Et diagram over den tre-legeme system.Grafik: Thomas Tauris (Phys.org)
Forskere forstår alvoren temmelig godt, når det kommer til to objekter, men tilføje en tredje, og du har fået kaos—et system, der er umuligt at forklare med vores mest simple ligninger. Men du har også en måde at teste grænser af Einsteins teori om tyngdekraften.
Du er sikkert klar over det faktum, at der er en masse uløste spørgsmål om vores univers—som hvad er mørk energi, hvad er det mørke stof, og hvorfor kan en forenet fysik teori forklare både den største og mindste objekter i universet? Et tilbagevendende tema eksperimenter for at undersøge disse problemer er, at de teste Einsteins generelle relativitetsteori. Man ser på de yderste områder af teorien, om der er steder, hvor den virkelige verden ikke er enige med det. Men uanset hvad nogen gør, teorien har ikke svigtet endnu.
“Test af generelle relativitetsteori er vigtigt lige nu,” Anne Archibald, en fysiker fra Universitetet i Amsterdam, sagde til Gizmodo. “Vi er ved at teste det på en måde, der har været vanskeligt indtil nu.”
Forskerne tester noget, der hedder den ækvivalens-princippet. Du kan definere massen på to måder: for hvordan et objekt opfører sig i et tyngdefelt, og hvordan det opfører sig, når du prøver at skubbe på det, også kaldet dets inertiel masse. Den generelle relativitetsteori siger, at disse er faktisk de samme. Hvis du var i rummet, accelererende opad i en elevator, til den kraft, din inertiel masse, føler kunne være netop efterlignede af følelsen af at stå på en planet med den rette grovhed.
Men er de to faktisk det samme? Forskere har udført tests for at sammenligne Jorden, månen og Solen, og et nyligt eksperiment selv, der er involveret planeten Merkur. Så langt, er Einsteins teori ikke er blevet bevist forkert.
Et nyt papir publiceret i Nature i stedet bruger observationer af et tre-legeme system kaldet PSR J0337+1715. Dette system består af en roterende neutronstjerne, at skyde en stråle af lys (kaldet en pulsar) og en hvid dværg, der kredser om hinanden, hver 1.6 Jorden dage, som begge kredser om en anden hvid dværg hver 327 Jorden dage.
De brugte 800 observationer i systemet, der spænder over seks år, ved hjælp af den Westerbork Syntese Radio Telescope i Holland, Robert C. Byrd, Green Bank-Teleskopet i West Virginia, og William E. Gordon teleskop på Arecibo Observatoriet i Puerto Rico.
Hvordan vil du teste ækvivalens-princippet? Godt, du har to objekter—den ene er en hvid dværgstjerne, hvis massen er for det meste består af sagen. Så er der pulsar. Pulsar kræver masser af gravitationel energi at holde det sammen—og af Einsteins berømte E=mc2 ligning, tyngdekraften gør pulsar endnu tungere, da energi og masse er ækvivalente. I virkeligheden, en betydelig del af pulsar ‘ s masse, måske 10 til 20 procent, kan komme fra grovhed, der holder den sammen. Hvis den generelle relativitetsteori er galt, så neutronstjerne, vil opføre sig forskelligt fra sine nærheden hvid dværg kammerat i en reaktion på, at fjerne hvide dværg er tyngdekraften.
Forskerne kunne måle denne adfærd baseret på pulserende adfærd af den roterende neutron-stjerne. Observationerne viste, at den hvide dværg og pulsar syntes at opføre sig på præcis samme måde på den anden hvid dværg er tyngdekraften. Den generelle relativitetsteori vinder igen.
Modellering tre-legeme systemer som disse er vanskelige. Som Ingrid Trapper, undersøgelse forfatter og fysiker fra University of British Columbia, fortalte Gizmodo, “Når du har en ekstern organisation, der theres er ikke nogen pæn løsning, der er bare en ligning på et ark papir.” Du har måske læst science fiction bog, er De Tre-Legeme Problem, som beskriver blot, hvordan uforudsigelige disse systemer er gennem linsen af en fremmed art, der forsøger at overleve på en planet, der kredser om en. Archibald var især begejstret for den simuleringer hun bruges som model for problemet, ved hjælp af hvad hun troede var temmelig grundlæggende fysik.
Disse typer af tests, der er vigtige for den måde, de kan udelukke alternative teorier for tyngdekraften, der ligner den generelle relativitetsteori, men adskiller sig til endnu-til-være-udforsket fysiske riger. En fysiker ikke involveret i undersøgelsen, Clifford Vil fra University of Florida, Gainesville, skrev, at denne forskning har gjort gyldigheden af nogle af de alternative teorier “meget svagere”, men at de ikke har været helt udelukket i henhold til en Art kommentar. Afvigelser fra den generelle relativitetsteori, vil stadig nødt til at være meget lille, sagde Archibald.
Jeg spurgte også, Archibald og Trapper, om de havde læst Den Tre-Legeme Problem ved Liu Cixin. Trappen havde ikke, og Archibald er halvvejs igennem. “Et af temaerne i bogen er grundlæggende fysik… hvis du kan gøre det samme eksperiment i to steder, fysik afhænger ikke af hvor. Det er denne universelle grundlæggende fysik kan du få ved forsigtig med at eksperimentere. [Liu] spørger, hvad der sker, hvis fysik ikke virker på den måde?” sagde hun. “Jeg prøver, at der på et grundlæggende niveau.”
[Naturen]