This article was written by David Lyth from Lancaster University and was originally published by The Conversation.

Grawitacja wiąże nasze ciała z planetą Ziemią, ale nie określa granic strzelistego ludzkiego umysłu. W listopadzie 1915 roku – dokładnie sto lat temu – okazało się to prawdą, gdy Albert Einstein, w serii wykładów w Pruskiej Akademii Nauk, przedstawił teorię, która zrewolucjonizowałaby sposób, w jaki postrzegamy grawitację – i samą fizykę. Przez dwa stulecia niezwykle prosta i elegancka teoria powszechnego ciążenia Newtona zdawała się dobrze wyjaśniać tę kwestię. Ale, jak to coraz częściej ma miejsce w fizyce, prostota już nie wystarcza.

Punktem wyjścia dla ogólnej teorii względności była dla Einsteina jego teoria szczególnej względności, opublikowana w 1905 roku. Wyjaśniała ona, jak sformułować prawa fizyki w warunkach braku grawitacji. W centrum obu teorii znajduje się opis przestrzeni i czasu, który różni się od tego, który sugerowałby zdrowy rozsądek.

Teorie te wyjaśniają, jak interpretować ruch między różnymi miejscami, które poruszają się ze stałą prędkością względem siebie – a nie względem jakiegoś absolutnego eteru (jak zakładał Newton). Podczas gdy prawa fizyki są uniwersalne, mówi, różni widzowie będą widzieć czas wydarzeń inaczej w zależności od tego, jak szybko podróżują. Zdarzenie, które wydaje się trwać 1000 lat, gdy patrzy się na nie z Ziemi, może wydawać się trwać zaledwie sekundę dla kogoś w statku kosmicznym podróżującym z wielką prędkością.

W centrum teorii Einsteina znajduje się fakt, że prędkość światła jest niezależna od ruchu obserwatora, który mierzy prędkość. Jest to dziwne, ponieważ zdrowy rozsądek podpowiada, że jeśli siedzisz w samochodzie wzdłuż torów kolejowych, przejeżdżający pociąg będzie wydawał się poruszać znacznie szybciej niż gdybyś podążał za nim w tym samym kierunku.

Jednakże, jeśli zamiast tego usiądziesz i będziesz obserwował przechodzący promień światła, będzie on poruszał się równie szybko bez względu na to, czy będziesz za nim podążał, czy nie – wyraźna wskazówka, że coś jest nie tak ze zdrowym rozsądkiem.

Implikacją tej teorii jest to, że musimy porzucić ideę, że istnieje czas uniwersalny i zaakceptować, że czas rejestrowany przez zegar zależy od jego trajektorii, gdy porusza się on we wszechświecie. Oznacza to również, że czas płynie wolniej, gdy poruszasz się szybko, co oznacza, że bliźniak wyruszający w kosmos będzie starzał się wolniej niż jego rodzeństwo z powrotem na Ziemi.

Ten “paradoks bliźniaków” może wydawać się matematycznym dziwactwem, ale w rzeczywistości został eksperymentalnie zweryfikowany w 1971 roku w eksperymencie z użyciem zegarów atomowych podczas lotów komercyjnych.

Specjalna teoria względności działa tylko dla inercyjnych ramek poruszających się względem siebie, jeśli poruszają się ze stałą prędkością – nie może opisać tego, co się dzieje, jeśli przyspieszają. Einstein zastanawiał się, jak ją rozszerzyć, aby uwzględnić takie przyspieszenie i dopuścić grawitację, która powoduje przyspieszenie i jest przecież wszędzie.

Zdał sobie sprawę, że efekt grawitacji znika, jeśli nie próbuje się go przezwyciężyć. Wyobraził sobie ludzi w windzie, której lina zerwała się podczas swobodnego spadania i doszedł do wniosku, że ponieważ przedmioty będą albo unosić się nieruchomo, albo ze stałą prędkością, ludzie nie będą odczuwać grawitacji. Dziś wiemy, że jest to prawda, ponieważ sami widzieliśmy to u ludzi na międzynarodowej stacji kosmicznej. W obu przypadkach nie ma sił przeciwdziałających działaniu grawitacji i ludzie nie odczuwają grawitacji.

Krzywizna czasoprzestrzeni. Mopic

Einstein zdał sobie również sprawę, że efekt grawitacji jest taki sam jak efekt przyspieszenia; jazda z dużą prędkością popycha nas do tyłu, zupełnie tak, jakby grawitacja nas ciągnęła. Te dwie wskazówki doprowadziły Einsteina do ogólnej teorii względności. Podczas gdy Newton postrzegał grawitację jako siłę rozchodzącą się między ciałami, Einstein opisał ją jako pseudo siłę doświadczaną przez to, że cała spleciona tkanina przestrzeni i czasu zagina się wokół masywnego obiektu.

Einstein sam powiedział, że jego droga była daleka od łatwej. Napisał, że “w całym moim życiu nie pracowałem prawie tak ciężko i nabrałem wielkiego szacunku dla matematyki, której subtelniejszą część w moim prostym umyśle uważałem do tej pory za czysty luksus”.

Dowody

Jak tylko Einstein odkrył ogólną teorię względności, zdał sobie sprawę, że wyjaśnia ona niepowodzenie teorii Newtona w wyjaśnieniu orbity Merkurego. Orbita nie jest całkiem okrągła, co oznacza, że istnieje punkt, w którym znajduje się ona najbliżej Słońca. Teoria Newtona przewiduje, że ten punkt jest stały, ale obserwacje pokazują, że powoli obraca się on wokół Słońca i Einstein odkrył, że ogólna teoria względności poprawnie opisuje ten obrót.

“Byłem wniebowzięty” – napisał kilka miesięcy później. Od tego czasu ogólna teoria względności przeszła wiele testów obserwacyjnych z doskonałymi wynikami.

Używasz ogólnej teorii względności za każdym razem, gdy powołujesz się na system GPS, aby ustalić swoją pozycję na powierzchni Ziemi. System ten emituje sygnały radiowe z 24 satelitów, a odbiornik GPS w twoim telefonie lub samochodzie analizuje trzy lub więcej z tych sygnałów, aby określić twoją pozycję przy użyciu ogólnej teorii względności. Gdybyś użył teorii Newtona, system GPS podałby złą pozycję.

Ale podczas gdy ogólna teoria względności sprawdza się w opisie świata fizycznego w dużych skalach, mechanika kwantowa wyłoniła się jako najbardziej udana teoria dla małych cząstek, takich jak te tworzące atom. Podobnie jak teorie względności, mechanika kwantowa jest sprzeczna z intuicją. Czy możliwe jest zjednoczenie tych dwóch teorii, dopiero się okaże, ale mało prawdopodobne,szy nie przywróci zdrowego rozsądku fizyce.

David Lyth, emerytowany profesor fizyki, Lancaster University.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany przez The Conversation. Przeczytaj oryginalny artykuł.