През 1905 г. Алберт Айнщайн преобръща света на теоретичната физика, като публикува труд в дисциплината, който по-късно ще бъде наречен специална теория на относителността. Тя показа, че пространството и времето не могат да се разглеждат като абсолютни същности: времето може да се ускорява или забавя, стандартните дължини могат да се свиват, масите да се увеличават.
И, най-известният резултат, еквивалентността на масата на енергията и тяхното съотношение се изразява чрез уравнението E = mc².
Никой не се съмнява в гения на Айнщайн, който формулира общата теория на относителността, но общоприето е, че ако не беше публикувал теорията си през 1905 г., някой друг физик скоро би го направил на негово място.
„Кръстът на Айнщайн“- четири изображения на един далечен квазар, получени поради факта, че светлината от него се огъва около галактиката, намираща се по-близо до нас, работеща като гравитационна леща.
Едва през 1915 г. Айнщайн демонстрира своя гений, публикувайки своята теория за общата теория на относителността. Тя твърди, че кривината на пространството-времето е пропорционална и също се дължи на "енергийно-импулсната плътност", тоест енергията и импулса, свързани с която и да е материя в единица обем пространство.
Това твърдение беше потвърдено, когато съвпадна с наблюденията на необичайната орбита на Меркурий и звездната светлина, огъваща се около Слънцето.
През последните сто години общата теория на относителността е тествана с невероятна точност и всеки път е издържала теста. Общата теория на относителността се превърна в такъв гигантски скок напред, че може да се каже, че ако Айнщайн не го беше формулирал, той може да остане неоткрит за дълго време.
Пътят към общата теория на относителността
Промоционално видео:
През 1907 г. Айнщайн имал „най-щастливата мисъл за цял живот“, докато седял на стол в патентното ведомство в Берн:
Ако човек падне свободно, той не усеща тежестта си.
Тя го доведе до формулирането на "принципа на еквивалентност", който казва, че е невъзможно да се направи разлика между ускоряващата референтна система и гравитационното поле. Например, ако стоите на Земята, то ще се почувства точно същото, както ако стоите в космически кораб, движещ се с ускорение 9,81 m / s² - с ускорението на гравитацията на Земята.
Това беше първата голяма стъпка към формулирането на нова теория за гравитацията.
Айнщайн вярваше, че „цялата физика е геометрия“. Той имаше предвид, че пространство-времето и Вселената могат да се разглеждат в геометричен план. Най-изненадващият извод за общата теория на относителността, динамичният характер на времето и пространството, очевидно е довел Айнщайн до необходимостта да преосмисли "геометричното" пространство-време.
Айнщайн проведе поредица от изтънчени мисловни експерименти, сравнявайки наблюдения, направени от наблюдатели в инерционни и въртящи се референтни рамки.
Той установява, че за наблюдател във въртяща се референтна система пространството-времето не може да бъде евклидово, тоест като тази плоска геометрия, която всички изучаваме в училищата. Трябва да въведем "криво пространство" в нашите разсъждения, за да отчетем аномалиите, предсказани от относителността. Изкривяването става второто най-важно предположение, подкрепящо неговата обща теория на относителността.
За да опише извито пространство, Айнщайн се обърна към по-ранна работа на Бернард Риман, математик от 19-ти век. С помощта на своя приятел Марсел Гросман, също математик, Айнщайн прекарва няколко досадни години, изучавайки математиката на криви пространства - това, което математиците наричат „диференциална геометрия“. Айнщайн отбеляза, че „в сравнение с разбирането на гравитацията, специалната относителност изглеждаше като детска игра“.
Айнщайн вече разполагаше с математически апарат, който да донесе теорията до завършване. Принципът на еквивалентност гласи, че ускоряващата референтна система е еквивалентна на гравитационното поле. В резултат на проучванията си по геометрия той вярва, че гравитационното поле е проста проява на извито пространство-време. Следователно той може да покаже, че ускоряващите референтни рамки са неевклидови пространства.
Развитие
Третата най-важна стъпка беше премахването на трудностите при прилагането на общата теория на относителността към нютоновата гравитация. В специалната теория на относителността постоянството на скоростта на светлината във всички референтни рамки и твърдението, че скоростта на светлината е максимално достижимата скорост, противоречи на теорията за гравитацията на Нютон, която постулира моментността на действието на гравитацията.
Просто казано, Нютоновата гравитация каза, че ако слънцето бъде премахнато от центъра на Слънчевата система, гравитационният ефект от това събитие незабавно ще се почувства на Земята. Но SRT казва, че дори ефектът от изчезването на Слънцето ще се движи със скоростта на светлината.
Айнщайн също е знаел, че гравитационното привличане на две тела е пряко пропорционално на техните маси, което следва от F = G * M * m / r² на Нютон. Следователно, масата ясно определя силата на гравитационното поле. SRT казва, че масата е еквивалентна на енергия, следователно енергийно-импулсната плътност също трябва да определя силата на гравитацията.
В резултат на това трите основни предположения, които Айнщайн използва, за да формулира своята теория, бяха:
1. При въртящи се (неинерционни) референтни рамки пространството е извито (неевклидово).
2. Принципът на еквивалентност казва, че ускоряващите референтни рамки са еквивалентни на гравитационните полета.
3. Еквивалентността на масата и енергията следва от SRT, а от Нютоновата физика следва, че масата е пропорционална на силата на гравитацията.
Айнщайн успява да заключи, че енергийно-импулсната плътност създава и е пропорционална на кривината на пространство-времето.
Не е известно кога е имал своето „прозрение“, кога е успял да реши този пъзел и да свърже масата / енергията с кривината на пространството.
От 1913 до 1915 г. Айнщайн публикува няколко статии, докато работи върху завършването на общата теория на относителността. В някои от произведенията се срещат грешки, което кара Айнщайн да губи време за ненужни разсейвания в теоретичните разсъждения.
Но нетният резултат, че енергийно-импулсната плътност се огъва в пространството-времето, подобно на топката за боулинг, е опънат каучуков лист и че движението на масата в гравитационното поле зависи от кривината на пространството-времето, без съмнение е най-голямото предположение, направено от човешкия интелект.
Хендикап
Колко дълго щяхме да разбираме гравитацията, ако не беше геният на Айнщайн? Възможно е да се наложи да чакаме това в продължение на много десетилетия. Но през 1979 г. загадката със сигурност ще излезе. През тази година астрономите откриха "двойни квазари", QSO 0957 + 561, първият квазар, който наблюдава гравитационно обектив.
Това невероятно откритие може да се обясни само с кривината на пространството-времето. За него сигурно щяха да дадат Нобелова награда, ако не беше геният на Айнщайн. Или може би все пак трябва да я издадат.