Jedna od najvažnijih teorija fizike, Ajnštajnova Opšta teorija relativnosti, ove godine navršava svoj stoti rođendan
Tekst: Ivana Horvat
Albert Ajnštajn nije bio previše zainteresovan za primenu svojih otkrića. Suštinski, bio je zainteresovan da matematički razvije svoje ideje o prirodi koje su bile značajno drugačije od fizike tog i nekih prethodnih vremena. Sugerisao je da gravitacija, osim što nas sprečava da odlutamo u mračna prostranstva svemira, na određeni način utiče na protok vremena. Ova teza bila je revolucionarna misao tog doba. Zahtevala je novu fiziku i novi matematički račun.
Nakon Specijalne teorije relativnosti kojom je 1905. godine između ostalog doveo u neraskidivu vezu prostor i vreme, Ajnštajn je želeo da proširi svoju ideju i na oblast gravitacije. Želeo je da pokaže na koji način jaka gravitaciona polja utiču na takozvani prostor-vreme i da svoj specijalni slučaj relativiteta primeni i na ubrzane sisteme. Činilo se da pod uticajem jakog gravitacionog polja jedan događaj ne mora nužno da se dogodi istovremeno za dva različita posmatrača. Kao rezultat ovog promišljanja nastaje jedna od najuticanijih fizičkih teorije svih vremena.
Fizika ekstrema
Opšta teorija relativnosti, odnosno gravitacije, često se spominje kao fizika velikog: fizika velikih masa, velikih brzina i ubrzanja, i gotovo beskonačnog prostora svemira. Ajnštajnova opšta relativnost objašnjava da ono što doživljavamo kao efekat sile gravitacije u klasičnoj fizici, u relativističkoj predstavlja posledicu zakrivljenosti prostora i vremena oko svakog masivnog objekta. Svaki drugi objekat koji se nađe u ovoj gravitacionoj klopci povinovaće se njenim zakonitostima.
Nekoliko godina nakon Specijalne relativnosti, Ajnštajn je shvatio da postoji mnogo dublja veza između sistema koji ubrzavaju i sistema koji se nalaze u polju gravitacije. Smatrao je da su efekti istovetni i da ne postoji eksperiment koji bio uspeo da napravi razliku između njih. Ovaj misaoni eksperiment postavio je temelj za razvoj nove teorije.
Ajnštajn je razmišljao o eksperimentu koji uključuje dva lifta: jedan koji se nalazi na Zemlji, i drugi koji se nalazi u svemiru van dometa gravitacije, ali ubrzava ka gore stopom koja je identična gravitacionom ubrzanju Zemlje od 9.81 m/s2. Ako bi posmatrači koji se nalaze u liftovima, potpuno izolovani od spoljašnjeg sveta, ispustili lopticu iz svoje ruke, u oba slučaj pala bi na isti način. Ajnštajn je smatrao da se istovetnost ova dva efekta može opisati povezivanjem efekata gravitacije sa geomterijskim karakterstikama prostora.
Opšta teorija relativnosti suštinski se razlikovala od Njutnove teorije gravitacije. Ovo postaje jasno u ekstremnim situacijama, kao što su velike brzine ili jaka gravitaciona polja, sa kojima se ne susrećemo u svakodnevnom životu. Zbog toga su efekti ove vrste dugo izmicali oštrom oku naučnika.
Opšta teorija relativiteta imala je snažan uticaj na fiziku, geometriju i astronomiju. Našla je svoju široku primenu u proučavanju svemira. Pomoću nje, naučnici su predvideli veliki broj egzotičnih fenomena poput crnih rupa, gravitacionih sočiva i gravitacionih talasa. Ova teorija takođe predstavlja jednu od teorijskih potpora Velikog praska. Do sada je urađen veki broj eksperimentalnih provera Opšte relativnosti koji su pokazali njenu tačnost.
Opšta teorija običnog čoveka
Ponekad je veoma teško predvideti primene fundamentalne fizike u svakodnevnom životu. Ko bi mogao da zamisli primenu fizike, koja svojim proračunima predviđa neke od najmasivnijih objekata u svemiru poput crnih rupa, na bilo koji objekat na našoj planeti?
Međutim, Opšta relativnost igra ključnu ulogu u preciznosti navigacionih sistema, poznatih kao GPS. Iako je prvobitno GPS bio vojna tehnologija, njegova praktična strana našla je široku upotrebu u javnosti. Projekat koji je koštao čak 10 milijardi dolara ubrzo je postao ”igračka” u svačijem džepu ili automobilu.
GPS koncept zasnovan je na vremenu. Njega čini sistem satelita, od kojih svaki nosi veoma precizan atomski časovnik. Koristeći bilo koiji GPS uređaj na Zemlji, koji detektuje radio emisiju nekog od satelita, svaki korisnik može sa velikom preciznošću da odredi svoj položaj u prostoru. Međutim, stvari nisu tako jednostavne.
U prvim godinama implementacije, pokazalo se da GPS stvara dosta haosa. Časovnici na satelitima kao da nisu bili sinhronizovani sa onima na Zemlji. Locirani iznad površine Zemlje, na visini od 20 000 kilometra, ovi uređaji su svakako imali drugačiji “doživljaj” gravitacije, koja je na toj udaljenosti od Zemlje nekoliko puta slabija.
Prema Opštoj teoriji relativiteta, gravitacija utiče na protok vremena. U ekstremnim slučajevima u blizini crne rupe ovi efekti su drastični, a za udaljenog posmatrača vreme izgleda kao da je stalo. Međutim, kada posmatramo časovnike u sistemu satelit-Zemlja, iako je dilatacija, odnosno “razvučenost” vremena mala, tokom određenog vremenskog perioda ona postaje značajna. Časovnici na Zemlji pod uticajem jače gravitacije kucaju za nijansu sporije.
Nakon što su ovaj efekat uzeli u obzir i uz pomoć računa nadomestili ovo malo kašnjenje zemaljskih časovnika, naučnici su zahvaljujući Opštoj teoriji gravitacije sinhronizovali časovnike GPS uređaja i učinili ovaj sistem preciznim sistemom za navođenje, koji nam je od velike koristi gotovo svaki dan.
Istražite više o programu skupa posvećenom stogodišnjici Opšte teorije relativnosti.