Albert Einstein bio je poznat po mnogim stvarima, ali njegovo najveće dijete je teorija relativnosti. Zauvijek je promijenilo naše razumijevanje prostora i vremena.
Što je relativnost? Ukratko rečeno, pojam je da su zakoni fizike svugdje isti. Mi ovdje na Zemlji se pridržavamo istih zakona svjetlosti i gravitacije kao i netko iz dalekog kuta svemira.
Univerzalnost fizike znači da je povijest provincijska. Različiti će gledatelji vremenski okvir i razmak događaja vidjeti različito. Ono što je za nas milijun godina možda je samo treptaj očiju za nekoga tko leti u raketu velike brzine ili pada u crnu rupu.
Sve je to relativno.
Posebna relativnost
Einsteinova teorija podijeljena je na posebnu i opću relativnost.
Posebna relativnost bila je na prvom mjestu i temelji se na brzini svjetlosti koja je konstantna za sve. To se možda čini dovoljno jednostavno, ali ima dalekosežne posljedice.
Einstein je do ovog zaključka došao 1905. nakon što su eksperimentalni dokazi pokazali da se brzina svjetlosti ne mijenja dok se Zemlja ljuljala oko sunca.
Ovaj je rezultat iznenadio fizičare jer brzina većine drugih stvari ovisi o smjeru kretanja koji promatrač. Ako vozite automobil pored željezničke pruge, čini se da će vlak koji ide prema vama kretati mnogo brže nego ako biste se okrenuli i slijedili ga u istom smjeru.
Einstein je rekao da će svi promatrači mjeriti brzinu svjetlosti 186.000 milja u sekundi, bez obzira na brzinu i u kojem se smjeru kreću.
Ova maksima potaknula je komičara Stephena Wrighta na pitanje: "Ako se nalazite u svemirskom brodu koji putuje brzinom svjetlosti, a uključite farove, događa li se nešto?"
Odgovor je da se farovi normalno uključuju, ali samo iz perspektive nekoga unutar svemirskog broda. Za nekoga tko stoji vani i promatra kako brod leti, farovi se ne pale: svjetlo se gasi, ali putuje istom brzinom svemirskog broda.
Ove oprečne verzije nastaju zato što vladari i satovi - stvari koje obilježavaju vrijeme i prostor - nisu iste za različite promatrače. Ako se brzina svjetlosti održava konstantnom kao što je rekao Einstein, tada vrijeme i prostor ne mogu biti apsolutni; moraju biti subjektivni.
Primjerice, svemirski brod dugačak 100 stopa, koji putuje brzinom od 99,99%, svjetlost će se jednom nogom pojaviti stacionarnom promatraču, ali ostaće njegova uobičajena duljina za one na brodu.
Možda čak i čudnije vrijeme prolazi sporije što brže odlazi. Ako se blizanci vozi brzim svemirskim brodom do neke udaljene zvijezde, a zatim se vrati, ona će biti mlađa od svoje sestre koja je ostala na Zemlji.
Masa također ovisi o brzini. Što se brže objekt pomiče, on postaje masivniji. U stvari, nijedan svemirski brod nikada ne može doseći 100% brzine svjetlosti jer bi njegova masa rasla do beskonačnosti.
Taj odnos mase i brzine često se izražava kao odnos mase i energije: E = mc ^ 2, gdje je E energija, m je masa, a c je brzina svjetlosti.
Opća relativnost
Einstein nije učinio uznemirujući naše razumijevanje vremena i prostora. Nastavio je generalizirati svoju teoriju uključivanjem ubrzanja i ustanovio je da to iskrivljuje oblik vremena i prostora.
Držimo se gornjeg primjera: zamislite kako se svemirski brod ubrzava pucanjem njegovih potisnika. Oni na brodu će se držati zemlje kao da su na Zemlji. Einstein je tvrdio da se sila koju nazivamo gravitacijom ne može razlikovati od broda koji se ubrzava.
To samo po sebi nije bilo toliko revolucionarno, ali kad je Einstein razradio složenu matematiku (trebalo mu je 10 godina), otkrio je da su prostor i vrijeme zakrivljeni u blizini masivnog predmeta, a ovu zakrivljenost doživljavamo kao silu gravitacije.
Teško je zamisliti zakrivljenu geometriju opće relativnosti, ali ako neko prostor-vrijeme misli kao neku vrstu tkanine, tada masivni objekt proteže okolnu tkaninu tako da sve što prolazi u blizini više ne slijedi ravnu liniju.
Jednadžbe opće relativnosti predviđaju niz pojava, od kojih su mnoge potvrđene:
- savijanje svjetlosti oko masivnih objekata (gravitacijsko leće)
- spora evolucija u orbiti planeta Merkura (perihelijska precesija)
- povlačenje okvira prostora-vremena oko rotirajućih tijela
- slabljenje svjetlosti koje izmiče gravitacijskom povlačenju (gravitacijski crveni pomak)
- gravitacijski valovi (valovi u tkanini prostor-vrijeme) uzrokovani kozmičkim razbijanjem
- postojanje crnih rupa koje zarobljavaju sve, uključujući svjetlost
Izvijanje prostora-vremena oko crne rupe intenzivnije je nego bilo gdje drugdje. Ako bi blizanac koji je putovao u svemiru pao u crnu rupu, ispružila bi se poput špageta.
Srećom po nju, sve bi bilo gotovo za nekoliko sekundi. Ali njezinoj sestri na Zemlji to nikad ne bi bilo kraj - gledajući svoju siromašnu sestru kako se korača prema crnoj rupi tijekom doba svemira.
Ovaj je članak ažurirao 2. srpnja 2019. godine suradnik znanosti znanosti Tim Childers.
