Γενικά

Αϊνστάιν: 100 χρόνια Θεωρία της Σχετικότητας

Εκατό χρόνια Άλμπερτ Αϊνστάιν: Όλα όσα πρέπει να ξέρετε για την θεωρία που άλλαξε την οπτική μας για τον κόσμο και τι άφησε σε εκκρεμότητα.

Σήμερα, 25 Νοεμβρίου 2015, συμπληρώνονται 100 χρόνια από τότε που ο Αϊνστάιν παρουσίασε την τελική μορφή της διάσημης πλέον Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, με μια ομιλία του στην Πρωσική Ακαδημία Επιστημών.

Το Νοέμβριο του 1915, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν παρουσίασε τη θεωρία του -και τις αντίστοιχες «εξισώσεις πεδίου»- σε τέσσερις διαδοχικές ομιλίες, μία ανά εβδομάδα, ενώ ακολούθησε η σχετική δημοσίευση στις 2 Δεκεμβρίου. Επρόκειτο για ένα από τα πιο εντυπωσιακά επιτεύγματα της ανθρωπότητας, προϊόν μιας σειράς νοητικών και όχι πραγματικών πειραμάτων. Παραμένει όμως απίστευτα δύσκολο να το «χωνέψει» ακόμη κανείς, είτε είναι ειδικός, είτε όχι.

Είχε προηγηθεί πριν μία δεκαετία, το 1905, η δημοσίευση ενός άρθρου στο διασημότερο επιστημονικό περιοδικό της εποχής, τα "Annalen der Physik" (Χρονικά της Φυσικής), με το οποίο παρουσίασε την πρώτη -γνωστή και ως Ειδική- Θεωρία της Σχετικότητας, όπου έδειξε ότι ο χρόνος είναι σχετικός. Χρειάστηκε μια δεκαετία για να συμπεριλάβει τον χώρο και να επεκτείνει τη θεωρία του από Ειδική σε Γενική, δηλαδή σε συμπαντική πλέον κλίμακα. Ήταν μια νέα θεωρία.

Η Ειδική Θεωρία Σχετικότητας ήταν μια επανάσταση, όμως διατηρούσε ακόμη την οικεία Ευκλείδεια γεωμετρία και τη Νευτώνεια φυσική. Η Γενική Θεωρία ήταν μια δεύτερη επανάσταση πιο φιλόδοξη από την πρώτη, καθώς κατάργησε τον γνώριμο στατικό κόσμο που οι άνθρωποι -και οι επιστήμονες- γνώριζαν από την αρχαιότητα.

Έκτοτε ο κόσμος γύρω μας δεν είναι πλέον ίδιος. Το αξεδιάλυτο, δυναμικό και συνεχώς μεταβαλλόμενο δίδυμο του χώρου και του χρόνου - ο χωροχρόνος- είναι άρρηκτα 'δεμένος' με την μάζα και την ενέργεια στο σύμπαν. Όσο πιο μεγάλη είναι η μάζα της ύλης (και άρα η ενέργεια), τόσο περισσότερο καμπυλώνει τον χώρο και ανάλογα επηρεάζει τη ροή του χρόνου.

Για τον Νεύτωνα, το μήλο έπεφτε κάτω από την μηλιά και οι πλανήτες έλκονταν μεταξύ τους, επειδή υπήρχε μια μυστηριώδης «δύναμη» που λεγόταν βαρύτητα. Ο χώρος στο σύμπαν ήταν κενός μεταξύ των πλανητών και μέσα σε αυτό το κενό δρούσε η βαρύτητα - άγνωστο πώς.

Μερικά χρόνια πριν την εμφάνιση του Αϊνστάιν στη σκηνή, οι Βρετανοί φυσικοί Μάικλ Φαραντέι και Τζέιμς Μάξγουελ έδειξαν ότι το κενό στη φύση δεν είναι κενό, αλλά «γεμάτο» από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Ο Αϊνστάιν, που γοητευόταν από τον ηλεκτρομαγνητισμό (άλλωστε ο μηχανικός πατέρας του έκτιζε εργοστάσια ηλεκτρισμού), πήγε ένα βήμα παραπέρα: φαντάστηκε ένα βαρυτικό πεδίο και έγραψε τις σχετικές μαθηματικές εξισώσεις.

Η καθοριστική μεγαλοφυής ιδέα του ήταν όμως ότι το βαρυτικό πεδίο δεν είναι διάχυτο στον χώρο, αλλά είναι ο ίδιος ο χώρος. Η βαρύτητα είναι μια γεωμετρική ιδιότητα του χωροχρόνου. Ο χώρος δεν είναι κάτι διακριτό από την ύλη, αλλά καμπυλώνεται και «ξεχειλώνει», υπό την επίδρασή της.

Η Γη δεν γυρίζει από τον Ήλιο επειδή την τραβά μια νευτώνεια δύναμη βαρύτητας, αλλά επειδή ο ίδιος ο χώρος γύρω από το μητρικό άστρο καμπυλώνει και την έλκει προς το μέρος του. Και εκτός από τον χώρο, υφίσταται καμπύλωση και ο χρόνος. Όπως συνοπτικά το έθεσε αργότερα ο φυσικός Τζον Γουίλερ, «ο χωροχρόνος λέει στην ύλη πώς να κινηθεί και η ύλη λέει στον χωροχρόνο πώς να καμπυλώσει».

Το νέο όραμα δεν έγινε αμέσως αποδεκτό, καθώς άλλωστε η Ευρώπη ήταν βουτηγμένη στο αίμα του Α΄ Παγκοσμίου Πολέμου, αλλά το 1919, όταν πλέον ο Βρετανός επιστήμων σερ 'Αρθουρ Έντινγκτον εκμεταλλεύθηκε μια έκλειψη για να δείξει ότι όντως ο Ήλιος καμπυλώνει το φως των άλλων μακρινών άστρων, το οποίο περνάει δίπλα του και καταλήγει στη Γη. Μία μέρα μετά την ομιλία του Έντιγκτον στη Βασιλική Εταιρεία επιστημών του Λονδίνου σχετικά με την αστρονομική επιβεβαίωση της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας του Αϊνστάιν, ο τελευταίος έγινε πάραυτα διάσημος παγκοσμίως. Λίγο μετά, το 1921, του απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής και επιστεγάσθηκε η εκτόξευσή του στο επιστημονικό στερέωμα, όπου παραμένει έως σήμερα.

Η επιστημονική κοινότητα έχει πλέον ευρέως αποδεχθεί τη Θεωρία της Σχετικότητας. Πολλοί έχουν προσπαθήσει να την καταρρίψουν και άλλοι τόσοι να την επιβεβαιώσουν. Μέχρι στιγμής, οι δεύτεροι έχουν νικήσει κατά κράτος.

Η συνεισφορά του Αϊνστάιν είναι ανεκτίμητη, αν και παραμένει πραγματικά δύσκολο στον μέσο άνθρωπο να «χωνέψει» τι σημαίνει δυναμικός χωροχρόνος, όπως, για παράδειγμα, ότι όσο μεγαλύτερη βαρύτητα έχει ένα σώμα, τόσο πιο αργά κυλά ο χρόνος γι' αυτό. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι ο χρόνος στο ρετιρέ μιας πολυκατοικίας (όπου η βαρύτητα είναι οριακά μικρότερη) κυλά απειροελάχιστα πιο γρήγορα από ό,τι στο υπόγειο! Αν πάλι δύο δίδυμα αδέλφια ζουν το ένα μόνιμα σε ένα ψηλό βουνό και το άλλο σε μια πεδιάδα, όταν ξανασυναντηθούν μετά από χρόνια, ο πρώτος αδελφός θα είναι ελαφρώς νεότερος από τον δεύτερο.

Η χρονική αυτή διαφορά, μεταξύ άλλων, έχει συνέπειες για το σύστημα GPS, καθώς τα ρολόγια των δορυφόρων τρέχουν πιο γρήγορα από τα ρολόγια στη Γη. Αν οι επιστήμονες δεν έπαιρναν υπόψη τους τη θεωρία της σχετικότητας για να κάνουν τις κατάλληλες διορθώσεις, το GPS θα κατεύθυνε τον καθένα σε λάθος μέρος (η απόκλιση θα έφθανε έως δέκα χιλιόμετρα μέσα σε μία μόνο μέρα).

Ο κβαντικός «γάμος» που δεν έχει γίνει ακόμη

Υπάρχουν όμως και φαινόμενα στο σύμπαν, όπως το κέντρο μιας μαύρης τρύπας, που δεν μπορούν να εξηγηθούν από τον Αϊνστάιν, επειδή έχουν κβαντική φύση, όπως άλλωστε συμβαίνει με την ίδια τη γέννηση του σύμπαντος («Μπιγκ Μπανγκ»).

Κατά κοινή ομολογία, το πιο σοβαρό πρόβλημα στην καρδιά της Φυσικής παραμένει η αδυναμία των επιστημόνων να «ζευγαρώσουν» και να συνταιριάξουν κάτω από την ίδια «στέγη» τη Σχετικότητα με τον άλλο μεγάλο πυλώνα, την Κβαντομηχανική. Ο τρόπος που ερμηνεύεται ο κόσμος σε μεγάλη κλίμακα (βαρύτητα-σχετικότητα χωροχρόνου) με τον τρόπο που ερμηνεύεται ο κόσμος σε μικροκοσμική κλίμακα (κβαντική), είναι τελείως διαφορετικός. Σχετικότητα και Κβαντομηχανική μιλάνε διαφορετικές γλώσσες.

Δεν είναι τυχαίο ότι ο Αϊνστάιν έβλεπε με μισό μάτι την κβαντική θεωρία της απροσδιοριστίας, αντιτείνοντας πως «ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν». Ο ίδιος κατέβαλε μεγάλες προσπάθειες να «παντρέψει» τη δική του θεωρία της γενικής σχετικότητας με την κβαντομηχανική - αλλά απέτυχε, όπως και κάθε άλλος φυσικός μέχρι σήμερα. Μόνο αν υπάρξει μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας, ίσως υπάρξει επιτέλους και μια «Θεωρία του Παντός».

Η πιο διαδεδομένη θεωρία που προσπαθεί να εξηγήσει κβαντικά τη βαρύτητα, είναι η θεωρία των υπερχορδών, η οποία, μεταξύ άλλων, προβλέπει την ύπαρξη ενός σωματιδίου βαρύτητας, του βαρυτόνιου ή γκραβιτόνιου, που ακόμη δεν έχει ανακαλυφθεί (αν όντως υπάρχει).

Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η «κβαντική βαρύτητα βρόχων», που θεωρεί κβαντική την ίδια τη φύση του χωροχρόνου. Αλλά όλα αυτά ακόμη παραμένουν θεωρίες προς απόδειξη.

Μία από τις εκκρεμότητες που άφησε επίσης ο Αϊνστάιν, είναι η πρόβλεψή του ότι στο σύμπαν υπάρχουν βαρυτικά κύματα -«ρυτιδώσεις» στον ιστό του χωροχρόνου- κάτι ακόμη δεν έχει αποδειχθεί. Όμως νέα επίγεια και διαστημικά πειράματα βρίσκονται σε εξέλιξη ή σχεδιάζονται και ίσως είναι θέμα χρόνου η επιβεβαίωση.

Τέλος, με τη βοήθεια του Αϊνστάιν, μάθαμε πιο πρόσφατα ότι το σύμπαν επεκτείνεται και μάλιστα με επιταχυνόμενο ρυθμό. Όμως τόσο η πιθανολογούμενη αιτία γι' αυτό, η λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, όσο και η εξίσου μυστηριώδης, μη ορατή, αλλά πανταχού παρούσα σκοτεινή ύλη, ανοίγουν ίσως παράθυρα σε μια άλλη Φυσική, την οποία ακόμη και ο νους του Αϊνστάιν δεν μπόρεσε να φαντασθεί.