Afstæðiskenningin

<- Aftur í efnisyfirlit fyrir Wikibækur kennaranema

---

Albert Einstein er höfundur afstæðiskenningarinnar. Fyrri hluta hennar, hina takmörkuðu afstæðiskenningu, setti hann fram árið 1905 og seinni hlutann, hina almennu afstæðiskenningu, setti hann fram árið 1916.

Hér eru sett saman fáein orð sem gætu orðið upphaf að einföldum leiðarvísi milli helstu varðanna á hinum vandrötuðu víðáttum kenningarinnar (sem er eiginlega engin kenning lengur, heldur ein af rækilegast staðfestu reglum eðlisfræðinnar!)

Albert Einstein árið 1921. Myndin er tekin er hann veitti Nobelsverðlaununum viðtöku. Þau hlaut hann fyrir útskýringar sínar á ljósröfun málma, en ekki fyrir afstæðiskenninguna.

Aðdragandinn

Á árinu 1887 tókst þeim Michelson og Morley að sýna fram á með tilraun að ljóshraðinn væri sá sami í allar áttir, óháð hreyfingu þess sem mælir hann. Þetta olli mönnum miklum heilabrotum, enda var talið víst að til væri ljósvaki sem átti að vera bylgjuberi fyrir ljósið, rétt eins og andrúmsloftið bar hljóð eða jörðin jarðskjálftabylgjur. Samkvæmt þessu hefði mældur ljóshraði átt að vera háður hreyfingarstefnu þessa ljósvaka og hreyfingu (hraða) þess athuganda sem ljóshraðann mælir.

Einstein áttaði sig á því fyrstur manna að það var óþarfi að gera ráð fyrir að einhver ljósvaki væri til. Þar með losnaði hann við þá óþörfu og erfiðu þraut sem aðrir glímdu við, að laga niðurstöður tilraunar Michelsons og Morley að ætluðum hugmyndum um eðli ljósvakans.

Kennisetningar Einsteins

Hann setti fram tvær kennisetningar:

1. Lögmál eðlisfræðinnar (formúlur) áttu að líta eins út fyrir öllum athugendum, óháð því hvernig þeir hreyfðust innbyrðis og hvað þeir notuðu sem viðmiðun (afstæði athugandanna).
2. Ljóshraðinn myndi alltaf mælast sá sami, hvernig sem þeir hreyfðust sem mældu hann.

Hér var innsæi snillings að verki. Hann kannaði síðan hvaða áhrif þetta hafði á viðteknar jöfnur eðlisfræðinnar og útlistanir.

Til einföldunar byrjaði hann á að hugsa sér að tveir athugendur hreyfðust með jöfnum hraða innbyrðis þannig að þeir nálgist eða fjarlægist hvorn annan með með óbreyttum hraða eftir beinni línu. Tregðukerfi, sem einnig er nefnt viðmiðunarkerfi, varð miðlægt hugtak í greiningu hans.

Takmarkaða afstæðiskenningin

Af þessu varð takmarkaða afstæðiskenningin til. Helstu uppgötvanir urðu:

• Tíminn er afstæður:
  • Atburðir gerast hægar þegar þeir eru skoðaðir á hreyfingu
• Lengd er afstæð:
  • Hlutir styttast í hreyfingarstefnu sína
• Massinn er afstæður:
  • Massinn eykst með hraða
  • Massi jafngildir orku: $E=mc^{2}$
  • Hlutir með massa geta ekki náð ljóshraða
• Hraðamunur er afstæður
• Tímarúmið
  • Samtímahugtakið er skynvilla
  • Veröldin er fjórvíð

Einstein sagði að þetta mætti útskýra á svo einfaldan hátt að hvert barn skildi og taldi víst að rataði í kennslubækur fyrir börn. Um þessa hluti er fjallað nánar í undirköflum.

Með takmörkuðu afstæðiskenningunni hafði hann útvíkkað hina hefðbundnu aflfræði annars snillings, Newton, sem fyrstur allra hafði greint krafta og lagt grunn að aflfræði hluta á 17.öld. Í ljós kom að jöfnur Newtons voru staðbundnar nálganir sem áttu við þegar hraði hluta var miklu minni en hraði ljóssins.

Framlag Newtons margfaldaði getu mannanna til að greina krafta sólkerfisins og náttúrunnar og færa sér þá í nyt. Hliðstætt gildir um Einstein og jöfnur hans, sem mynduðu ekki aðeins grunn fyrir samskiptum við geimför og rannsóknir á öreindum í háorkuhröðlum, heldur og fyrir stórauknum skilningi á sjálfum geimnum og stöðu okkar innan hans. Enn sér ekki fyrir endann á því til hvers þetta ævintýri á leið mannsins leiðir.

Almenna afstæðiskenningin

Næst sneri Einstein sér að flóknari hlutum: Þegar innbyrðis hraði og eða hreyfingarstefna athugandanna breytist. Þá er sagt að þeir hafi innbyrðis w:Hröðun hröðun, en hreyfing í þyngdarsviði er dæmigerð fyrir það. Í kjölfarið varð til almenna afstæðiskenningin, sem reyndist mun erfiðari viðureignar. Sjálf takmarkaða afstæðiskenningin er sértilfelli af almennu afstæðiskenningunni (á við þegar hröðunin er engin).

Einstein varð að leita aðstoðar færustu stærðfræðinga í glímunni við almennu afstæðiskenninguna. Enn þann dag í dag vefst fyrir vísindamönnum að beita jöfnum hennar og leysa úr flækjunum sem koma fram – en ef til vill fyrst og fremst vegna hins stórkostlega nýja raunveruleika heimsmyndar rúms, tíma og þyngdarsviðs, sem varð til í kjölfarið. Svo fátt eitt sé nefnt:

• Breytt heimsmynd
  • Sveigja rúms
• Þyngdarsvið
  • Tími er háður þyngdarsviði:
    • Atburðir sjást líða hægar þar sem þyngdarsviðið er meira
  • Beygja ljóss
  • Svarthol

Heimildir

Lesefni á íslensku

Einstein, Albert , Afstæðiskenningin. Þorsteinn Halldórsson íslenskaði. Reykjavík: Hið íslenska bókmenntafélag, 1979 og síðar.