Zašto je Ajnštajnova teorija relativnosti “najlepša na svetu”?

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 Nemačkoj, jer nije mogao da izdrži preveliki pritisak koji je trpeo. Bilo je to početkom 20. veka, 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.

Posle 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 vreme “Annalen der Physik”. Svaki od tih radova bio je vredan 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 vreme 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 reši. Deset dugih godina učenja, pokušaja, pogrešaka, zbunjenosti, dvosmislenih članaka, briljantnih ideja, potpunih promašaja…

Na posletku, u novembru 1915. hteo je da štampa članak sa kompletnim rešenjem: novu teoriju gravitacije koju je nazvao “Opštom teorijom relativnosti”.

Postoje remekdela koja imaju moć da čoveka dotaknu do srži: Mocartov “Requiem”, Homerova “Odiseja”, Sikstinska kapela, Mona Liza… U ta dela zaslužuje da se ubroji i opšta teorija relativnosti, “najlepša na svetu”, kako ju je nazvao veliki ruski fizičar Lav Landau.

Kako bismo u potpunosti cenili ovu teoriju, kao i pomenuta remekdela umetnosti, moramo mnogo učiti o njima, ali je nagrada za takav trud velika. Ajnštajnov dragulj je vredan 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 deluje na objekte koji su udaljeni jedni od drugih, bez ikakvih “posrednika” između, tada nije bilo poznato, a Njutn je oklevao da spekuliše o tome.

On je takođe zamišljao kako se tela kreću kroz svemir i sam svemir kao veliku praznu kutiju u kojoj se svi objekti kreću pravolinijskom putanjom sve dok im neka sila ne promeni pravac. Šta je ovaj “svemir”, od čega je sazdan, Njutn nije mogao ni da pretpostavi. Ipak, nekoliko godina pre Ajnštajnovog rođenja, dva velika britanska fizičara Majkl Faradej i Džejms Maksvel dodali su ključni sastojak Isakovom hladnom svetu: 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. Želeo je da shvati kako to polje deluje 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 prosvetljenja, neverovatnog pojednostavljivanja stvarnosti, prostor prestaje da se razlikuje od materije i postaje jedna od “materijalnih” komponenti sveta. 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 usled dejstva nekih misterioznih sila, nego zato što juri ka zakrivljenom prostoru u koji pada, baš kao što kliker propada kroz levak. Nema misterioznih sila u središtu levka; njegova zakrivljena priroda tera 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 jedno talentovanog studenta da uopšti teoriju kako bi bila primenljiva i na prostor u tri i više dimenzija. Student, Bernard Riman, napisao je impresivnu doktorsku tezu, koja je u to vreme delovala 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 rečima: samo zakrivljenje svemira je materija.

Međutim, tek tada počinje da se obogađuje ova magična teorija fantazmagoričnim nizom predviđanja koji podsećaju na delirijum bolesnog čoveka, ali koja su se redom pokazala kao tačna.

Prvo, jednačina opisuje kako se svemir zakrivljuje oko zvezde. Zbog zakrivljenja, ne samo da se planete okreću oko zvezde, nego se menja i putanja same svetlosti. Ajnštajn je predvideo da sunce izaziva zakrivljenje svetlosti, a 1919. ta devijacija je izmerena i predviđanje potvrđeno.

Međutim, nije zakrivljen samo ni prostor, nego i vreme. Ajnštajn je predvideo da vreme prolazi brže na višim nadmorskim visinama, nego na nižim. To je izmereno i ispostavilo se kao tačno: ako čovek 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 delić onoga što je Ajnštajnova teorija objasnila.

Kada velika zvezda potpuno istroši svoje “gorivo” – vodonik – ona se gasi. Ono što preostane više ne može da podnese toplotu usled sagorevanja 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 predvideo 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 verovao, ali su se dokazi gomilali sve do detekcije kosmičkog pozadinskog zračenja – rasutog bleska 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 primeru binarnih zvezda i odgovaraju predviđanjima do neverovatne preciznosti – jedan prema sto milijardi.

Ukratko, opšta teorija relativnosti opisuje živopisni svet u kom univerzumi eksploridaju, svemir se urušava u rupe bez dna, vreme se usporava u blizini planete, a nesputani delovi međuzvezdanog 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 deo života. Ipak, s druge strane, nagrada koju su za to dobili je čista lepota i nove oči kojima mogu posmatrati svet oko sebe.

Independent; Carlo Rovelli

B92

Tekstovi o nauci na portalu P.U.L.S.E

  Ajnštajn, gravitacija, Nauka, teorija relativnosti