Відкриття гравітаційних хвиль, "найщасливіша ідея Ейнштейна"
Трибуна
Доказом реальності гравітаційних хвиль є найкрасивіша данина, яку наука могла віддати генію, на думку фізика Етьєна Кляйна.
Опубліковано 15 лютого 2016 о 12:42 - Оновлено 17 лютого 2016 о 11:56 Час читання 8 хв.
- Спільний доступ
- Спільний доступ вимкнено Спільний доступ вимкнено
- Спільний доступ вимкнено Надіслати електронною поштою
- Спільний доступ вимкнено Спільний доступ вимкнено
- Спільний доступ вимкнено Спільний доступ вимкнено
Етьєн Кляйн
Пол Валері і Альберт Ейнштейн, які захоплювались одне одним, зустрічалися неодноразово протягом 1920-х рр. Одного разу, мислитель-поет, переконавшись, що батько теорії відносності випускав ідеї швидкими темпами, наважився запитати його запитання, яке давно пекло його губи: "Коли ідея приходить до вас, як ви починаєте її збирати?" Блокнот, аркуш паперу ...? "Відповідь, безсумнівно, його розчарував, фізик задоволений тим, що сказав:" О! Ідея, знаєш, така рідкісна! "
Більше не відчуваю його ваги
Ця відповідь говорить про надзвичайну скромність Ейнштейна. Тому що насправді у нього були ідеї, причому не лише одні, і не будь-які! Одного прекрасного дня 1907 року, коли він ще був у Берні, у нього була «найщасливіша у його житті» ідея, яка стане наріжним каменем його теорії загальної теорії відносності: «Я, я сидів у своєму кріслі в Федеральне відомство в Берні, сказав він. Я раптом зрозумів, що якщо людина перебуває у вільному падінні, вона не відчує власної ваги. Мене це схопило. Ця думка справила на мене велике враження. Вона підштовхнула мене до нової теорії гравітації. "
Тут Ейнштейн зрозумів, що коли ми падаємо у вільному падінні, все, що знаходиться поруч з нами (парасолька, капелюх), падає як ми, оскільки швидкість падіння об’єктів однакова для всіх об’єктів. Отже, у нас складається враження, що гравітація зникла в нашому сусідстві, навіть коли ми переживаємо її закон. Хіба це не дивно? Все відбувається так, ніби прискорення, викликане падінням, стирає місцеве гравітаційне поле ...
Після цього хвилювання Ейнштейн постулював, що між прискоренням і гравітацією існує якась формальна тотожність: якщо прискорення може стерти справжнє гравітаційне поле, то воно також повинно мати змогу створити видимість гравітаційного поля там, де його немає.
Як наслідок цього "принципу еквівалентності", людина в ліфті без вікон не може сказати, чи знаходиться ліфт у стані спокою в гравітаційному полі, або з будь-якого гравітаційного поля він витягується з константою прискорення. У будь-якому випадку, ця людина відчувала б, що її ноги притиснуті до підлоги, і якби вони впали якийсь предмет, він впав би так само, як і на Землі. Тому вираз фізичних законів має бути формально однаковим в обох ситуаціях.
Ліфтовий дух
Через чотири роки, перебуваючи в Празі, Ейнштейн здійснив другий вирішальний прорив у розумінні того, що принцип еквівалентності передбачає, що світло, хоч і має нульову масу, не проходить прямо через поле тяжіння. Уявіть, що кабіна ліфта має прискорений рух і що промінь світла, паралельний підлозі, проходить крізь крихітний отвір в одній із його стінок. Оскільки швидкість світла не є нескінченною, потрібен певний час, щоб вона дійшла до протилежної стіни, за цей час кабіна рухалася вгору, так що точка удару світлового променя буде трохи ближче до підлогу як вхідний отвір.
Якби можна було спостерігати шлях світлового променя, що проходить через кабіну, він би виявився зігнутим через прискорення "вгору". Що зараз нав'язує принцип еквівалентності? Що цей ефект був би однаковим, якби вагон ліфта стояв у гравітаційному полі. Очевидно, на відміну від того, що відбувається згідно з класичною теорією, шлях світла повинен відхилятися гравітацією !
Ця ідея діятиме як космічний кунжут. З'явившись на краю Влтави в поглибленні мозку, здатного на незвичні думки, він підтримається, стане формалізованим і в кінцевому підсумку порушить у свідомості фізиків саму структуру Всесвіту.
Світлове затемнення
До кінця 1911 р. Ейнштейн припустив, що відхилення світла, яке він щойно розрахував, можна виміряти світлом, що доходить до нас від нерухомих зірок. У звичайні часи, завдяки сліпучому відблиску сонця, нерухомі зірки, які знаходяться в його напрямку, не видно, але вони стають видимими під час повного сонячного затемнення. За цих умов можливе відхилення світла від сили тяжіння Сонця стало б вимірним.
Однак астрономи передбачили на 21 серпня 1914 р. Повне затемнення, яке мало відповідати всім умовам, необхідним для проведення важливого вимірювання. Ервін Фройндліх, молодий німецький астроном, організував першу експедицію, яка виїхала до Криму, як ... коли почалася Перша світова війна. Усі члени команди потрапили в полон до царських солдатів, а їхні інструменти вилучили.
З певної точки зору, це був випадковий випадок, оскільки передбачення Ейнштейна ще недостатньо дозріло, щоб отримати небесне благословення: якби Фройндліх міг зробити свої виміри, як планувалося, вони спростували б розрахунки Ейнштейна, які були помилковими ...
Але повернімось до 1913 року. Ще в Цюріху Ейнштейн вивчав за допомогою Марселя Гроссмана геометрію кривих просторів, розроблену Бернгардом Ріманом. Останній лише розглядав кривизну простору, але Ейнштейн та його друг узагальнили його роботи на весь простір-час. У статті з чотирма руками вони висунули ідею, що гравітація - це не реальна сила, а місцевий прояв кривизни простору-часу.
На їх думку, геометрія Всесвіту насправді була б зігнута масами, які вона містить, і, натомість, геометрія простору-часу безпосередньо визначала б (тобто, без задіяння сили) рух матеріальних об'єктів всередині нього. Однак через помилку, зроблену Ейнштейном, вони не змогли знайти рівняння, що відносять кривизну простору-часу до маси та енергії, що містяться в ній.
З 1914 р. Ейнштейн продовжував працювати над цією проблемою в Берліні, в основному не зворушеною війною, і нарешті він знайшов правильні рівняння в кінці 1915 р. Під час лекції, яку він прочитав 25 листопада, він оголосив, що відхилення світла як його пройдений поблизу сонця повинен був бути вдвічі більшим, ніж той, що він оголосив у 1911 році.
Після закінчення світової бійні Артур Еддінгтон, директор Кембриджської обсерваторії, організував дві експедиції для спостереження за затемненням 29 травня 1919 року. Сам він виїхав з першою командою на невеликий острів у Південній Атлантиці, тоді як друга команда розмістила свої інструменти в місті Бразилії. Незважаючи на погоду, що не співпрацює, та неякісні фотопластинки, вимірювання підтвердили розрахунки Ейнштейна. Оголошення цього результату викликало безпрецедентний ентузіазм і зробило Ейнштейна світовою зіркою.
Коли Едуард, його другий син, запитав його, чому він став таким відомим, він отримав гарну відповідь, яка резюмувала суть справи: "Коли сліпий жук йде по поверхні вигнутої гілки, батько пояснив йому., він не усвідомлює, що шлях, яким він йде, також кривий. Мені пощастило помітити те, що жук не бачить. "
Почуй подих Всесвіту
У 1916 році, коли він був хворий, виснажений роками напруженої праці, Ейнштейн почав замислюватися, чи може маса при прискореному русі випромінювати "гравітаційні хвилі", подібно до того, як електричний заряд, який можна знайти, прискорює, випромінює електромагнітні хвилі. Він швидко знайшов рішення своїх рівнянь, що відповідають пульсаціям у просторі-часі, що поширюються зі швидкістю світла. Під час своєї подорожі вони повинні розхитати простір-час, який би ненадовго змінив відстань між двома точками у просторі.
Гравітація дуже слабка за інтенсивністю, такі хвилі дуже важко виявити. Насправді їх можна було зробити лише за умови співучасті значної події, яка сталася більше мільярда років тому: дві сусідні чорні діри злилися зі швидкістю, що дорівнює дві третини швидкості світла; це гіперсилове явище випустило немислиму енергію всього за 20 мілісекунд і породило потяг гравітаційних хвиль, які поступово втрачали потужність під час тривалої подорожі; їхнє проходження через Землю, 14 вересня 2015 року о 9 годині 50 хвилин 45 секунд (універсальний час), можна було виявити завдяки надзвичайно чутливим інструментам експерименту LIGO (які, неймовірна удача, щойно прибули для введення в обслуговування).
Зупинимось на секунду на досягнутому подвигу: варіації довжини, які вдалося виміряти цьому приладу, набагато менші, ніж розмір протона !
Іронія історії
Математично сформульована, фізика, безумовно, діє як справжня "онтологічна лебідка": на основі вивчення її рівнянь та того, що вони означають, вона виявляє нові елементи реальності. Вона зробила це вже передбачивши, а потім продемонструвавши існування фотонів, античастинок, кварків, а нещодавно, у 2012 році, бозона Хіггса. Але тут історія також подана з певною іронією, адже Ейнштейн ніколи не вірив у існування чорних дір. Однак це справді два такі об'єкти, які, спарюючись, поки вони не стануть єдиним цілим, дозволили остаточно виявити гравітаційні хвилі, які він передбачав.
Це насправді подвійне відкриття: доказ реальності гравітаційних хвиль підтверджує у відповідь, своєрідним космічним направленням на ліфт, існування чорних дір (що дехто ще заперечувало), отже, можливість їх зрощення.
Тому анонс від 11 лютого є своєчасним, щоб велично відзначити сторіччя надзвичайної інтелектуальної конструкції. Це звучить як кульмінація простої і справді "щасливої" ідеї, яка одного чудового дня вибухнула як міхур у мозку генія.
Етьєн Кляйн є директором досліджень у Commissariat à l'énergie atomique (CEA), автором «Промови про походження Всесвіту» (Champs-Flammarion, 2012), In Searching Majorana, the Absolute Physicist (Editions des Equateurs, 2013) та Les Secrets матерії (Лібріо, 2015)
Переглянути внески
- Спільний доступ
- Спільний доступ вимкнено Спільний доступ вимкнено
- Спільний доступ вимкнено Надіслати електронною поштою
- Спільний доступ вимкнено Спільний доступ вимкнено
- Спільний доступ вимкнено Спільний доступ вимкнено