Leta 1905 je Albert Einstein obrnil svet teoretične fizike na glavo, tako da je objavil delo v tej disciplini, ki se bo kasneje imenovalo posebna teorija relativnosti. Pokazala je, da prostora in časa ni mogoče šteti za absolutni entiteti: čas se lahko pospeši ali upočasni, standardne dolžine se lahko skrčijo, mase se lahko povečajo.
In najbolj znan rezultat, enakovrednost mase energije in njihov delež je izražen z enačbo E = mc².
Nihče ne dvomi v genija Einsteina, ki je oblikoval splošno relativnost, vendar je splošno sprejeto, da če ne bi objavil svoje teorije leta 1905, bi jo namesto nje kmalu naredil kak drug fizik.
"Einsteinov križ" - štiri slike enega oddaljenega kvazarja, pridobljene zaradi dejstva, da se svetloba iz njega upogne okoli galaksije, ki se nahaja bližje nam, in deluje kot gravitacijska leča.
Šele leta 1915 je Einstein pokazal svojo genialnost z objavo svoje teorije splošne relativnosti. Trdila je, da je ukrivljenost prostora-časa sorazmerna in se pojavlja tudi zaradi "gostote energijsko-gibalne hitrosti", to je energije in zagona, povezanega s katero koli snovjo v enoti prostornine.
Ta izjava je bila potrjena, ko je sovpadla z opazovanji nenavadne orbiti Merkurja in s svetlobo zvezd, ki se upogibajo okoli Sonca.
V zadnjih sto letih je bila splošna relativnost preizkušena z neverjetno natančnostjo in je vsakič prestala preizkus. Splošna relativnost je postala tako velik korak naprej, da lahko rečemo, da če je Einstein ne bi oblikoval, bi lahko še dolgo ostala neodkrita.
Pot do splošne relativnosti
Promocijski video:
Leta 1907 je imel Einstein "najsrečnejšo misel v življenju", ko je sedel na stolu v patentnem uradu v Bernu:
Če človek prosto pade, ne čuti svoje teže.
Pripeljala ga je do formulacije "načela enakovrednosti", ki pravi, da je nemogoče ločiti med pospeševalnim referenčnim okvirom in gravitacijskim poljem. Če na primer stojite na Zemlji, se bo počutil popolnoma enako, kot če bi stal v vesoljski ladji, ki se giblje s pospeškom 9,81 m / s² - s pospeševanjem gravitacije na Zemlji.
To je bil prvi pomemben korak k oblikovanju nove teorije gravitacije.
Einstein je verjel, da je "vsa fizika geometrija." Mislil je, da si prostor-čas in vesolje lahko mislimo geometrijsko. Najbolj presenetljiva ugotovitev splošne relativnosti, dinamična narava časa in prostora, je očitno vodila Einsteina k potrebi po premisleku o "geometričnem" prostoru-času.
Einstein je izvedel vrsto natančnih miselnih poskusov, v katerih je primerjal opazovanja opazovalcev v inercialnih in rotacijskih referenčnih okvirih.
Ugotovil je, da za opazovalca v rotacijskem referenčnem okviru prostor-čas ne more biti evklidski, torej takšna ravna geometrija, ki jo vsi preučujemo v šolah. V svoje razmišljanje moramo vnesti "ukrivljen prostor", da upoštevamo nepravilnosti, ki jih napoveduje relativnost. Ukrivljenost postane druga najpomembnejša predpostavka, ki podpira njegovo splošno relativnost.
Za opis ukrivljenega prostora se je Einstein obrnil na prejšnje delo Bernarda Riemanna, matematika iz 19. stoletja. Einstein je s pomočjo prijatelja Marcela Grossmanna, prav tako matematika, nekaj dolgočasnih let preučeval matematiko ukrivljenih prostorov - kar matematiki imenujejo "diferencialna geometrija". Einstein je opozoril, da se "v primerjavi z razumevanjem gravitacije posebna relativnost zdi kot otroška igra."
Einstein je imel zdaj matematični aparat za izvajanje teorije do konca. Načelo enakovrednosti je navajalo, da je pospeševalni referenčni okvir enakovreden gravitacijskemu polju. Kot rezultat študija geometrije je verjel, da je gravitacijsko polje preprosta manifestacija ukrivljenega prostora-časa. Zato bi lahko pokazal, da so pospeševalni referenčni okviri ne evklidski prostori.
Razvoj
Tretji najpomembnejši korak je bila odprava težav pri uporabi splošne relativnosti Newtonove gravitacije. V posebni teoriji relativnosti sta stalnost svetlobne hitrosti v vseh referenčnih okvirih in trditev, da je svetlobna hitrost največja dosegljiva hitrost, v nasprotju z Newtonovo teorijo gravitacije, ki je postavljala takojšnje delovanje gravitacije.
Preprosto rečeno, Newtonova gravitacija je rekla, da če bi sonce odstranili iz središča sončnega sistema, bi gravitacijski učinek tega dogodka takoj začutil na Zemlji. Toda SRT pravi, da se bo celo učinek izginotja Sonca gibal s svetlobno hitrostjo.
Einstein je tudi vedel, da je gravitacijsko privlačenje dveh teles neposredno sorazmerno z njunima masama, ki je sledila iz Newtonovega F = G * M * m / r². Zato je masa jasno določala jakost gravitacijskega polja. SRT pravi, da je masa enakovredna energiji, zato bi morala gostota energije-giba določiti tudi silo gravitacije.
Posledično so bile tri ključne predpostavke, ki jih je Einstein uporabil za oblikovanje svoje teorije:
1. V vrtljivih (neinercialnih) referenčnih okvirih je prostor ukrivljen (neevklidski).
2. Načelo enakovrednosti pravi, da so pospeševalni referenčni okviri enakovredni gravitacijskim poljem.
3. Enakovrednost mase in energije izhaja iz SRT, iz Newtonove fizike pa, da je masa sorazmerna s težo.
Einstein je lahko ugotovil, da gostota energijskega zagona ustvarja in je sorazmerna z ukrivljenostjo prostora-časa.
Ni znano, kdaj je imel svoj "uvid", kdaj je lahko rešil to uganko in povezal maso / energijo z ukrivljenostjo vesolja.
Med leti 1913 in 1915 je Einstein objavil več člankov, medtem ko je delal na dokončanju splošne relativnosti. Pri nekaterih delih so se pojavile napake, zaradi katerih je Einstein izgubljal čas zaradi nepotrebnih motenj v teoretičnem razmišljanju.
Toda neto rezultat, da se gostota energijske količine giba prostor-čas, tako kot kegljanje je raztegnjena folija gume, in da je gibanje mase v gravitacijskem polju odvisno od ukrivljenosti prostora-časa, je nedvomno največja ugibanja človeške inteligence.
Hendikep
Kako dolgo bi razumeli gravitacijo, če ne bi bil genij Einsteina? Možno je, da bi morali na to čakati več desetletij. Toda leta 1979 bi zagotovo prišla uganka. Tega leta so astronomi odkrili "dvojne kvazarje", QSO 0957 + 561, prvi kvazar, ki je opazil gravitacijsko lečenje.
To neverjetno odkritje lahko razložimo le z ukrivljenostjo prostora-časa. Zanj bi verjetno podelili Nobelovo nagrado, če ne bi bilo genija Einsteina. Ali pa bi jo vseeno morali dati ven.