Mi a relativitáselmélet?

Albert Einstein sok mindenről híres volt, de a legnagyobb agyszüleménye a relativitáselmélet. Örökre megváltoztatta a tér és az idő megértését.

Mi a relativitáselmélet? Röviden megfogalmazva az a felfogás, hogy a fizika törvényei mindenhol ugyanazok. Mi itt a Földön ugyanazoknak a fény- és gravitációs törvényeknek engedelmeskedünk, mint valaki az univerzum egy távoli sarkában.

A fizika egyetemessége azt jelenti, hogy a történelem provinciális. A különböző szemlélők másképp látják az események időzítését és egymástól való távolságát. Ami számunkra egymillió év, az egy nagy sebességű rakétában repülő vagy egy fekete lyukba zuhanó ember számára csak egy szempillantás lehet.

Ez mind relatív.

Speciális relativitáselmélet

Einstein elmélete speciális és általános relativitáselméletre oszlik.

A speciális relativitáselmélet volt az első, és azon alapul, hogy a fény sebessége mindenki számára állandó. Ez elég egyszerűnek tűnhet, de messzemenő következményei vannak.

Einstein 1905-ben jutott erre a következtetésre, miután kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a fény sebessége nem változik, amikor a Föld a Nap körül kering.

Ez az eredmény meglepte a fizikusokat, mert a legtöbb más dolog sebessége attól függ, hogy a megfigyelő milyen irányban mozog. Ha az autónkkal a vasúti sínek mellett haladunk, a felénk közeledő vonat sokkal gyorsabbnak tűnik, mintha megfordulnánk, és ugyanabban az irányban követnénk.

Einstein szerint minden megfigyelő 186 000 mérföld per másodpercnek méri a fény sebességét, függetlenül attól, hogy milyen gyorsan és milyen irányban mozog.

Ez a tétel késztette Stephen Wright komikust arra, hogy megkérdezze: “Ha egy űrhajóban ülsz, amely fénysebességgel halad, és bekapcsolod a fényszórókat, történik valami?”

A válasz az, hogy a fényszórók normálisan bekapcsolnak, de csak az űrhajóban tartózkodó személy nézőpontjából. Valaki számára, aki kint áll és nézi, ahogy az űrhajó elrepül, úgy tűnik, hogy a fényszórók nem kapcsolnak be: fény jön ki, de az ugyanolyan sebességgel halad, mint az űrhajó.”

Ezek az ellentmondásos verziók azért merülnek fel, mert a vonalzók és az órák – az időt és a teret jelölő dolgok – nem ugyanazok a különböző megfigyelők számára. Ha a fénysebességet állandónak kell tartani, ahogy Einstein mondta, akkor az idő és a tér nem lehet abszolút; szubjektívnek kell lenniük.

Egy 100 láb hosszú űrhajó például, amely 99,99%-ban a fénysebességgel halad, egy helyhez kötött megfigyelő számára egy láb hosszúnak tűnik, de a fedélzeten tartózkodók számára a normál hosszúsága marad.

Még furcsább, hogy az idő annál lassabban telik, minél gyorsabban haladunk. Ha egy ikertestvér a száguldó űrhajóban elutazik egy távoli csillaghoz, majd visszatér, fiatalabb lesz, mint a Földön maradt nővére.

A tömeg is függ a sebességtől. Minél gyorsabban mozog egy tárgy, annál nagyobb tömegűvé válik. Valójában egyetlen űrhajó sem érheti el soha a fénysebesség 100%-át, mert tömege a végtelenségig nőne.

A tömeg és a sebesség közötti összefüggést gyakran a tömeg és az energia közötti összefüggésként fejezik ki: E=mc^2, ahol E az energia, m a tömeg és c a fénysebesség.

Általános relativitáselmélet

Einstein nem végzett azzal, hogy felborítsa az idő és a tér megértését. Tovább általánosította elméletét a gyorsulás bevonásával, és rájött, hogy ez eltorzítja az idő és a tér alakját.

A fenti példánál maradva: képzeljük el, hogy az űrhajó a hajtóművek beindításával felgyorsul. A fedélzeten lévők ugyanúgy a földhöz tapadnak, mintha a Földön lennének. Einstein azt állította, hogy az általunk gravitációnak nevezett erő megkülönböztethetetlen attól, hogy egy gyorsuló űrhajóban vagyunk.

Ez önmagában nem volt annyira forradalmi, de amikor Einstein kidolgozta a bonyolult matematikát (10 évébe telt), felfedezte, hogy a tér és az idő egy masszív tárgy közelében görbül, és ez a görbület az, amit mi gravitációs erőként tapasztalunk.

Nehéz elképzelni az általános relativitáselmélet görbült geometriáját, de ha a téridőt egyfajta szövetként gondoljuk el, akkor egy masszív tárgy úgy megnyújtja a környező szövetet, hogy minden, ami a közelben halad, már nem követ egyenes vonalat.

Az általános relativitáselmélet egyenletei számos jelenséget jósolnak meg, amelyek közül sokat meg is erősítettek:

• a fény elhajlását masszív objektumok körül (gravitációs lencsézés)
• a Merkúr bolygó pályájának lassú alakulását (perihélium precesszió)
• a téridő kerethúzódását forgó testek körül
• a gravitáció vonzása elől menekülő fény gyengülését (gravitációs vöröseltolódás)
• gravitációs hullámokat (fodrozódás a térben-időszövetben), amelyeket a kozmikus összecsapódások okoznak
• a fekete lyukak létezése, amelyek mindent csapdába ejtenek, beleértve a fényt is

A téridő görbülése egy fekete lyuk körül intenzívebb, mint bárhol máshol. Ha az űrhajós ikertestvér belezuhanna egy fekete lyukba, szétfeszülne, mint a spagetti.

Szerencséjére néhány másodperc alatt vége lenne az egésznek. De a földi testvére soha nem látná a végét – végignézné, ahogy szegény nővére az univerzum kora alatt fokozatosan közeledik a fekete lyuk felé.