Sterrekunde

Wat is die verband tussen Einstein se Gravitational Theory en Dark Matter?

Wat is die verband tussen Einstein se Gravitational Theory en Dark Matter?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ek het 'n elementêre boek oor donker materie gelees (in werklikheid 'n historiese perspektief) en daar is genoem hoe die wetenskaplike gemeenskap reageer op die idee van donker materie wat voorgestel word as 'n oplossing vir die waargenome verskil tussen die werklike massa van astronomiese stelsels en die voorspelde massa. uit die teorie van Newton. Ek het my afgevra waar Einstein-teorie in verhouding tot donker materie staan, het dit dit op die een of ander manier voorspel, of bewys donker materie die onvolledigheid van Einstein se teorie? En wat van donker energie?


Oorspronklik is donker materie veronderstel omdat daar 'n groter mate van rotasie-energie in sterrestelsels is as wat sigbare materie sou toelaat - grofweg draai hulle so vinnig dat hulle uitmekaar moet draai, en daarom is die hipotese veronderstel dat daar by sommige 'n bykomende bron van swaartekrag is vorm van onsigbare materie.

Dit is nie die gevolg van 'n verskil in Einstein se algemene relatiwiteit nie. Newtoniese gravitasie is 'n baie goeie benadering van Einstein se GR op die meeste gewone skale en energieë, en dit is ook waar in hierdie geval.

Ek weet nie presies wat u vraag "wat met donker energie" beteken nie, maar as u meen, beteken dit 'n onvolledigheid in GR, dan is die antwoord nee, of ten minste nie noodwendig nie, maar dit is 'n subtieler punt .

Donker energie is die veronderstelde bron van die energie wat veroorsaak dat die heelal versnel. Dit kan as 'n term in die veldvergelykings van GR ingevoeg word (ander verklarings van DE bestaan ​​wel) - maar dit is net 'n wiskundige term, eerder as 'n verklaring van die liggaamlikheid daarvan.

Einstein het oorspronklik so 'n term in sy oplossings ingevoeg - om 'n in wese 'n statiese heelal te voorspel. Toe aangetoon word dat die heelal uitgebrei het, beskryf hy dit as sy "grootste fout".

Die bewyse vir die versnelde uitbreidingstempo is relatief onlangs en het lank na Einstein se dood gekom, sodat hy nooit die wesenlike idee - van 'n "kosmologiese konstante" in sy vergelykings - laat herleef het nie.

Dit verklaar meer - https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant


Nuwe swaartekragteorie kan donker materie verklaar

'N Nuwe swaartekragteorie kan die nuuskierige bewegings van sterre in sterrestelsels verklaar. Opkomende swaartekrag, soos die nuwe teorie genoem word, voorspel presies dieselfde afwyking van bewegings wat gewoonlik verklaar word deur die gebruik van donker materie. Prof. Erik Verlinde, befaamde kenner van strykeorie aan die Universiteit van Amsterdam en die Delta Instituut vir Teoretiese Fisika, het vandag 'n nuwe navorsingsartikel gepubliseer waarin hy sy baanbrekende siening oor die aard van swaartekrag uitbrei.

In 2010 het Erik Verlinde die wêreld verras met 'n heeltemal nuwe teorie oor swaartekrag. Volgens Verlinde is swaartekrag nie 'n fundamentele krag van die natuur nie, maar 'n verskynsel wat opkom. Op dieselfde manier as wat temperatuur ontstaan ​​as gevolg van die beweging van mikroskopiese deeltjies, kom die swaartekrag voort uit die veranderinge van fundamentele stukkies inligting wat in die struktuur van die ruimtetyd gestoor word.

Newton se wet uit inligting

In sy artikel uit 2010 (oor die oorsprong van swaartekrag en die wette van Newton) het Verlinde getoon hoe Newton se beroemde tweede wet, wat beskryf hoe appels uit bome val en satelliete in 'n baan bly, afgelei kan word van hierdie onderliggende mikroskopiese boustene. Verlinde wys nou hoe hy die vorige werk en werk van ander gedoen het, hoe om die nuuskierige gedrag van sterre in sterrestelsels te verstaan ​​sonder om die vreemde donker materie by te voeg.

Die buitenste streke van sterrestelsels, soos ons eie Melkweg, draai baie vinniger om die middelpunt as wat bereken kan word deur die hoeveelheid gewone materie soos sterre, planete en interstellêre gasse. Iets anders moet die vereiste hoeveelheid swaartekrag produseer, daarom het fisici die bestaan ​​van donker materie voorgestel. Dit lyk asof donker materie ons heelal oorheers, met meer as 80 persent van alle materie. Tot dusver is die vermeende deeltjies van donker materie nog nooit waargeneem nie, ondanks baie pogings om dit op te spoor.

Donker materie is nie nodig nie

Volgens Erik Verlinde is dit nie nodig om 'n geheimsinnige deeltjie van die donker materie by die teorie te voeg nie. In 'n nuwe artikel, wat vandag op die ArXiv preprint-bediener verskyn het, toon Verlinde aan hoe sy gravitasieteorie die snelhede waarmee die sterre om die middel van die Melkweg draai, akkuraat voorspel, sowel as die beweging van sterre in ander sterrestelsels.

"Ons het bewyse dat hierdie nuwe siening van swaartekrag eintlik ooreenstem met die waarnemings," sê Verlinde. "Op groot skale, blyk dit, dra swaartekrag net nie soos Einstein se teorie voorspel nie."

Op die oog af bied Verlinde se teorie funksies aan wat soortgelyk is aan gewysigde teorieë oor swaartekrag soos MOND (aangepaste Newtonian Dynamics, Mordehai Milgrom (1983)). Waar MOND egter die teorie ooreenstem met die waarnemings, begin Verlinde se teorie uit die eerste beginsels. "'N Heel ander beginpunt," volgens Verlinde.

Die aanpassing van die holografiese beginsel

Een van die bestanddele in Verlinde se teorie is 'n aanpassing van die holografiese beginsel, ingelei deur sy tutor Gerard 't Hooft (Nobelprys 1999, Universiteit Utrecht) en Leonard Susskind (Universiteit van Stanford). Volgens die holografiese beginsel kan al die inligting in die ganse heelal op 'n reuse denkbeeldige sfeer rondom beskryf word. Verlinde toon nou aan dat hierdie idee nie heeltemal korrek is nie - 'n deel van die inligting in ons heelal is in die ruimte self vervat.

Hierdie ekstra inligting is nodig om die ander donker komponent van die heelal te beskryf: Donker energie, wat glo verantwoordelik is vir die versnelde uitbreiding van die heelal. Verlinde het die gevolge van hierdie bykomende inligting op gewone aangeleenthede tot 'n pragtige gevolgtrekking gebring. Terwyl gewone swaartekrag gekodeer kan word met behulp van die inligting oor die denkbeeldige sfeer rondom die heelal, soos hy in sy werk uit 2010 getoon het, is die resultaat van die bykomende inligting in die grootste deel van die ruimte 'n krag wat goed ooreenstem met die toegeskryf aan donker materie.

Op die randjie van 'n wetenskaplike revolusie

Swaartekrag het nuwe benaderings soos dié van Verlinde dringend nodig, omdat dit nie goed met kwantumfisika kombineer nie. Albei teorieë, kroonjuwele van die 20ste eeuse fisika, kan nie tegelykertyd waar wees nie. Die probleme kom voor in uiterste toestande: naby swart gate, of tydens die oerknal. Verlinde sê: "Baie teoretiese fisici soos ek werk aan 'n hersiening van die teorie, en daar is enkele belangrike vooruitgang gemaak. Ons kan dalk op die rand staan ​​van 'n nuwe wetenskaplike revolusie wat ons siening ten opsigte van die aard van die ruimte radikaal sal verander. , tyd en swaartekrag. '


'N Magnetstert rondom Mars kan veroorsaak dat die planeet homself verontrust

Vandat ons die tegnologie het, kyk ons ​​na die sterre op soek na uitheemse lewe. Daar word aanvaar dat ons soek omdat ons ander lewe in die heelal wil vind, maar wat as ons wil seker maak dat daar geen is nie?

Hier is 'n vergelyking en 'n taamlike ontstellende vergelyking: N = R* × fP × ne × f1 × fi × fc × L. Dit is die Drake-vergelyking en beskryf die aantal uitheemse beskawings in ons sterrestelsel met wie ons dalk kan kommunikeer. Die terme daarvan stem ooreen met waardes soos die fraksie van sterre met planete, die fraksie van planete waarop lewe kan ontstaan, die fraksie van planete wat intelligente lewe kan ondersteun, ensovoorts. Met behulp van konserwatiewe beramings is die minimum resultaat van hierdie vergelyking 20. Daar moet 20 intelligente uitheemse beskawings in die Melkweg wees wat ons kan kontak en wat ons kan kontak. Maar daar is nie.

Die Drake-vergelyking is 'n voorbeeld van 'n breër saak in die wetenskaplike gemeenskap - in ag genome die enorme grootte van die heelal en ons kennis dat intelligensie-lewe ten minste een keer ontwikkel het, moet daar bewyse vir uitheemse lewe wees. Dit word gewoonlik die Fermi-paradoks genoem, na die fisikus Enrico Fermi wat eers die teenstrydigheid tussen die groot waarskynlikheid van uitheemse beskawings en hul skynbare afwesigheid ondersoek het. Fermi het dit taamlik bondig saamgevat toe hy vra: 'Waar is almal'?

Maar miskien was dit die verkeerde vraag. 'N Beter vraag, alhoewel 'n meer kommerwekkende vraag, kan wees: "Wat het met almal gebeur?" Anders as om te vra waar lewe bestaan ​​in die heelal, daar is 'n duideliker moontlike antwoord op hierdie vraag: die Groot Filter.


Mense raak dikwels verward deur die bykomende komplikasie dat die Newtonse en Einsteiniese swaartekrag dikwels in verskillende wiskundige formalismes bespreek word. Dit kan geneig wees om die fisiese verskille te verdoesel. As u 'n speletjie vir die wiskunde het, dan het Misner, Thorne en Wheeler (kyk dit uit 'n biblioteek of kry dit tweedehands, tensy u regtig ernstig is oor hierdie besigheid), met 'n wonderlike hoofstuk wat beide teorieë langs mekaar in dieselfde taal plaas ( differensiële meetkunde). Die belangrikste verskil is dat die swaartekrag van Newton 'n bevoorregte skeiding van ruimtetyd in ruimte en tyd het, terwyl die swaartekrag van Einstein net ruimtetyd het.

Wysig: om absoluut duidelik te wees, Newtonse swaartekrag kan geskryf word as kromming in die ruimtetyd! Dit is in stryd met die algemene stellings oor die nuwe ding in GR. Die belangrikste verskil is dat die Newtonse swaartekrag ekstra absolute strukture het as GR het nie: absolute tyd en ruimte, 'n voorkeur-skeiding van ruimtetyd in tyd- en ruimtelike dele, absolute gelyktydigheid en 'n geboë verband wat nie die spesiale is nie, afgelei van 'n ruimtetydmetriek (Christoffel).

met 'n paar ander verhoudings wat ek nog nie geskryf het nie (sien MTW hoofstuk 12 vir besonderhede).

Die gevolg van die formalisme is dat die Newton-vergelyking 'n beperkingsvergelyking is - dit beskryf nie 'n vermeerderende mate van vryheid nie. Geen swaartekraggolwe, gravitons ens. Geen ligspoed vir swaartekrag nie. Alle materie het 'n onmiddellike swaartekrag-effek op alle ander materie. Dit verskil in GR aangesien die veldvergelyking a is golfvergelyking wat die voortplanting van swaartekragversteurings van een punt na 'n ander met die snelheid van die lig beskryf.

Wat GR het wat Newton nie het nie, is 'n ruimtetydperk van Lorentziaanse handtekening. Hierdie maatstaf speel 'n bevoorregte rol deurdat alle ander strukture (verbindings, krommings, ens.) Daaruit afgelei is. Daar is in wese niks anders aan Einstein se swaartekrag nie. Daarom is dit so elegant in die geometriese formalisme. Hierdie maatstaf kom eintlik uit spesiale relatiwiteit. Maar die maatstaf was 'n vaste struktuur in SR, amper soortgelyk aan die absolute tyd en ruimte van Newton (moenie vir iemand sê dat ek dit gesê het nie). Die nuwe ding in die algemene relatiwiteit is dat Einstein die maatstaf so te sê 'rondflap' laat - van plek tot plek en van tyd tot tyd verander na aanleiding van wat die saak doen.


Eintlik bied die vraestel 'n meer formele, wiskundige formulering van die postulate aan. Die formulering van die postulate verskil van die handboek tot 'n handboek weens vertaalkwessies, van wiskundige Duits tot verstaanbare Engels.

Die tweede postulaat word dikwels verkeerdelik geskryf om in te sluit dat die snelheid van die lig in 'n vakuum is c in alle verwysingsraamwerke. Dit is eintlik 'n afgeleide resultaat van die twee postulate, eerder as 'n deel van die tweede postulate self.

Die eerste postulaat is redelik gesonde verstand. Die tweede postulaat was egter die rewolusie. Einstein het die fotonteorie van die lig reeds in sy referaat oor die foto-elektriese effek (wat die eter onnodig gemaak het) bekendgestel. Die tweede postulaat was dus 'n gevolg van massalose fotone wat teen die snelheid beweeg c in 'n vakuum. Die eter het nie meer 'n spesiale rol as 'n 'absolute' traagheidsraamwerk gehad nie, dus was dit nie net onnodig nie, maar kwalitatief nutteloos onder spesiale relatiwiteit.

Wat die papier self betref, was die doel om Maxwell se vergelykings vir elektrisiteit en magnetisme te versoen met die beweging van elektrone naby die snelheid van die lig. Die resultaat van Einstein se referaat was om nuwe koördinaattransformasies, wat Lorentz-transformasies genoem word, in te voer tussen traagheidsraamwerke. Teen stadige snelhede was hierdie transformasies in wese identies aan die klassieke model, maar teen hoë snelhede, naby die ligspoed, het dit radikaal verskillende resultate gelewer.


Wat is relatiwiteit? Einstein & # x27s mind-buiging teorie verduidelik

Toe die relatiwiteitsteorie in die vroeë 1900's verskyn, het dit die eeue se wetenskap verhoog en fisici 'n nuwe begrip van ruimte en tyd gegee. Isaac Newton beskou ruimte en tyd as vas, maar in die nuwe prentjie wat deur spesiale relatiwiteit en algemene relatiwiteit voorsien word, was dit vloeibaar en smeebaar.

Wie het met die relatiwiteitsteorie vorendag gekom?

Albert Einstein. Hy publiseer die eerste deel van sy teorie - spesiale relatiwiteit - in die Duitse fisikajoernaal Annalen der Physik in 1905 en voltooi sy teorie van algemene relatiwiteit eers na nog 'n dekade van moeilike werk. Laasgenoemde teorie het hy laat in 1915 in 'n reeks lesings in Berlyn aangebied en in die Annalen in 1916.

Verwante

Skryf in vir die daaglikse MACH-nuusbrief

Wat is spesiale relatiwiteit?

Die teorie is gebaseer op twee sleutelbegrippe.

  • Eerstens laat die natuurlike wêreld geen 'bevoorregte' verwysingsraamwerke toe nie. Solank as wat 'n voorwerp in 'n reguit lyn met 'n konstante spoed beweeg (dit wil sê sonder versnelling), is die wette van die fisika vir almal dieselfde. Dit is 'n bietjie soos wanneer jy by 'n treinvenster uitkyk en 'n aangrensende trein sien beweeg, maar is Dit beweeg, of is jy? Dit kan moeilik wees om te sê. Einstein besef dat as die beweging volkome uniform is, dit letterlik onmoontlik is om te bepaal - en het dit as 'n sentrale beginsel van die fisika geïdentifiseer.
  • Tweedens beweeg lig teen 'n onveranderlike snelheid van 186,000 myl per sekonde. Dit maak nie saak hoe vinnig 'n waarnemer beweeg of hoe vinnig 'n liguitstralende voorwerp beweeg nie, 'n meting van die snelheid van die lig lewer altyd dieselfde resultaat.

Uit hierdie twee postulate het Einstein getoon dat ruimte en tyd verweef is op maniere wat wetenskaplikes nog nooit voorheen besef het nie. Einstein het deur middel van 'n reeks gedagte-eksperimente getoon dat die gevolge van spesiale relatiwiteit dikwels teenintuïtief is - selfs opvallend.

As u byvoorbeeld in 'n vuurpyl inzoomen en 'n vriend in 'n identiese, maar stadiger raket slaag, sal u sien dat die horlosie van u vriend stadiger tik as u (fisici noem dit 'tydverwyding').

Wat meer is, die vuurpyl van jou vriend sal korter lyk as jou eie. As u vuurpyl versnel, sal u massa en die massa van die vuurpyl toeneem. Hoe vinniger jy gaan, hoe swaarder dinge word en hoe meer sal jou vuurpyl jou pogings weerstaan ​​om dit vinniger te laat gaan. Einstein het getoon dat niks met 'n massa ooit die snelheid van die lig kan bereik nie.

'N Ander gevolg van spesiale relatiwiteit is dat materie en energie uitruilbaar is via die beroemde vergelyking E = mc² (waarin E staan ​​vir energie, m vir massa en c² die ligsnelheid vermenigvuldig met homself). Omdat die snelheid van die lig so 'n groot getal is, is selfs 'n klein hoeveelheid massa gelyk aan - en kan dit in - omgeskakel word - 'n baie groot hoeveelheid energie. Daarom is atoom- en waterstofbomme so kragtig.

Wat is algemene relatiwiteit?

In wese is dit 'n teorie van swaartekrag. Die basiese idee is dat in plaas daarvan om 'n onsigbare krag te wees wat voorwerpe na mekaar aantrek, swaartekrag 'n kromming of kromtrekking van die ruimte is. Hoe massiewer 'n voorwerp is, hoe meer verdraai dit die ruimte rondom.

Verwante

Mach Die 7 grootste onbeantwoorde vrae in fisika

Die son is byvoorbeeld massief genoeg om ruimte in ons sonnestelsel te verdraai - net soos die manier waarop 'n swaar bal wat op 'n rubbervel rus, die laken verdraai. As gevolg daarvan beweeg die aarde en die ander planete in geboë paaie (wentelbane) daaromheen.

Hierdie kromtrekking beïnvloed ook die metings van tyd. Ons is geneig om aan tyd te dink dat ons teen 'n konstante tempo wegtik. Maar net soos swaartekrag die ruimte kan rek of verdraai, kan dit ook tyd uitbrei. As u vriend na die top van 'n berg klim, sal u sien dat sy horlosie vinniger tik in vergelyking met u, sal 'n ander vriend aan die onderkant van 'n vallei 'n stadiger horlosie hê as gevolg van die verskil in swaartekrag elke plek. Daaropvolgende eksperimente het bewys dat dit wel gebeur.

Hoe lyk relatiwiteit 'onder die enjinkap?'

Spesiale relatiwiteit is uiteindelik 'n stel vergelykings wat verband hou met die manier waarop dinge in een verwysingsraamwerk lyk na hoe dit in 'n ander lyk - die rek van tyd en ruimte en die toename in massa. Die vergelykings behels niks ingewikkelder as wiskunde op hoërskool nie.

Algemene relatiwiteit is ingewikkelder. Sy "veldvergelykings" beskryf die verband tussen massa en die kromming van die ruimte en die uitbreiding van tyd, en word gewoonlik in universiteitsfisikakursusse op universiteitsvlak aangebied.

Toetse van spesiale en algemene relatiwiteit

In die afgelope eeu het baie eksperimente die geldigheid van spesiale en algemene relatiwiteit bevestig. In die eerste groot toets van algemene relatiwiteit het sterrekundiges in 1919 die afbuiging van lig van sterre in die verte gemeet terwyl die sterlig deur ons son beweeg, wat bewys dat swaartekrag die ruimte in werklikheid verdraai of krom.

In 1971 het wetenskaplikes albei dele van Einstein se teorie getoets deur presies gesinkroniseerde atoomhorlosies in vliegtuie te plaas en dit regoor die wêreld te laat vlieg. 'N Kontrole van die horlosies nadat die vliegtuie geland het, het getoon dat die horlosies aan boord van die vliegtuie 'n bietjie stadiger as (minder as 'n miljoenste sekonde) loop as die horlosies op die grond.

Die verskil was die gevolg van die snelheid van die vliegtuie ('n spesiale relatiwiteitseffek) en hul groter afstand vanaf die middelpunt van die Aarde se swaartekragveld ('n algemene relatiwiteitseffek).

In 2016 was die ontdekking van swaartekraggolwe - subtiele rimpels in die weefsel van die ruimtetyd - nog 'n bevestiging van die algemene relatiwiteit.

Relatiwiteit in die praktyk

Alhoewel die idees agter relatiwiteit esoteries lyk, het die teorie 'n groot invloed op die moderne wêreld.

Kernkragaanlegte en kernwapens sou byvoorbeeld onmoontlik wees sonder die medewete dat materie in energie omskep kan word. En ons GPS (globale posisioneringstelsel) satellietnetwerk moet rekening hou met die subtiele effekte van beide spesiale en algemene relatiwiteit as hulle dit nie gedoen het nie, sou hulle resultate lewer wat enkele kilometers afgeskakel het.


Einstein Gravitational Theory Proven Right - 'n Eeu later

Wetenskaplikes het gravitasiegolwe, rimpelings in die ruimte en tyd wat Albert Einstein 'n eeu gelede veronderstel het, vir die eerste keer bespeur in 'n landmerk-ontdekking wat Donderdag aangekondig is, wat 'n nuwe venster vir die bestudering van die kosmos open.

Die navorsers het gesê dat hulle swaartekraggolwe bespeur wat afkomstig is van twee verre swart gate - buitengewone digte voorwerpe waarvan Einstein ook die bestaan ​​voorspel het - wat om mekaar wentel, na binne draai en saam verpletter. Hulle het gesê dat die golwe die produk was van 'n botsing tussen twee swart gate ongeveer 30 keer die massa van die son, 1,3 miljard ligjare van die aarde af.

'Dames en here, ons het swaartekraggolwe bespeur. Ons het dit gedoen, ”het die fisikus David Reitze, Kaliforniese Instituut vir Tegnologie, tydens 'n stampvol nuuskonferensie in Washington 'n applous ontketen.

"Dit was 'n baie lang pad, maar dit is net die begin," het Gabriela Gonzalez, fisikus van die Louisiana-staatsuniversiteit, op die nuuskonferensie gesê en die opening van 'n nuwe era in sterrekunde aangewys.

Die wetenskaplike mylpaal is bereik met behulp van 'n paar reuse-laserverklikkers in die Verenigde State, geleë in die staat Louisiana en Washington, en het 'n dekade lange strewe om hierdie golwe te vind, beperk.

'Die botsende swart gate wat hierdie swaartekraggolwe voortgebring het, het 'n hewige storm in die weefsel van ruimte en tyd geskep, 'n storm waarin die tyd versnel, vertraag en weer versnel, 'n storm waarin die vorm van die ruimte ingebuig is. op hierdie manier en op daardie manier, ”het die fisikus van Caltech, Kip Thorne, gesê.

Die twee laserinstrumente, wat in harmonie werk, staan ​​bekend as die Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Hulle kon merkwaardig klein trillings opspoor deur swaartekraggolwe wat verbygaan. Nadat die swaartekraggolfsein opgespoor is, het die wetenskaplikes gesê dat hulle dit in klankgolwe omskakel en kon luister na die klanke van die twee swart gate wat saamsmelt.

"Ons hoor hulle eintlik in die nag klop," het Matthew Evans, fisikus van die Massachusetts Institute of Technology, gesê. 'Ons kry 'n sein wat na die aarde kom, en ons kan dit op 'n luidspreker plaas, en ons kan hoor hoe hierdie swart gate gaan,' Whoop. 'Daar is 'n baie ingewikkelde verband met hierdie waarneming.'

Die wetenskaplikes het gesê dat hulle die swaartekraggolwe die eerste keer op 14 September opgespoor het.

"Ons is werklik getuie van die opening van 'n nuwe instrument vir die doen van sterrekunde," het Nergis Mavalvala, MIT-astrofisikus, in 'n onderhoud gesê. 'Ons het 'n nuwe sin aangeskakel. Ons kon sien en nou sal ons ook kan hoor. ”

Einstein het in 1916 die bestaan ​​van gravitasiegolwe voorgestel as 'n uitvloeisel van sy baanbrekende algemene relatiwiteitsteorie, wat die swaartekrag uitbeeld as 'n vervorming van die ruimte en tyd wat veroorsaak word deur die teenwoordigheid van materie. Maar tot nou toe het wetenskaplikes slegs indirekte bewyse van hul bestaan ​​gevind.

Wetenskaplikes het gesê dat swaartekraggolwe 'n deur oopmaak vir 'n nuwe manier om die heelal waar te neem en kennis te bekom oor raaiselagtige voorwerpe soos swart gate en neutronsterre. Deur gravitasiegolwe te bestudeer, hoop hulle ook om insig te kry in die aard van die baie vroeë heelal, wat geheimsinnig gebly het.

Alles wat ons van die kosmos weet, spruit uit elektromagnetiese golwe soos radiogolwe, sigbare lig, infrarooi lig, X-strale en gammastrale. Maar omdat sulke golwe steuring ondervind as hulle deur die heelal beweeg, kan hulle slegs 'n deel van die verhaal vertel.

Swaartekraggolwe ervaar nie sulke hindernisse nie, wat beteken dat hulle 'n magdom addisionele inligting kan bied. Swartgate straal byvoorbeeld nie lig, radiogolwe en dies meer uit nie, maar kan bestudeer word deur gravitasiegolwe.

Die wetenskaplikes het gesê dat omdat swaartekraggolwe so radikaal verskil van elektromagnetiese golwe, hulle verwag dat hulle groot verrassings oor die heelal sal openbaar.

Wetenskaplikes klink positief duiselig oor die ontdekking.

"Dit is die heilige graal van die wetenskap," het die astrofisikus Rochester, instituut vir tegnologie, Carlos Lousto gesê. "Die laaste keer dat so iets gebeur het, was in 1888 toe Heinrich Hertz die radiogolwe opspoor wat deur James Clerk Maxwell se veldvergelykings van elektromagnetisme in 1865 voorspel is," het die fisikus Tom McLeish van die Durham Universiteit bygevoeg.

"Dit is regtig 'n werklik opwindende gebeurtenis," het Abhay Ashtekar, direkteur van die Penn State University se Instituut vir Gravitasie en die Kosmos, gesê. 'Dit maak 'n splinternuwe venster op die heelal oop.'

Ashtekar het gesê swaar hemelvoorwerpe buig ruimte en tyd, maar weens die relatiewe swakheid van die swaartekrag is die effek min, behalwe deur massiewe en digte liggame soos swart gate en neutronsterre. Hy het gesê dat wanneer hierdie voorwerpe bots, rimpelings in die kromming van ruimte en tyd uitstuur wat voortplant as swaartekraggolwe.

'N Swart gat, 'n gebied van die ruimte wat so vol materiaal is dat nie eers fotone van die swaartekrag kan ontsnap nie, is vir die eerste keer in 1971 opgespoor.

Neutronsterre is klein, ongeveer so groot soos 'n stad, maar is uiters swaar. Die kompakte oorblyfsels van 'n groter ster wat in 'n supernova-ontploffing gesterf het.


Op soek na Vulcan

Onwrikbare waarnemings kan sterrekundiges lei tot desperate verklarings. Op die middag van 26 Maart 1859 het Edmond Lescarbault, 'n jong dokter en amateursterrekundige in Orgères-en-Beauce, 'n klein dorpie suid van Parys, 'n onderbreking tussen pasiënte gehad. Hy jaag na 'n klein tuisgemaakte sterrewag op die dak van sy klipskuur. Met behulp van sy teleskoop sien hy 'n onbekende ronde voorwerp wat oor die son beweeg.

Hy het vinnig nuus oor hierdie ontdekking aan Urbain Le Verrier, die destydse wêreld se voorste sterrekundige, gestuur. Le Verrier het probeer om 'n vreemdheid in die beweging van die planeet Mercurius te verklaar. Al die ander planete wentel perfek in ooreenstemming met Isaac Newton se bewegings- en gravitasiewette, maar dit lyk asof Mercurius 'n klein hoeveelheid met elke baan bevorder, 'n verskynsel wat bekend staan ​​as die perihelie-presessie. Le Verrier was seker dat daar 'n onsigbare "donker" planeet aan Mercurius moes trek. Lescarbault se waarneming van 'n donker vlek wat deur die son reis, het blykbaar aangetoon dat die planeet, wat Le Verrier Vulcan genoem het, werklik was.

Dit was nie. Lescarbault se waarnemings is nooit bevestig nie, en die perihelie-presessie van Mercurius het nog vir byna ses dekades 'n raaisel gebly. Toe ontwikkel Einstein sy teorie van algemene relatiwiteit, wat reguit voorspel het dat Mercurius moet optree soos dit gaan.

Deel hierdie artikel

Gekopieer!

Nuusbrief

Kry die tydskrif Quanta by u posbus

'N Kaart van die sonnestelsel vanaf 1846 toon die vermeende baan van Vulcan, 'n hipotetiese planeet waarop 'n raaiselagtige kenmerk van Mercurius se baan verklaar is.

In Le Verrier se impuls om raaiselagtige waarnemings te verklaar deur 'n tot dusver verborge voorwerp in te voer, sien sommige hedendaagse navorsers parallelle met die verhaal van donker materie en donker energie. Vir dekades het sterrekundiges opgemerk dat die gedrag van sterrestelsels en sterrestelsels nie blyk te pas by die voorspellings van algemene relatiwiteit nie. Donker materie is een manier om daardie gedrag te verklaar. Net so kan die versnelde uitbreiding van die heelal beskou word as aangedryf deur 'n donker energie.

Al die pogings om donker materie en donker energie direk op te spoor, het egter misluk. Die feit "laat 'n soort slegte smaak in die mond van sommige mense, amper soos die fiktiewe planeet Vulcan," het Leo Stein, 'n teoretiese fisikus aan die California Institute of Technology, gesê. 'Miskien gaan ons alles verkeerd?'

Vir enige alternatiewe teorie van swaartekrag, moet dit nie net donker materie en donker energie wegdoen nie, maar ook die voorspellings van algemene relatiwiteit in al die standaardkontekste weergee. "Die saak met alternatiewe swaartekragteorieë is 'n rommelige saak," het Archibald gesê. Sommige moontlike plaasvervangers vir algemene relatiwiteit, soos snaarteorie en kwantumgravitasie, bied nie toetsbare voorspellings nie. Ander “maak voorspellings wat skouspelagtig verkeerd is, dus moet die teoretici 'n soort 'n siftingsmeganisme beraam om die verkeerde voorspelling op skale wat ons eintlik kan toets, weg te steek,” het sy gesê.

Die bekendste alternatiewe swaartekragteorieë staan ​​bekend as aangepaste Newtonse dinamika, gewoonlik afgekort tot MOND. MOND-tipe teorieë probeer om donker materie uit die weg te ruim deur ons definisie van swaartekrag aan te pas. Sterrekundiges het lank opgemerk dat die swaartekrag weens gewone materie nie voldoende lyk om sterre wat vinnig beweeg, binne hul sterrestelsels te hou nie. Daar word aanvaar dat die swaartekrag van donker materie die verskil maak. Maar volgens MOND is daar eenvoudig twee soorte swaartekrag. In streke waar die swaartekrag sterk is, gehoorsaam liggame Newton se swaartekragwet, wat bepaal dat die gravitasiekrag tussen twee voorwerpe afneem in verhouding tot die vierkant van die afstand wat hulle skei. Maar in omgewings van uiters swak swaartekrag - soos die buitenste dele van 'n sterrestelsel - suggereer MOND dat 'n ander soort swaartekrag in die spel is. Hierdie swaartekrag neem stadiger af met afstand, wat beteken dat dit nie soveel verswak nie. "Die idee is om swaartekrag sterker te maak as dit swakker moet wees, soos aan die buitewyke van 'n sterrestelsel," het Zumalacárregui gesê.

Dan is daar TeVeS (tensor-vector-scalar), MOND se relativistiese neef. Terwyl MOND 'n wysiging van die Newtonse swaartekrag is, is TeVeS 'n poging om die algemene idee van MOND te verwerk en te omskep in 'n volledige wiskundige teorie wat toegepas kan word op die heelal - nie net op relatief klein voorwerpe soos sonstelsels en sterrestelsels nie . Dit verklaar ook die rotasiekurwes van sterrestelsels deur swaartekrag aan hul buitewyke sterker te maak. Maar TeVeS doen dit deur swaartekrag aan te vul met 'skalêre' en 'vektor'-velde wat "swaartekrag in wese versterk", het Fabian Schmidt, 'n kosmoloog van die Max Planck Instituut vir Astrofisika in Garching, Duitsland, gesê. 'N Skaalveld is soos die temperatuur in die atmosfeer: dit het 'n numeriese waarde, maar geen rigting nie. Daarenteen is 'n vektorveld soos die wind: dit het 'n waarde (die windspoed) en 'n rigting.

Daar is ook sogenaamde Galileon-teorieë - deel van 'n klas teorieë genaamd Horndeski en daarna Horndeski - wat probeer om van donker energie ontslae te raak. Hierdie wysigings van algemene relatiwiteit stel ook 'n skalêre veld in. Daar is baie van hierdie teorieë (Brans-Dicke-teorie, dilaton-teorieë, verkleurmanneteorieë en kwintesse is maar net enkele daarvan), en hul voorspellings wissel baie onder die modelle. Maar almal verander die uitbreiding van die heelal en pas die swaartekrag aan. Die teorie van Horndeski is in 1974 vir die eerste keer deur Gregory Horndeski voorgehou, maar die breë fisika-gemeenskap het dit eers omstreeks 2010 kennis geneem. Teen daardie tyd het Zumalacárregui gesê: "Gregory Horndeski [het] die wetenskap gestaak en 'n skilder geword in Nieu-Mexiko."

Daar is ook losstaande teorieë soos die fisikus Erik Verlinde. Volgens sy teorie kom die swaartekragwette natuurlik voort uit die wette van termodinamika, net soos 'die manier waarop golwe uit die molekules van water in die oseaan ontstaan', het Zumalacárregui gesê. Verlinde het in 'n e-pos geskryf dat sy idees nie 'n "alternatiewe teorie" van swaartekrag is nie, maar 'die volgende teorie van swaartekrag wat Einstein se algemene relatiwiteit bevat en oortref.' Maar hy is nog besig om sy idees te ontwikkel. "My indruk is dat die teorie steeds nie voldoende uitgewerk word om die soort presisie-toetse wat ons uitvoer, toe te laat nie," het Archibald gesê. Dit is gebou op 'fancy woorde', het Zumalacárregui gesê, 'maar geen wiskundige raamwerk om voorspellings te bereken en soliede toetse te doen nie.'

Die voorspellings wat deur ander teorieë gemaak word, verskil op een of ander manier van dié van algemene relatiwiteit. Tog kan hierdie verskille subtiel wees, wat dit ongelooflik moeilik vind om te vind.

Oorweeg die samesmelting van neutronsterre. Op dieselfde tyd dat die Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) die swaartekraggolwe raaksien wat voortspruit uit die gebeurtenis, het die ruimte-gebaseerde Fermi-satelliet 'n gammastraal opgemerk vanaf dieselfde plek. Die twee seine het 130 miljoen jaar lank deur die heelal gereis voordat hulle net 1,7 sekondes uitmekaar op die aarde gekom het.

Hierdie byna gelyktydige waarnemings "TeVeS-teorieë" wreedaardig en meedoënloos vermoor ", het Paulo Freire, 'n astrofisikus aan die Max Planck Instituut vir Radiosterrekunde in Bonn, Duitsland, gesê. “Gravity and gravitational waves propagate at the speed of light, with extremely high precision — which is not at all what was predicted by those [alternative] theories.”

The same fate overtook some Galileon theories that add an extra scalar field to explain the universe’s accelerated expansion. These also predict that gravitational waves propagate more slowly than light. The neutron-star merger killed those off too, Schmidt said.

Further limits come from new pulsar systems. In 2013, Archibald and her colleagues found an unusual triple system: a pulsar and a white dwarf that orbit one another, with a second white dwarf orbiting the pair. These three objects exist in a space smaller than Earth’s orbit around the sun. The tight setting, Archibald said, offers ideal conditions for testing a crucial aspect of general relativity called the strong equivalence principle, which states that very dense strong-gravity objects such as neutron stars or black holes “fall” in the same way when placed in a gravitational field. (On Earth, the more familiar weak equivalence principle states that, if we ignore air resistance, a feather and a brick will fall at the same rate.)


Inhoud

The thermodynamic description of gravity has a history that goes back at least to research on black hole thermodynamics by Bekenstein and Hawking in the mid-1970s. These studies suggest a deep connection between gravity and thermodynamics, which describes the behavior of heat. In 1995, Jacobson demonstrated that the Einstein field equations describing relativistic gravitation can be derived by combining general thermodynamic considerations with the equivalence principle. [1] Subsequently, other physicists, most notably Thanu Padmanabhan, began to explore links between gravity and entropy. [2] [3]

In 2009, Erik Verlinde proposed a conceptual model that describes gravity as an entropic force. [4] He argues (similar to Jacobson's result) that gravity is a consequence of the "information associated with the positions of material bodies". [5] This model combines the thermodynamic approach to gravity with Gerard 't Hooft's holographic principle. It implies that gravity is not a fundamental interaction, but an emergent phenomenon which arises from the statistical behavior of microscopic degrees of freedom encoded on a holographic screen. The paper drew a variety of responses from the scientific community. Andrew Strominger, a string theorist at Harvard said "Some people have said it can't be right, others that it's right and we already knew it – that it’s right and profound, right and trivial." [6]

In July 2011, Verlinde presented the further development of his ideas in a contribution to the Strings 2011 conference, including an explanation for the origin of dark matter. [7]

Verlinde's article also attracted a large amount of media exposure, [8] [9] and led to immediate follow-up work in cosmology, [10] [11] the dark energy hypothesis, [12] cosmological acceleration, [13] [14] cosmological inflation, [15] and loop quantum gravity. [16] Also, a specific microscopic model has been proposed that indeed leads to entropic gravity emerging at large scales. [17] Entropic gravity can emerge from quantum entanglement of local Rindler horizons. [18]

The effective temperature experienced due to a uniform acceleration in a vacuum field according to the Unruh effect is:

Taking the holographic screen to be a sphere of radius r , the surface area would be given by:

From algebraic substitution of these into the above relations, one derives Newton's law of universal gravitation:

Note that this derivation assumes that the number of the binary bits of information is equal to the number of the degrees of freedom.

Entropic gravity, as proposed by Verlinde in his original article, reproduces the Einstein field equations and, in a Newtonian approximation, a 1/r potential for gravitational forces. Since its results do not differ from Newtonian gravity except in regions of extremely small gravitational fields, testing the theory with earth-based laboratory experiments does not appear feasible. Spacecraft-based experiments performed at Lagrangian points within our solar system would be expensive and challenging.

Even so, entropic gravity in its current form has been severely challenged on formal grounds. Matt Visser has shown [19] that the attempt to model conservative forces in the general Newtonian case (i.e. for arbitrary potentials and an unlimited number of discrete masses) leads to unphysical requirements for the required entropy and involves an unnatural number of temperature baths of differing temperatures. Visser concludes:

There is no reasonable doubt concerning the physical reality of entropic forces, and no reasonable doubt that classical (and semi-classical) general relativity is closely related to thermodynamics [52–55]. Based on the work of Jacobson [1–6], Thanu Padmanabhan [7–12], and others, there are also good reasons to suspect a thermodynamic interpretation of the fully relativistic Einstein equations might be possible. Whether the specific proposals of Verlinde [26] are anywhere near as fundamental is yet to be seen – the rather baroque construction needed to accurately reproduce n-body Newtonian gravity in a Verlinde-like setting certainly gives one pause.

For the derivation of Einstein's equations from an entropic gravity perspective, Tower Wang shows [20] that the inclusion of energy-momentum conservation and cosmological homogeneity and isotropy requirements severely restrict a wide class of potential modifications of entropic gravity, some of which have been used to generalize entropic gravity beyond the singular case of an entropic model of Einstein's equations. Wang asserts that:

As indicated by our results, the modified entropic gravity models of form (2), if not killed, should live in a very narrow room to assure the energy-momentum conservation and to accommodate a homogeneous isotropic universe.

Cosmological observations using available technology can be used to test the theory. On the basis of lensing by the galaxy cluster Abell 1689, Nieuwenhuizen concludes that EG is strongly ruled out unless additional (dark) matter like eV neutrinos is added. [21] A team from Leiden Observatory statistically observing the lensing effect of gravitational fields at large distances from the centers of more than 33,000 galaxies, found that those gravitational fields were consistent with Verlinde's theory. [22] [23] [24] Using conventional gravitational theory, the fields implied by these observations (as well as from measured galaxy rotation curves) could only be ascribed to a particular distribution of dark matter. In June 2017, a study by Princeton University researcher Kris Pardo asserted that Verlinde's theory is inconsistent with the observed rotation velocities of dwarf galaxies. [25] [26]

Sabine Hossenfelder argues that "one should interpret these studies [comparing dark matter gravitational studies with EG] with caution" because "approximations must be made to arrive at [the to be tested EG] equation[s]" and it's not yet clear that the approximations are themselves correct. [27]

In 2018, Zhi-Wei Wang and Samuel L. Braunstein showed that, while spacetime surfaces near black holes (called stretched horizons) do obey an analog of the first law of thermodynamics, ordinary spacetime surfaces — including holographic screens — generally do not, thus undermining the key thermodynamic assumption of the emergent gravity program. [28]

Entropic gravity and quantum coherence Edit

Another criticism of entropic gravity is that entropic processes should, as critics argue, break quantum coherence. There is no theoretical framework quantitatively describing the strength of such decoherence effects, though. The temperature of the gravitational field in earth gravity well is very small (on the order of 10 −19 K).

Experiments with ultra-cold neutrons in the gravitational field of Earth are claimed to show that neutrons lie on discrete levels exactly as predicted by the Schrödinger equation considering the gravitation to be a conservative potential field without any decoherent factors. Archil Kobakhidze argues that this result disproves entropic gravity, [29] while Chaichian et al. suggest a potential loophole in the argument in weak gravitational fields such as those affecting Earth-bound experiments. [30]


Ayón-Beato, E., García, A., Marcías, A., and Quevedo, H. Uniqueness theorems for static black holes in metric-affine gravity. Subm. to Fis. Rev. D.

Baekler, P., Gürses, M., Hehl, F. W., and McCrea, J. D. (1988). The exterior gravitational field of a charged spinning source in the Poincaré gauge theory: A Kerr-Newman metric with dynamical torsion. Fis. Lett. 128A, 245.

Hehl, F. W., and Marcías, A. (1999). Metric-affine gauge theory of gravity: II. Exact solutions. Los Alamos e-Print Archive gr-qc/9902076, 1–27. Int. Jour. Mod. Fis. D 8, 399.

Hahl, F. W., McCrea, J. D., Mielke, E. W., and Ne'eman, Y. (1995). Metric-affine gauge theory of gravity: Field equations, Noether identities, world spinors, and breaking of dilation invariance. Fis. Rep. 258, 1.

Obukhov, Yu. N., and Vlachynsky, E. J. (1999). Einstein-Proca model: Spherically symmetric solution. Annalen der Physik (Lpz.) 8, 497.

Obukhov, Yu. N., Vlachynsky, E. J., Esser, W., and Hehl, F. W. (1996). Effective Einstein theory from metric-affine gravity models via irreducible decompositions. Fis. Ds. D56, 7769.

Obukhov, Yu. N., Vlachynsky, E. J., Esser, W., Tresguerres, R., and Hehl, F. W. (1996). An exact solution of the metric-affine gauge theory with dilation, shear, and spin charges. Fis. Lett. A200, 1.

Rosen, N. (1994). A classical Klein-Gordon particle. Foundations of Physics 24, 1563. A classical Proca particle. ibid.1689.