Од Њутн до Ајнштајн – Потеклото на општата теорија за релативноста

Најголемиот теоретски физичар на сите времиња, таткото на општата теорија на релативноста, која се смета за една од двата столба на модерната физика, добитник на Нобелова награда за физика во 1921 година и еден од најголемите придонесувачи на филозофијата на науката, Алберт Ајнштајн е роден на 14 март 1879 година во Улм, во кралството Виртемберг во Германија.

137 години по раѓањето на овој гениј, неговиот придонес за науката и за светот во целина останува неспоредлив.

Општата релативност беше создадена на основата на специјалната релативност на Ајнштајн, што овозможи решенија за некои од најголемите загатки на теоретската физика на 19-тиот век.

Па, за да го сфатиме значењето и важноста на општата релативност, ќе се навратиме на физиката од 19-тиот век, за да видиме како Ајнштајн сфатил дека просторот, времето и геометријата не се апсолутни, туку зависат од физичката средина.

Убавината на непроменливоста

Во 17 век, Исак Њутн создаде група равенки кои ги опишуваат физичките својства на светот околу нас. Овие равенки беа многу успешни, од опишувањето на летот на топовското ѓуле, до движењето на планетите. Тие исто така имаа многу привлечно својство – сите набљудувачи, без разлика на тоа дали се движат или не, односно без оглед на тоа во која „инерцијална рамка“ се наоѓаат, се еквивалентни кога станува збор за нивниот опис на светот околу нив. Тоа значи дека, на пример, две лица кои се движат во различни насоки ќе го следат развојот на настаните на истиот начин.

Иако, формално, овие лица ќе ги видат настаните на различен начин (едниот ќе каже дека нештата се движеле од лево на десно, другиот обратно), фундаменталниот опис на развојот на настаните ќе остане ист и законите на физиката кои произлегуваат од овие лица ќе ја имаат буквално истата форма. Но, во 19-тиот век, луѓето започнале да забележуваат дека сите работи не се совпаѓаат со ова правило.

Проблеми со електромагнетизмот

19-тиот век беше време на обемно проучување на феноменот на електрична енергија, магнетизам и светлина. Во 1865 година, Џејмс Клерк Максвел објави група равенки кои ги комбинираат овие три појави во еден феномен на „електромагнетизам“.

По ова откритие на Максвел, луѓето забележале нешто чудно во неговите равенки. Нивната форма се менува кога се движиме од една во друга инерцијална рамка. Тоа значи дека лицето кое не се движи може да види изразито различни физички појави од лицето кое се движи. Така, убавината на непроменливоста и Њутновата физика исчезнаа.

Потоа, во 20-тиот век, беше откриена нова математичка трансформација која би можела да ја зачува структурата на равенките на Максвел, кога се движиме од една во друга рамка. Иако многу луѓе придонесоа за тоа откритие, сега е познато како „Лоренцова трансформација“.

Оваа трансформација е различна од стандардната трансформација на инерцијални рамки која е користена во Њутновата физика. Во Њутновата физика, должината и времето се апсолутни, па должината на објектот во една рамка е иста со должината на објектот во друга рамка. Исто така, и времето поминува на ист начин. Но, ако се земе буквално, Лоренцовата трансформација имплицира дека времето и должината се менуваат, во зависност од рамката во која лицето се наоѓа.

Принципот на релативност

Поради ова, Ајнштај се запрашал дали трансформацијата која ја зачувува структурата на Максвеловите равенки е само математички трик, или има нешто фундаментално во тоа. Се запрашал дали времето и просторот се апсолутни, и дали принципот на непроменливост на законите на физиката треба да биде најважен.

Во 1905 година, Ајнштајн одлучил дека непроменливоста треба да го има највисокиот статус и го постулирал принципот на релативност – дека сите инерцијални рамки се еквивалентни, а движењето на набљудувачот (со константна брзина) е ирелевантно, и дека сите закони на физиката треба да ја имаат истата форма во сите инерцијални рамки.

Кога ќе се искомбинира со електромагнетизмот, овој принцип бара трансформацијата од една во друга инерцијална рамка да ја има истата структура на Лоренцовата трансформација, што значи дека времето и просторот не се апсолутни и ги менуваат своите својства кога се менува рамката.

Што е со гравитацијата?

Во 1907 година, Ајнштајн сфатил дека неговата теорија не е комплетна. Принципот на релативност бил применлив само за набљудувачите кои се движат со константна брзина. Исто така, не се вклопувал со Њутновиот опис на гравитацијата. Така, Ајнштајн започнал низа експерименти кои му покажале дека гравитацијата не се разликува од забрзувањето. Неподвижното стоење на земјата се чувствува исто како и стоењето во ракета со константна брзина. Исто така, забележал дека набљудувачот би го забележал менувањето на основните геометриски својства. На пример, бројот Пи (математичка константа) повеќе не би можел да се дефинира како однос на обемот на кругот и неговиот дијаметар. Значи, својата апсолутна смисла не ја изгубиле само просторот и времето, туку и геометријата. И геометријата не е апсолутна и може да подложи на физичките услови.

Патот кон општата релативност

Од сето ова, Ајнштајн бил убеден дека геометријата на времето и просторот и физичките процеси кои се одвиваат во нив се поврзани и може меѓусебно да си влијаат. Исто така, дошол до заклучокот дека она што го перцепираме како гравитација е само последица на движењето низ времето и просторот. Колку е поголемо искривувањето, толку е поголема гравитацијата.

На Ајнштајн му беа потребни 8 години за да ја најде поврзаноста меѓу геометријата на времето и просторот и физиката. Равенките коишто ги претставил во 1915 година не само што доведоа до сосема поинаква интерпретација на настаните околу нас, туку и дадоа објаснување на некои чудни феномени – од неправилната орбита на Меркур, виткањето на светлината од гравитацијата на Сонцето, до предвидувањето на постоењето на црните дупки и проширувањето на универзумот.

Патот од Њутновата физика до специјалната, а потоа и општата теорија за релативноста беше трнлив, но секој чекор, предводен од увидот на Ајнштајн, водеше кон незамислива слика на универзумот која трае и до ден денес.

Оргиналната статија е објавена во „The Conversation“.

Поддржете ја нашата работа: