Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Ogólna teoria względności jest jedną z najbardziej skomplikowanych znanych teorii fizycznych, ale jej podstawy pojęciowe są stosunkowo proste do zrozumienia. Zgodnie z ogólną teorią względności, siła grawitacji wynika z lokalnej geometrii czasoprzestrzeni. Teoria Einsteina zawiera nowatorskie treści fizyczne dotyczące koncepcji czasu, przestrzeni, geometrii czasoprzestrzeni, związków masy "bezwładnej" i "grawitacyjnej" (bezwładna to ta występująca w zasadach dynamiki Newtona, a grawitacyjna – w prawie powszechnego ciążenia) oraz spostrzeżenia dotyczące równoważności grawitacji i sił bezwładności. Jest ona uogólnieniem szczególnej teorii względności obowiązującej dla inercjalnych układów odniesienia na dowolne, także nieinercjalne układy odniesienia. 

Podstawową ideą teorii względności jest to, że nie możemy mówić o wielkościach fizycznych takich, jak prędkość czy przyspieszenie, nie określając wcześniej układu odniesienia oraz że układ odniesienia definiuje się poprzez wybór pewnego punktu w czasoprzestrzeni, z którym jest on związany. Oznacza to, że wszelki ruch określa się i mierzy względem innych określonych układów odniesienia. 

Ogólna teoria względności stanowi podstawę całej dwudziestowiecznej kosmologii – między innymi wyjaśnia przesunięcie ku czerwieni widma galaktyk, które dowodzi, iż Wszechświat się rozszerza, oraz tłumaczy powstanie czarnych dziur. To, że Wszechświat się rozszerza wiemy od 1925 roku z obserwacji Edwina Hubble'a potwierdzonych potem przez wiele doświadczeń, w tym także dokonanych przy pomocy orbitalnego teleskopu noszącego nazwisko Hubble'a. Wszechświat rozszerza się od Wielkiego Wybuchu – tajemniczego fenomenu, podczas którego powstała czasoprzestrzeń i materia.

Zasada równoważności polega na tym, że w danym punkcie przestrzeni efekty grawitacji i ruchu przyśpieszonego są równoważne i nie mogą być rozróżnione. Aby zrozumieć ogólną teorię względności, należy zacząć od tej zasady. Jak stwierdził Galileusz w swym słynnym doświadczeniu, ciała spadają na Ziemię z jednakowym przyśpieszeniem niezależnym od ich masy. W tym sensie spadające ciała, duże i małe, są "nieważkie" to znaczy, że ich masa nie wpływa na to, jak reagują na przyciąganie ziemskie. W rzeczywistości astronauci na orbicie nieustannie "spadają" na Ziemię, dzięki czemu są w stanie nieważkości. Gdy jednak statek kosmiczny opuszcza orbitę i przyśpiesza w kierunku odległej gwiazdy, astronauci czują ciężar. Przyczyną jest wtedy przyśpieszenie, a nie grawitacja. Zasada równoważności Einsteina mówi, że siły grawitacyjne i inercjalne związane z przyśpieszeniem układu, są nieodróżnialne.

Konsekwencjami OTW są: deformacja orbit planet przez zmianę masy spowodowaną zmienną prędkością planety, ugięcie wiązki światła w polu grawitacyjnym i zwolniony rytm zegara w pobliżu dużych mas. Z zasady równoważności wynika, że przyciągnie grawitacyjne nie jest po prostu siłą, z jaką przyciągają się wzajemnie wszystkie ciała. Ciążenie należy uważać za skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masę. Masa powoduje, że przestrzeń ma geometrię nieeuklidesową. Wprawdzie w warunkach, z jakimi spotykamy się na co dzień, ogólna teoria względności i prawo powszechnego ciążenia Newtona dają w zasadzie takie same wyniki, ale teoria Einsteina nie tylko opisuje eliptyczne orbity planet, lecz również tłumaczy pewne anomalie, takie jak precesja orbity Merkurego wokół Słońca.

Kilka lat po tym, jak Albert Einstein opublikował ogólną teorię względności, została ona potwierdzona przez obserwacje astronomiczne. Już w 1911 roku Einstein przewidział, że promień światła gwiazdy, przebiega w pobliżu dużej masy, na przykład Słońca, ulega ugięciu. Ugięcie można zaobserwować, porównując położenie gwiazdy na niebie, gdy znajduje się z dala od Słońca i gdy jej promienie przebiegają tuż obok Słońca. Z ogólnej teorii względności wynika, że kąt ugięcia powinien być dwa razy większy, niż przewiduje teoria klasyczna, w której przestrzeń uważamy za płaską. Przewidywania Newtona i Einsteina można porównać, obserwując położenie gwiazd podczas zaćmienia Słońca. Pierwsze próby zakończyły się niepowodzeniem, ale w 1919 roku za namową astronoma Arthura Eddingtona wyruszyły dwie ekspedycje angielskie, jedna do Brazylii, a druga na Wyspę Książęcą, u wybrzeży Afryki Zachodniej. Wyniki były jednoznaczne: analiza zdjęć dowiodła, że położenie gwiazd jest zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Einstein uzyskał z dnia na dzień międzynarodową sławę.

Prace Einsteina stanowią podstawę odkryć XX wieku, znalazły zastosowanie w technice, co pozwoliło manipulować zjawiskami przyrody. Tranzystory, mikroskopy elektronowe, komputery, komórki fotoelektryczne – to zaledwie kilka przykładów olbrzymiego skoku w dziedzinie informatyki i komunikacji, który nastąpił po einsteinowskiej rewolucji. Waga teorii względności polega na tym, że była to pierwsza teoria fizyczna, której przewidywania różniły się od naszych potocznych wyobrażeń o świecie, teoria opisująca zjawiska tak odległe od codzienności, że umysł ludzki nie może ich ogarnąć w ramach języka naturalnego, odnoszącego się do powszednich wrażeń zmysłowych; w tym celu nieodzowny jest abstrakcyjny język matematyki.