Store opdagelser: Einsteins relativitetsteori

Den klassiske fysik, der tegnede det fysiske verdensbillede omkring 1900, bestod i det væsentlige af tre grundlæggende teorier: Newtons mekanik, Maxwells elektrodynamik og termodynamikken.

Men det lavede verdens måske mest berømte videnskabsmand om på i 'mirakelåret' 1905.

Ifølge det newtonske grundlag for mekanikken fandtes der et absolut rum, ud fra hvilket man i princippet kunne afgøre, om et legeme er i bevægelse eller i hvile.

Hypotesen om det absolutte rum var desuden knyttet sammen med den almindeligt accepterede antagelse om en 'verdens-æter', et medium, der befandt sig overalt, og hvori lyset og andre fysiske signaler udbredte sig.

Denne æter, mente man, var i absolut hvile, og den udgjorde et stationært og privilegeret system.

Men omkring 1905 smuldrede dette ellers så tilfredsstillende grundlag for fysikken.

Det skyldtes hovedsageligt nye ideer fra den unge tysk-svejtsiske fysiker Albert Einstein (1879-1955), der efter endt uddannelse ved universitetet i Zürich stod arbejdsløs og blev teknisk ekspert på patentkontoret i Bern.

I 1905, det såkaldte 'mirakelår', udgav Einstein sin skelsættende afhandling om relativitetsteorien, 'Zur Elektrodynamik bewegter Körper' (Om Bevægede Legemers Elektrodynamik).

Inspirationen kom fra overvejelser fremfor fysiske love

Videnskabelige teorier har ofte deres udspring i nye eksperimenter, hvis resultater ikke kan forklares ud fra det eksisterende grundlag.

Det var imidlertid ikke tilfældet for Einstein, hvis inspiration til relativitetsteorien snarere kom fra overvejelser om den interne struktur af de fysiske love.

Han var overbevist om, at fysikken måtte gentænkes ud fra et nyt princip af en generel og formel art, og det mente han i 1905 at være nået frem til.

Samtidighed i almindelighed er relativ

Ifølge Einstein måtte de fysiske love have samme form i ethvert bevægelsessystem, og han postulerede, at lysets hastighed i vakuum har samme værdi, uanset hvilket system lyset udsendes fra, det vil sige uanset om lysgiveren bevæger sig eller er i hvile i forhold til modtageren.

Ved simple ræsonnementer, tankeeksperimenter og matematiske beregninger udledte han heraf en række forbløffende konsekvenser.

En af de forbløffende – og måske umiddelbart ulogiske – konsekvenser var, at samtidighed i almindelighed er relativ: To hændelser, der er samtidige for én iagttager, er det ikke nødvendigvis for en anden iagttager, der bevæger sig i forhold til den første.

Og ikke blot er samtidighed relativ i denne forstand, også målelige fysiske størrelser som længde, rumfang, masse og tidsrum er relative.

'Alt er relativt' har intet med Einsteins teori at gøre

Einstein viste således, at længden af et legeme altid er mindre for en iagttager i bevægelse end for en, der er i hvile i forhold til legemet.

Man skal dog op på voldsomme hastigheder, nemlig nær ved lysets, før denne 'længdekontraktion' bliver mærkbar.

Selv hvis man bevæger sig med 10.000 km/s, vil længden kun skrumpe med 0,06 procent. Øges hastigheden til 290.000 km/s, vil effekten imidlertid svare til en forkortning på hele 74 procent. Selv om mange fysiske størrelser er relative, er det ikke tilfældet med alle størrelser.

Lyshastigheden er jo invariant, det vil sige uforanderlig, og ikke relativ. Flosklen om 'alt er relativt' har intet med Einsteins teori at gøre.

Rumlige dimensioner ændres med bevægelse

Man kunne tro, at materielle sammentrækninger er en form for illusion eller matematisk magi, men det er ikke tilfældet.

Rumlige dimensioner ændrer sig faktisk med bevægelsen, og det samme gør den tidslige dimension i form af varigheden af hændelser.

For Einstein var rum og tid ikke fundamentale, eller absolutte, kategorier, som de var for Newton og Kant. De var derimod knyttet sammen i en fire-dimensional 'rum-tid'. Selv om rum og tid optræder integreret i relativitetsteoriens rum-tid, er de dog stadig forskellige.

I afhandlingen fra 1905 konkluderede Einstein, at også et legemes masse må variere med lyshastigheden, idet det ved meget høje hastigheder bliver tungere.

Ja, når det nærmer sig lysets hastighed, vil massen vokse mod uendelig, hvilket betyder, at intet legeme kan bevæge sig med lysets hastighed – eller endnu hurtigere.

Masse og energi er to forskellige størrelser

Denne forudsagte effekt indebærer en sammenhæng mellem et legemes kinetiske energi (bevægelsesenergi) og dets masse.

For Einstein var det blot et eksempel på en dybere og mere generel sammenhæng. Set ud fra et klassisk synspunkt er masse (m) og energi (E) to ganske forskellige størrelser; de er hver for sig bevarede, men har i øvrigt intet væsentligt til fælles.

Set ud fra Einsteins synspunkt var de intimt knyttet sammen, ja to sider af samme sag. Som han udtrykte det: »Et legemes masse er et mål for dets energiindhold.«

Partikler kan dannes ud fra ren energi

Einstein formulerede ækvivalensen mellem masse og energi i sin berømte ligning E = mc², hvor c symboliserer lysets hastighed.

Hvis masse forsvinder, må der nødvendigvis opstå energi, og på grund af den meget store talfaktor c² (som er cirka 10¹⁷ m²/s²) må der opstå en mængde af den.

Omvendt vil der være en mulighed for, at partikler kan dannes ud fra ren energi, for eksempel fra stråling.

Einsteins formel var ikke specielt overraskende

Einsteins formel bliver ofte opfattet som et chokerende nybrud, men for datidens fysikere var den ikke specielt overraskende.

Baseret på den elektromagnetiske teori var sammenhænge af typen E = mc² blevet foreslået allerede før Einstein, dog af en noget anden og mindre generel form, der kun gjaldt for elektrisk ladede partikler.

Det nye hos Einstein var ikke formlen E = mc² i sig selv, men at den var en konsekvens af en helt ny teori for rum og tid, der gjorde op med den klassiske fysiks grundlag.

Einsteins teori ledte til absurde resultater

Einsteins resultater var teoretiske forudsigelser, der endnu ikke var bekræftet af eksperimenter. Allerede i 1908 kom der dog eksperimentel støtte i form af målinger af elektroner fra radioaktive stoffer, der netop udsendes med en hastighed, der nærmer sig lysets.

Elektronerne viste sig at have taget på i vægt – relativitetsteorien var altså ikke det rene hjernespind. Den mere almene og berømte ækvivalens mellem energi og masse, altså formlen E = mc², blev først direkte eftervist ved kernefysiske målinger i 1932.

Einsteins teori var på mange måder sær og syntes at lede til absurde resultater, for eksempel at samtidighed er relativ, at et legemes masse afhænger af hastigheden, og at et ur i bevægelse går anderledes end et ur i hvile.

Da tiden afhænger af hastigheden, vil et menneske i stor fart ældes langsommere end et menneske i hvile, og en mor kan i princippet være yngre end sin datter!

Relativitetsteorien blev ofte misforstået

Ikke desto mindre blev teorien ret hurtigt accepteret som et nødvendigt værktøj i fysikken, om end det skete hurtigere i nogle lande end i andre.

Relativitetsteorien blev især modtaget positivt blandt tyske fysikere, hvoraf kvanteteoriens grundlægger Max Planck (1858-1947) og flere andre videreudviklede den.

I England, Frankrig og USA gik det mere trægt. Desuden var teoriens mere filosofiske konsekvenser kontroversielle. En teori, der foreskriver, at en mor kan være yngre end sin datter, nærmest kalder på kritik. Hertil kom, at relativitetsteorien ofte blev misforstået.

Det var stadig i 1920'erne almindeligt at hævde, at den ledte til relativisme i en filosofisk og etisk forstand, for eksempel at moralske normer ikke har absolut gyldighed, men må anses for blot at være relative.

En anden misforståelse var, at nu havde rummet (og ikke rum-tiden) fået fire i stedet for tre dimensioner.

Der var ikke tid til at hvile på laurbærene

Einstein hvilede ikke på sine laurbær, men søgte snart at udvide sin oprindelige relativitetsteori til en teori, der også omfattede tyngdekraften og gravitationsfænomener, sådan som de især kendes fra astronomien.

Dette arbejde var yderst vanskeligt og krævende, blandt andet fordi det involverede brug af nye matematiske metoder og begreber. I et brev fra 1912 skrev han:

»Jeg er blevet besjælet af stor respekt for matematikken, hvis mere subtile dele jeg indtil nu naivt anså for ren luksus.«

Teori knyttede ændringer i rum-tiden sammen

Men i 1915 kunne Einstein præsentere de ligninger, der udgjorde skelettet i den såkaldte generelle eller almene relativitetsteori.

Denne langt mere ambitiøse og komplicerede teori gav en fysisk om end abstrakt forklaring på tyngdekraften, som den knyttede sammen med ændringer i rum-tiden.

Hos Einstein er rummet karakteriseret ved en bestemt geometri som ændres af massive legemer, og det er disse geometriske ændringer i rummet, der manifesterer sig som en tyngdekraft.

Einstein stødte gravitationsteorien fra tronen

Efter at have hersket ubestridt i mere end 200 år var Newtons gravitationsteori stødt fra tronen.

Den er dog stadig tilnærmet gyldig for svage gravitationsfelter, for eksempel på Jorden og i solsystemet, og den optræder som et grænsetilfælde i Einsteins teori: Når gravitationen er svag, er der ingen forskel mellem de to teorier.

Allerede i 1917, to år efter at have formuleret sin generelle relativitetsteori, benyttede Einstein sin nye teori til at konstruere en model for universet i dets helhed. Modellen for et endeligt og 'kugleformet' univers viste sig at være forkert, men var ikke desto mindre umådelig frugtbar.

De ligninger for universet, som Einstein formulerede i 1917, udgør stadig det grundlag, hvorpå hele den moderne kosmologi hviler.

Relativitetsteorien havde vist sit værd

På trods af dens abstrakte karakter resulterede den generelle relativitetsteori i bestemte forudsigelser, der kunne testes gennem observationer.

Og allerede i 1919 kunne den engelske astronom Arthur Eddington (1882-1944) bekræfte teorien ud fra målinger af stjerners position ved en solformørkelse.

Han viste, at rummet omkring den massive Sol 'krummes' i overensstemmelse med Einsteins teori, svarende til at lyset ikke bevæger sig retlinet omkring Solen. Relativitetsteorien har for længst vist sin værdi i både en teoretisk og eksperimentel henseende.

Gennem mere end et århundrede har den ført til utallige korrekte forudsigelser og er med succes blevet testet over hele naturens skala, fra de mindste partikler til de største galakser.

Einstein er et ikon for den revolutionære tanke

I betragtning af at relativitetsteorien gav et radikalt nyt billede af så fundamentale begreber som rum, tid, energi, masse og tyngde, er det forståeligt, at den ofte opfattes som et revolutionært brud i de fysiske videnskabers historie. For fysikere er der simpelthen tale om en sand teori.

Einstein er unægtelig et ikon for den revolutionære tanke. Men han selv opfattede sin teori i et evolutionært og ikke et revolutionært perspektiv.

I 1921 beskrev han relativitetsteorien som 'ikke en revolution, men en naturlig fortsættelse af en udvikling, der kan spores gennem århundreder'.

Han mente ikke, at han havde tilintetgjort Newtons og Maxwells klassiske fysik, men at han ved at stå på skuldrene af sine berømte forgængere havde gjort deres verdensbillede endnu smukkere og sandere.