1905-ben Albert Einstein felforgatta az elméleti fizika világát azzal, hogy a tudományágban közzétett egy olyan munkát, amelyet később a relativitáselmélet speciális elméletének fognak nevezni. Megmutatta, hogy a tér és az idő nem tekinthető abszolút entitásnak: az idő felgyorsulhat vagy lelassulhat, a szokásos hosszúság összehúzódhat, a tömeg növekedhet.
És a leghíresebb eredmény, az energia tömegének ekvivalenciája és arányuk az E = mc² egyenleten keresztül fejeződik ki.
Senki sem vonja kétségbe Einstein zsenialitását, aki megfogalmazta az általános relativitáselméletet, de általánosan elfogadott, hogy ha 1905-ben nem tette közzé elméletét, hamarosan más fizikus is megtette volna helyette.
"Einstein keresztje" - egy távoli kvazár négy képe, amelyet annak a ténynek köszönhetõen kapunk, hogy a belõle esõ fény a hozzánk közelebb esõ galaxis körül hajlik, és gravitációs lencseként dolgozik.
Csak 1915-ben mutatta be Einstein zsenialitását azáltal, hogy közzétette az általános relativitáselméletét. Azt állította, hogy a téridő görbülete arányos, és az "energia-impulzus sűrűség", vagyis a tér egységnyi térfogatában lévő anyaggal kapcsolatos energia és lendület miatt is bekövetkezik.
Ezt az állítást megerősítették, amikor egybeesett a Merkúr szokatlan pályájának és a Nap körül hajlító csillagfény megfigyeléseivel.
Az elmúlt száz évben az általános relativitáselméletet elképesztő pontossággal tesztelték, és minden alkalommal kiállta a próbát. Az általános relativitáselmélet olyan óriási előrelépéssé vált, hogy azt lehet mondani, hogy ha Einstein nem fogalmazta volna meg, akkor sokáig felfedezetlen maradhat.
Az általános relativitáselmélet útja
Promóciós videó:
1907-ben Einstein "az élet legboldogabb gondolata" volt, amikor a berni szabadalmi iroda székén ült:
Ha az ember szabadon esik, nem érzi a súlyát.
Az "ekvivalencia elvének" megfogalmazásához vezetett, amely szerint nem lehet különbséget tenni a gyorsuló referenciakeret és a gravitációs mező között. Például, ha a Földön áll, pontosan ugyanúgy fogja érezni magát, mintha egy űrhajóban állna, amely 9,81 m / s² gyorsulással mozog - a gravitáció gyorsulásával a Földön.
Ez volt az első nagyobb lépés egy új gravitációs elmélet megfogalmazása felé.
Einstein úgy vélte, hogy "minden fizika geometria". Arra gondolt, hogy a téridő és az Univerzum geometriai szempontból is elképzelhető. Az általános relativitáselmélet legmeglepőbb következtetése, az idő és a tér dinamikus jellege Einsteint nyilvánvalóan a "geometriai" téridő újragondolásának szükségességéhez vezette.
Einstein ügyes gondolkodási kísérletek sorozatát hajtotta végre, összehasonlítva a megfigyelők inerciális és forgó referenciakeretben végzett megfigyeléseit.
Megállapította, hogy a forgó referenciakeretben lévő megfigyelő számára a téridő nem lehet euklideszi, vagyis olyan, mint a lapos geometria, amelyet mindannyian iskolákban tanulunk. Be kell vezetnünk "görbe teret" az érvelésünkbe, hogy figyelembe vegyük a relativitás által előre jelzett anomáliákat. A görbület a második legfontosabb feltételezéssé válik, amely alátámasztja általános relativitását.
Az ívelt tér leírására Einstein Bernard Riemann, egy 19. századi matematikus egy korábbi munkájához fordult. Barátja, szintén matematikus, Marcel Grossmann segítségével Einstein több unalmas évet töltött a görbe terek matematikájának tanulmányozásában - amit a matematikusok "differenciálgeometriának" neveznek. Einstein megjegyezte, hogy "a gravitáció megértéséhez képest a különleges relativitás gyerekjátéknak tűnt".
Einsteinnek megvan a matematikai apparátusa az elmélet befejezéséhez. Az ekvivalencia-elv kimondta, hogy a gyorsuló referenciakeret egyenértékű a gravitációs mezővel. Geometriai tanulmányainak eredményeként úgy vélte, hogy a gravitációs mező az ívelt téridő egyszerű megnyilvánulása. Ezért megmutathatta, hogy a gyorsuló referenciakeretek nem euklideszi terek voltak.
Fejlődés
A harmadik legfontosabb lépés az általános relativitáselmélet newtoni gravitációra történő alkalmazásával kapcsolatos nehézségek kiküszöbölése volt. A speciális relativitáselméletben a fénysebesség állandósága az összes referenciakeretben és az a kijelentés, miszerint a fénysebesség az elérhető maximális sebesség, ellentmond Newton gravitációs elméletének, amely feltételezte a gravitáció hatásának pillanatosságát.
Egyszerűen fogalmazva, a newtoni gravitáció azt mondta, hogy ha a napot eltávolítják a naprendszer közepéről, akkor ennek az eseménynek a gravitációs hatása azonnal érezhető lesz a Földön. De az SRT szerint még a Nap eltűnésének hatása is fénysebességgel mozog.
Einstein azt is tudta, hogy két test gravitációs vonzereje egyenesen arányos tömegével, amely Newton F = G * M * m / r²-jéből következik. Ezért a tömeg egyértelműen meghatározta a gravitációs tér erősségét. Az SRT szerint a tömeg egyenértékű az energiával, ezért az energia-impulzus sűrűségnek is meg kell határoznia a gravitációs erőt.
Ennek eredményeként az Einstein elméletének megfogalmazására használt három legfontosabb feltételezés a következő volt:
1. Forgó (nem inerciális) referenciakeretekben a tér görbe (nem euklideszi).
2. Az ekvivalencia elve szerint a gyorsuló referenciakeretek ekvivalensek a gravitációs mezőkkel.
3. A tömeg és az energia ekvivalenciája az SRT-ből, a newtoni fizikából következik, hogy a tömeg arányos a gravitációs erővel.
Einstein arra a következtetésre jutott, hogy az energia-impulzus sűrűség a tér-idő görbületével hozza létre és arányos.
Nem ismert, hogy mikor volt "rálátása", mikor tudta megoldani ezt a rejtvényt, és a tömeget / energiát a tér görbületéhez kapcsolta.
1913 és 1915 között Einstein számos cikket publikált, miközben az általános relativitáselmélet befejezésén dolgozott. Egyes művekben hibákkal találkoztak, amelyek arra késztették Einsteint, hogy az elméleti érvelés során felesleges zavaró tényezőkre fordítsa az idejét.
De az a nettó eredmény, hogy az energia-lendület sűrűsége meghajlítja a téridőt, mint egy tekegömb egy kifeszített gumilap, és hogy a tömeg mozgása a gravitációs térben a tér-idő görbületétől függ, kétségtelenül az emberi intelligencia legnagyobb kitalálása.
Hátrány
Meddig értettük volna meg a gravitációt, ha nem Einstein zsenialitása? Lehetséges, hogy erre sok évtizedig kellene várni. De 1979-ben biztosan kiderül a rejtély. Abban az évben a csillagászok felfedezték az „ikerkvazárokat”, a QSO 0957 + 561-et, az első kvazárt, amely megfigyelte a gravitációs lencséket.
Ez a csodálatos felfedezés csak a tér-idő görbületével magyarázható. Számára biztosan megadták volna a Nobel-díjat, ha nem Einstein zsenialitása. Vagy talán mégis ki kellene adni.