Uvádění speciální teorie relativity do praxe

Teorii relativity vyvinul Albert Einstein na počátku 20. století kvůli neschopnosti klasické fyziky vysvětlit některá pozorování. Má dvě složky, speciální teorii relativity a obecnou teorii relativity.

Speciální teorie relativity je založena na základních pojmech konstantní rychlosti světla a fyzikální děje by se měly všem pozorovatelům jevit stejně a vztahovat se na všechny fyzikální jevy bez výrazné gravitace. Obecná teorie relativity je myšlenka, že čas a prostor jsou dva aspekty časoprostoru, a to, co považujeme za gravitační, je deformace časoprostoru.

Vědci, kteří studují vesmír, mají oblíbenou filozofii známou jako „Principle of Mean“, která v podstatě naznačuje, že na Zemi, Slunci, resp. mléčná dráha Galaxie ve srovnání se zbytkem vesmíru.

Nyní nový výzkum z University of Colorado v Boulderu (CU Boulder) přidává další důkazy k tomuto průměrnému problému: galaxie byly ve vztahu k ranému vesmíru v průměru v klidu. Jeremy Darling, profesor astrofyziky na University of Colorado Boulder, zveřejnil tento nový kosmický objev 26. května 2022 v časopise. Astrophysical Journal Letters.

Tento snímek pochází ze složeného snímku ze září 2003 do ledna 2004, snímků pořízených Hubbleovým vesmírným dalekohledem NASA/ESA, který ukazuje téměř 10 000 galaxií na nejhlubším snímku vesmíru ve viditelném světle v délce miliard světelných let. Zdroj obrázků: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI), HUDF Team

„Tento výzkum nám říká, že máme legrační pohyb, ale tento legrační pohyb je v souladu se vším, co víme o vesmíru – nic zvláštního se zde neděje,“ řekl Darling. „Nejsme výjimeční jako galaxie ani jako pozorovatelé.“

Před téměř 35 lety výzkumníci objevili kosmické mikrovlnné pozadí, elektromagnetické záření, které zbylo z formování vesmíru během velký výbuch. Kosmické mikrovlnné pozadí se zdá být teplejší ve směru našeho pohybu a chladnější dále ve směru našeho pohybu.

Z této záře raného vesmíru mohou vědci usoudit, že Slunce – a Země, která kolem něj obíhá – se pohybuje určitým směrem, určitou rychlostí. Výzkumníci zjistili, že naše odvozená rychlost je zlomkem procenta rychlosti světla – malá, ale ne nulová.

Profesor astrofyziky Jeremy Darling studuje vývoj galaxií, supermasivních černých děr, formování hvězd a kosmologii. Kredit: University of Colorado at Boulder

Vědci mohou tento závěr nezávisle otestovat spočítáním galaxií viditelných ze Země nebo zvýšením jejich jasnosti. Dokážou to díky teorii speciální relativity Alberta Einsteina z roku 1905, která vysvětluje, jak rychlost ovlivňuje prostor a čas. V této aplikaci by každý na Zemi, kdo se dívá na vesmír jedním směrem – stejným směrem, kterým se pohybují Slunce a Země – měl vidět jasnější, modřejší a soustředěnější galaxie. Podobně, když se člověk podívá jiným směrem, měl by vidět galaxie, které jsou tmavší, červené a dále od sebe.

Ale když se vědci v posledních letech pokoušeli spočítat galaxie – což je proces, který je obtížné provést s přesností – přišli s čísly, která naznačují, že se Slunce pohybuje mnohem rychleji, než se dříve myslelo, což je v rozporu se standardní kosmologií.

„Je těžké spočítat počet galaxií na celé obloze – obvykle jste uvízli na jedné nebo méně polokouli,“ řekl Darling. Navíc se nám naše galaxie staví do cesty. Obsahuje prach, díky kterému najdete méně galaxií a čím blíže se k naší galaxii přiblížíte, bude vypadat slabší.“

Darling byl touto vesmírnou záhadou fascinován a zmaten, a tak se rozhodl prozkoumat sám sebe. Věděl také, že nedávno byly zveřejněny dva průzkumy, které by mohly pomoci zlepšit zdraví Z počtu galaxií – a vrhá světlo na rychlostní hlavolam: jedna se nazývá Very Large Array Sky Survey (VLASS) v Novém Mexiku a druhá se nazývá australská Rapid Array Pathfinder Cascading Array (RACS) v Austrálii.

Společně tyto průzkumy umožnily Darlingovi studovat celou oblohu tím, že spojil pohledy na severní a jižní polokouli. Důležité je, že nové průzkumy také využívaly rádiové vlny, díky nimž bylo snazší „vidět“ skrz prach Mléčné dráhy, čímž se zlepšil pohled na vesmír.

Když Darling analyzoval průzkumy, zjistil, že počet a jas galaxií přesně odpovídá rychlosti, kterou dříve výzkumníci odvodili z kosmického mikrovlnného pozadí.

„Najdeme jasný trend a slabý trend – najdeme směr, kde je více galaxií, a směr, kde je galaxií méně,“ řekl. „Velký rozdíl je v tom, že je v souladu s raným vesmírem z kosmického mikrovlnného pozadí a má správnou rychlost. Naše kosmologie je v pořádku.“

Protože se Darlingova zjištění liší od předchozích zjištění, jeho práce pravděpodobně podnítí různé následné studie k potvrzení nebo zpochybnění jeho zjištění.

Ale kromě toho, že posouvají oblast kosmologie kupředu, výsledky jsou dobrým příkladem Einsteinovy ​​speciální teorie relativity v reálném světě – a ukazují, jak výzkumníci stále uvádějí teorii do praxe, více než 100 let poté, co slavný fyzik poprvé navrhl to. .

„Líbí se mi myšlenka, že tento základní princip, o kterém nám Einstein řekl před dlouhou dobou, je něco, co můžete vidět,“ řekl Darling. „Je to opravdu esoterická věc a vypadá to velmi zvláštně, ale když vyjdete ven a vrátíte se zpět do galaxií, můžete vidět tento elegantní efekt. Není to tak esoterické nebo divné, jak si možná myslíte.“

Reference: „Vesmír je jasnější ve směru našeho pohybu: čísla galaxií a toky kompatibilní s dipólem CMB“ od Jeremyho Darlinga, 26. května 2022, Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac6f08