Argument lepkavých korálků v obecné teorii relativity je jednoduchý myšlenkový experiment navržený tak, aby ukázal, že gravitační záření je skutečně předpovídáno obecnou teorií relativity a může mít fyzikální projevy. Tato tvrzení nebyla široce přijímána až do poloviny 50. let, ale po zavedení argumentu lepkavých korálků všechny zbývající pochybnosti brzy zmizely z výzkumné literatury.
Argument je často připisován Hermanu Bondymu , který jej popularizoval, [1] ale původně jej anonymně navrhoval Richard Feynman . [2] [3] [4]
Myšlenkový experiment poprvé popsal Feynman (pod pseudonymem „Mr. Smith“) v roce 1957 na konferenci v Chapel Hill v USA [3] a později ve svém osobním dopise napsal:
Feynmanův detektor gravitačních vln: Jsou to jednoduše dvě kuličky volně klouzající (ale s malým množstvím tření) po tuhé tyči. Jak vlna prochází přes tyč, atomové síly drží délku tyče fixovanou, ale správná vzdálenost mezi dvěma kuličkami osciluje. Kuličky se tedy třou o tyč a odvádějí teplo.
Protože gravitační vlny jsou většinou příčné, musí být tyč orientována kolmo ke směru šíření vlny.
Tvůrce teorie obecné relativity Albert Einstein v roce 1916 tvrdil [5] , že gravitační záření by podle jeho teorie mělo být vytvářeno jakoukoli konfigurací hmoty a energie, která má časově proměnný kvadrupólový moment (nebo vyšší multipólový moment ). Pomocí linearizované rovnice pole (vhodné pro studium slabých gravitačních polí) odvodil slavný kvadrupólový vzorec , kvantifikující rychlost, jakou by takové záření mělo unášet energii. [6] Příklady systémů s časově proměnnými kvadrupólovými momenty zahrnují vibrující struny; tyče otáčející se kolem osy kolmé k ose symetrie tyče; binární hvězdné systémy, ale ne rotující disky.
V roce 1922 Arthur Stanley Eddington napsal článek vyjadřující (zřejmě poprvé) názor, že gravitační vlny jsou v podstatě pulsace v souřadnicích a nemají žádný fyzikální význam. Neocenil Einsteinovy argumenty, že vlny jsou skutečné.
V roce 1936, spolu s Nathanem Rosenem , Einstein znovu objevil Beckovo vakuum , rodinu přesných řešení gravitačních vln s válcovou symetrií (někdy také nazývaných Einstein-Rosenovy vlny). Studiem pohybu testovacích částic v těchto roztocích se Einstein a Rosen přesvědčili, že gravitační vlny jsou nestabilní ke kolapsu. Einstein zcela změnil názor a oznámil, že gravitační záření není předpovědí jeho teorie. Einstein napsal svému příteli Max Bornovi :
Spolu s mladým spolupracovníkem jsem došel k zajímavému výsledku, že gravitační vlny neexistují, i když v prvním přiblížení byly pro jistotu brány. To ukazuje, že rovnice nelineárního pole nám mohou ukázat více nebo spíše omezit nás více, než jsme si dosud mysleli.
Jinými slovy, Einstein věřil, že předpověď gravitačního záření je matematickým artefaktem lineární aproximace, kterou použil v roce 1916. Einstein věřil, že tyto rovinné vlny se gravitačně stočí do bodů; dlouho doufal, že něco takového vysvětlí kvantově-mechanickou dualitu vlna-částice.
V souladu s tím Einstein a Rosen předložili článek s názvem "Existují gravitační vlny?" do fyzikálního žurnálu „ Physical Review “, ve kterém popsali svá vlnová řešení a došli k závěru, že „záření“, které se zjevně objevuje v obecné teorii relativity, není skutečné záření schopné přenášet energii nebo má (v zásadě) pozorované fyzikální účinky. [7] Anonymní referent, který, jak bylo potvrzeno Současný redaktor časopisu Physical Review, o kterém se ukázalo, že je kosmolog Howard Percy Robertson upozornil na níže popsanou chybu a rukopis byl vrácen autorům s poznámkou, že je editor žádá, aby dokument přepracovali. řešit tyto problémy. Einstein netypicky přijal tuto kritiku velmi špatně a rozzlobeně odpověděl: "Nevidím žádný důvod reagovat na chybný názor vyjádřený vaším referentem." Slíbil, že už nikdy žádný článek do Physical Review neodešle. Místo toho Einstein a Rosen znovu zaslali článek, nezměněný, do jiného, mnohem méně známého Journal of Franklin Institute. [8] Článek dodržel svůj slib ohledně „Physical Review“.
Leopold Infeld , který v té době dorazil na Princetonskou univerzitu , si později vzpomněl na své naprosté překvapení, když se o této události doslechl, protože radiace je velmi důležitým prvkem v každé klasické teorii pole, která si toto jméno zaslouží. Infeld vyjádřil své pochybnosti přednímu odborníkovi na obecnou teorii relativity, H. P. Robertsonovi, který se právě vrátil z Caltechu . Robertson ukázal chybu v Einsteinově uvažování: lokálně jsou Einstein-Rosenovy vlny rovinné gravitační vlny . Einstein a Rosen správně ukázali, že oblak testovacích částic v sinusových rovinných vlnách tvoří žíravinu , ale změna na jiný diagram ( v podstatě Brinkmannovy souřadnice ) ukazuje, že vznik žíraviny není vůbec v rozporu, ale vlastně jen to lze v této situaci očekávat. Infeld se poté obrátil na Einsteina, který souhlasil s Robertsonovou analýzou (stále nevěděl, že je referentem Physical Review).
Vzhledem k tomu, že Rosen byl v té době na cestě do SSSR, Einstein pracoval sám a rychle a pečlivě prověřoval svou společnou práci. Tato třetí verze byla přejmenována na Gravitační vlny a po Robertsonově návrhu na převod na válcové souřadnice zavedla tzv. Einstein-Rosenovy válcové vlny (jsou lokálně izometrické vůči rovinným vlnám). Tato verze článku se nakonec objevila. Rosen však byl s touto revizí nešťastný a nakonec publikoval svou vlastní verzi, která si zachovala chybné „vyvrácení“ předpovědi gravitačního záření.
V dopise redaktorovi Physical Review Robertson řekl, že nakonec Einstein plně akceptoval námitky, které ho zpočátku tak rozčilovaly.
V roce 1955 se v Bernu konala důležitá konference na oslavu půlstoletého výročí speciální teorie relativity . Rosen se zúčastnil a přednesl přednášku, ve které vypočítal Einsteinův pseudotensor a Landau-Lifshitzův pseudotensor (dva alternativní, nekovariantní popisy energie přenášené gravitačním polem, pojem, který je obecně obtížně definovatelný. relativita). Ukázalo se, že pro Einstein-Rosenovy vlny jsou nulové a Rosen tvrdil, že to potvrdilo negativní závěr, který učinil s Einsteinem v roce 1936.
V té době však několik fyziků, jako například Felix Pirani a Ivor Robinson , rozpoznalo roli zakřivení při vytváření slapových zrychlení a byli schopni přesvědčit mnoho vrstevníků, že gravitační záření skutečně existuje, alespoň v případech např. například vibrující pružina, kde různé části systému zjevně nebyly v setrvačném pohybu. Přesto někteří fyzici nadále pochybovali o tom, že záření bude produkováno binárním hvězdným systémem , kde by podle aproximace EIH ( z roku 1938 a díky Einsteinovi ) měly světočáry těžišť dvou hvězd , Infeld a Hoffmann Beneš ), sledují dobovou geodetiku .
Hermann Bondi , inspirovaný rozhovory s Felixem Piranim , se pustil do studia gravitačního záření, zejména do otázky kvantifikace energie a hybnosti přenášené „do nekonečna“ vyzařujícím systémem. Během několika příštích let Bondi vyvinul Bondiho radiační diagram a koncept Bondiho energie , aby pečlivě prostudoval tuto problematiku v maximální obecnosti.
V roce 1957, na konferenci v Chapel Hill zkoumající různé matematické nástroje vyvinuté Johnem Lightonem Synge , A. Z. Petrovem a André Lichnerowiczem , Pirani vysvětlil jasněji, než bylo dříve možné, ústřední roli, kterou hraje Riemannův tenzor , a zejména slapový tenzor. v obecné relativitě. [9] Podal první správný popis relativního (slapového) zrychlení původně vzájemně statických testovacích částic, které se srazí se sinusovou gravitační rovinnou vlnou.
Později na konferenci Chapel Hill Richard Feynman , který trval na registraci pod pseudonymem, aby vyjádřil své pohrdání současným stavem gravitační fyziky, pomocí Piraniho popisu, ukázal, že průchod gravitační vlny by měl způsobit, že kuličky vibrují na tyči orientované příčně ke směru šíření vlny, čímž se kulička a tyč ohřívají třením . [4] Toto zahřívání, řekl Feynman, ukázalo, že vlna skutečně přenáší energii do systému kuliček a tyčí, takže by skutečně měla přenášet energii, na rozdíl od názoru, který vyjádřil Rosen v roce 1955.
Ve dvou dokumentech z roku 1957 Bondi a (samostatně) Joseph Weber a John Archibald Wheeler použili tento argument, aby předložili podrobné vyvrácení Rosenova argumentu. [1] [10]
Nathan Rosen pokračoval již v 70. letech 20. století na základě domnělého paradoxu zahrnujícího radiační reakci , že gravitační záření není ve skutečnosti předpovídáno obecnou teorií relativity. Jeho argumenty byly obecně považovány za neplatné, protože argument lepkavých korálků již dlouho přesvědčoval ostatní fyziky o reálnosti předpovědi gravitačního záření.