Relativitetsteorien 100 år

I dag, 25. november er det 100 år siden Albert Einstein la fram hovedpunktene i den generelle relativitetsteorien (GR) for det Prøyssiske Vitenskapsakademiet i Berlin. Den var en komplettering av den spesielle relativitetsteorien (SR) fra 1905 som beskriver hva som skjer med tid, masse og lengde ved stor fart. Det som gjør GR generell er at den også omhandler akselererte systemer. Teorien er og en videreutvikling av Newtons arbeider. Ved liten avstand og svake gravitasjonsfelt er GR sammenfallende med Newtons gravitasjonsteori. Jeg vil forsøke å belyse noen få av de praktiske problemer som er løst ved hjelp av Einsteins teorier.
Tidlig på 1600-tallet forsto Galilei at lys ikke beveger seg uendelig fort. Einstein bygde videre på dette og postulerte at denne hastigheten er en universal konstant som er uavhengig av hva en måler i forhold til. Det vil si at en vil få nøyaktig samme resultat enten en måler farten til lyset fra sola i et observatorium på jorda eller i et romskip som beveger seg mot sola med en fart på 99 % av lyshastigheten. Eller 99,9 % av lyshastigheten osv. Vi benytter og lyshastigheten som lengdemål i og med at vi definerer en meter som en bestemt brøkdel av den avstanden lyset beveger seg på et sekund.
Einstein arbeidet på patentkontoret i Bern fra 1903-10. Kontoret lå i en fem etasjers bygning og en dag i 1907 tenkte Einstein: Hvis en person faller ned fra taket her vil han ikke kjenne tyngde. I ettertid kalte dette sin lykkeligste tanke og utledet ekvivalensprinsippet fra denne: Det å være i fritt fall mot jorden er ekvivalent med å være i et romskip i vektløs tilstand. Å være i et romskip som akselererer er ekvivalent med å stå stille på jordoverflaten. Tenk på hva som skjer med følelsen av tyngde når du er i en heis som akselererer nedover. Tenk så på hvor lett en vil føle seg, i hvert fall en liten stund, om heisvaieren ryker.
De forholdsvis enkle postulatene om lyshastigheten og ekvivalensprinsippet var grunnlaget for alt det videre arbeidet fram til GR. Det geniale med Einsteins teori var at alt var tankeeksperimenter og matematikk. Det er og viktig å ha med seg at det samtidig med Einstein var store matematikere som arbeidet videre med Einsteins ligninger og fant løsninger Einstein ikke greide å finne, men det var Einstein så sammenhengene mellom fysikken og matematikken. På dødsleiet skal han ha sagt at han skulle ønske han hadde lært seg mer matematikk
300 år tidligere hadde den tyske astronomen, astrologen og matematikeren Johannes Kepler fastslått at planetene beveger seg i elliptiske baner rundt solen. Han hadde den danske observatøren Tycho Brahes svært nøyaktige observasjonsdata som grunnlag. Planetene påvirker hverandre slik at det punktet der planeten er lengst fra solen (perihelium) flytter seg litt for hver omdreining, dette kalles planetbanenes perihel-presesjon. Den franske matematikeren Le Verrier (som forutsa planeten Neptun) beregnet Merkurs teoretiske presesjon. Han og andre fant ut at den observerte presesjonen var 7,5 % større enn den teoretiske. Astronomer og matematikere hadde et drøyt halvsekel med hodebry. Teorier om en uoppdaget planet ble framsatt, men planeten Vulcan, ble aldri funnet. I 1915 brukte Einstein ligningene i GR og beregnet det relativistiske bidraget til Merkurs perihel-presesjon. Han fant ganske nøyaktig de 42 buesekundene Le Verrier savnet i 1859.
I følge GR beveger ikke lys seg rett fram, men blir avbøyd av gravitasjon. Den omstridte påstanden ble dokumentert av den engelske astronomen Sir Arthur Eddington under en total solformørkelse på øya Principe 29. mai 1919. Under formørkelsen tok han bilder av stjerner nær solskiva og sammenlignet med bilder tatt av de samme stjernene uten at lysbanen fra dem var påvirket av solas gravitasjon. Det viste seg at stjerner nærmest den formørkede solskiva tilsynelatende hadde flyttet seg litt vekk fra sola. Det var et hardt slag for England når Eddington i november samme år la fram resultatene for the Royal Society i London. Hadde den engelske astronomen bevist at den tyske jøden hadde rett og at Newton tok feil? Einstein selv var svært nøye på at hans resultater var en videreutvikling av arbeidene til blant andre Galileo, Newton og Maxwell. Han skrev selv at: «there are no eternal theories in science»
En annen kontroversiell tanke var at selve tiden blir påvirket av gravitasjon. I den spesielle gravitasjonsteorien hadde Einstein fastslått at tiden går saktere i et objekt i bevegelse i forhold til et objekt i ro. For å vise gravitasjonens påvirkning på tiden la han fram et genialt enkelt resonnement i 1911: Se for deg et romskip som har vindu foran og bak og beveger seg mot en lyskilde med økende fart. I løpet av et sekund kommer f.eks ti bølgelengder av lyset inn gjennom vinduet foran. Siden farten øker vil det dermed komme mer enn ti bølgelengder av det samme lyset ut av det bakerste vinduet hvert sekund. Mer lys ut enn inn ville tømme romskipet for lys og var ulogisk for Einstein. Han tenkte på dette i mange uker før han konkluderte med at tiden må gå litt saktere bak i romskipet enn foran. Dette funnet er svært viktig for nøyaktigheten i GPS-navigasjon. Da NASA konstruerte satellittene var de usikre på om effekten virkelig var reell, men de bygde inn en mulighet for å korrigere. Det viste seg at Einstein hadde rett. Klokkene i satellittene viste seg å gå litt fortere enn klokker på jorden. 7 mikrosekunder saktere pr dag fordi de beveger seg svært fort (effekten fra den spesielle gravitasjonsteorien) og 45 mikrosekunder fortere pr dag fordi gravitasjonen er svakere i satellittenes banehøyde. Totalt 38 mikrosekunder for fort hver dag, eller 2,5 millisekunder pr år. Uten korreksjon ville vi ikke hatt den svært gode nøyaktigheten i GPS-systemet
Eddingtons bekreftelse av Einsteins teori førte til store avisoppslag og mange bøker som argumenterte for og imot teorien. Einstein ble historiens første vitenskapelige mediekjendis. 10. november 1919 skrev The New York Times at det er kun 12 mennesker i verden som forstår GR. Forfatteren Ludwik Silberstein begrenset dette mer og spurte Eddington etter framlegget i The Royal Society om det stemte at det kun var tre mennesker i verden som forsto GR og om han var en av dem. Eddington skal ha tenkt seg litt om og svarte litt nølende: «I wonder, who is the third?»

Advertisements