Alveg eins og landkönnun heyrir bráðum sögunni til, mun kortlagning alheimsins verða innan tíðar lokið. Þegar búið er að koma síðustu hvítu bitunum fyrir mun púsluspilið allt samansett. Síðan munu eðlisfræðingar þurfa að snúa sér að nytsamari hlutum.
Þessi var afstaða margra vísindamanna fyrir einni öld. Um 250 árum áður hafði hinn mikli breski eðlisfræðingur, Isaac Newton, uppgötvað eigininleika himintunglanna, og lögmál hans voru öllum fræðimönnum svo töm að jaðraði við að vera hversdagslegt fyrirbæri. Alheimurinn var einn, og röntgenaugu Newtons höfðu ráðið í gang hans og eðli.
Í dag vitum við að þessi hyggja var nokkuð barnaleg. Milli okkar og Newtons er nefnilega að finna sköpunarverk Einsteins; afstæðiskenninguna undraverðu. Þegar hann setti fram fyrri hluta kenningar sinnar fyrir einni öld árið 1905, má segja að hann hafi snúið klassískri eðlisfræði, og hugmyndum hennar um tíma, orku, rúm og massa, á hvolf. Eftir framlag hans átti hin áður stórbrotna eðlisfræði Newtons nú einungis um fyrirbæri undir 10 % af hraða ljóssins. Hefði einhver haldið því fram við eðlisfræðing fyrir einni öld, að tíminn líði hraðar efst í Eiffelturni en við jörðina, hefði eðlisfræðingurinn talið þann sama hlægilegan. Því í ósköpunum ætti slíkt að eiga sér stað?
Nú er þessu öðru vísi farið. Afstæðiskenningin segir okkur að gangur tímans ráðist af hreyfingum okkar í rúmi, að massi og orka séu tvær hliðar á sama peningi, og einnig að massi og lengd hlutar ráðist af hraða hans. Einstein sá öðrum fremur þau vændkvæði sem fólust í klassískri eðlisfræði. Hann hafði til að bera óviðjafnanlegan hæfileika til að endurraða viðteknum sannnindum þannig að vankantar þeirra kæmu í ljós. Þegar ekki reyndist unnt að ráða bót á slíkum vanköntum með hefðbundnum aðferðum stærðfræðinnar, kastaði hann þeim fyrir róða og hannaði sínar eigin betrumbættu aðferðir.
Þegar hann var aðeins 16 ára gamall, undir lok þarsíðustu aldar, var Einstein farinn að velta fyrir sér hvað myndi gerast ef hann hlypi við hliðina á ljósgeisla með hraða ljóssins. Samkvæmt klassískri eðlisfræði ætti hann að vera staddur við hliðina á kyrrstæðum ljóspunkti. En Einstein sá fram á að slíkt væri ómögulegt. Í fyrsta lagi hafði engum tekist að frakalla kyrrstætt ljós – þvert á móti voru til staðar margar nákvæmar rannsóknir sem sýndu að hraði ljóssins var ætíð hinn sami, óháð því hvernig athugandinn hreyfist í afstöðu við ljósið eða ljósuppsprettuna.
Í öðru lagi stríddi kyrrstætt ljós gegn kenningum skoska eðlisfræðingsins James Clerk Maxwells frá árinu 1873. Maxwelll hafði sameinað rafmagn, segulmagn og ljós í fjórar einfaldar jöfnur, sem áttu drjúgan þátt í að drífa áfram þróun rafbúnaðar og samskiptatækja. Samkvæmt jöfnum Maxwells er hraði ljóssins ævinlega nákvæmlega samur við sig.
Einstein gerði sér smám saman grein fyrir að hann yrði að þróa kenningu um hreyfingu þar sem hraði ljóss er hinn sami, hver svo sem athugandinn er. Hins vegar eiga flestir örðugt með að gera sér slíkt í hugarlund. Sérhvert barn myndi segja að maður gæti náð ljósinu með því bara að fara nægjanlega hratt í sömu átt og ljósið. Það sýnir reynslan þegar maður hleypur uppi systkin sín eða hund á hlaupum.
Ljósið í aðalhlutverki
En samkvæmt afstæðiskenningunni er aldrei hægt að ná ljósinu. Óháð því hve hratt maður flýgur á eftir ljósi frá kerti, fjarlægist það stöðugt með nákvæmlega 299.792.458 metra hraða á sekúndu. Skýring er sú að sá sem eltir ljósið tekur ævinlega mið af hraða ljóssins. Segja má að öll gildi taki þannig mið af hraða ljóss, en geta aldrei náð honum.
Hin nýja kenning Einsteins var birt árið 1905 og yfirskritin gaf tæplega til kynna þá byltingu sem hér var á ferðinni: “Zur Elektrodynamik bewegter Körper” (Um rafafl fyrirbæra á hreyfingu). Hann var þá aðeins 26 ára. Einstein varð nokkuð vonsvikinn yfir hve litla athygli grein hans vakti í fyrstu. En innan nokkurra ára varð það sem nefnt er hin sértæka afstæðiskenning Einsteins, viðurkennt af nánast öllum eðlisfræðingum. Kenning hans sameinaði á einfaldan og röklegan máta fyrirliggjandi kennningar og vinsaði burt mótsagnir og önnur vandkvæði. Fram til dagsins í dag, þegar haldið er upp á aldarafmælið, hefur hin sértæka afstæðiskenning aldrei mætt verulegu mótlæti.Hún hefur veitt svo margar forspár sem unnt hefur verið að staðfesta með tilraunum, að það væri þýðingarlaust að reyna að hafna mikilvægi hennar.
Afstæði stýrir GPS
Sú staðreynd að tíminn líði hægar hjá fyrirbærum á mikilli ferð er smám saman orðið hversdagslegt fyrirbæri hjá þeim eðlisfræðingum sem vinna við hina stórfenglegu hraðla víðsvegar í heiminum. Öll ferli í míkróheimum ganga eftir tíma, sem má reikna nákvæmlega með afstæðiskenningunni. Samtímis er orðið öldungis ljóst að ekki er unnt að fara fram úr hraða ljóssins. Hins vega er hægt að hraða öreindum þannig að þær nái allt að 99.999 % af hraða ljóss, en þær ná aldrei hraða þess alveg.
En snilld Einsteins kemur einnig að notum í daglega lífinu. Þegar maður notar GPS (Global Positioning System) til að reikna út hvar maður er staddur á hnettinum með einungis fárra metra skekkju, er slíkt mögulegt þar sem útreikningar taka tillit til afstæðs hraða gervihnatta á braut um Jörðu. Tíminn líður hraðar hjá gervihnöttunum á fleygiferð og tekið er mið af því í útreikningnum. Væri notast við hinar fyrri klassísku kenningar væri ónákvæmnin miklu meiri.
Fyrir flesta er það líklega hin víðfræga jafna E = mc² sem er kjarninnn í afstæðiskenningunni. Þessi jafna kveður á um hið nána samband milli massa og orku. Það sem okkur virðist vera áþreifanleg fyrirbæri dagsdaglega, eru í rauninni nokkurs konar „frosin orka”. Ef eðlisfræðileg ferli umbreyta massa í orku, má reikna orkuumbreytinguna með jöfnunni. Þegar Einstein setti fram jöfnuna árið 1905, skrifaði hann: „Þessi jafna er skemmtileg og heillandi, en ég get ekki vitað hvor Herra vor sé nú hlátur í huga og hafi gert mér grikk.” Nokkrum árum síðar var búið að staðfesta kennningu hans með athugunum á hraða öreinda.
Sambandið milli massa og orku lauk upp möguleikum á að losa mætti um gríðarlega orku með eðlisfræðina að vopni, og Einstein vissi það gjörla. Árið 1907 skrifaði hann nánast eins og spámaður: „Það er mögulegt að einhvern dag verði geislavirk ferli þekkt, þar sem mun stærri hlut atómsmassans er umbreytt...”. 32 árum síðar sá hann sig knúinn til að rita bandaríska forsetanum Roosevelt bréf, til að koma í veg fyrir að Nazistar næðu fyrstir að hanna kjarnorkusprengju. Eftir að hafa lesið bréf Einsteins á Roosevelt að hafa sagt: „Við þessu þarf að bregðast.”
Þyngdaraflið með í leikinn
Þrátt fyrir sigurgöngu sértæku afstæðiskenningarinnar varð Einstein fljótlega ljóst að þörf var á betrumbótum. Kenningin náði ekki til fyrirbæra með hröðun, heldur einungis við fastan hraða, og hún sagði ekkert til um hvernig þyngdaraflið verkaði í hinni nýju heimsmynd. Samkvæmt Newton hreyfist þyngdaraflið með óendanlegum hraða, en slíkt á ekki við í heimsmynd Einsteins.
Þáttaskil urðu í afstæðiskenningunni árið 1907 þegar Einstein var í vinnunni á einleyfisskrifstofunni í Bern og fékk það sem hann kallaði: „ ...heppilegustu hugmynd lífs míns”: Þyngdarafl og hröðun verka á sama hátt og eru oftar en ekki óaðskiljanleg fyrirbæri. Ímyndi maður sér einhvern staddan í geimflaug með jafna hröðun, mun viðkomandi finnast hann vera staddur í aðdráttaraflssviði. Sé hröðun geimflaugarinna t.d. 9.82 metrar á sekúndu, mun hann upplifa sama aðdráttarafl og er á Jörðu inni í flauginni. Þessar hugleiðingar komu Einstein á sporið um hvernig hann gæti sameinað tímarúm og þyngdarafl í útreikningunum.
Alheimur talar til Einsteins
Einstein notaði drjúgan tíma til að finna athuganir sem staðfestu hugmyndir hans. Og eftir átta ár kom fyrsti árangurinn í ljós árið 1915. Frá því árið 1859 var vitað um nokkur vandkvæði við útreikninga á braut Merkúrs um Sólu. Brautin breytist um meira en sem nemur 0,012 gráðum á hverri öld, en ætti að vera raunin samkvæmt klassískri aflfræði. Margar hugmyndaríkar skýringar á þessu misræmi höfðu komið fram – m.a. að mikið magn af geimryki væri til staðar milli Sólarinnar og Merkúrs – en enginn þeirra stóðst nánari skoðun.
Árið 1915 var Einstein svo langt kominn með almennu afstæðiskenninguna að hann gat reiknað út braut Merkúrs. Þetta var tilfinningaþrungið andartak í lífi hans. Útreikningar hans reyndust algerlega í samræmi við athuganir. Í þrjá daga var hann frá sér numinn og gat ekkert aðhafst. Alheimurinn hafði talað til hans og viðurkennt hugmyndir hans.
Þegar sæluvíman var afstaðin hellti Einstein sér af slíkum krafti í áframhaldandi rannsóknir, að heilsa hans beið skaða af á næstu árum. Hann var rúmliggjandi um nokkurra mánaða skeið með magasár, og hann komst fyrst og fremst til heilsu vegna umhyggju frænku hans, Elsu Löwenthal, sem hann reyndar kvæntist síðar. Þessi sjúkralega hafði þó ekki afgerandi áhrif á rannsóknirnar, því hann gat unnið drjúgum á meðan legunni stóð.
Árið 1916 gaf Einstein út vegna eindreginna áskorana 50 – síðna samantekt um almennu afstæðiskenninguna, sem tengir þyngdaraflið við sértæku afstæðiskenninguna. Þegar hann útskýrði síðar kenninguna fyrir blaðamönnum, líkti hann alheiminum við strekktan gúmmídúk, þar sem bowlingkúlur – þ.e.a.s stjörnur – mynda dældir með þyngd sinni. Komist aðrar kúlur nærri slíkum dældum snúast þær á jaðrinum, nema hraði þeirra sé of mikill – en þá fara þær framhjá sína leið. Þyngdaraflið er því ekki eiginlegt afl í afstæðiskenningunni, heldur miklu fremur verkun sem sveigir geiminn. Það sem við upplifum sem sporöskjulaga brautir í þremur víddum, er í raun beinar línur í fjórum víddum. Gúmmídúks – líking Einsteins veitir möguleika á að auðsýna hliðstæður fyrir annars óskiljanleg fyrirbæri eins og svarthol sem gleypa ljós í stórkostlega sveigðu rými. Líkja má svartholum við stað á dúknum þar sem milljarðar bowling – kúlna eru samankomnar þannig að allt sem kemst í tæri við gríðarlega dældina rennur niður í hana. Þegar ljós kemst í þyngdarsvið svarthols á það ekki afturkvæmt – og því virðist staðurinn algerlega svartur gagnvart sérhverjum athuganda. Hugtakið „svarthol” kom fyrst fram árið 1967 eftir að menn höfðu um áratugaskeið verið vissir um forsagnir afstæðiskenningarinnar um endanlegt samhrun nægjanlega þungra fyrirbæra. Frekari vísbendingar um tilvist svarthola komu á næstu árum, og með nýjum athugunum frá Hubble – sjónaukanum undir lok síðustu aldar tókst að sannfæra hörðustu efasemdarmenn um tilvist þeirra.
Lestu greinina í heild sinni í 2. tbl. 2005