I 1905 snudde Albert Einstein verden over teoretisk fysikk på hodet ved å publisere et verk i disiplinen som senere skulle kalles den spesielle relativitetsteorien. Hun viste at rom og tid ikke kan betraktes som absolutte enheter: tid kan akselerere eller bremse, standardlengder kan trekke seg sammen, massene kan øke.
Og det mest berømte resultatet, ekvivalensen til energimassen, og deres andel uttrykkes gjennom ligningen E = mc².
Ingen tviler på geniuset til Einstein, som formulerte generell relativitet, men det er generelt akseptert at hvis han ikke hadde publisert teorien sin i 1905, ville en annen fysiker snart ha gjort det i hans sted.
"Einsteins kors" - fire bilder av en fjern kvasar, oppnådd på grunn av at lyset fra den bøyer seg rundt en galakse som ligger nærmere oss, og fungerer som en gravitasjonslinse.
Først i 1915 demonstrerte Einstein sitt geni ved å publisere sin teori om generell relativitet. Hun argumenterte for at krumning av romtid er proporsjonal, og også skjer på grunn av "energi-momentum tetthet", det vil si energi og momentum assosiert med enhver materie i et enhetsvolum av rom.
Denne uttalelsen ble bekreftet da den falt sammen med observasjoner av den uvanlige banen til Merkur og stjernelyset som bøyde seg rundt solen.
I løpet av de siste hundre årene har generell relativitetstest blitt testet med utrolig nøyaktighet og har stått testen hver gang. Generell relativitetsteori har blitt et så stort sprang fremover at man kan si at hvis Einstein ikke hadde formulert det, kunne det forbli uoppdaget i lang tid.
Veien til generell relativitet
Kampanjevideo:
I 1907 hadde Einstein den "lykkeligste tanken i livet" da han satt på en stol i patentkontoret i Bern:
Hvis en person faller fritt, føler han ikke vekten.
Hun ledet ham til formuleringen av "ekvivalensprinsippet", som sier at det er umulig å skille mellom den akselererende referanserammen og gravitasjonsfeltet. Hvis du for eksempel står på jorden, vil det føles nøyaktig det samme som om du sto i et romskip og beveger deg med en akselerasjon på 9,81 m / s² - med tyngdekraften på jorden.
Dette var det første store skrittet mot formuleringen av en ny gravitasjonsteori.
Einstein mente at "all fysikk er geometri." Han mente at romtid og universet kan tenkes på i geometriske termer. Den mest overraskende konklusjonen om generell relativitet, den dynamiske naturen til tid og rom, førte tilsynelatende Einstein til behovet for å revurdere den "geometriske" romtiden.
Einstein gjennomførte en serie pene tankeeksperimenter som sammenlignet observasjoner gjort av observatører i treghets- og roterende referanserammer.
Han konstaterte at for en observatør i en roterende referanseramme kan ikke tid-tid være euklidisk, det vil si som den flate geometrien som vi alle studerer på skolene. Vi må introdusere "buet rom" i vårt resonnement for å redegjøre for avvikene som er forutsagt av relativitet. Krumning blir den nest viktigste antagelsen som støtter hans generelle relativitet.
For å beskrive buet plass henvendte Einstein seg til et tidligere verk av Bernard Riemann, en matematiker fra 1800-tallet. Ved hjelp av vennen Marcel Grossmann, også matematiker, brukte Einstein flere kjedelige år på å studere matematikken i buede rom - det matematikere kaller "differensialgeometri". Einstein bemerket at "sammenlignet med å forstå tyngdekraften, virket spesiell relativitet som et barns lek."
Einstein hadde nå det matematiske apparatet for å føre teorien til fullføring. Ekvivalensprinsippet uttalte at en akselererende referanseramme tilsvarer et gravitasjonsfelt. Som et resultat av studiene i geometri, mente han at gravitasjonsfeltet var en enkel manifestasjon av buet romtid. Derfor kunne han vise at de akselererende referanserammene var ikke-euklidiske rom.
Utvikling
Det tredje viktigste trinnet var eliminering av vanskeligheter med å anvende generell relativitet på Newtons tyngdekraft. I den spesielle relativitetsteorien motsatte lysets hastighet i alle referanserammer og utsagnet om at lysets hastighet er den maksimalt oppnåelige hastigheten motsatt Newtons gravitasjonsteori, som postulerer den øyeblikkelige effekten av tyngdekraften.
Enkelt sagt, Newtons tyngdekraft sa at hvis solen ble fjernet fra sentrum av solsystemet, ville gravitasjonseffekten av denne hendelsen umiddelbart bli kjent på jorden. Men SRT sier at selv effekten av solens forsvinning vil bevege seg med lysets hastighet.
Einstein visste også at gravitasjonsattraksjonen til to legemer er direkte proporsjonal med massene deres, som fulgte av Newtons F = G * M * m / r². Derfor bestemte massen tydelig styrken til gravitasjonsfeltet. SRT sier at masse tilsvarer energi, derfor bør energi-momentum tettheten også bestemme tyngdekraften.
Som et resultat var de tre hovedantagelsene Einstein brukte til å formulere teorien sin:
1. I roterende (ikke-inertielle) referanserammer er rommet buet (ikke-euklidisk).
2. Prinsippet om ekvivalens sier at akselererende referanserammer tilsvarer gravitasjonsfelt.
3. Ekvivalens mellom masse og energi følger av SRT, og fra Newtons fysikk følger det at massen er proporsjonal med tyngdekraften.
Einstein var i stand til å konkludere med at energi-momentum tettheten skaper, og er proporsjonal, med krumning av rom-tid.
Det er ikke kjent når han hadde sin "innsikt", når han var i stand til å løse dette puslespillet og relatere masse / energi til romets krumning.
Fra 1913 til 1915 publiserte Einstein flere artikler mens han arbeidet med å fullføre generell relativitet. Det ble oppdaget feil i noen av verkene, noe som førte til at Einstein kastet bort tid på unødvendige distraksjoner i teoretisk resonnement.
Men nettoresultatet, at energimomentetettheten bøyer romtid, som en bowlingkule er et strukket ark av gummi, og at bevegelsen av massen i et gravitasjonsfelt avhenger av krumning av romtid er uten tvil de største gjetninger fra menneskelig intelligens.
Handikap
Hvor lenge ville vi ha forstått tyngdekraften hvis ikke for Einsteins geni? Det er mulig at vi må vente på dette i mange tiår. Men i 1979 ville mysteriet sikkert komme ut. I det året oppdaget astronomer "tvillingkvasarer", QSO 0957 + 561, den første kvasaren som observerte gravitasjonslinse.
Denne fantastiske oppdagelsen kan bare forklares med krumning av romtid. For ham ville de sannsynligvis gitt Nobelprisen, hvis ikke for Einsteins geni. Eller kanskje hun fortsatt skal gis ut.
