Opsta teorija relativnosti

Vec smo se upoznali sa osnovnim idejama Ajnštajnove specijalne teorije relativnosti. Videli smo da ta teorija dobro objašnjava "čudno" ponašanje svetlosti. Ovom teorijom Ajnštajn je uspeo da objasni rezultate Majkelson-Morlijevog eksperimenta, objasnio je zašto je brzina svetlosti ista za sve posmatrače bez obzira na to gde se oni nalazili i kada vršili merenje. Takođe smo videli i šta se dešava sa telima koja se kreću brzinama bliskim brzini svetlosti, i zbog čega je ta brzina maksimalna moguća brzina u prirodi.

Bez obzira na sva ova objašnjenja koja je Specijalna teorija dala ona je otvorila i jedan nov problem.Ova teorija bila je nesaglasna sa Njutnovom, klasičnom, teorijom gravitacije. Prema Njutnovoj teoriji sva tela se međusobno privlače izvesnom silom koja zavisi samo od njihove mase i njihovog međusobnog rastojanja. U ovoj klasičnoj teoriji interakcija, delovanje jednog tela na drugo, prenosi se beskonačno velikom brzinom. Vidimo da je ova činjenica, inače jedna od osnovnih ideja Njutnove mehanike, u suprotnosti sa Specijalnom teorijom koja kaže da se ništa ne može kretati brže od svetlosti. Više puta, između 1908. i 1914. godine, Ajnštajn je pokušao dadođe do teorije gravitacije koja bi bila "pomirila" Njtnovu klasičnu teoriju gravitacije i Specijalnu teoriju relativnosti. Godine 1915. Ajnštajn je postigao uspeh u svom radu. Tada je čovečanstvo dobilo jednu od fizičkih teorija koja je kasnije zadala mnogo muka onima koji su došli posle Alberta Ajnštajna. Bila je to Opšta teorija relativnosti (OTR).

Princip ekvivalencije

Opšta teorija relativnosti je jedna vrlo značajna i komplikovana teorija, ali ova teorija se zasniva na jednom vrlo jednostavnom zaključku.

Setimo se jedne svakodnevne situacije – vožnje liftom. Svi su verovatno nekada primetili kako, dok se voze liftom, nekada izgube osećaj o težini nekog predmeta koji drže u rukama. Na primer, zamislimo jednog putnika koji se vozi liftom sa vrha jednog velikog trgovačkog centra do izlaza na prizemlju. Takođe, zamislimo da se ovaj putnik vraća kući iz kupovine i u ruci nosi tešku torbu punu različitih stvari koje je kupio. Ulazeći u lift on razmišlja o tome šta je sve kupio i koliko je para potrošio. Zatvara vrata i lift kreće na gore. Odjednom putnik je zbunjen – izračunao je da je potrošio puno para a torba je suviše laka ?!? Ali posle kraćeg vremena primećuje da torba ipak ima onu težinu koju bi otprilike i trebala da ima. On silazi do prizemlja, seda u kola i odlazi do svog stana, ulazi u lift svoje zgrade. Lift kreće na gore i… putnik sada primećuje da je torba postala mnogo teška ?!?

Iz ovog jednostavnog primera primećujemo da težina nekog predmeta nije stalna već da zavisi i od nekih drugih faktora (naravno, treba napomenuti da je ovde težina sila a ne masa, koja se u svakodnevnom životu pogrešno naziva težinom), na primer ubrzanja koje ima lift. Ovaj osećaj promene težine predmeta u liftu nije subjektivan osećaj već realna fizička pojava. Kada bi u liftu bila vaga, koja umesto putnika, meri težinu nekog predmeta u zavisnosti od kretanja lifta težina bi bila različita – kada lift ubrzava naviše predmet bi bio teži, a kada ubrzava naniže predmet bi postao lakši. U slučaju kada bi lift naniže ubrzavao istim onim ubrzanjem koje imaju tela koja slobodno padaju težina predmeta u njemu ni bila jednaka nuli a u liftu bi vladalo bestežinsko stanje, a ako bi ubrzanje bilo još veće svi predmeti bi "pali" na plafon lifta. Kada lift miruje ili se kreće ravnomerno nijedan od ovih efekata ne postoji.

Težina tela je sila kojom Zemlja privlači svako telo, ono što se u prethodnom primeru menja je upravo ta sila, dok masa tela ostaje vek stalna. Ajnštajn je uvideo ovu povezanost između ubrzanja i sile teže i došao do revolucionarnog zaključka – u jednoj tački prostora efekti gravitacije i ubrzanog kretanja su ekvivalentni i ne mogu se međusobno razlikovati. Upravo ovaj zaključak predstavlja princip ekvivalencije.

Na osnovu ovog principa zaključujemo da se efekti povećanja težine putnika u liftu mogu izazvati i promenom gravitacije. Zamislimo da možemo lift sa putnikom, bez njegovog znanja, da prebacimo na Mesec. Kako bi se tada naš putnik uplašio na šta je potrošio pare u kupovini kada je torba toliko laka!

Sam po sebi princip ekvivalencije je jednostavno zapažanje, ali on sam nije mogao da dovede do postavljanja jedne od najvažnijih i najčudnijih fizičkih teorija XX veka. Da bi došao do Opšte teorije Ajnštajn je morao da primeni i jedan, tada nov, matematički aparat – tenzororski račun, koji je nešto ranije razvio Riman. Na ovaj način Ajnštajn je uspeo da dođe do tri veoma važna zaključka, a što je najvažnije svi ti Ajnštajnovi zaključci, ma koliko čudni tada izgledali, kasnije su i eksperimentalno potvrđeni.