A ragadós gyöngyök érvelése az általános relativitáselméletben egy egyszerű gondolatkísérlet , amelynek célja annak bemutatása, hogy a gravitációs sugárzást valóban az általános relativitáselmélet előrejelzi, és fizikai megnyilvánulásai is lehetnek. Ezeket az állításokat csak az 1950-es évek közepéig fogadták el széles körben, de a ragadós gyöngyök érvelésének bevezetése után a fennmaradó kétségek hamarosan eltűntek a kutatási irodalomból.
Az érvelést gyakran Herman Bondynak tulajdonítják , aki népszerűsítette, [1] de eredetileg Richard Feynman javasolta névtelenül . [2] [3] [4]
A gondolatkísérletet először Feynman ("Mr. Smith" álnéven) írta le 1957-ben egy konferencián az Egyesült Államokban , Chapel Hillben [3] , majd később ezt írta személyes levelében:
Feynman gravitációs hullámdetektora: Egyszerűen két gyöngy, amelyek szabadon (de kis súrlódással) csúsznak egy merev rúdon. Ahogy a hullám áthalad a rúdon, az atomerők rögzítik a rúd hosszát, de a két gyöngy közötti megfelelő távolság oszcillál. Így a gyöngyök a rúdhoz dörzsölődnek, eloszlatva a hőt.
Mivel a gravitációs hullámok többnyire keresztirányúak, a rudat a hullámterjedés irányára merőlegesen kell irányítani.
Az általános relativitáselmélet megalkotója, Albert Einstein 1916-ban úgy érvelt [5] , hogy elmélete szerint gravitációs sugárzást kell létrehozni bármilyen tömeg-energia konfigurációval, amelynek időben változó kvadrupólusmomentuma (vagy magasabb többpólusú momentuma ) van. Linearizált téregyenlet segítségével ( alkalmas gyenge gravitációs terek tanulmányozására) levezette a híres kvadrupól-képletet , amely számszerűsíti azt a sebességet, amellyel az ilyen sugárzásnak energiát kell elvinnie. [6] Az időben változó kvadrupólusmomentumokkal rendelkező rendszerek példái közé tartoznak a vibráló húrok; a rúd szimmetriatengelyére merőleges tengely körül forgó rudak; bináris csillagrendszerek, de nem forgó korongok.
1922-ben Arthur Stanley Eddington írt egy cikket, amelyben (látszólag először) azt a nézetet fejezte ki, hogy a gravitációs hullámok lényegében koordináták lüktetései, és nincs fizikai jelentésük. Nem értékelte Einstein érveit, miszerint a hullámok valódiak.
1936-ban Nathan Rosennel együtt Einstein újra felfedezte a Beck-vákuumot , a hengeres szimmetriájú, egzakt gravitációs hullámmegoldások családját (ezt néha Einstein–Rosen hullámoknak is nevezik). A tesztrészecskék mozgásának tanulmányozásával ezekben az oldatokban Einstein és Rosen meggyőződött arról, hogy a gravitációs hullámok instabilok az összeomláshoz. Einstein teljesen meggondolta magát, és bejelentette, hogy a gravitációs sugárzás nem jósolja elméletét. Einstein ezt írta barátjának, Max Bornnak :
Egy fiatal munkatársammal együtt érdekes eredményre jutottam, hogy gravitációs hullámok nem léteznek, bár az első közelítésben bizonyosságra vették. Ez azt mutatja, hogy a nemlineáris mezőegyenletek többet mutathatnak meg, vagy inkább korlátoznak bennünket, mint azt eddig gondoltuk.
Más szavakkal, Einstein úgy vélte, hogy a gravitációs sugárzás előrejelzése az általa 1916-ban alkalmazott lineáris közelítés matematikai műterméke. Einstein úgy gondolta, hogy ezek a síkhullámok gravitációsan pontokba görbülnek; régóta remélte, hogy valami ilyesmi megmagyarázza a kvantummechanikai hullám-részecske kettősséget.
Ennek megfelelően Einstein és Rosen bemutatott egy tanulmányt "Léteznek-e gravitációs hullámok?" a " Physical Review " fizikai folyóiratnak , amelyben leírták hullámmegoldásaikat, és arra a következtetésre jutottak, hogy az általános relativitáselméletben megjelenő "sugárzás" nem valódi sugárzás, amely képes energiát hordozni, vagy (elvileg) megfigyelt fizikai hatásokkal rendelkezik. [7] Egy névtelen referens, aki, mint megerősítették A Physical Review jelenlegi szerkesztője, akiről kiderült, hogy Howard Percy Robertson kozmológus rámutatott az alább leírt hibára, és a kéziratot visszaküldték a szerzőknek egy megjegyzéssel, hogy a szerkesztő arra kéri őket, hogy vizsgálják felül a dokumentumot. kezelni ezeket a kérdéseket. Einstein erre nem jellemző módon nagyon rosszul fogadta ezt a kritikát, és dühösen válaszolt: "Nem látok okot arra, hogy válaszoljak a referense által megfogalmazott téves véleményre." Megfogadta, hogy soha többé nem nyújt be cikket a Physical Review-nak. Einstein és Rosen ehelyett változatlan formában újra benyújtotta a papírt egy másik, sokkal kevésbé ismert Franklin Institute folyóiratnak. [8] A cikk betartotta a "Physical Review"-val kapcsolatos ígéretét.
Leopold Infeld , aki ekkor érkezett a Princetoni Egyetemre , később teljes meglepetésére emlékezett vissza, amikor meghallotta ezt az eseményt, hiszen a sugárzás nagyon fontos eleme minden , a névre méltó klasszikus térelméletnek . Infeld kétségeit fejezte ki az általános relativitáselmélet vezető tekintélyének, H. P. Robertsonnak, aki most tért vissza a Caltechtől . Robertson hibát mutatott ki Einstein érvelésében: lokálisan az Einstein-Rosen hullámok sík gravitációs hullámok . Einstein és Rosen helyesen mutatta be, hogy a tesztrészecskék felhője szinuszos síkhullámokban maró anyagot képez [ , de egy másik diagramra (lényegében a Brinkmann-koordinátákra ) váltva azt mutatja, hogy a marórészecske kialakulása egyáltalán nem ellentmondás. de valójában ebben a helyzetben csak az várható el. Infeld ezután Einsteinhez fordult, aki egyetértett Robertson elemzésével (még mindig nem tudta, hogy ő a Physical Review referense).
Mivel Rosen akkoriban a Szovjetunióba utazott, Einstein egyedül dolgozott, gyorsan és alaposan áttekintette közös munkáját. Ezt a harmadik verziót Gravitational Waves névre keresztelték, és Robertson hengeres koordinátákra való konvertálási javaslata nyomán bevezette az úgynevezett Einstein-Rosen hengeres hullámokat (ezek lokálisan izometrikusak a síkhullámokhoz képest). A cikknek ez a változata végül megjelent. Rosen azonban elégedetlen volt ezzel a felülvizsgálattal, és végül kiadta a saját verzióját, amely megtartotta a gravitációs sugárzás előrejelzésének téves "cáfolatát".
A Physical Review szerkesztőjének írt levelében Robertson azt mondta, hogy Einstein végül teljes mértékben elfogadta azokat az ellenvetéseket, amelyek kezdetben annyira felzaklatták.
1955-ben fontos konferenciát tartottak Bernben a különleges relativitáselmélet fél évszázados évfordulója alkalmából . Rosen részt vett és előadást tartott, amelyben kiszámította az Einstein pszeudotenzort és a Landau-Lifshitz pszeudotenzort ( a gravitációs mező által hordozott energia két alternatív, nem kovariáns leírása, ez a fogalom köztudottan nehezen definiálható általában relativitáselmélet) . Az Einstein-Rosen hullámok nullának bizonyultak, és Rosen azt állította, hogy ez megerősítette azt a negatív következtetést, amelyet Einsteinnel 1936-ban tett.
Azonban ekkorra már több fizikus, például Felix Pirani és Ivor Robinson felismerte a görbület szerepét az létrejöttében, és sok társat meg tudtak győzni arról, hogy gravitációs sugárzás valóban létezik, legalábbis a következő esetekben: például egy vibráló rugó, ahol a rendszer különböző részei nyilvánvalóan nem voltak tehetetlenségi mozgásban. Mindazonáltal egyes fizikusok továbbra is kételkedtek abban, hogy a sugárzást egy kettős csillagrendszer állítja elő , ahol a két csillag tömegközéppontjainak világvonala az EIH közelítés szerint (1938-ra datált és Einstein miatt ) , Infeld és Hoffmann Beneš ), kövesse az időszerű geodetikumokat.
A Felix Piranival folytatott beszélgetések ihlette Hermann Bondi a gravitációs sugárzás tanulmányozásával foglalkozott, különös tekintettel a sugárzó rendszer által "a végtelenségig" szállított energia és lendület számszerűsítésére. Az elkövetkező néhány évben Bondi kidolgozta a Bondi sugárzási diagramot és a Bondi energia fogalmát , hogy alaposan tanulmányozza ezt a kérdést a lehető legnagyobb általánosságban.
1957-ben, egy Chapel Hill-i konferencián, amelyen a John Lighton Synge , A. Z. Petrov és André Lichnerowicz által kifejlesztett különféle matematikai eszközöket vizsgálták , Pirani a korábban lehetségesnél világosabban elmagyarázta a Riemann-tenzor és különösen az árapálytenzor központi szerepét. az általános relativitáselméletben. [9] Ő adta az első helyes leírást a szinuszos gravitációs síkhullámmal ütköző, kezdetben kölcsönösen statikus tesztrészecskék relatív (árapály) gyorsulására.
Később, a Chapel Hill konferencián Richard Feynman , aki ragaszkodott ahhoz, hogy álnéven regisztráljon, hogy kifejezze megvetését a gravitációs fizika jelenlegi állapotával szemben, Pirani leírását felhasználva, megmutatta, hogy a gravitációs hullám áthaladása a gyöngyök vibrációját okozza egy orientált rúdon. keresztirányban a hullámterjedés irányára, így a golyót és a rudat súrlódás hatására felmelegíti . [4] Feynman szerint ez a melegítés azt mutatta, hogy a hullám valóban energiát adott át golyókból és rudakból álló rendszernek, tehát valóban energiát kell továbbítania, ellentétben Rosen 1955-ben kifejtett véleményével.
Két 1957-es tanulmányban Bondi és (külön) Joseph Weber és John Archibald Wheeler ezt az érvet használta fel Rosen érvelésének részletes cáfolatára. [1] [10]
Nathan Rosen a sugárzási reakcióval kapcsolatos feltételezett paradoxon alapján már az 1970-es években azzal érvelt , hogy a gravitációs sugárzást valójában nem az általános relativitáselmélet jósolja meg. Érveit általában érvénytelennek tartották, mivel a ragadós gyöngyökkel kapcsolatos érv régóta meggyőzte más fizikusokat a gravitációs sugárzás előrejelzésének valóságáról.