Amikor a relativitáselmélet az 1900-as évek elején megjelent, felforgatta a tudomány évszázados történelmét, és a fizikusok számára a tér és az idő új értelmezését adta. Isaac Newton a teret és az időt rögzítettnek látta, de a speciális relativitáselmélet és az általános relativitáselmélet által nyújtott új kép szerint ezek képlékenyek és alakíthatóak voltak.

Ki találta ki a relativitáselméletet?

Albert Einstein. Elméletének első részét – a speciális relativitáselméletet – 1905-ben publikálta az Annalen der Physik című német fizikai folyóiratban, és az általános relativitáselméletét csak további egy évtizedes nehéz munka után fejezte be. Az utóbbi elméletet 1915 végén egy berlini előadássorozatban mutatta be, és 1916-ban publikálta az Annalenben.

Mi a speciális relativitáselmélet?

Az elmélet két kulcsfogalmon alapul.

• Először is, a természeti világ nem enged meg “privilegizált” vonatkoztatási kereteket. Amíg egy tárgy egyenes vonalban, állandó sebességgel (azaz gyorsulás nélkül) mozog, addig a fizika törvényei mindenki számára ugyanazok. Kicsit olyan ez, mint amikor kinézel a vonat ablakán, és látod, hogy a szomszédos vonat látszólag mozog – de vajon az mozog, vagy te? Nehéz lehet megmondani. Einstein felismerte, hogy ha a mozgás tökéletesen egyenletes, akkor szó szerint lehetetlen megmondani – és ezt a fizika egyik központi alapelveként azonosította.
• Másodpercben a fény változatlan sebességgel, másodpercenként 186 000 mérfölddel halad. Nem számít, milyen gyorsan mozog egy megfigyelő, vagy milyen gyorsan mozog egy fényt kibocsátó tárgy, a fénysebesség mérése mindig ugyanazt az eredményt adja.

Elindulva ebből a két tételből, Einstein megmutatta, hogy a tér és az idő olyan módon fonódik össze, amire a tudósok korábban nem is gondoltak. Gondolatkísérletek sorozatával Einstein bebizonyította, hogy a speciális relativitáselmélet következményei gyakran ellentmondásosak, sőt megdöbbentőek.

Ha például egy rakétával száguldozunk, és elhaladunk egy barátunk mellett egy ugyanolyan, de lassabban mozgó rakétával, akkor azt fogjuk látni, hogy a barátunk órája lassabban ketyeg, mint a miénk (a fizikusok ezt “idődilatációnak” nevezik).

Mi több, a barátunk rakétája rövidebbnek tűnik, mint a miénk. Ha a te rakétád felgyorsul, a te és a rakéta tömege megnő. Minél gyorsabban mész, annál nehezebbé válnak a dolgok, és annál jobban ellenáll a rakétád az erőfeszítéseidnek, hogy gyorsabban menjen. Einstein megmutatta, hogy semmi, aminek tömege van, soha nem érheti el a fénysebességet.

A speciális relativitáselmélet másik következménye, hogy az anyag és az energia felcserélhető a híres E = mc² egyenleten keresztül (amelyben E az energiát, m a tömeget, c² pedig a fénysebesség szorzatát jelenti). Mivel a fénysebesség ilyen nagy szám, még egy kis tömeg is nagyon nagy mennyiségű energiával egyenértékű – és nagyon nagy mennyiségű energiává alakítható -. Ezért olyan erősek az atom- és hidrogénbombák.

Mi az általános relativitáselmélet?

Lényegében a gravitáció elmélete. Az alapgondolat az, hogy a gravitáció ahelyett, hogy egy láthatatlan erő lenne, amely a tárgyakat egymáshoz vonzza, a gravitáció a tér görbülése vagy torzulása. Minél nagyobb tömegű egy tárgy, annál jobban eltorzítja a körülötte lévő teret.

A Nap például elég nagy tömegű ahhoz, hogy eltorzítsa a teret a Naprendszerünkben – kicsit úgy, mint ahogy egy gumilapon nyugvó nehéz labda eltorzítja a gumilapot. Ennek eredményeként a Föld és a többi bolygó görbült pályán (pályán) mozog körülötte.

Ez a torzulás az idő mérésére is hatással van. Hajlamosak vagyunk azt gondolni, hogy az idő egyenletes ütemben ketyeg. De ahogy a gravitáció képes megnyújtani vagy eltorzítani a teret, úgy képes kitágítani az időt is. Ha a barátod felmászik egy hegytetőre, az ő órája gyorsabban ketyeg a tiédhez képest; egy másik barátodnak, aki egy völgy alján van, lassabban fog ketyegni az órája, mert a gravitáció erőssége az egyes helyeken eltérő. Későbbi kísérletek bebizonyították, hogy ez valóban így történik.

Milyennek tűnik a relativitáselmélet “a motorháztető alatt?”

A speciális relativitáselmélet végső soron egy sor egyenlet, amely összefüggésbe hozza a dolgok kinézetét az egyik vonatkoztatási rendszerben és a másikban – az idő és a tér megnyúlását, valamint a tömeg növekedését. Az egyenletek nem bonyolultabbak, mint a középiskolai matematika.

Az általános relativitáselmélet ennél bonyolultabb. A “mezőegyenletei” a tömeg és a tér görbülete, valamint az idő tágulása közötti kapcsolatot írják le, és jellemzően a felsőfokú egyetemi fizikaórákon tanítják.

A speciális és az általános relativitáselmélet tesztjei

Az elmúlt évszázadban számos kísérlet igazolta mind a speciális, mind az általános relativitáselmélet érvényességét. Az általános relativitáselmélet első nagy tesztje során 1919-ben csillagászok megmérték a távoli csillagok fényének elhajlását, amikor a csillagfény elhaladt a Napunk mellett, ezzel bizonyítva, hogy a gravitáció valóban torzítja vagy görbíti a teret.

1971-ben a tudósok Einstein elméletének mindkét részét tesztelték azzal, hogy pontosan szinkronizált atomórákat helyeztek repülőgépekbe, és körberepülték velük a világot. A repülőgépek leszállása után az órák ellenőrzése azt mutatta, hogy az utasszállító repülőgépek fedélzetén lévő órák egy kicsivel (kevesebb mint a másodperc milliomodrészével) lassabban járnak, mint a földön lévő órák.

A különbség a repülőgépek sebességéből (a speciális relativitáselmélet hatása) és a Föld gravitációs mezejének középpontjától való nagyobb távolságukból (az általános relativitáselmélet hatása) adódott.

2016-ban a gravitációs hullámok – finom fodrozódások a téridő szövetében – felfedezése az általános relativitáselmélet újabb megerősítése volt.

Relativitáselmélet a gyakorlatban

Míg a relativitáselmélet mögött álló gondolatok ezoterikusnak tűnnek, az elméletnek óriási hatása volt a modern világra.

A nukleáris erőművek és a nukleáris fegyverek például elképzelhetetlenek lennének az anyag energiává alakíthatóságának ismerete nélkül. A GPS (globális helymeghatározó rendszer) műholdhálózatunknak pedig figyelembe kell vennie mind a speciális, mind az általános relativitáselmélet finom hatásait; ha nem tennék, akkor több mérfölddel eltérő eredményeket adnának.

KÖVESSÉK AZ NBC NEWS MACH-ot TWITTEREN, FACEBOOKON ÉS INSTAGRAMON.