Einstein är rätt om generell relativitet - igen

Albert Einsteins teori om generell relativitet har bevisats rätt igen - och den här gången har fysiker fastnat precis hur exakt det är: Eventuella avvikelser från hans teori om generell relativitet är så små att de skulle ändra beräkningar med en del i 10 000 till en del i 100.000.

Tid efter gång har experiment visat att Einsteins teori om generell relativitet, som beskriver hur gravitationen beter sig, speciellt när man arbetar med höga hastigheter och stora massor. I den nya studien tittade fysiker på gobber av data på planetariska banor för att leta efter små anomalier som inte kunde förklaras av antingen Isaac Newtons gravitationsteori - där tyngdkraften är en kraft mellan objekt som beror på deras massor - eller Einsteins generella relativitetsteori, som säger att tyngdkraften är en vridning av rymdtiden själv.

Och Einsteins teori håller upp igen. [8 sätt kan du se Einsteins relativitetsteori i det verkliga livet]

Gravity går upp?

I det nya testet letade ett internationellt team av forskare som leddes av Aurelien Hees, en matematiker vid Rhodes University i Sydafrika, efter överträdelser av den så kallade Lorentz-symmetri eller Lorentz invariance, en nyckeldel av både relativitetens speciella och allmänna teorier . Denna princip säger att fysiska lagar ser likadant ut oberoende av din hastighet eller orientering. En forskare i en raket som rör sig i en rak linje med en konstant hastighet skulle till exempel se att hennes experiment ger samma resultat som de skulle om hon var i ett rum på jorden - utan att titta ute skulle det inte vara möjligt att säga att hon zippade genom atmosfären i en raket. (Man kan uppleva detta på ett flygplan: frånvaro av turbulensen eller vibrationerna från motorerna, du kan inte berätta om planet - eller dig - rör sig eller inte utan fönster).

En följd av Lorentz symmetri är att gravitationen inte har en föredragen riktning. Jordens gravitation drar på dig på samma sätt om du startar en raket från Ryssland eller USA, från Nordpolen eller Sydpolen. Detta hänvisar inte till skillnaderna på grund av jordens form, precis som gravitationen beter sig - det drar alltid mot mitten av massan. [6 konstiga fakta om gravitation]

Planetariska banor kan användas för att testa eventuella brott mot den symmetri. Just nu beräknas banor med hjälp av Newtons lagar med en korrigering för generell relativitet. Om Lorentz symmetri bryts, då kommer banorna att vara olika - deras banor kommer att vara av med en mätbar mängd.

Samma banor har använts för att visa att den allmänna relativiteten är korrekt. Tillbaka år 1859 märkte astronomer att kvarteret Mercury ändrade sin orientering över tiden - en process som kallas precession. Alla planeter går runt solen i ellipser snarare än perfekta cirklar, och ellipsens långa axel växer sakta som planeterna bogserar varandra. Men Kvicksilverens omlopp rörde sig snabbare än Newtons ekvationer förutspådde, även om man stod för det lilla draget från alla andra planeter. Skillnaden var liten - bara hundradel av en grad varje århundrade - men det var där.

Vid den tidpunkten förutspådde vissa forskare att en annan planet (dubblerad Vulcan) måste ligga inne i Mercury's bana. Ingen fann Vulcan, så det var klart att någonting var fel. År 1915 löste Einstein det problemet utan att behöva den hypotetiska planeten. Allmän relativitet kunde redovisa den lilla skillnaden från Newtons lagar.

Form av planetariska banor

För att leta efter en överträdelse av Lorentz-symmetri, analyserade Hees team data och analyser från år av observationer av avstånden mellan planeter och månen, mätt av rymdprober, markbaserade observatorier och laseranalyser, det senare från Intégrateur Numérique Plané de l'Observatoire de Paris (INPOP). Av särskilt intresse var hur varje planetens elliptiska omlopp förändras över tiden.

Orbiter runt solen (eller månens vandring runt jorden) är alla lutade lite i förhållande till jordens bana. Den punkt där planeten korsar jordens bana från söder till norr kallas den stigande noden. Hees och hans team tittade på vinkeln mellan den punkt där planeten gör sitt närmaste tillvägagångssätt till solen och den stigande noden. Den vinkeln förändras med små mängder, eftersom varje planet blir tugged av andra planets gravitation.

Detta är samma typ av observation som avslöjade skillnaden i Mercury s bana i 1800-talet, och många grupper av forskare har försökt upptäcka de jämnare effekterna av generell relativitet på andra planeter, som Venus, Mars, Jupiter, Saturnus och jämn Jord. Nu kan forskare redogöra för generell relativitet och lägga till små korrigeringar i Newtons lagar om rörelse. [10 konstiga fakta om kvicksilver]

Hees team använde all den informationen för att räkna ut hur exakt Einsteins teori är och för att avgöra var man ska leta efter eventuella överträdelser. Om det fanns någon överträdelse av Lorentz-symmetri, ska formerna av ellipserna som beskriver planetens banor, kallade excentriciteter, förändras. Dessutom ska orbitalhöjningarna - "tilt" i förhållande till jordens bana förändras på sätt som inte redovisas av Newtons teori med korrigeringar för generell relativitet.

För att kvantifiera skillnaden mellan nuvarande förutsägelser av generell relativitet och de faktiska observationerna använder fysiker siffror som kallas Standard Model Extension-koefficienter, eller små och medelstora företag, som borde vara noll om relativitet och Newtons lagar står för alla planetens rörelser.

De små och medelstora företagen var inte nödvändigtvis noll, även om de var riktigt små, med intervall från 10 ^ -9 (en i miljard) till 10 ^ -12 (en i trillion), vilket innebär att de överensstämmer med Einsteins lagar åtminstone en delas i 10 000 till en del i 100 000. Det viktiga som Hees noterade är att intervallet berättar vad gränserna är för någon ny fysisk teori.

"Vi vet inte riktigt var någon avvik kan uppstå," berättade Hees för Live Science. "Det måste dock vara mindre än de nuvarande gränserna."

Ny fysik

Det kan tyckas som mycket arbete för att testa en teori som har bevisats rätt tid och tid igen. Men sådana tester är viktiga för att hitta nya teorier utöver generell relativitet som forskare är ganska säker existerar.

"De har samlat årtionden av data om planetariska rörelser för att leta efter avvikelser från Lorentz invariance, en hörnsten av både [speciell och allmän relativitet] och Standardmodellen för partikelfysik", säger Paul M. Sutter, en astrofysiker vid Ohio State University vem var inte inblandad i den nya studien. "Om någon finner bevis för detta [brott] är det omedelbart Nobel."

Forskningen framträdde i september 29 utgåva av tidskriften Physical Review D.