Hvað er afstæðiskenningin?

Svar

Afstæðiskenningin er nafn á vísindakenningu sem var sett fram af Albert Einstein árið 1905. Kenningin dregur nafn sitt af afstæðislögmálinu sem svo kallast. Þetta lögmál kom fyrst fram á 16. öld og segir í grófum dráttum eftirfarandi:

Ef A og B eru tveir menn sem hreyfast innbyrðis með föstum hraða þá er ókleift að ákvarða hvor er „raunverulega“ kyrr og hvor er „raunverulega“ á hreyfingu. Þetta kann að koma spánskt fyrir sjónir því að farþegi í bíl þarf ekki að velkjast í vafa um hvort bíllinn er kyrrstæður eða á hreyfingu. Það er vissulega rétt að farþegi finnur fyrir hraðaukningunni meðan bíllinn er að auka hraðann því að hann þrýstist aftur í sætið, en getur jafnframt þurft á öryggisbelti að halda ef snögglega er bremsað.

Ef hins vegar bíllinn er á jöfnum hraða finnur farþeginn ekki fyrir hreyfingu nema frá misfellum á veginum og auðvitað sér hann umhverfið fara hjá. En það er alveg jafngild lýsing á þessari hreyfingu að halda því fram að bíllinn sé kyrrstæður og jörðin fari fram hjá. Þetta dæmi verður miklu skýrara ef maður hugsar sér geimskip úti í geimnum þar sem ekkert landslag er eða misfellur á vegi til að trufla skynfærin.

Afstæðiskenning Einsteins fólst í þeirri tilgátu að ekki sé með neinum eðlisfræðilegum tilraunum hægt að greina á milli tveggja athugenda sem hreyfast með föstum hraða innbyrðis. Þessi tilgáta setur öllum lögmálum eðlisfræðinnar mikil takmörk. Tilgátan hefur einnig í för með sér að hversdagslegar hugmyndir okkar um það hvernig klukkur mæla tíma og hvernig fjarlægðir milli staða eru fundnar þarfnast endurskoðunar. Til að smíða kenningu sína gerði Einstein líka ráð fyrir því að hraði ljóssins væri óháður innbyrðis hreyfingu ljósgjafans og athuganda. Afstæðiskenningin er því útvíkkun á afstæðislögmálinu.

Ein helsta niðurstaða kenningarinnar er að sérhverjir tveir hlutir hreyfast innbyrðis á hraða sem er alltaf minni en ljóshraðinn. Massalausir hlutir eins og til dæmis eindir ljóssins geta þó hreyfst með sama hraða og ljósið. Önnur niðurstaða er sú að massi kyrrstæðs hlutar feli í sér tiltekna orku og eðlisfræðingar hafa fundið ýmsar aðferðir til að leysa þessa orku úr læðingi.

Kenningin hefur jafnframt í för með sér að athugendur eru almennt ekki sammála um hve langur tími líður milli tveggja atburða. Okkur virðist ævinlega að klukka á hreyfingu gangi hægar en samsvarandi klukka sem er kyrrstæð hjá okkur. Lengd hlutar er einnig háð því á hvaða hraða hluturinn hreyfist miðað við okkur þegar við gerum lengdarmælinguna. Fleiri undarleg fyrirbæri mætti nefna. Öll frávik frá hversdagslegum hugmyndum um tíma og lengdir eru þó agnarsmá nema fyrir hluti sem hreyfast næstum eins hratt og ljósið en hraði þess er um það bil 300.000 kílómetrar á sekúndu. Á þeim hraða tekur eina sekúndu að fara til tunglsins.

Hreyfingarlögmál afstæðiskenningarinnar skipta fyrst og fremst máli fyrir agnarsmáar eindir sem hreyfast næstum eins hratt og ljósið. Árekstrar slíkra agna eru mikið rannsakaðir af eðlisfræðingum og sýna að afstæðiskenning Einsteins er hárnákvæm. Í einu slíku mælitæki þar sem tíu þúsund árekstrar verða á sekúndu má því segja að kenningin sé prófuð tíu þúsund sinnum á sekúndu.

Árið 1915 útvíkkaði Einstein afstæðiskenninguna enn frekar svo að þyngdarkraftar væru teknir með í reikninginn. Útvíkkaða kenningin er venjulega kölluð almenna afstæðiskenningin en kenningin frá 1905 takmarkaða afstæðiskenningin. Útvíkkaða kenningin skiptir fyrst og fremst máli fyrir gerð alheimsins þótt hana megi líka prófa í tilteknum tilraunum á jörðu niðri.

Lesefni

• Albert Einstein, Afstæðiskenningin. Þorsteinn Halldórsson íslenskaði. Reykjavík: Hið íslenska bókmenntafélag, 1979 og síðar.
• Einnig bendum við á góða umfjöllun NOVA um Einstein og hugmyndir hans.