Σάββατο, 21 Μαρτίου 2015

100 ετών η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. One Hundred Years of General Relativity

Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο δρα η βαρύτητα, «γεννήθηκε» επίσημα στις 2 Δεκεμβρίου 1915, με τη δημοσίευση ενός άρθρου μόλις τεσσάρων σελίδων, με το οποίο κυριολεκτικά άνοιξαν καινούργιοι δρόμοι για τη θεωρητική φυσική, την κοσμολογία και την αστρονομία. 2015 marks an important milestone in the history of physics: one hundred years ago, in November 1915, Albert Einstein wrote down the famous field equations of General Relativity. General Relativity is the theory that explains all gravitational phenomena we know (falling apples, orbiting planets, escaping galaxies...) and it survived one century of continuous tests of its validity. After 100 years it should be considered by now a classic textbook theory, but General Relativity remains young in spirit: its central idea, the fact that space and time are dynamical and influenced by the presence of matter, is still mind-boggling and difficult to accept as a well-tested fact of life.

Ήταν Νοέμβριος του 2015, όταν ο Αλβέρτος Αϊνστάιν εκμυστηρευόταν σε φίλο του πως είχε κάνει μια ανακάλυψη που για ημέρες τού είχε προκαλέσει τέτοιο ενθουσιασμό, ώστε να νιώθει την καρδιά του να «φτερουγίζει». Ο ενθουσιασμός του αφορούσε μια απειροελάχιστη μετακίνηση της τροχιάς του πλανήτη Ερμή, η οποία ήταν αδύνατον να εξηγηθεί στο πλαίσιο της νευτώνειας φυσικής, αλλά έβρισκε απάντηση από μια νέα θεωρία που είχε στα σκαριά ο γερμανοεβραϊκής καταγωγής φυσικός.

Η θεωρία αυτή πήρε το όνομα Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και «γεννήθηκε» επίσημα στις 2 Δεκεμβρίου 1915, με τη δημοσίευση ενός άρθρου μόλις τεσσάρων σελίδων, με το οποίο ουσιαστικά άνοιξαν καινούργιοι δρόμοι για τη θεωρητική φυσική, την κοσμολογία και την αστρονομία. Μετά την Ειδική Σχετικότητα που διατύπωσε το 1905, η Γενική Σχετικότητα είναι η δεύτερη ανεξίτηλη «σφραγίδα» που άφησε ο Αϊνστάιν στην ιστορία της επιστήμης. Φέτος κλείνει 100 χρόνια «ζωής», συνεχίζοντας να αποτελεί για την επιστημονική κοινότητα την καθιερωμένη θεωρία για την περιγραφή του τρόπου με τον οποίο δρα η βαρύτητα. «Η βασική ιδέα της είναι πως η γεωμετρία του χωροχρόνου καθορίζει την επίδραση της βαρύτητας, με συνέπεια κάθε μάζα να παραμορφώνει τοπικά τη γεωμετρία του χωροχρόνου και να επηρεάζει τις τροχιές των σωματιδίων σε σχετικά μικρές αποστάσεις», λέει ο κ. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος, καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων.

Καμπύλωση χωροχρόνου

A two-dimensional projection of a three-dimensional analogy of spacetime curvature described in general relativity. Image by Johnstone/CC BY-SA 3.0

Έτσι, για παράδειγμα, ένα άστρο καμπυλώνει το χωροχρονικό συνεχές με τον ίδιο τρόπο που αν τοποθετούσαμε μια μπάλα πάνω σε ένα τεντωμένο σεντόνι, αυτή θα έκανε το σεντόνι να «βουλιάξει» στη συγκεκριμένη περιοχή. Επομένως, στην περίπτωση που μια ακτίνα φωτός περάσει κοντά από το άστρο, τότε θα διαγράψει καμπύλη πορεία, ακολουθώντας την καμπύλωση του χωροχρόνου. «Τέτοιες προβλέψεις άλλαξαν τη ροή της φυσικής και μας έδωσαν τη δυνατότητα να κατανοήσουμε καλύτερα τον κόσμο μας και τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί το σύμπαν σε μεγάλες αποστάσεις», προσθέτει ο καθηγητής.

Είναι χαρακτηριστικό πως δεν χρειάστηκε να περάσει περισσότερο από ένας μήνας από το άρθρο του Αϊνστάιν για να δημοσιευθεί μια μαθηματική λύση των εξισώσεων της Γενικής Σχετικότητας, η οποία για πρώτη φορά περιέγραφε θεωρητικά τις μαύρες τρύπες. Με ανάλογο τρόπο, χάρις στη Γενική Σχετικότητα μπόρεσαν στην πορεία να εξηγηθούν οι ιδιότητες των αστέρων νετρονίων ή των πάλσαρ. «Η θεωρία έγινε επίσης η βάση πάνω στην οποία αναπτύχθηκε η κοσμολογία, περιγράφοντας τη λειτουργία του διαστελλόμενου σύμπαντος και εδραιώνοντας την κοσμική δημιουργία μέσω της Μεγάλης Έκρηξης, η οποία προκύπτει από τις εξισώσεις της», σημειώνει ο κ. Μιχάλης Τσαμπαρλής, αναπληρωτής καθηγητής στο Φυσικό Τμήμα του Καποδιστριακού Πανεπιστημίου.

Στον ένα αιώνα που μεσολάβησε από το 1915, πολλά πειράματα και αστρονομικές παρατηρήσεις έχουν επιβεβαιώσει τη Γενική Σχετικότητα―ξεκινώντας ήδη από το 1919 και την αποστολή στο νησί Πρίνσιπε ανοιχτά της Αφρικής, η οποία κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης κατέγραψε μετρήσεις που συμφωνούσαν με την καμπύλωση του φωτός. Μια από τις πιο εντυπωσιακές επιβεβαιώσεις έγινε με τη μελέτη ενός ζεύγους αστέρων νετρονίων, η οποία επαλήθευσε έμμεσα την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων―των διαταραχών που προκαλεί η κίνηση σωμάτων με πολύ μεγάλες μάζες και τα οποία διαδίδονται στον χωροχρόνο όπως «ταξιδεύουν» τα μικρά κύματα σε μια λίμνη όταν πετάξουμε μια πέτρα. «Μέχρι σήμερα δεν έχει εντοπισθεί κανένα φαινόμενο που να είναι ασύμβατο με τη θεωρία, παρά μάλιστα τη θεαματική αύξηση της ακρίβειας των αστρονομικών μετρήσεων», επισημαίνει ο κ. Περιβολαρόπουλος.

Light from a distant quasar is deflected by the gravitational field of a galaxy lying close to the line of sight from Earth to the quasar. As a result, the quasar appears brighter, and multiple images of the quasar may be seen. The inset image, taken by the Japanese Subaru telescope in Hawaii, shows four images of a single distant quasar (blue) formed around the central image of an elliptical galaxy (red) that is acting as a gravitational lens. Wyithe and Loeb5 propose that the exceptional brightness of a population of early-Universe quasars could be due to gravitational-lensing effects that are more common than had been thought. Credit: NAOJ

Την ίδια στιγμή που η αστρονομία προσέφερε τη δυνατότητα ελέγχου της Γενικής Σχετικότητας, η Γενική Σχετικότητα προσέφερε νέα εργαλεία για τη μελέτη του σύμπαντος, όπως τους βαρυτικούς φακούς ή τη βαρυτική μετατόπιση του φωτός προς το ερυθρό. Το ίδιο ισχύει και στην περίπτωση των βαρυτικών κυμάτων, τα οποία ελπίζουν να ανιχνεύσουν επιστήμονες σε πειράματα που γίνονται σήμερα στις ΗΠΑ και την Ευρώπη. «Έτσι, αν εντοπισθεί άμεσα βαρυτική ακτινοβολία, από τις ιδιότητές της θα καταφέρουμε να εξακριβώσουμε ακόμη καλύτερα αν όντως ισχύει και αυτή η πρόβλεψη της θεωρίας», υπογραμμίζει ο καθηγητής από τα Ιωάννινα.

Από την άλλη μεριά, χάρις στα βαρυτικά κύματα, οι αστρονόμοι θα καταφέρουν να «δουν» πιο πίσω στον χρόνο απ’ ό,τι μπορούν σήμερα με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αποκτώντας πληροφορίες για το σύμπαν σε ακόμη πιο «νεαρή» ηλικία από τα 380.000 χρόνια.

Το μυστήριο της «σκοτεινής» ύλης

Albert Einstein published his theory of general relativity 100 years ago. The theory has shaped the idea of black holes, pulsars, and modern cosmology.

Σύμφωνα με τον κ. Τσαμπαρλή από το Πανεπιστήμιο Αθηνών, η Γενική Σχετικότητα έχει και πρακτικές εφαρμογές, με κυριότερη τη διόρθωση που γίνεται στα συστήματα GPS με βάση ένα σχετικιστικό φαινόμενο, ώστε οποιαδήποτε συσκευή πλοήγησης ή smartphone να μπορεί να βρει με ακρίβεια τη γεωγραφική του θέση. «Παράλληλα, γίνονται έρευνες με σκοπό την αξιοποίηση φαινομένων που προβλέπει η θεωρία σε νέες τεχνολογίες για τον εντοπισμό από το Διάστημα μετάλλων στο γήινο υπέδαφος», συμπληρώνει.

Πάντως, σε αποστάσεις πολύ μεγαλύτερες από τις τροχιές που διαγράφουν οι δορυφόροι GPS, η θεωρία του Αϊνστάιν έχει ανοίξει επίσης ένα «παράθυρο» σε έναν άγνωστο κόσμο, μπροστά στον οποίο μάλιστα η ορατή ύλη μοιάζει να παίζει αρκετά υποδεέστερο ρόλο. Κι αυτό, γιατί ολοένα και περισσότερες παρατηρήσεις, οι οποίες ερμηνεύονται με τη Γενική Σχετικότητα, δείχνουν πως το 27% του σύμπαντος καταλαμβάνεται από σκοτεινή ύλη, έναν άγνωστο τύπο ύλης που επιδρά βαρυτικά σε δομές όπως οι γαλαξίες, ενώ το 68% από σκοτεινή ενέργεια, μια μυστηριώδη μορφή απωστικής ενέργειας η οποία είναι υπεύθυνη για την επιταχυνόμενη συμπαντική διαστολή. Στον αντίποδα, η ορατή ύλη αντιστοιχεί μόλις στο 5%.

Η φύση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης είναι γρίφος στον οποίο οι επιστήμονες δεν έχουν καταφέρει ακόμη να απαντήσουν. Την ίδια στιγμή, πάντως, όσο επιτυχημένη κι αν έχει αποδειχθεί η θεωρία στις προβλέψεις της, είναι βέβαιο πως δεν αποτελεί την τελευταία λέξη της φυσικής στην περιγραφή της βαρύτητας. «Γνωρίζουμε πως η Γενική Σχετικότητα είναι ατελής, αφού προβλέπει απειρισμούς μεγεθών όπως η καμπυλότητα της γεωμετρίας του χωροχρόνου στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας―και οι απειρισμοί είναι μια μαθηματική έννοια που δεν υπάρχει στη φύση. Επομένως, θα πρέπει να βρούμε μια καινούργια θεωρία που δεν θα εμφανίζει αυτό το πρόβλημα», σημειώνει ο κ. Περιβολαρόπουλος από το Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων.