Albert Einstein og afstæðiskenningin fyrir byrjendur
Árið 2023 er afstæðiskenning Albert Einsteins 118 ára.
Þrátt fyrir að flestir þekki til afstæðiskenningar Einsteins verða ansi margir þegjandalegir þegar kemur að því að útskýra hana.
Hér er afstæðiskenningin fyrir byrjendur.
Afstæðiskenning Einsteins útskýrir þversagnir eðlisfræðinnar
Afstæðiskenning Einsteins samanstendur í raun af tveim þáttum. Takmörkuðu afstæðiskenningunni frá 1905 og Almennu afstæðiskenningunni frá 1915.
Um miðja 19. öld uppgötvuðu menn náttúrufyrirbæri sem stríddu gegn þyngdarlögmáli Newtons, en fram til þess hafði það verið einn hornsteininn í eðlisfræði.
Margir vísindamenn unnu að því að útskýra þetta fyrirbæri, en það var Einstein sem á endanum hitti naglann á höfuðið.
Afstæðiskenning Einsteins reyndist veita lausnir á sumum þeirra fyrirbæra sem vísindamenn gátu ekki fengið til að passa saman við klassíska eðlisfræði.
Afstæðiskenning Einsteins sameinaði þrjá kennilega grunnþætti: Þyngdarlögmálið, rafsegulmagnið og varmafræðina.
Kraftaverkaárið 1905
Áður en Einstein náði fram niðurstöðum sínum neyddist hann til þess að endurskoða nokkrar almennt viðteknar hugmyndir innan fræðigreinarinnar.
Sú vinna hófst í upphafi 20. aldar og náði hámarki árið 1905 – en þetta ár var síðar þekkt sem kraftaverka ár Einsteins eða „annus mirabilis“.
Þetta ár birti Einstein fjórar mikilvægar greinar:
- Júní 1905: „On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light“. Greinin útskýrði áður óþekkta fyrirbærið „ljósröfun“ með tilkomu ljóseinda. Þessi grein Einsteins varð síðar til þess að hann hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1921.
- Júlí 1905: „On the Motion of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid“. Í þessari grein lýsir hann svonefndum Brown-hreyfingum, eða hvernig öreindir hreyfast í eðalgasi.
- September 1905: „On the Electrodynamics of Moving Bodies“. Fyrsti hluti afstæðiskenningarinnar. Hún varð síðar þekkt sem Takmarkaða afstæðiskenningin.
- Nóvember 1905: „Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content“. Næsti hluti afstæðiskenningar Einsteins, sem varðar afstæða orku, t.d. jöfnuna E = mc2.
Takmarkaða afstæðiskenningin
Jafna Alberts Einstein (E = mc2) segir í grunninn að orka (E) er jöfn massa (m) sinnum ljóshraða (c) í öðru veldi.
Í stuttu máli felur jafnan í sér að orka (E) og massi (m) geti skipt um stöðu. Orku má halda fastri í massa og eins er hægt að leysa hana úr læðingi síðar.
Þann 21. nóvember 1902 birtist vísindagrein Alberts Enstein með hinn víðfrægu jöfnu E = mc2.
Fyrir takmörkuðu afstæðiskenninguna vissu menn mætavel að umbreyta mætti „lofti“ í massa og öfugt.
Þetta má t.d. sjá þegar að efni ryðgar og síðan vegur það meira heldur en það gerði áður en það ryðgaði. Menn þekktu einnig til orku í formi varma og súrefnis. En menn greindu ekki samhengi milli þessara tveggja staðreynda.
En nú kom eitt og annað undarlegt fram á sjónarsviðið. Meðal annars höfðu hjónin Curie gert tilraun sem sýndi að sumar gerðir málma geta sent frá sér öreindir klukkustundum saman í marga mánuði. Hvernig slíkt gæti átt sér stað var hins vegar fullkomin ráðgáta.
Á þessu sviði kom Einstein fram með alveg nýja skýringu: Ljós. Eða réttara sagt ljóshraða (c).
Hraði ljóss ruglaði vísindamenn í ríminu.
Það getur verið erfitt að skilja hvernig hraði ljóssins geti haft áhrif á myndun massa og/eða orku. Lítum nú nánar á eiginleika ljóssins.
Áður en Albert Einstein birti greinar sínar töldu menn í vísindaheiminum að fyrirbæri eins og ljós og hljóð hreyfist ævinlega með hraða sem er hægt að minnka eða auka, allt eftir því hvar maður er staddur.
Menn töldu að ef maður væri á ferð í bíl á 50 km hraða og lýsir með vasaljósi þá hlyti ljósið að fara 50 km hraðar á klukkustund, en ef væri það væri lýst úr kyrrstöðu.
En undir lok 19. aldar gerðu eðlisfræðingarnir Albert Michelson og Edward Morley röð tilrauna sem sýndu að þrátt fyrir að maður ýti á eftir ljósi eða reyni að hægja á því, þá fer það hvorki hægar né hraðar.
LESTU EINNIG
Ljósið fer hraðar en allt
Albert Einstein taldi ennfremur að ljóshraði hlyti að vera fasti. Hann gekk út frá kenningum annars eðlisfræðings sem rannsakaði ljósið, nefnilega hins skoska James Clerk Maxwells.
Maxwell taldi að ljósgeisli hreyfist fram á við vegna þess að það myndast smávægilegt rafmagn sem með því að hreyfast áfram myndar segulsvið sem fylgir stefnunni eftir og myndar nýtt rafmagn, í eins konar höfrungahlaupi.
En Maxwell gat aldrei náð fullkomlega utanum hvernig ljós gæti hreyfst hraðar eða hægar.
Hér kom Einstein með nýja hugmynd til sögunnar, nefnilega þá að ljós fari alltaf á sama hraða, alveg óháð því hvort það er sent út frá föstum punkti eður ei.
Einstein sagði einnig að þar sem rafvirkninni er ævinlega þrýst fram á við af segulvirkninni sem myndast, muni það fara hraðar en allt sem á eftir kemur. Ljósbylgjur stökkva þannig strax af stað með hámarkshraða í alheimi.
Massi er stirðnuð orka.
Og hvað hefur ljóshraði þá að gera með massa og orku?
Ímyndaðu þér geimferju sem nálgast ljóshraða. Flugstjórinn heldur áfram að bæta orku í hreyflana, en það er bara ekki hægt að nota orkuna til að fara fram úr ljóshraða.
Á hinn bóginn getur orkan heldur ekki horfið. Þess í stað þrýstist hún saman í massa. Geimferjan bætir einfaldlega við sig þyngd. E (orka) verður að m (massa).
Sólin er öfugt dæmi. Á hverri sekúndu hverfa ótal tonn af vetni (massa) og umbreytast í orku í geislun hennar.
Allt efni á jörðinni er þannig „storknuð“ orka. Og eff það er hægt að leysa orkuna úr læðingi má segja að lítið pappírssnepill hafi möguleikann til að anna allri orkuþörf Íslendinga og gott betur.
En það er ekki auðvelt að losa þessa orku. Það eldsneyti sem við notum til að framleiða orku (t.d. bensín) leysir út einungis brotabrot af þeirri orku sem er bundið í eldsneytinu.
LESTU EINNIG
Tíminn er afstæður
Afstæðiskenning Einsteins sannar að ljósið hafi fastan hraða og hefur því áhrif á hvernig við skynjum tímann. Tíminn er afstæður og það að við skynjum tíma með mismunandi hætti kallast tímaþensla.
Tökum lítið dæmi um tímaþenslu:
Hér er myndskreytt dæmi um tímaþenslu innan Almennu afstæðiskenningarinnar. Fyrir geimfarann sem stendur utar mun leysigeislinn ferðast meiri vegalengd, þegar geimfarið fer áfram.
Að ljós hafi fastan hraða hefur áhrif á skilning okkar á tíma. Þegar að tvö geimskip senda frá sér ljósblik í átt til jarðar fer ljósið með sama hraða frá báðum geimskipum.
En ef annað geimskipið er kyrrstætt, en hitt hreyfist í sömu átt og ljósið, mun verða munur á því hve langan tíma það tekur ljósið að ná til jarðar. Það ræðst af því í hvoru geimfarinu maður er staddur. Í kyrrstæða geimfarinu mun tíminn ganga hraðar en um borð í geimfarinu sem er á ferð.
Það getur verið örðugt að skilja þetta, enda erum við ekkert vön að hreyfast á hraða sem er nærri hraða ljóssins. Sá hraði sem við hreyfumst á hér á jörðinni er svo óendanlega lítill að við skynjum ekki breytingar á tímanum.
En tíminn er afstæður, ólíkt ljóshraða, sem er jú fasti.
Myndband: Útskýring á afstæðum tíma
Tvíburaþverstæðan
Afstæður tími er oft útskýrður með tvíburum þar sem annar heldur í ferðalag til stjörnu í margra ljósára fjarlægð meðan hinn er áfram staddur á jörðinni.
Ferðalag geimfaratvíburans fer fram á nærri ljóshraða og eins og við sáum áður mun tíminn líða hægar fyrir þann tvíbura sem er á ferð, en hinn sem „stendur kyrr“ á jörðinni.
Þar sem tíminn líður hægar fyrir ferðalanginn, miðað við þann jarðbundna mun geimfaratvíburinn eldast mun hægar. Í reynd mun viðkomandi vera fjölmörgum árum yngri þegar hann snýr aftur heim heldur en tvíburi hans.
Myndband: Útskýring á afstæði og tvíburaþverstæðunni
Bandaríski stjarneðlisfræðingurinn Neil deGrasse Tyson útskýrir afstæði og tvíburaþverstæðuna.
Næsta skref: Almenna afstæðiskenningin
Næsta áratug eftir að hafa birt takmörkuðu afstæðiskenningu sína vann Einstein að því að innlima þyngdarkraftinn í kenningar sínar.
Árangurinn leiddi af sér gjörbreytta eðlisfræði sem og skilning manna á þyngdarkrafti.
Samkvæmt Einstein geta þung fyrirbæri breytt tímarúminu. Í stað þess að líta á þyngdarkraft sem afleiðingu massa sem togar í massa – rétt eins og Newton gerði – stakk Einstein upp á að geimurinn sveigist í kringum fyrirbæri með breytilega þyngd.
Gott dæmi um þetta felst í að ímynda sér fallbyssukúlu á trampólíni.
Fallbyssukúlan myndar geil í gúmmídúkinn á trampólíninu og setji maður golfbolta nálægt kúlunni mun hann rúlla í átt að henni. Í stað þess að massi togi til sín massa fylgja sum fyrirbæri þannig bara sveigju rúmsins.
Afstæðiskenningin sýnir hvernig ofurþung fyrirbæri sveigja tímarúmið eins og fallbyssukúla á trampólíni, sem togar í golfbolta.
LESTU EINNIG
Í dæminu mun golfbolti á mikilli ferð hringa fallbyssukúluna þar til hann rekst á hana að lokum.
Og það er einmitt það sem á sér stað með plánetur á brautum um mjög þung fyrirbæri eins og t.d. svarthol. Fyrst fara þær á sporbraut en verða síðan „gleyptar“.
Ljós eða tími, sem ekki hefur nokkurn massa, mun þannig sveigjast umhverfis fyrirbærið og halda áfram hinum megin við það – svo framarlega sem sveigjan sé svo mikil að ljósið geti farið á sporbraut og með þeim hætti ekki sloppið undan hinum megin við fyrirbærið (svarthol).
Því stærri sem breytileikinn er í þyngdarkraftinum, þess meiri verður sveigjan.
Þetta fól afstæðiskenning Einsteins í sér
Hugmyndir Einsteins ollu byltingu í eðlisfræðinni. En af hverju?
Útskýring Newtons á þyngdarkrafti sem verður til af fyrirbærum sem toga hvert í annað var með sínum hætti afar einföld og skýr.
Hér á jörðu förum við öll með sama hraða sem hnötturinn og sólkerfið snúast með. Þess vegna finnst okkur eins og að við stöndum kyrr.
Sá breytileiki sem við upplifum þegar ein manneskja stendur grafkyrr og önnur ekur í bíl er því svo lítil að munurinn á tíma er ekki nokkuð sem við getum skynjað eða uppgötvað.
Þar sem við höfum öll nánast sama skilning á hraða og tíma hvar sem er á jörðinni þá dugar kenning Newtons um þyngdarkraftinn ágætlega til að skilja heiminn.
En úti í geimnum, þar sem fjarlægðir eru gríðarlega miklar og himintunglin ógnarþung og á mikilli ferð hvert miðað við annað, er sagan allt önnur.
Án afstæðiskenningar væri GPS gagnslaust.
Almenna afstæðiskenningin skiptir miklu máli um það hvernig við skiljum geiminn og alheiminn. Kenningin um Miklahvell hefði sem dæmi aldrei komið fram án afstæðiskenningar Einsteins.
En afstæðiskenning Einsteins varðar einnig hversdagslegri fyrirbæri.
Eitt dæmi er GPS-kerfi sem getur greint stöðu okkar á jörðu með nákvæmni sem nemur fáeinum metrum.
GPS – tæki frá upplýsingar frá gervihnöttum sem eru á fastri sporbraut um jörðu. Standi maður á tilteknum stað á jörðinni leitar GPS eftir staðsetningu gervihnattanna á nákvæmlega þeim tíma.
Tvö atriði skipta hér máli. Í fyrsta lagi fara gervihnettirnir hraðar miðað við það hvíldarástand sem við upplifum þegar við erum á jörðinni. Og tíminn um borð í gervihnetti líður því sjö míkrósekúndum hægar en á jörðinni.
En þyngdarsviðið skiptir einnig máli. Gervihnettirnir eru staddir í 20.000 km fjarlægð frá jörðu.
Þar er þyngdarkrafturinn fjórum sinnum minni en á yfirbrorði jarðar og það felur í sér að tíminn líður 45 míkrósekúndum hraðar. Sé leiðrétt með hliðsjón af þessum tveimur tölum þá líður tíminn því 38 míkrósekúndum hraðar um borð í gervihnetti.
Það virðist nú ekki vera mikið, en ef maður umreiknar þetta yfir í miklar fjarlægðir mun 38 míkrósekúndna tímamunur fela í sér ónákvæmni sem nemur næstum 11 km á dag.
Ef menn þekktu ekki til afstæðiskenningar Einsteins og gætu þannig ekki leiðrétt þennan tímamun, væri GPS – kerfið gagnslaust.
Afstæðiskenningin er ekki endilega fullsönnuð
Þetta undursamlega verk Einsteins var fyrst og fremst af fræðilegum toga og hann eyddi ekki miklum tíma til að sanna hugmyndir sínar með dæmum.
En þá voru aðrir sem gerðu það.
Árið 1919 var gerð ein tilraun sem sannaði að Einstein hafði rétt fyrir sér hvað varðar það að ljós sveigist vegna tímarúmsins.
Aðrir þættir í afstæðiskenningu Einsteins hafa verið sannaðir nú um aldamótin, m.a. í tilraunastöðinni CERN í Sviss.
Engu að síður fyrirfinnast ennþá nokkrir undirþættir í afstæðiskenningu Einsteins sem er ekki endilega búið að sanna.
Þess fleiri tilraunir sem passa við allt það sem kenningin segir fyrir um, því meiri styrk öðlast kenningin.
Hundrað árum eftir að Albert Einstein gaf út afstæðiskenningu sína er kenningin (ásamt skammtafræðinni) besta útskýring á því hvernig eðlisfræðin í alheimi er skrúfuð saman.
