În 1905, Albert Einstein a dat peste cap lumea fizicii teoretice publicând o lucrare în disciplina care mai târziu va fi numită teoria specială a relativității. Ea a arătat că spațiul și timpul nu pot fi privite ca entități absolute: timpul se poate accelera sau încetini, lungimile standard se pot contracta, masele pot crește.
Și, cel mai faimos rezultat, echivalența masei de energie și proporția lor este exprimată prin ecuația E = mc².
Nimeni nu se îndoiește de geniul lui Einstein, care a formulat relativitatea generală, dar se acceptă în general că, dacă nu și-ar fi publicat teoria în 1905, un alt fizician ar fi făcut-o în curând în locul său.
„Crucea lui Einstein” - patru imagini ale unui quasar îndepărtat, obținute datorită faptului că lumina din ea se îndoaie în jurul unei galaxii situate mai aproape de noi, funcționând ca o lentilă gravitațională.
Abia în 1915, Einstein și-a demonstrat geniul publicând teoria relativității generale. Ea a susținut că curbura spațiului-timp este proporțională și apare, de asemenea, datorită „densității energiei-impuls”, adică a energiei și a impulsului asociate cu orice materie dintr-o unitate de volum de spațiu.
Această afirmație a fost confirmată când a coincis cu observațiile orbitei neobișnuite a lui Mercur și cu lumina stelelor care se îndoaie în jurul Soarelui.
În ultimii sute de ani, relativitatea generală a fost testată cu o precizie uimitoare și a rezistat testului de fiecare dată. Relativitatea generală a devenit un salt atât de uriaș înainte încât se poate spune că, dacă Einstein nu l-ar fi formulat, ar putea rămâne nedescoperită mult timp.
Calea către relativitatea generală
Video promotional:
În 1907, Einstein a avut „cel mai fericit gând din viață”, așezat pe un scaun în biroul de brevete din Berna:
Dacă o persoană cade liber, nu își simte greutatea.
Ea l-a condus la formularea „principiului echivalenței”, care spune că este imposibil să se facă distincția între cadrul de referință accelerat și câmpul gravitațional. De exemplu, dacă stați pe Pământ, se va simți exact la fel ca și cum ați sta într-o navă spațială care se mișcă la o accelerație de 9,81 m / s² - cu accelerația gravitației pe Pământ.
Acesta a fost primul pas major către formularea unei noi teorii a gravitației.
Einstein credea că „toată fizica este geometrie”. El a vrut să spună că spațiul-timp și Universul pot fi gândite în termeni geometrici. Cea mai surprinzătoare concluzie a relativității generale, natura dinamică a timpului și a spațiului, l-a condus aparent pe Einstein la nevoia de a regândi spațiul-timp „geometric”.
Einstein a realizat o serie de experimente de gândire îngrijite comparând observațiile făcute de observatori în cadre de referință inerțiale și rotative.
El a stabilit că pentru un observator într-un cadru de referință rotativ, spațiul-timp nu poate fi euclidian, adică cum ar fi acea geometrie plană pe care o studiem cu toții în școli. Trebuie să introducem „spațiul curbat” în raționamentul nostru pentru a explica anomaliile prezise de relativitate. Curbura devine a doua cea mai importantă ipoteză care susține relativitatea sa generală.
Pentru a descrie spațiul curbat, Einstein a apelat la o lucrare anterioară a lui Bernard Riemann, un matematician din secolul al XIX-lea. Cu ajutorul prietenului său Marcel Grossmann, de asemenea matematician, Einstein a petrecut câțiva ani plictisitori studiind matematica spațiilor curbate - ceea ce matematicienii numesc „geometrie diferențială”. Einstein a remarcat că „în comparație cu înțelegerea gravitației, relativitatea specială părea o joacă de copil”.
Einstein avea acum aparatul matematic pentru a duce teoria până la capăt. Principiul echivalenței a afirmat că un cadru de referință accelerat este echivalent cu un câmp gravitațional. Ca rezultat al studiilor sale de geometrie, el credea că câmpul gravitațional era o simplă manifestare a spațiului-timp curbat. Prin urmare, el ar putea arăta că cadrele de referință accelerate erau spații neeuclidiene.
Dezvoltare
Al treilea pas cel mai important a fost eliminarea dificultăților în aplicarea relativității generale gravitației newtoniene. În teoria specială a relativității, constanța vitezei luminii în toate cadrele de referință și afirmația că viteza luminii este viteza maximă realizabilă, a contrazis teoria gravitației a lui Newton, care postulează instantaneitatea acțiunii gravitației.
Pur și simplu, gravitația newtoniană a spus că, dacă soarele ar fi îndepărtat din centrul sistemului solar, efectul gravitațional al acestui eveniment ar fi simțit instantaneu pe Pământ. Dar SRT spune că până și efectul dispariției Soarelui se va deplasa cu viteza luminii.
Einstein știa, de asemenea, că atracția gravitațională a două corpuri este direct proporțională cu masele lor, care au urmat din F = G * M * m / r² de Newton. Prin urmare, masa a determinat în mod clar puterea câmpului gravitațional. SRT spune că masa este echivalentă cu energia, deci densitatea energie-impuls ar trebui să determine și forța de greutate.
Ca rezultat, cele trei ipoteze cheie pe care le-a folosit Einstein pentru a-și formula teoria au fost:
1. În cadrele de referință rotative (non-inerțiale), spațiul este curbat (non-euclidian).
2. Principiul echivalenței spune că cadrele de referință accelerate sunt echivalente cu câmpurile gravitaționale.
3. Echivalența masei și energiei rezultă din SRT, iar din fizica newtoniană rezultă că masa este proporțională cu forța de greutate.
Einstein a reușit să concluzioneze că densitatea energie-impuls creează și este proporțională cu curbura spațiului-timp.
Nu se știe când a avut „înțelegerea” sa când a reușit să rezolve acest puzzle și să raporteze masa / energia la curbura spațiului.
Din 1913 până în 1915, Einstein a publicat mai multe lucrări, în timp ce lucra la finalizarea relativității generale. Au fost întâlnite erori în unele dintre lucrări, ceea ce l-a determinat pe Einstein să piardă timpul cu distrageri inutile în raționamentul teoretic.
Dar rezultatul net, că densitatea de energie-impuls se îndoaie spațiu-timp, ca o minge de bowling, este o foaie întinsă de cauciuc și că mișcarea masei într-un câmp gravitațional depinde de curbura spațiului-timp este, fără îndoială, cele mai mari presupuneri făcute de inteligența umană.
Handicap
Cât timp am fi înțeles gravitația dacă nu ar fi geniul lui Einstein? Este posibil să trebuiască să așteptăm acest lucru timp de mai multe decenii. Dar în 1979, misterul va ieși cu siguranță. În acel an, astronomii au descoperit „quasarele gemene”, QSO 0957 + 561, primul quasar care a observat lentilele gravitaționale.
Această descoperire uimitoare poate fi explicată doar prin curbura spațiului-timp. Pentru el, cu siguranță ar fi dat Premiul Nobel, dacă nu pentru geniul lui Einstein. Sau poate că ar trebui să i se dea în continuare.
