Vuonna 1905 Albert Einstein käänsi teoreettisen fysiikan maailman ylösalaisin julkaisemalla tieteenalalla teoksen, jota myöhemmin kutsutaan erityiseksi suhteellisuusteoriaksi. Hän osoitti, että tilaa ja aikaa ei voida pitää absoluuttisina kokonaisuuksina: aika voi kiihtyä tai hidastua, vakiopituudet voivat supistua, massat voivat kasvaa.
Ja tunnetuin tulos, energiamassan vastaavuus ja niiden osuus ilmaistaan yhtälön E = mc² kautta.
Kukaan ei epäile Einsteinin neroa, joka muotoili yleisen suhteellisuusteorian, mutta on yleisesti hyväksyttyä, että jos hän ei olisi julkaissut teoriaansa vuonna 1905, joku muu fyysikko olisi pian tehnyt sen hänen sijaansa.
"Einsteinin risti" - neljä kuvaa yhdestä kaukaisesta kvasaarista, joka on saatu johtuen siitä, että siitä tuleva valo taipuu ympärillämme sijaitsevan galaksin ympärillä ja toimii gravitaatiolinssinä.
Vasta vuonna 1915 Einstein osoitti nerokkuutensa julkaisemalla teoriansa suhteellisesta suhteellisuudesta. Hän väitti, että aika-ajan kaarevuus on verrannollinen, ja se johtuu myös "energia-impulssitiheydestä", ts. Energiasta ja liikemäärästä, joka liittyy mihin tahansa aineeseen avaruuden yksikkötilavuudessa.
Tämä toteamus vahvistettiin, kun se osui samaan aikaan Merkuruksen epätavallisen kiertoradan havaintojen ja auringon ympäri taipuvien tähtien valon kanssa.
Viimeisen sadan vuoden aikana yleistä suhteellisuusteoriaa on testattu hämmästyttävän tarkasti ja se on ollut testissä joka kerta. Yleisestä suhteellisuusteoriasta on tullut niin valtava harppaus eteenpäin, että voidaan sanoa, että jos Einstein ei olisi muotoillut sitä, se voisi olla paljastamaton pitkään.
Polku yleiseen suhteellisuusteoriaan
Mainosvideo:
Vuonna 1907 Einsteinilla oli "elämän onnellisin ajatus" istuessaan tuolilla Bernin patenttitoimistossa:
Jos henkilö putoaa vapaasti, hän ei tunne painoaan.
Hän johti hänet muotoilemaan "vastaavuusperiaate", joka sanoo, että kiihtyvän viitekehyksen ja painovoimakentän välillä on mahdotonta tehdä eroa. Esimerkiksi, jos seisot maan päällä, se tuntuu täsmälleen samalta kuin seisot avaruusaluksessa, joka liikkuu kiihtyvyydellä 9,81 m / s² - maan painovoiman kiihtyvyydellä.
Tämä oli ensimmäinen merkittävä askel kohti uuden painovoimateorian muotoilua.
Einstein uskoi, että "kaikki fysiikka on geometriaa". Hän tarkoitti, että aika-aika ja maailmankaikkeus voidaan ajatella geometrisesti. Yllättävin johtopäätös yleisestä suhteellisuudesta, ajan ja tilan dynaaminen luonne johti ilmeisesti Einsteinin tarpeeseen miettiä uudelleen "geometrinen" aika-aika.
Einstein suoritti sarjan siistit ajatuskokeet, joissa verrattiin tarkkailijoiden havaintoja inertiaalisissa ja pyörivissä viitekehyksissä.
Hän totesi, että pyörivässä viitekehyksessä olevalle tarkkailijalle aika-aika ei voi olla euklidista, toisin sanoen kuten tasainen geometria, jota me kaikki tutkimme kouluissa. Meidän on lisättävä "kaareva tila" perusteluihimme suhteellisuusteoreen ennustamien poikkeavuuksien huomioon ottamiseksi. Kaarevuudesta tulee toiseksi tärkein olettamus, joka tukee hänen yleistä suhteellisuusteoriaansa.
Kaarevan tilan kuvaamiseksi Einstein kääntyi 1800-luvun matemaatikon Bernard Riemannin aikaisempaan teokseen. Einstein vietti ystävänsä, myös matemaatikon Marcel Grossmannin avulla useita tylsiä vuosia kaarevien tilojen matematiikkaa - mitä matemaatikot kutsuvat "differentiaaligeometriaksi". Einstein totesi, että "painovoiman ymmärtämiseen verrattuna erityinen suhteellisuusteoria näytti olevan lasten leikki".
Einsteinilla oli nyt matemaattinen laite teorian viemiseksi loppuun. Vastaavuusperiaate totesi, että kiihtyvä viitekehys vastaa gravitaatiokenttää. Geometrian opintojensa tuloksena hän uskoi, että gravitaatiokenttä oli yksinkertainen kaarevan aika-ajan ilmentymä. Siksi hän pystyi osoittamaan, että kiihtyvät viitekehykset olivat ei-euklidisia tiloja.
Kehitys
Kolmas tärkein askel oli vaikeuksien poistaminen soveltamalla yleistä suhteellisuusteoria Newtonin painovoimaan. Erityisessä suhteellisuusteoriassa valon nopeuden vakaus kaikissa vertailukehyksissä ja väite, että valon nopeus on suurin saavutettavissa oleva nopeus, olivat ristiriidassa Newtonin painovoiman teorian kanssa, joka oletti painovoiman toiminnan hetkellisyyden.
Yksinkertaisesti sanottuna Newtonin painovoima sanoi, että jos aurinko poistettaisiin aurinkokunnan keskustasta, tämän tapahtuman painovoima tuntuisi heti maapallolla. Mutta SRT sanoo, että jopa auringon katoamisen vaikutus liikkuu valon nopeudella.
Einstein tiesi myös, että kahden ruumiin gravitaatiovoima on suoraan verrannollinen niiden massaan, joka seurasi Newtonin F = G * M * m / r²: sta. Siksi massa määräsi selvästi painovoimakentän voimakkuuden. SRT sanoo, että massa on yhtä suuri kuin energia, joten energia-momentti-tiheyden tulisi myös määrittää painovoima.
Tämän seurauksena kolme keskeistä oletusta, joita Einstein käytti teoriansa muotoilussa, olivat:
1. Pyörivissä (ei-inertiaalisissa) viitekehyksissä tila on kaareva (ei-euklidinen).
2. Vastaavuusperiaate sanoo, että kiihtyvät viitekehykset vastaavat gravitaatiokenttiä.
3. Massan ja energian vastaavuus seuraa SRT: stä ja Newtonin fysiikasta seuraa, että massa on verrannollinen painovoimaan.
Einstein pystyi päättelemään, että energia-impulssitiheys luo ja on verrannollinen aika-ajan kaarevuuteen.
Ei tiedetä, milloin hänellä oli "oivalluksensa", kun hän pystyi ratkaisemaan tämän palapelin ja liittämään massan / energian avaruuden kaarevuuteen.
Vuosina 1913–1915 Einstein julkaisi useita papereita työskennellessään yleisen suhteellisuusteorian loppuunsaattamisen parissa. Joissakin teoksissa havaittiin virheitä, jotka saivat Einsteinin tuhlaamaan aikaa turhiin häiriötekijöihin teoreettisessa päättelyssä.
Mutta nettotulos, että energia-impulssitiheys taipuu aika-aikaa, kuten keilapallo, on venytetty kumilevy ja että massan liike gravitaatiokentässä riippuu aika-ajan kaarevuudesta, on epäilemättä ihmisen älykkyyden suurin arvaus.
Tasoitus
Kuinka kauan olisimme ymmärtäneet painovoiman, ellei Einsteinin nero? On mahdollista, että joudumme odottamaan tätä vuosikymmenien ajan. Mutta vuonna 1979 arvoitus tulee varmasti esiin. Tuona vuonna tähtitieteilijät löysivät "kaksoiskvaasarit", QSO 0957 + 561, ensimmäisen kvasaarin, joka havaitsi gravitaatiolinssejä.
Tämä hämmästyttävä löytö voidaan selittää vain aika-ajan kaarevuudella. Hänen puolestaan he olisivat todennäköisesti antaneet Nobel-palkinnon, ellei Einsteinin nero. Tai ehkä hänet pitäisi edelleen antaa.