Zašto je Ajnštajnova teorija relativnosti "najljepša na svijetu"?
Postoje remek djela koja imaju moć da čovjeka dotaknu do srži: Mocartov “Requiem”, Homerova “Odiseja”, Sikstinska kapela, Mona Liza... U ta djela zaslužuje da se ubroji i opšta teorija relativnosti, “najlepša na svijetu”, kako ju je nazvao veliki ruski fizičar Lav Landau
Albert Ajnštajn je u mladosti proveo godinu dana besciljno lutajući. On je znao ono što roditelji tinejdžera često zaboravljaju – da do cilja ne možete stići, ako ne “protraćite” barem malo vremena.
Bio je u Paviji. Pridružio se porodici, nakon što je napustio srednju školu u Njemačkoj, jer nije mogao da izdrži preveliki pritisak koji je trpio. Bilo je to početkom 20. vijeka, kada je Italija ulazila u industrijsku revoluciju. Njegov otac, inženjer, postavljao je prve elektrane na ravnicama Padove.
Albert je čitao Kanta i išao povremeno na predavanja na Univerzitetu u Paviji, iako nije bio upisan na studije.
Poslije toga, upisao je studije na Univerzitetu u Cirihu i upustio se u proučavanje fizike. Nekoliko godina kasnije, 1905. poslao je tri članka najprestižnijem naučnom časopisu u to vrijeme “Annalen der Physik”. Svaki od tih radova bio je vrijedan Nobelove nagrade.
Prvim je dokazao da atomi zaista postoje, drugim izlaže osnove kvantne mehanike, dok je trećim predstavio svoju prvu teoriju relativnosti (danas poznatu kao “specijalna teorija relativnosti”), kojom razjašnjava kako vrijeme ni za kog ne protiče identično.
Ajnštajn je preko noći postao priznat naučnik i dobijao je brojne ponude za posao na prestižnim univerzitetima. Ali, nešto mu nije dalo mira: njegova teorija relativnosti se nije uklapala u ono što znamo o gravitaciji. Shvatio je to dok je pisao članak kojim je trebalo da predstavi siže svoje teorije i počeo da se pita da li zakon “univerzalne gravitacije”, kako ju je formulisao otac fizike Isak Njutn, uopšte “drži vodu” u novom konceptu relativnosti. On je bio potpuno obuzet tim problemom, a trebalo mu je 10 godina da ga riješi. Deset dugih godina učenja, pokušaja, pogrešaka, zbunjenosti, dvosmislenih članaka, briljantnih ideja, potpunih promašaja...
Naposlijetku, u novembru 1915. htio je da štampa članak sa kompletnim rješenjem: novu teoriju gravitacije koju je nazvao “Opštom teorijom relativnosti”.
Postoje remek djela koja imaju moć da čovjeka dotaknu do srži: Mocartov “Requiem”, Homerova “Odiseja”, Sikstinska kapela, Mona Liza... U ta djela zaslužuje da se ubroji i opšta teorija relativnosti, “najlepša na svijetu”, kako ju je nazvao veliki ruski fizičar Lav Landau.
Kako bismo u potpunosti cijenili ovu teoriju, kao i pomenuta remek djela umjetnosti, moramo mnogo učiti o njima, ali je nagrada za takav trud velika. Ajnštajnov dragulj je vrijedan toga.
Čim shvatite kako funkcioniše, opšta teorija relativnosti počinje da vam se ukazuje u predivnoj jednostavnosti. Ali, krenimo redom.
Njutn je pokušao da objasni zašto predmeti padaju, a planete se okreću. Zamišljao je “silu” koja privlači sve materijalne objekte jedne drugima i nazvao je “silom gravitacije”.
Kako ta sila djeluje na objekte koji su udaljeni jedni od drugih, bez ikakvih “posrednika” između, tada nije bilo poznato, a Njutn je oklijevao da spekuliše o tome.
On je takođe zamišljao kako se tijela kreću kroz svemir i sam svemir kao veliku praznu kutiju u kojoj se svi objekti kreću pravolinijskom putanjom sve dok im neka sila ne promijeni pravac. Šta je ovaj “svemir”, od čega je sazdan, Njutn nije mogao ni da pretpostavi. Ipak, nekoliko godina prije Ajnštajnovog rođenja, dva velika britanska fizičara Majkl Faradej i Džejms Maksvel dodali su ključni sastojak Isakovom hladnom svijetu: elektromagnetno polje. Ovo polje je stvarni entitet, koji prenosi radio talase, ispunjava svemir, vibrira i osciluje kao površina nekog jezera i prenosi električnu silu.
Ajnštajn je od mladosti bio fasciniran tim elektromagentnim poljem koje okreće rotore u elektranama njegovog oca i uskoro je počeo da shvata da gravitaciju, kao i elektricitet, mora prenositi neko polje: “gravitaciono polje”, analogno “električnom” mora postojati. Želio je da shvati kako to polje djeluje i kako se može opisati jednačinama.
Tada mu je na um pala genijalna ideja: gravitaciono polje nije rasuto kroz svemir; gravitaciono polje je sam svemir. To je glavna ideja opšte teorije relativnosti. Njutnov “svemir” kroz koji se stvari kreću i “gravitaciono polje” su jedna te ista stvar.
U trenutku prosvjetljenja, nevjerovatnog pojednostavljivanja stvarnosti, prostor prestaje da se razlikuje od materije i postaje jedna od “materijalnih” komponenti svijeta. Entitet koji se talasa, savija, krivi...
Nas ne ograničava nevidljiva kruta infrastruktura: mi smo uronjeni u ogromnu fleksibilnu puževu kućicu. Sunce savija prostor oko sebe, a Zemlja se oko njega ne okreće usljed dejstva nekih misterioznih sila, nego zato što juri ka zakrivljenom prostoru u koji pada, baš kao što kliker propada kroz lijevak. Nema misterioznih sila u središtu lijevka; njegova zakrivljena priroda tjera kliker da se skotrlja niz njegove strane pravo u rupu.
Kako možemo objasniti to zakrivljenje prostora?
Čuveni matematičar Karl Fridrih Gaus, takozvani “princ među matematičarima”, napisao je matematičku formulu da opiše dvodimenzionalne talasaste površine, kakve su površine brda i planina. Zatim je zatražio od jednog talentovanog studenta da uopšti teoriju kako bi bila primjenljiva i na prostor u tri i više dimenzija. Student, Bernard Riman, napisao je impresivnu doktorsku tezu, koja je u to vrijeme djelovala potpuno beskorisno. Njegov zaključak bio je da svojstva zakrivljenog prostora određuje određeni matematički objekat, koji je danas poznat pod nazivom Rimanova kriva (R).
Ajnštajn je napisao jednačinu u kojoj je R jednako energiji materije. Drugim riječima: samo zakrivljenje svemira je materija.
Međutim, tek tada počinje da se obogađuje ova magična teorija fantazmagoričnim nizom predviđanja koji podsjećaju na delirijum bolesnog čovjeka, ali koja su se redom pokazala kao tačna.
Prvo, jednačina opisuje kako se svemir zakrivljuje oko zvijezde. Zbog zakrivljenja, ne samo da se planete okreću oko zvijezde, nego se mijenja i putanja same svjetlosti. Ajnštajn je predvidio da sunce izaziva zakrivljenje svjetlosti, a 1919. ta devijacija je izmjerena i predviđanje potvrđeno.
Međutim, nije zakrivljen samo ni prostor, nego i vrijeme. Ajnštajn je predvidio da vrijeme prolazi brže na višim nadmorskim visinama, nego na nižim. To je izmjereno i ispostavilo se kao tačno: ako čovjek koji živi na morskoj obali sretne svog brata blizanca koji je život proveo u planinama, otkriće da je njegov brat malo stariji od njega. A to je samo djelić onoga što je Ajnštajnova teorija objasnila.
Kada velika zvijezda potpuno istroši svoje “gorivo” – vodonik – ona se gasi. Ono što preostane više ne može da podnese toplotu usljed sagorijevanja i urušava se pod sopstvenom težinom do tačke u kojoj savija prostor do tog stepena, da se pretvara u stvarnu rupu. To su čuvene “crne rupe”. Nekada su bile gotovo ezoterični misaoni eksperimenti, a danas ih astronomi opažaju uz pomoć teleskopa i proučavaju do detalja.
Ajnštajn je predvidio da se svemir širi i kontrahuje. Štaviše, njegove jednačine pokazuju da svemir ne može mirovati: on mora da se širi. To širenje je i detektovano 1930. Ista jednačina predviđa da je za takvo širenje okidač bila eksplozija mladog, vrlo malog i vrlo vrelog univerzuma, koji nazivamo “Velikim praskom”. Još jednom, niko mu nije vjerovao, ali su se dokazi gomilali sve do detekcije kosmičkog pozadinskog zračenja – rasutog bljeska koji je ostatak vreline koja potiče od originalne eksplozije.
Štaviše, teorija ukazuje da se svemir kreće kao površina mora. Efekti tih "gravitacionih talasa" se prate na nebu na primjeru binarnih zvijezda i odgovaraju predviđanjima do nevjerovatne preciznosti – jedan prema sto milijardi.
Ukratko, opšta teorija relativnosti opisuje živopisni svijet u kom univerzumi eksplodiraju, svemir se urušava u rupe bez dna, vrijeme se usporava u blizini planete, a nesputani djelovi međuzvjezdanog prostora poskakuju i ljuljuškaju se poput površine mora.
Sve to bilo je rezultat elementarne intuicije: da su prostor i gravitaciono polje jedno te isto, a sva kompleksnost univerzuma predstavljena u divnoj jednostavnosti - Rab − ½ R gab = Tab
Oni koji su dugo izučavali Rimanovu matematiku i naučili kako da čitaju i tumače ovu jednačinu, svakako su za to odvojili veliki dio života. Ipak, s druge strane, nagrada koju su za to dobili je čista ljepota i nove oči kojima mogu posmatrati svijet oko sebe.
( Vijesti online )