Teoria relativității, atunci și acum

"Sunt epuizat. Dar succesul este glorios."

Continut Asemanator

• Matematicianul Emmy Noether ar trebui să fie eroul tău

A fost acum o sută de ani în noiembrie, iar Albert Einstein se bucura de un moment rar de mulțumire. Cu câteva zile mai devreme, pe 25 noiembrie 1915, a urcat pe scena Academiei Prusiene de Științe din Berlin și a declarat că și-a încheiat în sfârșit expediția agonizantă, lungă de zece ani, către o nouă și mai profundă înțelegere a gravitației. Einstein afirma că teoria generală a relativității era acum completă.

Luna care a dus la anunțul istoric a fost cea mai intensă intelectualitate și cea mai plină de anxietate. Aceasta a culminat cu viziunea radicală a lui Einstein asupra interacțiunii spațiului, timpului, materiei, energiei și gravitației, o acțiune venerată pe larg ca una dintre cele mai mari realizări intelectuale ale omenirii.

La vremea respectivă, zumzetul relativității generale era auzit doar de o coterie de gânditori de la periferia fizicii ezoterice. Însă în secolul trecut, creierul lui Einstein a devenit nexusul pentru o gamă largă de probleme fundamentale, inclusiv originea universului, structura găurilor negre și unificarea forțelor naturii, iar teoria a fost valorificată pentru sarcini mai aplicate cum ar fi căutarea planetelor extrasolare, determinarea masei de galaxii îndepărtate și chiar ghidarea traiectoriilor șoferilor de mașini și a rachetelor balistice. Relativitatea generală, cândva o descriere exotică a gravitației, este acum un instrument de cercetare puternic.

Căutarea de a înțelege gravitația a început cu mult înaintea lui Einstein. În timpul ciumei care a făcut ravagii în Europa din 1665 până în 1666, Isaac Newton s-a retras din postul său de la Universitatea din Cambridge, s-a refugiat la casa familiei sale din Lincolnshire și în timpul său inactiv a realizat că fiecare obiect, fie pe Pământ, fie în ceruri., se trage unul de celălalt cu o forță care depinde numai de cât de mari sunt obiectele - masa lor - și cât de departe sunt în spațiu - distanța lor. Copiii din școala din întreaga lume au învățat versiunea matematică a legii lui Newton, care a făcut predicții atât de spectaculoase exacte pentru mișcarea a tot, de la roci aruncate la planete orbitante, încât părea că Newton scrisese ultimul cuvânt pe gravitate. Dar nu făcuse. Și Einstein a fost primul care a devenit sigur de acest lucru.

**********

În 1905, Einstein a descoperit teoria specială a relativității, stabilind celebrul dicton că nimic - niciun obiect sau semnal - nu poate călători mai repede decât viteza luminii. Și în aceasta se află mătrâna. Conform legii lui Newton, dacă agitați Soarele ca o maracă cosmică, gravitația va face ca Pământul să se clatine imediat. Adică, formula lui Newton presupune că gravitația își exercită influența dintr-o locație în alta instantaneu. Asta nu numai că este mai rapid decât lumina, ci este infinit.

Relativitatea: teoria specială și generală

Publicată la a 100-a aniversare a relativității generale, această frumoasă ediție a celebrei cărți a lui Einstein plasează opera în context istoric și intelectual, oferind în același timp o perspectivă de neprețuit în una dintre cele mai mari minți științifice din toate timpurile.

Einstein nu ar avea nimic. Trebuie să existe cu siguranță o descriere mai rafinată a gravitației, una în care influențele gravitaționale nu depășesc lumina. Einstein s-a dedicat să o găsească. Și pentru a face acest lucru, și-a dat seama, va trebui să răspundă la o întrebare aparent de bază: Cum funcționează gravitația? Cum ajunge Soarele pe 93 de milioane de mile și exercită o atracție gravitațională pe Pământ? Pentru atragerile mai familiare ale experienței de zi cu zi - deschiderea unei uși, desfășurarea unei sticle de vin - mecanismul este manifest: există un contact direct între mâna ta și obiectul care se confruntă cu tragerea. Dar când Soarele trage pe Pământ, acea tracțiune se exercită prin spațiu - spațiu gol. Nu există contact direct. Deci, ce mână invizibilă este la lucru care execută licitația gravitației?

Newton însuși a găsit această întrebare adânc nedumerită și a oferit voluntar că propria sa eșec de a identifica modul în care gravitația își exercită influența a însemnat că teoria sa, oricât de reușită era predicțiile sale, era cu siguranță incompletă. Cu toate acestea, timp de peste 200 de ani, admiterea lui Newton nu a fost decât o notă de subsol privită la o teorie care, altfel, a fost de acord cu observațiile.

În 1907, Einstein a început să lucreze cu seriozitate la răspunsul la această întrebare; până în 1912, devenise obsesia lui cu normă întreagă. Și în acea mână de ani, Einstein a lovit o descoperire conceptuală-cheie, la fel de simplu de afirmat pe cât este de dificil de înțeles: Dacă nu există altceva decât spațiu gol între Soare și Pământ, atunci atracția lor gravitațională trebuie exercitată de spațiu. în sine. Dar cum?

Răspunsul lui Einstein, la fel de frumos și misterios, este că materia, cum ar fi Soarele și Pământul, face ca spațiul din jurul său să se curbeze, iar forma deformată a spațiului care influențează mișcarea altor corpuri care trec.

Iată un mod de a vă gândi. Imaginează-ți traiectoria dreaptă, urmată de o marmură pe care ai rulat-o pe o pardoseală plată din lemn. Acum imaginați-vă că rolați marmura pe un podea din lemn care a fost deformat și răsucit de o potop. Marmura nu va urma aceeași traiectorie dreaptă, deoarece va fi dezbrăcată în acest fel și prin contururile curbe ale podelei. La fel ca în cazul podelei, la fel și cu spațiul. Einstein s-a gândit că contururile curbe ale spațiului ar arunca un baseball bătut pentru a-și urma calea familiară parabolică și a coaxa Pământul pentru a adera la orbita sa eliptică obișnuită.

A fost un salt uluitor. Până atunci, spațiul era un concept abstract, un fel de container cosmic, nu o entitate tangibilă care ar putea efectua schimbarea. De fapt, saltul a fost mai mare. Einstein și-a dat seama că și timpul se poate distruge. Intuitiv, cu toții avem în vedere că ceasurile, indiferent de locul în care sunt amplasate, bifează la același ritm. Dar Einstein a propus ca ceasurile mai apropiate să fie către un corp masiv, precum Pământul, cu atât mai lent vor bifa, reflectând o influență uluitoare a gravitației chiar în trecerea timpului. Și la fel ca o urzeală spațială poate juca traiectoria unui obiect, la fel și pentru una temporală: matematica lui Einstein a sugerat că obiectele sunt orientate spre locații în care timpul trece mai lent.

Cu toate acestea, reformarea radicală a gravitației Einstein în ceea ce privește forma spațiului și a timpului nu a fost suficientă pentru ca el să revendice victoria. El avea nevoie să dezvolte ideile într-un cadru matematic predictiv care să descrie cu exactitate coregrafia dansată de spațiu, timp și materie. Chiar și pentru Albert Einstein, asta s-a dovedit a fi o provocare monumentală. În 1912, luptându-se să modeleze ecuațiile, el i-a scris unui coleg că „Niciodată în viața mea nu m-am chinuit așa ceva.” Cu toate acestea, doar un an mai târziu, în timp ce lucram la Zurich cu colegul său cel mai atasat matematic Marcel Grossmann, Einstein s-a apropiat cu tantalitate de răspuns. Evitând rezultatele de la mijlocul anilor 1800 care au furnizat limbajul geometric pentru descrierea formelor curbate, Einstein a creat o reformulare completă, dar totodată, riguroasă a gravitației în ceea ce privește geometria spațiului și a timpului.

Dar atunci totul părea să se prăbușească. În timp ce investiga noile sale ecuații, Einstein a comis o eroare tehnică fatidică, determinându-l să creadă că propunerea sa nu a reușit să descrie corect tot felul de mișcări obișnuite. Timp de doi ani lungi și frustrați, Einstein a încercat cu disperare să aplice problema, dar nimic nu a funcționat.

Einstein, tenace pe măsură ce vin, a rămas nedeterminat, iar în toamna anului 1915 a văzut în sfârșit calea de urmat. Pe atunci era profesor la Berlin și fusese introdus în Academia Prusiană de Științe. Chiar și așa, a avut timp pe mâinile lui. Soția sa înstrăinată, Mileva Maric, a acceptat în sfârșit că viața ei cu Einstein s-a terminat și s-a mutat înapoi la Zurich împreună cu cei doi fii ai lor. Deși relațiile familiale din ce în ce mai strânse cântăreau foarte mult pe Einstein, aranjamentul i-a permis, de asemenea, să-și urmeze în mod liber vizionările matematice, nedeslușite zi și noapte, în singurătatea liniștită a apartamentului său steril din Berlin.

Până în noiembrie, această libertate a dat roade. Einstein a corectat eroarea sa anterioară și a pornit în ascensiunea finală către teoria generală a relativității. Dar, în timp ce lucra intens la detaliile matematice fine, condițiile au devenit neașteptat de trădătoare. Cu câteva luni mai devreme, Einstein s-a întâlnit cu renumitul matematician german David Hilbert și și-a împărtășit toate gândurile despre noua sa teorie gravitațională. Se pare că, Einstein a aflat consternat, întâlnirea a stârnit atât de mult interesul lui Hilbert, încât acum îl conducea pe Einstein până la linia de sosire.

O serie de cărți poștale și scrisori pe care cele două schimbate pe parcursul lunii noiembrie 1915 documentează o rivalitate cordială, dar intensă, întrucât fiecare a fost închisă în ecuațiile relativității generale. Hilbert a considerat un joc corect să urmărească o deschidere într-o teorie promițătoare, dar încă neterminată a gravitației; Einstein a considerat că o formă atroce proastă pentru Hilbert să se înscrie în expediția sa, atât de aproape de vârf. Mai mult, Einstein și-a dat seama cu nerăbdare, rezervele matematice mai profunde ale lui Hilbert prezentau o amenințare serioasă. Anii săi de muncă asiduă, în ciuda faptului, Einstein s-ar putea să-i scoată.

Îngrijorarea era întemeiată. Sâmbătă, 13 noiembrie, Einstein a primit o invitație de la Hilbert să se alăture lui Göttingen marți următoare pentru a afla în „detalii foarte complete” „soluția marii tale probleme”. „Trebuie să mă abțin de la călătorii la Göttingen pentru moment și mai degrabă trebuie să aștept cu răbdare până pot studia sistemul dvs. din articolul tipărit; căci, în afară, sunt obosit și dureros de stomac. ”

Dar joi, când Einstein și-a deschis poșta, a fost confruntat cu manuscrisul lui Hilbert. Einstein a scris imediat înapoi, îmbrăcându-și cu greu iritarea: „Sistemul pe care îl furnizați este de acord - din câte văd - exact cu ceea ce am găsit în ultimele săptămâni și l-am prezentat Academiei.” Pentru prietenul său Heinrich Zangger, Einstein i-a mărturisit. „În experiența mea personală nu am învățat mai bine stricăciunea speciilor umane, cu ocazia acestei teorii…”

O săptămână mai târziu, pe 25 noiembrie, preluând o audiență clară la Academia Prusiană, Einstein a dezvăluit ecuațiile finale care constituie teoria generală a relativității.

Nimeni nu știe ce s-a întâmplat în ultima săptămână. Einstein a venit cu ecuațiile finale pe cont propriu sau a oferit hârtia lui Hilbert asistență neliberată? Oare proiectul lui Hilbert conținea forma corectă a ecuațiilor, sau Hilbert a introdus ulterior acele ecuații, inspirate din lucrarea lui Einstein, în versiunea lucrării pe care Hilbert a publicat-o luni mai târziu? Intriga se adâncește doar atunci când aflăm că o secțiune cheie a paginii dovedită pentru hârtia lui Hilbert, care ar fi putut rezolva întrebările, a fost literalmente eliminată.

În cele din urmă, Hilbert a făcut lucrurile corecte. El a recunoscut că, indiferent de rolul său în catalizarea ecuațiilor finale, ar fi putut fi, teoria generală a relativității ar trebui să fie creditată pe bună dreptate pentru Einstein. Și așa a fost. Hilbert și-a obținut datoria, deoarece un mod tehnic, dar deosebit de util de exprimare a ecuațiilor relativității generale poartă numele ambilor bărbați.

Desigur, creditul ar merita doar dacă teoria generală a relativității ar fi confirmată prin observații. În mod remarcabil, Einstein a putut vedea cum s-ar putea face asta.

**********

Relativitatea generală a prezis că fasciculele de lumină emise de stelele îndepărtate vor călători de-a lungul traiectoriilor curbate, pe măsură ce treceau prin regiunea deformată de lângă Soare, în drum spre Pământ. Einstein a folosit noile ecuații pentru a preciza acest lucru - a calculat forma matematică a acestor traiectorii curbate. Însă, pentru a testa predicția, astronomii ar trebui să vadă stele îndepărtate în timp ce Soarele este în prim plan, iar acest lucru este posibil numai atunci când Luna blochează lumina Soarelui, în timpul unei eclipse solare.

Următoarea eclipsă solară, din 29 mai 1919, ar fi astfel terenul doveditor al relativității generale. Echipe de astronomi britanici, conduși de Sir Arthur Eddington, au înființat magazin în două locații care ar experimenta o eclipsă totală a Soarelui - în Sobral, Brazilia și la Príncipe, în largul coastei de vest a Africii. Înfruntându-se cu provocările vremii, fiecare echipă a luat o serie de plăci fotografice cu stele îndepărtate, vizibile momentan în timp ce Luna a trecut în jurul Soarelui.

În lunile următoare de analiză atentă a imaginilor, Einstein a așteptat cu răbdare rezultatele. În cele din urmă, la 22 septembrie 1919, Einstein a primit o telegramă prin care anunța că observațiile din eclipsa i-au confirmat prezicerea.

Ziarele de pe tot globul au ridicat povestea, cu titluri fără suflare care proclamau triumful lui Einstein și l-au catapultat practic peste noapte într-o senzație mondială. În mijlocul tuturor emoției, o tânără studentă, Ilse Rosenthal-Schneider, l-a întrebat pe Einstein ce ar fi crezut dacă observațiile nu sunt de acord cu predicția relativității generale. Einstein a răspuns cu renume fermecător: „Mi-ar fi părut rău Domnului, deoarece teoria este corectă.”

Într-adevăr, în deceniile de la măsurările eclipsei, au existat multe alte observații și experimente - unele în curs - care au dus la o încredere solidă în rocă în relativitatea generală. Unul dintre cele mai impresionante este un test de observație care a cuprins aproape 50 de ani, printre cele mai îndelungate proiecte ale NASA. Relativitatea generală susține că, pe măsură ce un corp precum Pământul se învârte pe axa sa, ar trebui să trateze spațiul în jurul unui vârtej oarecum ca o pietricică învârtită într-o găleată de melasă. La începutul anilor '60, fizicienii din Stanford au pus la punct o schemă pentru a testa predicția: Lansați patru giroscoape ultra-precise în orbita aproape de Pământ și caută schimbări minuscule în orientarea axelor giroscopilor care, conform teoriei, ar trebui să fie cauzate de spațiul învolburat.

A fost nevoie de o generație de efort științific pentru a dezvolta tehnologia giroscopică necesară și apoi ani de analiză a datelor pentru a depăși, printre altele, o vată nefericită a giroscopilor dobândite în spațiu. Dar în 2011, echipa din spatele Probei Gravity B, așa cum este cunoscut proiectul, a anunțat că experimentul de o jumătate de secol a ajuns la o concluzie reușită: Axele giroscopilor se întorceau cu suma prevăzută de matematica lui Einstein.

Mai rămâne un experiment, în prezent de mai bine de 20 de ani în realizare, pe care mulți îl consideră testul final al teoriei generale a relativității. Conform teoriei, două obiecte care se ciocnesc, fie că sunt stele sau găuri negre, vor crea valuri în țesătura spațiului, la fel cum două bărci care se ciocnesc pe un lac altfel calm vor crea valuri de apă. Și cum astfel de valuri gravitaționale se încolăcesc spre exterior, spațiul se va extinde și se va contracta în urma lor, oarecum ca o bilă de aluat fiind întinsă alternativ și comprimată.

La începutul anilor 1990, o echipă condusă de oamenii de știință de la MIT și Caltech a inițiat un program de cercetare pentru a detecta undele gravitaționale. Provocarea, și este una mare, este că dacă o întâlnire astrofizică tumultuoasă are loc departe, atunci odată cu spălarea de pe Pământ a ondulațiilor spațiale rezultate, acestea se vor răspândi atât de larg, încât vor fi diluate fantastic, probabil întinzând și comprimând spațiul prin doar o fracțiune dintr-un nucleu atomic.

Cu toate acestea, cercetătorii au dezvoltat o tehnologie care poate fi în măsură să vadă semnele minuscule ale unei ondulări în țesătura spațiului în timp ce se rostogolește pe Pământ. În 2001, două dispozitive în formă de L de patru kilometri, cunoscute colectiv ca LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), au fost dislocate în Livingston, Louisiana și Hanford, Washington. Strategia este ca o undă gravitațională trecătoare să se întindă alternativ și să comprime cele două brațe ale fiecărui L, lăsând o amprentă asupra luminii laser care circulă în sus și în jos pe fiecare braț.

În 2010, LIGO a fost dezafectat, înainte de a fi detectate semnături de undă gravitațională - aparatul aproape sigur nu avea sensibilitatea necesară pentru a înregistra minusculele provocări cauzate de o undă gravitațională care a ajuns pe Pământ. Însă acum este implementată o versiune avansată a LIGO, o actualizare preconizată de zece ori mai sensibilă, iar cercetătorii anticipează că, în câțiva ani, detectarea ondulărilor în spațiul cauzate de tulburările cosmice îndepărtate va fi obișnuită.

Succesul ar fi interesant nu pentru că cineva se îndoiește cu adevărat de relativitatea generală, ci pentru că legăturile confirmate între teorie și observație pot genera aplicații noi puternice. Măsurările din eclipsa din 1919, de exemplu, care au stabilit că gravitația îndoaie traiectoria luminii, au inspirat o tehnică de succes folosită acum pentru găsirea planetelor îndepărtate. Atunci când astfel de planete trec prin fața stelelor gazdă, ele concentrează ușor lumina stelei provocând un model de luminozitate și întunecare pe care astronomii îl pot detecta. O tehnică similară a permis, de asemenea, astronomilor să măsoare masa galaxiilor particulare, observând cât de puternic distorsionează traiectoria luminii emise de surse încă mai îndepărtate. Un alt exemplu, mai familiar, este sistemul de poziționare globală, care se bazează pe descoperirea lui Einstein potrivit căreia gravitația afectează trecerea timpului. Un dispozitiv GPS determină locația sa prin măsurarea timpului de deplasare a semnalelor primite de la diverși sateliți orbitanți. Fără a ține cont de impactul gravitației asupra timpului pe care se scurge sateliții, sistemul GPS nu a reușit să determine corect locația unui obiect, inclusiv mașina dvs. sau o rachetă ghidată.

Fizicienii consideră că detectarea undelor gravitaționale are capacitatea de a-și genera propria aplicare de profundă importanță: o nouă abordare a astronomiei observaționale.

De pe vremea lui Galileo, am transformat telescoape spre cer pentru a aduna valuri de lumină emise de obiecte îndepărtate. Următoarea fază a astronomiei se poate concentra foarte bine pe strângerea undelor gravitaționale produse de tulburările cosmice îndepărtate, permițându-ne să sondăm universul într-un mod cu totul nou. Acest lucru este deosebit de interesant, deoarece undele de lumină nu au putut pătrunde în plasmă care a umplut spațiul până la câteva sute de mii de ani după Big Bang -, dar valurile de gravitație ar putea. Într-o zi, putem folosi gravitația, nu lumina, ca sondă a noastră cea mai pătrunzătoare din primele momente ale universului.

Deoarece valurile gravitației se răspândesc în spațiu, în timp ce undele sunetului se umplu prin aer, oamenii de știință vorbesc despre „ascultarea” semnalelor gravitaționale. Adoptând acea metaforă, cât de minunat să ne imaginăm că cel de-al doilea centenar al relativității generale poate fi cauza ca fizicienii să sărbătorească să fi auzit în sfârșit sunetele creației.

Nota editorilor, 29 septembrie 2015: O versiune anterioară a acestui articol a descris în mod inexact cum funcționează sistemele GPS. Textul a fost modificat în consecință.