Skip to main content

Профессор физики Баумгарте описывает 100-летний архив гравитации

Автор статьи - Rebecca Goldfine, ссылка на оригинал: Physics Professor Baumgarte Describes 100 Years of Gravity Archives. Перевод опубликован с разрешения автора.

1 апреля 2015 г.по Ребекка Goldfine

Баумгарте и Эйнштейн

В этом году исполняется 100 лет общей теории относительности, или, точнее, 100 лет публикации оригинальной статьи, которую Альберт Эйнштейн написал о полевых уравнениях общей теории относительности, которые составляют ядро ​​его релятивистской теории гравитации.

В знак признания этой годовщины Томас Баумгарте, профессор физики и астрономии, недавно выступил перед аудиторией профессорско-преподавательского состава и персонала Боудойна об истории нашего понимания гравитации. После предоставления этого быстрого фона, он коснулся собственных исследований в области численной теории относительности.

Баумгарте начал с обсуждения специальной теории относительности, которую Эйнштейн разработал 10 годами ранее, в 1905 году, когда он работал в качестве патентоведа в Берне, Швейцария. Специальная теория относительности основана на наблюдении, что скорость света всегда одинакова, независимо от того, кто ее измеряет, или от того, как быстро источник света движется относительно наблюдателя. Эйнштейн продемонстрировал, что как непосредственное следствие, пространство и время больше не могут быть независимыми, а скорее должны рассматриваться как новый объединенный объект, называемый «пространство-время». Но специальная теория относительности описывает физику в отсутствие гравитации, тогда как общая теория относительности описывает гравитацию в терминах кривизна пространства-времени.

Первые успехи в нашем понимании гравитации были сделаны Галилеем и Ньютоном в 16 и 17 веках. В этот момент в своем выступлении Баумгарте сунул руки в карманы и вытащил два предмета, которые оказались там - его ключи и очень старый твердый зефир. Он бросил их на пол, в который они попали одновременно, демонстрируя наблюдение Галилея о том, что все объекты, независимо от их массы, падают с одинаковой скоростью. Ньютон объяснил это явление, заявив, что, хотя гравитационная сила, действующая на каждое тело, зависит от его массы, масса вычисляется, когда мы вычисляем ускорение объекта.

По словам Баумгарте, более двухсот лет спустя Эйнштейн расценил эту «случайную отмену» как курящий пистолет. Гениальное понимание Эйнштейна заключалось в том, что на скорость падения тел не влияли никакие внутренние качества, которыми они обладали, т.е. их масса, а скорее внутреннее свойство пространства-времени, через которое падали объекты. Это свойство является кривизной пространства-времени. Он определяет скорость падения объектов, а также изгибает свет.

Одно из первых подтверждений общей теории относительности действительно было основано на изгибе света. Британский астрофизик сэр Артур Эддингтон и группа его сотрудников отправились в Бразилию и Африку в 1919 году, чтобы посмотреть солнечное затмение, что дало им возможность наблюдать явное изменение положения звезд. «Они побывали в двух разных местах в южном полушарии, наблюдали затмение, наблюдали смещение звезд и возвращались, чтобы сообщить, что это было именно так, как предсказывал Эйнштейн», - сказал Баумгарте. «Именно тогда общая относительность стала принятой».

Затем Баумгарте объяснил, что уравнения Эйнштейна являются так называемыми дифференциальными уравнениями, которые необходимо решить, прежде чем решения смогут сделать какие-либо предсказания о природе. «Эйнштейн дал нам уравнения, - сказал он, - и мы должны найти решения». Поскольку уравнения Эйнштейна довольно сложны, трудно точно решить эти уравнения, и такие точные решения существуют только в очень особых обстоятельствах.

Первым исследователем, который нашел точное математическое решение уравнений Эйнштейна, был Карл Шварцшильд, который в то время служил в немецкой армии во время Первой мировой войны. Хотя уравнение Эйнштейна является сложным и выглядит беспорядочно на печатной странице, Шварцшильд «предложил [в 1916 году] удивительно простое решение. Эйнштейн был поражен », - сказал Баумгарте.

Баумгарте тоже восхищался гуманностью, настойчивостью и поэтизмом Шварцшильда во время войны. В письме, которое он послал Эйнштейну, Шварцшильде написал: «Как вы видите, война относилась ко мне достаточно любезно, несмотря на тяжелый огонь, чтобы я мог отойти от всего этого и прогуляться по стране ваших идей. »

Однако решение Шварцшильда считалось астрофизически неуместным в течение 50 лет. Потребовалась еще одна война, Вторая мировая война и развитие радиотехнологий, чтобы помочь астрофизикам обнаружить высокоэнергетические объекты в космосе. «Эти объекты могут быть объяснены только этими чрезвычайно сильными гравитационными полями, которые объясняются общей теорией относительности - это был первый намек на существование черных дыр», - сказал Баумгарте. «Черные дыры [которые имеют особую кривизну пространства-времени в их центре] являются решениями уравнений Эйнштейна».

Так, в 1960-х годах американский физик-теоретик Джон Уилер, придумавший термин «черная дыра», возглавил возрождение результатов Эйнштейна. «Это был золотой век общей теории относительности», - заметил Баумгарте.

Несмотря на странность черных дыр, Баумгарте сказал, что их можно описать в удивительно простых терминах. «Мы думаем о черных дырах как о очень экзотических, очень странных вещах, - сказал Баумгарте, - но на самом деле они являются единственным макроскопическим объектом, который мы можем точно описать».

Затем Баумгарте перенес свой доклад на сегодняшний день и рассказал о попытках физиков изучить двойные черные дыры. Это происходит, когда две черные дыры движутся близко друг к другу, вращаясь вокруг друг друга, пока они, наконец, не сливаются. В этом процессе они заставляют пространство-время «немного покачиваться», сказал он. «Это процесс, который нас интересует, потому что этот процесс испускает очень сильное гравитационное излучение».

Используя лазерный интерферометр для наблюдений за гравитационными волнами, ученые надеются измерить это излучение «очень скоро, в ближайшие годы». Это, в свою очередь, «откроет новые окна во вселенную», отметил Баумгарте.

Однако, чтобы интерпретировать любые измеренные сигналы, Баумгарте сказал, что ученым нужны теоретические шаблоны, чтобы предсказать, как будет выглядеть гравитационное излучение.

«У нас нет аналитических или точных решений уравнений Эйнштейна для описания этого процесса, поэтому нам нужны приблизительные решения», - пояснил он. Одним из способов получить эти приблизительные решения является использование компьютеров. «И это то, что мы делаем в числовой теории относительности, моя область», объяснил он. «Мы пишем компьютерные программы, которые решают уравнения Эйнштейна численно».

За столетие, прошедшее с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свою работу по общей теории относительности, теория прошла «множество испытаний с летающими цветами с чрезвычайно высокой точностью», отметил Баумгарте. Теория даже нашла практическое применение, поскольку глобальная система позиционирования не функционировала бы без нашего понимания общей теории относительности. «Система GPS в вашем мобильном телефоне не будет работать без общей теории относительности», - сказал Баумгарте. «Это гордость нашего сообщества, что общая теория относительности имеет практическое применение».

Он добавил, что первое, что привлекло его в области астрофизики и численной теории относительности, была «удивительная красота и элегантность» теории Эйнштейна. «Это прекрасный способ описания природы», - сказал он.