20 ноември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Преоткриването на Теорията на относителността на Айнщайн в следвоенния период

Алберт Айнщайн: 100 години Теория на относителността

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 07 ноември 2015 в 11:33100702
Алберт Айнщайн във Виена (1921) Снимка: Wikimedia Commons

Специалисти по научна история от Департамент I на Института Макс Планк за история на науката проучват преоткриването на Айнщайновата Теория на относителността в следвоенния период.

През ноември 1915 Алберт Айнщайн представя своята Теория на гравитацията, която му носи световна слава, продължаваща и до днес. По друг начин обаче протича историята на неговата Обща теория на относителността, която губи своята атрактивност през 20-те години на миналия век и едва през 50-те преживява подем. Учени от Института Макс Планк правят преглед на това удивително развитие.

През 2015 развитието на Общата теория на относителността се почита за стотен път. През ноември 1915 Алберт Айнщайн в продължение на седмица представя пред Пруската aкадемия на науките доклади, в които извежда основните уравнения на своята нова теория и разглежда тяхното приложение във връзка с прецизиране перихелия на орбитата на Меркурий.

Четири години по-късно едно от основните предположения на теорията – изкривяването на светлината под действие на гравитационното поле на Слънцето – намира своето впечатляващо потвърждение по време на ръководена от Артър С. Едингтън експедиция за наблюдение на слънчево затъмнение на остров Принципи. Буквално за една нощ Айнщайн се превръща в международна знаменитост и оттогава е смятан за олицетворение на гениалния учен.


Двама велики учени в разговор: По време на пълното слънчево затъмнение на 29-ти май 1919 Сър Артър Едингтън (вдясно) потвърждава Общата теория на относителността на Айнщайн, като потвърждава отклонението на звездната светлина от гравитационното поле на Слънцето. Снимката на двамата учени е направена през 1930 в британския университет Кеймбридж. © AKG.

Тази безподобна история на успеха често е разказвана и изследвана детайлно. Малко позната е по-нататъшната история на Общата теория на относителността, която именно в сравнение с това впечатляващо начало приема на пръв поглед необичаен обрат. Защото след първоначалния бум научният историк Джийн Айзенщед открива един застой в интереса и иследването на теорията. Тази фаза продължава от около средата на 20-те до средата на 50-те години и е наречена „low-watermark period” (от англ. „най-ниска точка на отлива“).

Този застой е последван от невероятно подновяване на интереса, което физикът Клифърд Уил обозначава като „Ренесанс“ на Теорията на относителността: Дотогава тя е прилагана предимно с оглед изчисляване на съвсем малки корекции във връзка с Нютоновата теория на гравитацията в рамките на нашата Слънчева система. От този момент нататък тя добива значение за описанието на значително отдалечени космически тела.

Техните неочаквани характеристики се разкриват с помощта на нови, създадени на основата на теорията концепции: като например моделът на черните дупки – астрономически обект с толкова силно гравитационно поле, че не пропуска дори светлината.


Изображението на отдалечена галактика се изкривява до т.нар. пръстен на Айнщайн, базиращ се на ефекта на гравитационната леща, предсказан от Айнщайн на основание неговата Обща теория на относителността. Източник: Wikimedia Commons.

През 60-те и 70-те години Общата теория на относителността отново привлича вниманието. Половин век след триумфа на Айнщайн учени, занимаващи се с тази теория и с черни дупки, стават супезвезди на физиката, като сред тях първо място заема англичанинът Стивън Хокинг.

За да проучи тази историческа динамика Департамент I към Института Макс Планк за история на науката учредява работна група, в която си сътрудничат историци от модерната физика и международни експерти по Общата теория на относителността и нейната история. Работата, която същевременно е и част от подготовката за голямата конференция по повод юбилея през ноември (в сътрудничество с Института Алберт Айнщайн в Потсдам-Голм), кипи с пълна сила. Първите резултати от изследователския проект ще бъдат поместени в следващия брой на списание The Isis Magazine (автори: Александър Блум, Роберто Лали, Юрген Рен).

Още сега може да се каже, че тези резултати ще предоставят възможност за едно по-ясно разбиране на горе споменатите застой и възраждане на Общата теория на относителността. Голяма роля във всичко това, разбира се, имат променените условия за развитие на природните науки и най-вече на физиката след Втората световна война и Студената война. След като с разработването на атомната бомба физиците доказаха своята важност за „националната сигурност“, в следвоенния период бяха инвестирани много средства в проучвания в областта на физиката, а броят на младите физици нарасна до неимоверни размери.

Същевременно разработените по време на войната технологии разкриха съвсем нови изследователски полета. Така например разработените методи за регистриране на радиовълни намериха приложение в наблюдението на небесни тела, които неслучайно светят във видимия спектър, т.е. светлината им може да бъде регистрирана от човешкото око: Ражда се радиоастрономията. Благодарение на нея през ранните 60 години е възможно доказване съществуването на отдалечени звездоподобни обекти, проявяващи съвсем различни свойства от нашето Слънце: Тези т.нар. квазари светели толкова силно, че били видими за радиотелескопите, въпреки отдалечеността им на милиарди светлинни години. В рамките на Общата теория на относителността скоро било възприето схващането, че тяхното съществуване е свързано с наличието на черни дупки.

И въпреки че в никакъв случай не се изключвала възможността проучванията в областта на Общата теория на относителността да извлекат изгода от напредъка на физиката, около 1950 тя по-скоро се е смятала за твърде странична и неплодотворна научна област. Непосредствената полза за нея от новите астрономически наблюдения би била също толкова малка, ако новите теоретични концепции, привлечени за целите на разяснение на тези наблюдения, не бяха разработени още през късните 50 и ранните 60 години на миналия век. За да могат да станат част от това ново развитие, на физиците се налага тепърва да преоткриват Общата теория на относителността.

В десетилетията след своя застой Общата теория на относителността представлява интерес основно от математическа и философска гледна точка: Уравненията на Айнщайн, отделно от конкретни физически въпроси и на основата на комплексната си структура, дават активно поле за изява на математиците.

Същевременно със своята нова представа за изкривено времепространство тя полага основите на опити за конструиране на една унифицирана теория на цялата физика или на теория за развитие на Вселената като едно цяло (космология). Тези ранни опити обаче са инициирани предимно от основополагащи философски въпроси и в съвсем малка степен имат отношение към историята на научните изследвания във физиката.


Тази почти перфектна сфера е използвана в сателитната мисия Gravity Probe B с оглед изпробване изкривяването на времепространството в близост до Земята, предсказано от Айнщайн в неговата Обща теория на относителността. Тук се вижда как сферата пречупва изображението на откривателя на тази теория; Wikimedia Commons.

През 50-те години това започва да се променя: Развитието на човешката мобилност прави възможна срещата на международни учени, които преди това сравнително изолирано работят върху гранични проблеми от физиката на основата на Общата теория на относителността. Ключово събитие в тази насока е конференцията в Берн през 1955, която поставя началото на създаването на международна общност от физици, нарекли себе си „релативисти“.

Конференцията се провежда по повод 50 години от появата на Специалната теория на относителността и Алберт Айнщайн, разбира се, е предвидено да бъде почетен гост. Неговата смърт няколко месеца преди конференцията участниците възприемат като знак, че продължаването на традицията на Айнщайн сега е в техни ръце.

Опитите за институционализиране на тази общност през следващите години – чрез провеждане на редовни конференции, издаване на специализирани списания и посредством оживен обмен на млади учени между отдалечените центрове за провеждане на проучванията – се извършват частично по примера на утвърдени поддисциплини във физиката като напр. ядрената физика. За разлика от нея обаче на това общество, нарекло себе си „Общество по обща относителност и гравитация“ (на англ. „General Relativity and Gravitation Community“), му предстои в много по-голяма степен само да открие себе си, което означава, че именно в областта на международното сътрудничество то играе също и ролята на предводител.

За да може да бъде учредено подобно общество, се налага физиците да си поставят общи цели. И тук на преден план излизат физични въпроси. Пример за това е изчислението и вероятното доказателство за наличие на гравитационни вълни, както и гравитацията на много плътни, масивни звезди.

Поставяйки подобни въпроси на дневен ред, физиците-релативисти изграждат връзки с други поддисциплини на физиката, защото подобни плътни обекти биха могли и би трябвало да бъдат обяснени и чрез методите на ядрената физика. Също така те развиват теоретични понятия, които посредством астрономическите открития в ранните 60 години на миналия век по впечатляващ начин затвърждават мястото на Общата теория на относителността като емпирична, физическа теория с неочаквано голям обхват на приложение. Статус, който циментира нейната позиция и през следващите 50 години от историята й.

Директор на таванския етаж

Още в решаващата фаза от неговия живот, а именно завършването и представянето пред обществеността на Общата теория на относителността преди 100 години, Алберт Айнщайн трябвало да стане директор на новооткрития Институт по физика Кайзер Вилхелм, но Първата световна война отлага това намерение.

На 25-ти ноември 1915 Алберт Айнщайн представя пред Пруската академия на науките в Берлин своя паметен доклад, завършващ със следните думи: „С това като логическа институция Общата теория на относителността най-накрая е завършена.“ Следват дни и седмици на кипящо въодушевление. В присъствието на свои приятели Айнщайн екзалтирано разказва, че теорията „се отличава с несравнима красота“ и неговите най-смели мечти са се превърнали в реалност. Той уверява физика Арнолд Зомерфелд, че това е „най-ценната находка в неговия живот“.


Двама велики умове в науката: Фриц Хабер (вляво) и Алберт Айнщайн в Берлин през 1914. Години по-рано Хабер се застъпва за откриването на институт по физика към Обществото Кайзер Вилхелм, чието учредяване по-късно през 1917 – с Айнщайн като директор – наистина става реалност. © Исторически архив на Общество Макс Планк, Берлин

Слушателите обаче не споделят тази негова оценка. Дори Макс Планк и Макс фон Лауе, които винаги са подкрепяли Айнщайн, остават скептично настроени. „Свободният, неограничен поглед върху нещата изобщо не е присъщ на (израсналия) германец“, пише две години по-рано Айнщайн на своя приятел Мишел Бесо. Въобще необходима ли е била нова теория на гравитацията, след като Нютоновото виждане за света е функционирало толкова добре в продължение на повече от два века и всичко изглежда било обяснено?
Исак Нютон описва гравитацията във формата на далечно взаимодействие: Две тела като Земята и Луната са свързани помежду си посредством невидима нишка. По какъв начин обаче се е пренасяла силата, е било неизвестно. Освен това изведените от Нютон формули създават впечатлението, че гравитационната сила може да достигне незабавно – без отлагане във времето – която и да било точка, независимо от нейната отдалеченост. Това е в противоречие със Специалната теория на относителността от 1905, според която нито едно физично явление не може да се разпространява със скорост, по-голяма от скоростта на светлината.

Описанието на Айнщайн за силата на привличане, наречена с физичното понятие гравитация, е съвсем различно. Според него гравитацията е характеристика на времето и пространството: Материята изкривява пространството около себе си, а пространството предизвиква определени движения на материята. Луната обикаля около Земята не защото невидими гравитационни линии свързват двете небесни тела, а защото Земята и Луната изкривяват заобикалящото ги пространство както желязно топче издува опъната гумена мрежа и при това те се движат една около друга в така създадените вдлъбнатини.

Гравитацията е свойство на пространството и времето или по-точно на геометрията на пространството и времето. С това тя е нещо неповторимо: Всички други природни сили действат във времето и в пространството. Гравитацията е пространство и време. Отначало скептично настроеният Макс фон Лауе по-късно пише: „Изкривеното времепространство в никакъв случай не е математическо откритие, а реалност, на която се основават всички физични процеси. Това откритие е най-голямото постижение на Алберт Айнщайн.“
Почти толкова изумителен като резултата е и извървеният път. Айнщайн развива своята теория на гравитацията почти сам. Само един път той се допитва до своя приятел Марсел Гросман, когато не успява да се ориентира в математическия гъсталак. За радост Гросман знаел от какво се нуждае Айнщайн, а именно математиката на изкривените пространства, развита в средата на 19-ти век в Гьотинген от Бернхард Рийман.

Какви заблуди преживява Айнщайн в процеса на развиване на теорията за гравитацията, разглеждат в средата на 90-те години на миналия век Юрген Рен и Тилман Зауер от Берлинския Институт Макс Планк за история на науката в сътрудничество с колеги от САЩ. Като основа им служат записките на Айнщайн в бележник, който ученият е водел от лятото на 1912 до пролетта на 1913 в Цюрих. От тях става ясно, че Айнщайн е извел правилните уравнения още в края на 1912, но поради заблуда ги е отхвърлил. Причина за това било условието на Айнщайн, че Нютоновата формула трябва да се съдържа като гранична стойност за много слаби гравитационни сили в новата теория. При това извеждане на граничната стойност Айнщайн просто допуска грешка при изчисление, която забелязва едва през 1915.

Още през юли 1913 Макс Планк и Валтер Нернст проучват, дали Айнщайн, по това време професор по теоретична физика в ETХ Цюрих (един от водещите университети за технически и природни науки), би имал интерес да започне работа в Пруската академия на науките. Освен това трябвало да стане и директор на планирания за учредяване институт към Общество Кайзер Вилхелм. Айнщайн приема предложението, тъй като е заинтригуван от разкриващата се възможност да се занимава единствено с научна дейност без ангажимент за обучаване на студенти. Не без значение обаче била и възможността, която се откривала пред него – да живее в близост до братовчедка си Елза, в която се бил влюбил по-рано при едно свое посещение в Берлин.

Колегите-учени се надяват чрез Айнщайн Квантовата теория, която обещавала големи шансове за научен и технически прогрес, да получи нов импулс. От своя страна Айнщайн изразява колебания, дали въобще би могъл да „открие златното яйце“ в тази област. Най-вече защото изобщо няма желание да се занимава с квантова физика, което колегите му скоро усещат: „Явно Айнщайн толкова се е вглъбил в гравитацията, че е глух за всичко останало“, отбелязва примирено математикът Дейвид Хилбърт.

Обществото Кайзер Вилхелм е основано малко преди това, през юни 1911. Идеята на неговите институти е да се занимават основно с научни проучвания, поради което щели да бъдат щедро оборудвани, отчасти благодарение на даренията от предприемачи и банкери. Към първите институции спадат Институтът по физическа химия и електрохимия, както и Институтът по химия – и двата в град Далем. А сега имало добри изгледи за учредяване и на Институт по физика.

Корифеи като Фриц Хабер, Валтер Нернст и Макс Планк застават зад учредяването на подобна институция и на 21-ви март 1914 сенатът на Общество Кайзер Вилхелм взима решение за нейното изграждане. От решаващо значение е съгласието на Фондацията на банкерите и на индустриалеца Леополд Копел да предоставят на разположение сграда и да поемат една трета от разходите. Друга една трета щяла да поеме Пруската държава.

Скоро обаче се оказва, че плановете са просто брътвежи: На 31-ви юли 1914 министерството на финансите отказва по-нататъшно финансиране на проекта. А на следващия ден започва Първата световна война. С това проектът временно е замразен. Въпреки това Айнщайн заминава за Берлин: „Около Великден заминавам за Берлин като академик без каквито и да било задължения, нещо подобно на жива мумия. Радвам се, че ще имам такава трудна професия!“, пише той до своя приятел и колега Якоб Лауб.


Директор на покривния етаж: От 1917 до 1922 Алберт Айнщайн ръководи Института по физика Кайзер Вилхелм. Ежедневният му път до работа не е дълъг – институтът се помещава в жилището на Айнщайн в Шойнеберг. © S. Tamaru / Исторически архив на Общество Макс Планк, Берлин

По щастлива случайност Институтът по физика все пак е учреден на 1-ви октомври 1917, след като берлинският индустриалец Франц Щок предлага дарение от 540 000 марки. Всъщност Айнщайн не се разполага в пищна сграда, а като директор се помещава в собственото си жилище на Хаберландщрасе 5 в Шойнеберг. Там той живее врата до врата с братовчедка си Елза.

Организацията на този институт значително се отличава от тази на останалите институти Кайзер Вилхелм. Той се управлявал от две комисии: шестчленна попечителна комисия и дирекция, към която спадал Айнщайн. Впрочем Айнщайн правел всичко възможно за свеждане на срещите до минимум. По време на неговата дейност от 1917 до 1922 членовете на дирекцията заседавали само 11 пъти.

За разлика от останалите институти годишният бюджет трябвало да бъде използван основно за финансово подпомагане на актуални изследователски проекти в чужди институти във всички възможни области на физиката. От Айнщайн се очаква да даде нови импулси за решаване на теоретични въпроси. Той обаче не се чувства щастлив с тези свои задължения. Айнщайн почти няма финансова свобода, а дирекцията не е склонна да финансира проекти, свързани с проверка на Общата теория на относителността.

От 1918 до 1922 Институтът по физика Кайзер Вилхелм подпомага с около ¾ от общите разходи проекти, които под някаква форма имат отношение към квантовата теория. „Ясно е, че Институтът по физика има значителен принос за напредъка на физиката“, заключава Джузепе Кастанети от Института Макс Планк за научна история, разработил преди няколко години историята на Института по физика Кайзер Вилхелм.

В крайна сметка се оказва, че Алберт Айнщайн не е подходящата личност за ръководене на подобен институт. Той не показва интерес към стартиране на нови проекти и обединяване на учените около тяхното реализиране. Затова през 1922 се отказва от ръководната си позиция, на която застава Макс фон Лауе. Само няколко месеца по-късно някогашният „директор на институт без сграда“ е удостоен с Нобеловата награда за физика.

Източници:

Die Neuerfindung der Einsteinschen Relativitätstheorie in der Nachkriegszeit
Die Renaissance der Relativität
Direktor im Dachgeschoß.


Препоръчани материали
Кирил Марков 08.03 2016 в 13:40 2
+ 1
- 3
Тази така наречена теория е най-голямата заблуда в историята на човечесттвото, която доста дълго време
кара вярващите и да тъпчат на едно место, вместо да еволюират с крайно ускорени темпове. Аз мога да дам примери защо скоростта на светлината никога до сега не е била и няма да бъде костанта. Лъжците в науката от миналия век не са могли да разсъждават логично по този въпрос. Това вече се разбира от съвременното научно общество и колкото по-вече се пише, че теорията е вярна, толкова по-вече се изтъква нейната абсолютна лъжливост. Но по-добре че теорията се смята за вярна, от колкото да еволюират хора, които не могат нито да мислят, нито да измерват точно съответно.
Нафарфоний 08.11 2015 в 20:02 1
+ 7
- 0
Изкривяването на светлината под влияние на гравитацията е предположено дълго преди Айнщайн (още от Кавендиш и др.)! Пробивът на теорията на относителността е, че го обяснява количествено правилно, а не че го „предполага“.
 
Още от : Физика
10 ноември 2019 в 10:200
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.