A. Einsteinova teória gravitácie

OBSAH:

Úvod

Predstavte si, že držíte v ruke jablko a vyhodíte ho zvislo nahor. Viete, že jablko bude stúpať a spomaľovať, zastaví sa a začne padať dole. Popis jeho pohybu nie je príliš zložitý. Stretol sa s ním každý gymnazista v prvom ročníku na vyučovaní fyziky. Takýto pohyb jablka sa nazýva zvislý vrh a je popísaný Newtonovými zákonmi klasickej mechaniky.

Pravdepodobne ste už počuli o tom, že na začiatku 20. storočia prebehla vo fyzike veľká revolúcia, súvisiaca s Einsteinovou teóriou relativity, ktorá znamenala prehodnotenie názorov fyzikov na priestor, čas a gravitáciu. Mnohí ste čítali o všeobecnej teórii relativity (teórii gravitácie, tiež VTR), ale žiaľ, väčšinou šlo len o populárne vysvetlenia. Nevideli ste však pravdepodobne ako všeobecná teória relativity naozaj funguje!

Cieľom týchto stránok je ukázať vám, ako možno pomocou VTR popísať pohyb už spomínaného jablka v slabom gravitačnom poli Zeme. Popis pomocou Einsteinovej teórie relativity je hlboký a poskytuje nádherný pohľad na to, ako sa veci skryté za pohybom jablka naozaj majú. VTR ponúka dokonca aj možnosť odvodiť Newtonov pohybový zákon pre pohyb jablka, ktorý sa v klasickej mechanike považoval za daný.

Na to, aby ste nasledujúci výklad pochopili, je potrebné vedieť derivovať jednoduché funkcie a poznať pojem integrál, bez nutnosti vedieť integrovať. Okrem toho predpokladáme, že ste už oboznámení so základmi špeciálnej teórie relativity na stredoškolskej úrovni.

Základné myšlienky Einsteinovej teórie gravitácie

Einstein vysvetľuje gravitáciu naozaj inak ako Newton. Podľa Einsteina je gravitácia zakrivením tkaniva priestoročasu v okolí hmotných predmetov. Základom VTR je takzvaný princíp ekvivalencie, ktorý sa dá formulovať takto:

Inak povedané: Ak ste vo výťahu a niekto vám prereže laná, začne výťah padať a zmiznú v ňom (skoro) všetky stopy po gravitácii. Z výťahu sa stane inerciálna sústava. Ak v takom výťahu položíte do voľného priestoru pred seba jablko, zostane sa vznášať pred vami. Ak mu na začiatku udelíte rýchlosť istým smerom, bude sa vždy pohybovať rovnakou rýchlosťou, tým istým smerom.

Z tohto princípu odvodil Einstein to, ako na seba navzájom vplývajú hmotné telesá a priestoročas. Jeho zistenia možno zhrnúť slovami Johna A. Wheelera nasledovne:

Tomuto povelu hovoríme princíp maximálneho vlastného času.

Einsteinova teória relativity má jednu nádhernú vlastnosť: Za normálnych okolností musí hladko prechádzať do Newtonovej teórie. To znamená, že za normálnych okolností sa predpovede VTR budú zanedbateľne líšiť od predpovedí Newtonovej mechaniky. Za extrémnych okolností dáva VTR odlišné predpovede od Newtonovej mechaniky. Astronomické pozorovania dávajú za pravdu VTR a to zvyšuje našu dôveru v túto teóriu.

Einsteinova VTR má mnoho fascinujúcich dôsledkov. Spomenieme len čierne diery, gravitačné vlny, dôsledky týkajúce sa vývoja Vesmíru ako celku. Einsteinova teória vysvetľuje činnosť kvazarov, najžiarivejších zdrojov energie na oblohe, popisuje zrážku a splynutie dvoch čiernych dier — jav, ktorý je zdrojom silných gravitačných vĺn. Na tomto mieste sa nebudeme týmito fascinujúcimi vecami zaoberať. Namiesto toho sa pozrieme na to, ako VTR popisuje pohyb v slabom gravitačnom poli Zeme.