In 1905 zette Albert Einstein de wereld van de theoretische fysica op zijn kop door een werk in de discipline te publiceren dat later de speciale relativiteitstheorie zou worden genoemd. Ze toonde aan dat ruimte en tijd niet als absolute entiteiten kunnen worden beschouwd: tijd kan versnellen of vertragen, standaardlengtes kunnen samentrekken, massa kan toenemen.
En, het meest bekende resultaat, de gelijkwaardigheid van de massa van energie, en hun aandeel wordt uitgedrukt door de vergelijking E = mc².
Niemand twijfelt aan het genie van Einstein, die de algemene relativiteitstheorie formuleerde, maar het wordt algemeen aanvaard dat als hij zijn theorie niet in 1905 had gepubliceerd, een andere natuurkundige het spoedig in zijn plaats zou hebben gedaan.
"Einsteins kruis" - vier afbeeldingen van een verre quasar, verkregen doordat het licht ervan rond een sterrenstelsel buigt dat zich dichter bij ons bevindt en werkt als een zwaartekrachtlens.
Pas in 1915 demonstreerde Einstein zijn genialiteit door zijn algemene relativiteitstheorie te publiceren. Ze voerde aan dat de kromming van ruimte-tijd proportioneel is, en ook optreedt als gevolg van de "energie-impulsdichtheid", dat wil zeggen, de energie en het momentum geassocieerd met elke materie in een eenheidsvolume van de ruimte.
Deze verklaring werd bevestigd toen ze samenviel met waarnemingen van de ongebruikelijke baan van Mercurius en het sterlicht dat rond de zon buigt.
De algemene relativiteitstheorie is de afgelopen honderd jaar met verbazingwekkende nauwkeurigheid getest en heeft de test elke keer doorstaan. De algemene relativiteitstheorie is zo'n grote sprong voorwaarts geworden dat je kunt zeggen dat als Einstein het niet had geformuleerd, het nog lang onontdekt zou kunnen blijven.
De weg naar de algemene relativiteitstheorie
Promotie video:
In 1907 had Einstein de "gelukkigste gedachte van zijn leven" toen hij op een stoel in het octrooibureau in Bern zat:
Als een persoon vrij valt, voelt hij zijn gewicht niet.
Ze leidde hem naar de formulering van het "principe van gelijkwaardigheid", dat zegt dat het onmogelijk is om onderscheid te maken tussen het versnellende referentiekader en het zwaartekrachtveld. Als je bijvoorbeeld op aarde staat, voelt het precies hetzelfde alsof je in een ruimteschip staat dat beweegt met een versnelling van 9,81 m / s² - met de versnelling van de zwaartekracht op aarde.
Dit was de eerste grote stap op weg naar de formulering van een nieuwe zwaartekrachttheorie.
Einstein geloofde dat "alle fysica geometrie is". Hij bedoelde dat ruimte-tijd en het heelal in geometrische termen kunnen worden gezien. De meest verrassende conclusie van de algemene relativiteitstheorie, de dynamische aard van tijd en ruimte, leidde Einstein blijkbaar tot de noodzaak om de "geometrische" ruimte-tijd opnieuw te bekijken.
Einstein voerde een reeks nette gedachte-experimenten uit waarbij waarnemingen van waarnemers in traagheids- en roterende referentiekaders werden vergeleken.
Hij stelde vast dat voor een waarnemer in een roterend referentiekader, ruimte-tijd niet Euclidisch kan zijn, dat wil zeggen, zoals die vlakke meetkunde die we allemaal op scholen bestuderen. We moeten "gekromde ruimte" in onze redenering introduceren om rekening te houden met de anomalieën die door de relativiteitstheorie worden voorspeld. Kromming wordt de tweede belangrijkste veronderstelling die zijn algemene relativiteitstheorie ondersteunt.
Om de gekromde ruimte te beschrijven, wendde Einstein zich tot een eerder werk van Bernard Riemann, een 19de-eeuwse wiskundige. Met de hulp van zijn vriend Marcel Grossmann, ook een wiskundige, bracht Einstein een aantal saaie jaren door met het bestuderen van de wiskunde van gekromde ruimtes - wat wiskundigen 'differentiële meetkunde' noemen. Einstein merkte op dat "vergeleken met het begrijpen van de zwaartekracht, de speciale relativiteitstheorie een kinderspel leek".
Einstein had nu het wiskundige apparaat om de theorie tot voltooiing te brengen. Het equivalentieprincipe stelde dat een versnellend referentiekader equivalent is aan een gravitatieveld. Als resultaat van zijn studie in meetkunde, geloofde hij dat het zwaartekrachtveld een eenvoudige manifestatie was van gekromde ruimte-tijd. Daarom kon hij aantonen dat de versnellende referentiekaders niet-Euclidische ruimtes waren.
Ontwikkeling
De derde belangrijkste stap was het elimineren van moeilijkheden bij het toepassen van de algemene relativiteitstheorie op de Newtoniaanse zwaartekracht. In de speciale relativiteitstheorie waren de constantheid van de lichtsnelheid in alle referentiekaders en de bewering dat de lichtsnelheid de maximaal haalbare snelheid is, in tegenspraak met Newtons zwaartekrachttheorie, die de ogenblikkelijkheid van de werking van de zwaartekracht postuleerde.
Simpel gezegd, de Newtoniaanse zwaartekracht zei dat als de zon uit het centrum van het zonnestelsel zou worden verwijderd, het gravitatie-effect van deze gebeurtenis onmiddellijk op aarde zou worden gevoeld. Maar SRT zegt dat zelfs het effect van het verdwijnen van de zon met de snelheid van het licht zal bewegen.
Einstein wist ook dat de aantrekkingskracht van twee lichamen recht evenredig is met hun massa, die volgde op Newtons F = G * M * m / r². Daarom bepaalde massa duidelijk de sterkte van het zwaartekrachtveld. SRT zegt dat massa equivalent is aan energie, dus de energie-impulsdichtheid zou ook de zwaartekracht moeten bepalen.
Als resultaat waren de drie belangrijkste aannames die Einstein gebruikte om zijn theorie te formuleren:
1. In roterende (niet-inertiële) referentiekaders is de ruimte gekromd (niet-Euclidisch).
2. Het gelijkwaardigheidsbeginsel zegt dat versnellende referentiekaders equivalent zijn aan zwaartekrachtvelden.
3. De gelijkwaardigheid van massa en energie volgt uit SRT, en uit de Newtoniaanse fysica volgt dat massa evenredig is met de zwaartekracht.
Einstein was in staat om te concluderen dat de energie-impulsdichtheid creëert en evenredig is met de kromming van ruimte-tijd.
Het is niet bekend wanneer hij zijn "inzicht" had, wanneer hij in staat was deze puzzel op te lossen en massa / energie te relateren aan de kromming van de ruimte.
Van 1913 tot 1915 publiceerde Einstein verschillende artikelen, terwijl hij werkte aan de voltooiing van de algemene relativiteitstheorie. In sommige werken werden fouten aangetroffen, waardoor Einstein tijd verspilde aan onnodige afleiding bij het theoretisch redeneren.
Maar het nettoresultaat, dat de energie-impuls dichtheid ruimte-tijd buigt, zoals een bowlingbal een uitgerekt vel rubber is, en dat de beweging van massa in een zwaartekrachtveld afhangt van de kromming van ruimte-tijd, is zonder twijfel de grootste gok die door de menselijke intelligentie wordt gemaakt.
Handicap
Hoe lang zouden we de zwaartekracht hebben begrepen als het genie van Einstein er niet was geweest? Het is mogelijk dat we hier tientallen jaren op moeten wachten. Maar in 1979 zou het raadsel zeker uitkomen. In dat jaar ontdekten astronomen "tweeling-quasars", QSO 0957 + 561, de eerste quasar die gravitatielenzen observeerde.
Deze verbazingwekkende ontdekking kan alleen worden verklaard door de kromming van ruimte-tijd. Voor hem zouden ze waarschijnlijk de Nobelprijs hebben gegeven, zo niet voor het genie van Einstein. Of misschien moet ze toch worden weggegeven.
