Ezt a cikket David Lyth írta a Lancaster Egyetemről, és eredetileg a The Conversation jelentette meg.

A gravitáció a Föld bolygóhoz köti testünket, de nem határozza meg a szárnyaló emberi elme határait. 1915 novemberében – pontosan egy évszázaddal ezelőtt – ez bebizonyosodott, amikor Albert Einstein a Porosz Tudományos Akadémián tartott előadássorozatában bemutatta elméletét, amely forradalmasította a gravitációról – és magáról a fizikáról – alkotott képünket. Két évszázadon át úgy tűnt, hogy Newton figyelemre méltóan egyszerű és elegáns elmélete az egyetemes gravitációról jól megmagyarázza a dolgot. De ahogy az egyre inkább igaz a fizikára, az egyszerű már nem elég.”

Einstein általános relativitáselméletének kiindulópontja az 1905-ben publikált speciális relativitáselmélete volt. Ez elmagyarázta, hogyan kell megfogalmazni a fizika törvényeit a gravitáció hiányában. Mindkét elmélet középpontjában a tér és az idő olyan leírása áll, amely eltér attól, amit a józan ész sugallna.

Az elméletek megmagyarázzák, hogyan kell értelmezni a különböző helyek közötti mozgást, amelyek egymáshoz képest – és nem valamiféle abszolút éterhez képest (ahogy Newton feltételezte) – állandó sebességgel mozognak. Bár a fizika törvényei univerzálisak, állítja, a különböző nézők másképp látják az események időzítését attól függően, hogy milyen gyorsan haladnak. Egy olyan esemény, amely a Földről nézve 1000 évnek tűnik, egy nagy sebességgel haladó űrhajós számára mindössze egy másodpercnek tűnhet.

Az Einstein elméleteinek középpontjában az a tény áll, hogy a fény sebessége független a sebességet mérő megfigyelő mozgásától. Ez azért furcsa, mert a józan ész azt sugallja, hogy ha egy vasúti pálya mellett ülünk az autónkban, akkor egy elhaladó vonat sokkal gyorsabban fog haladni, mintha ugyanabban az irányban követnénk.

Ha azonban ehelyett ülünk és nézünk egy fénysugarat, az ugyanolyan gyorsan haladna, függetlenül attól, hogy követjük-e vagy sem – ez egyértelműen jelzi, hogy valami baj van a józan ésszel.

Az elméletből az következik, hogy fel kell adnunk azt az elképzelést, hogy létezik egyetemes idő, és el kell fogadnunk, hogy az óra által regisztrált idő attól függ, hogy az óra milyen pályán halad a világegyetemben. Ez azt is jelenti, hogy az idő lassabban telik, ha gyorsan haladunk, vagyis egy iker, aki az űrbe megy, lassabban fog öregedni, mint a Földön lévő testvére.

Ez az “ikerparadoxon” matematikai furcsaságnak tűnhet, de valójában 1971-ben kísérletileg igazolták egy olyan kísérletben, amelyben atomórákat vittek kereskedelmi járatokra.

A speciális relativitáselmélet csak akkor működik az egymáshoz képest mozgó inerciarendszerek esetében, ha azok állandó sebességgel mozognak – nem tudja leírni, mi történik, ha azok gyorsulnak. Einstein azon töprengett, hogyan lehetne kiterjeszteni, hogy az ilyen gyorsulásra is kiterjedjen, és figyelembe vegye a gravitációt, amely gyorsulást okoz, és végül is mindenütt jelen van.

Rájött, hogy a gravitáció hatása eltűnik, ha nem próbáljuk legyőzni. Elképzelte az embereket egy liftben, amelynek kábele szabad esés közben elszakadt, és kiszámította, hogy mivel a tárgyak vagy mozdulatlanul, vagy állandó sebességgel lebegnek, az emberek nem fogják érezni a gravitációt. De ma már tudjuk, hogy ez igaz, hiszen magunk is láttuk a nemzetközi űrállomáson tartózkodó embereknél. Mindkét esetben nincsenek a gravitáció hatását ellensúlyozó erők, és az emberek nem tapasztalnak gravitációt.”

Görbe téridő. Mopic

Einstein is rájött, hogy a gravitáció hatása megegyezik a gyorsulás hatásával; a nagy sebességgel való elindulás hátrafelé tol minket, mintha a gravitáció húzna minket. Ez a két támpont vezette Einsteint az általános relativitáselmélethez. Míg Newton a gravitációt a testek között terjedő erőnek tekintette, Einstein úgy írta le, mint egy pszeudoerőt, amely azért tapasztalható, mert a tér és az idő egész szövevénye meghajlik egy masszív tárgy körül.

Einstein maga mondta, hogy az útja korántsem volt könnyű. Azt írta, hogy “egész életemben közel sem fáradoztam ilyen keményen, és nagy tisztelet öntötte el a matematika iránt, amelynek finomabb részét egyszerűségemben eddig puszta luxusnak tekintettem”.

A bizonyítékok

Amint Einstein felfedezte az általános relativitáselméletet, rájött, hogy ez magyarázza Newton elméletének kudarcát a Merkúr pályájának megmagyarázásában. A pálya nem egészen kör alakú, ami azt jelenti, hogy van egy pont, ahol a legközelebb van a Naphoz. Newton elmélete azt jósolja, hogy ez a pont fix, de a megfigyelések azt mutatják, hogy lassan forog a Nap körül, és Einstein rájött, hogy az általános relativitáselmélet helyesen írja le a forgást.”

“Magamon kívül voltam örömteli izgalomtól” – írta néhány hónappal később. Azóta az általános relativitáselmélet számos megfigyelési tesztet sikeresen kiállt.”

Az általános relativitáselméletet használod, amikor a GPS-rendszerre hivatkozva megállapítod a helyzetedet a Föld felszínén. Ez a rendszer 24 műhold rádiójeleit bocsátja ki, és a telefonodban vagy autódban lévő GPS-vevő három vagy több ilyen jelet elemez, hogy az általános relativitáselmélet segítségével kiszámítsa a helyzetedet. Ha Newton elméletét használta volna, a GPS-rendszer rossz pozíciót adott volna meg.

De míg az általános relativitáselmélet jól működik a nagy léptékű fizikai világ leírására, a kvantummechanika vált a legsikeresebb elméletté az olyan apró részecskék esetében, mint amilyenek egy atomot alkotnak. A relativitáselméletekhez hasonlóan a kvantummechanika is ellenkezik az intuícióval. Hogy lehetséges-e a kettőt egyesíteni, az még kiderül, de nem valószínű, hogy ez visszahozná a józan észt a fizikába.

David Lyth, a Lancaster Egyetem nyugalmazott fizikaprofesszora.

Ez a cikk eredetileg a The Conversationben jelent meg. Olvassa el az eredeti cikket.