I 1905 vendte Albert Einstein verden med teoretisk fysik på hovedet ved at offentliggøre et værk i den disciplin, der senere ville blive kaldt den særlige relativitetsteori. Hun viste, at rum og tid ikke kan betragtes som absolutte enheder: tid kan accelerere eller bremse, standardlængder kan trække sig sammen, masser kan stige.
Og det mest berømte resultat, ækvivalensen mellem masse og energi, og deres andel udtrykkes gennem ligningen E = mc².
Ingen tvivler på Einsteins geni, der formulerede generel relativitet, men det accepteres generelt, at hvis han ikke havde offentliggjort sin teori i 1905, ville en anden fysiker snart have gjort det i hans sted.
"Einsteins kors" - fire billeder af en fjern kvasar, opnået på grund af det faktum, at lyset fra den bøjer sig omkring en galakse, der ligger tættere på os og fungerer som en tyngdekraftlinse.
Det var først i 1915, at Einstein demonstrerede sit geni ved at offentliggøre sin teori om generel relativitet. Hun hævdede, at rumtidens krumning er proportional og også forekommer på grund af "energimomentdensiteten", dvs. energien og momentumet, der er forbundet med ethvert stof i et rumvolumen.
Denne erklæring blev bekræftet, da den faldt sammen med observationer af Merkur's usædvanlige bane og med stjernernes lys, der bøjede sig omkring solen.
I løbet af de sidste hundrede år er generel relativitetstest blevet testet med forbløffende nøjagtighed og har stået testen hver gang. Generel relativitetsteori er blevet et så stort spring fremad, at man kan sige, at hvis Einstein ikke havde formuleret det, kunne det forblive uopdaget i lang tid.
Vejen til generel relativitet
Salgsfremmende video:
I 1907 havde Einstein den "lykkeligste tanke i livet", da han sad på en stol i patentkontoret i Bern:
Hvis en person falder frit, føler han ikke sin vægt.
Hun førte ham til formuleringen af "ækvivalensprincippet", der siger, at det er umuligt at skelne mellem den accelererende referenceramme og tyngdefeltet. For eksempel, hvis du står på Jorden, vil det føles nøjagtigt det samme som om du stod i et rumskib, der bevægede sig med en acceleration på 9,81 m / s² - med tyngdeacceleration på Jorden.
Dette var det første store skridt i retning af formuleringen af en ny gravitationsteori.
Einstein mente, at "al fysik er geometri." Han mente, at rumtid og universet kan tænkes i geometriske termer. Den mest overraskende konklusion af generel relativitet, tidens og rummets dynamiske natur, førte tilsyneladende Einstein til behovet for at genoverveje den "geometriske" rumtid.
Einstein gennemførte en række pæne tankeeksperimenter, der sammenlignede observationer foretaget af observatører i inertiale og roterende referencerammer.
Han fastslog, at for en observatør i en roterende referenceramme kan rumtid ikke være euklidisk, dvs. den flade geometri, som vi alle studerer i skolerne. Vi er nødt til at indføre "buet rum" i vores ræsonnement for at tage højde for de anomalier, som relativitet forudsiger. Krumning bliver den næstvigtigste antagelse, der understøtter hans generelle relativitet.
For at beskrive det buede rum henvendte Einstein sig til et tidligere værk af Bernard Riemann, en matematiker fra det 19. århundrede. Med hjælp fra sin ven Marcel Grossmann, også matematiker, tilbragte Einstein flere kedelige år med at studere matematik i buede rum - hvad matematikere kalder "differentiel geometri." Einstein bemærkede, at "sammenlignet med forståelse af tyngdekraften virkede speciel relativitet som et barns leg."
Einstein havde nu det matematiske apparat til at føre teorien til færdiggørelse. Ækvivalensprincippet sagde, at en accelererende referenceramme svarer til et tyngdefelt. Som et resultat af hans studier i geometri mente han, at tyngdefeltet var en simpel manifestation af buet rumtid. Derfor kunne han vise, at de accelererende referencerammer var ikke-euklidiske rum.
Udvikling
Det tredje vigtigste trin var eliminering af vanskeligheder med at anvende generel relativitet på Newtons tyngdekraft. I den specielle relativitetsteori modsiger konstanten af lysets hastighed i alle referencerammer og udsagnet om, at lysets hastighed er den maksimalt opnåelige hastighed, modsat Newtons teori om tyngdekraft, som postulerer momentaniteten af tyngdekraftens handling.
Kort sagt sagde Newtons tyngdekraft, at hvis solen blev fjernet fra midten af solsystemet, ville tyngdekraftseffekten af denne begivenhed straks kunne mærkes på Jorden. Men SRT siger, at selv effekten af Solens forsvinden vil bevæge sig med lysets hastighed.
Einstein vidste også, at tyngdekraften for to legemer er direkte proportional med deres masser, som fulgte af Newtons F = G * M * m / r². Derfor bestemte massen klart tyngdefeltets styrke. SRT siger, at masse svarer til energi, så energimomentdensiteten skal også bestemme tyngdekraften.
Som et resultat var de tre centrale antagelser, som Einstein brugte til at formulere sin teori:
1. I roterende (ikke-inertiale) referencerammer er rummet buet (ikke-euklidisk).
2. Ækvivalensprincippet siger, at accelererende referencerammer svarer til tyngdekraftsfelter.
3. Ækvivalens mellem masse og energi følger af SRT, og fra Newtons fysik følger det, at masse er proportional med tyngdekraften.
Einstein var i stand til at konkludere, at energimomentdensiteten skaber og er proportional med krumning af rumtid.
Det vides ikke, hvornår han havde sin "indsigt", hvornår han var i stand til at løse dette puslespil og relatere masse / energi til rumets krumning.
Fra 1913 til 1915 offentliggjorde Einstein flere artikler, mens han arbejdede på færdiggørelsen af generel relativitet. Der blev fundet fejl i nogle af værkerne, hvilket førte til, at Einstein spildte tid på unødvendige distraktioner i teoretisk ræsonnement.
Men nettoresultatet, at energimomentdensiteten bøjer rumtid, ligesom en bowlingkugle er et strakt ark af gummi, og at bevægelsen af massen i et tyngdefelt afhænger af krumningen af rumtid er uden tvivl de største gæt fra menneskelig intelligens.
Handikap
Hvor længe ville vi have forstået tyngdekraften, hvis ikke Einstein's geni? Det er muligt, at vi bliver nødt til at vente på dette i mange årtier. Men i 1979 ville gåden helt sikkert komme ud. I det år opdagede astronomer "tvillingekvasarer", QSO 0957 + 561, den første kvasar, der observerede tyngdekraftlinse.
Denne fantastiske opdagelse kan kun forklares med krumning af rumtid. For ham ville de bestemt have givet Nobelprisen, hvis ikke for Einsteins geni. Eller måske skulle hun stadig uddeles.