A relativitáselmélet, akkor és most

"Kimerültem. De a siker dicsőséges."

kapcsolodo tartalom

• Emmy Noether matematikusnak kell lennie a hősének

Száz évvel ezelőtt volt ez a november, és Albert Einstein ritka elégedettség pillanatát élvezte. Nappal korábban, 1915. november 25-én a berlini Porosz Tudományos Akadémia színpadára lépett és kijelentette, hogy végre befejezte kínzó, évtizedes expedícióját a gravitáció új és mélyebb megértése érdekében. Az általános relativitáselmélet - állította Einstein - most már teljes volt.

A történelmi bejelentéshez vezető hónap élete szellemi értelemben legintenzívebb és szorongásosabb volt. Ez a csúcspontja Einstein radikálisan új látásmódjával a tér, az idő, az anyag, az energia és a gravitáció kölcsönhatásáról, melyet az emberiség egyik legnagyobb szellemi teljesítményeként tiszteltek.

Abban az időben az általános relativitásellenesség zümmögését csak az ezoterikus fizika szélén álló gondolkodók coteie hallotta. De az elmúlt évszázadban Einstein agyháza az alapvető kérdések széles skálájához kapcsolódott, ideértve az univerzum eredetét, a fekete lyukak szerkezetét és a természet erőinek egyesítését, és az elméletet alkalmazták több alkalmazott feladatra is. mint például az extra-szoláris bolygók keresése, a távoli galaxisok tömegének meghatározása, és még a távoli autósok és a ballisztikus rakéták pályájának irányítása. Az általános relativitáselmélet, egykor a gravitáció egzotikus leírása, ma hatékony kutatási eszköz.

A gravitáció megragadására irányuló törekvés jóval Einstein előtt kezdődött. Az Európát 1665 és 1666 között sújtó pestis során Isaac Newton visszavonult a Cambridge-i Egyetemen betöltött posztjáról, menedéket töltött családjának otthonában, Lincolnshire-ben, és tétlen óráiban rájött, hogy minden tárgy, akár a Földön, akár az égben, egymással olyan erővel húzza meg, amely kizárólag attól függ, hogy milyen nagy a tárgyak - tömegük és mennyire távol vannak egymástól az űrben - a távolság. Az iskolás gyerekek az egész világon megtanultak Newton törvényének matematikai változatát, amely olyan látványosan pontos előrejelzéseket tett a szétválasztott szikláktól a bolygók körüli körüli mozgásokig, hogy Newton írta a végső szót a gravitációról. De ő nem tette. És Einstein volt az első, aki ebben biztos volt.

**********

1905-ben Einstein felfedezte a relativitáselmélet speciális elméletét, megállapítva a híres diktumot, miszerint semmi - sem tárgy, sem jel - nem haladhat gyorsabban, mint a fénysebesség. És ott fekszik a dörzsölés. Newton törvénye szerint, ha úgy rázza meg a Napot, mint egy kozmikus marakot, a gravitáció a Földet is azonnal rázni fogja. Vagyis Newton képlete azt sugallja, hogy a gravitáció azonnal befolyásolja egyik helyről a másikra. Ez nem csak a fénynél gyorsabb, hanem végtelen is.

Relativitás: A speciális és az általános elmélet

Az általános relativitáselmélet századik évfordulóján jelent meg, Einstein híres könyvének ez a szép kiadása a történeti és intellektuális összefüggésekbe helyezi a művet, miközben felbecsülhetetlen betekintést nyújt minden idők egyik legnagyobb tudományos elméjébe.

Einsteinnek semmi sem lenne. A gravitáció finomabb leírásának biztosan léteznie kell, amelyben a gravitációs hatások nem lépik túl a fényt. Einstein arra törekedett, hogy megtalálja. És ehhez - rájött, hogy válaszolnia kell egy látszólag alapvető kérdésre: Hogyan működik a gravitáció? Hogyan érheti el a Nap a 93 millió mérföldet és gravitációs húzást gyakorol a Földre? A mindennapi tapasztalatok ismertté válása érdekében - az ajtó kinyitása, a borosüveg kibontása - a mechanizmus nyilvánvaló: Közvetlen érintkezés van a kezed és a húzást átélő tárgy között. De amikor a Nap meghúzza a Földet, akkor ez a húzás az űrben átjut - üres hely. Nincs közvetlen kapcsolat. Tehát milyen láthatatlan kéz dolgozik a gravitációs ajánlat végrehajtásán?

Newton maga mélyen rejtélyesnek találta ezt a kérdést, és önként vállalta, hogy a saját maga elmulasztása meghatározni, hogy a gravitáció hogyan befolyásolja azt, hogy elmélete, bár a sikeres előrejelzései is, bizonyosan hiányos. De több mint 200 éve Newton beismerése nem más, mint egy elmélet figyelmen kívül hagyott lábjegyzete, amely egyébként a megfigyelésekkel egyetértett.

1907-ben Einstein komolyan kezdett válaszolni erre a kérdésre; 1912-re ez teljes munkaidős megszállottságává vált. És ez a néhány év alatt Einstein olyan kulcsfontosságú áttörést ért el, amely annyira egyszerű megfogalmazni, amennyire nehéz megragadni: Ha a Nap és a Föld között nincs semmi más, csak üres tér, akkor kölcsönös gravitációs vonzódást kell gyakorolnia a térrel. maga. De hogyan?

Einstein válasza, egyszerre gyönyörű és rejtélyes, az, hogy az anyag, például a Nap és a Föld, körülötte a tér görbülését okozza, és az így létrejövő tér alakja befolyásolja az elhaladó többi test mozgását.

Így lehet gondolkodni. Rajzolja meg az egyenes pályát, majd egy márványt, amelyet egy lapos fa padlóra dobott. Képzelje el márvány gördítését egy olyan padlón, amelyet elárasztottak és áradás csavart. A márvány nem követi ugyanazt az egyenes pályát, mert így és a padló ívelt körvonalaihoz hasonlóan el lesz fogva. Ugyanúgy, mint a padlón, de a térben. Einstein elképzelte, hogy a tér ívelt kontúrjai az ütött baseballt elcsúsztatják, hogy kövessék ismert parabolikus útját, és rávegyék a Földet, hogy tapadjon a szokásos elliptikus pályájához.

Lélegzetelállító ugrás volt. Addig a tér absztrakt fogalom volt, egyfajta kozmikus konténer, nem pedig kézzelfogható egység, amely változást válthatott ki. Valójában a ugrás még mindig nagyobb volt. Einstein rájött, hogy az idő is vetemedhet. Intuitív módon mindannyian elképzeljük, hogy az órák, függetlenül attól, hogy hol helyezkednek el, azonos sebességgel ketyegnek. De Einstein azt javasolta, hogy a közelebbi órák egy hatalmas testhez, mint a Föld, minél lassabban fognak ketyegni, tükrözve a gravitáció megdöbbentő hatását az idő múlásával. És annyira, hogy a térbeli lánc elfojthatja az objektum pályáját, csakúgy, mint az időbeli szempontból: Einstein matematikája azt javasolta, hogy az objektumokat olyan helyek felé húzzák, ahol az idő lassabban telik el.

Ennek ellenére Einsteinnek a gravitáció radikális átdolgozása a tér és az idő alakja szempontjából nem volt elegendő ahhoz, hogy győzelmet nyújtson. Az ötleteket prediktív matematikai keretbe kellett fejlesztenie, amely pontosan leírja a tér, idő és anyag által táncolott koreográfiát. Ez Albert Einstein számára is monumentális kihívásnak bizonyult. 1912-ben, az egyenletek divatoskodásával küzdött egy kollégájának, hogy „Életemben még soha sem tudtam ilyen megkínozni magam.” De egy évvel később, miközben Zürichben dolgozott, matematikailag jobban hozzáértő kollégájával, Marcel Grossmann-nal, Einstein ijesztően közel került a válaszhoz. Az 1800-as évek közepén nyert eredmények felhasználásával, amelyek biztosítják a geometriai nyelvet az ívelt alakzatok leírására, Einstein egy teljesen újszerű, mégis teljesen szigorú gravitáció-formálást hozott létre a tér és az idő geometriája szempontjából.

De aztán úgy tűnt, hogy minden összeomlik. Az új egyenletének vizsgálata során Einstein végzetes technikai hibát követett el, és arra késztette a gondolatát, hogy javaslatával nem sikerült helyesen leírni az összes szokásos mozgást. Két hosszú, bosszantó év alatt Einstein kétségbeesetten próbálta megjavítani a problémát, de semmi nem működött.

Einstein, ahogy jön, kitartóan észrevétlen maradt, és 1915 őszén végül meglátta az utat. Addigra professzor volt Berlinben, és bevezetésre került a Porosz Tudományos Akadémiára. Ennek ellenére is volt ideje a kezére. Elidegendett felesége, Mileva Maric végül elfogadta, hogy Einstein-élete véget ért, és két fiukkal visszaköltöztek Zürichbe. Noha az egyre feszültebb családi kapcsolatok súlyosan meghatározták Einsteint, az elrendezés azt is lehetővé tette számára, hogy magától függetlenül nappali és éjszakai zavartalanul kövesse matematikai csapdáit a kopár berlini apartman csendes magányában.

Novemberre ez a szabadság gyümölcsöt hozott. Einstein kijavította korábbi hibáját, és a végső emelkedésre indult az általános relativitáselmélet felé. Mivel azonban a finom matematikai részletekkel dolgozott, a körülmények váratlanul árulónak bizonyultak. Néhány hónappal korábban Einstein találkozott a neves német matematikával, David Hilberttel, és megosztotta minden gondolatát az új gravitációs elmélettel kapcsolatban. Nyilvánvalóan Einstein megrémülten megtanulta, hogy a találkozó annyira felidézte Hilbert érdeklődését, hogy Einsteint a célba versenyzi.

Egy sor képeslap és levél, amelyekkel 1915 novemberében kicserélték egymást, szívélyes, de intenzív rivalizációt írt le, mindegyik bekerülve az általános relativitáselméleti egyenletekbe. Hilbert tisztességes játéknak tartotta a megnyitást egy ígéretes, de még be nem fejezett gravitációs elméletben; Einstein félelmetesen rossznak tartotta Hilbert számára, hogy belemegy egyedülálló expedíciójába, a csúcstalálkozó közelében. Sőt, Einstein idegesen felismerte, hogy Hilbert mélyebb matematikai tartalékai komoly veszélyt jelentenek. Évek óta végzett kemény munkája ellenére Einstein bekerülhet.

Az aggodalom megalapozott volt. November 13-án, szombaton Einstein meghívást kapott Hilberttől, hogy csatlakozzon hozzá a következő kedden Göttingenben, hogy „nagyon részletesen” megismerje „a nagy probléma megoldását”. Einstein visszautasította. „Egy pillanatra tartózkodnom kell a Göttingeni utazástól, inkább türelmesen kell várnom, amíg a nyomtatott cikkből megismerhetem a rendszerét; mert fáradt vagyok, és fájdalomom engem is szenved.

De azon a csütörtökön, amikor Einstein kinyitotta leveleit, Hilbert kézirata szembesült vele. Einstein azonnal visszaírta, alig takarva bosszúságát: „A rendszer, amelyet általad lát, pontosan megegyezik azzal, amit az elmúlt hetekben találtam és bemutattam az Akadémia számára.” A barátnőjének, Heinrich Zanggernek, Einstein bizalommal bízott meg., "Személyes tapasztalataim alapján nem ismerem jobban az emberi faj nyomorúságát, mint ennek az elméletnek a alkalmából ..."

Egy héttel később, november 25-én, a porosz akadémián háborúzott közönségnek tartott előadásain Einstein ismertette az általános relativitáselmélet alapjául szolgáló egyenleteket.

Senki sem tudja, mi történt az utolsó hét alatt. Einstein önmagában jött-e fel a végleges egyenletekkel, vagy Hilbert papíre megkönnyítetlen segítséget nyújtott? Megtalálta-e Hilbert-tervezet az egyenletek helyes formáját, vagy utána Hilbert beillesztette ezeket az egyenleteket, Einstein munkájának ihlette, a cikk olyan változatába, amelyet Hilbert hónappal később tett közzé? Az intrika csak akkor mélyül, amikor megtudjuk, hogy Hilbert papírjának egyik bizonyítékának egyik kulcsrészét, amely valószínűleg megoldotta a kérdéseket, szó szerint elvágták.

Végül Hilbert helyesen cselekedett. Elismerte, hogy bármi is szerepet játszhatott a végleges egyenletek katalizálásában, az általános relativitáselméletet helyesen kell jóváírni Einsteinnek. És így van. Hilbertnek esedékessége is megtörtént, mivel az általános relativitáselméleti egyenletek kifejezésének technikai, de különösen hasznos módja mindkét férfi nevét viseli.

A kredit természetesen csak akkor lenne érdemes, ha az általános relativitáselméletet megfigyelésekkel megerősítik. Figyelemre méltó, hogy Einstein látta, hogyan lehet ezt tenni.

**********

Az általános relativitáselmélet azt jósolta, hogy a távoli csillagok által kibocsátott fénysugarak hajlított görbék mentén haladnak, amikor áthaladnak a hullámos térségben a Nap közelében a Föld felé. Einstein az új egyenletek segítségével pontosította ezt - kiszámította ezen ívelt pályák matematikai alakját. Az előrejelzés teszteléséhez azonban a csillagászoknak távoli csillagokat kell látniuk, amíg a Nap az előtérben van, és ez csak akkor lehetséges, ha a Hold eltakarja a Nap fényét, egy napfogyatkozás során.

A következő, 1919. május 29-i napfogyatkozás tehát az általános relativitáselmélet bizonyító terepévé válna. A brit csillagászok csapata, Sir Arthur Eddington vezetésével, két helyre nyitotta meg az üzletet, amelyek teljes napfogyatkozást tapasztalhatnak meg - Brazíliában, Sobralban és Afrika nyugati partjainál Príncipe-ben. Az időjárás kihívásaival küzdve, minden csapat távoli csillagokból készített fotólemez-sorozatot készített, amely pillanatnyilag látható, amikor a hold a Napon sodródott.

A képek gondos elemzésének következő hónapjaiban Einstein türelmesen várt az eredményekre. Végül, 1919. szeptember 22-én Einstein táviratot kapott, amelyben bejelentette, hogy a napfogyatkozás megfigyelései megerősítették előrejelzését.

Az újságok szerte a világon felvette a történetet, lélegzetelállító címsorokkal hirdetve Einstein diadalát, és gyakorlatilag egy éjszakán keresztül katapultálva őt világszerte szenzációvá. Az izgalom közepette egy fiatal hallgató, Ilse Rosenthal-Schneider, megkérdezte Einsteint, mit gondolt volna, ha a megfigyelések nem értenek egyet az általános relativitáselmélet előrejelzésével. Einstein bájos bravadóval híresen válaszolt: "Sajnálom volna a Kedves Urat, mert az elmélet helyes."

Valójában a napfogyatkozás mérése óta eltelt évtizedekben nagyon sok más megfigyelés és kísérlet történt - néhány folyamatban van -, amelyek szilárd bizalmat eredményeztek az általános relativitáselméletben. Az egyik leglenyűgözőbb a NASA leghosszabb ideje működő projektjei között a közel 50 évig tartó megfigyelő teszt. Az általános relativitáselmélet azt állítja, hogy amint egy test, mint a Föld a tengelyén forog, úgy körül kell húznia a helyet egy örvényben, mint egy forgó kavics egy vödör melaszban. Az 1960-as évek elején a Stanford fizikusok kidolgozták a jóslatok tesztelésének sémáját: Indítson el négy ultra-pontos giroszkópot a Föld közeli pályára, és keressen apró eltolódásokat a giroszkópok tengelyének orientációjában, amelyeket az elmélet szerint meg kellene okozni. a kavargó tér által.

A szükséges giroszkópos technológia kifejlesztéséhez és ezután az adatok elemzéséhez több éves tudományos erőfeszítésre volt szükség, többek között az űrben megszerzett giroszkópok szerencsétlen hullámainak legyőzésére. 2011-ben azonban a Gravity Probe B mögött álló csapat, amint a projekt ismert, bejelentette, hogy a fél évszázados kísérlet sikeres eredményt ért el: A giroszkópok tengelyei az Einstein által megjósolt mennyiség szerint fordultak el.

Létezik még egy kísérlet, amely jelenleg több mint 20 év alatt zajlik, és sokan megvizsgálják az általános relativitáselmélet utolsó tesztjét. Az elmélet szerint két ütköző tárgy, legyen az csillag vagy fekete lyuk, hullámokat hoz létre a tér szövetében, ugyanúgy, mintha egy másik ütköző hajó egy egyébként nyugodt tónál vízhullámokat hozna létre. És amint az ilyen gravitációs hullámok kifelé hullálnak, a tér kibővül és összehúzódik nyomán, kissé úgy, mint a tésztagömb felváltva nyújtva és összenyomva.

Az 1990-es évek elején a MIT és a Caltech tudósai által vezetett csoport kutatási programot kezdeményezett a gravitációs hullámok kimutatására. A nagy és nagy kihívás az, hogy ha egy távoli zavaros asztrofizikai találkozás történik, addig a múlva a Föld által elmosódott térbeli hullámok olyan széles körben elterjednek, hogy fantasztikusan meghígulnak, esetleg meghosszabbítják és összenyomják a teret csak egy atommag töredéke.

Ennek ellenére a kutatók kifejlesztettek egy olyan technológiát, amely egyszerűen csak látni fogja a hullámosság apró jelzőtábláit a világűrben, amikor a Föld gördül. 2001-ben két, négy kilométer hosszú L alakú eszközt, együttesen LIGO néven ismert (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hívták életbe Louisiana városában Livingstonban és a washingtoni Hanfordban. A stratégia az, hogy egy áthaladó gravitációs hullám felváltva nyújtja és összenyomja mindegyik L két karját, és nyomot hagy a lézerfényben, amely az egyes karok fel és le repül.

2010-ben a LIGO-t leszerelték, még mielőtt bármilyen gravitációs hullám aláírást észleltek volna - a készüléknek szinte biztosan hiányzott az érzékenysége, amely szükséges a Föld felé érő gravitációs hullám által okozott apró ráncok rögzítéséhez. Most azonban a LIGO továbbfejlesztett verzióját, a várhatóan tízszer érzékenyebb frissítést vezetik be, és a kutatók arra számítanak, hogy néhány éven belül közismert lesz a távoli kozmikus zavarok által okozott hullámok észlelése az űrben.

A siker nem azért lenne izgalmas, mert valaki valóban kételkedik az általános relativitáselméletben, hanem azért, mert az elmélet és a megfigyelés közötti megerősített kapcsolatok hatékony új alkalmazásokat eredményezhetnek. Például az 1919-es napfogyatkozásmérések, amelyek megállapították, hogy a gravitáció meghajolja a fény pályáját, inspiráltak egy sikeres technikát, amelyet most távoli bolygók megtalálására használnak. Amikor az ilyen bolygók áthaladnak a gazdaszervezetű csillagok előtt, kissé fókuszálnak a csillag fényében, ami olyan fényerő és tompító mintát eredményez, amelyet a csillagászok észlelhetnek. Egy hasonló technika lehetővé tette a csillagászok számára az egyes galaxisok tömegének mérését, megfigyelve, hogy ezek milyen súlyosan torzítják a még távolabbi források által kibocsátott fény pályáját. Egy másik, ismeretlenebb példa a globális helymeghatározó rendszer, amely Einstein felfedezésére támaszkodik, hogy a gravitáció befolyásolja az idő múlását. A GPS-eszköz meghatározza a helyét a különböző keringő műholdaktól kapott jelek utazási idejének mérésével. Ha nem vesszük figyelembe a gravitációnak a műholdak időtartamára gyakorolt ​​hatását, a GPS-rendszer nem tudja helyesen meghatározni egy tárgy helyét, ideértve az autóját vagy a vezetett rakétát.

A fizikusok úgy vélik, hogy a gravitációs hullámok felismerése képessé teszi a saját jelentőségű alkalmazásának létrehozására: egy új megközelítés a megfigyelő csillagászatra.

A Galileo ideje óta a távcsöveket ég felé fordítottuk, hogy távoli tárgyak által kibocsátott fényhullámokat gyűjtsünk. A csillagászat következő szakasza valószínűleg a távoli kozmikus felfordulások által előidézett gravitációs hullámok összegyűjtésével áll, amely lehetővé teszi számunkra, hogy az univerzumot teljesen új módon vizsgáljuk meg. Ez különösen izgalmas, mert a fényhullámok csak a nagy robbanás után néhány száz ezer évvel tudtak behatolni a teret betöltő plazmába, de a gravitációs hullámok képesek voltak. Egy nap tehát gravitációt használhatunk, nem pedig fényt, mint az univerzum legkorábbi pillanatai leghatolóbb szondaját.

Mivel a gravitációs hullámok kissé gördülnek át az űrben, mint a hang hullámai a levegőben, a tudósok a gravitációs jelek „hallgatásáról” beszélnek. Ha elfogadjuk ezt a metaforát, milyen csodálatos elképzelni, hogy az általános relativitáselmélet második századik évfordulója miatt a fizikusok megünnepelhetik azt, hogy végre meghallották a teremtés hangjait.

A szerkesztők megjegyzése, 2015. szeptember 29.: A cikk korábbi verziója pontatlanul írta le a GPS-rendszerek működését. A szöveget ennek megfelelően módosították.