"Saya keletihan, tapi kejayaannya adalah mulia."
Kandungan Terkait
- Matematik Emmy Noether Harus Jadi Pahlawan Anda
Ia adalah seratus tahun yang lalu pada bulan November ini, dan Albert Einstein menikmati saat-saat kepuasan yang jarang terjadi. Hari sebelum itu, pada 25 November 1915, beliau telah menaiki panggung di Akademi Sains Prusia di Berlin dan mengisytiharkan bahawa dia akhirnya menyelesaikan ekspedisinya yang berabad-abad lamanya ke pemahaman graviti yang baru dan mendalam. Teori relativiti umum, Einstein menegaskan, kini telah lengkap.
Bulan yang menjurus kepada pengumuman bersejarah itu adalah yang paling intelektual yang sengit dan jangka panjang yang ditunggangi oleh kehidupannya. Ia memuncak dengan visi baru Einstein mengenai interaksi ruang, masa, perkara, tenaga dan graviti, suatu prestasi yang amat dihormati sebagai salah satu pencapaian intelektual terbesar manusia.
Pada masa itu, buzz relativiti umum hanya didengar oleh seorang pemikir pemikir di pinggir fizik esoterik. Tetapi pada abad sejak itu, gagasan Einstein telah menjadi pertalian untuk pelbagai isu asas, termasuk asal-usul alam semesta, struktur lubang hitam dan penyatuan kekuatan alam, dan teori juga telah digunakan untuk tugas yang lebih banyak digunakan seperti mencari planet ekstrasolar, menentukan jisim galaksi jauh dan juga membimbing trajektori pemandu kereta dan peluru berpandu balistik. Relativiti am, sekali penerangan graviti eksotik, kini merupakan alat penyelidikan yang kuat.
Usaha untuk memahami graviti bermula jauh sebelum Einstein. Semasa wabak yang merosakkan Eropah dari tahun 1665 hingga 1666, Isaac Newton berundur dari jawatannya di University of Cambridge, berlindung di rumah keluarganya di Lincolnshire, dan dalam masa-masa sia-sia menyedari bahawa setiap objek, sama ada di Bumi atau di langit, menarik setiap yang lain dengan kekuatan yang bergantung semata pada seberapa besar objek-massa mereka-dan seberapa jauh mereka berada dalam ruang-jarak mereka. Kanak-kanak sekolah di dunia telah belajar versi matematik undang-undang Newton, yang telah membuat ramalan yang hebat untuk gerakan segala-galanya dari batu diletupkan untuk mengorbit planet-planet yang seolah-olah Newton telah menulis kata akhir tentang graviti. Tetapi dia tidak. Dan Einstein adalah yang pertama untuk memastikan perkara ini.
**********
Pada tahun 1905 Einstein menemui teori relativiti khas, menegaskan bahawa diktum terkenal bahawa tiada apa-apa objek atau isyarat-boleh bergerak lebih laju daripada kelajuan cahaya. Dan di dalamnya terletak sapu. Menurut undang-undang Newton, jika anda mengguncang Matahari seperti maraca kosmik, graviti akan menyebabkan Bumi segera mengguncang. Maksudnya, formula Newton menunjukkan bahawa graviti memberikan pengaruhnya dari satu lokasi ke tempat yang lain. Itu bukan sahaja lebih cepat daripada cahaya, ia tidak terbatas.
Relativiti: The Special dan Teori Am
Diterbitkan pada ulang tahun ke-100 relativiti umum, edisi kacak buku Einstein yang terkenal ini menempatkan karya dalam konteks sejarah dan intelektual sambil memberikan wawasan yang tidak ternilai ke dalam salah satu minda saintifik terbesar sepanjang masa.
BeliEinstein tidak akan memilikinya. Keterangan graviti yang lebih halus pastinya wujud, satu di mana pengaruh graviti tidak melampaui cahaya. Einstein mendedikasikan dirinya untuk mencarinya. Dan untuk melakukannya, dia menyedari, dia perlu menjawab soalan yang seolah-olah asas: Bagaimana graviti berfungsi? Bagaimanakah Matahari mencapai 93 juta batu dan menggerakkan tarikan graviti di Bumi? Untuk menarik lebih banyak pengalaman sehari-hari-membuka pintu, membongkar botol anggur-mekanisme yang nyata: Terdapat hubungan langsung antara tangan anda dan objek yang mengalami tarikan. Tetapi apabila Matahari menarik Bumi, tarikan tersebut dikenakan ke ruang angkasa kosong. Tidak ada hubungan langsung. Jadi apa tangan yang tidak dapat dilihat dalam kerja melaksanakan tawaran graviti?
Newton sendiri mendapati persoalan ini sangat membingungkan, dan memberi sukarela bahawa kegagalannya sendiri untuk mengenalpasti bagaimana pengaruh graviti mempengaruhi pengertiannya adalah bahawa teorinya, walaupun berjaya ramalannya, pasti tidak lengkap. Namun, selama lebih dari 200 tahun, pengakuan Newton bukanlah satu catatan kaki yang tidak diingini pada teori yang sebaliknya telah dipersetujui dengan pemerhatian.
Pada tahun 1907 Einstein mula bekerja dengan bersungguh-sungguh untuk menjawab soalan ini; pada tahun 1912, ia menjadi obsesi sepenuh masa. Dan dalam beberapa tahun yang lalu, Einstein memukul terobosan konsep utama, mudah untuk menyatakan kerana ia mencabar untuk memahami: Jika tiada apa-apa kecuali ruang kosong di antara Matahari dan Bumi, maka tarikan graviti bersama mereka mesti diberikan oleh ruang angkasa sendiri. Tetapi bagaimana?
Jawapan Einstein, sekaligus cantik dan misterius, adalah perkara seperti Matahari dan Bumi, menyebabkan ruang di sekelilingnya melengkung, dan bentuk ruang yang berubah-ubah mempengaruhi gerakan badan lain yang berlalu.
Berikut adalah cara untuk memikirkannya. Gambar lurus lurus yang diikuti oleh marmar yang anda telah dilancarkan di atas lantai kayu rata. Sekarang bayangkan rolling marmar di lantai kayu yang telah melengkung dan dipintal oleh banjir. Marmer tidak akan mengikuti jejak lurus yang sama kerana ia akan ditolak dengan cara ini dan dengan kontur melengkung lantai. Sama dengan lantai, jadi dengan ruang. Einstein membayangkan bahawa kontur ruang melengkung akan menjejaskan bola besbol untuk mengikuti laluan parabola yang biasa dan memujuk Bumi untuk mematuhi orbit elips biasa.
Itu lompatan yang menakjubkan. Sehingga itu, ruang adalah konsep abstrak, sejenis kontena kosmik, bukan entiti ketara yang boleh mempengaruhi perubahan. Malah, lompatan itu masih lebih besar. Einstein menyedari bahawa masa itu boleh meledingkan juga. Secara intuitif, kita semua membayangkan bahawa jam, tidak kira di mana mereka berada, tandakan pada kadar yang sama. Tetapi Einstein mencadangkan bahawa jam yang lebih dekat adalah badan yang besar, seperti Bumi, semakin lambat mereka akan mencium, mencerminkan pengaruh graviti yang mengejutkan pada peralihan masa. Dan banyak sebagai lekapan spasial boleh menjejaskan trajektori objek, begitu juga untuk satu masa yang lama: Matematik Einstein mencadangkan bahawa objek ditarik ke arah lokasi di mana masa berlanjutan lebih perlahan.
Walau bagaimanapun, graviti semula graviti Einstein dari segi bentuk ruang dan masa tidak mencukupi untuknya untuk menuntut kemenangan. Beliau perlu membina idea-idea ke dalam rangka matematik yang ramalan yang tepat menggambarkan koreografi yang ditari oleh ruang, masa dan perkara. Malah untuk Albert Einstein, yang terbukti menjadi cabaran yang monumental. Pada tahun 1912, bergelut untuk membentuk persamaan, dia menulis kepada seorang rakan sekerja bahawa "Tidak pernah dalam hidup saya, saya menyeksa diri saya seperti ini." Namun, setahun kemudian, ketika bekerja di Zurich dengan rakan sejawatnya yang lebih matematik, Marcel Grossmann, Einstein datang dengan senyap dekat dengan jawapannya. Mendapatkan hasil dari pertengahan tahun 1800-an yang menyediakan bahasa geometri untuk menggambarkan bentuk melengkung, Einstein mencipta pembaharuan penuh graviti sepenuhnya sepenuhnya dalam segi geometri ruang dan waktu.
Tetapi kemudian semuanya seolah-olah runtuh. Semasa menyiasat persamaan barunya, Einstein melakukan kesilapan teknikal yang membawa kesilapan, menyebabkannya berfikir bahawa usulnya tidak dapat menerangkan segala macam gerakan umum. Selama dua tahun yang panjang, mengecewakan Einstein berusaha keras untuk menyelesaikan masalah itu, tetapi tidak ada yang berhasil.
Einstein, yang gigih ketika mereka datang, tetap tidak terkecuali, dan pada musim gugur 1915 ia akhirnya melihat jalan ke depan. Pada masa itu, beliau adalah profesor di Berlin dan telah dimasukkan ke dalam Akademi Sains Prusia. Walaupun begitu, dia mempunyai masa di tangannya. Isterinya yang tersisih, Mileva Maric, akhirnya mengakui bahawa hidupnya dengan Einstein sudah berakhir, dan telah berpindah ke Zurich bersama dua anak lelaki mereka. Walaupun hubungan kekeluargaan yang semakin bertambah berat pada Einstein, perkiraan itu juga membolehkannya untuk mengikuti hunches matematiknya secara bebas, hari dan malam yang tidak terganggu, dalam kesendirian yang tenang di apartmen Berlin mandulnya.
Menjelang bulan November, kebebasan ini menghasilkan buah. Einstein membetulkan kesilapannya yang lebih awal dan menetapkan pendakian terakhir ke arah teori umum relativiti. Tetapi ketika dia bekerja dengan gigih pada butiran matematik yang baik, keadaan berubah tanpa khawatir. Beberapa bulan sebelum ini, Einstein telah bertemu dengan ahli matematik Jerman terkenal David Hilbert, dan telah berkongsi semua pemikirannya mengenai teori graviti barunya. Rupa-rupanya, Einstein belajar terkejutnya, pertemuan itu telah menimbulkan minat Hilbert bahawa dia kini berlumba Einstein ke garisan penamat.
Satu siri poskad dan surat yang ditukar di sepanjang November 1915 memperlihatkan persaingan yang mesra tetapi sengit kerana masing-masing tertutup pada persamaan relativiti umum. Hilbert menganggapnya permainan yang adil untuk meneruskan pembukaan dalam teori graviti yang belum dijanjikan tetapi belum selesai; Einstein menganggapnya sebagai bentuk yang tidak baik untuk Hilbert ke otot dalam ekspedisi solonya sehingga dekat puncak. Lebih-lebih lagi, Einstein dengan sedar sedar, rizab matematik Hilbert yang lebih mendalam memberikan ancaman serius. Walau bagaimanapun, kerja-kerja kerasnya, Einstein mungkin mendapat bungkus.
Kebimbangan itu sangat berasas. Pada hari Sabtu, 13 November, Einstein menerima jemputan dari Hilbert untuk bergabung dengannya di Göttingen pada Selasa berikutnya untuk belajar dalam "terperinci yang sangat lengkap" penyelesaian "masalah besar anda." Einstein merungut. "Saya mesti menahan diri dari perjalanan ke Göttingen untuk masa ini dan sebaliknya mesti menunggu dengan sabar sehingga saya dapat mengkaji sistem anda dari artikel yang dicetak; kerana saya penat dan dilayan dengan sakit perut selain. "
Tetapi pada hari Khamis, ketika Einstein membuka suratnya, dia dihadapkan dengan naskah Hilbert. Einstein dengan segera menulis semula, tidak menghiraukan keresahannya: "Sistem yang anda berikan setuju-sejauh yang saya dapat lihat-betul-betul dengan apa yang saya dapati dalam beberapa minggu yang lalu dan telah dikemukakan kepada Akademi." Kepada rakannya, Heinrich Zangger, Einstein menceritakan, "Dalam pengalaman peribadi saya, saya tidak mengetahui lebih baik kesengsaraan spesies manusia seperti yang berlaku pada teori ini ...."
Seminggu kemudian, pada 25 November, menyampaikan ceramah kepada penonton yang hushed di Akademi Prusia, Einstein melancarkan persamaan terakhir yang membentuk teori relativiti umum.
Tiada siapa yang tahu apa yang berlaku pada minggu terakhir itu. Adakah Einstein membuat persamaan akhir dengan sendiri atau membuat kertas Hilbert memberikan bantuan yang tidak dibenarkan? Adakah draf Hilbert mengandungi bentuk persamaan yang betul, atau apakah Hilbert kemudian memasukkan persamaan-persamaan itu, yang diilhami oleh karya Einstein, ke dalam versi kertas yang dikeluarkan oleh Hilbert beberapa bulan kemudian? Intrik hanya memperdalam apabila kita mengetahui bahawa seksyen utama bukti-bukti halaman untuk kertas Hilbert, yang mungkin telah menyelesaikan soalan-soalan, secara harfiahnya terlepas.
Pada akhirnya, Hilbert melakukan perkara yang betul. Dia mengakui bahawa apa pun peranannya dalam pemangkin persamaan akhir mungkin telah berlaku, teori relativiti umum patut dikreditkan kepada Einstein. Dan begitu juga. Hilbert juga mendapat akibatnya, sebagai cara teknikal tetapi amat berguna untuk menyatakan persamaan relativiti umum menanggung nama kedua-dua lelaki.
Sudah tentu, kredit itu hanya akan bernilai sekiranya teori relativiti umum disahkan melalui pemerhatian. Hebatnya, Einstein dapat melihat bagaimana itu boleh dilakukan.
**********
Relativiti umum meramalkan bahawa sinaran cahaya yang dipancarkan oleh bintang-bintang yang jauh akan bergerak sepanjang trajectory melengkung ketika mereka melewati rantau yang melintang berhampiran Matahari dalam perjalanan ke Bumi. Einstein menggunakan persamaan-persamaan baru untuk menjadikannya tepat-dia mengira bentuk matematik trajektori melengkung ini. Tetapi untuk menguji ramalan ahli astronomi perlu melihat bintang yang jauh manakala Matahari berada di latar depan, dan itu hanya mungkin apabila Bulan menghalang cahaya matahari, semasa gerhana matahari.
Gerhana matahari akan datang, pada 29 Mei 1919, dengan itu menjadi medan ketenangan umum. Pasukan ahli astronomi British, yang diketuai oleh Sir Arthur Eddington, menubuhkan kedai di dua lokasi yang akan mengalami gerhana matahari Sun-in Sobral, Brazil, dan Príncipe, di luar pantai barat Afrika. Memerangi cabaran cuaca, setiap pasukan mengambil satu siri plat fotografi bintang jauh yang kelihatan seolah-olah Bulan bergerak di seluruh Matahari.
Semasa bulan-bulan berikutnya analisis berhati-hati imej, Einstein menunggu dengan sabar untuk hasilnya. Akhirnya, pada 22 September 1919, Einstein menerima telegram yang mengumumkan bahawa pemerhatian gerhana telah mengesahkan ramalannya.
Akhbar-akhbar di seluruh dunia mengambil cerita itu, dengan tajuk-tajuk berita tanpa nafas yang mengisytiharkan kemenangan Einstein dan melontarkan dia hampir semalaman ke dalam sensasi seluruh dunia. Di tengah-tengah semua kegembiraan, seorang pelajar muda, Ilse Rosenthal-Schneider, bertanya kepada Einstein apa yang dia fikirkan jika pemerhatian tidak setuju dengan ramalan kerelatifan umum. Einstein terkenal menjawab dengan bravado yang menawan, "Saya akan minta maaf kepada Tuhan Yang Mahakudus kerana teori itu betul."
Sesungguhnya, dalam dekad sejak pengukuran gerhana, terdapat banyak pemerhatian dan percubaan yang lain-beberapa yang berterusan-yang telah menyebabkan kepercayaan batu-padat dalam kerelatifan umum. Salah satu yang paling mengesankan ialah ujian pemerhatian yang merangkumi hampir 50 tahun, antara projek-projek yang paling lama berjalan di NASA. Relativiti umum mendakwa bahawa sebagai badan seperti Bumi berputar pada paksi, ia harus menyeret ruang sekitar dalam pusaran agak seperti kerikil berputar di dalam baldi molase. Pada awal 1960-an, ahli fizik Stanford mengeluarkan satu skim untuk menguji ramalan itu: Melancarkan empat gyroscopes ultra-tepat ke dalam orbit berhampiran Bumi dan mencari pergeseran kecil dalam orientasi paksi gyroscopes 'yang, menurut teori, sepatutnya disebabkan oleh ruang berpusing-pusing.
Ia mengambil satu generasi usaha saintifik untuk membangunkan teknologi giroskopik yang diperlukan dan kemudian tahun analisis data untuk, antara lain, mengatasi malang yang goyar gyroscopes yang diperolehi di angkasa. Tetapi pada tahun 2011, pasukan di sebalik Gravity Probe B, sebagai projek diketahui, mengumumkan bahawa percubaan selama setengah abad telah mencapai kesimpulan yang berjaya: Kapak gyroscopes telah beralih dengan jumlah yang diperkirakan oleh matematik Einstein.
Terdapat satu percubaan yang selebihnya, yang kini lebih daripada 20 tahun dalam pembuatan, yang banyak menganggap ujian akhir teori umum relativiti. Mengikut teori itu, dua objek bertabrakan, sama ada bintang atau lubang hitam, akan membuat gelombang dalam fabrik ruang, sama seperti dua bot bertabrakan di tasik sebaliknya akan membuat gelombang air. Dan kerana gelombang graviti itu muncul di luar, ruang akan berkembang dan kontrak bersebelahan, agak seperti bola adonan yang bergantian menjangkau dan dimampatkan.
Pada awal 1990-an, sebuah pasukan yang diketuai oleh saintis di MIT dan Caltech memulakan program penyelidikan untuk mengesan gelombang graviti. Cabaran, dan itu adalah yang besar, adalah bahawa jika pertemuan astrofizikal yang teruk berlaku jauh, maka pada saat terjadinya undulations spasial yang dibasuh oleh Bumi, mereka akan menyebar dengan begitu luas sehingga mereka akan diencerkan dengan hebat, mungkin meregangkan dan memampatkan ruang oleh hanya sebahagian kecil daripada nukleus atom.
Walau bagaimanapun, para penyelidik telah membangunkan satu teknologi yang mungkin hanya dapat melihat tanda-tanda kecil-kecilan ripple dalam kain ruang ketika ia digulung oleh Bumi. Pada tahun 2001, dua peranti berbentuk L berbentuk empat panjang, yang dikenali sebagai LIGO (Observatorium Gelombang Gravitational Laser Interferometer), telah digunakan di Livingston, Louisiana, dan Hanford, Washington. Strategi ini adalah bahawa gelombang graviti lulus akan bergantian selari dan memampatkan kedua lengan masing-masing L, meninggalkan jejak perlumbaan cahaya laser ke atas dan ke bawah setiap lengan.
Pada tahun 2010, LIGO telah dibatalkan, sebelum mana-mana tandatangan gelombang graviti telah dikesan-radas hampir pasti kekurangan sensitiviti yang diperlukan untuk mencatat kejutan kecil yang disebabkan oleh gelombang graviti yang mencapai Bumi. Tetapi sekarang versi LIGO yang maju, peningkatan yang dijangka sepuluh kali sensitif, sedang dilaksanakan, dan para penyelidik menjangkakan bahawa dalam masa beberapa tahun pengesanan riak di ruang yang disebabkan oleh gangguan kosmik yang jauh akan menjadi biasa.
Kejayaan akan menarik bukan kerana sesiapa yang benar-benar meragui kerelatifan umum, tetapi kerana hubungan yang disahkan antara teori dan pemerhatian dapat menghasilkan aplikasi baru yang kuat. Pengukuran gerhana tahun 1919, contohnya, yang menegaskan bahawa graviti membungkuk lintasan cahaya, telah mengilhami teknik yang berjaya kini digunakan untuk mencari planet-planet yang jauh. Apabila planet-planet sedemikian lulus di hadapan bintang tuan rumah mereka, mereka sedikit menumpukan cahaya bintang menyebabkan corak kecerahan dan peredupan yang dapat dikesan oleh ahli astronomi. Teknik yang sama juga telah membolehkan para astronom mengukur massa galaksi tertentu dengan memerhatikan betapa teruknya mereka mengganggu trajektori cahaya yang dipancarkan oleh sumber-sumber yang jauh lebih jauh. Satu lagi contoh yang lebih biasa ialah sistem kedudukan global, yang bergantung pada penemuan Einstein bahawa graviti mempengaruhi lintasan masa. Peranti GPS menentukan lokasinya dengan mengukur masa perjalanan isyarat yang diterima dari pelbagai satelit yang mengorbit. Tanpa mengambil kira kesan graviti tentang bagaimana masa berlalu pada satelit, sistem GPS akan gagal menentukan lokasi objek dengan betul, termasuk kereta anda atau peluru berpandu.
Ahli fizik percaya bahawa pengesanan gelombang graviti mempunyai keupayaan untuk menghasilkan penerapannya sendiri yang penting: pendekatan baru untuk astronomi observasi.
Sejak zaman Galileo, kita telah mengubah teleskop ke langit untuk mengumpulkan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh objek jauh. Fasa astronomi seterusnya mungkin sangat baik untuk mengumpul gelombang graviti yang dihasilkan oleh pergolakan kosmik yang jauh, yang membolehkan kita menyelidik alam semesta dengan cara yang baru. Ini amat menarik kerana gelombang cahaya tidak dapat menembusi plasma yang memenuhi ruang sehingga beberapa ratus ribu tahun selepas Big Bang-tetapi gelombang graviti boleh. Pada suatu hari, kita dapat menggunakan graviti, bukan cahaya, sebagai penyelidikan yang paling menembusi detik-detik terawal di alam semesta.
Kerana gelombang graviti berulang-alik melalui ruang agak seperti gelombang bunyi riak melalui udara, saintis bercakap tentang "mendengar" untuk isyarat graviti. Menerima metafora itu, betapa indahnya membayangkan bahawa centatial relativiti umum mungkin menyebabkan ahli fizik merayakan akhirnya mendengar suara penciptaan.
Nota Editor, 29 September 2015: Versi awal artikel ini tidak tepat diterangkan bagaimana sistem GPS beroperasi. Teks itu telah diubah dengan sewajarnya.
