"Iscrpljen sam. Ali uspjeh je veličanstven."
Povezani sadržaj
- Matematičar Emmy Noether trebao bi biti vaš junak
Bilo je to prije stotinu godina ovog studenog, a Albert Einstein uživao je u rijetkom trenutku zadovoljstva. Danima ranije, 25. studenoga 1915., stupio je na pozornicu Pruske akademije znanosti u Berlinu i izjavio da je napokon završio svoju mučnu, desetljećnu ekspediciju na novo i dublje razumijevanje gravitacije. Opća teorija relativnosti, tvrdio je Einstein, bila je sada potpuna.
Mjesec koji je doveo do povijesne najave bio je najintelektualno najintenzivniji i zabrinut razdoblje u njegovom životu. Vrhunac je Einsteinova radikalno nova vizija međusobnog djelovanja prostora, vremena, materije, energije i gravitacije, podvig koji se široko smatra jednim od najvećih intelektualnih dostignuća čovječanstva.
Tada je zujanje opće relativnosti čula samo grupa mislioca na periferiji ezoterijske fizike. No, u stoljeću otkad je Einsteinovo dječje tijelo postalo spona za širok raspon temeljnih pitanja, uključujući podrijetlo svemira, strukturu crnih rupa i objedinjavanje prirodnih sila, a teorija je također korištena za više primijenjenih zadataka poput pretraživanja ekstrasolarnih planeta, određivanja mase udaljenih galaksija, pa čak i usmjeravanja putanja nesretnih vozača automobila i balističkih projektila. Opća relativnost, nekada egzotični opis gravitacije, sada je moćan alat za istraživanje.
Potraga za shvaćanjem gravitacije započela je mnogo prije Einsteina. Tijekom kuge koja je pustošila Europu od 1665. do 1666. godine, Isaac Newton povukao se s položaja na Sveučilištu u Cambridgeu, sklonio se u kuću svoje obitelji u Lincolnshireu i u svojim praznim satima shvatio da je svaki predmet, bilo na Zemlji ili na nebesima, povlače se jedna za drugom sa silom koja ovisi isključivo o tome koliko su predmeti veliki - njihova masa - i koliko su udaljeni u svemiru - njihova udaljenost. Djeca školskog svijeta širom svijeta naučila su matematičku verziju Newtonovog zakona, koji je napravio tako spektakularno točna predviđanja za kretanje svega, od bačenih stijena do planeta u orbiti, da se činilo da je Newton napisao posljednju riječ o gravitaciji. Ali nije. A Einstein je bio prvi koji je postao siguran u to.
**********
1905. Einstein je otkrio posebnu teoriju relativnosti, uspostavljajući čuveni diktum da ništa - ni objekt ni signal - ne može putovati brže od brzine svjetlosti. I u tome leži rub. Prema Newtonovom zakonu, ako tresnete Sunce poput kozmičke marake, gravitacija će uzrokovati da i Zemlja odmah trese. Odnosno, Newtonova formula podrazumijeva da gravitacija vrši svoj utjecaj s jedne lokacije na drugu trenutno. To nije samo brže od svjetlosti, već je beskonačno.
Relativnost: posebna i opća teorija
Objavljeno na stotu obljetnicu opće relativnosti, ovo zgodno izdanje Einsteinove čuvene knjige smješta djelo u povijesni i intelektualni kontekst, istovremeno pružajući neprocjenjiv uvid u jednog od najvećih znanstvenih umova svih vremena.
KupitiEinstein ništa od toga ne bi imao. Sigurno postoji rafiniraniji opis gravitacije, onaj u kojem gravitacijski utjecaji ne prelaze svjetlost. Einstein se posvetio tome da ga pronađe. Da bi to učinio, shvatio je, trebat će odgovoriti na naizgled osnovno pitanje: Kako djeluje gravitacija? Kako Sunce izlazi preko 93 milijuna milja i vrši gravitacijsko povlačenje na Zemlji? Za poznatije poteškoće iz svakodnevnog iskustva - otvaranje vrata, otključavanje boce vina - mehanizam se očituje: Između ruke i predmeta koji dolazi do izvlačenja postoji izravan kontakt. Ali kad Sunce povuče na Zemlju, ono se povlači kroz svemir - prazan prostor. Nema izravnog kontakta. Dakle, koja nevidljiva ruka radi na natječaju za gravitaciju?
Sam Newton smatrao je to pitanje zbunjujućim i dobrovoljno rekao da je njegovo neuspjeh u prepoznavanju gravitacije utjecao značilo da njegova teorija, koliko god uspješna bila njena predviđanja, sigurno nije potpuna. Ipak, više od 200 godina, Newtonovo priznanje nije bilo ništa drugo do previdjena fusnota u teoriji koja se inače složila s opažanjima.
1907. Einstein je počeo ozbiljno raditi na odgovoru na to pitanje; do 1912. to je postalo njegova opsesija za puno radno vrijeme. I unutar tih nekoliko godina, Einstein je pogodio ključni konceptualni proboj, jednostavno tako lako je ustvrditi: Ako između Sunca i Zemlje nema ničega osim praznog prostora, tada njihov međusobni gravitacijski potez mora biti proveden prostorom sebe. Ali kako?
Einsteinov odgovor, istovremeno lijep i tajanstven, jest da materija, poput Sunca i Zemlje, uzrokuje da se prostor oko nje zakrivi, a rezultirajući izobličeni oblik prostora utječe na kretanje ostalih tijela koja prolaze.
Evo načina da razmislite. Zamislite ravnu putanju praćenu mramorom koji ste valjali po ravnom drvenom podu. Zamislite sada kako valjamo mramor po drvenom podu kojeg je poplavila i uvila poplava. Mramor neće slijediti istu ravnu putanju jer će biti potisnut na ovaj način i po podu zaobljenim obrisima. Kao i s podom, tako i s prostorom. Einstein je zamislio da će zakrivljene konture prostora gurnuti izmučenu bejzbol sledujući svoj poznati parabolični put i nagaziti Zemlju da se pridržava svoje uobičajene eliptične orbite.
Bio je to zapanjujući skok. Do tada je prostor bio apstraktni koncept, neka vrsta kozmičkog spremnika, a ne opipljiva cjelina koja bi mogla utjecati na promjene. Zapravo je skok ipak bio veći. Einstein je shvatio da i vrijeme može iskriviti. Intuitivno, svi mi predviđamo da takvi satovi, bez obzira na to gdje se nalaze, označavaju istom brzinom. Ali Einstein je predložio da se bliži satovi golemoj tijelu, poput Zemlje, sporije će one otkucavati, odražavajući zapanjujući utjecaj gravitacije na sam prolazak vremena. I koliko prostorni temelj može pomicati putanju objekta, tako je i vremenski: Einsteinova matematika sugerisala je da se predmeti povlače prema mjestima gdje vrijeme teče sporije.
Ipak, Einsteinovo radikalno preoblikovanje gravitacije u pogledu oblika prostora i vremena nije bilo dovoljno da on zatraži pobjedu. Ideje je morao razviti u prediktivni matematički okvir koji bi precizno opisao koreografiju plesanu po prostoru, vremenu i materiji. To se čak i za Alberta Einsteina pokazalo kao monumentalni izazov. Godine 1912., boreći se za modu jednadžbi, napisao je kolegi: "Nikad se u životu nisam mučio ni o čemu takvom." Ipak, samo godinu dana kasnije, radeći u Zürichu sa kolegom s više matematičkih odnosa, Marcelom Grossmannom, Einstein je napredno približio odgovor. Koristeći rezultate iz sredine 1800-ih, koji su geometrijskim jezikom opisivali zakrivljene oblike, Einstein je stvorio potpuno novo, ali u potpunosti rigorozno preoblikovanje gravitacije u smislu geometrije prostora i vremena.
Ali tada se sve činilo da propada. Dok je istraživao svoje nove jednadžbe, Einstein je počinio sudbonosnu tehničku grešku, što ga je navelo da pomisli kako njegov prijedlog nije ispravno opisao sve vrste uobičajenog kretanja. Dvije duge, frustrirajuće godine Einstein je očajnički pokušavao popraviti problem, ali ništa nije uspjelo.
Einstein, uporan dok dolaze, ostao je neizrečen, a u jesen 1915. napokon je vidio put prema naprijed. Do tada je bio profesor u Berlinu i premješten je u Prusku akademiju znanosti. I pored toga, imao je vremena na rukama. Njegova otuđena supruga Mileva Marić konačno je prihvatila da je njezin život s Einsteinom završena i vratila se u Zurich sa svoja dva sina. Iako su sve napetiji obiteljski odnosi jako ovisili o Einsteinu, aranžman mu je također omogućio da slobodno slijedi svoje matematičke lopove, neometano danju i noću, u mirnoj samoći svog ogoljenog berlinskog stana.
Do novembra je ta sloboda urodila plodom. Einstein je ispravio svoju raniju grešku i krenuo u konačni uspon prema općoj teoriji relativnosti. No, dok je intenzivno radio na finim matematičkim detaljima, uvjeti su se neočekivano pokazali izdajnički. Nekoliko mjeseci ranije Einstein se susreo s uglednim njemačkim matematičarem Davidom Hilbertom i podijelio je sva njegova razmišljanja o svojoj novoj gravitacijskoj teoriji. Očigledno, Einstein ga je razočarao, sastanak je toliko pobudio Hilbertov interes da je sada utrčavao Einsteina do cilja.
Niz razglednica i pisama koja su dvojica razmjenjivali tijekom studenog 1915. dokumentira srdačno, ali intenzivno suparništvo jer su se svaki zatvorili u jednadžbama opće relativnosti. Hilbert je smatrao da je pravedna igra nastojati otvoriti obećavajuću, ali još uvijek nedovršenu teoriju gravitacije; Einstein je smatrao da je za Hilberta to bila loša forma na njegovu solo ekspediciju tako blizu vrha. Štoviše, Einstein je zabrinuto shvatio da su Hilbertove dublje matematičke rezerve predstavljale ozbiljnu prijetnju. Unatoč godinama napornog rada, Einstein će ga možda prekršiti.
Zabrinutost je bila dobro utemeljena. U subotu, 13. studenoga, Einstein je sljedećeg utorka primio poziv od Hilberta da mu se pridruži u Göttingenu kako bi „vrlo detaljno“ naučio „rješenje vašeg velikog problema“. Einstein je razbijen. "Moram se suzdržati od putovanja u Göttingen na trenutak i radije moram strpljivo čekati dok iz tiskanog članka ne proučim vaš sustav; jer sam se, osim toga, umorio i trpio sam bolove u stomaku. "
Ali toga četvrtka, kad je Einstein otvorio svoju poštu, suočio se s Hilbertovim rukopisom. Einstein je odmah uzvratio, jedva prikrivajući svoju iritaciju: "Sustav koji vi opremite je suglasan - koliko vidim - upravo s onim što sam pronašao u posljednjih nekoliko tjedana i predstavio Akademiji." Njegov prijatelj Heinrich Zangger, Einstein je povjerio, "U svom osobnom iskustvu nisam bolje naučio bijedu ljudske vrste kao prigodom ove teorije ...."
Tjedan dana kasnije, 25. studenog, predavajući izmučenoj publici na pruskoj Akademiji, Einstein je otkrio posljednje jednadžbe koje čine opću teoriju relativnosti.
Nitko ne zna što se dogodilo tijekom tog posljednjeg tjedna. Je li Einstein samostalno smislio konačne jednadžbe ili je Hilbertov rad pružio nevidljivu pomoć? Je li Hilbertov nacrt sadržavao ispravan oblik jednadžbi ili je Hilbert nakon toga ubacio te jednadžbe, nadahnute Einsteinovim radom, u verziju rada koji je Hilbert objavio mjesecima kasnije? Intriga se samo produbljuje kada saznamo da je ključni odlomak stranice za Hilbertov rad, koji je možda riješio pitanja, doslovno oduzet.
Na kraju je Hilbert postupio ispravno. Priznao je da bez obzira na njegovu ulogu u kataliziranju konačnih jednadžbi, opća teorija relativnosti s pravom bi trebala biti pripisana Einsteinu. I tako ima. I Hilbert se tome pobrinuo jer tehnički, ali posebno koristan način izražavanja jednadžbi opće relativnosti nosi imena obojice.
Naravno, kredit bi bio vrijedan samo ako bi opća teorija relativnosti bila potvrđena zapažanjima. Izvrsno je što je Einstein mogao vidjeti kako se to može učiniti.
**********
Opća relativnost predviđala je da će snopovi svjetlosti koje emitiraju daleke zvijezde putovati zakrivljenim putanjama dok su prolazili kroz izkrivljeno područje u blizini Sunca na putu prema Zemlji. Einstein je koristio nove jednadžbe da bi to precizirao - izračunao je matematički oblik tih zakrivljenih putanja. Ali da bi testirali predviđanja astronomi bi trebali vidjeti daleke zvijezde dok je Sunce u prvom planu, a to je moguće samo kad Mjesec blokira sunčevu svjetlost, za vrijeme pomračenja Sunca.
Sljedeće pomračenje Sunca, 29. svibnja 1919., postalo bi dokazno mjesto relativnosti. Timovi britanskih astronoma, na čelu s Sir Arthurom Eddingtonom, postavili su trgovinu na dvije lokacije koje će doživjeti potpuno pomračenje Sunca - u Sobralu u Brazilu i na Principu, kraj zapadne obale Afrike. Boreći se sa vremenskim izazovima, svaki je tim snimio niz fotografskih ploča udaljenih zvijezda koje su trenutačno vidljive dok je Mjesec lebdio preko Sunca.
Tijekom sljedećih mjeseci pažljive analize slika, Einstein je strpljivo čekao rezultate. Napokon, 22. rujna 1919. godine, Einstein je primio telegram u kojem je objavio da su promatranja pomračenja potvrdila njegovo predviđanje.
Novine širom svijeta prikupile su priču, a naslovi bez daha proglasili su Einsteinov trijumf i katapultirali ga gotovo preko noći u svjetsku senzaciju. Usred svih uzbuđenja, mladi student, Ilse Rosenthal-Schneider, pitao je Einsteina što bi pomislio ako se promatranja ne podudaraju s općim predviđanjima relativnosti. Einstein je slavno odgovorio hrabrim hrabrošću: "Bilo bi mi žao Draga Gospodara jer je teorija tačna."
Zapravo, u desetljećima nakon mjerenja pomračenja, bilo je mnogo drugih opažanja i eksperimenata - koji su u tijeku - koji su doveli do čvrstog pouzdanja u opću relativnost. Jedan od najimpresivnijih je promatrački test koji je trajao gotovo 50 godina, među NASA-inim najduljim projektima. Opća relativnost tvrdi da bi se tijelo poput Zemlje vrtilo na svojoj osi, trebalo vući prostor oko sebe u vrtlogu, pomalo nalik na šljunak koji se vrti u kanti melase. Početkom 1960-ih, fizičari Stanforda postavili su shemu za testiranje predviđanja: lansirajte četiri ultra-precizna žiroskopa u zemaljsku orbitu i potražite sitne pomake u orijentaciji osi žiroskopa koje bi, prema teoriji, trebalo izazvati po vrtlog prostora.
Bilo je potrebno čitav niz znanstvenih napora da se razviju potrebna žiroskopska tehnologija, a zatim godine analiza podataka da bi, između ostalog, prevladali nesretno kolebanje žiroskopa stečenih u svemiru. No, 2011. godine tim koji stoji iza Gravity Probe B, kao što je projekt poznat, objavio je da je eksperiment dug pola stoljeća postigao uspješan zaključak: Sjekire žiroskopa okreću se za iznos koji je Einsteinova matematika predvidjela.
Postoji još jedan eksperiment, koji je trenutno više od 20 godina u izradi, a koji mnogi smatraju konačnim testom opće teorije relativnosti. Prema teoriji, dva sudara objekta, bilo zvijezde ili crne rupe, stvorit će valove u svemirskoj tkanini, koliko će dva sudara čamca na inače mirnom jezeru stvoriti valove vode. I kako se takvi gravitacioni valovi vale prema van, prostor će se širiti i stisnuti u svojoj snazi, pomalo kao da se kuglica tijesta naizmjenično rasteže i stisne.
Početkom 1990-ih, tim na čelu sa znanstvenicima na MIT-u i Caltech pokrenuo je istraživački program za otkrivanje gravitacijskih valova. Izazov je, i velik je, da ako se dogodi burni astrofizički susret daleko, onda će se vremenom nastali prostorni valovi od Zemlje proširiti tako široko da će se fantastično razrijediti, možda rastezati i stisnuti prostor za samo djelić atomskog jezgra.
Ipak, istraživači su razvili tehnologiju koja je upravo u stanju primijetiti sitne signalne znakove valovanja u svemiru dok se valjaju po Zemlji. 2001. godine, dva uređaja dužine četiri kilometra u obliku slova L, kolektivno poznata kao LIGO (Laser Interferometer Gravitacijsko-valna opservatorija), raspoređena su u Livingstonu, Louisiani i Hanfordu, Washington. Strategija je da se prolazni gravitacijski val naizmjenično proteže i stisne u obje ruke svake L, ostavljajući otisak na laserskom svjetlu koje se kreće gore i dolje u svakoj ruci.
U 2010, LIGO je pušten iz upotrebe, prije no što su otkriveni bilo kakvi gravitacijski valovi - aparatu je gotovo sigurno nedostajala osjetljivost potrebna za snimanje sitnih trzaja uzrokovanih gravitacijskim valom koji je stigao do Zemlje. Ali sada se provodi napredna verzija LIGO-a, nadogradnje za koju se očekuje da će biti deset puta osjetljivija, a istraživači predviđaju da će za nekoliko godina otkrivanje valova u svemiru uzrokovano udaljenim kozmičkim poremećajima biti uobičajena.
Uspjeh bi bio uzbudljiv ne zato što itko stvarno sumnja u opću relativnost, već zato što potvrđene veze između teorije i promatranja mogu donijeti snažne nove primjene. Primjerice, mjerenja pomračenja iz 1919. godine, koja su utvrdila da gravitacija savija putanju svjetlosti, potaknule su uspješnu tehniku koja se danas koristi za pronalaženje udaljenih planeta. Kad takvi planeti prođu ispred zvijezda svojih domaćina, oni lagano usredotočuju zvijezdno svjetlo izazivajući obrazac osvjetljavanja i prigušenja koji astronomi mogu otkriti. Slična tehnika je također omogućila astronomima da izmjere masu pojedinih galaksija promatrajući kako jako iskrivljuju putanju svjetlosti koju emitiraju još udaljeniji izvori. Drugi, poznatiji primjer je globalni sustav pozicioniranja, koji se oslanja na Einsteinovo otkriće da gravitacija utječe na prolazak vremena. GPS uređaj određuje njegovo mjesto mjerenjem vremena putovanja signala primljenih s raznih satelita u orbiti. Bez uzimajući u obzir gravitacijski utjecaj na to kako vrijeme prolazi na satelitima, GPS sustav ne bi uspio ispravno odrediti lokaciju objekta, uključujući vaš automobil ili vođenu raketu.
Fizičari vjeruju da detekcija gravitacijskih valova ima sposobnost generiranja vlastite primjene duboke važnosti: novi pristup promatračkoj astronomiji.
Od vremena Galilea, okrenuli smo teleskope prema nebu kako bismo prikupili svjetlosne valove koje emitiraju udaljeni predmeti. Sljedeća faza astronomije može se vrlo dobro usredotočiti na okupljanje gravitacijskih valova proizvedenih dalekim kozmičkim previranjima, omogućavajući nam da isprobavamo svemir na potpuno novi način. To je posebno uzbudljivo jer valovi svjetlosti nisu mogli prodrijeti u plazmu koja je napunila prostor sve do nekoliko stotina tisuća godina nakon Velikog praska - ali gravitacijski valovi mogli su. Stoga bismo jednog dana mogli koristiti gravitaciju, a ne svjetlost, kao našu najdostupniju sondu u najranijim trenucima svemira.
Zbog toga što valovi gravitacije vatre kroz prostor pomalo kao valovi zvuka koji pušu zrakom, znanstvenici govore o "slušanju" gravitacijskih signala. Usvajajući tu metaforu, kako je divno zamisliti da će druga stogodišnjica opće relativnosti fizičari možda biti slavi kad su konačno čuli zvukove stvaranja.
Bilješka urednika, 29. rujna 2015.: Ranija verzija ovog članka netočno je opisala kako rade GPS sustavi. Tekst je u skladu s tim promijenjen.
