ΑΡΧΙΚΗ Tech News Η Γενική θεωρία σχετικότητας του Αϊνστάιν γιορτάζει φέτος τα 100 χρόνια της.

Η Γενική θεωρία σχετικότητας του Αϊνστάιν γιορτάζει φέτος τα 100 χρόνια της.

768
θεωρία σχετικότητας
Facebooktwitterpinterestlinkedinmail

Η Γενική θεωρία σχετικότητας του Αϊνστάιν γιορτάζει φέτος τα 100 χρόνια της.

Το 1905 ένας άγνωστος νεαρός, υπάλληλος σε γραφείο ευρεσιτεχνιών στη Βέρνη, ολοκλήρωσε πέντε επιστημονικές εργασίες στον τομέα της φυσικής, οι οποίες έμελλαν να αλλάξουν τον κόσμο. Ήταν ο Αλμπερτ Αϊνστάιν (1879-1955), μια θρυλική πλέον προσωπικότητα και για πολλούς ο μεγαλύτερος επιστήμονας που έζησε ποτέ. Καθώς φέτος συμπληρώνονται 100 χρόνια από τότε, αλλά και 50 από το θάνατό του, η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα γιορτάζει και τιμάει έναν επιστήμονα η επαναστατική σκέψη του οποίου θεμελίωσε τις βάσεις πάνω στις οποίες χτίστηκε το μεγαλόπρεπο οικοδόμημα της μοντέρνας φυσικής, ορίζοντας έτσι το 2005 ως το Διεθνές Έτος Φυσικής ή Έτος Αϊνστάιν. Καθόλη τη διάρκεια του έτους η επιστημονική κοινότητα, διάφορα επιστημονικά κέντρα, μουσεία και σχολεία διοργανώνουν σε όλον το κόσμο εκδηλώσεις, με σκοπό να αναδείξουν τη σημασία και την ομορφιά της φυσικής στο ευρύτερο κοινό, αλλά και τη συνεισφορά του ίδιου του Αϊνστάιν στη διεύρυνση των ορίων της γνώσης για τον κόσμο και τα φυσικά φαινόμενα.

Η παρουσίαση αυτή δεν αποσκοπεί στη διεξοδική ανάλυση των θεωριών, που ανέπτυξε ο Αϊνστάιν και κάτι τέτοιο θα ήταν αδύνατο να επιτευχθεί μέσα σε λίγες σελίδες. Αντίθετα, ευελπιστούμε πως παρουσιάζοντας με συντομία κάποιες από τις ιδέες του θα κεντρίσουμε αφενός το ενδιαφέρον του αναγνώστη, ώστε μόνος του να αναζητήσει περισσότερες πληροφορίες και αφετέρου να τονίσουμε ότι η μεγαλοφυΐα του Αϊνστάιν του επέτρεψε να συνεισφέρει τα μέγιστα στην ανάπτυξη εντελώς διαφορετικών, μεταξύ τους, ερευνητικών πεδίων στη φυσική, κάτι που ελάχιστοι επιστήμονες έχουν ως τώρα καταφέρει.

Τρεις μέρες μόλις μετά τα 26α του γενέθλια, στις 17 Μαρτίου 1905, ο Αϊνστάιν κατέθεσε στο επιστημονικό περιοδικό Annalen der Physik την πρώτη του εργασία, η οποία και δημοσιεύτηκε στις 9 Ιουνίου, που αφορούσε στην εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, σύμφωνα με το οποίο η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προσπίπτει σε μια μεταλλική πλάκα απελευθερώνει ηλεκτρόνια. Μέχρι τότε οι επιστήμονες πίστευαν στην κυματική φύση του φωτός, όπως αυτή περιγράφεται από τις εξισώσεις Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό· αυτή όμως δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί η ενέργεια των απελευθερωμένων ηλεκτρονίων εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, και όχι από την έντασή της. Ήδη από το 1900 ο Max Planck είχε διατυπώσει τη θεωρία ότι η ενέργεια ενός μορίου σε ταλάντωση μπορούσε να λάβει μόνο συγκεκριμένες διακριτές τιμές. Στηριζόμενος σε αυτήν τη βασική ιδέα ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι και το φως θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι αποτελείται από παρόμοια διακριτά ποσά ή κβάντα ενέργειας, τα οποία ονομάστηκαν φωτόνια. Για την ερμηνεία του αυτή ο Αϊνστάιν κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 1921. Πολύ περισσότερο όμως, άνοιξε διάπλατα το δρόμο για την καθιέρωση της κυματοσωματιδιακής δυαδικότητας της φύσης του φωτός και την ανάπτυξη της κβαντικής φυσικής γενικότερα. Το παράδοξο είναι ότι η εγγενής αβεβαιότητα, που εισήγαγε μετέπειτα η κβαντική θεωρία στον υποατομικό κόσμο, ήταν αντίθετη με την κοσμοθεωρία του ίδιου του Αϊνστάιν, ο οποίος ουδέποτε ενστερνίστηκε τη μη αιτιοκρατική θεώρηση του κόσμου, γεγονός που αποδεικνύεται τόσο από την επιστημονική του διαμάχη με τον Bohr και τη Σχολή της Κοπεγχάγης όσο και από το γνωστό του απόφθεγμα ότι «ο Θεός δεν παίζει ζάρια».

Στις 30 Απριλίου του 1905 ο Αϊνστάιν ολοκλήρωσε τη διδακτορική του διατριβή, που αφορούσε σε μια νέα προσέγγιση για τον υπολογισμό του μεγέθους των μορίων, η οποία και εγκρίθηκε από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης τον Ιούλιο, ενώ δημοσιεύτηκε με ορισμένες αλλαγές στο Annalen der Physik τον Ιανουάριο του 1906. Στις 11 Μαΐου του 1905 ο Αϊνστάιν κατέθεσε στο ίδιο περιοδικό ένα άρθρο στο οποίο ανέλυε την κίνηση Brown, δηλαδή την τυχαία και συνεχή κίνηση σωματιδίων μέσα σε ρευστό, η οποία και δημοσιεύτηκε δύο μήνες αργότερα. Συνδυάζοντας την κινητική θεωρία των αερίων με τη στατιστική μηχανική και την υδροδυναμική ανέπτυξε ένα μαθηματικό πλαίσιο, το οποίο περιγράφει την κίνηση Brown ως τις στατιστικές διακυμάνσεις των συγκρούσεων των σωματιδίων αυτών με τα γειτονικά μόρια του ρευστού που τα περιβάλλει. Στις 19 Δεκεμβρίου κατέθεσε στο Annalen der Physik ένα ακόμα άρθρο, στο οποίο βελτίωνε το μαθηματικό πλαίσιο της θεωρίας του για την κίνηση Brown, το οποίο και δημοσιεύτηκε στις 8 Φεβρουαρίου του επόμενου έτους. Η θεώρηση αυτή αποδείχτηκε πειραματικά από τον Perrin τρία χρόνια αργότερα, γεγονός που εμπέδωσε πέρα από κάθε αμφιβολία την ύπαρξη μορίων και ατόμων, κάτι για το οποίο, αν και σήμερα θεωρείται αυτονόητο, η πλειοψηφία ίσως των φυσικών της εποχής εκείνης διατηρούσε ακόμα αμφιβολίες.

Στις 30 Ιουνίου του 1905 κατέθεσε στο Annalen der Physik ένα ακόμα άρθρο χωρίς αναφορές σε προηγούμενη έρευνα: πρόκειται για το «Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινουμένων σωμάτων», μια επαναστατική θεωρία η οποία έμελλε να αλλάξει ριζικά την αντίληψή μας για το χώρο και το χρόνο και που έμεινε γνωστή ως «Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας». Η θεωρία αυτή δημοσιεύτηκε από το Annalen der Physik στις 26 Σεπτεμβρίου του ίδιου έτους και βασίζεται στο θεμελιώδες αξίωμα ότι οι νόμοι της φυσικής, συμπεριλαμβανομένων και των εξισώσεων Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό, πρέπει να είναι οι ίδιοι για όλα τα «αδρανειακά συστήματα αναφοράς», που κινούνται με σταθερή ταχύτητα το ένα σε σχέση με το άλλο. Επειδή όμως οι εξισώσεις του Maxwell προσδιορίζουν επακριβώς την ταχύτητα του φωτός, το παραπάνω αξίωμα συνεπάγεται ότι η ταχύτητα του φωτός θα πρέπει σε κάθε αδρανειακό σύστημα αναφοράς να είναι η ίδια. Η ταχύτητα του φωτός είναι λοιπόν μια θεμελιώδης φυσική σταθερά, ανεξάρτητη από την κίνηση της πηγής ή του παρατηρητή. Σύμφωνα με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας οι εξισώσεις κίνησης του Νεύτωνα δεν μπορούν πλέον να περιγράψουν με ακρίβεια τη συμπεριφορά των σωμάτων, γι? αυτό και δεν αποτελούν παρά μια προσέγγιση της πραγματικότητας, η οποία ισχύει μόνο για μικρές ταχύτητες. Όταν όμως οι ταχύτητες παρατηρητών και σωμάτων πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, οι επιπτώσεις είναι τόσο παράξενες που αρχίζουν να μοιάζουν με σενάριο επιστημονικής φαντασίας. Γνωστό παράδειγμα είναι το παράδοξο των διδύμων, σύμφωνα με το οποίο εάν ο ένας από τους δύο ταξιδέψει με διαστημόπλοιο το οποίο κινείται με ταχύτητα παραπλήσια του φωτός και ο δεύτερος παραμείνει στη Γη, όταν ξανασυναντηθούν έπειτα από μερικά χρόνια, θα διαπιστώσουν ότι ο ταξιδιώτης του διαστήματος γέρασε λιγότερο από τον αδελφό του. Η πάροδος του χρόνου, με άλλα λόγια, είναι σχετική και εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία κινείται κάθε σώμα, κάτι που επανειλημμένα έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά. Σε δεύτερο άρθρο του για την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, το οποίο δημοσίευσε στις 21 Νοεμβρίου του 1905, καταλήγει σε μια εξίσωση, την πιο διάσημη όλων των επιστημών, που αποδεικνύει ότι η μάζα και η ενέργεια δεν είναι παρά οι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος, αφού μετατρέπονται η μια στην άλλη: Ε=mc².

Και αυτή η θεωρία ήταν μόνο η αρχή. Το 1915, προκειμένου εξηγήσει τα βαρυτικά φαινόμενα, διηύρυνε την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας σε μια «Γενική Θεωρία της Σχετικότητας», την κορυφαία ίσως συνεισφορά του στη διεύρυνση των ορίων της γνώσης μας για την κατανόηση του φυσικού κόσμου. Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, βαρύτητα και επιτάχυνση είναι έννοιες ισοδύναμες, ενώ η βαρυτική έλξη μεταξύ δύο ή περισσοτέρων σωμάτων μπορεί να ερμηνευθεί, εάν θεωρήσουμε ότι η παρουσία της ύλης στρεβλώνει τη γεωμετρία του χώρου. Για να αποδείξει μάλιστα την ισχύ της νέας του θεωρίας, τη χρησιμοποιεί προκειμένου να εξηγήσει τις μικρές ανωμαλίες που παρουσίαζε η τροχιά του Ερμή, τις οποίες δεν μπορούσε να ερμηνεύσει η κλασική θεωρία του Νεύτωνα για τη βαρύτητα. Εκτός αυτού, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας προβλέπει ακόμα ότι το φως δεν ταξιδεύει πλέον σε ευθεία γραμμή αφού, όταν διέρχεται από ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο, η διεύθυνση διάδοσής του αλλάζει ακολουθώντας την καμπύλωση του χωροχρόνου, που προκαλεί η παρουσία του βαρυτικού πεδίου. Το φαινόμενο αυτό επιβεβαιώθηκε για πρώτη φορά κατά τη διάρκεια της ολικής έκλειψης του Ηλίου το 1919, όταν ο Eddington παρατήρησε ότι το φως ορισμένων άστρων που διέρχονταν κοντά από τον Ήλιο ήταν ελάχιστα καμπυλωμένο, εμφανίζοντας τα άστρα αυτά σε διαφορετική θέση από την πραγματική τους.

Ο Αϊνστάιν δεν αρκέστηκε σ? αυτά. Το 1916 προέβλεψε την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων, τα οποία εκπέμπονται από επιταχυνόμενες μάζες, ακριβώς όπως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δημιουργούνται από επιταχυνόμενα φορτία. Τα βαρυτικά κύματα μπορούν να θεωρηθούν ως κυματισμοί στη δομή του χωροχρόνου και δημιουργούνται κατά τη διάρκεια ορισμένων από τα βιαιότερα φαινόμενα που μπορούμε να παρατηρήσουμε στο σύμπαν, όπως π.χ. είναι οι εκρήξεις των υπερκαινοφανών ή η σύγκρουση δύο μαύρων οπών. Παρ? όλο που δεν έχουν ακόμα ανιχνευθεί, υπάρχουν έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξή τους και πολλοί επιστήμονες θεωρούν ότι ο εντοπισμός τους αποτελεί πλέον ζήτημα χρόνου.

Ενδεχομένως ορισμένοι από τους αναγνώστες να υποθέσουν ότι οι εξελίξεις αυτές στη θεωρητική φυσική δεν έχουν καμμία πρακτική σημασία και ότι οι δυσνόητες μαθηματικές εξισώσεις που προκύπτουν από την θεμελιώδη έρευνα στις φυσικές επιστήμες δεν έχουν κανένα αντίκτυπο στην καθημερινή μας ζωή. Σε αυτούς θα υπενθυμίσουμε ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας οδήγησε στο GPS, το γνωστό δορυφορικό σύστημα προσδιορισμού συντεταγμένων, ενώ η μετέπειτα έρευνα του Αϊνστάιν για την «αυθόρμητη και εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας» οδήγησε αρκετά χρόνια αργότερα στην ανάπτυξη των LASER και στις αναρίθμητες εφαρμογές τους από τα CD μέχρι την ιατρική.

Την εποχή που ο Αϊνστάιν, αλλά και άλλοι επιστήμονες όπως ο Hilbert και ο Schwarzschild ανέπτυσσαν τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και διερευνούσαν διαφορετικές λύσεις των εξισώσεών της επικρατούσε η άποψη ότι το Σύμπαν είναι στατικό (μόνο οι Lemaitre και Friedmann είχαν συνειδητοποιήσει ότι οι λύσεις των εξισώσεων του Αϊνστάιν μπορούσαν να οδηγήσουν μαθηματικά και σε διαστελλόμενα σύμπαντα). Επειδή όμως η βαρύτητα θα ωθούσε ένα τέτοιο σύμπαν στην κατάρρευση, ο Αϊνστάιν εισήγαγε στις εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας μια «κοσμολογική σταθερά», που ισοδυναμούσε με βαρυτική απώθηση και που είχε ως στόχο να εξισορροπήσει την ελκτική δύναμη της βαρύτητας, διατηρώντας τη στατικότητα του σύμπαντος αναλλοίωτη. Όταν, βέβαια, αποδείχτηκε από τον Hubble ότι το Σύμπαν στην πραγματικότητα διαστέλλεται, ο Αϊνστάιν αναθεώρησε τις σκέψεις του λέγοντας ότι η εισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς ήταν «το μεγαλύτερο σφάλμα της ζωής του». Σήμερα, βέβαια, πολλοί επιστήμονες επιστρέφουν σε ένα μηχανισμό παρόμοιο με αυτό της κοσμολογικής σταθεράς για να εξηγήσουν τώρα την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος.

Τα τελευταία 30 χρόνια της ζωής του ο Αϊνστάιν προσπάθησε να ενοποιήσει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και τον ηλεκτρομαγνητισμό σε μία ενιαία θεωρία, χωρίς όμως να τα καταφέρει. Η προσπάθειά του αυτή συνεχίζεται ακόμα και σήμερα από τους επιστήμονες. Από τις τέσσερεις αλληλεπιδράσεις που υπάρχουν στη φύση, δηλαδή την ασθενή, την ηλεκτρομαγνητική, την ισχυρή και τη βαρυτική, οι ερευνητές έχουν ως τώρα καταφέρει να ενοποιήσουν τις δύο πρώτες σε μια θεωρία, που ονομάζεται «Καθιερωμένο Πρότυπο». Εκτός αυτού, υπάρχουν ενδείξεις ότι το ίδιο μπορεί να συμβεί και με την ισχυρή αλληλεπίδραση στα πλαίσια μιας Μεγάλης Ενοποιημένης Θεωρίας.

Facebooktwitterpinterestlinkedinmail
ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ THINKTECH NEWS
Load More By webmedia
Load More In Tech News

Αφήστε μια απάντηση

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ

Ξεκίνησε ο διαγωνισμός για την ανάπτυξη του 5G στην Ελλάδα.

Δημοσιεύθηκε εχθές από την ΕΕΤΤ (Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων) το τεύχ…