EPOHALNO ZNANSTVENO OTKRIĆE

‘Bez Einsteina GPS sustav danas ne bi mogao funkcionirati’

Sada, na početku 21. stoljeća, pred nama opet zjape velika otvorena pitanja o gravitaciji. Predstojeći eksperimenti, poput projekta Event Horizon Telescope, omogućit će pobliže ispitivanje predviđenih svojstava crnih rupa, objašnjava Ivica Smolić s Fizičkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu

Dakle, opća teorija relativnosti kao logična građevina konačno je završena, obratio se Albert Einstein članovima Pruske akademije u Berlinu 25. studenoga 1915. na završetku svoga predavanja “Jednadžbe gravitacijskog polja”. Tada 36-godišnji Einstein bio je zadovoljan predavanjem te je u danima koji su uslijedili zračio vedrinom i entuzijazmom.

- To je najvažnije otkriće do kojega sam došao u životu - povjerio je Einstein fizičaru Arnoldu Sommerfeldu.

No, prisutni članovi Pruske akademije znanosti nisu djelili Einsteinov stav pa su čak Max Planck i Max von Laue, koji su ga uvijek podržavali, ostali skeptični. To, dakako, nije omelo genija pa je Einstein svoj epohalni rad “Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie” (Osnove opće teorije relativnosti) objavio u ožujku 1916. godine u časopisu Annalen der Physik.

Pruska akademija

- Ovih dana diljem svijeta obilježava se 100-godišnjica opće teorije relativnosti jer je Einstein pred Pruskom akademijom znanosti prvi put javno obrazložio konačnu verziju svoje opće teorije relativnosti. Ona objedinjuje specijalnu teoriju relativnosti i teoriju gravitacije - rekao je doc. dr. Ivica Smolić s Fizičkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta (PMF) u Zagrebu.

Naveo je da je Albert Einstein cijelo desetljeće oblikovao opću teoriju gravitacije.

Bilo je to nakon prijelomne 1905. godine, kada je objavio četiri velika rada: dva o specijalnoj teoriji relativnosti, objašnjenje Brownova gibanja i objašnjenje fotoelektričnog efekta (za što je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku). Te “čudesne” 1905. godine Einstein je bio tek obični službenik Patentnog ureda u Bernu koji je, k tome, skrbio o svojoj mladoj obitelji. Dvije godine ranije oženio se svojom studentskom ljubavi, srpskom matematičarkom Milevom Marić s kojom je 1902. godine dobio izvanbračnu kćer Lisserl. Djevojčica je rođena blizu Novog Sada, a Einstein je nikada nije vidio jer su je odmah dali na posvojenje. Tijekom svog turbulentnog braka Mileva Marić i Albert Einstein dobili su dva sina, Hansa Alberta i Eduarda.

Anegdota kaže da je Einstein u Bernu 1907. godine vidio radnika kako pada s krova i počeo razmišljati o gravitaciji.

- Einstein je poslije rekao da mu je to bila najsretnija misao života - rekao je Smolić.

Zapravo, Einstein je odmah nakon objave specijalne teorije relativnosti počeo razmišljati o gravitaciji.

- Specijalna teorija relativnosti pokazala je da prostor i vrijeme nisu apsolutni kako se dotad mislilo. Nadalje, svi opažači ne mjere uvijek isto vrijeme nego ono može biti modificirano ovisno o gibanjima. No, čim je napravio specijalnu teoriju relativnosti, Einstein je uvidio da Newtonova teorija gravitacije ne poštuje principe na kojima je ona izgrađena - kazao je Smolić. Istaknuo je da je zatim Einstein pokušao izgraditi teoriju gravitacije koja poštuje specijalnu teoriju relativnosti.

- To je bio dugotrajan proces tijekom kojega je Einstein pokušavao napraviti matematički model i gravitacijsku jednadžbu. Naposljetku je u tome uspio - rekao je Smolić.

- Unatoč raširenom mitu, Einsteinova teorija gravitacije nije ‘oborila’ raniju Newtonovu teoriju nego ju je proširila na onu domenu, primjerice snažna gravitacijska polja, gdje se ona pokazala neadekvatnom - dodao je Smolić.

Orbita Merkura

Prva eksperimentalna potvrda opće teorije relativnosti bilo je izvrsno slaganje s promjenama u orbiti planeta Merkura koje su opažene u 19. stoljeću. Naime, točka u kojoj se Merkur najviše približava Suncu (perihel) zakretala se pomalo nakon svakog obilaska. Ova pojava nije se mogla objasniti Newtonovom teorijom pa se dugo smatralo da postoji jedan neopažen planet, nazvan Vulkan, koji utječe na orbitu Merkura. - No, onda je to objašnjenje palo u vodu jer se pokazalo da promjene u Merkurovoj orbiti elegantno objašnjava opća teorija relativnosti - naglasio je Smolić.

Među ostalim, iz Einsteinove opće teorije gravitacije proizlazi da se svemir ili širi ili sažima. No, kako Einstein nije bio kozmolog, prihvatio je opće uvjerenje da je svemir nepromjenjiv i vječan.

- Einstein je 1917. godine pokušao uvođenjem tzv. kozmološke konstante ‘naštimati’ jednadžbu da svemir bude statičan. No, 1929. godine američki astronom Edwin Hubble otkrio je da se svemir širi pa je statično rješenje jednadžbe palo u vodu. Sam Einstein poslije je priznao da mu je to bila ‘najveća glupost u životu’ - rekao je Smolić.

Jedan od najboljih suvremenih primjera koji potvrđuje opću teoriju gravitacije jest GPS (globalni položajni sustav).

- Kod GPS sustava je važno jako precizno znati razliku u vremenu koje protječe nama na površini Zemlje i satelitu koji kruži te nam služi za pozicioniranje. Prema općoj teoriji relativnosti, što smo dublje u gravitacijskom polju, to nam vrijeme sporije protječe u odnosu na onoga tko je gore više - pojasnio je Smolić.

- Ta razlika između satelita i nas na Zemlji iznosi jednu nanosekundu, što izgleda nebitno. No, ako želimo preciznost GPS sustava na do jednog metra, onda nam je to potrebna preciznost. Opća teorija relativnosti daje točno tu korekciju koja je potrebna za navođenje automobila na cesti dok se vozi - dodao je Smolić.

Tko je treći?

Naš sugovornik istaknuo je da je razvoj opće teorije relativnosti u njenim prvim desetljećima bio iznimno spor proces.

- Problem je što je opća teorija relativnosti jako matematički komplicirana i nakon 1915. godine nije postojao jaki zamah u rješavanju svih problema koji proizlaze iz nje - ustvrdio je Smolić. U knjizi “Kratka povijest gotovo svega” Billa Brysona navodi se kako je jedan novinar pitao britanskog astronoma sir Arthura Eddingtona je li istina da je on jedan od samo trojice ljudi na svijetu koji mogu shvatiti Einstenovu specijalnu i opću teoriju relativnosti. Eddington se na trenutak zamislio. - Pokušavam se sjetiti tko bi bio onaj treći - odgovorio je Eddington.

Jedan od konceptualnih problema opće teorije relativnosti tijekom njezinih prvih pedesetak godina bilo je i razumijevanje objekata koji su se pojavili među rješenjima Einsteinove jednadžbe.

- Američki fizičar J. A. Wheeler 1967. godine tim je objektima nadjenuo ime crne rupe. One su dijelovi prostor-vremena iz kojih ništa, uključujući svjetlost, ne može pobjeći. Isprva se na crne rupe gledalo kao na matematički kuriozitet koji ne opisuje nijedan fizikalno realističan objekt u svemiru - rekao je Smolić. - Naime, zvijezde, nakon što je potrošena materija koja im je bila na raspolaganju za fuzijske procese, prelaze u fazu brzog kolapsa pod utjecajem gravitacijske sile koja ih ‘steže’. Naivno očekivanje je bilo kako se taj kolaps uvijek mora zaustaviti u formi objekta konačne gustoće pa su singulariteti u crnim rupama tek neizravni artefakt ‘presimetričnih’ prostor-vremena - dodao je Smolić.

Jednostavne crne rupe

Pedesetak godina nakon što je Einstein lansirao opću teoriju relativnosti ona je inspirirala tada mladog britanskog genijalca Stephena Hawkinga i njegova kolegu Rogera Penrosea.

- Njih dvojica napravili su veliki iskorak u drugoj polovici 1960-ih tzv. teoremima o singularitetu. Njihov zaključak je da pod razumnim pretpostavkama gravitacijski kolaps neizbježno vodi u formiranje singulariteta - rekao je Smolić. Istaknuo je da je radovima Hawkinga i Penrosea krajem 1960-ih počelo zlatno doba teorije relativnosti koje će rezultirati nitom presudnih rezultata o prirodi gravitacijskog polja.

- Jedan od važnih zaključaka je da su crne rupe, u kontrastu sa zvijezdama od kojih su potekle, iznimno jednostavni objekti. J. A. Wheeler je ovaj zaključak anegdotalno komentirao tvrdnjom da crne rupe ‘nemaju kosu’ - ispričao je Smolić.

Naš sugovornik istaknuo je da je zlatno doba opće teorije relativnosti otvorilo renesansu znanstvene aktivnosti u gravitacijskoj fizici. - U proteklih nekoliko desetljeća istražen je nepregledan niz rješenja Einsteinove gravitacijske jednadžbe. Nadalje, u svim dosadašnjim pokusima provjere opće teorije relativnosti, uključujući eksperimente sonde Gravity Probe B 2004. i 2010. godine, do danas nije pronađeno nijedno statistički značajno odstupanje - ustvrdio je Smolić. - No, sada, na početku 21. stoljeća, pred nama opet zjape velika otvorena pitanja o gravitaciji. Očekuje se da bi nadograđeni interferometrijski uređaj Advanced LIGO, u pogonu od rujna ove godine, mogao uskoro opaziti gravitacijske valove i time omogućiti pogled u cijeli niz novih astrofizičkih pojava. Isto tako, predstojeći eksperimenti, poput projekta Event Horizon Telescope, omogućit će pobliže ispitivanje predviđenih svojstava crnih rupa - zaključio je Ivica Smolić.

Izdvajamo