2. Posebna ter teorija splošne relativnosti

Posebna teorija relativnosti je fizikalna teorija, ki opisuje gibanje teles izven gravitacijskega polja. Leta 1905 jo je razvil Albert Einstein. Pred tem je v fiziki prevladovalo mnenje, da so fizikalne količine kot hitrost ali sila absolutne in neodvisne od opazovalca oziroma opazovalnega sistema, v katerem jih merimo. Lorentz in nekateri drugi fiziki pa so opozarjali na dejstvo, da se Maxwellove enačbe pri zamenjavi koordinatnega sistema ne vedejo v skladu s klasično mehaniko, da torej isti fizikalni pojav dva opazovalca, ki se relativno gibljeta drug glede na drugega, različno opišeta (po zamisli o transformaciji fizikalnih zakonov med opazovalnimi sistemi, ki se gibljejo relativno drug na drugega, je teorija dobila svoje ime). Pri tem teorija tudi zavestno zanemari vpliv gravitacije na oba opazovalca. Lorentz je razvil tudi popravek, znan kot Lorentzova transformacija, s katerim Maxwellove enačbe uskladimo z zakoni klasične mehanike. Wikipedija, 2008

Spreminjanje izgledov na prostor-čas vzdolž svetovnice. Na animaciji navpična smer predstavlja čas, vodoravna pa razdaljo. Prekinjena črta je pot (»svetovnica«) opazovalca v prostoru-času. Spodnja četrtina prikazuje dogodke, ki jih opazovalec lahko vidi, nad svetlobnim stožcem pa so dogodki v prihodnosti. Pike so poljubni dogodki v prostoru-času. Odmik svetovnice od navpične smeri podaja relativno hitrost opazovalca. Pri pospeševanju opazovalca se izgled prostora-časa zelo spremeni.

Splošna teorija relativnosti je fizikalna teorija gravitacije, ki jo je leta 1915 razvil in objavil Albert Einstein. Splošna teorija relativnosti razlaga gravitacijsko silo kot posledico ukrivljenosti prostora-časa. Teoriji rečejo tudi splošna relativnostna teorija.

Gre za posplošitev Einsteinove posebne teorije relativnosti, ki pravi, da je v inercialnih (nepospešenih) opazovalnih sistemih hitrost svetlobe konstantna, torej invariantna količina. Iz tega sledi spoznanje, da fizikalne zakonitosti ne morejo biti odvisne od lege in gibanja opazovalca, spreminjajo se le enačbe, ki te zakonitosti opisujejo. Prek Lorentzovih transformacij, ki opisujejo navidezno skrčitev dolžin in podaljšanje časa, tako vidimo, da sta merjeni čas in dolžina odvisna od hitrosti gibanja opazovalca, torej sta relativna. Wikipedia, 2008

Poskus za potrditev splošne teorije relativnosti

S pripravo poskusa za (ponovno) potrditev Einsteinove splošne teorije relativnosti so se skupaj ukvarjali znanstveniki Nase in italijanske vesoljske agencije ASI. Meritve so bile izvedene poleti 2002, ko sta bili Zemlja in vesoljska ladja na nasprotnih straneh Sonca, njuna medsebojna razdalja je bila okrog milijarde kilometrov; rezultate so objavili nedavno.

Kako je poskus potekal? Raziskovalci so se osredotočili na enega od pojavov, ki jih je s teorijo relativnosti napovedal Albert Einstein: močno gravitacijsko polje vpliva na elektromagnetno valovanje, ki potuje skozenj. Radijski val je bil oddan s postaje v kraju Goldstone v Kaliforniji, potoval je do vesoljske ladje, ki je bila na drugi strani Sonca, in se od nje odbil nazaj v Kalifornijo. Raziskovalci so v poskusu izmerili odklon radijskega vala (od smeri, v kateri je bil oddan) v gravitacijskem polju Sonca oziroma čas potovanja vala do vesoljske ladje in nazaj. Meritev je bila izvedena bolj natančno kot vse dosedanje tovrstne.

Einsteinova teorija relativnosti

Einstein je gotovo najbolj znani fizik, o katerem je bilo že zelo veliko napisanega. Ponovimo le nekaj ključnih dejstev. Leta 1905 je objavil članek o posebni teoriji relativnosti, v katerem je navrgel tudi nekaj idej o prostoru in času, katerih »videz« je za opazovalca odvisen od (relativne) hitrosti, s katero se giblje. Pri hitrostih, ki so blizu svetlobni hitrosti, se prostor in čas spremenita: razdalje se raztegnejo, ure pa tečejo počasneje.

Deset let kasneje je Einstein razburkal znanstveno srenjo z opisom gravitacije kot ukrivljenosti prostora-časa, kar je bila alternativa in izjemen korak naprej v razumevanju glede na klasični (Newtonov) opis gravitacije kot sile, ki med vsakima dvema masama deluje na daljavo. Einsteinove hipoteze so se pokazale kot pravilne (prva meritev v prid teoriji je bila izvedena že leta 1919) in napovedi, ki so sledile iz njegove teorije, so bila druga za drugo dokazane. Zasuk Marsovega perihelija; opazovanje zvezd, skritih za Soncem, ob Sončevem mrku; gravitacijski rdeči premik; gravitacijsko lečenje in večkratne slike kvazarjev; črne luknje; gravitacijsko sevanje – to je le nekaj poglavitnih pojavov, ki jih danes vidimo kot eksperimentalne dokaze teorije relativnosti.

Po splošni teoriji relativnosti vsak masiven objekt, kakršno je na primer naše Sonce, ukrivi prostor-čas. Zaradi tega mora svetlobni val mimo masivnega telesa potovati dalj časa (po daljši poti), kot bi potoval, če tam telesa ne bi bilo. Če na svetlobo pogledamo korpuskularno (torej, da je svetloba sestavljena iz delcev – fotonov), lahko pojav opišemo tudi drugače: v ukrivljenem prostoru-času se fotoni odklonijo od prvotne smeri (naredijo daljšo pot) in njihovo potovanje zato traja dalj časa, kot če bi potovali po praznem prostoru daleč stran od masivnih teles.

V zgodnjih razvojnih fazah vesolja so bile poleg gravitacijske pomembne tudi druge sile, predvsem interakcije med osnovnimi delci. V tem, kar danes izmerimo kot gravitacijo, so morda prisotna tudi druga polja. Tako nekateri kozmološki modeli zaradi vplivov drugih polj napovedujejo možna odstopanja od enačb splošne teorije relativnosti. Ti vplivi so danes bistveno šibkejši, kot so bili v zgodnjih fazah razvoja vesolja, vendarle naj bi bili še merljivi. Merjenje teh vplivov pomeni preverjanje veljavnosti Einsteinovih enačb.

Doslej je bil odklon svetlobe v gravitacijskem polju Sonca, kot sledi iz Einsteinovih enačb, potrjen v številnih poskusih z natančnostjo do okrog desetine odstotka. Meritve, opravljene med misijo Cassini-Huygens, so petdesetkrat bolj natančne od najboljših dosedanjih meritev in (spet) lepo potrjujejo napovedi splošne relativnosti. Po mnenju italijanskih astrofizikov, ki so konec septembra letos objavili članek o svojih odkritjih v reviji Nature, gre za natančnost, ki se približuje teoretičnim odstopanjem, ki jih napovedujejo kozmološki modeli. (Delo, 2003)