https://frosthead.com

Теорија релативности, тада и сада

"Исцрпљен сам. Али успех је величанствен."

Сличан садржај

  • Математичар Емми Ноетхер требао би бити ваш херој

Било је то пре сто година овог новембра, а Алберт Еинстеин је уживао у ретком тренутку задовољства. Данима раније, 25. новембра 1915., ступио је на позорницу Пруске академије наука у Берлину и изјавио да је коначно завршио своју мучну, деценију дугу експедицију ка новом и дубљем разумевању гравитације. Општа теорија релативности, тврдио је Ајнштајн, сада је била потпуна.

Месец који је претходио историјској најави био је најинтелектуално најинтензивнији и најнебухватнији период у његовом животу. Врхунац је био Аинстеин-ова радикално нова визија међусобног дјеловања простора, времена, материје, енергије и гравитације, подвиг који се широко сматра једним од највећих интелектуалних достигнућа човечанства.

У то време је зујање опште релативности чуло само копља мислилаца на периферији езотеријске физике. Али у веку откад је Еинстеиново дете постало веза за широк спектар основа, укључујући порекло универзума, структуру црних рупа и обједињавање природних сила, а теорија је такође коришћена за више примењених задатака као што су тражење екстрасоларних планета, одређивање масе удаљених галаксија, па чак и вођење путања несретних возача аутомобила и балистичких ракета. Општа релативност, некада егзотични опис гравитације, сада је моћно средство за истраживање.

Потрага за схватањем гравитације почела је много пре Ајнштајна. За време куге која је пустошила Европу од 1665. до 1666. године, Исак Њутн повукао се са места на Универзитету у Кембриџу, склонио се у кућу своје породице у Линколнсхиреу и у својим празним сатима схватио да је сваки предмет, било на земљи или на небесима, повлаче се једна за другом са силом која зависи искључиво од тога колико су велики објекти - њихова маса - и колико су удаљени у свемиру - њихова удаљеност. Дјеца школског свијета широм свијета научила су математичку верзију Невтоновог закона, који је дао тако спектакуларно тачна предвиђања за кретање свега, од бачених стијена до планета у орбити, да се чинило да је Невтон написао посљедњу ријеч о гравитацији. Али није. А Ајнштајн је био први који је постао сигуран у то.

**********

1905. Ајнштајн је открио посебну теорију релативности, успостављајући чувени диктум да ништа - ни објекат ни сигнал - не може да путује брже од брзине светлости. И у томе лежи руља. Према Невтоновом закону, ако треснете Сунце попут космичке мараке, гравитација ће изазвати да се и Земља одмах тресе. Односно, Невтонова формула подразумева да гравитација врши свој утицај са једне локације на другу тренутно. То није само брже од светлости, већ је бесконачно.

Preview thumbnail for video 'Relativity: The Special and the General Theory

Релативност: специјална и општа теорија

Објављено на стоту годишњицу опште релативности, ово згодно издање Еинстеинове чувене књиге смешта дело у историјски и интелектуални контекст, истовремено пружајући непроцењив увид у једног од највећих научних умова свих времена.

Купи

Ајнштајн не би имао ништа од тога. Сигурно постоји прецизнији опис гравитације, онај у коме гравитациони утицаји не прелазе светлост. Ајнштајн се посветио њеном проналажењу. А да би то учинио, схватио је, требало би да одговори на наизглед основно питање: Како гравитација делује? Како Сунце излази преко 93 милиона миља и врши гравитационо повлачење на Земљи? За више познате потешкоће из свакодневног искуства - отварање врата, откључавање боце вина - механизам је очит: постоји директан контакт ваше руке и предмета који доживљава потезање. Али када Сунце повуче на Земљу, оно повлачење врши се кроз свемир - празан простор. Не постоји директан контакт. Дакле, која невидљива рука ради на надметању гравитације?

И сам Њутн ово је питање сматрао дубоко загонетним и добровољно се јавио да његов властити неуспех у препознавању гравитације утиче на то да његова теорија, колико год била успешна у својим предвиђањима, сигурно није потпуна. Ипак, током више од 200 година, Невтоново признање није било ништа друго до превидјена фуснота у теорији која се иначе сложила са запажањима.

1907. Ајнштајн је почео озбиљно радити на одговору на ово питање; до 1912. године, то је постала његова опсесија са пуним радним временом. А у тој прегршт година Ајнштајн је погодио кључни концептуални пробој, једноставан као што је тешко одредити: Ако између Сунца и Земље нема ничега осим празног простора, онда њихов међусобни гравитациони потез мора да делује кроз свемир себе. Али како?

Аинстеинов одговор, истовремено лијеп и тајанствен, јест да материја, попут Сунца и Земље, узрокује да се простор око ње криви, а резултирајући изобличени облик простора утјече на кретање осталих тијела која пролазе.

Ево начина да размислите о томе. Замислите равну путању праћену мермером који сте се ваљали по равном дрвеном поду. Замислите сада како ваљате мермер на дрвени под који је поплавила и искривила поплава. Мрамор неће следити истим правцем јер ће бити потиснут овим путем и по заобљеним контурама пода. Као и с подом, тако и са простором. Ајнштајн је замислио да ће закривљене контуре простора гурнути ударени бејзбол следећи своју познату параболичну стазу и привући Земљу да се држи своје уобичајене елиптичне орбите.

Био је то задивљујући скок. До тада је простор био апстрактни концепт, својеврсни космички контејнер, а не опипљив ентитет који би могао да утиче на промену. У ствари, скок је ипак био већи. Ајнштајн је схватио да и време може да се искриви. Интуитивно, сви ми предвиђамо да сатови, без обзира где се налазе, обележавају истом брзином. Али Ајнштајн је предложио да се ближи сатови огромном телу, попут Земље, спорије ће голицати, одражавајући запањујући утицај гравитације на сам пролазак времена. И колико просторни облик може померати путању објекта, тако је и временски: Ајнштајнова математика сугерисала је да се предмети повуку ка локацијама где време тече спорије.

Ипак, Аинстеиново радикално преправљање гравитације у погледу облика простора и времена није било довољно да он затражи победу. Идеје је морао развити у предиктивни математички оквир који би прецизно описао кореографију плесану по простору, времену и материји. Чак се и за Алберта Ајнштајна то показало као монументални изазов. 1912. године, борећи се за моду једначења, написао је колеги да „никада до сада у животу нисам мучио било шта такво.“ Ипак, само годину дана касније, радећи у Цириху са својим математички бољим колегом Марцелом Гроссманном, Ајнштајн је замишљено приближио одговор. Користећи резултате из средине 1800-их, који су геометријским језиком описивали закривљене облике, Ајнштајн је створио потпуно нов, али у потпуности ригорозну реформу гравитације у погледу геометрије простора и времена.

Али тада се чинило да ће све пропасти. Док је истраживао своје нове једначине, Ајнштајн је починио судбоносну техничку грешку, натеравши га да помисли да његов предлог није успео да правилно опише све врсте уобичајеног кретања. Две дуге, фрустрирајуће године Ајнштајн је очајнички покушавао да поправи проблем, али ништа није успело.

Аинстеин, упоран колико долазе, остао је неизмијењен, а у јесен 1915. напокон је видио пут према напријед. До тада је био професор у Берлину и примљен је у Пруску академију наука. И поред тога, имао је времена на рукама. Његова отуђена супруга Милева Марић коначно је прихватила да је њен живот са Ајнштајном готова и преселила се у Цирих са своја два сина. Иако су све напетији породични односи јако тежили за Ајнштајном, аранжман му је такође омогућио да слободно следи своје математичке ловине, несметано дан и ноћ, у мирној самоћи свог баченог берлинског стана.

До новембра је та слобода уродила плодом. Ајнштајн је исправио своју ранију грешку и кренуо у коначни успон према општој теорији релативности. Али како је интензивно радио на финим математичким детаљима, услови су се неочекивано показали издајнички. Неколико месеци раније, Ајнштајн се састао са реномираним немачким математичарем Давидом Хилбертом и разменио сва своја размишљања о својој новој гравитационој теорији. Очигледно, Еинстеин је на своју жалост сазнао да је састанак толико побудио Хилбертово интересовање да је сада трчао Еинстеина до циља.

Низ разгледница и писама која су размењена током новембра 1915. године документује срдачно, али интензивно ривалство, пошто су се свака затворила у једначинама опште релативности. Хилберт је сматрао да је фер игра тражити отварање обећавајуће, али још увек недовршене теорије гравитације; Ајнштајн је сматрао да је за Хилберта била гадна форма да се снађе на својој соло експедицији тако близу врха. Штавише, Аинстеин је са стрепњом схватио да су Хилбертове дубље математичке резерве представљале озбиљну претњу. Без обзира на године напорног рада, Ајнштајн би могао да га се ухвати.

Забринутост је била добро основана. У суботу, 13. новембра, Ајнштајн је од Хилберта добио позив да му се следећег уторка придружи у Готтингену како би „врло детаљно“ научио „решење вашег великог проблема“. Ајнштајн је разбијен. „Морам се суздржати од путовања у Готтинген на тренутак и радије морам стрпљиво чекати док не могу проучити ваш систем из штампаног чланка; јер сам, осим тога, уморио и боловао ме од болова у стомаку. "

Али тог четвртка, када је Ајнштајн отворио пошту, суочио се са Хилбертовим рукописом. Ајнштајн је одмах узвратио, једва прикривајући своју иритацију: „Систем који вам је достављен слаже се - колико видим - тачно са оним што сам нашао у последњих неколико недеља и представио Академији.“ Његовом пријатељу Хеинрицху Занггеру, Аинстеин је поверио, „У личном искуству нисам боље научио биједу људске врсте као пригодом ове теорије ....“

Седмицу касније, 25. новембра, предавајући измученој публици на Пруској академији, Ајнштајн је открио последње једнаџбе које чине општу теорију релативности.

Нико не зна шта се догодило током те последње недеље. Да ли је Ајнштајн самостално смислио коначне једнаџбе или је Хилбертов папир пружио невидљиву помоћ? Да ли је Хилбертов нацрт садржавао тачан облик једнаџби или је Хилберт након тога убацио те једначине, инспирисане Ајнштајновим радом, у верзију рада који је Хилберт објавио месецима касније? Интрига се само продубљује када сазнамо да је кључни део странице који доказује Хилбертов рад, који је можда решио питања, буквално одсечен.

На крају је Хилберт урадио праву ствар. Признао је да каква год да је била његова улога у катализирању коначних једначина, генерална теорија релативности с правом треба бити приписана Ајнштајну. И тако је и било. И Хилберт се томе побринуо јер технички али посебно користан начин изражавања једначина опште релативности носи имена обојице мушкараца.

Наравно, кредит би био вредан само ако би општа теорија релативности била потврђена запажањима. Изузетно је што је Ајнштајн могао да види како се то може учинити.

**********

Општа релативност предвиђала је да ће снопови светлости које емитују далеке звезде путовати закривљеним путањама док су пролазили кроз изкривљену област у близини Сунца на путу ка Земљи. Аинстеин је користио нове једначине да би то прецизирао - израчунао је математички облик тих закривљених путања. Али да би тестирали предвиђања астрономи би морали да виде далеке звезде док је Сунце у првом плану, а то је могуће само када Месец блокира Сунчеву светлост, за време помрачења Сунца.

Следеће помрачење Сунца, 29. маја 1919. године, представљало би поприште опште релативности. Тимови британских астронома, на челу са сер Артхуром Еддингтоном, поставили су продавницу на две локације које ће доживети тотално помрачење Сунца - у Собралу у Бразилу и на Принципу, крај западне обале Африке. Борећи се са временским изазовима, сваки тим је снимио низ фотографских плоча удаљених звезда које су моментално видљиве док је Месец лебдио преко Сунца.

Током наредних месеци пажљиве анализе слика, Ајнштајн је стрпљиво чекао резултате. Коначно, 22. септембра 1919. године, Ајнштајн је примио телеграм у коме је објавио да су запажања помрачења потврдила његово предвиђање.

Новине широм света прикупиле су причу, а наслови без даха прогласили су Еинстеинов тријумф и катапултирали га практично преко ноћи у светску сензацију. Усред свих узбуђења, млади студент Илсе Росентхал-Сцхнеидер питао је Ајнштајна шта би он помислио да се запажања не би сложила са предвиђањем опште релативности. Аинстеин је славно одговорио храбрим храброшћу, "Било би ми жао Драга Господара јер је теорија тачна."

Заиста, у деценијама од мерења помрачења, било је много других опажања и експеримената - који су у току - који су довели до чврстог поуздања у општу релативност. Један од најимпресивнијих је опсерваторски тест који је трајао скоро 50 година, међу НАСА-иним најдуљим пројектима. Општа релативност тврди да, као што се тело попут Земље врти на својој оси, требало би да вуче простор око себе у вртлогу, помало налик на шљунак који се врти у канти меласе. Почетком 1960-их, физичари Станфорда направили су схему за тестирање предвиђања: лансирајте четири ултра-прецизна жироскопа у земаљску орбиту и потражите ситне промене у оријентацији осе жироскопа које би, према теорији, требало да буду изазване кроз вртлог простора.

Било је потребно читав низ научних напора да се развију неопходне жироскопске технологије, а затим године анализа података да би, између осталог, превазишли несрећно колебање жироскопа стечених у свемиру. Међутим, 2011. године тим који стоји иза Гравити Пробе Б, као што је пројекат познат, објавио је да је експеримент дугачак век достигао успешан закључак: Секире жироскопа окретале су се за износ који је Аинстеинова математика предвидјела.

Постоји још један експеримент, тренутно више од 20 година у изради, који многи сматрају последњим тестом опште теорије релативности. Према теорији, два судара објекта, било оне звезде или црне рупе, створиће таласе у ткиву простора, колико ће два судара чамца на иначе мирном језеру створити таласе воде. И док се такви гравитациони таласи вапне према вани, простор ће се проширити и скупити током њиховог вађења, помало као да се куглица теста наизменично развлачи и сабија.

Почетком 1990-их, тим на челу са научницима на МИТ-у и Цалтецх покренуо је истраживачки програм за откривање гравитационих таласа. Изазов је, и велики је, да ако се догоди бурни астрофизички сусрет далеко, онда ће се временом настали просторни валови опрати Земљом толико раширити да ће се фантастично разблажити, можда истежући и сабијајући простор за само делић атомског језгра.

Ипак, истраживачи су развили технологију која је управо у стању да приме ситне знакове валовања у ткиву свемира док се он креће Земљом. 2001. године, два уређаја дужине четири километра у облику слова Л, у заједници позната као ЛИГО (Ласер Интерферометер Гравитацијско-таласна опсерваторија), распоређена су у Ливингстону, Лоуисиани и Ханфорду, Васхингтон. Стратегија је да се пролазни гравитациони талас наизменично протеже и стисне у обе руке сваке Л, остављајући отисак на ласерском светлу које се креће горе-доле по свакој руци.

У 2010, ЛИГО је пуштен из употребе, пре него што је откривен било какав потпис гравитационог таласа - апарату је готово сигурно недостајала осетљивост неопходна за снимање ситних трзаја изазваних гравитационим таласом који је стигао до Земље. Али сада се примењује напредна верзија ЛИГО-а, надоградња за коју се очекује да ће бити десет пута осетљивија, а истраживачи предвиђају да ће за неколико година откривање таласа у свемиру узроковано удаљеним космичким поремећајима бити уобичајена.

Успех би био узбудљив не зато што неко заиста сумња у општу релативност, већ зато што потврђене везе између теорије и проматрања могу дати моћне нове примене. Мерења помрачења из 1919. године, на пример, која су утврдила да гравитација савија путању светлости, су инспирисала успешну технику која се сада користи за проналажење удаљених планета. Када такве планете прођу испред својих звезда домаћина, оне благо фокусирају звездано светло, изазивајући образац осветљавања и пригушења који астрономи могу да открију. Слична техника је такође омогућила астрономима да мере масу одређених галаксија посматрајући како озбиљно искривљују путању светлости коју емитују још удаљенији извори. Други, познатији пример је систем глобалног позиционирања, који се ослања на Ајнштајново откриће да гравитација утиче на пролазак времена. ГПС уређај одређује његову локацију мерењем времена путовања сигнала примљених са разних сателита у орбити. Без узимања у обзир гравитационог утицаја на то како вријеме пролази на сателитима, ГПС систем не би успио исправно одредити локацију објекта, укључујући ваш аутомобил или вођену ракету.

Физичари верују да детекција гравитационих таласа има способност да произведе сопствену примену од дубоког значаја: нови приступ посматрачкој астрономији.

Од времена Галилеа, окренули смо телескопе према небу како бисмо прикупили светлосне таласе које емитују удаљени предмети. Следећа фаза астрономије ће се можда добро усредсредити на сакупљање гравитационих таласа произведених далеким космичким претресима, омогућавајући нам да испробавамо свемир на потпуно нови начин. Ово је посебно узбудљиво јер таласи светлости нису могли продријети у плазму која је напунила простор све до неколико стотина хиљада година након Великог праска - али таласи гравитације су могли. Једног дана ћемо можда користити гравитацију, а не светлост, као нашу најдоступнију сонду најранијих тренутака универзума.

Пошто валови гравитације искачу кроз простор помало као таласи звука који пљују кроз ваздух, научници говоре о „слушању“ гравитационих сигнала. Усвајајући ту метафору, како је дивно замислити да ће друга стогодишњица опште релативности физичари можда бити слави након што су коначно чули звукове стварања.

Напомена уредника, 29. септембра 2015. године: Ранија верзија овог чланка нетачно је описала како раде ГПС системи. Текст је промењен у складу са тим.

Теорија релативности, тада и сада