Teorie relativity, tehdy a teď

"Jsem vyčerpaný. Ale úspěch je skvělý."

Související obsah

• Matematik Emmy Noether by měl být vaším hrdinou

Bylo to před sto lety letos v listopadu a Albert Einstein si užíval vzácný okamžik spokojenosti. Dny dříve, 25. listopadu 1915, se vydal na pódium na Pruské akademii věd v Berlíně a prohlásil, že konečně dokončil svou trýznivou, desetiletou výpravu k novému a hlubšímu pochopení gravitace. Obecná teorie relativity, tvrdil Einstein, byla nyní úplná.

Měsíc, který vedl k historickému oznámení, byl nejinteligentnějším a nejúžasnějším obdobím jeho života. Vyvrcholilo Einsteinovou radikálně novou vizí souhry prostoru, času, hmoty, energie a gravitace, což je čin, který je obecně považován za jeden z největších intelektuálních úspěchů lidstva.

V té době slyšely zvuky obecné relativity jen coterie myslitelů na okraji esoterické fyziky. Ale ve století od té doby se Einsteinův mozek stal spojnicí pro celou řadu základních otázek, včetně původu vesmíru, struktury černých děr a sjednocení přírodních sil a teorie byla také využita pro více aplikovaných úkolů jako je hledání extrasolárních planet, určení hmotnosti vzdálených galaxií a dokonce vedení trajektorií nezvyklých řidičů automobilů a balistických raket. Obecná relativita, kdysi exotický popis gravitace, je nyní mocným výzkumným nástrojem.

Pátrání po gravitaci začalo dlouho před Einsteinem. Během moru, který zpustošil Evropu v letech 1665 až 1666, Isaac Newton ustoupil ze svého postu na univerzitě v Cambridge, uchýlil se do domu své rodiny v Lincolnshiru a ve svých nečinných hodinách si uvědomil, že každý objekt, ať už na Zemi nebo na nebi, táhne se jeden na druhého silou, která závisí pouze na tom, jak velké jsou objekty - jejich hmotnost - a jak daleko jsou od sebe v prostoru - jejich vzdálenost. Školní děti na celém světě se naučily matematickou verzi Newtonova zákona, který učinil tak velkolepě přesné předpovědi pro pohyb všeho od házených skal po obíhající planety, že se zdálo, že Newton napsal poslední slovo o gravitaci. Ale neudělal to. A Einstein byl první, kdo si toho byl jist.

**********

V roce 1905 objevil Einstein zvláštní teorii relativity a vytvořil slavný diktát, že nic - žádný objekt ani signál - nemůže cestovat rychleji než rychlost světla. A v tom leží rub. Podle Newtonova zákona, pokud třeseš Slunce jako kosmická maraca, gravitace způsobí i okamžité otřesení Země. To znamená, že Newtonův vzorec znamená, že gravitace okamžitě uplatňuje svůj vliv z jednoho místa na druhé. To není jen rychlejší než světlo, je to nekonečné.

Relativita: Speciální a obecná teorie

Toto hezké vydání Einsteinovy ​​slavné knihy, publikované na sté výročí obecné relativity, umisťuje dílo do historického a intelektuálního kontextu a zároveň poskytuje neocenitelný pohled do jedné z největších vědeckých myslí všech dob.

Einstein by nic z toho neměl. Určitě musí existovat propracovanější popis gravitace, takový, ve kterém gravitační vlivy nepřevyšují světlo. Einstein se věnoval hledání. A aby to udělal, uvědomil si, že bude muset odpovědět na zdánlivě základní otázku: Jak funguje gravitace? Jak se Slunce natáhne přes 93 milionů mil a působí gravitačním tahem na Zemi? Pro známější tahy každodenního zážitku - otevírání dveří, odvíjení láhve vína - je mechanismus zjevný: Existuje přímý kontakt mezi vaší rukou a předmětem, který zažívá tah. Ale když Slunce táhne na Zemi, tento tah se vyvíjí napříč vesmírem - prázdný prostor. Neexistuje žádný přímý kontakt. Jaká neviditelná ruka je při práci při dražbě?

Sám Newton zjistil, že tato otázka je hluboce záhadná, a nabídl, že jeho vlastní neschopnost zjistit, jak gravitace uplatňuje svůj vliv, znamenala, že jeho teorie, byť úspěšná, její předpovědi, byla jistě neúplná. Přesto více než 200 let Newtonovo přiznání nebylo ničím jiným než přehlédnutou poznámkou pod čarou k teorii, která se jinak shodovala s pozorováním.

V roce 1907 Einstein začal vážně pracovat na zodpovězení této otázky; do roku 1912 se stala jeho posedlostí na plný úvazek. A v této hrstce let Einstein zasáhl klíčový koncepční průlom, který lze snadno vyjádřit tak snadno, jak je obtížné pochopit: Pokud mezi Sluncem a Zemí není nic jiného než prázdný prostor, musí jejich vzájemný gravitační tah působit vesmírem. sám. Ale jak?

Einsteinova odpověď, najednou krásná a tajemná, je taková, že hmota, jako je Slunce a Země, způsobuje zakřivení prostoru kolem něj a výsledný pokřivený tvar prostoru ovlivňuje pohyb ostatních těl, která procházejí kolem.

Zde je způsob, jak o tom přemýšlet. Představte si přímou trajektorii následovanou mramorem, který jste převálcovali na ploché dřevěné podlaze. Nyní si představte, jak mramor naklánět na dřevěnou podlahu, která byla pokřivená a zkroucená povodní. Mramor nebude následovat stejnou přímou trajektorii, protože bude takhle zasažen a to zakřivenými konturami podlahy. Stejně jako s podlahou, tak s prostorem. Einstein si představil, že zakřivené obrysy vesmíru by se dotkly baseballového baseballu, který sleduje jeho známou parabolickou cestu, a přiměje Zemi, aby dodržovala obvyklou eliptickou oběžnou dráhu.

Byl to dechberoucí skok. Do té doby byl vesmír abstraktní pojem, druh kosmického kontejneru, nikoli hmotná entita, která by mohla ovlivnit změnu. Ve skutečnosti byl skok ještě větší. Einstein si uvědomil, že čas se může také deformovat. Intuitivně si všichni představujeme, že hodiny, bez ohledu na to, kde jsou umístěny, tikají stejnou rychlostí. Ale Einstein navrhl, že blížící se hodiny jsou k masivnímu tělu, jako je Země, tím pomaleji budou tikat, což odráží překvapující vliv gravitace na samotný čas. A stejně jako prostorová deformace může zatlačit trajektorii objektu, a to i pro časovou: Einsteinova matematika navrhla, aby se objekty přitahovaly k místům, kde čas plyne pomaleji.

Einsteinovo radikální přepracování gravitace, pokud jde o tvar prostoru a času, mu však nestačilo na to, aby získal vítězství. Potřeboval rozvinout myšlenky do prediktivního matematického rámce, který by přesně popsal choreografii tancovanou prostorem, časem a hmotou. I pro Alberta Einsteina se to ukázalo jako monumentální výzva. V roce 1912, když se snažil vymodelovat rovnice, napsal kolegovi, že „Nikdy předtím jsem v životě nic takového neučil.“ Ještě o rok později, když pracoval v Curychu s matematicky naladěnějším kolegou Marcelem Grossmannem, Einstein se nepřekonatelně přiblížil odpovědi. Díky výsledkům z poloviny 18. století, které poskytovaly geometrický jazyk pro popis zakřivených tvarů, vytvořil Einstein zcela nový, avšak zcela důsledný přeformulování gravitace z hlediska geometrie prostoru a času.

Ale pak se všechno zdálo, že se zhroutilo. Při zkoumání svých nových rovnic se Einstein dopustil osudové technické chyby, což ho přimělo myslet si, že jeho návrh nedokázal správně popsat všechny druhy běžného pohybu. Dva dlouhé, frustrující roky se Einstein zoufale pokusil problém napravit, ale nic nefungovalo.

Einstein, vytrvalý, jak přicházejí, zůstal nedotčen a na podzim roku 1915 konečně viděl cestu vpřed. Do té doby byl profesorem v Berlíně a byl uveden do Pruské akademie věd. Přesto měl na ruce čas. Jeho odcizená manželka Mileva Maric konečně uznala, že její život s Einsteinem skončil, a se svými dvěma syny se vrátil do Curychu. Ačkoli stále napjaté rodinné vztahy těžce působily na Einsteina, toto uspořádání mu také umožnilo volně sledovat jeho matematické pokusy, nerušeně ve dne i v noci, v tiché samotě jeho neúrodného berlínského bytu.

V listopadu tato svoboda přinesla ovoce. Einstein opravil svou dřívější chybu a vydal se na poslední stoupání směrem k obecné teorii relativity. Ale jak intenzivně pracoval na jemných matematických detailech, podmínky se nečekaně zradily. Před několika měsíci se Einstein setkal s renomovaným německým matematikem Davidem Hilbertem a sdílel veškeré své myšlení o své nové gravitační teorii. Zjevně se Einstein dozvěděl ke svému zděšení, setkání tak vyvolalo Hilbertův zájem, že nyní závodil s Einsteinem až do cíle.

Série pohlednic a dopisů, které si tito dva vyměnili během listopadu 1915, dokumentuje srdečné, ale intenzivní soupeření, když se každý uzavřel v obecných rovnicích relativity. Hilbert považoval za spravedlivou hru usilovat o otevření slibné, ale dosud nedokončené teorie gravitace; Einstein považoval Hilberta za neskutečně špatnou formu, aby se svalil na své samostatné výpravě tak blízko summitu. Kromě toho si Einstein úzkostlivě uvědomil, že Hilbertovy hlubší matematické rezervy představovaly vážnou hrozbu. Bez ohledu na jeho roky tvrdé práce by se Einstein mohl nabrat.

Obava byla opodstatněná. V sobotu 13. listopadu Einstein obdržel pozvání od Hilberta, aby se k němu připojil v Göttingenu příští úterý, aby se „velmi podrobně“ naučil „řešení vašeho velkého problému“. "Musím se na chvíli zdržet cestování do Göttingenu a musím trpělivě čekat, až budu moci svůj systém prostudovat z tištěného článku;" protože jsem unavený a sužovaný kromě bolesti žaludku. “

Ale ten čtvrtek, když Einstein otevřel svou poštu, byl konfrontován Hilbertovým rukopisem. Einstein okamžitě odepsal, sotva maskoval své podráždění: „Systém, který poskytujete, souhlasí - pokud vidím - přesně s tím, co jsem našel v posledních několika týdnech a představil Akademii.“ Einstein svému příteli Heinrichovi Zanggerovi svěřil "Podle mé osobní zkušenosti jsem se nenaučil o ničivějším lidském druhu jako při této teorii ...."

O týden později, 25. listopadu, Einstein přednášel tichému publiku na Pruské akademii, odhalil finální rovnice představující obecnou teorii relativity.

Nikdo neví, co se stalo během posledního týdne. Přišel Einstein s konečnými rovnicemi sám, nebo poskytl Hilbertův dokument nezávaznou pomoc? Obsahoval Hilbertův návrh správnou formu rovnic, nebo vložil Hilbert tyto rovnice, inspirované Einsteinovou prací, do verze článku, který Hilbert o měsíc později zveřejnil? Zápletka se prohloubí, až se dozvíme, že klíčová část důkazů o Hilbertově papíře, která by mohla vyřešit otázky, byla doslova odříznuta.

Nakonec Hilbert udělal správnou věc. Uznal, že ať už byla jeho role při katalyzování konečných rovnic jakákoli, mohla být Einsteinovi právem připisována obecná teorie relativity. A tak to bylo. Hilbert se také prosadil, protože technický, ale zvláště užitečný způsob vyjádření rovnic obecné relativity nese jména obou mužů.

Kredit by samozřejmě měl cenu jen tehdy, kdyby byla obecná teorie relativity potvrzena pozorováním. Je pozoruhodné, že Einstein viděl, jak se to dá udělat.

**********

Obecná relativnost předpovídala, že paprsky světla vyzařované vzdálenými hvězdami se budou pohybovat po zakřivených trajektoriích, když procházejí pokřivenou oblastí poblíž Slunce na cestě k Zemi. Einstein použil nové rovnice k upřesnění - vypočítal matematický tvar těchto zakřivených trajektorií. Ale pro testování predikce by astronomové museli vidět vzdálené hvězdy, zatímco Slunce je v popředí, a to je možné pouze tehdy, když Měsíc během zatmění Slunce blokuje sluneční světlo.

Příští zatmění Slunce, 29. května 1919, by tedy bylo průkazem obecné relativity. Týmy britských astronomů, vedené Sirem Arthurem Eddingtonem, založily obchod na dvou místech, kde by došlo k úplnému zatmění Slunce - v Sobralu v Brazílii a na Príncipe u západního pobřeží Afriky. Každý tým bojoval s výzvami počasí a pořídil sérii fotografických desek vzdálených hvězd, které byly na okamžik viditelné, když se Měsíc pohyboval přes Slunce.

Během následujících měsíců pečlivé analýzy obrázků Einstein trpělivě čekal na výsledky. Nakonec, 22. září 1919, Einstein obdržel telegram oznamující, že pozorování zatmění potvrdilo jeho předpověď.

Noviny po celém světě zachytily tento příběh, s bezdechými titulky, které prohlásily Einsteinův triumf a katapultovaly ho přes noc do celosvětového pocitu. Uprostřed celého vzrušení se mladý student Ilse Rosenthal-Schneider zeptal Einsteina, co by si myslel, kdyby pozorování nesouhlasila s predikcí obecné relativity. Einstein skvěle odpověděl s okouzlujícím bravádem: „Byl bych líto drahému Pánu, protože teorie je správná.“

Opravdu, v desetiletích od měření zatmění došlo k velkému množství dalších pozorování a experimentů - některé probíhají -, které vedly k pevné solidní důvěře v obecnou relativitu. Jedním z nejpůsobivějších je observační test, který proběhl téměř 50 let, mezi nejdelšími projekty NASA. Obecná relativita tvrdí, že jako tělo jako Země se točí na jeho ose, mělo by přetahovat prostor kolem ve víru poněkud jako točící se oblázek v kbelíku melasy. Na počátku šedesátých let stanovili Stanfordští fyzici plán pro testování predikce: Spusťte čtyři ultra přesné gyroskopy na orbitu blízkou Zemi a hledejte drobné posuny v orientaci os gyroskopů, které by podle teorie měly být způsobeny vířící prostor.

Trvalo generaci vědeckého úsilí vyvinout nezbytnou gyroskopickou technologii a poté roky analýzy dat, aby se mimo jiné překonal nešťastný výkyv gyroskopů získaných ve vesmíru. V roce 2011 však tým za gravitační sondou B, jak je projekt znám, oznámil, že experiment v půlstoletí dosáhl úspěšného závěru: Osy gyroskopů se otáčely podle předpokládané Einsteinovy ​​matematiky.

Zbývá ještě jeden experiment, v současnosti více než 20 let, který mnozí považují za závěrečný test obecné teorie relativity. Podle teorie vytvoří dva kolizní objekty, ať už jsou to hvězdy nebo černé díry, vlny ve struktuře vesmíru, stejně jako dva kolizní lodě na jinak klidném jezeře vytvoří vlny vody. A jak se takové gravitační vlny vlní směrem ven, prostor se bude rozšiřovat a stahovat se v jejich brázdě, poněkud jako koule těsta střídavě napnutá a stlačená.

Na začátku 90. let zahájil tým vedený vědci z MIT a Caltech výzkumný program pro detekci gravitačních vln. Výzva, a je to velká, spočívá v tom, že pokud dojde k bouřlivému astrofyzikálnímu setkání daleko, pak se v době, kdy se výsledné prostorové vlnění omývají Zemí, rozšíří natolik, že budou fantasticky zředěny, možná natáhnou a zkomprimují prostor pouze zlomek atomového jádra.

Vědci přesto vyvinuli technologii, která by mohla být schopna vidět drobné výmluvné znaky zvlnění v látce prostoru, jak se točí po Zemi. V roce 2001 byla v Livingstonu ve státě Louisiana a ve městě Hanford ve Washingtonu rozmístěna dvě čtyřkilometrová zařízení ve tvaru písmene L, souhrnně známá jako LIGO (Gravitational-Wave Observatory). Strategie spočívá v tom, že procházející gravitační vlna by se střídavě protahovala a komprimovala obě ramena každého L a zanechávala otisk laserového světla, které závodí nahoru a dolů každou ruku.

V roce 2010 byl LIGO vyřazen z provozu, než byly detekovány jakékoli podpisy gravitačních vln - přístroji téměř jistě chyběla citlivost nezbytná k zaznamenání malých škubnutí způsobených gravitační vlnou dopadající na Zemi. Nyní se však zavádí pokročilá verze LIGO, která by měla být desetkrát tak citlivá, a vědci předpokládají, že během několika let bude detekce vln v prostoru způsobená vzdálenými kosmickými poruchami běžná.

Úspěch by byl vzrušující ne proto, že by někdo skutečně pochyboval o obecné relativitě, ale protože potvrzené propojení mezi teorií a pozorováním může přinést nové výkonné aplikace. Například měření zatmění z roku 1919, které prokázalo, že gravitace ohýbá trajektorii světla, inspirovalo úspěšnou techniku, která se nyní používá pro nalezení vzdálených planet. Když takové planety projdou před jejich hostitelskými hvězdami, mírně zaostří světlo hvězdy a způsobí vzorec rozjasnění a stmívání, který mohou astronomové detekovat. Podobná technika také umožnila astronomům měřit hmotnost jednotlivých galaxií pozorováním toho, jak vážně narušují trajektorii světla emitovaného ještě vzdálenějšími zdroji. Dalším známým příkladem je globální polohovací systém, který se spoléhá na Einsteinovo zjištění, že gravitace ovlivňuje plynutí času. GPS zařízení určuje svou polohu změřením doby cestování signálů přijatých z různých obíhajících satelitů. Bez zohlednění vlivu gravitace na dobu, která uplyne na satelitech, by systém GPS nedokázal správně určit polohu objektu, včetně vašeho auta nebo řízené střely.

Fyzici se domnívají, že detekce gravitačních vln má schopnost generovat vlastní aplikaci nesmírně důležité: nový přístup k observační astronomii.

Od doby Galileo jsme dalekohledy otočili k nebi, abychom shromáždili světelné vlny emitované vzdálenými objekty. Další fáze astronomie se může velmi dobře soustředit na shromažďování gravitačních vln produkovaných vzdálenými kosmickými otřesy, což nám umožňuje zkoumat vesmír zcela novým způsobem. To je obzvláště vzrušující, protože vlny světla nemohly proniknout do plazmy, která vyplnila prostor, až několik set tisíc let po Velkém třesku - ale gravitační vlny mohly. Jednoho dne tak můžeme použít gravitaci, ne světlo, jako naši nejvíce pronikající sondu nejranějších okamžiků vesmíru.

Protože vlny gravitace vlní prostor poněkud jako vlny vlnění zvuku vzduchem, vědci hovoří o „naslouchání“ gravitačních signálů. Přijetí této metafory, jak úžasné si lze představit, že druhé sté výročí obecné relativity může být důvodem pro to, aby fyzici oslavili, že konečně uslyší zvuky stvoření.

Poznámka pro editory, 29. září 2015: Předchozí verze tohoto článku nepřesně popisovala fungování systémů GPS. Text byl odpovídajícím způsobem změněn.