115 éve fejtette meg Einstein az időlassulás rejtélyét

2020.07.01. 06:13

Albert Einsteint a 20. század és az egyetemes tudománytörténet egyik legnagyobb alakjaként tartják számon. Ő dolgozta ki a speciális és az általános relativitáselméletet, úttörő jellegű munkásságával pedig nagymértékben hozzájárult a kvantumfizika, a statisztikus mechanika valamint a modern kozomológia alapjainak lefektetéséhez. Száztizenöt éve, 1905.június 30-án jelent meg az az alapvető fontosságú és a hagyományos newtoni fizikát meghaladó dolgozata, amely megteremtette az idő, a távolság, a tömeg és az energia valamint az elektromágnesesség közötti összhangot. A speciális relativitáselmélet új fejezetet nyitott az elméleti fizikában, és a világegyetemről alkotott addigi felfogásban.

"Több dolgok vannk földön és égen, Horatio, mintsem bölcselmetek álmodni képes"

(William Shakespeare: Hamlet)

Négy Nobel-díjat érő felfedezés, huszonhat évesen

A berni székhelyű Svájci Szabadalmi Hivatal ifjú munkatársa, a fizikus végzettségű Albert Einstein számára az 1905-ös esztendő különösen termékeny évnek bizonyult. Az ifjú zseni 1905-ben ugyanis

négy olyan alapvető fontosságú dolgozatot publikált, amelyekkel megalapozta a modern fizikát.

 

Albert Einstein 1905-ben alkotta meg a speciális relativitás elméletét, amit 1915 novemberében az általános relativitáselmélet követettForrás: Wikimedia Commons/Ferdinand Schmutzer

A tudománytörténészek szinte kivétel nélkül egyetértenek abban, hogy e négy dolgozat közül minimum három, a Brown-mozgásról, a fényelektromos jelenségről, valamint a speciális relativitáselméletről publikált munkája egyenként is megérdemelte volna a Nobel-díjat. (Albert Einstein 1921-ben végül a fényelektromos jelenséggel kapcsolatos felismerései miatt kapta meg a fizikai Nobel-díjat.)

Négy Nobel-díjat is kiérdemelt volna az egy év alatt megírt négy tanulmányávalForrás: Wikimedia Commons/University of Berlin

Einstein 1905-ben harmadikként publikált dolgozata laikus fül számára a nem túl izgalmasan hangzó „A mozgó testek elektordinamikájáról" (Zur Elektrodynamik bewegter Körper") címet viselte,

ám ez a tanulmány, ami a speciális relativitás elméletként vált közismertté,

olyan új axiómákat fogalmazott meg, amelyek mind a mai napig a modern elméleti fizika és kozmológia legfontosabb alapjai közé tartoznak.

Matematikailag sikeresen modellezte, de nem értette  meg

Már 1887-től,  a Michelson-Morley kísérlet óta heves indulatos viták tárgyát alkotta egy fennálló, és a kor elméleti fizikusai által megválaszolhatatlannak tűnő rejtély. Albert Michelson valamint Edward Morley amerikai fizikusok 1887-ben kísérleti módon akarták meghatározni a Földnek az úgynevezett éterhez, illetve az abszolút térhez viszonyított sebességét.

Albert Michelson amerikai Nobel-díjas fizikusForrás: Wikimedia Commons/Bunzil/English Wikipedia

 Az éter a csillagközi teret kitöltő olyan hipotetikus közeg, amelyben az elektromágneses hullámok terjednek.

Az éter létezését arra a feltevésre alapozták, hogy minden hullámnak szüksége van valamilyen közegre a tovaterjedéséhez,

ezért a kor, a 19. század fizikusai úgy vélték, hogy az éter az egész, úgynevezett abszolút teret kitölti. A Michelson-Morley kísérlet mutatta ki először, hogy a fény állandó sebességgel terjed, és a fénysebesség nem függ a megfigyelő mozgásától, ami a klasszikus newtoni mechanika alapján lehetetlen.

Michelson és Morley interferométereForrás: Wikimedia Commons/ Western Reserve University

George Francis Fitzgerald ír fizikus 1894-ben felvetette, ha azt feltételezzük, hogy a testek megrövidülnek a mozgás irányában,

akkor a Michelson-Morley kísérlet eredménye is megmagyarázhatóvá válik.

Fitzgerald elképzelésének Hendrik Lorentz Nobel-díjas holland fizikus adott matematikai formát, a róla elnevezett Lorentz-transzformációval.

George F. Fitzgerald ír elméleti fizikusForrás: Wikimedia Commons/Oliver Heaviside

Albert Einstein a probléma megoldásához két korábbi axiómából indult ki.

Az egyik Galileo Galilei, a 16. század végén illetve a 17. század elején alkotó olasz fizikus tétele, miszerint a természeti törvényeknek minden, egymáshoz képest egyenletesen mozgó megfigyelő számára azonosnak kell lenniük.

Hendrik Antoon Lorentz holland Nobel-díjas fizikusForrás: Wikimedia Commons/Royal Library

A másik, hogy a vákuumbeli fénysebesség valamennyi, inerciarendszerben lévő megfigyelő számára azonos.(A mechanikában inerciarendszernek nevezzük azt a vonatkoztatási rendszert, amelyhez viszonyítva egy test mozgására érvényes Newton első törvénye, vagyis a tehetetlenségi törvény.)

A természettörvények minden inerciarendszerben azonosak

Einstein elvetette az éter fogalmát és rájött, hogy a vákuumbeli fény bármilyen inerciarendszerben minden irányban ugyanazzal sebességgel, az általa c-vel jelölt fénysebességgel terjed, függetlenül a fény frekvenciájától, az észlelő vagy a detektor, illetve a fényforrás sebességétől.

Einstein 1905-ben a modern fizikát megalapozó négy, tudománytörténeti jelentőségű tanulmányt is publikált. Rájött, hogy a fény sebessége minden inerciarendszerben állandó a megfigyelő és a rendszer mozgásától függetlenülForrás: Wikimedia Commons

Ez a tétel ellentmondott a sebesség-összeadás korábbi klasszikus elméletének (egy szemléltető példával megvilágítva a fentieket: az álló autó fényszórójából kiáramló fény sebessége pontosan akkora, mint egy 180 km/órás sebességgel száguldó autóénak, a gépkocsi sebességének nincs semmilyen hatása a fény sebességére), de magyarázatot adott a Michelson-Morley kísérletre, illetve a Lorentz-transzformációra is.

Einstein felismerései új alapokra helyezték a kozmológiátForrás: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

A speciális relativitáselméletből következően a természeti törvények minden inerciarendszerben azonosak, csakúgy, mint az azokat leíró egyenletek is.

A speciális relativitás einsteini elvének van egy másik fontos következménye,

mégpedig, hogy nem létezik semmilyen abszolút nyugvó vonatkoztatási rendszer, azaz nincsen abszolút tér sem.

Albert Einstein fogalmazta meg abszolút állandóként a fénysebességetForrás: Wikimedia Commons/Congress Library

Einstein arra is rájött, hogy ha a kölcsönhatások terjedésének van maximális sebessége, akkor a speciális relativitás elve szerint ez minden inerciarendszerben állandó. Ez az állandó pedig a fény vákuumbeli sebessége, aminél egyetlen test sem haladhat gyorsabban.

Ikertestvérek, akiket szétválaszt a téridő

Az abszolút értéknek tekinthető vákuumbeli fénysebességhez más érdekes következmények is kapcsolódnak, amelyek közül talán az iker vagy az óraparadoxon a legérdekesebb.

Mindkettő a speciális relativitáselméletből következő jelenség,

amelyek lényege, hogy a fény terjedési sebességhez közeli tartományban másként telik az idő, mint egy ettől eltérő rendszerben.

Albert Einstein és Nathan Rosen. Az einsteini speciális relativitásból következik az óra és ikerparadoxon jelenségeForrás: AFP

Az ikerparadoxon népszerű példája szerint két ikertestvér közül az egyik űrutazásra indul egy közel fénysebességgel haladó űrhajó fedélzetén, míg a másikuk a Földön marad. Ugyanolyan összehangolt órákkal mérik az időt, ám az űrutazásról hazatérő ikertestvér azt fogja tapasztalni,

hogy számára hiába telt el csak viszonylag rövid idő, de már nem egyidősek,

mert a Földön maradt testvére jelentősen megöregedett, vagy esetleg idős kora miatt már meg is halt.

Minél távolabbi objektumot pillantunk meg az univerzumban, az időben is egyre távolabb jutunk a múltbanForrás: NASA

A speciális relativitáselmélet szerint a „jelen", vagyis az egyidejűség maga is relatív, mert a viszonyítási rendszertől függő fogalom.

A téridő – amelynek fogalmát Einstein egy évtizeddel később, az általános relativitáselméletben állította fel – , tér és idődimenziója ugyanis nem választható szét, mert mindig a viszonyítási rendszertől függ, hogy a négydimenziós téridő melyik metszete felel meg éppen a jelennek.

Lesz-e valaha is lehetőség a csillagközi utazásokra?

A vákuumbeli fénysebesség mint abszolút állandó, valamint az ikerparadoxon is érdekes kérdéseket vet fel egy lehetséges jövőbeli csillagközi utazással kapcsolatban.

A csillagközi űrutazás egyelőre csak a sci-fi alkotásokban létezikForrás: wikimedia.org

A világegyetemben még egy-egy adott csillagrendszeren belül is emberi fogalmak szerint felfoghatatlanul nagyok a távolságok;

így például a szűkebb galaktikus otthonunk, a Tejútrendszer két pereme közötti távolság is majdnem eléri a százezer fényévet.

( A fényév a fény által egy év alatt megtett távolságot jelenti, viszonyításként, egy másodperc alatt a fény kerekítve 300 ezer kilométert tesz meg.)

A Tejútrendszer a szűkebb kozmikus hazánkForrás:https://www.space.com/19915-milky-way-galaxy.html

A hozzánk legközelebb fekvő, és a Tejútrendszerhez nagyon hasonló spirális szerkezetű csillagváros, az Androméda-galaxis távolsága pedig már 2,5 millió fényév, vagyis, ha „szomszédolni" szeretnénk, ennyi időbe telne, amíg egy fénysebességgel haladó űrhajóval odaérnénk.

A galaxisunkhoz legközelebbi, a Tejútrendszerhez hasonló spirális szerekezetű csillagváros az Androméda-galaxis. Mellette két szatellitgalaxist lehet megfigyelniForrás: Adam Block/University of Arizona

Eltekintve a fénysebesség közeli sebességtartomány elérésének technikailag ma még megoldhatatlan problémájától, ezért is erősen kérdéses a csillagközi űrutazások megvalósíthatósága. Albert Einstein világa ugyanis nagyon távol áll a fantázia, a sci-fi birodalmától.