Σήμερα συμπληρώνονται 142 χρόνια από τη γέννηση ίσως του μεγαλύτερου Φυσικού του 20ού αιώνα, ενός αιώνα που δεν είχε και λίγους σπουδαίους φυσικούς, του Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Η συμβολή του στη διαμόρφωση της Φυσικής όπως τη γνωρίζουμε σήμερα υπήρξε καθοριστική. Παρά το ότι το βραβείο Νόμπελ Φυσικής (1921) του δόθηκε για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου ,είναι περισσότερο συνυφασμένος με τη θεωρία που άλλαξε τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε το χρόνο και τη βαρύτητα,vτη Θεωρία της Σχετικότητας.Εδώ θα προσπαθήσουμε να αναδείξουμε κάποια σημεία της "μεγάλης" θεωρίας της Σχετικότητας,της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας(Γ.Θ.Σ).
Άλμπερτ Αϊνστάιν (14/3/1879-18/4/1955)
Η Γη επιδρά έμμεσα στην πέτρα δημιουργώντας γύρω της ένα βαρυτικό πεδίο το οποίο με τη σειρά του επιδρά πάνω στην πέτρα και προκαλεί την πτωτική της κίνηση.Τα σώματα που κινούνται υπό την επίδραση του βαρυτικού πεδίου αποκτούν-έστω σταθερή- επιτάχυνση a που είναι ανεξάρτητη από το υλικό κατασκευής τους ή από τη φυσική τους κατάσταση.Από το νόμο κίνησης του Νεύτωνα γνωρίζουμε ότι F=m a όπου το m εδώ είναι η λεγόμενη αδρανειακή μάζα.Το βάρος του σώματος θα δίνεται από τη σχέση B=m g όπου εδώ το m είναι η βαρυτική μάζα του σώματος.
Από τις δύο αυτές σχέσεις αλλά και πειραματικά προκύπτει ότι η αδρανειακή μάζα ενός σώματος είναι ίση με τη βαρυτική του μάζα. Η κλασική Φυσική δέχεται την ισοδυναμία αδρανειακής-βαρυτικής μάζας αλλά δε μπορεί να την ερμηνεύσει.Η ερμηνεία προκύπτει αν δεχτούμε ότι οι ιδιότητες ενός σώματος εκδηλώνονται ανάλογα με τις περιστάσεις είτε ως αδράνεια είτε ως βάρος.Αυτό το ζήτημα συνδέεται άμεσα με το αξίωμα της γενικής σχετικότητας.
Ας ξεκινήσουμε με κάτι πολύ γνωστό στους μαθητές της Α'Λυκείου. Αν αφήσουμε μια πέτρα αυτή θα πέσει διότι έλκεται από τη Γη.Αυτή η πολύ απλή παρατήρηση προκύπτει από το γεγονός ότι στην Κλασική Φυσική θεωρούμε ότι υπάρχει δράση εξ αποστάσεως.Η σύγχρονη Φυσική δίνει,όμως,μια διαφορετική απάντηση για το λόγο που συμβαίνει αυτό.Από μια πιο ενδελεχή μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων προκύπτει ότι δεν υπάρχει άμεση δράση εξ αποστάσεως.
Για παράδειγμα,όταν ένας μαγνήτης έλκει ένα κομμάτι σίδηρο,δεν πρέπει να σκεφτούμε ότι απλώς ο μαγνήτης δρα άμεσα στο σίδηρο μέσω του κενού χώρου που τους χωρίζει ,αλλά όπως εξήγησε ο Φάραντεϊ,ο μαγνήτης δημιουργεί πάντα σε κάθε περιβάλλοντα χώρο αυτό που ονομάζουμε μαγνητικό πεδίο.Το πεδίο αυτό επιδρά με τη σειρά του στο κομμάτι σιδήρου ,ώστε το τελευταίο να τείνει να μετακινηθεί προς το μαγνήτη(ή το αντίστροφο).Με ανάλογο τρόπο αντιλαμβανόμαστε και τα φαινόμενα της βαρύτητας.
Ας δούμε επιγραμματικά τη γεωμετρία της νευτώνειας βαρύτητας.Η βάση της Κλασικής Φυσικής αποτελείται από την αρχή ότι η κίνηση ενός σώματος μπορεί να περιγραφεί από το συνδυασμό των ελεύθερων κινήσεών του και των αποκλίσεών του από τις ελεύθερες αυτές κινήσεις. Τέτοιες αποκλίσεις προκαλούνται από τις εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται στο σώμα,όπως περιγράφει ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα για την κίνηση.Οι αδρανειακές κινήσεις σχετίζονται άμεσα με τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου .Στα τυποποιημένα συστήματα αναφοράς της Κλασικής Φυσικής η ελεύθερη κίνηση των σωμάτων γίνεται με σταθερή ταχύτητα σε ευθείες γραμμές.
Στην πραγματικότητα ,οι τροχιές κίνησης των σωμάτων είναι γεωδαισιακές ,ευθείες κοσμικές γραμμές σε καμπύλο χωροχρόνο. Αντίστροφα,θα μπορούσε κανείς να αναμένει ότι οι αδρανειακές κινήσεις,όταν προσδιοριστούν από την παρατήρηση της πραγματικής κίνησης των σωμάτων και λαμβάνοντας υπόψιν τις εξωτερικές δυνάμεις (όπως ηλεκτρομαγνητισμού ή τριβής),μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καθοριστεί η γεωμετρία του χώρου καθώς και μία συντεταγμένη χρόνου.Ωστόσο υπάρχει μια ασάφεια όταν η βαρύτητα μπαίνει στο παιχνίδι.Ποια είναι αυτή;
Σύμφωνα με το νόμο της βαρύτητας υπάρχει μια καθολικότητα της ελεύθερης πτώσης (επίσης γνωστή ως αδύναμη αρχή της ισοδυναμίας) δεδομένου ότι η τροχιά ενός σώματος σε πτώση εξαρτάται μόνο από τη θέση και την αρχική του ταχύτητα και όχι από τις ιδιότητες του υλικού του.Μια απλοποιημένη εκδοχή αυτής της διαπίστωσης είναι ενσωματωμένη στο πείραμα του Αϊνστάιν με τον ανελκυστήρα:Ένας παρατηρητής σε έναν μικρό κλειστό χώρο είναι αδύνατο να αποφασίσει,με τη χαρτογράφηση της πορείας ενός σώματος,μια μπάλα σε πτώση για παράδειγμα,αν το δωμάτιο είναι σε κατάσταση ηρεμίας σε βαρυτικό πεδίο ή στο διάστημα πάνω σε έναν επιταχυνόμενο πύραυλο που δημιουργεί μια δύναμη ίση με τη βαρύτητα.
Με δεδομένη την οικουμενικότητα της ελεύθερης πτώσης ,δεν υπάρχει αισθητή διαφορά μεταξύ της αδρανειακής κίνησης και της κίνησης υπό την επίδραση βαρυτικής δύναμης. Αυτό υποδηλώνει τον ορισμό μιας νέας κατηγορίας αδρανειακής κίνησης ,που περιλαμβάνει τα αντικείμενα σε ελεύθερη πτώση υπό την επίδραση της βαρύτητας.Το διάστημα,σε αυτήν την κατασκευή,εξακολουθεί να έχει τη συνήθη ευκλείδια γεωμετρία.
Πάντως ο χωροχρόνος ως σύνολο είναι πιο περίπλοκος. Όπως μπορεί να αποδειχθεί με τη χρήση απλών νοητικών πειραμάτων ,το αποτέλεσμα της μεταφοράς διανυσμάτων χωροχρόνου που μπορούν να δηλώσουν την ταχύτητα των σωμάτων ,θα ποικίλει ανάλογα με την τροχιά του σώματος.Από αυτό μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι ο χωροχρόνος είναι καμπύλος οπότε χρειάζονται νέες γεωμετρίες για την περιγραφή και τη μελέτη του(μη- ευκλείδιες).
Καλά όλα αυτά αλλά πώς είμαστε σίγουροι ότι δεν είναι απλώς θεωρίες;Εδώ λοιπόν βρίσκεται η ουσία μιας επιστημονικής θεωρίας,στην επαληθευσιμότητά της από το πείραμα. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (Γ.Θ.Σ.),ως μια θεωρία της βαρύτητας ,είναι στην πραγματικότητα μια γενίκευση της βαρυτικής θεωρίας.Για την επαλήθευση της θεωρίας ο Αϊνστάιν πρότεινε κάποια πειράματα.Αυτά ήταν τα εξής:
Η μέτρηση της εκτροπής του φωτός των αστεριών καθώς οι ακτίνες περνούν πολύ κοντά από τον Ήλιο.Το αποτέλεσμα που προβλεπόταν θεωρητικά επιβεβαιώθηκε το 1919 με βάση φωτογραφίες της θέσης αστεριών πολύ κοντά στον ηλιακό δίσκο κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης ηλίου στο νησί Πρίνσιπε του Ατλαντικού Ωκεανού. Μια θεωρητική πρόβλεψη για τη μετατόπιση του περιηλίου του Ερμή.
Το περιήλιο του Ερμή "στρέφεται" αργά γύρω από τον Ήλιο και ο Αϊνστάιν εξήγησε τη μετατόπιση αυτή ως αποτέλεσμα της Γενικής Σχετικότητας ,επιβεβαιωμένος πάλι απ΄το πείραμα. Η μετατόπιση φάσματος προς το ερυθρό λόγω της βαρύτητας.Το πείραμα αυτό έγινε εν τέλει το 1959(μετά το θάνατο του Αϊνστάιν)στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και αποτέλεσε και την πρώτη μέτρηση υψηλής ακρίβειας των αποτελεσμάτων της Γενικής Σχετικότητας.
Τα επόμενα χρόνια,η Γ.Θ.Σ. για τη βαρύτητα επιβεβαιώθηκε και με πλήθος άλλων πειραμάτων ,το τελευταίο από τα οποία,με τη χρήση του δορυφόρου Gravity B,επιχείρησε να μετρήσει το στροβιλισμό του χωροχρόνου που προκαλεί η ιδιοπεριστροφή της Γης και τη στρέβλωσή του κοντά σε μεγάλες μάζες.(το λεγόμενο γεωδαιτικό φαινόμενο)
Η γενική σχετικότητα έχει μια σειρά από φυσικές συνέπειες.Μερικές απορρέουν κατευθείαν από τα αξιώματα της θεωρίας ,ενώ άλλες έχουν καταστεί σαφείς μόνο κατά τη διάρκεια των 100 περίπου χρόνων της έρευνας που ακολούθησε την αρχική δημοσίευση του Αϊνστάιν.
Καταρχάς πλέον γνωρίζουμε ότι το φως καμπυλώνεται όταν διέρχεται από το πεδίο βαρύτητας κάποιου μεγάλου σώματος ,πράγμα που προκύπτει από την Αρχή της Ισοδυναμίας σύμφωνα με την οποία η κίνηση ενός σώματος ,όπως παρατηρείται από ένα μη αδρανειακό σύστημα αναφοράς,είναι ίδια με την κίνησή του σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς ,παρουσία όμως κατάλληλου βαρυτικού πεδίου.Με άλλα λόγια ένα μη αδρανειακό σύστημα αναφοράς είναι ισοδύναμο με ένα βαρυτικό πεδίο ορισμένης μορφής.
Επιπλέον,ένα άλλο φαινόμενο που προκύπτει με βάση την αρχή της ισοδυναμίας είναι η βαρυτική ερυθρά μετατόπιση.Το φαινόμενο της βαρυτικής φασματικής μετατόπισης επιβεβαιώθηκε για πρώτη φορά από το πείραμα Pound-Rebka-Sneider το 1960 και 1964.
Τέλος η βαρυτική διαστολή του χρόνου είναι συνέπεια και πρόβλεψη της Γ.Θ.Σ.Το φαινόμενο επιβεβαιώθηκε πειραματικά για πρώτη φορά μέσω του πειράματος Hafele-Keating το 1971 με τη χρήση ατομικών ρολογιών. Επηρεάζουν κάπως όλα αυτά τον μέσο πολίτη;Έχουν κάποια πρακτική εφαρμογή; Πολύ συνηθισμένα ερωτήματα που σχετίζονται με τη διασύνδεση επιστήμης και τεχνολογίας.Η απάντηση είναι με βεβαιότητα "ναι". Ειδικά για τη βαρυτική διαστολή του χρόνου πρέπει να αναφέρουμε ότι το σύγχρονο σύστημα GPS βασίζεται σε αυτό ακριβώς το φαινόμενο για τον ακριβή προσδιορισμό των συντεταγμένων στην επιφάνεια της Γης.Την επόμενη φορά ,λοιπόν,που θα χρειαστεί να εισάγουμε τον προορισμό μας στο GPS του κινητού μας τηλεφώνου θα ξέρουμε ότι θα φτάσουμε με ακρίβεια χάρη στη Γ.Θ.Σ.
Για περαιτέρω μελέτη προτείνονται:
Relativity,Gravitation and Cosmology: A Basic Introduction,Tai Pei-Cheng)
General Relativity in the undergraduate physics curriculum(James Hartle,Department of Physics,Univerity of California,Santa Barbara)
Teaching General Relativity to the Layperson(Mark Egdall,Florida International University)
Teaching General Relativity to undergraduates(Nelson Christensen-Tomas Moore,Carleton College Minnesota & Pomona College California)
Όλες οι σημαντικές και έκτακτες ειδήσεις σήμερα
Παν.Πατρών: Μοριοδοτούμενο σεμινάριο ΕΙΔΙΚΗ ΑΓΩΓΗΣ με μόνο 65Є εγγραφή - έως 17 Απριλίου
Μοριοδοτούμενο σεμινάριο Ειδικής Αγωγής (ΕΛΜΕΠΑ) με μόνο 50Є εγγραφή- αιτήσεις ως 17/4
2ος Πανελλήνιος Γραπτός Διαγωνισμός ΑΣΕΠ: Τα 2 μαθήματα εξέτασης και η ύλη
Proficiency και Lower μόνο 95 ευρώ σε 2 μόνο ημέρες στα χέρια σας (ΧΩΡΙΣ προφορικά, ΧΩΡΙΣ έκθεση!)
ΕΥΚΟΛΕΣ ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΙΣΠΑΝΙΚΩΝ και ΙΤΑΛΙΚΩΝ για εκπαιδευτικούς - Πάρτε τις άμεσα
