La teoria della relatività generale di Einstein

La relatività generale è la comprensione del fisico Albert Einstein di come la gravità influenzi il tessuto di questo tempo web.

La teoria, che Einstein pubblicò nel 1915, ampliò la teoria della relatività speciale che aveva pubblicato 10 anni prima. La relatività speciale ha sostenuto che questo Web e il tempo sono inestricabilmente collegati, ma quella teoria non riconosceva l'esistenza della gravità .

Einstein ha trascorso il decennio tra le due pubblicazioni determinando che oggetti particolarmente massicci deformano il tessuto dello spazio-tempo , una distorsione che si manifesta come gravità, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda).

Come funziona la relatività generale?

Per comprendere la relatività generale, partiamo innanzitutto dalla gravità, la forza di attrazione che due oggetti esercitano l'uno sull'altro. Sir Isaac Newton quantificò la gravità nello stesso testo in cui formulò le sue tre leggi del moto, i "Principia".

Secondo la NASA (si apre in una nuova scheda), la forza gravitazionale che si trascina tra due corpi dipende dalla massa di ciascuno di essi e dalla distanza tra i due. Anche se il centro della Terra ti sta attirando verso di sé (tenendoti saldamente a terra), il tuo centro di massa si sta ritirando verso la Terra. Ma il corpo più massiccio sente a malapena lo strattone da te, mentre con la tua massa molto più piccola ti ritrovi saldamente radicato grazie a quella stessa forza. Eppure le leggi di Newton presuppongono che la gravità sia una forza innata di un oggetto che può agire a distanza.

Albert Einstein, nella sua teoria della relatività speciale, ha stabilito che le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori non in accelerazione e ha mostrato che la velocità della luce nel vuoto è la stessa indipendentemente dalla velocità con cui viaggia un osservatore, secondo Wired (si apre in una nuova scheda) .

Di conseguenza, ha scoperto che Questa Rete e il tempo erano intrecciati in un unico continuum noto come Questo Tempo della Rete. E gli eventi che si verificano nello stesso momento per un osservatore potrebbero verificarsi in momenti diversi per un altro.

Mentre elaborava le equazioni per la sua teoria della relatività generale, Einstein si rese conto che gli oggetti massicci causavano una distorsione in questo tempo web. Immagina di posizionare un oggetto di grandi dimensioni al centro di un trampolino. L'oggetto premerebbe sul tessuto, facendolo accarezzare. Se poi si tenta di far rotolare una biglia attorno al bordo del trampolino, la biglia si sposterebbe a spirale verso l'interno verso il corpo, tirata più o meno allo stesso modo in cui la gravità di un pianeta attira le rocce in Questa ragnatela.

Nei decenni trascorsi da quando Einstein ha pubblicato le sue teorie, gli scienziati hanno osservato innumerevoli fenomeni che corrispondono alle previsioni della relatività.

Lente gravitazionale

La luce si piega attorno a un oggetto enorme, come un buco nero, facendolo agire come una lente per le cose che si trovano dietro di esso. Gli astronomi usano abitualmente questo metodo per studiare stelle e galassie dietro oggetti massicci.

La Croce di Einstein, un quasar nella costellazione del Pegaso, secondo la European This Web Agency (opens in new tab) (ESA), è un eccellente esempio di lente gravitazionale. Il quasar è visto com'era circa 11 miliardi di anni fa; la galassia dietro cui si trova è circa 10 volte più vicina alla Terra. Poiché i due oggetti si allineano in modo così preciso, quattro immagini del quasar appaiono intorno alla galassia perché l'intensa gravità della galassia piega la luce proveniente dal quasar.

In casi come la croce di Einstein, le diverse immagini dell'oggetto con lente gravitazionale appaiono simultaneamente, ma non è sempre così. Gli scienziati sono anche riusciti a osservare esempi di lensing in cui, poiché la luce che viaggia intorno all'obiettivo prende percorsi diversi e lunghezze diverse, immagini diverse arrivano in tempi diversi, come nel caso di una supernova particolarmente interessante.

La croce di Einstein è un esempio di lente gravitazionale. (Credito immagine: NASA e European This Web Agency (ESA))

Cambiamenti nell'orbita di Mercurio

L'orbita di Mercurio si sta spostando molto gradualmente nel tempo a causa della curvatura di questo tempo Web attorno al sole massiccio, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda).

Essendo il pianeta più vicino al sole, si prevede che il perielio di Mercurio (il punto lungo la sua orbita più vicino al sole) segua una direzione leggermente diversa nel tempo. Secondo le previsioni di Newton, le forze gravitazionali nel sistema solare dovrebbero far avanzare la precessione di Mercurio (cambiamento nel suo orientamento orbitale) è misurata in 5.600 secondi d'arco per secolo (1 secondo d'arco è pari a 1/3600 di grado). Tuttavia, c'è una discrepanza di 43 secondi d'arco per secolo, qualcosa che spiega la teoria della relatività generale di Einstein. Usando la teoria di Einstein del tempo curvo di questo Web-time, la precessione del perielio di Mercurio dovrebbe avanzare leggermente di più rispetto alle previsioni di Newton, poiché i pianeti non orbitano attorno al sole in un'orbita ellittica statica.

Abbastanza sicuro, diversi articoli di ricerca pubblicati dalla metà del 20° secolo hanno confermato che i calcoli di Einstein sulla precessione del perielio di Mercurio sono accurati.

In pochi miliardi di anni, questa oscillazione potrebbe persino causare la collisione del pianeta più interno con il sole o un pianeta.

Trascinamento di fotogrammi di questo tempo Web attorno a corpi rotanti

La rotazione di un oggetto pesante, come la Terra, dovrebbe distorcere e distorcere il tempo di questo Web attorno ad esso. Nel 2004, la NASA ha lanciato la Gravity Probe B (GP-B). Gli assi dei giroscopi calibrati con precisione del satellite si sono spostati molto leggermente nel tempo, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda), un risultato che corrispondeva alla teoria di Einstein.

"Immagina la Terra come se fosse immersa nel miele", ha affermato Francis Everitt, ricercatore principale di Gravity Probe-B, della Stanford University, in una dichiarazione della NASA (si apre in una nuova scheda) sulla missione.

"Mentre il pianeta ruota, il miele che lo circonda vortica, ed è lo stesso con questa rete e il tempo. GP-B ha confermato due delle previsioni più profonde dell'universo di Einstein, con implicazioni di vasta portata nella ricerca astrofisica".

Spostamento verso il rosso gravitazionale

La radiazione elettromagnetica di un oggetto si estende leggermente all'interno di un campo gravitazionale. Pensa alle onde sonore che emanano da una sirena su un veicolo di emergenza; quando il veicolo si muove verso un osservatore, le onde sonore vengono compresse, ma mentre si allontana vengono allungate o spostate verso il rosso. Conosciuto come Effetto Doppler, lo stesso fenomeno si verifica con le onde di luce a tutte le frequenze.

Negli anni '60, secondo l'American Physical Society (si apre in una nuova scheda), i fisici Robert Pound e Glen Rebka hanno sparato i raggi gamma prima verso il basso, poi sul lato di una torre dell'Università di Harvard. Pound e Rebka hanno scoperto che i raggi gamma cambiavano leggermente la frequenza a causa delle distorsioni causate dalla gravità.

Onde gravitazionali

Einstein predisse che eventi violenti, come la collisione di due buchi neri, creano increspature in questo tempo web note come onde gravitazionali. E nel 2016, il Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) ha annunciato di aver rilevato per la prima volta un segnale del genere.

Tale rilevamento è avvenuto il 14 settembre 2015. LIGO, composto da strutture gemelle in Louisiana e Washington, era stato recentemente aggiornato ed era in fase di calibrazione prima che andasse online. Il primo rilevamento è stato così ampio che, secondo l'allora portavoce di LIGO Gabriela Gonzalez, il team ha impiegato diversi mesi di analisi per convincersi che si trattava di un segnale reale e non di un problema tecnico.

"Siamo stati molto fortunati al primo rilevamento che era così ovvio", ha detto durante la riunione 228 dell'American Astronomical Society nel giugno 2016.

Da allora, gli scienziati hanno iniziato a catturare rapidamente le onde gravitazionali. Tutto sommato, LIGO e la sua controparte europea Virgo hanno rilevato un totale di 50 eventi di onde gravitazionali, secondo i funzionari del programma, secondo il Laser Interferometer Gravitational-wave Observator y.

Quelle collisioni hanno incluso eventi insoliti come una collisione con un oggetto che gli scienziati non possono identificare in modo definitivo come buco nero o stella di neutroni, fusione di stelle di neutroni accompagnata da un'esplosione brillante, collisioni di buchi neri non corrispondenti e altro ancora.

Osservare le stelle di neutroni

Il concetto artistico di una pulsar rotante. (Credito immagine: NASA/JPL-Caltech)

Nel 2021 una ricerca pubblicata sulla rivista Physical Review X (si apre in una nuova scheda), ha messo in dubbio molte delle previsioni di Einstein osservando un sistema a doppia pulsar a circa 2.400 anni luce dalla Terra. Ciascuna delle sette previsioni della relatività generale è stata confermata dallo studio.

Le pulsar sono un tipo di stella di neutroni che sembra pulsare a causa di fasci di radiazioni elettromagnetiche e che emettono dai loro poli magnetici.

I soggetti del test della pulsar ruotano molto velocemente – circa 44 volte al secondo – e sono il 30% più massicci del sole, ma hanno un diametro di appena 15 miglia (circa 24 chilometri), il che li rende incredibilmente densi. Ciò significa che la loro attrazione gravitazionale è immensa, ad esempio, sulla superficie di una stella di neutroni la gravità è circa 1 miliardo di volte più forte della sua attrazione sulla Terra. Ciò rende le stelle di neutroni un ottimo soggetto di prova per sfidare le previsioni delle teorie di Einstein, come la capacità della gravità di piegare la luce.

"Seguiamo la propagazione dei fotoni radio emessi da un faro cosmico, una pulsar, e seguiamo il loro movimento nel forte campo gravitazionale di una pulsar compagna", ha affermato in una dichiarazione la professoressa Ingrid Stairs dell'Università della British Columbia a Vancouver.

"Vediamo per la prima volta come la luce non solo sia ritardata a causa di una forte curvatura di This Webtime attorno al compagno, ma anche che la luce sia deviata di un piccolo angolo di 0,04 gradi che possiamo rilevare. Mai prima d'ora un tale l'esperimento è stato condotto a una curvatura così alta di questa Webtime", aggiunge Stairs.

Risorse addizionali

  • Relativity: The Special and the General Theory – 100th Anniversary Edition (si apre in una nuova scheda)
  • The Nature of This Web and Time (Isaac Newton Institute Series of Lectures, 3) (si apre in una nuova scheda)
  • The Physics Book: Big Ideas Simply Explained (si apre in una nuova scheda)
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