Замест пустой, пустой, 3D-сеткі, апусканне масы выклікае тое, што было б

Спытайце ў Ітана: Як мы можам вымераць крывізну прасторы?

Прайшло больш за 100 гадоў з часу Эйнштэйна і больш за 300 пасля Ньютана. У нас яшчэ доўгі шлях.

Ад вымярэння таго, як прадметы падаюць на Зямлю, да назірання за рухам Месяца і планет, той самы закон гравітацыі кіруе ўсёй Сусвету. Ад Галілея да Ньютана да Эйнштэйна, у нашым разуменні самай універсальнай сілы ўсё яшчэ ёсць некаторыя галоўныя дзіркі. Гэта адзіная сіла без квантавага апісання. Фундаментальная канстанта, якая кіруе гравітацыяй, G, настолькі слаба вядома, што многія лічаць гэта непрыемным. І само скрыўленне тканіны касмічнага часу засталося невымерным на працягу стагоддзя пасля таго, як Эйнштэйн выклаў тэорыю агульнай адноснасці. Але многае з гэтага можа патэнцыйна змяніцца, як зразумеў наш прыхільнік Патрэона Нік Дэлрой, пытаючы:

Патлумачце, калі ласка, наколькі гэта дзіўна і што вы спадзяецеся на вымярэнне гравітацыі? Інструмент, відавочна, лакалізаваны, але мая ўяўленне не можа спыніць распрацоўку прыкладанняў для гэтага.

Вядома, што ён усхваляваны, безумоўна, гэта новая эксперыментальная тэхніка, якая ўпершыню вымярала скрыўленне прасторы і часу з-за гравітацыі.

Ідэнтычнае паводзіны шара, які падае на падлогу ў разгоне ракеты (злева) і на Зямлю (справа), з'яўляецца дэманстрацыяй прынцыпу эквівалентнасці Эйнштэйна. Хоць вы не можаце сказаць, ці паскарэнне звязана з гравітацыяй ці іншым паскарэннем з дапамогай аднаго вымярэння, вымярэнне розных паскарэнняў у розных кропках можа паказаць, ці ёсць гравітацыйны градыент па кірунку паскарэння. (WIKIMEDIA COMMONS USER MARKUS POESSEL, АТРЭБРАНЫ ПБРОКС13)

Падумайце, як вы маглі б распрацаваць эксперымент для вымярэння сілы гравітацыі ў любым месцы ў космасе. Ваш першы інстынкт можа быць чымсьці простым і зразумелым: бярыце аб'ект у стане спакою, адпускайце яго ў вольным падзенні і назірайце, як ён паскараецца.

Вымераючы змену становішча з цягам часу, вы зможаце аднавіць, якім павінна быць паскарэнне ў гэтым месцы. Калі вы ведаеце правілы, якія кіруюць сілай гравітацыі - гэта значыць, вы маеце правільны закон фізікі, як, напрыклад, тэорыі Ньютана ці Эйнштэйна - вы можаце выкарыстоўваць гэтую інфармацыю для вызначэння яшчэ большай інфармацыі. У кожнай кропцы вы можаце зрабіць выснову сілы цяжару або колькасць крывізны прасторы. Акрамя таго, калі вы ведаеце дадатковую інфармацыю (напрыклад, адпаведны размеркаванне матэрыі), вы нават можаце зрабіць выснову G, гравітацыйнай канстанты Сусвету.

Закон аб усеагульным гравітацыі Ньютана абапіраўся на канцэпцыю імгненнага дзеяння (сілы) на адлегласці і неверагодна просты. Гравітацыйная канстанта ў гэтым раўнанні, нараўне са значэннямі двух мас і адлегласцю паміж імі, з'яўляюцца адзінымі фактарамі пры вызначэнні сілы гравітацыі. Нягледзячы на ​​тое, што тэорыя Ньютана з тых часоў выцесніла ААН Эйнштэйна, G таксама з'яўляецца ў тэорыі Эйнштэйна. (WIKIMEDIA COMMONS DENNIS NILSSON)

Гэты просты падыход стаў першым, каб даследаваць прыроду гравітацыі. Абапіраючыся на працу іншых, Галілей вызначыў гравітацыйнае паскарэнне на паверхні Зямлі. Дзесяцігоддзі, перш чым Ньютан выклаў свой закон усеагульнага гравітацыі, італьянскія навукоўцы Франчэска Грымальдзі і Джавані Рычыёлі зрабілі першыя разлікі гравітацыйнай канстанты, Г.

Але такія эксперыменты, як каштоўныя, як і яны, абмежаваныя. Яны могуць даць вам інфармацыю пра гравітацыю ўздоўж аднаго вымярэння: да цэнтра Зямлі. Паскарэнне заснавана альбо на суме ўсіх чыстых сіл (Ньютана), якія дзейнічаюць на аб'ект, альбо на чыстай крывізне прасторы часу (Эйнштэйна) у адным канкрэтным месцы Сусвету. Паколькі вы назіраеце аб'ект у вольным падзенні, вы атрымаеце толькі спрошчаную карціну.

Паводле легенды, першы эксперымент, які паказаў, што ўсе прадметы падалі з аднолькавай хуткасцю, незалежна ад масы, быў выкананы Галілеем Галілеем на верхняй Пізанскай вежы. Любыя два аб'екты, скінутыя ў гравітацыйным полі, пры адсутнасці (альбо грэбаванні) супраціву паветра будуць паскарацца да зямлі з аднолькавай хуткасцю. Пазней гэта было кадыфікавана ў рамках расследаванняў гэтага пытання Ньютана. (GETTY IMAGES)

На шчасце, ёсць спосаб атрымаць і шматмерную карціну: правядзіце эксперымент, адчувальны да змяненняў гравітацыйнага поля / патэнцыялу, калі аб'ект змяняе сваё становішча. Упершыню гэта было зроблена эксперыментальна ў 1950-х гадах у эксперыменце "Фунт-Рэбка".

Эксперымент зрабіў тое, што ядзерная эмісія выклікала нізкую вышыню, і звярніце ўвагу, што адпаведнае паглынанне ядзернай энергіі не адбылося на большай вышыні, як мяркуецца, з-за гравітацыйнага пераключэння, як прагназаваў Эйнштэйн. Але калі б вы далі выпраменьвальніку з нізкай вышынёй станоўчы прырост сваёй хуткасці, далучыўшы яго да конусу дынаміка, гэтая дадатковая энергія ўраўнаважыла б страту энергіі, якая рухаецца ўверх, у здабытым гравітацыйным полі. У выніку прыбываючы фатон мае патрэбную энергію і адбываецца паглынанне. Гэта быў адзін з класічных выпрабаванняў агульнай адноснасці, які пацвярджаў Эйнштэйна, калі прадказанні яго тэорыі адышлі ад Ньютана.

Фізік Глен Рэбка з ніжняга канца вежы Джэферсан, Гарвардскі універсітэт, тэлефанаваў прафесару Фунту па тэлефоне падчас наладкі знакамітага эксперыменту

Мы можам зрабіць нават лепш, чым эксперымент Фунт-Рэбка сёння, выкарыстоўваючы тэхналогію атамных гадзін. Гэтыя гадзіны - найлепшыя часовыя аператары Сусвету, якія дзесяцігоддзі таму пераўзышлі лепшыя натуральныя гадзіны - пульсары. Зараз здольны кантраляваць розніцу ў часе да 18 значных асаблівасцей паміж гадзінамі, лаўрэат Нобелеўскай прэміі Дэвід Уайнланд узначаліў каманду, якая прадэманстравала, што ўзняцце атамных гадзіннікаў на нагу (каля 33 см у эксперыменце) вышэй за іншае выклікала вымерны зрух частаты гадзіннік зарэгістраваны як другі.

Калі б мы вынеслі гэтыя дзве гадзіны ў любое месца на Зямлі і адрэгулявалі вышыню так, як палічылі патрэбным, мы маглі б зразумець, як змяняецца гравітацыйнае поле як функцыя ўзвышэння. Мы можам вымераць не толькі гравітацыйнае паскарэнне, але і змены паскарэння, калі мы аддаляемся ад паверхні Зямлі.

Розніца ў вышыні двух атамных гадзін у памеры ~ 1 фут (33 см) можа прывесці да вымяральнай розніцы ў хуткасці, з якой гэтыя гадзіны працуюць. Гэта дазваляе вымераць не толькі сілу гравітацыйнага поля, але і градыент поля як функцыю вышыні / вышыні. (DAVID WINELAND IN PERIMETER INSTITUTE, 2015)

Але нават гэтыя дасягненні не могуць вызначыць сапраўдную крывізну прасторы. Наступны крок не быў бы дасягнуты да 2015 года: роўна праз 100 гадоў пасля таго, як Эйнштэйн упершыню выклаў сваю тэорыю агульнай адноснасці. Акрамя таго, паўстала яшчэ адна праблема, якая з'явілася ў прамежкавым рэжыме, і гэта тое, што розныя метады вымярэння гравітацыйнай сталасці, як уяўляецца, даюць розныя адказы.

Для вызначэння G былі выкарыстаны тры розныя эксперыментальныя методыкі: торсійныя рэшткі, кручэнне маятнікаў і эксперыменты атамнай інтэрфераметрыі. За апошнія 15 гадоў вымераныя велічыні гравітацыйнай канстанты вар'іраваліся ад 66757 × 10–11 Н / кг2⋅м2 да 66719 × 10–11 Н / кг2⋅м2. Гэтая розніца ў 0,05% для фундаментальнай канстанты робіць яе адной з самых дрэнна вызначаных канстант ва ўсёй прыродзе.

У 1997 годзе каманда Бэглі і Лютэра правяла эксперымент з кручэннем балансу, у выніку якога атрымалася 6674 х 10 ^ -11 Н / кг² / м², што было ўспрынята дастаткова сур'ёзна, каб выклікаць сумневы ў паведамленай раней значнасці вызначэння Г. Звярніце ўвагу на адносна вялікія ваганні вымяраных значэнняў, нават з 2000 года (DBACHMANN / WIKIMEDIA COMMONS)

Але вось у ім прыходзіць новае даследаванне, упершыню апублікаванае ў 2015 годзе, але ўдасканаленае шмат разоў за апошнія чатыры гады. Каманда фізікаў, якія працуюць у Еўропе, змагла аб'яднаць тры атамных інтэрферометры адначасова. Замест таго, каб выкарыстоўваць толькі два месцы на рознай вышыні, яны змаглі атрымаць узаемныя адрозненні паміж трыма рознымі вышынямі ў адным месцы на паверхні, што дазваляе вам не проста атрымаць адзіную розніцу, ані нават градыент гравітацыйнага поля, але змяненне градыента як функцыі адлегласці.

Калі вы вывучыце, як змяняецца гравітацыйнае поле ў залежнасці ад адлегласці, вы зможаце зразумець форму змены крывізны прасторы і часу. Калі вы вымяраеце гравітацыйнае паскарэнне ў адным месцы, вы адчуваеце сябе ва ўсім, што вакол вас, у тым ліку, што знаходзіцца пад зямлёй і як ён рухаецца. Вымярэнне градыенту поля больш інфарматыўнае, чым проста адно значэнне; вымярэнне таго, як гэтыя змены градыента дае яшчэ больш інфармацыі.

Схема эксперыменту, якая вымярае тры атамныя групоўкі, запушчаныя ў хуткай паслядоўнасці, а потым узбуджаюцца лазерамі, каб вымераць не толькі гравітацыйнае паскарэнне, але і паказаць эфекты змен крывізны, якія ніколі раней не вымяраліся. (G. ROSI ET AL., PHYS. REV. LETT. 114, 013001, 2015)

Вось што робіць гэтую новую тэхніку такой магутнай. Мы не проста збіраемся ў адно месца і высвятляем, што такое гравітацыйная сіла. Мы таксама не збіраемся знаходзіць месца і высвятляем, што гэта за сіла і як гэтая сіла змяняецца з узвышэннем. Замест гэтага мы вызначаем гравітацыйную сілу, як яна мяняецца з узвышэннем і як змена сілы змяняецца з узвышэннем.

"Вядома," можна сказаць, "мы ўжо ведаем законы фізікі. Мы ведаем, што прагназуюць гэтыя законы. Чаму мне ўсё роўна, што мы вымяраем тое, што пацвярджае крыху больш высокую дакладнасць, тое, што мы ведаем, павінна быць дакладна? "

Ну, ёсць некалькі прычын. Першая заключаецца ў тым, што адначасовае правядзенне некалькіх вымярэнняў градыенту поля дазваляе вымераць G паміж некалькімі месцамі, што выключае крыніцу памылкі: памылка, выкліканая пры перамяшчэнні апарата. Здзейсніўшы тры вымярэння, а не два адначасова, вы атрымаеце тры адрозненні (паміж 1 і 2, 2 і 3 і 1 і 3), а не толькі 1 (паміж 1 і 2).

Верхняя частка каралеўскай гадзіннікавай вежы Мекі праходзіць на некалькі чатырохмільённых секунд хутчэй, чым тыя ж гадзіны ў падставе, з-за адрозненняў у гравітацыйным полі. Вымярэнне змяненняў у градыенце гравітацыйнага поля дае яшчэ больш інфармацыі, што дазваляе нам нарэшце непасрэдна вымераць крывізну прасторы. (AL JAZEERA ENGLISH C / O: FADI EL BENNI)

Але яшчэ адна прычына, якая, магчыма, яшчэ больш важная, гэта лепш зразумець гравітацыйны выцяг аб'ектаў, якія мы вымяраем. Ідэя, што мы ведаем правілы, якія кіруюць гравітацыяй, дакладная, але мы ведаем толькі, якой павінна быць гравітацыйная сіла, калі мы ведаем велічыню і размеркаванне ўсіх мас, якія маюць дачыненне да нашага вымярэння. Напрыклад, Зямля не мае аднастайнай структуры. Існуюць ваганні сілы гравітацыі, якія мы адчуваем усюды, куды мы ідзем, у залежнасці ад такіх фактараў, як:

  • шчыльнасць скарынкі пад нагамі,
  • месцазнаходжанне мяжы кары-мантыі,
  • ступень ізастатычнай кампенсацыі, якая адбываецца на гэтай мяжы,
  • наяўнасць або адсутнасць вадаёмаў і іншых радовішчаў, якія змяняюць шчыльнасць пад зямлёй,

і гэтак далей. Калі мы можам рэалізаваць гэтую методыку трохатамнай інтэрфераметрыі, дзе б мы ні хацелі на Зямлі, мы зможам лепш зразумець інтэр'ер нашай планеты, проста зрабіўшы вымярэнні на паверхні.

Розныя геалагічныя зоны ў мантыі Зямлі ствараюць і перамяшчаюць магматычныя камеры, што прыводзіць да розных геалагічных з'яў. Магчыма, што знешняе ўмяшанне можа справакаваць катастрафічную падзею. Удасканаленне геадэзіі можа палепшыць наша разуменне таго, што адбываецца, што адбываецца і што змяняецца пад паверхняй Зямлі. (KDS4444 / WIKIMEDIA COMMONS)

У будучыні, магчыма, можна пашырыць гэтую методыку для вымярэння крывізны касмічнага часу не толькі на Зямлі, але і ў любых светах, на якія мы можам пасадзіць прызямляльнік. Сюды ўваходзяць іншыя планеты, луны, астэроіды і шмат іншага. Калі мы хочам заняцца здабычай астэроідаў, гэта можа стаць канчатковым пошукавым інструментам. Мы маглі б значна палепшыць нашы эксперыменты па геадэзіі і палепшыць нашу здольнасць кантраляваць планету. Мы маглі б лепш прасачыць унутраныя змены магматычных камер, як толькі адзін прыклад. Калі б мы ўжылі гэтую тэхналогію ў маючых адбыцца касмічных апаратах, гэта можа нават дапамагчы выправіць ньютанаўскі шум у гравітацыйных хвалевых абсерваторыях наступнага пакалення, такіх як LISA і далей.

Кубікі з залаціста-плацінавага сплава, якія маюць галоўнае значэнне для будучай місіі LISA, ужо пабудаваны і пратэставаны ў рамках місіі LISA Pathfinder. На гэтым малюнку паказана зборка адной з інерцыяльных датчыкаў для тэхналагічнага пакета LISA (LTP). Удасканаленне методыкі ўліку шуму ньютонаў у эксперыменце можа значна палепшыць адчувальнасць LISA. (CGS SPA)

Сусвет складаецца не проста з кропкавых мас, а з складаных, заблытаных аб'ектаў. Калі мы калі-небудзь спадзяемся на тое, каб дражніць самыя адчувальныя сігналы з усіх і даведацца пра дэталі, якія пазбягаюць нас сёння, мы павінны стаць больш дакладнымі, чым калі-небудзь. Дзякуючы трохатамнай інтэрфераметрыі мы ўпершыню можам наўпрост вымераць крывізну прасторы.

Разуменне зямных нетраў лепш, чым калі-небудзь, гэта першае, што мы збіраемся атрымаць, але гэта толькі пачатак. Навуковае адкрыццё не канец гульні; гэта адпраўная кропка для новых прыкладанняў і новых тэхналогій. Вярніся праз некалькі гадоў; вы можаце быць здзіўлены тым, што становіцца магчымым, грунтуючыся на тым, што мы сёння вучымся ўпершыню.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".