Relativitetsteorien, derefter og nu

”Jeg er udmattet. Men succesen er strålende.”

Relateret indhold

• Matematiker Emmy Noether burde være din helt

Det var hundrede år siden i november, og Albert Einstein nød en sjælden tilfredshed. Dage tidligere, den 25. november 1915, havde han taget scenen på det prøyssiske videnskabsakademi i Berlin og erklæret, at han omsider havde afsluttet sin irriterende, årtiers lange ekspedition til en ny og dybere forståelse af tyngdekraften. Den generelle relativitetsteori, hævdede Einstein, var nu komplet.

Den måned, der gik op til den historiske meddelelse, havde været den mest intellektuelt intense og angstredede periode i hans liv. Det kulminerede med Einsteins radikalt nye vision om samspillet mellem rum, tid, stof, energi og tyngdekraft, en bragd, der i vid udstrækning var æret som en af ​​menneskets største intellektuelle resultater.

På det tidspunkt blev den generelle relativitetens brummer kun hørt af et koteri af tænkere i udkanten af ​​den esoteriske fysik. Men i århundrede siden er Einsteins hjernehane blevet nexusen for en lang række grundlæggende spørgsmål, herunder universets oprindelse, sorte hulers struktur og enhed af naturens kræfter, og teorien er også blevet udnyttet til mere anvendte opgaver såsom at søge efter ekstrasolære planeter, bestemme massen af ​​fjerne galakser og endda styre bane for ulykkelige bilchauffører og ballistiske missiler. Generel relativitet, som engang var en eksotisk beskrivelse af tyngdekraften, er nu et stærkt forskningsredskab.

Jakten på at forstå tyngdekraften begyndte længe før Einstein. Under den pest, der herjet i Europa fra 1665 til 1666, trak Isaac Newton sig tilbage fra sin stilling ved University of Cambridge, tog tilflugt i sin families hjem i Lincolnshire og indså i sine ledige timer, at enhver genstand, hvad enten det var på Jorden eller i himlen, trækker på hinanden med en kraft, der udelukkende afhænger af, hvor store genstande er - deres masse - og hvor langt fra hinanden de er i rummet - deres afstand. Skolebørn overalt i verden har lært den matematiske version af Newtons lov, der har lavet så spektakulært nøjagtige forudsigelser for bevægelsen af ​​alt fra kastede klipper til kredsende planeter, at det så ud til, at Newton havde skrevet det sidste ord om tyngdekraften. Men det havde han ikke gjort. Og Einstein var den første, der blev sikker på dette.

**********

I 1905 opdagede Einstein den specielle relativitetsteori og etablerede det berømte diktum om, at intet - intet objekt eller signal - kan rejse hurtigere end lysets hastighed. Og deri ligger gniden. I henhold til Newtons lov, hvis du ryster solen som en kosmisk maraca, vil tyngdekraften medføre, at Jorden straks også ryste. Det vil sige, at Newtons formel indebærer, at tyngdekraften øjeblikkeligt udøver sin indflydelse fra et sted til et andet. Det er ikke kun hurtigere end lys, det er uendeligt.

Relativitet: Den specielle og den generelle teori

Denne smukke udgave af Einsteins berømte bog, der blev offentliggjort på hundredeårsdagen for den generelle relativitet, placerer værket i historisk og intellektuel sammenhæng og giver uvurderlig indsigt i et af de største videnskabelige sind gennem tidene.

Einstein ville ikke have noget af det. Der må helt sikkert findes en mere raffineret beskrivelse af tyngdekraften, hvor gravitationspåvirkninger ikke overskrider lyset. Einstein dedikerede sig til at finde det. Og for at gøre det, indså han, at han skulle svare på et tilsyneladende grundlæggende spørgsmål: Hvordan fungerer tyngdekraften? Hvordan når Solen ud over 93 millioner miles og udøver et tyngdekrafttræk på Jorden? For de mere kendte træk i hverdagens oplevelse - åbning af en dør, udkorkning af en vinflaske - er mekanismen åbenbar: Der er direkte kontakt mellem din hånd og genstanden, der oplever trækningen. Men når solen trækker på jorden, udøves dette træk over rummet - tomt rum. Der er ingen direkte kontakt. Så hvilken usynlig hånd er der på arbejdet, der udfører gravitationens bud?

Newton selv fandt dette spørgsmål dybt forvirrende og frivilligt, at hans egen manglende identifikation af, hvordan tyngdekraften udøver dens indflydelse, betød, at hans teori, uanset hvor vellykket dens forudsigelser, var helt ufuldstændig. Alligevel i over 200 år var Newtons optagelse intet andet end en overset fodnote til en teori, som ellers blev enige om i stedet for observationer.

I 1907 begyndte Einstein at arbejde for at besvare dette spørgsmål; i 1912 var det blevet hans besættelse på fuld tid. Og inden for den håndfulde år ramte Einstein et vigtigt konceptuelt gennembrud, så simpelt at angive, som det er udfordrende at forstå: Hvis der ikke er andet end tomt rum mellem Solen og Jorden, skal deres gensidige tyngdekraft udøves af rummet sig selv. Men hvordan?

Einsteins svar, på en gang smukt og mystisk, er, at sagen, som solen og jorden, får rummet omkring det til at krumme, og den resulterende skæve form af rum påvirker bevægelsen af ​​andre kroppe, der passerer.

Her er en måde at tænke på. Forestil dig den rette bane efterfulgt af en marmor, du har rullet på et fladt trægulv. Forestil dig nu at rulle marmoren på et trægulv, der er snoet og snoet af en oversvømmelse. Marmoren følger ikke den samme rette bane, fordi den bliver dybt på denne måde og den ved gulvets buede konturer. Meget som med gulvet, så med plads. Einstein forestillede sig, at de buede konturer af rummet ville skubbe en kæmpet baseball til at følge dens velkendte paraboliske sti og lokke jorden til at holde sig til sin sædvanlige elliptiske bane.

Det var et betagende spring. Indtil da var rummet et abstrakt begreb, en slags kosmisk beholder, ikke en håndgribelig enhed, der kunne påvirke ændringer. Faktisk var springet stadig større. Einstein indså, at tiden også kunne fordreje. Intuitivt forestiller vi os alle, at ure, uanset hvor de befinder sig, krydser i samme takt. Men Einstein foreslog, at de nærmere ure er til en massiv krop, ligesom Jorden, jo langsommere de vil krydser, hvilket afspejler en overraskende tyngdekraftig indflydelse på selve tiden. Og ligesom et rumligt varp kan skubbe et objekts bane, så også for en tidsmæssig en: Einsteins matematik antydede, at objekter trækkes mod steder, hvor tiden går langsommere.

Alligevel var Einsteins radikale omarbejdning af tyngdekraften med hensyn til formen af ​​rum og tid ikke nok til at han kunne kræve sejr. Han var nødt til at udvikle ideerne til en forudsigelig matematisk ramme, der præcist ville beskrive koreografien, der blev danset af rum, tid og stof. Selv for Albert Einstein viste det sig at være en monumental udfordring. I 1912, hvor han kæmpede for at forme ligningerne, skrev han til en kollega, at "Aldrig før i mit liv har jeg plaget mig noget lignende." Alligevel bare et år senere, mens jeg arbejdede i Zürich med sin mere matematisk afstemte kollega Marcel Grossmann, Einstein kom fristende tæt på svaret. Udnyttelse af resultater fra midten af ​​1800-tallet, der leverede det geometriske sprog til at beskrive buede former, skabte Einstein en helt ny, men alligevel fuldstændig streng reformulering af tyngdekraften med hensyn til geometrien i rum og tid.

Men så syntes det hele at kollapse. Mens han undersøgte sine nye ligninger begik Einstein en skæbnesvangert teknisk fejl, hvilket førte til, at han troede, at hans forslag ikke korrekt beskrev alle slags almindelige bevægelser. I to lange, frustrerende år prøvede Einstein desperat at løse problemet, men intet virkede.

Einstein, vedholdende, når de kommer, forblev ubundet, og i efteråret 1915 så han endelig vejen frem. På det tidspunkt var han professor i Berlin og var blevet indført i det prøyssiske videnskabsakademi. Alligevel havde han tid på hænderne. Hans fremmedgjorte kone, Mileva Maric, accepterede endelig, at hendes liv med Einstein var forbi, og var flyttet tilbage til Zürich med deres to sønner. Selvom de stadig mere anstrengte familierelationer vejer tungt på Einstein, lod arrangementet ham også frit følge hans matematiske længe, ​​uforstyrret dag og nat, i den stille ensomhed i hans karrige Berlin-lejlighed.

I november bar denne frihed frugt. Einstein korrigerede sin tidligere fejl og begyndte på den sidste stigning mod den generelle relativitetsteori. Men da han arbejdede intenst med de fine matematiske detaljer, blev forholdene uventet forræderiske. Et par måneder tidligere havde Einstein mødt den berømte tyske matematiker David Hilbert og havde delt alle sine tanker om sin nye tyngdekrappe. Tilsyneladende lærte Einstein til sin forfærdelse, at mødet havde så stødt Hilberts interesse, at han nu kørte Einstein til målstregen.

En række postkort og breve, som de to udvekslede i hele november 1915, dokumenterer en hjertelig, men intens rivalitet, som hver lukkede ind for den generelle relativitetens ligninger. Hilbert betragtede det som fair spil at forfølge en åbning i en lovende, men endnu ikke afsluttet tyngdekraftteori; Einstein anså det forfærdeligt dårlig form for Hilbert at muskulere ind på sin solo-ekspedition så nær toppen. Desuden indså Einstein ængsteligt, at Hilberts dybere matematiske reserver udgjorde en alvorlig trussel. På trods af hans år med hårdt arbejde, kunne Einstein blive scooped.

Bekymringen var velbegrundet. Lørdag den 13. november modtog Einstein en opfordring fra Hilbert til at deltage i ham i Göttingen den følgende tirsdag for at lære i "meget komplet detalje" "løsningen på dit store problem." ”Jeg må afstå fra at rejse til Göttingen i øjeblikket og snarere må vente tålmodig, indtil jeg kan studere dit system fra den trykte artikel; for jeg er træt ud og også plaget af mavesmerter. ”

Men den torsdag, da Einstein åbnede sin mail, blev han konfronteret med Hilberts manuskript. Einstein skrev straks tilbage og knap næppe på sig irritationen: ”Det system, du leverer, er enig - så vidt jeg kan se - nøjagtigt med det, jeg fandt de sidste uger og har præsenteret for akademiet.” Til sin ven Heinrich Zangger, betroede Einstein, "Efter min personlige oplevelse har jeg ikke lært bedre den menneskelige arts elendighed som i anledning af denne teori ...."

En uge senere, den 25. november, hvor han forelæsede for et forhastet publikum ved det prøyssiske akademi, afslørede Einstein de endelige ligninger, der udgør den generelle relativitetsteori.

Ingen ved, hvad der skete i løbet af den sidste uge. Kom Einstein med de endelige ligninger på egen hånd, eller leverede Hilberts papir ubeboelig hjælp? Indeholdt Hilberts udkast den korrekte form af ligningerne, eller indsatte Hilbert efterfølgende disse ligninger, inspireret af Einsteins arbejde, i den version af papiret, som Hilbert offentliggjorde måneder senere? Intriggen uddybes først, når vi får at vide, at et nøglesnit på siden viser, at Hilbert's papir, som måske har afgjort spørgsmålene, bogstaveligt blev brækket væk.

I sidste ende gjorde Hilbert det rigtige. Han erkendte, at uanset hvad hans rolle i katalysering af de endelige ligninger måtte have været, skal den generelle relativitetsteori med rette krediteres Einstein. Og det har det også. Hilbert har også fået sit forfald, da en teknisk, men især nyttig måde at udtrykke ligningerne af generel relativitet, bærer begge mænds navne.

Selvfølgelig ville kredit kun være værd at have, hvis den generelle relativitetsteori blev bekræftet gennem observationer. Bemærkelsesværdigt kunne Einstein se, hvordan det kunne gøres.

**********

Den generelle relativitet forudsagde, at lysstråler, der udsendes af fjerne stjerner, ville rejse langs buede bane, når de passerede gennem det skæve område nær Solen på vej til Jorden. Einstein brugte de nye ligninger til at gøre dette præcist - han beregnet den matematiske form af disse buede baner. Men for at teste forudsigelsen ville astronomer skulle se fjerne stjerner, mens solen er i forgrunden, og det er kun muligt, når månen blokerer solens lys under en solformørkelse.

Den næste solformørkelse den 29. maj 1919 ville således være den generelle relativitetens begrundelse. Hold af britiske astronomer, ledet af Sir Arthur Eddington, oprettede butik på to steder, der ville opleve en total solformørkelse - i Sobral, Brasilien og på Príncipe, ud for Afrikas vestkyst. Når de kæmpede mod vejrforholdene, tog hvert hold en serie fotografiske plader med fjerne stjerner, som øjeblikket var synlige, da månen drev hen over solen.

I de efterfølgende måneder med omhyggelig analyse af billederne ventede Einstein tålmodig på resultaterne. Endelig den 22. september 1919 modtog Einstein et telegram, der meddelte, at formørkelseobservationer havde bekræftet hans forudsigelse.

Aviser over hele kloden hentede historien med åndeløse overskrifter der proklamerede Einsteins triumf og katapulterede ham næsten natten over til en verdensomspændende sensation. Midt i al spændingen spurgte en ung studerende, Ilse Rosenthal-Schneider, Einstein, hvad han ville have troet, hvis observationer ikke stemte overens med den generelle relativitetsforudsigelse. Einstein svarede berømt med charmerende bravado, "Jeg ville have ked af den kære Herre, fordi teorien er korrekt."

Faktisk har der i årtierne siden formørkelsesmålingerne været mange andre observationer og eksperimenter - nogle igangværende - der har ført til bundsolid tillid til den generelle relativitet. En af de mest imponerende er en observationstest, der spænder over næsten 50 år, blandt NASAs længstkørende projekter. Generel relativitet hævder, at når et legeme som Jorden drejer på sin akse, skal det trække plads rundt i en hvirvel noget som en roterende sten i en spand melasse. I begyndelsen af ​​1960'erne fastlagde fysikere fra Stanford et skema til test af forudsigelsen: Start fire ultrapræcise gyroskoper i en bane nær Jorden og se efter små skift i orienteringen af ​​gyroskopernes akser, der ifølge teorien skulle være forårsaget ved det hvirvlende rum.

Det krævede en generation af videnskabelige bestræbelser på at udvikle den nødvendige gyroskopiske teknologi og derefter års dataanalyse for blandt andet at overvinde en uheldig gnagning af de gyroskoper, der blev erhvervet i rummet. Men i 2011 meddelte teamet bag Gravity Probe B, som projektet er kendt, at det halvt århundrede lange eksperiment var nået til en vellykket konklusion: Gyroskopernes økser vendte sig efter den mængde, som Einsteins matematik forudsagde.

Der er et resterende eksperiment, i øjeblikket mere end 20 år undervejs, som mange betragter som den sidste test af den generelle relativitetsteori. Ifølge teorien vil to sammenstødende genstande, det være sig stjerner eller sorte huller, skabe bølger i rummet, ligesom to kolliderende både på en ellers rolig sø skaber bølger af vand. Og da sådanne gravitationsbølger rippler udad, vil rummet udvide sig og aftage i deres kølvandet, lidt som en dejskugle, der skiftevis strækkes og komprimeres.

I de tidlige 1990'ere iværksatte et team ledet af videnskabsmænd ved MIT og Caltech et forskningsprogram til at detektere gravitationsbølger. Udfordringen, og det er en stor en, er, at hvis et tumult, astrofysisk møde opstår langt væk, så når de resulterende rumlige bølger vaskes af Jorden, de vil have spredt sig så vidt, at de vil blive fortyndet, måske strække og komprimere plads ved kun en brøkdel af en atomkerne.

Ikke desto mindre har forskere udviklet en teknologi, der lige måske kunne se de små, kendte tegn på en krusning i rummet, når det ruller ved Jorden. I 2001 blev der placeret to fire kilometer lange L-formede apparater, samlet kendt som LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) i Livingston, Louisiana og Hanford, Washington. Strategien er, at en passerende gravitationsbølge skiftevis ville strække og komprimere de to arme i hver L og efterlade et aftryk på laserlys, der løber op og ned for hver arm.

I 2010 blev LIGO afbrudt, før der blev fundet nogen gravitationsbølgesignaturer - apparatet manglede næsten helt sikkert den følsomhed, der var nødvendig for at registrere de små rykninger forårsaget af en gravitationsbølge, der nåede Jorden. Men nu implementeres en avanceret version af LIGO, en opgradering, der forventes at være ti gange så følsom, og forskere forventer, at inden for få år vil detektering af krusninger i rummet forårsaget af fjerne kosmiske forstyrrelser være almindeligt.

Succes ville være spændende ikke fordi nogen virkelig er i tvivl om den generelle relativitet, men fordi bekræftede forbindelser mellem teori og observation kan give kraftige nye anvendelser. Ekslipsmålingerne fra 1919, for eksempel, som konstaterede, at tyngdekraften bøjer lysets bane, har inspireret til en vellykket teknik, der nu bruges til at finde fjerne planeter. Når sådanne planeter passerer foran deres værtsstjerner, fokuserer de let stjernens lys, hvilket forårsager et mønster af lysning og dæmpning, som astronomer kan registrere. En lignende teknik har også gjort det muligt for astronomer at måle massen af ​​bestemte galakser ved at observere, hvor alvorligt de forvrænger banen til lys udsendt af endnu fjernere kilder. Et andet, mere kendt eksempel er det globale positioneringssystem, der er afhængig af Einsteins opdagelse af, at tyngdekraften påvirker tidens gang. En GPS-enhed bestemmer dens placering ved at måle køretid for signaler, der modtages fra forskellige kredsløbssatellitter. Uden at tage hensyn til tyngdekraftens indflydelse på, hvordan tiden går på satellitterne, ville GPS-systemet undlade at bestemme placeringen af ​​et objekt korrekt, inklusive din bil eller et styret missil.

Fysikere mener, at detekteringen af ​​tyngdekraftsbølger har kapacitet til at generere sin egen anvendelse af dyb betydning: en ny tilgang til observationsastronomi.

Siden Galileos tid har vi vendt teleskoper til himlen for at samle lysbølger udsendt af fjerne objekter. Den næste fase af astronomi kan meget vel koncentrere sig om at samle tyngdekraftsbølger produceret af fjerne kosmiske omvæltninger, så vi kan undersøge universet på en helt ny måde. Dette er især spændende, fordi bølger af lys ikke kunne trænge ind i plasmaet, der fyldte plads, før et par hundrede tusind år efter Big Bang - men tyngdekraften kunne. En dag kan vi således bruge tyngdekraft, ikke lys, som vores mest gennemtrængende sonde af universets tidligste øjeblikke.

Fordi tyngdekraften rippler gennem rummet lidt som bølger af lyd rippler gennem luften, taler forskere om at "lytte" til tyngdekraftsignaler. Ved at vedtage denne metafor, hvor vidunderligt at forestille sig, at den anden århundrede af generel relativitet kan være årsag til fysikere til at fejre, når de endelig har hørt lyden fra skabelsen.

Redaktørens note, 29. september 2015: En tidligere version af denne artikel beskrev unøjagtigt, hvordan GPS-systemer fungerer. Teksten er ændret i overensstemmelse hermed.