Rozdział 7: Eksperymentalne testy ogólnej teorii względności

W poprzednich rozdziałach widzieliśmy, jak ogólna teoria względności Einsteina radykalnie zmieniła nasze rozumienie grawitacji, przestrzeni i czasu. Teoria ta formułuje wiele uderzających przewidywań, które odbiegają od grawitacji newtonowskiej, takich jak wykrzywienie światła gwiazd przez Słońce, precesja orbity Merkurego i grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni światła. W tym rozdziale dokładnie zbadać te przewidywania i przeanalizować dowody obserwacyjne, które zgromadziły się w ciągu ostatniego stulecia, aby przetestować ogólną teorię względności. Rozpoczniemy od trzech "klasycznych testów", które sam Einstein zaproponował, a następnie przejdziemy do bardziej nowoczesnych testów dotyczących zjawisk takich jak lentoskopowe zakrzywienie światła, fale grawitacyjne i czarne dziury. Jak zobaczymy, ogólna teoria względności zdaje się zdać każdy test z przytupem, umocniając swoją pozycję jako naszą najlepszą teorię grawitacji do tej pory.

Trzy klasyczne testy

Krótko po opublikowaniu swojej ogólnej teorii względności w 1915 roku, Einstein zaproponował trzy testy obserwacyjne, które potencjalnie mogły potwierdzić lub obalić teorię. Testy te, które stały się znane jako "klasyczne testy" ogólnej teorii względności, to:

  1. Precesja peryhelium Merkurego
  2. Odchylenie światła gwiazd przez Słońce
  3. Grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni światła

Zbadajmy każdy z tych testów po kolei.

Precesja peryhelium Merkurego

Planeta Merkury ma wysoce eliptyczną orbitę wokół Słońca, a jej najbliższe zbliżenie (peryhelium) precesuje o niewielką ilość w każdej orbicie. Według grawitacji Newtona, ta precesja powinna być całkowicie uwzględniona przez grawitacyjne przyciąganie innych planet. Jednak precyzyjne obserwacje pod koniec XIX wieku ujawniły niewielkie niezgodności: peryhelium Merkurego posuwało się o około 43 sekundy łuku na stulecie bardziej niż przewidywała teoria Newtona.

To anomalia zaskakiwała astronomów przez dziesięciolecia, i niektórzy nawet sugerowali istnienie niewidocznej planety ("Wulkan") blisko Słońca, aby to wyjaśnić. Ale w 1915 roku Einstein pokazał, że jego ogólna teoria względności naturalnie wyjaśnia nadmiarową precesję Merkurego. Według OTW, wykrzywienie czasoprzestrzeni wokół Słońca powoduje, że orbita Merkurego precesuje o dodatkowe 43 sekundy łuku na stulecie, w pełnym zgodności z obserwacjami.

Było to wielkie zwycięstwo dla teorii Einsteina. Wyjaśniła długotrwałą tajemnicę i zapewniła przekonujące dowody na istnienie krzywizny czasoprzestrzeni. Dziś precesja peryhelium Merkurego jest uważana za jeden z kluczowych filarów obserwacyjnych ogólnej teorii względności.

Odchylenie światła gwiazd przez Słońce

Kolejną przewidywaniem ogólnej teorii względności jest, że światło powinno być odchylone przez pola grawitacyjne. Według teorii, światło gwiazd przechodzące blisko Słońca powinno ulegać zgięciu o niewielki kąt, przy czym odchylenie powinno być dwukrotnie większe niż przewidywałaby grawitacja Newtona.

Einstein zdawał sobie sprawę, że ten efekt można sprawdzić podczas całkowitego zaćmienia Słońca, gdy gwiazdy blisko Słońca stają się widoczne na przyćmionym dziennym niebie. Porównując pozycje pozornych gwiazd podczas zaćmienia do ich normalnych pozycji nocą, astronomowie mogli zmierzyć odchylenie i sprawdzić, czy zgadza się z przewidywaniami OTW.

Pierwsza próba pomiaru tego efektu została wykonana podczas całkowitego zaćmienia Słońca w 1919 roku, przez dwie ekspedycje pod przewodnictwem brytyjskiego astronoma Arthura Eddingtona. Jedna grupa udała się na wyspę Príncipe u wybrzeży Afryki, podczas gdy druga pojechała do Sobral w Brazylii. Pomimo wyzwań związanych z pogodą i sprzętem, obie grupy zdołały sfotografować zaćmienie i zmierzyć pozycje gwiazd.

Po przeanalizowaniu wyników okazało się, że światło gwiazd faktycznie ulega odchyleniu przez Słońce, a wielkość tego odchylenia w dużym stopniu zgadza się z przewidywaniami Einsteina. Wieść rozeszła się po całym świecie i przyniosła Einsteinowi międzynarodową sławę. Zgięcie światła gwiazd przez Słońce zostało uznane za spektakularne potwierdzenie ogólnej teorii względności i istnienia zakrzywionej czasoprzestrzeni.

Od 1919 roku test odchylenia światła był wielokrotnie powtarzany, z coraz większą dokładnością, przy użyciu radioteleskopów oraz teleskopów optycznych. Najdokładniejsze pomiary do tej pory, wykonane z użyciem bardzo dalekosiężnej interferometrii (VLBI), zweryfikowały ogólną teorię względności z dokładnością do 0,02%.

Grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni światła

Trzecie klasyczne test ogólnej teorii względności dotyczy grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni światła. Według OTW, światło emitowane w polu grawitacyjnym powinno być przesunięte ku czerwieni (czyli jego długość fali powinna się zwiększać), gdy wychodzi z dołu potencjału. Im silniejsze pole grawitacyjne, tym większe przesunięcie ku czerwieni.

Einstein zaproponował, że ten efekt można zmierzyć za pomocą linii widmowych ze Słońca. Światło emitowane przez atomy w atmosferze Słońca powinno być nieznacznie przesunięte ku czerwieni w porównaniu do tych samych linii widmowych wytwarzanych w laboratorium na Ziemi, ze względu na silne pole grawitacyjne Słońca.

Pomiar tego grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni okazał się dość wymagający ze względu na konieczność stosowania bardzo precyzyjnej spektroskopii oraz obecność innych efektów, które mogą przesuwać linie widmowe (takich jak przesunięcie Dopplera związane z rotacją Słońca). Pierwszy udany pomiar został wykonany w 1925 roku przez Waltera Adamsa, przy użyciu spektrografu w Obserwatorium na Górze Wilsona o średnicy 100 cali. Adams znalazł grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, które było zgodne z przewidywaniami Einsteina, choć z dość dużym niepewnością.

Od tego czasu przeprowadzono bardziej precyzyjne testy grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, używając efektu Mössbauera i zegarów atomowych. W latach 60. XX wieku Robert Pound i Glen Rebka zmierzyli przesunięcie ku czerwieni promieni gamma podróżujących w górę i w dół 22-metrowej wieży na Uniwersytecie Harvarda, potwierdzając działanie OTW z dokładnością do 1%. Późniejsze eksperymenty, przy użyciu rakietowych zegarów maserowych z wodoru, potwierdziły przesunięcie ku czerwieni z dokładnością do kilku części na 10^5. Przesunięcie ku czerwieni grawitacyjnej to nie tylko kluczowy test teorii względności, ale również praktyczne zmartwienie dla satelitów GPS, które doświadczają znacznego przesunięcia ku czerwieni z powodu grawitacji Ziemi. Bez skorygowania tego efektu nawigacja GPS byłaby przesunięta o kilka kilometrów dziennie.

Nowoczesne testy teorii względności

Podczas gdy trzy klasyczne testy dostarczyły pierwszych silnych dowodów na teorię względności, wiele innych testów zostało opracowanych i przeprowadzonych w ciągu ostatniego stulecia od opublikowania teorii Einsteina. Te nowoczesne testy badają grawitację względnościową w nowych i skrajnych reżimach, wykorzystując zaawansowane technologie, o których Einstein nawet nie śnił.

Soczewkowanie grawitacyjne

Jednym z najbardziej uderzających przewidywań teorii względności jest zjawisko soczewkowania grawitacyjnego. Podobnie jak szklana soczewka łamie promienie świetlne przechodzące przez nią, masywny obiekt (tak jak galaktyka lub gromada galaktyk) może zgiąć ścieżkę światła z tła, działać jako "soczewka grawitacyjna".

Istnieją trzy główne reżimy soczewkowania grawitacyjnego:

  1. Silne soczewkowanie: ten efekt występuje, gdy soczewka jest wystarczająco masywna i dobrze wyrównana, aby wygenerować wiele obrazów, łuków lub pierścieni obiektu z tła. Pierwsza silna soczewka została odkryta w 1979 roku w postaci bliźniaczych kwazarów, które tak naprawdę były dwoma obrazami tego samego kwazara, znajdującymi się w soczewce galaktyki przedniej. Obecnie znanych jest setki silnych soczewek, które umożliwiają mapowanie dystrybucji ciemnej materii i testowanie teorii względności na skalach kilioparseków.

  2. Słabe soczewkowanie: to bardziej subtelny efekt, który występuje, gdy masa soczewkowania nie jest wystarczająco silna, aby wygenerować wiele obrazów, ale wciąż zakrzywia kształty galaktyk tła. Analizując statystycznie te zakrzywienia kształtów na dużych obszarach nieba, astronomowie mogą mapować strukturę kosmiczną wszechświata i testować teorię względności na skalach kosmicznych. Słabe soczewkowanie stało się kluczowym narzędziem kosmologii w ostatnich latach, gdzie główne badania takie jak Przegląd Energii Ciemnej i Kilo-stopniowe badanie zapewniają coraz bardziej precyzyjne pomiar.

  3. Mikrosoczewkowanie: to zjawisko występuje, gdy zwarty obiekt (jak gwiazda lub planeta) przechodzi przed tłem gwiazdy, powodując tymczasowe rozjaśnienie tła ze względu na soczewkowanie. Mikrosoczewkowanie zostało użyte do odkrywania egzoplanet i badania populacji czarnych dziur i innych ciemnych obiektów w naszej galaktyce. Daje również możliwość przetestowania teorii względności na skalach gwiazdowych.

Soczewkowanie grawitacyjne dostarczyło niektórych najbardziej spektakularnych potwierdzeń teorii względności do tej pory. Obserwowana liczba, dystrybucja i właściwości układów soczewkowych są w doskonałym porozumieniu z przewidywaniami teorii względności i wyznaczają surowe ograniczenia dla alternatywnych teorii grawitacji.

Fale grawitacyjne

Najciekawszym osiągnięciem w ostatnich latach w testowaniu teorii względności była bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych. Są to drgania samego przestrzeni czasoprzestrzeni, wywołane przyspieszonymi masami i rozchodzące się z prędkością światła. Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych w 1916 roku, ale wątpił, czy kiedykolwiek zostaną wykryte ze względu na ich niezwykle małą amplitudę.

Stulecie później Laserowy Interferometr Obserwatorium Fali Grawitacyjnych (LIGO) zdołał zmierzyć minimalne zakłócenia przestrzenne spowodowane przechodzącymi falami grawitacyjnymi. Pierwsze wykrycie, dokonane we wrześniu 2015 roku, pochodziło z połączenia dwóch czarnych dziur oddalonych o około 1,3 miliarda lat świetlnych. Obserwowany kształt fali był zgodny z przewidywaniami teorii względności z dokładnością do kilku procent, co stanowiło uderzające potwierdzenie teorii w warunkach silnego pola grawitacyjnego i dużej prędkości.

Od tego momentu LIGO i jego europejski odpowiednik, Virgo, wykryły dziesiątki innych zdarzeń z falami grawitacyjnymi. Obejmowały one połączenia binarne czarnych dziur, połączenia binarne neutronowych gwiazd, a nawet możliwe połączenie neutronowej gwiazdy z czarną dziurą. Każde zdarzenie stanowi nowy test teorii względności w ekstremalnych warunkach, i jak dotąd teoria zdała egzamin z wyróżnieniem.

Astronomia fal grawitacyjnych otworzyła całkowicie nowe okno na wszechświat, pozwalając nam badać obszary i zdarzenia niewidoczne dla promieniowania elektromagnetycznego. Dostarczyła również jedne z najściślejszych testów teorii względności do tej pory, potwierdzając kluczowe przewidywania, takie jak istnienie czarnych dziur, rozchodzenie się fal grawitacyjnych z prędkością światła i twierdzenie "bez włosów" (które mówi, że czarne dziury są w pełni określone przez masę, ładunek i moment obrotowy).

Dowody obserwacyjne na istnienie czarnych dziur

Czarne dziury są być może najbardziej skrajnymi i enigmatycznymi przewidywaniami teorii względności. Są to obszary czasoprzestrzeni, w których zakrzywienie staje się tak silne, że nic, nawet światło, nie może uciec spod horyzontu zdarzeń. Czarne dziury są bezpośrednim wynikiem równań Einsteina, ale przez wiele lat były uważane za ciekawostkę matematyczną, a nie rzeczywistość fizyczną.

Dzisiaj jednak istnieje przytłaczający dowód obserwacyjny na istnienie czarnych dziur. Dowód ten pochodzi z kilku różnych linii badawczych:

  1. Układy podwójne rentgenowskie: To są układy, w których czarna dziura lub neutronowa gwiazda przyciąga materię z towarzyszącej gwiazdy. Gdy materia wiruje i się nagrzewa, emituje promieniowanie rentgenowskie, które może być wykryte przez teleskopy. Właściwości tych emisji rentgenowskich, zwłaszcza szybka zmienność i wysokie energie, stanowią silny dowód na obecność zwartego obiektu, takiego jak czarna dziura.

  2. Supermasywne czarne dziury: W centrum większości galaktyk, w tym naszej własnej Drogi Mlecznej, występują obiekty o masie milionów do miliardów razy większej niż masa Słońca. Obiekty te są zbyt masywne i zwarte, aby można je było wyjaśnić klastrami gwiazd lub innymi znanymi obiektami, a ich właściwości odpowiadają oczekiwanym dla supermasywnych czarnych dziur. Najlepszym dowodem jest obserwacja gwiazd krążących wokół Centrum Galaktyki, które umożliwiły astronomom pomiar masy i rozmiaru centralnego obiektu z wielką precyzją.

  3. Fale grawitacyjne: Jak wspomniano wcześniej, sygnały fal grawitacyjnych wykryte przez LIGO i Virgo odpowiadają przewidywaniom związanych z łączeniem się czarnych dziur. Masy, obroty i inne właściwości wnioskowane na podstawie tych sygnałów są zgodne z czarnymi dziurami i niezgodne z innymi skupiskami materii, takimi jak gwiazdy neutronowe.

  4. Teleskop Horyzontu Zdarzeń: W 2019 roku kolaboracja Teleskopu Horyzontu Zdarzeń opublikowała pierwsze bezpośrednie zdjęcie czarnej dziury. Łącząc radioteleskopy na całym świecie w celu utworzenia wirtualnego teleskopu o rozmiarze Ziemi, udało się rozwiązać horyzont zdarzeń supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87. Obserwowany rozmiar i kształt cienia czarnej dziury były zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności, dostarczając oszałamiającego wizualnego potwierdzenia tej teorii.

Dowody obserwacyjne na istnienie czarnych dziur są teraz tak silne, że ich istnienie uważa się za niemal pewne. Stanowią one jedne z najbardziej ekstremalnych testów ogólnej teorii względności, badając teorię w obszarach silnego zakrzywienia i dużych prędkościach. Jak dotąd OTW przeszła wszystkie te testy, umacniając jeszcze bardziej swoje miejsce jako nasza najlepsza teoria grawitacji.

Podsumowanie

Stulecie od momentu jej powstania ogólna teoria względności pozostaje naszą najdokładniejszą i najlepiej przetestowaną teorią grawitacji. Od klasycznych testów zaproponowanych przez Einsteina po najnowocześniejsze obserwacje fal grawitacyjnych i czarnych dziur, teoria była poddana coraz bardziej precyzyjnym i rygorystycznym badaniom i za każdym razem wyszła zwycięsko.

Potwierdzenie ogólnej teorii względności to nie tylko triumf samej teorii, ale również metody naukowej jako całości. OTW wysunęła kilka śmiałych, sprzeciwiających się intuicji przewidywań, które różniły się zdecydowanie od grawitacji Newtona i zdrowego rozsądku. Jednak gdy te przewidywania zostały poddane testom za pomocą dokładnie zaprojektowanych eksperymentów i obserwacji, okazało się, że były one prawdziwe. To jest istota nauki: formułowanie sprawdzalnych przewidywań i pozostawienie natury jako ostatecznego arbitratora prawdy.

Oczywiście żadna naukowa teoria nie jest kiedykolwiek kompletna ani ostateczna. Wciąż istnieje wiele otwartych pytań i nierozwiązanych problemów.

Chapter 0 Einstein Theory of Relativity