu. Výsledek jasně ukazuje tmavý stín černé díry o hmotnosti 6,5 miliardy sluneční hmoty proti oranžové záři jejího okolního akrečního disku.
Foto: ESO/M. KornmesserKdyž hvězda S2 prochází kolem černé díry v galaktickém centru, silné gravitační pole způsobí, že se její světlo posune směrem k červeným koncům spektra (umělecký dojem). Kredit: ESO/M. Kornmesser
Deset let probíhající pozorování potvrzuje předpovědi o tom, jak se světlo chová v obrovském gravitačním poli
Astronomové zachytili obří černou díru v centru naší galaxie, jak roztahuje světlo vyzařované obíhající hvězdou, téměř tři desetiletí poté, co začali hvězdu poprvé sledovat. Dlouho hledaný jev, známý jako gravitační rudý posuv, byl předpovězen Einsteinovou obecnou teorií relativity, ale až dosud nebyl nikdy detekován v okolí černé díry, napsal server Nature.
„Je to další velký krok v přiblížení se k pochopení černé díry,“ říká Heino Falcke, astronom z Radboud University v nizozemském Nijmegenu, který se na výzkumu nepodílel. „To je prostě úžasné, vidět tyto efekty.“
Tým vedený Reinhardem Genzelem z Institutu Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku v Garchingu v Německu dnes oznámil objev na tiskové konferenci a výsledky oznámil v Astronomy & Astrophysics. Skupina zahrnuje vědce z univerzit a výzkumných institucí v Německu, Francii, Portugalsku, Švýcarsku, Nizozemsku, Spojených státech a Irsku.
Genzel a jeho kolegové sledovali cestu této hvězdy, známé jako S2, od počátku 90. let. Pomocí dalekohledů na Evropské jižní observatoři v Chile jej vědci sledují, jak se pohybuje po eliptické dráze kolem černé díry, která leží 26 000 světelných let od Země v souhvězdí Střelce. Černá díra s hmotností 4 milionykrát větší než Slunce generuje nejsilnější gravitační pole v Mléčné dráze. To z něj dělá ideální místo pro lov relativistických efektů.
Dne 19. května tohoto roku proletěla S2 tak blízko, jako kdy jindy, k černé díře. Vědci sledovali dráhu hvězdy pomocí přístrojů včetně GRAVITY, interferometru, který kombinuje světlo ze čtyř 8metrových dalekohledů a který byl uveden do provozu v roce 2016. „S našimi měřeními jsou dveře do fyziky černých děr dokořán,“ říká člen týmu Frank Eisenhauer, astronom z Institutu Maxe Plancka.
Foto: ESO/MPEČasosběrný záznam pozorování z dalekohledu Evropské jižní observatoře v Chile ukazující hvězdy obíhající kolem centrální černé díry Mléčné dráhy po dobu 20 let.
GRAVITY měřila pohyb S2 po obloze; Nejrychleji se hvězda pohybovala rychlostí více než 7 600 kilometrů za sekundu, tedy téměř 3% rychlosti světla. Mezitím jiný přístroj studoval, jak rychle se S2 pohybovala směrem k Zemi a od ní, když procházela kolem černé díry. Kombinace pozorování umožnila Genzelovu týmu detekovat gravitační rudý posuv hvězdy – který popisuje, jak je její světlo nataženo na delší vlnové délky obrovskou gravitační silou černé díry. Takový jev je v souladu s předpověďmi obecné teorie relativity.
„To, co jsme naměřili, už Newton nemůže popsat,“ říká Odele Straub, astrofyzik z pařížské observatoře. Budoucí pozorování S2 by mohla potvrdit další Einsteinovy předpovědi, například jak rotující černá díra s sebou táhne časoprostor.
„Jejich data vypadají nádherně,“ říká Andrea Ghez, astronomka z Kalifornské univerzity v Los Angeles, která vede konkurenční tým, který pomocí Keckových teleskopů na Havaji měří dráhu hvězdy kolem galaktického středu.
Úplný oběh kolem černé díry S2 trvá 16 let, takže obě skupiny netrpělivě očekávaly letošní těsný průlet. Ghez ale říká, že její tým plánuje se zveřejněním výsledků počkat až do konce roku. Ze tří zásadních událostí roku 2018 se zatím odehrály pouze dvě.
V dubnu dosáhla S2 své maximální rychlosti v přímé viditelnosti ze Země. V květnu se nejblíže přiblížila ke galaktickému středu. A koncem srpna a začátkem září zpomalí na svou minimální rychlost v linii viditelnosti ze Země. „Trvalo nám 20 let, než jsme se dostali do tohoto okamžiku,“ říká Ghez. „Počkáme na konec průchodu, dokud hvězda neskončí se vším, co bude dělat.“
S2 již začala zpomalovat ve směru své cesty při pohledu ze Země, když se blíží třetí událost. A jak americké, tak evropské týmy to bedlivě sledují. „Jsme v háji,“ říká Ghez. „Je to super vzrušující.“
Foto: CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/P. BaudonPovrch LARES-2 je pokryt stovkami reflektorů, které budou odrážet laserové pulsy vysílané globální sítí laserových zaměřovacích stanic.
Vědci doufají, že koule odrážející laser poskytne dosud nejpřesnější měření toho, jak rotace Země deformuje prostor
Nově vypuštěná družice má za cíl změřit, jak rotace Země táhne kolem sebe strukturu časoprostoru, což je efekt Einsteinovy obecné teorie relativity, desetkrát přesněji než kdy předtím, napsal server Nature.
Satelit laserové relativity 2 (LARES-2) odstartoval z kosmodromu Evropské kosmické agentury (ESA) v Kourou ve Francouzské Guyaně 13. července. Byla postavena Italskou vesmírnou agenturou (ASI) za cenu kolem 10 milionů EUR (10,2 milionu USD) a vzlétla při prvním letu modernizované verze evropské rakety Vega, nazvané Vega C.
Výkon rakety byl „úžasný“, říká vedoucí mise Ignazio Ciufolini, fyzik z University of Salento v Lecce v Itálii. „ESA a ASI uvedly satelit na oběžnou dráhu s přesností pouhých 400 metrů.“ Toto přesné umístění pomůže zlepšit kvalitu měření výzkumníků, dodává Ciufolini.
„Myslím, že je to skvělý krok vpřed pro měření tohoto efektu,“ říká Clifford Will, teoretický fyzik na University of Florida v Gainesville.
Reflexní koule
Struktura LARES-2 je odzbrojující jednoduchá: je to koule z kovu pokrytá 303 reflektory, bez palubní elektroniky nebo ovládání navigace. Design připomínající diskokouli je podobný designu jeho předchůdce LARES, dalšího experimentu obecné relativity zahájeného v roce 2012, a sondy LAGEOS nasazené NASA v 70. letech 20. století, především pro studium zemské gravitace. (Laresové, vyslovovaní LAY-reez, byli božstva v pohanském náboženství starověkého Říma.)
LARES-2 balí kolem 295 kilogramů materiálu do koule o průměru menší než 50 centimetrů. Jeho hustota minimalizuje účinky jevů, jako je tlak záření ze slunečního záření nebo slabý odpor zemské atmosféry ve vysokých nadmořských výškách, říká letecký inženýr Antonio Paolozzi z univerzity Sapienza v Římě. Po experimentování s vlastními materiály s vysokou hustotou se tým rozhodl pro běžnou slitinu niklu. To mělo přijatelnou hustotu a umožnilo LARES-2 kvalifikovat se pro první let Vega C bez nákladných letových certifikačních zkoušek.
Ciufolini a jeho kolegové plánují pomocí existující globální sítě laserových zaměřovacích stanic několik let sledovat dráhu LARES-2. Tento druh sondy může poskytovat data po desetiletí. „Můžete si jen sednout a poslat na něj laserové paprsky,“ říká Will. „Z hlediska nákladů je to levná, dobrá věc.“
Podle newtonovské gravitace by měl objekt obíhající kolem dokonale kulové planety neustále sledovat stejnou elipsu, eon po eonu.
Ale v roce 1913 Albert Einstein a jeho spolupracovník Michele Besso použili předběžnou verzi obecné teorie relativity, aby navrhli, že pokud by taková planeta rotovala, mělo by to způsobit mírný posun dráhy satelitu. Přesnou matematiku tohoto efektu vypočítali v roce 1918 rakouští fyzikové Josef Lense a Hans Thirring. Moderní výpočty předpovídají, že Lense-Thirringův jev, druh relativistického „přetahování rámečku“, by měl způsobit, že rovina oběžné dráhy bude precesovat neboli rotovat kolem zemské osy o 8,6 miliontin stupně za rok.
V praxi Země sama o sobě není dokonalá koule, ale „ve tvaru brambory“, říká Ciufolini. Výsledné nepravidelnosti v gravitačním poli Země – přesně ty věci, k jejichž měření byl LAGEOS navržen – přidávají další orbitální precesi, která může ztížit měření relativistického efektu. Ale porovnáním oběžných drah dvou satelitů lze tyto nepravidelnosti zrušit.
Foto: CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/S. MartinLARES-2 byl vypuštěn 13. července na palubě rakety Vega C.
Ciufolini, který pracoval na konceptu mise LARES od své doktorské práce v roce 1984, poprvé použil tento princip v roce 2004 k měření tažení snímku ze srovnání drah LAGEOS a LAGEOS-2 (podobná sonda vypuštěná ASI). On a jeho spolupracovník Erricos Pavlis z University of Maryland v College Park tvrdili, že dopadli na výsledek s přesností 10 %.
I když byl výsledek stále drsný, týmu se podařilo získat experiment NASA v hodnotě 800 milionů dolarů, který měl za cíl měřit přetahování snímků pomocí jiné techniky. Vysoce komplexní mise Gravity Probe B, která byla zahájena v roce 2004, měřila změny nikoli v orbitální dráze kosmické lodi, ale ve sklonu čtyř rotujících koulí, které se posouvaly o nepatrný zlomek stupně za rok. Nepředvídané komplikace znamenaly, že gravitační sonda B mohla dosáhnout přesnosti pouze 20 %, což je daleko od původního cíle 1%.
Omezení spouštění
Ciufolini a jeho tým následně zlepšili svůj dřívější výsledek na přesnost 2 % pomocí LARES, první sondy výslovně navržené pro tento druh experimentu 3 . Ale omezení nosné rakety – dřívější rakety Vega – znamenala, že LARES mohl dosáhnout pouze výšky 1 450 km. LARES-2 je nyní na optimálnějších 5900 km, kde jsou nepravidelnosti zemského gravitačního pole tlumeny, ale efekt tažení rámu je stále silný.
Cílem mise je dosáhnout přesnosti 0,2 % a přesná orbitální injekce by měla tento cíl zajistit na dosah, říká Ciufolini. To by mohlo týmu umožnit zjistit, zda obecná teorie relativity vítězí nad alternativními teoriemi pro časoprostor, dodává.
Thibault Damour, teoretický fyzik z Institutu pokročilých vědeckých studií (IHES) nedaleko Paříže, si pochvaluje nízkou cenu experimentu. „Pokud najdeme odchylku [od teoretické předpovědi], byl by to významný výsledek,“ říká Damour, ale dodává, že ve vesmíru byly provedeny přísnější testy obecné relativity. Mise Cassini NASA k Saturnu naměřila jiný účinek teorie s přesností téměř jedné části ku 10 000 4 .
Ačkoli jsou kolem Země slabé, účinky přetahování snímků se stanou gigantickými, když se dvě černé díry spirálovitě do sebe zapletou a spojí. Observatoře s gravitačními vlnami už možná začaly detekovat takové efekty na konečných drahách některých párů černých děr: z tvaru vln dokážou vypočítat, jak rychle se lehčí černá díra pohybovala a jak rychle se otáčela těžší černá díra. . S detekcí gravitačních vln se porozumění přetahování snímků „stalo základem astrofyziky“, říká Ciufolini.
Relativita je jednou z nejslavnějších vědeckých teorií 20. století, ale jak dobře vysvětluje věci, které vidíme v našem každodenním životě? Teorie relativity, kterou formuloval Albert Einstein od roku 1905, vysvětluje chování objektů v prostoru a čase a lze ji použít k předpovědi věcí, jako je existence černých děr, ohýbání světla v důsledku gravitace a chování planet v jejich oběžné dráze. Napsal server livescience.com.
Teorie je klamně jednoduchá. Za prvé, neexistuje žádný „absolutní“ referenční rámec. Pokaždé, když měříte rychlost objektu, jeho hybnost nebo jak prožívá čas, je to vždy ve vztahu k něčemu jinému. Zadruhé, rychlost světla je stejná bez ohledu na to, kdo ji měří nebo jak rychle měří osoba. Za třetí, nic nemůže jít rychleji než světlo.
Důsledky Einsteinovy nejslavnější teorie jsou hluboké. Pokud je rychlost světla vždy stejná, znamená to, že astronaut jedoucí velmi rychle vzhledem k Zemi bude měřit tikání sekund pomaleji než pozemský pozorovatel. Čas se pro astronauta v podstatě zpomaluje jev zvaný dilatace času.
Jakýkoli objekt ve velkém gravitačním poli zrychluje, takže také zažívá dilataci času. Mezitím kosmonautova kosmická loď zažije kontrakci délky, což znamená, že pokud byste vyfotografovali kosmickou loď, když prolétala, vypadala by, jako by byla „zmáčknuta“ ve směru pohybu. Astronautovi na palubě by však vše připadalo normální. Navíc se zdá, že hmotnost vesmírné lodi se z pohledu lidí na Zemi zvyšuje.
Ale k tomu, abyste viděli relativistické efekty , nutně nepotřebujete vesmírnou loď přibližující se rychlostí světla. Ve skutečnosti existuje několik příkladů relativity, které můžeme vidět v našem každodenním životě a technologiích, které dnes používáme a které ukazují, že Einstein měl pravdu. Zde je několik způsobů, jak vidíme relativitu v akci.
Elektromagnety
Foto: analogicus/Pixabay
Magnetismus je relativistický efekt a můžete to vidět pomocí generátorů. Pokud vezmete smyčku drátu a posunete ji magnetickým polem, vytvoříte elektrický proud. Nabité částice v drátu jsou ovlivněny měnícím se magnetickým polem, které některé z nich nutí k pohybu a vytváří proud.
Ale teď si představte drát v klidu a představte si, že se magnet pohybuje. V tomto případě se nabité částice v drátu (elektrony a protony) již nepohybují, takže magnetické pole by je nemělo ovlivňovat. Ale je to tak a stále teče proud. To ukazuje, že neexistuje žádný privilegovaný referenční rámec.
Thomas Moore, profesor fyziky na Pomona College v Claremont, Kalifornie, používá princip relativity k demonstraci Faradayova zákona, který říká, že měnící se magnetické pole vytváří elektrický proud.
„Protože toto je základní princip transformátorů a elektrických generátorů, každý, kdo používá elektřinu, zažívá účinky relativity,“ řekl Moore Live Science.
Elektromagnety fungují také prostřednictvím teorie relativity. Když drátem protéká stejnosměrný elektrický náboj, elektrony se pohybují materiálem. Normálně by se drát zdál elektricky neutrální, bez čistého kladného nebo záporného náboje, protože drát má přibližně stejný počet protonů (kladné náboje) a elektronů (záporné náboje).
Ale pokud vedle něj položíte další drát se stejnosměrným proudem, dráty se podle fyziků z Univerzity v Illinois, vzájemně přitahují nebo odpuzují v závislosti na směru, kterým se proud pohybuje.
Za předpokladu, že se proudy pohybují stejným směrem, jsou elektrony ve druhém drátu nehybné ve srovnání s elektrony v prvním drátu. (To předpokládá, že proudy jsou přibližně stejně silné.) Mezitím se protony v obou drátech pohybují ve srovnání s elektrony v obou drátech. Vzhledem k relativistickému zkrácení délky se zdají být blíže rozmístěné, takže na délku drátu je více kladného než záporného náboje. Protože stejně jako náboje se odpuzují, odpuzují se také dva dráty.
Proudy v opačných směrech mají za následek přitažlivost, protože ve srovnání s prvním drátem jsou elektrony v druhém drátu více přeplněné, čímž se vytváří čistý záporný náboj, podle University Illinois v Urbana Champaign. Mezitím protony v prvním drátu vytvářejí čistý kladný náboj a opačné náboje se přitahují.
GPS navigace
Foto: Kristina Delp/Unsplash
Aby GPS navigace vašeho auta fungovala tak přesně, jak funguje, musí satelity brát v úvahu relativistické efekty, uvádí PhysicCentral. Je to proto, že i když se satelity nepohybují ani zdaleka rychlostí světla, stále se pohybují poměrně rychle. Satelity také vysílají signály do pozemních stanic na Zemi. Všechny tyto stanice (a technologie GPS v autě nebo chytrém telefonu) zažívají vyšší zrychlení v důsledku gravitace než satelity na oběžné dráze.
K dosažení této přesnosti je používají satelitní hodiny, které jsou přesné na několik nanosekund (miliardtiny sekundy). Protože každý satelit je 12 600 mil (20 300 kilometrů) nad Zemí a pohybuje se rychlostí asi 10 000 km/h, dochází k relativistické diletaci času, která každý den trvá asi 4 mikrosekundy. Přidejte účinky gravitace a efekt dilatace času se zvýší na přibližně 7 mikrosekund (miliontiny sekundy).
Rozdíl je velmi reálný: Kdyby se nepočítaly s žádnými relativistickými efekty, jednotka GPS, která vám řekne, že je to půl míle (0,8 km) k další čerpací stanici, by byla podle Physics vzdálena 5 mil (8 km) už po jednom dni. Centrální.
Zlato žlutá barva
Foto: AnnaliseArt/Pixabay
Většina kovů je lesklá, protože elektrony v atomech přeskakují z různých energetických hladin neboli „orbitalů“. Některé fotony, které narazí na kov, jsou absorbovány a reemitovány, i když na delší vlnové délce. Většina viditelného světla se však odráží.
Zlato je těžký prvek, takže vnitřní elektrony se pohybují dostatečně rychle, aby relativistický nárůst hmoty a kontrakce délky byly významné, podle prohlášení Heldelberské univerzity v Německu. V důsledku toho se elektrony točí kolem jádra po kratších drahách s větší hybností. Elektrony ve vnitřních orbitalech nesou energii, která je blíže energii vnějších elektronů, a vlnové délky, které se absorbují a odrážejí, jsou delší. Delší vlnové délky světla znamenají, že část viditelného světla, které by se obvykle odrazilo, se pohltí a že světlo je na modrém konci spektra.
Bílé světlo je mixem všech barev bez duhy, ale v případě zlata, když je světlo absorbováno a reemitováno, jsou vlnové délky obvykle delší. To znamená, že směs světelných vln, které vidíme, má tendenci mít v sobě méně modré a fialové. Vzhledem k tomu, že žluté, oranžové a červené světlo mají delší vlnové délky než modré světlo, zlato se podle BBC jeví nažloutlé.
Odolnost zlata vůči korozi
Foto: Akhilesh Sharma/Unsplash
Relativistický účinek na elektrony zlata je také jedním z důvodů, proč nekoroduje ani snadno nereaguje s ničím jiným, podle článku z roku 1998 v časopise Gold Bulletin.
Zlato má ve vnějším obalu pouze jeden elektron, ale stále není tak reaktivní jako vápník nebo lithium. Místo toho, protože elektrony ve zlatě jsou „těžší“, než by měly být, protože se pohybují blízko rychlosti světla a zvyšují svou hmotnost, jsou drženy blíže k atomovému jádru. To znamená, že nejvzdálenější elektron pravděpodobně nebude tam, kde může s čímkoli reagovat; je stejně pravděpodobné, že bude mezi elektrony, které jsou blízko jádra.
Tekutá rtuť
Foto: Chauhan Moniz/Pixabay
Rtuť je také těžký atom, s elektrony drženými blízko jádra kvůli jejich rychlosti a následnému nárůstu hmotnosti. Vazby mezi atomy rtuti jsou slabé, takže rtuť taje při nižších teplotách a podle Chemistry World je typicky kapalná, když ji vidíme.
Vaše stará televize
Foto: Nordseher/UnsplashKatodová trubice používaná ve starém analogovém osciloskopu v laboratoři.
Až do počátku roku 2000 měla většina televizorů a monitorů obrazovky s katodovými trubicemi. Katodová trubice funguje tak, že pomocí velkého magnetu vystřeluje elektrony na fosforový povrch. Každý elektron vytvoří rozsvícený pixel, když dopadne na zadní stranu obrazovky, a elektrony vystřelí, aby se obraz pohyboval rychlostí až 30 % rychlosti světla. Relativistické efekty jsou patrné, a když výrobci tvarovali magnety, museli tyto efekty vzít v úvahu, jak uvádí PBS News Hour.
Světlo
Foto: Guillermo Ferla/UnsplashSnímek obří galaxie UGC 2885 z Hubbleova vesmírného dalekohledu.
Isac Newton předpokládal, že existuje absolutní klidová soustava nebo vnější dokonalá vztažná soustava, se kterou bychom mohli porovnat všechny ostatní vztažné soustavy. Kdyby měl pravdu, museli bychom pro světlo přijít s jiným vysvětlením, protože by se to vůbec nestalo.
„Nejen, že by neexistoval magnetismus, ale také by neexistovalo světlo, protože relativita vyžaduje, aby se změny v elektromagnetickém poli pohybovaly konečnou rychlostí, nikoli okamžitě,“ řekl Moore. „Pokud by relativita tento požadavek neprosazovala, změny v elektrických polích by byly sdělovány okamžitě… namísto elektromagnetických vln a magnetismus i světlo by byly zbytečné.“
Slunce
Foto: WikiImages/PixabayTento snímek z 20. června 2013 ve 23:15 EDT ukazuje jasné světlo sluneční erupce na levé straně Slunce a erupci slunečního materiálu vystřelujícího atmosférou Slunce, nazývanou erupce protuberance.
Bez Einsteinovy nejslavnější rovnice —E = mc^2— by slunce a ostatní hvězdy nesvítily. Podle Ohio State University intentivní teploty a tlaky ve středu naší mateřské hvězdy neustále stlačují čtyři samostatné atomy vodíku do jediného atomu helia. Hmotnost jednoho atomu helia je jen o něco menší než hmotnost čtyř atomů vodíku. Co se stane s extra hmotou? Přímo se přeměňuje na energii, která se na naší planetě projevuje jako sluneční světlo.
Dean Buonomano, profesor na UCLA a autor knihy „ Your Brain Is a Time Machine: The Neuroscience and Physics of Time “, podává jednoduché vysvětlení teorie věčného vesmíru a času. V kontextu fyziky existují dva obecné pohledy na povahu času. Jeden, který si můžeme představit, je „prezentismus“, který je skutečný pouze pro současnost. A druhý si můžeme představit jako „eternalismus“, ve kterém minulost, přítomnost a budoucnost jsou stejně skutečné.O jeho teorii napsal server businessinsider.com.
Zdá se, že vše ve vesmíru se již stalo za věčného života.
Přepis textu videa:
V kontextu fyziky existují dva obecné pohledy na povahu času. Jeden, který si můžeme představit, je „prezentismus“, který je skutečný pouze v současnosti. A druhý si můžeme představit jako „eternalismus“, ve kterém minulost, přítomnost a budoucnost jsou stejně skutečné. A z tohoto pohledu je nynější čas stejný jako tento prostor. Jinými slovy, stejně jako jsem teď tady, je pro mě naprosto přijatelné, že existují další body ve vesmíru, kde bych mohl být. Podobně, stejně jako jsem zde nyní, za věčné „věčnosti“, existuje spoustu dalších bodů v čase, minulosti a budoucnosti, kde možná existují jiné verze mě samého nebo jiné části mé světové linie a jsou stejně skutečné jako já.
V rámci věčného života se otázka svobodné vůle a determinismu stává mnohem méně jasnou, protože se zdá, že vše ve vesmíru se již stalo za věčnosti. Ve fyzice se tomu říká pohled „blokového vesmíru“ , ve kterém se všechno v jistém smyslu způsobem řeči již stalo. A to by znamenalo, že to, co považujeme za svobodnou vůli, je v jistém smyslu iluze. Ale myslím si, že součástí této výzvy je přijít na to, co znamená svobodná vůle. Z neurovědy si myslím, že to, co bychom si měli myslet o svobodné vůli, je prostě subjektivní pocit, že se váš nevědomý mozek rozhoduje. Bolest může být pocit toho, co se stane, když nám někdo šlápne na palec u nohy.
Teorii velkého třesku poprvé navrhl Georges Lemaître v roce 1927 bez jejího současného názvu, který byl vytvořen v 50. letech 20. století. Obecný název umožnil, že počátky našeho vesmíru byly příliš často zobrazovány jako masivní exploze podobná epické supernovy. Ale vznikl náš vesmír skutečně v kosmickém ohňostroji? Nebo to bylo něco jiného?Píše server Britannica.
„Velký třesk“ nebyl vůbec „třeskem“, alespoň ne v obecné definici. Neexplodoval ve scéně šrapnelu a ohně a rozhodně tam nebyl žádný houbový mrak. Teorie velkého třesku vesmíru je odvozena z obecné teorie relativity Alberta Einsteina a myšlenky, že vesmír expandoval z nepatrné husté sbírky energie zvané singularita. Nebyla to žádná rána, jen obrovská expanze extrémně zhuštěného materiálu.
Proč tedy popisovat teorii tak zavádějícím názvem? Možná dokonce zesměšňovat. Sir Fred Hoyle posměšně nazval teorii „velkým třeskem“ se záměrem zredukovat ji na absurditu, a ustála. Hoyle věřil, v rozporu s teorií velkého třesku, že samotný vesmír nemá počátek, ale jeho součásti. Toto se nazývá teorie ustáleného stavu, jejíž popularita se snížila ve světle všeobecného přijetí teorie velkého třesku.
Pokud vesmír nevybuchl do existence, kde se to všechno vzalo? Podle teorie byl vesmír – to zahrnuje veškerý prostor, čas, energii atd. – zkondenzován do extrémně horké entity s nulovým objemem a nekonečné hustoty nazývané singularita. Ve fyzice je hustota kvantifikována dělením hmoty objemem, což znamená, že rovnice pro určení hustoty singularity se dělí nulou. Pokud to nezraní váš mozek, bude toto: Protože veškerý prostor a čas existovaly v singularitě, singularita sama o sobě neexistovala v prostoru nebo čase.
Vesmír, jak ho známe (nebo ho sotva známe), je výsledkem rozpínání a ochlazování této singularity. Protože singularita sama o sobě nebyla v místě na rovinách prostoru nebo času, neexistuje žádný střed vesmíru; všechno se rozšiřuje ze všeho ostatního stejnou rychlostí. Pokud jde o původ singularity, nebo dokonce o to, co existovalo před ní, vědci jsou stejně zmatení jako všichni ostatní.
Foto: Martin Wolf, IceCube / NSF /Tiskový zdroj
Foto: UT Arlington / Tiskový zdroj
Foto: NASA/Swift/Cruz deWilde
Foto: R. Hurt/Caltech-JPL
Foto: L. Calçada/ESO
Foto: NASA/CXC
Foto: ESA–C. Carreau
Foto: Event Horizon Telescope Collaboration
Foto: ESO/M. Kornmesser
Foto: ESO/MPE
Foto: CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/P. Baudon
Foto: CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/S. Martin
Foto: Taton Moïse/Unsplash
Foto: analogicus/Pixabay
Foto: Kristina Delp/Unsplash
Foto: AnnaliseArt/Pixabay
Foto: Akhilesh Sharma/Unsplash
Foto: Chauhan Moniz/Pixabay
Foto: Nordseher/Unsplash
Foto: Guillermo Ferla/Unsplash
Foto: WikiImages/Pixabay
Foto: geralt / Pixabay
Foto: Pixabay / Pexels