|
VII. AZ ÁLTALÁNOS RELATIVITÁS ÉS A GRAVITÁCIÓ
|
| bet | 8/11 | | Sana | 24.03.2017 | | Hajmi | 67.5 Kb. | | #2099 |
VII. AZ ÁLTALÁNOS RELATIVITÁS ÉS A GRAVITÁCIÓ
A relativitás szó előtti speciális jelző arra utal, hogy az egymáshoz képest egyenes vonalú, egyenletesen mozgó vonatkoztatási rendszerek egyenértékűségéről van szó. Einstein ezt a korlátozó megszorítást szerette volna megszüntetni, mert érezte, hogy kell lennie egy általánosabb elvnek, amely szerint az inerciarendszerek végtelen sokasága nem élvez kitüntetett szerepet a fizikai jelenségek leírásánál. Az igaz természettörvényeknek a Lorentz- transzformációval szembeni invariancia helyett egy általánosabb követelményt, az általános kovariancia elvét kell kielégíteniük. Ez azt jelenti, hogy bármely vonatkoztatási rendszerben ugyanúgy kell hangzaniuk.
Másrészt probléma volt a gravitáció Newton-féle elméletével, mert eszerint a gravitációs hatás időtartam nélkül, tehát végtelen sebességgel terjed. Ugyanis, ha megváltozik a tömegek eloszlása, a gravitációs tér erősségének is azonnal meg kell változnia a tömegeloszlástól bármilyen távoli pontban. Ez ellentétben van a speciális relativitással, mert semmilyen hatás nem terjedhet a fény vákuumbeli sebességénél nagyobb sebességgel. Tehát a gravitáció newtoni elmélete korrekcióra szorult.
Einstein zsenialitását mutatja, hogy e két, egymástól távolinak tűnő problémát, vagyis az általános kovariancia elvének érvényesítését és a gravitáció elméletének a speciális relativitással történő összhangba hozását egyszerre oldotta meg. Nem ment könnyen. Tíz évi megfeszített munkával dolgozott e nagyszerű program megvalósításán, míg végül 1915-ben az ún. általános relativitás elméletének megalkotásával a tökéletesség legmagasabb fokára emelte a relativitás elméletét.
A gyorsuló vonatkoztatási rendszereket kezdte tanulmányozni, és mindjárt az elején rájött, hogy ezek kapcsolatba hozhatók a gravitációs térrel. Gondoljuk el, hogy kinn a világűrben, távol minden erőhatástól, egy liftben vagyunk, és egy láthatatlan kéz a földi nehézségi gyorsulással felfelé mozgatja a liftet. A mozgással ellentétes irányú, ún. tehetetlenségi erőt érzünk, amelynek nagysága mg. Ezt a gyorsulás következtében fellépő tehetetlenségi erőt nem tudjuk megkülönböztetni a földi nehézségi erőtől, mert ugyanezt az erőt éreznénk, ha a lift állna a Földön.
Mivel a tehetetlenségi erők a tehetetlen tömeggel, a gravitáció pedig a súlyos tömeggel arányos, ebben a már Galilei óta ismert törvény jut kifejezésre, miszerint a kétfajta tömeg arányos egymással. A súlyos és tehetetlen tömeg egyenlőségét rendkívül pontos eljárással, százmilliomod pontossággal először Eötvös Loránd határozta meg híres kísérleti eszközével, a kettős nagy ingával. A kétfajta tömeg arányosságát évszázadok óta mindenki elfogadta, de mélyebb okát senki sem vizsgálta. Einstein a két tömeg szigorú arányosságában egy alapvető természeti elvet ismert fel, az ún. ekvivalencia-elvet. Eszerint minden tehetetlenségi erő - beleértve a centrifugális és Coriolis-erőket is - gravitációs erőként fogható fel. A gyorsuló vonatkoztatási rendszerek tehát olyanok, mintha azokban gravitációs erő lépne fel. Ez a felismerés vezette Einsteint a gravitáció modern elméletének, az általános relativitásnak a kidolgozásához. Ennek a lényege röviden megfogalmazva az, hogy a tömegek kialakítják a tér-idő geometriai szerkezetét, és ebben a tér-időben a testek erőmentes mozgást végeznek. (A tér-idő egy négydimenziósnak elgondolt tér, amelyben a három közönséges térkoordináta mellé negyediknek hozzávesszük az időt.) Ez a geometria a tömegek közelében nem az euklideszi mértan törvényeit követi, hanem az ún. Riemann-féle görbült tér-idő szabályait. Kicsit szabadon fogalmazva: a tömegek mondják meg, hogy milyen legyen a geometria, a geometria pedig, hogy hogyan mozogjanak a tömegek.
Az általános relativitáselméletet a bolygók mozgására alkalmazva azok nem azért mozognak ellipszis pályákon, mert a Nap vonzóereje kényszeríti őket erre, hanem azért, mert a Nap tömegeloszlása olyan tér-idő geometriát alakít ki, amelyben az erőmentes tehetetlenségi mozgás pályája ellipszis. A Nap szerepe a tér-idő geometriai szerkezetének a kialakításában nyilvánul meg. A bolygók mozgásának a leírása teljesen kinematikai jellegű. Az erő fogalma elő sem fordul. A testek tehetetlenségi (erő nélküli) mozgást végeznek a tömegek (esetünkben a Nap) által kialakított tér-időben.
Einstein elévülhetetlen érdeme, hogy meghatározta azokat az egyenleteket, amelyek leírják, hogy a tömegek eloszlása milyen geometriát hoz létre ebben a négydimenziós tér-időben. Itt rá kell mutatni arra, hogy mivel a speciális relativitás szerint az energia és a tömeg egyenértékű, vagyis bármilyen energiának van tehetetlen tömege, a tér-idő geometriájának a kialakításában a tömegek mellett az energia ugyanolyan módon vesz részt.
Az általános relativitásból adódó eredmények nemcsak a szemlélet miatt különböznek a newtoni gravitációtól, hanem a döntő jellegű kísérletek számszerű adataiban is. Másrészt olyan jelenségekre vonatkozóan is adnak jóslatokat, előrejelzéseket, amelyek ezt megelőzően merész fantazmagóriaként sem merültek fel. (Ilyenek például a fekete lyukak, a csillagok gravitációs összeomlása vagy az Univerzum szerkezetére és fejlődésére vonatkozó következtetések.)
Az általános relativitáselmélet első kísérleti igazolását és az elismerést hozó sikerét az 1919. évi napfogyatkozásnál megfigyelt fényelhajlással aratta. A távoli csillagok fénye a Nap közelében elhaladva a görbült tér-idő miatt nem egyenes pályán jut el a földi megfigyelőhöz, hanem egy kicsit elhajlik a Nap felé. Ezért a csillagot a megfigyelőhöz érkező fénysugár meghosszabbításának az irányában máshol látjuk, mint amikor a Nap nem fedi el. A hat hónappal későbbi felvételen jól megállapítható a fénysugár eltérülésének a szöge. A megfigyelések az általános relativitáselméletnek megfelelő értéket adták, ami kétszerese a newtoni gravitáció elméletéből számított értéknek. Tulajdonképpen ez a csillagászati megfigyelés járult hozzá döntő mértékben, hogy a fizikusok többsége komolyan vette Einstein elméletét. A megfigyeléseket igen sokszor - szinte minden napfogyatkozáskor - megismételték, és az eredmények az általános relativitást erősítették meg.
Az optikai megfigyeléseknél - amelyeket csak napfogyatkozáskor lehet végezni - sokkal pontosabbak a csillagok által kibocsátott rádióhullámokkal végzett megfigyelések adatai. Ezek a megfigyelések nem kötődnek a napfogyatkozáshoz. Természetesen ezek is kétséget kizáróan a relativitáselméletet igazolják. Itt csak utalok a másik két kísérlet típusra, amelyek mindjárt a kezdeti szakaszban az elmélet igazsága mellett szóltak. A Merkúr és a többi bolygó pályája napközeli pontjának, az ún. perihéliumnak az elfordulási szögéről, valamint a gravitációs vöröseltolódásról van szó. Az utóbbi azt jelenti, hogy az atomok által kibocsátott sugárzás színképvonalainak a hullámhossza a gravitáció hatására a nagyobb hullámhosszak, tehát a vörös felé tolódik el a gravitációmentes helyzethez viszonyítva. Az elmélet megjelenése óta eltelt kilencven év alatt a kísérleteket egyre pontosabb feltételek mellett ismételték meg, és ezek mind-mind az elmélet igazsága mellett szóltak.
|
| |
