Argument z lepkiego koralika - Sticky bead argument

W ogólnej teorii względności argument z lepkich kulek jest prostym eksperymentem myślowym, którego celem jest wykazanie, że promieniowanie grawitacyjne jest rzeczywiście przewidywane na podstawie ogólnej teorii względności i może mieć skutki fizyczne. Twierdzenia te nie były powszechnie akceptowane przed około 1955 rokiem, ale po wprowadzeniu argumentu koralikowego wszelkie pozostałe wątpliwości szybko zniknęły z literatury badawczej.

Argument ten jest często przypisywany Hermannowi Bondiemu , który go spopularyzował, ale pierwotnie został on zaproponowany anonimowo przez Richarda Feynmana .

Opis

Eksperyment myślowy został po raz pierwszy opisany przez Feynmana (pod pseudonimem „Mr. Smith”) w 1957 roku na konferencji w Chapel Hill w Północnej Karolinie , a później skierowany w jego prywatnym liście:

Detektor fal grawitacyjnych Feynmana: to po prostu dwie kulki przesuwające się swobodnie (ale z niewielkim tarciem) na sztywnym pręcie. Gdy fala przechodzi nad prętem, siły atomowe utrzymują długość pręta nieruchomo, ale odpowiednia odległość między dwoma koralikami oscyluje. W ten sposób koraliki ocierają się o pręt, rozpraszając ciepło.

Ponieważ fale grawitacyjne są głównie poprzeczne, pręt musi być ustawiony prostopadle do kierunku propagacji fali.

Historia sporów na temat właściwości fal grawitacyjnych

Podwójne odwrócenie Einsteina

Twórca ogólnej teorii względności, Albert Einstein , przekonywał w 1916 roku, że promieniowanie grawitacyjne powinno być wytwarzane, zgodnie z jego teorią, przez dowolną konfigurację masy i energii, która ma zmienny w czasie moment kwadrupolowy (lub wyższy moment wielobiegunowy ). Wykorzystując zlinearyzowane równanie pola (odpowiednie do badania słabych pól grawitacyjnych), wyprowadził słynną formułę kwadrupolową określającą ilościowo szybkość, z jaką takie promieniowanie powinno przenosić energię. Przykłady układów ze zmieniającymi się w czasie momentami kwadrupolowymi obejmują wibrujące struny, pręty obracające się wokół osi prostopadłej do osi symetrii pręta oraz podwójne układy gwiazd, ale nie obracające się dyski.

W 1922 roku Arthur Stanley Eddington napisał artykuł wyrażający (najwyraźniej po raz pierwszy) pogląd, że fale grawitacyjne są w istocie falami we współrzędnych i nie mają fizycznego znaczenia. Nie docenił argumentów Einsteina, że ​​fale są prawdziwe.

W 1936 roku, wraz z Nathanem Rosenem , Einstein na nowo odkrył próżnię Becka , rodzinę dokładnych rozwiązań fal grawitacyjnych o symetrii cylindrycznej (czasami nazywanych również falami Einsteina-Rosena ). Badając ruch cząstek testowych w tych roztworach, Einstein i Rosen byli przekonani, że fale grawitacyjne są niestabilne do zapadania się. Einstein odwrócił się i stwierdził, że promieniowanie grawitacyjne nie było w końcu przepowiednią jego teorii. Einstein napisał do swojego przyjaciela Maxa Borna

Wraz z młodym współpracownikiem doszedłem do interesującego wyniku, że fale grawitacyjne nie istnieją, chociaż przyjęto je jako pewność co do pierwszego przybliżenia. To pokazuje, że nieliniowe równania pola mogą pokazać nam więcej, a raczej ograniczyć nas, niż sądziliśmy do tej pory.

Innymi słowy, Einstein uważał, że on i Rosen ustalili, że ich nowy argument wykazał, iż przewidywanie promieniowania grawitacyjnego jest matematycznym artefaktem liniowego przybliżenia, którego użył w 1916 r. Einstein uważał, że te fale płaskie będą grawitacyjnie rozpadać się w punkty; od dawna miał nadzieję, że coś takiego wyjaśni kwantowo-mechaniczną dwoistość fali i cząstek.

W związku z tym Einstein i Rosen przedstawili artykuł zatytułowany Czy istnieją fale grawitacyjne? do czołowego czasopisma fizycznego Physical Review , w którym opisali swoje rozwiązania falowe i doszli do wniosku, że „promieniowanie”, które wydawało się występować w ogólnej teorii względności, nie było prawdziwym promieniowaniem zdolnym do przenoszenia energii lub mającym (w zasadzie) mierzalne efekty fizyczne. Anonimowy sędzia, którym - jak niedawno potwierdził obecny redaktor Physical Review , wszystkie strony już nie żyły - był bojowy kosmolog Howard Percy Robertson , wskazał na opisany poniżej błąd i rękopis został zwrócony autorom z notatką od redaktor proszący ich o zmianę artykułu w celu rozwiązania tych problemów. Co dość nietypowe, Einstein bardzo źle przyjął tę krytykę, ze złością odpowiadając: „Nie widzę powodu, by zajmować się w każdym razie błędną opinią wyrażoną przez twojego sędziego”. Przyrzekł, że nigdy więcej nie przedłoży artykułu do Physical Review . Zamiast tego Einstein i Rosen ponownie przedstawili artykuł bez zmian w innym i znacznie mniej znanym czasopiśmie, The Journal of the Franklin Institute . Dotrzymał przysięgi dotyczącej przeglądu fizycznego .

Leopold Infeld , który w tym czasie przybył na Uniwersytet Princeton , przypomniał sobie później swoje całkowite zdziwienie słysząc o tym wydarzeniu, ponieważ promieniowanie jest tak istotnym elementem każdej klasycznej teorii pola, która zasługuje na tę nazwę. Infeld wyraził swoje wątpliwości wiodącemu ekspertowi od ogólnej teorii względności: HP Robertsonowi, który właśnie wrócił z wizyty w Caltech . Przechodząc do argumentu, tak jak zapamiętał go Infeld, Robertson był w stanie pokazać Infeldowi błąd: lokalnie fale Einsteina-Rosena są grawitacyjnymi falami płaskimi . Einstein i Rosen poprawnie wykazali, że chmura cząstek testowych mogłaby, w sinusoidalnych falach płaskich, tworzyć kaustyki , ale zmiana na inny wykres (zasadniczo współrzędne Brinkmanna ) pokazuje, że tworzenie się substancji żrącej wcale nie jest sprzecznością , ale w rzeczywistości czego można by się spodziewać w tej sytuacji. Infeld następnie zwrócił się do Einsteina, który zgodził się z analizą Robertsona (wciąż nie wiedząc, że to on przejrzał przesłanie Physical Review).

Odkąd Rosen niedawno wyjechał do Związku Radzieckiego, Einstein działał sam, szybko i dokładnie poprawiając ich wspólny artykuł. Trzecia wersja została zmieniona na O falach grawitacyjnych i, zgodnie z sugestią Robertsona dotyczącą transformacji do współrzędnych cylindrycznych, przedstawiła tak zwane cylindryczne fale Einsteina-Rosena (są to fale lokalnie izometryczne do płaskich). To jest wersja, która ostatecznie się pojawiła. Jednak Rosen był niezadowolony z tej rewizji i ostatecznie opublikował swoją własną wersję, w której zachowano błędne „zaprzeczenie” przewidywania promieniowania grawitacyjnego.

W liście do redaktora Physical Review Robertson ironicznie poinformował, że ostatecznie Einstein w pełni przyjął zastrzeżenia, które początkowo go tak zdenerwowały.

Konferencje w Bernie i Chapel Hill

W 1955 roku ważnym konferencja uhonorowanie pół-stulecie szczególnej teorii względności odbyła się w Bernie , szwajcarskiej stolicy, gdzie Einstein pracował w słynnym urzędzie patentowym podczas annus mirabilis . Rosen wziął udział i wygłosił wykład, w którym obliczył pseudotensor Einsteina i pseudotensor Landaua-Lifshitza (dwa alternatywne, niekowariantne opisy energii niesionej przez pole grawitacyjne , pojęcie, które jest notorycznie trudne do ustalenia w ogólnej teorii względności). Okazuje się, że dla fal Einsteina-Rosena jest to zero, a Rosen argumentował, że potwierdza to negatywny wniosek, do którego doszedł z Einsteinem w 1936 roku.

Jednak do tego czasu kilku fizyków, takich jak Felix Pirani i Ivor Robinson , zdało sobie sprawę z roli odgrywanej przez krzywiznę w wytwarzaniu przyspieszeń pływowych i byli w stanie przekonać wielu rówieśników, że promieniowanie grawitacyjne rzeczywiście będzie wytwarzane, przynajmniej w przypadkach. takie jak wibrująca sprężyna, w której różne elementy systemu nie były w ruchu bezwładnościowym . Niemniej jednak, niektórzy fizycy nadal wątpliwości, czy promieniowanie będzie produkowany przez binarnego układu planetarnego , gdzie linie świata tych ośrodków masy dwóch gwiazdy powinny, zgodnie z zbliżenia EIH (pochodzącym z 1938 roku z powodu Einsteina, Infeld, a Banesh Hoffmann ), postępuj zgodnie z geodezyką czasową .

Zainspirowany rozmowami Felixa Piraniego , Hermann Bondi podjął badanie promieniowania grawitacyjnego, w szczególności kwestię ilościowego określenia energii i pędu przenoszonych „w nieskończoność” przez system promieniujący. W ciągu następnych kilku lat Bondi opracował wykres promieniowania Bondiego i pojęcie energii Bondiego, aby rygorystycznie zbadać tę kwestię w maksymalnej ogólności.

W 1957 roku, na konferencji w Chapel Hill w Północnej Karolinie , odwołując się do różnych narzędzi matematycznych opracowanych przez Johna Lightona Synge , AZ Petrowa i André Lichnerowicza , Pirani wyjaśnił jaśniej niż było to możliwe wcześniej, centralną rolę odgrywaną przez tensor Riemanna, aw szczególności pływów tensor w ogólnej teorii względności. Podał pierwszy poprawny opis względnego (pływowego) przyspieszenia początkowo statycznych cząstek testowych, które napotykają sinusoidalną grawitacyjną falę płaską.

Argument Feynmana

Później na konferencji w Chapel Hill Richard Feynman użył opisu Piraniego, aby wskazać, że przechodząca fala grawitacyjna powinna w zasadzie powodować przesuwanie się kulki na patyku (zorientowanej poprzecznie do kierunku propagacji fali), ogrzewając w ten sposób koralik i patyk przez tarcie . To ogrzewanie, powiedział Feynman, pokazało, że fala rzeczywiście przekazała energię systemowi perełek i kija, więc musi rzeczywiście przenosić energię, w przeciwieństwie do poglądu wyrażonego w 1955 przez Rosena.

W dwóch artykułach z 1957 roku Bondi i (oddzielnie) Joseph Weber i John Archibald Wheeler wykorzystali ten argument, aby przedstawić szczegółowe obalenia argumentu Rosena.

Ostatnie poglądy Rosena

Nathan Rosen kontynuował argumentację jeszcze w latach siedemdziesiątych XX wieku, opierając się na rzekomym paradoksie związanym z reakcją radiacyjną , że w rzeczywistości ogólna teoria względności nie przewiduje promieniowania grawitacyjnego. Jego argumenty były powszechnie uważane za nieważne, ale w każdym razie argument z lepkich kulek już dawno przekonał innych fizyków o rzeczywistości przewidywania promieniowania grawitacyjnego.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia