Un veac de relativitate generalizată: Marele triumf al lui Einstein

★ ★ ★
Două lucruri sunt infinite: universul și prostia omenească;

și nu sunt sigur despre univers.

Știința fără religie este neconvingătoare,

iar religia fără știință este oarbă

Albert Einstein

În perioada 18 – 25 noiembrie 1915, Albert Einstein a publicat patru articole în care a pus bazele teoriei relativității generalizate, o paradigmă ce a schimbat fundamental înțelegerea noastră despre sensurile primordiale ale timpului și spațiului și a modificat pentru totdeauna mintea colectivă a umanității.  Articolul cel mai important, publicat exact acum 100 de ani – Ecuațiile de câmp ale gravității – a prezentat pentru prima dată regulile după care se comportă Universul cunoscut nouă. Ele descriu spațiu-timpul ca pe un soi de „saltea” curbată (vezi imaginea de mai jos), unde materia și energia, asemenea unui om care doarme buștean, distorsionează geometria cosmosului și produc fenomenul numit gravitație, obligând razele de lumină să urmeze traiectorii curbate prin spațiu.

Începutul a fost făcut de Einstein în 1905, cu teoria relativității ...

... speciale, suficient de confuză pentru marea majoritate a oamenilor datorită modului cum relaționa legăturile inextricabile dintre spațiu și timp. Dar, cu toate acestea, teoria din 1905 era „digerabilă”, pentru că nu contrazicea violent opiniile celor familiari cu geometria euclidiană: liniile paralele nu se intersectează niciodată, suma unghiurilor unui triunghi este întotdeauna 180 grade și spațiul este nedeformat (plat). În teoria relativității speciale, legile cunoscute ale fizicii și viteza luminii rămâneau neschimbate, indiferent de modul de mișcare (cădere, rotație, accelerație, rostogolire etc.)

Dar Einstein a sesizat că teoria sa din 1905 nu incorporează deplin efectele gravitației. Mai precis, el a și-a dat imediat seama că lumina însăși poate fi curbată și timpul încetinit într-un câmp gravitațional. Gravitația nu mai era o forță, transmisă prin spațiu-timp precum magnetismul; era o geometrie intrinsecă a însuși spațiu-timpului, care ținea planetele pe orbitele lor și făcea merele să cadă în jos.

Einstein a propus că obiecte, precum Soarele și Pământul, schimbă această geometrie. În prezența materiei și energiei, geometria cosmică poate să evolueze, să se extindă și să se curbeze, formând „dealuri, munți și văi”, care forțează corpurile celeste să se miște prin ea în zigzag și pe traiectorii curbate. Astfel, deși, aparent, Pământul este atras către Soare datorită gravitației, nu există o astfel de forță. Pur și simplu, geometria spațiu-timpului din jurul Soarelui spune Pământului cum să se miște prin cosmos.

Teoria einsteiniană a relativității generalizate (1915) a prezis că spațiu-timpul din jurul Pământului va fi nu numai curbat, ci și răsucit de rotația planetei. Adică, spațiu-timpul spune materiei cum să se miște, iar materia spune spațiu-timpului cum să se rotească și răsucească (apud John Wheeler). Misiunea spațială  Gravity Probe B (GP-B) a arătat că prezumția este corectă. (Sursa: NASA)

Teoria relativității generalizate are consecințe multiple și de mare anvergură. Ea explică nu numai mișcarea planetelor; poate, de asemenea, să descrie istoria și expansiunea universului, fizica găurilor negre, îndoirea razelor de lumină, undele gravitaționale, universul întunecat (dark universe), deplasarea către roșu a radiațiilor electromagnetice, ori gravitația cuantică.

Un singur exemplu: Începutul fizicii găurilor negre

După publicarea articolului său din 25 noiembrie 1915, Einstein a primit în decembrie același ani o telegramă (astăzi, așa ceva s-ar numi un text message!) de la Karl Schwarzschild, un astrofizician german renumit.

Încorporat în armata germană și trimis să lupte pe frontul rusesc, Schwarzschild a contract în tranșee o boală de piele rară, din cauza căreia a și murit. Trimis acasă să se refacă, Schwarzschild s-a reîntors la vechea sa dragoste pentru știință. Timp de o lună, el a explorat consecințele recentei teoriei a lui Einstein. Zăcând în pat, cu răni îngrozitoare, a elaborat o soluție a noilor ecuații einsteiniene pentru un caz de extremă curbură a spațiului. Schwarzschild a găsit că, la o anumită distanță față o stea – care azi se numește raza Schwarzschild – ecuațiile lui Einstein devin kaput. Primind telegrama de la Schwarzschild, Einstein a spus: „Dacă aceste calcule sunt reale, va fi un adevărat dezastru”.

Astăzi însă se știe că solutia Schwarzschild a ecuațiilor lui Einstein descrie geometria spațiu-timp în jurul unor stele extrem de dense și are câteva trăsături foarte stranii.

De la început, chiar în centrul acestor corpuri, curbura spațiu-timpului devine infinită, formând ceea se numește o singularitate. O caracteristică și mai stranie este o suprafață sferică invizibilă, numită orizont evenimențial, care înconjoară singularitatea. Nimic, nici chiar lumina, nu poate scăpa din orizontul evenimențial. Cu ale cuvinte, putem spune că, rezolvând ecuațiile publicate de Einstein în 25 noiembrie 1915, Karl Schwarzschild a descoperit, după numai o lună de zile, faptul că o gravitație extremă poate străpunge „salteaua” spațiu-timp, creând o gaură neagră.

Nu există absolut nicio îndoială că teoria lui Einstein despre relativitatea generalizată este una dintre cele mai impresionante realizări intelectuale ale tuturor timpurilor, o sărbătoare decisivă a inteligenței rasei umane. Einstein a demonstrat că înțelegerea noastră familiară a spațiului și timpului este greșită. Spațiul se poate îndoi și răsuci sub influența materiei. Energia și materia sunt legate inextricabil cu forma spațiului și timpului. Acesta este marele triumf al lui Albert Einstein, astăzi, la un secol de la publicarea ideilor sale.