W 1905 roku Albert Einstein wywrócił świat fizyki teoretycznej do góry nogami, publikując pracę z dyscypliny, którą później nazwano specjalną teorią względności. Pokazała, że przestrzeni i czasu nie można traktować jako bytów absolutnych: czas może przyspieszyć lub zwolnić, standardowe długości mogą się kurczyć, masy mogą się zwiększać.
A najbardziej znanym wynikiem jest równoważność masy energii i ich proporcja wyrażona równaniem E = mc².
Nikt nie wątpi w geniusz Einsteina, który sformułował ogólną teorię względności, ale ogólnie przyjmuje się, że gdyby nie opublikował swojej teorii w 1905 r., Wkrótce inny fizyk zrobiłby to na jego miejscu.
„Krzyż Einsteina” - cztery obrazy jednego odległego kwazara, uzyskane dzięki temu, że światło z niego zagina się wokół położonej bliżej nas galaktyki, działając jak soczewka grawitacyjna.
Dopiero w 1915 roku Einstein zademonstrował swój geniusz, publikując swoją teorię ogólnej teorii względności. Argumentowała, że krzywizna czasoprzestrzeni jest proporcjonalna, a także występuje z powodu „gęstości energii i pędu”, to znaczy energii i pędu związanej z każdą materią w jednostkowej objętości przestrzeni.
Stwierdzenie to zostało potwierdzone, gdy zbiegło się z obserwacjami niezwykłej orbity Merkurego i pochylenia światła gwiazd wokół Słońca.
W ciągu ostatnich stu lat ogólna teoria względności była testowana z zadziwiającą dokładnością i za każdym razem zdała egzamin. Ogólna teoria względności stała się tak wielkim krokiem naprzód, że można powiedzieć, że gdyby Einstein jej nie sformułował, mogłaby pozostać nieodkryta przez długi czas.
Droga do ogólnej teorii względności
Film promocyjny:
W 1907 roku Einstein miał „najszczęśliwszą myśl w życiu”, siedząc na krześle w biurze patentowym w Bernie:
Jeśli osoba swobodnie spada, nie czuje swojego ciężaru.
Doprowadziła go do sformułowania „zasady równoważności”, która mówi, że nie można odróżnić przyspieszającego układu odniesienia od pola grawitacyjnego. Na przykład, jeśli stoisz na Ziemi, poczujesz się dokładnie tak samo, jak gdybyś stał w statku kosmicznym poruszającym się z przyspieszeniem 9,81 m / s² - z przyspieszeniem grawitacyjnym na Ziemi.
Był to pierwszy duży krok w kierunku sformułowania nowej teorii grawitacji.
Einstein uważał, że „cała fizyka jest geometrią”. Miał na myśli, że o czasoprzestrzeni i Wszechświecie można myśleć w kategoriach geometrycznych. Najbardziej zaskakujący wniosek dotyczący ogólnej teorii względności, dynamicznej natury czasu i przestrzeni, najwyraźniej doprowadził Einsteina do potrzeby ponownego przemyślenia „geometrycznej” czasoprzestrzeni.
Einstein przeprowadził serię zgrabnych eksperymentów myślowych, porównując obserwacje poczynione przez obserwatorów w inercjalnym i obrotowym układzie odniesienia.
Ustalił, że dla obserwatora w obracającym się układzie odniesienia czasoprzestrzeń nie może być euklidesowa, to znaczy taka, jak ta płaska geometria, której wszyscy uczymy się w szkołach. Musimy wprowadzić „zakrzywioną przestrzeń” do naszego rozumowania, aby wyjaśnić anomalie przewidywane przez teorię względności. Krzywizna staje się drugim najważniejszym założeniem wspierającym jego ogólną teorię względności.
Aby opisać zakrzywioną przestrzeń, Einstein zwrócił się do wcześniejszej pracy Bernarda Riemanna, matematyka z XIX wieku. Z pomocą swojego przyjaciela Marcela Grossmanna, również matematyka, Einstein spędził kilka żmudnych lat studiując matematykę przestrzeni zakrzywionych - to, co matematycy nazywają „geometrią różniczkową”. Einstein zauważył, że „w porównaniu ze zrozumieniem grawitacji, szczególna teoria względności wydawała się dziecinnie prosta”.
Einstein miał teraz aparat matematyczny, aby doprowadzić teorię do końca. Zasada równoważności głosiła, że przyspieszający układ odniesienia jest równoważny z polem grawitacyjnym. W wyniku swoich studiów geometrycznych uważał, że pole grawitacyjne jest prostym przejawem zakrzywionej czasoprzestrzeni. Dlatego mógł pokazać, że przyspieszające układy odniesienia były przestrzeniami nieeuklidesowymi.
Rozwój
Trzecim najważniejszym krokiem było wyeliminowanie trudności w zastosowaniu ogólnej teorii względności do grawitacji Newtona. W szczególnej teorii względności stałość prędkości światła we wszystkich układach odniesienia i stwierdzenie, że prędkość światła jest maksymalną osiągalną prędkością, zaprzeczało teorii grawitacji Newtona, która postulowała natychmiastowość działania grawitacji.
Mówiąc najprościej, grawitacja Newtona mówi, że gdyby Słońce zostało usunięte ze środka Układu Słonecznego, grawitacyjny efekt tego zdarzenia byłby natychmiast odczuwalny na Ziemi. Ale SRT mówi, że nawet efekt zniknięcia Słońca będzie się poruszał z prędkością światła.
Einstein wiedział również, że przyciąganie grawitacyjne dwóch ciał jest wprost proporcjonalne do ich mas, co wynika z F = G * M * m / r² Newtona. Dlatego masa wyraźnie określała siłę pola grawitacyjnego. SRT mówi, że masa jest równoważna energii, dlatego gęstość energii i pędu powinna również określać siłę grawitacji.
W rezultacie trzy kluczowe założenia, których użył Einstein do sformułowania swojej teorii, to:
1. W obrotowych (nieinercyjnych) układach odniesienia przestrzeń jest zakrzywiona (nieeuklidesowa).
2. Zasada równoważności mówi, że przyspieszające układy odniesienia są równoważne z polami grawitacyjnymi.
3. Równoważność masy i energii wynika z SRT, az fizyki newtonowskiej wynika, że masa jest proporcjonalna do siły grawitacji.
Einstein był w stanie wywnioskować, że gęstość energii i pędu tworzy krzywiznę czasoprzestrzeni i jest do niej proporcjonalna.
Nie wiadomo, kiedy miał „wgląd”, kiedy był w stanie rozwiązać tę zagadkę i powiązać masę / energię z krzywizną przestrzeni.
W latach 1913-1915 Einstein opublikował kilka artykułów, pracując nad uzupełnieniem ogólnej teorii względności. W niektórych pracach napotkano błędy, które doprowadziły Einsteina do marnowania czasu na niepotrzebne rozpraszanie uwagi w teoretycznym rozumowaniu.
Ale ostateczny wynik, że gęstość energii i pędu zakrzywia czasoprzestrzeń, jak kula do kręgli jest rozciągniętą warstwą gumy, a ruch masy w polu grawitacyjnym zależy od krzywizny czasoprzestrzeni, jest bez wątpienia największym przypuszczeniem ludzkiej inteligencji.
Upośledzenie
Jak długo zrozumielibyśmy grawitację, gdyby nie geniusz Einsteina? Możliwe, że będziemy musieli na to czekać wiele dziesięcioleci. Ale w 1979 roku zagadka na pewno wyjdzie na jaw. W tym roku astronomowie odkryli „bliźniacze kwazary”, QSO 0957 + 561, pierwszy kwazar, który zaobserwował soczewkowanie grawitacyjne.
To zdumiewające odkrycie można wyjaśnić jedynie krzywizną czasoprzestrzeni. Za niego zapewne przyznaliby Nagrodę Nobla, gdyby nie geniusz Einsteina. A może nadal powinna zostać wydana.