Thuyết tương đối rộng của Einstein

Một biểu hiện của thuyết tương đối rộng là sóng hấp dẫn, được mô tả ở đây là được tạo ra bởi hai lỗ đen va chạm. kết cấu của không-thời gian.

Một biểu hiện của thuyết tương đối rộng là sóng hấp dẫn, được mô tả ở đây là được tạo ra bởi hai lỗ đen va chạm. kết cấu của không-thời gian. (Tín dụng hình ảnh: R. Hurt / Caltech-JPL)



Chuyển đến:

Thuyết tương đối rộng là nhà vật lý Albert Einstein sự hiểu biết của lực hấp dẫn ảnh hưởng như thế nào đến cấu tạo của không-thời gian.

Lý thuyết mà Einstein xuất bản năm 1915, đã mở rộng thuyết tương đối hẹp mà anh ấy đã xuất bản 10 năm trước đó. Thuyết tương đối hẹp cho rằng không gian và thời gian có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, nhưng lý thuyết đó không thừa nhận sự tồn tại của lực hấp dẫn.





Einstein đã dành cả thập kỷ giữa hai lần xuất bản để xác định rằng các vật thể đặc biệt có khối lượng lớn làm cong cấu trúc của không-thời gian, một biến dạng biểu hiện dưới dạng lực hấp dẫn, theo NASA .

Thuyết tương đối rộng hoạt động như thế nào?

Để hiểu thuyết tương đối rộng, trước tiên, chúng ta hãy bắt đầu với lực hấp dẫn, lực hút mà hai vật tác dụng lên nhau. Ngài Isaac Newton đã định lượng lực hấp dẫn trong cùng một văn bản, trong đó ông xây dựng ba định luật chuyển động của mình, ' Nguyên tắc . '



Các Lực hấp dẫn sự kéo giữa hai vật thể phụ thuộc vào khối lượng của mỗi vật thể và độ xa nhau của hai vật thể. Ngay cả khi tâm Trái đất đang kéo bạn về phía nó (giữ cho bạn vững vàng trên mặt đất), thì khối tâm của bạn đang kéo ngược lại Trái đất. Nhưng cơ thể to lớn hơn hầu như không cảm nhận được sức kéo từ bạn, trong khi với khối lượng nhỏ hơn nhiều, bạn thấy mình bám chắc vào cơ thể nhờ lực tương tự. Tuy nhiên, các định luật của Newton cho rằng lực hấp dẫn là một lực bẩm sinh của một vật thể có thể tác động trên một khoảng cách.

Albert Einstein, trong thuyết tương đối hẹp của mình, đã xác định rằng các định luật vật lý là giống nhau đối với tất cả các quan sát viên không gia tốc, và ông đã chỉ ra rằng tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau bất kể tốc độ mà một quan sát viên di chuyển, dựa theo Có dây .



Kết quả là, ông nhận thấy rằng không gian và thời gian được đan xen vào một liên tục duy nhất được gọi là không-thời gian. Và các sự kiện xảy ra cùng lúc đối với một người quan sát có thể xảy ra vào những thời điểm khác nhau cho cái khác.

Khi tìm ra các phương trình cho thuyết tương đối rộng của mình, Einstein nhận ra rằng các vật thể khối lượng lớn gây ra sự biến dạng trong không-thời gian. Hãy tưởng tượng đặt một vật thể lớn vào giữa tấm bạt lò xo. Vật thể sẽ đè xuống vải, làm cho nó bị lõm xuống. Sau đó, nếu bạn cố gắng lăn một viên bi quanh mép tấm bạt lò xo, viên bi sẽ xoắn vào trong về phía cơ thể, giống như cách mà lực hấp dẫn của một hành tinh kéo vào các tảng đá trong không gian.

Bằng chứng thực nghiệm cho thuyết tương đối rộng

Trong nhiều thập kỷ kể từ khi Einstein công bố lý thuyết của mình, các nhà khoa học đã quan sát thấy vô số hiện tượng phù hợp với các dự đoán của thuyết tương đối.

Thấu kính hấp dẫn

Ánh sáng uốn cong xung quanh một vật thể có khối lượng lớn, chẳng hạn như lỗ đen, khiến nó hoạt động như một thấu kính đối với những thứ nằm phía sau nó. Các nhà thiên văn học thường xuyên sử dụng phương pháp này để nghiên cứu các ngôi sao và thiên hà đằng sau các vật thể lớn.

Chữ thập Einstein, chuẩn tinh trong Chòm sao Pegasus , theo Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), và là một ví dụ tuyệt vời về thấu kính hấp dẫn. Chuẩn tinh được nhìn thấy như cách đây khoảng 11 tỷ năm; thiên hà mà nó nằm phía sau gần Trái đất hơn khoảng 10 lần. Bởi vì hai vật thể sắp xếp quá chính xác, bốn hình ảnh của chuẩn tinh xuất hiện xung quanh thiên hà bởi vì lực hấp dẫn mạnh mẽ của thiên hà đã bẻ cong ánh sáng đến từ chuẩn tinh.

Chữ thập Einstein là một ví dụ về thấu kính hấp dẫn.

Chữ thập Einstein là một ví dụ về thấu kính hấp dẫn.(Tín dụng hình ảnh: NASA và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA))

Trong những trường hợp như chữ thập của Einstein, các hình ảnh khác nhau của vật thể được thấu kính hấp dẫn xuất hiện đồng thời, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Các nhà khoa học cũng đã tìm cách quan sát các ví dụ về thấu kính, trong đó, vì ánh sáng truyền xung quanh thấu kính đi theo các đường khác nhau có độ dài khác nhau, các hình ảnh khác nhau đến vào những thời điểm khác nhau, như trong trường hợp này của một siêu tân tinh đặc biệt thú vị.

Những thay đổi trong quỹ đạo của sao Thủy

Quỹ đạo của sao Thủy đang dịch chuyển rất dần theo thời gian do độ cong của không-thời gian xung quanh mặt trời lớn, theo NASA . Trong vài tỷ năm nữa, sự dao động này thậm chí có thể khiến hành tinh trong cùng va chạm với mặt trời hoặc một hành tinh.

Kéo khung hình của không-thời gian xung quanh các vật thể quay

Quay của một vật thể nặng, chẳng hạn như Trái đất, sẽ xoắn và làm sai lệch không-thời gian xung quanh nó. Năm 2004, NASA phóng tàu thăm dò trọng lực B (GP-B). Các trục của con quay hồi chuyển được hiệu chỉnh chính xác của vệ tinh đã trôi đi rất nhẹ theo thời gian, theo NASA , một kết quả phù hợp với lý thuyết của Einstein.

'Hãy tưởng tượng Trái đất như thể nó được ngâm trong mật ong,' Gravity Probe-B điều tra viên chính Francis Everitt, thuộc Đại học Stanford, cho biết trong một Tuyên bố của NASA về nhiệm vụ.

'Khi hành tinh quay, mật ong xung quanh nó sẽ xoáy, và không gian và thời gian cũng vậy. GP-B đã xác nhận hai dự đoán sâu sắc nhất về vũ trụ của Einstein, có ý nghĩa sâu rộng trong nghiên cứu vật lý thiên văn. '

Dịch chuyển đỏ hấp dẫn

Bức xạ điện từ của một vật bị dãn ra một chút bên trong một trường hấp dẫn . Hãy nghĩ đến sóng âm thanh phát ra từ còi báo động trên xe cấp cứu; khi phương tiện di chuyển về phía một người quan sát, sóng âm thanh bị nén lại, nhưng khi nó di chuyển ra xa, chúng sẽ bị giãn ra hoặc bị dịch chuyển đỏ. Được gọi là Hiệu ứng Doppler, hiện tượng tương tự xảy ra với các sóng ánh sáng ở mọi tần số.

Vào thập niên 1960, theo Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ Các nhà vật lý Robert Pound và Glen Rebka bắn tia gamma xuống đầu tiên, sau đó lên mặt bên của một tòa tháp tại Đại học Harvard. Pound và Rebka nhận thấy rằng các tia gamma thay đổi một chút tần số do sự biến dạng do lực hấp dẫn gây ra.

Sóng hấp dẫn

Einstein dự đoán rằng các sự kiện bạo lực, chẳng hạn như vụ va chạm của hai lỗ đen, tạo ra các gợn sóng trong không-thời gian được gọi là sóng hấp dẫn. Và vào năm 2016, Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser ( LIGO ) thông báo rằng nó đã phát hiện một tín hiệu như vậy lần đầu tiên.

Phát hiện đó đến vào ngày 14 tháng 9 năm 2015. LIGO, được tạo thành từ hai cơ sở ở Louisiana và Washington, gần đây đã được nâng cấp và đang trong quá trình hiệu chỉnh trước khi chúng đi vào hoạt động trực tuyến. Phát hiện đầu tiên lớn đến nỗi, theo phát ngôn viên của LIGO lúc đó là Gabriela Gonzalez, nhóm đã mất vài tháng phân tích để tự thuyết phục rằng đó là tín hiệu thực chứ không phải trục trặc.

[Xem của chúng tôi câu chuyện khám phá đầy đủ ở đây và của chúng tôi bao quát đầy đủ về khám phá khoa học lịch sử ở đây ]

Cô nói trong cuộc họp 228 của Hiệp hội Thiên văn Hoa Kỳ vào tháng 6 năm 2016: “Chúng tôi đã rất may mắn trong lần phát hiện đầu tiên vì nó quá rõ ràng.

Kể từ đó, các nhà khoa học bắt đầu nhanh chóng bắt được sóng hấp dẫn. Tất cả đã nói, LIGO và đối tác Châu Âu của nó là Virgo đã phát hiện ra tổng số 50 sự kiện sóng hấp dẫn , theo các quan chức của chương trình.

Những vụ va chạm đó bao gồm các sự kiện bất thường như va chạm với một vật thể mà các nhà khoa học không thể xác định chắc chắn là lỗ đen hay sao neutron, hợp nhất các sao neutron kèm theo một vụ nổ sáng, va chạm vào các lỗ đen không khớp và hơn thế nữa.

Dưới đây là 12 điều cần biết về thuyết tương đối.

Dưới đây là 12 điều cần biết về thuyết tương đối.(Tín dụng hình ảnh: Karl Tate / SPACE.COM)

Bài báo này được cập nhật vào ngày 4 tháng 6 năm 2021 bởi nhà văn cấp cao Meghan Bartels của Space.com.