Acest articol a fost scris de David Lyth de la Universitatea din Lancaster și a fost publicat inițial de The Conversation.

Gravitația ne leagă corpurile de planeta Pământ, dar nu definește limitele minții umane în ascensiune. În noiembrie 1915 – cu exact un secol în urmă – acest lucru s-a dovedit a fi adevărat atunci când Albert Einstein, într-o serie de prelegeri la Academia Prusacă de Științe, a prezentat o teorie care avea să revoluționeze modul în care vedem gravitația – și fizica însăși. Timp de două secole, teoria remarcabil de simplă și elegantă a gravitației universale a lui Newton părea să explice bine problema. Dar, așa cum se întâmplă din ce în ce mai des în fizică, simplu nu mai este suficient.

Punctul de plecare al lui Einstein pentru relativitatea generală a fost teoria sa a relativității speciale, publicată în 1905. Aceasta a explicat cum să formuleze legile fizicii în absența gravitației. În centrul ambelor teorii se află o descriere a spațiului și a timpului care este diferită de cea sugerată de simțul comun.

Teoriile explică modul de interpretare a mișcării între diferite locuri care se deplasează cu viteze constante unul față de celălalt – mai degrabă decât față de un fel de eter absolut (așa cum presupunea Newton). Deși legile fizicii sunt universale, se spune, diferiți spectatori vor vedea momentul evenimentelor în mod diferit în funcție de viteza cu care călătoresc. Un eveniment care ar părea să dureze 1.000 de ani atunci când este privit de pe Pământ poate părea să dureze doar o secundă pentru cineva aflat într-o navă spațială care călătorește cu viteză mare.

În centrul teoriilor lui Einstein se află faptul că viteza luminii este independentă de mișcarea observatorului care măsoară viteza. Acest lucru este ciudat, deoarece simțul comun sugerează că, dacă stați în mașină lângă o cale ferată, un tren care trece pe lângă voi va părea că se mișcă mult mai repede decât dacă l-ați urmări în aceeași direcție.

Dar, dacă în schimb stați și priviți cum trece o rază de lumină, aceasta se va mișca la fel de repede indiferent dacă o urmăriți sau nu – un indiciu clar că ceva este în neregulă cu simțul comun.

Implicația acestei teorii este că trebuie să renunțăm la ideea că există un timp universal și să acceptăm că timpul înregistrat de un ceas depinde de traiectoria acestuia în timp ce se deplasează prin univers. Acest lucru înseamnă, de asemenea, că timpul trece mai încet atunci când mergi repede, ceea ce înseamnă că un geamăn care pleacă în spațiu va îmbătrâni mai încet decât fratele său de pe Pământ.

Acest “paradox al gemenilor” poate părea o ciudățenie matematică, dar a fost de fapt verificat experimental în 1971 într-un experiment care a luat ceasuri atomice pe zboruri comerciale.

Relativitatea specială funcționează numai pentru cadrele inerțiale care se deplasează unul față de celălalt dacă se deplasează cu viteză constantă – ea nu poate descrie ce se întâmplă dacă acestea accelerează. Einstein s-a întrebat cum să o extindă pentru a include o astfel de accelerație și să permită gravitația, care provoacă accelerație și care, la urma urmei, este peste tot.

El și-a dat seama că efectul gravitației dispare dacă nu se încearcă să o învingem. Și-a imaginat oameni într-un lift al cărui cablu s-a rupt în cădere liberă și și-a dat seama că, din moment ce obiectele ar pluti fie nemișcate, fie cu viteză constantă, oamenii nu ar simți gravitația. Dar în zilele noastre știm că acest lucru este adevărat, deoarece am văzut noi înșine acest lucru la oamenii de pe stația spațială internațională. În ambele cazuri nu există forțe care să contracareze efectul gravitației și oamenii nu resimt gravitația.

Spațiu-timp curbat. Mopic

Einstein și-a dat seama, de asemenea, că efectul gravitației este același cu cel al accelerației; plecarea cu mașina cu viteză mare ne împinge înapoi, exact ca și cum gravitația ne-ar trage. Aceste două indicii l-au condus pe Einstein la relativitatea generală. În timp ce Newton văzuse gravitația ca pe o forță propagată între corpuri, Einstein a descris-o ca pe o pseudoforță resimțită deoarece întreaga țesătură întrețesută a spațiului și timpului se îndoaie în jurul unui obiect masiv.

Einstein însuși a spus că drumul său a fost departe de a fi ușor. El a scris că “în toată viața mea nu am muncit nici pe departe atât de mult și am devenit pătruns de un mare respect pentru matematică, a cărei parte mai subtilă o considerasem până acum, în simplitatea mea de spirit, un pur lux”.

Demonstrațiile

De îndată ce Einstein a descoperit relativitatea generală, și-a dat seama că aceasta explică eșecul teoriei lui Newton de a explica orbita lui Mercur. Orbita nu este chiar circulară, ceea ce înseamnă că există un punct în care se află cel mai aproape de Soare. Teoria lui Newton prezice că acest punct este fix, dar observațiile arată că acesta se rotește încet în jurul soarelui, iar Einstein a descoperit că relativitatea generală descrie corect rotația.

“Eram înnebunit de entuziasm și bucurie”, scria el câteva luni mai târziu. De atunci, relativitatea generală a trecut cu brio numeroase teste observaționale.

Utilizați relativitatea generală ori de câte ori apelați la sistemul GPS pentru a afla poziția dumneavoastră pe suprafața Pământului. Acest sistem emite semnale radio de la 24 de sateliți, iar receptorul GPS din telefonul sau mașina dumneavoastră analizează trei sau mai multe dintre aceste semnale pentru a vă calcula poziția folosind relativitatea generală. Dacă ați fi folosit teoria lui Newton, sistemul GPS ar fi dat o poziție greșită.

Dar, în timp ce relativitatea generală funcționează bine pentru a descrie lumea fizică la scară mare, mecanica cuantică a apărut ca fiind cea mai de succes teorie pentru particule mici, cum ar fi cele care alcătuiesc un atom. La fel ca și teoriile relativității, mecanica cuantică este contraintuitivă. Rămâne de văzut dacă este posibil să le unim pe cele două, dar este puțin probabil ca aceasta să reintroducă bunul simț în fizică.

David Lyth, profesor emerit de fizică, Universitatea Lancaster.

Acest articol a fost publicat inițial de The Conversation. Citiți articolul original.