Če ne bi bilo Einsteina, danes ne bi imeli GPS-navigacije (ali pa bi nas narobe peljala)

Einstein je na splošni teoriji relativnosti intenzivno delal dobrih osem let, po tem, ko je 30. junija 1905 v svojem znanstvenem prispevku O elektrodinamiki premikajočih se teles predstavil posebno teorijo relativnosti. Ta je nastala kot posledica dvoma o prepričanju, da so vsi fizikalni pojavi za vse opazovalce enaki, saj so ugotovili, da dva opazovalca, ki se različno gibljeta drug proti drugemu, istega fizikalnega pojava ne opazujeta enako – poenostavljeno povedano, opazovalec ob progi ne zaznava enako kot opazovalec v hitrem vlaku. S posebno teorijo relativnosti je med drugim dokazal, da se pri hitrostih blizu svetlobni hitrosti prostor spremeni tako, da se razdalje raztegnejo, čas pa teče počasneje.

Različne enačbe, enak pojav Posebna teorija relativnosti je zajemala pojave zunaj gravitacijskega polja, zato je Einstein v teorijo relativnosti želel vključiti tudi gravitacijo. Prav to je dosegel s splošno teorijo relativnosti: v sistemih brez pospeška je svetlobna hitrost enaka, kar pomeni, da je kljub temu, da glede na različen položaj opazovalca imamo različne enačbe za opisovanje nekega pojava, ta pojav pravzaprav povsod enak. Z drugimi besedami, nek fizikalni pojav je enak za vse opazovalce, ne glede na to, kje so, in ali mirujejo, ali se gibljejo enakomerno, ali pospešeno.

Einsteinovo splošno teorijo relativnosti so ponovno potrdili leta 2002 v skupnem poskusu ameriške in italijanske vesoljske agencije, ki je zagotovil bolj natančne meritve kot vsi predhodni poskusi z istim namenom.

Prostor in čas vendarle nista nedotakljiva S svojo teorijo relativnosti je Einstein uvedel do takrat nezaslišane misli o ukrivljenosti prostora in časa, dimenzij, ki so jih do takrat in jih marsikdo še danes dojema kot statične in nespremenljive. A prav ta preboj je veljavnost do takrat ene in edine klasične fizike omejil, grobo povedano, na dovolj velika telesa in odprl pot do veliko bolj obsežne, a tudi matematično bolj zapletene kvantne fizike, katere zakonitosti in opisi veljajo tudi za veliko manjše, subatomarne delce.

Seveda, dokler ne odkrijemo kakšen še boljši način opisovanja naravnih pojavov – naravni pojavi so pač takšni, kot so, enačbe pa so zgolj najboljši simbolni opis, ki ga imamo na razpolago glede na naše trenutno znanje. Prav zaradi preboja, ki ga je prinesla teorija relativnosti, je znanost med drugim lahko še bolje spoznala, kako je nastalo vesolje.

Ko neopazne tisočinke sekunde postanejo usodno pomembni kilometri Brez razumevanja teorije relativnosti nekatere današnje skoraj samoumevne storitve ne bi delovale pravilno. Mednje spadajo vse tiste, ki so odvisne od zelo natančnega merjenja časa, torej tudi storitve satelitskega določanja položaja in navigacije, ki temeljijo na satelitih (npr. GPS ali GLONASS). Znanstveniki so namreč leta 2010 pokazali, da bi dve identični atomski uri, ki sta postavljeni le eno polico višinske razlike narazen, v enem letu pridelali okrog ene milijardinke sekunde razlike. To je za vsakodnevno življenje seveda povsem neopazno, a to obenem pomeni, da ura na kakšnem od satelitov sistema GPS in popolnoma enaka delujoča ura na Zemlji v enem letu pridelata okrog 16 tisočink razlike. Kar je še vedno videti kot življenjsko trivialna količina, pomeni v prevodu tudi več kot deset kilometrov razlike pri satelitskem določanju položaja, če ne bi tega upoštevali. Več kot dovolj, da bi bila storitev popolnoma neuporabna.

Teorija relativnosti nam med drugim pomaga tudi pravilno razumeti polprevodnike, na katerih temelji vsa današnja elektronika in računalništvo.

Logična nadgradnja s pogumno predpostavko Teorija relativnosti je eden od najpomembnejših razlogov, ki je Alberta Einsteina zapisal v zgodovino kot najbolj znanega fizika vseh časov. Danes vemo, da je Einsteinova teorija relativnosti logična posledica poskusa, ki sta ga pomladi in poleti 1887 opravila ameriška naravoslovca Albert Abraham Michelson in Edward Wiliams Morley na univerzi v Clevelandu v ameriški zvezni državi Ohio (Morley je znan tudi po s svojih poskusih, s katerimi je izmeril atomsko maso kisika). Znanstvenika sta merila svetlobno hitrost v pravokotnih smereh z željo ugotavljanja relativnega gibanja snovi. Ta eksperiment je pomenil prelomnico za nadaljnji razvoj, njegova dediščina je tudi Michelsonov interferometer, ki ga še danes znanstveniki uporabljajo za merjenje valovne dolžine laserske svetlobe, njegove izpeljanke pa tudi v številnih drugih optičnih merilnih napravah.

Toda Einsteinovega prispevka to nikakor ne zmanjša: kar je bilo pri njem revolucionarno, je njegovo vztrajanje na predpostavki, da se svet zares obnaša enako, kot je pokazal eksperiment, to je, da je svetlobna hitrost za vsakega opazovalca enaka.

Kaj pove in pomeni E = mc^2 ?

Ta enačba opredeljuje pretvorbo energije v snov in obratno. Prvič jo je Einstein uporabil leta 1905 pri posebni teoriji relativnosti in je, tudi ob zaslugi poznejše splošne teorije relativnosti, postala ena od najbolj splošno znanih fizikalnih enačb.

Če se srečata delec in njegov antidelec, npr. elektron (e^-) in pozitron (e^+), se med seboj anihilirata in ustvarita par fotonov (gama), ki odneseta natanko toliko energije, kolikor znaša energija obeh delcev (2 × 511 elektronvoltov oziroma 2 x 8,19x10^(-17) joulov). Ta proces že izkoriščamo npr. v medicini pri slikanju z metodo pozitronske tomografije (PET).

Podobno, kadar se pod določenimi pogoji srečata dva fotona zadosti visoke energije, nastane par delec-antidelec. Ta proces je pri običajni gostoti fotonov zelo redek, poteka pa v notranjosti zvezd.

Gre torej za povsem običajne vsakodnevne pojave, toda nastanka parov delcev za zdaj ne moremo neposredno opazovati v laboratorijih, ker je interakcijski presek fotonov zelo majhen (lahko pa opazujemo nastanek para pri interakciji posameznega fotona z atomskim jedrom). Znanstveniki so prepričani, da bo kmalu naslednja generacija močnih in hitrih pulznih laserjev dosegala dovolj visoke gostote moči in tako omogočila tudi neposredno opazovanje pretvorbe energije v snov.