Геният на Алберт Айнщайн – Обща теория на относителността

Айнщайн остава запомнен като един от най-креативните хора живяли някога. Най-великите му открития са започнали с най-прости въображаеми примери.

Началото на общата теория на относителността започнала с неговата представа за падащ човек от стълба. Докато пада от нея, тялото му, си представял Айнщайн, ще се ускорява към земята, но няма да усеща теглото си, защото няма нищо, което да му оказва съпротива. 

С други думи за падащия човек няма да е по-различно от това да е някъде в космоса.

Ако този човек се намира на Земята и стъпи на кантар, той ще покаже определена тежест. Но дори и без да е на Земята, кантарът може да покаже същата тежест под краката му, ако поставим този човек в ракета която лети в космоса. Това, което си представил Айнщайн е следното:

Да приемем, че човекът се намира в стая без прозорци, така че да не вижда нищо извън нея. Нека сега поставим тази стая някъде в празното пространство на космоса и започнем да я ускоряваме „нагоре“. Колкото повече ускоряваме стаята, толкова повече ще тежи нашият човек в нея, тъй като ускорението идващо от двигателите под стаята действа като съпротива на масата на човека седящ в нея. Така, както когато сме в кола, която тръгва рязко, се залепяме за седалката.

Айнщайн осъзнал, че човекът в стаята няма как да знае дали се намира на Земята, или някъде в космоса, ако ускорението на стаята през пространството е еквивалентно на притегателната сила на Земята. 

Това го накарало да се замисли дали има някакъв начин да разбере къде се намира. Представил си как този човек застава в единия край на стаята и пуска лъч светлина от фенер към противоположната стена в другия край на стаята. 

Тъй като стаята се ускорява постоянно нагоре, то светлината би трябвало да изглежда изкривена. Това би било така, защото в момента, в който фенерът се включи и светлината от него се изстреля, тя тръгва напред по права линия, но преди да достигне противоположната стена стаята ще се е придвижила нагоре и така лъчът светлина от фенера ще удари противоположната стена по-ниско от точката от която е тръгнал, както е показано на снимката по-долу.

В последствие тези наблюдения били направени, което доказало, че пространството наистина е изкривено при наличието на голяма маса, като например масaта на планетите и звездите.

Гравитацията вече не била мистерия, а причината тя да действа по начина по който действа, е било изкривяване на пространството от материята в космоса.

Колкото по-масивна е дадена звезда, планета, небула или галактика, толкова повече изкривява пространството. Сякаш поставяте тенис топка, бейзбол топка, или боулинг топка върху платно – колкото по-тежка е топката, толкова повече ще вдлъбне платното и толкова по-силна ще е създадената гравитация. 

Планетите се въртят около слънцето, защото Слънцето е много по-масивно от тях и следователно изкривяването в пространството, което създава около себе си, е много по-голямо, което ги кара да падат към него.

Земята действа по същия начин на луната. При образуването на слънчевата ни система са съществували милиарди по-малки парчета материя, които в обикалянето си около слънцето, са се сблъсквали и сливали в продължение на милиарди години.

Резултатът е оцеляването и създаването само на няколко отличаващи се малобройни остатъци материя, които познаваме като Меркурий, Венера, Земя, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. 

Тези небесни тела са разчистили своите орбити с течение на времето от останалите парчета материя около новозародилото се слънце. Гравитацията е била демистифицирана. Тя е изкривяване на пространството от масивни обекти.

Когато по-леко тяло попадне в изкривяването на пространството създадено от по-масивно тяло, първото се устремява към него, сякаш пада надолу по пързалка. Колкото по-масивно е тялото, толкова по-голямо е изкривяването което създава, а колкото по-голямо е изкривяването, толкова по-стръмна е пързалката и толкова по-бързо става падането към него.

Черните дупки представляват обект с маса, чиято плътност е прекалено голяма, а обемът му е прекалено малък. Ако например вземем планетата Земя и я смачкаме до размерите на грахово зърно, като запазим нейната маса, ще създадем черна дупка. Тя наистина ще е изключително малка и плътна, но в момента, в който попаднем в нея, изкривяването на пространството достига безкрайност, което означава, че падането ни ще е толкова бързо, че моментално ще бъдем достатъчно разтегнати, че тялото ни да бъде разкъсано на парчета.

Черната дупка е „черна“, защото силата на гравитацията достига безкрайност и когато светлината, движейки се през пространството, достигне до черната дупка, започва да пада до безкрайност в нея.

И тъй като ние виждаме обектите чрез светлината отразена от тях, то няма как да видим нещо от което не идва никаква светлина.

Разбрахме как гравитацията е продукт от материята, но какво общо има времето с това?

Тук идва специалната теория на относителността, която си заслужава да бъде разгледана, ако читателят иска да разбере напълно текущата ни тема. Може да прочетете по-подробно относно нея ТУК.

Това, което е важно за разбирането на ролята на гравитацията за промяната на времето, е припомнянето на факта, че скоростта на светлината е постоянна. Тоест, ако дадена кола в статично положение пусне фаровете си, светлината ще започне да се движи с нейната си скорост – 300 000 км/с. Ако колата започне да се движи с 200 км/ч., то по пътя на логиката би трябвало към скоростта на светлината от фаровете да прибавим и скоростта на колата, която ѝ дава допълнително ускорение. 

Странното е, че това не се случва – скоростта на светлината си остава точно 300 000 км/с. Това важи и ако колата започне да се движи назад, докато светлината от фаровете ѝ се стрелка напред. 

Скоростта, която ще отчетем, отново си остава 300 000 км/с. 

Гравитацията, както казахме, представлява изкривяване на пространството, което можем да визуализираме в двуизмерно пространство за улесняване разбирането. 

Можем да си представим пространството в космоса като някакъв вид разпънат плат. Когато поставим масивен обект върху този плат, той ще го вдлъбне в този регион заради тежестта си, както е показано на снимката по-долу.

Когато някой външен, по-малък обект, наближи това небесно тяло, в даден момент той ще достигне вдлъбнатината, която небесното тяло е създало около него. Попадайки върху тази пързалка, външният обект ще започне да се ускорява надолу със скорост пропорционална на стръмността на пързалката (силата на гравитацията). 

Следователно гравитацията действа чрез ускоряване на обектите в нейната хватка! Докато седим с краката си върху планетата Земя, нейната гравитация ни ускорява към центъра ѝ. Тоест ние падаме с определена скорост във всеки един момент.

Нека сега си представим светлина, която преминава през една такава пързалка. В момента, в който тази светлина достигне пързалката и се спусне по нея, пързалката ще започне би трябвало да я ускорява. Но както вече казахме – скоростта на светлината не може да бъде променена, тя остава постоянна – допълнителното ускорение от колата не се прибавя към скоростта на светлината от фенерите.

Следователно как е възможно скоростта на светлината да остане 300 000 км/с, когато по пътя на логиката би трябвало да й се дава допълнително ускорение? 

Нека се замислим. Скоростта представлява изминато разстояние за количество време, нищо сложно.

Нека за момент предположим, че скоростта на светлината би могла да бъде афектирана от ускорението което гравитацията ѝ придава. Това означава, че тя ще измине повече разстояние за същото време, за което ще измине светлина, която остава неафектиарна от ускорението на гравитацията.

Сякаш се състезават две коли – и двете се движат еднакво дълго време, но едната получава някакъв допълнителен тласък, ускорение, и изминава повече разстояние от другата за това време.

Нека си представим, че двете коли трябва да стигнат от точка А до точка Б, чието разстояние е 200 км. Как може втората кола, която не получава допълнително ускорение, да пристигне заедно с първата, която получава такова? 

Отговорът е прост – ако за втората кола времето тече по-бавно.

По същия начин, когато скоростта навлезе в гравитационното поле на дадено небесно тяло, и се спусне по пързалката, светлината не получава допълнително ускорение, а от перспектива на страничен наблюдател, времето за нея се забавя и така нейната скорост се запазва.

Следователно колкото по-силна е гравитацията, толкова по-голямо ускорение създава, а колкото по-голямо ускорение, толкова повече се забавя времето. Няколко часа в близост до черна дупка, могат да бъдат години тук на Земята поради разликата в гравитационното притегляне.