Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:36 • sest 21:19 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 16:44 • Sest 05:50 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 04:37 • Síðdegis: 17:05 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 10:57 • Síðdegis: 23:09 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hvernig „verkar“ afstæðiskenning Einsteins? Hvernig getur hún útskýrt betur hvað er að gerast í alheiminum?

Þorsteinn Vilhjálmsson

Fyrst bendum við lesendum á að kynna sér ýmis önnur svör sem þegar hafa birst hér á Vísindavefnum um afstæðiskenninguna og efni sem tengist henni. Þessi svör má kalla fram með því að setja orðið 'afstæðiskenning' inn í leitarvél okkar.

Afstæðiskenning Einsteins er yfirleitt sett fram í tvennu lagi eins og hann gerði raunar líka þegar hann birti hugmyndir sínar í öndverðu. Er þá talað um takmörkuðu afstæðiskenninguna annars vegar og hins vegar um almennu afstæðiskenninguna. Kjarna fyrri kenningarinnar birti Einstein í einni tímaritsgrein árið 1905 en hann lauk við að birta meginatriði almennu kenningarinnar árið 1916. Í takmörkuðu kenningunni er megináhersla lögð á ljósið og hluti sem nálgast ljóshraða en í þeirri almennu eru þyngdarkraftar líka teknir með í reikninginn og meðal annars lýst þeim áhrifum sem þeir hafa á rúmið.

Áður en afstæðiskenningin kom til sögunnar höfðu menn vissulega ýmsar heildstæðar og ágætlega nytsamlegar hugmyndir eða kenningar um viðfangsefni eðlisfræðinnar. Kjarni þessara hugmynda var byggður á aflfræði Newtons (samanber svör undir leitarorðinu 'Newton'). En auk hennar höfðu menn um aldamótin 1900 einnig gert sér skýrar hugmyndir til dæmis um rafsegulfræði.

Þegar spurt er eins og hér, hvernig vísindakenning geti "útskýrt betur hvað er að gerast", þá ber að miða við þessar eldri kenningar og hugmyndir. Við viljum glöggva okkur á því, hvar afstæðiskenninguna greinir á við eldri kenningar í forsögnum sínum og útskýringum á því sem fyrir augu ber í athugunum og tilraunum. Þegar slík frávik koma fyrir eru forsagnir og skýringar afstæðiskenningarinnar alltaf réttari og betri en þær eldri og því er hún almennt talin réttari kenning. Á hinn bóginn er að vísu athyglivert að eldri aðferðir eru samt sem áður oft notaðar áfram, en það er annars vegar af því að þær eru einfaldari og meðfærilegri, og hins vegar vegna þess að frávikin eru þá svo lítil að þau mælast alls ekki.

Skemmst er frá því að segja að frávik afstæðiskenningarinnar frá eldri kenningum eru mörg og veigamikil og birtast í mikilvægum fyrirbærum allt í kringum okkur. Þessi frávik eru bæði megindleg og eigindleg (quantitative and qualitative) sem kallað er; þau koma fram annars vegar í mismunandi útkomum úr tölulegum forsögnum eða útreikningum sem eru bornar saman við mælingar og hins vegar í því að ýmislegt sem gerist eða ber fyrir augu er hreinlega allt öðru vísi samkvæmt afstæðiskenningunni en samkvæmt eldri hugmyndum.

Þessi saga byrjar í raun og veru áður en afstæðiskenningin kom til. Samkvæmt eldri hugmyndum töldu menn að til væri svokallaður ljósvaki sem bæri ljós og aðrar rafsegulbylgjur milli staða svipað og loft og önnur efni bera hljóðið sem við heyrum. Tilraunir Michelsons og Morleys á síðustu tveimur áratugum nítjándu aldar sýndu hins vegar að þessi ljósvaki er ekki til. Þetta var eitt af því sem hvatti Einstein til dáða enda leysir kenning hans úr þeim vanda sem þarna kom upp. Samkvæmt henni getur ljósið borist um tómarúm en jafnframt kemur upp úr kafinu að hraði þess er óháður athuganda og hreyfingu hans.

Takmarkaða afstæðiskenningin segir fyrir um það að massi hluta fari eftir hraða þeirra. Þetta er eitt af því sem felst í jöfnunni frægu, E = m c2. Þessi forsögn kenningarinnar var staðfest með mælingum á öreindum á næstu 5-10 árum eftir að hún kom fram, og þetta hefur allar götur síðan verið ómissandi hlekkur í túlkun okkar og skilningi á hegðun öreinda sem nálgast ljóshraðann við ýmsar aðstæður, ýmist í náttúrunni eða í rannsóknatækjum.

En það er fleira sem felst í jöfnunni góðu. Þannig segir hún til um að efni eða massi getur breyst í orku og öfugt. Og ekki nóg með það, heldur segir hún líka til um hlutföllin sem gilda í slíkum breytingum; hversu mikil orka myndast þegar tiltekið efnismagn eyðist. Þar sem ljóshraðinn c er mjög stór tala og annað veldi hans c2 ennþá stærra, þá felst í jöfnunni að lítill massi samsvarar mikilli orku.

Þessi einfalda jafna hefur meðal annars átt mikinn þátt í að dýpka skilning okkar á því að sól og jörð skuli vera til og hafa verið til svo lengi sem raun ber vitni. Samkvæmt eldri hugmyndum vissu menn ekki betur en að himinhnettirnir væru "venjulegir" heitir hlutir (það er að segja heitari en umhverfið) og væru sífellt að tapa orku til umhverfisins með ljósi og annarri geislun. Menn reiknuðu út hraða kólnunarinnar og komust þá að því að hún ætti að taka miklu, miklu skemmri tíma en önnur gögn bentu til, þar á meðal saga lífsins á jörðinni samkvæmt þróunarkenningu Darwins.

Þessi vandi leystist í framhaldi af því að menn uppgötvuðu geislavirknina um aldamótin 1900. Þar með var fundin orkulindin sem heldur jörðinni í stöðugu ástandi í ármilljarða þrátt fyrir linnulaust orkutap út í geiminn. Jafnframt gerðu menn sér grein fyrir því að orkugjafi sólarinnar er ekki venjuleg varmaorka heldur kjarnorka sem losnar úr læðingi við kjarnasamruna.

En í rauninni er það einmitt massi sem er að breytast í orku í sólinni í samræmi við jöfnu Einsteins. Og hlutfallslega massabreytingin í kjarnasamruna er í stærðarþrepinu 1-10% sem er vel mælanlegt. Þess vegna má segja að við ættum í rauninni að minnast afstæðiskenningarinnar í hvert skipti sem við horfum á sólina skína!

Einnig má líta á tilvist andefnis sem eitt dæmið um forsögn afstæðiskenningarinnar sem hefur einmitt verið staðfest rækilega í tilraunum. Þessu er nánar lýst í svari sama höfundar við spurningunni Ljóseind er sín eigin andeind, nánari skýring?

Saga almennu afstæðiskenningarinnar er öðruvísi en saga takmörkuðu kenningarinnar að því leyti að almenna kenningin sagði í upphafi ekki fyrir um sérlega mörg frávik frá eldri eðlisfræði. Þetta gerbreyttist hins vegar á 3-4 síðustu áratugum tuttugustu aldar á þá leið að almenna afstæðiskenningin fléttast nú órjúfanlega inn í allar hugmyndir manna um alheiminn og þróun hans, stöðu og hlutverk þyngdarkrafta, og um einstök fyrirbæri eins og svarthol og þyngdarbylgjur.

Í stuttu máli má segja að afstæðiskenningin "verki" þannig að hún skýrir ýmislegt allt öðruvísi og betur en eldri kenningar og jafnframt skýrir hún mikilvæg fyrirbæri sem ekki verða skýrð samkvæmt eldri hugmyndum.

Frekara lesefni

Við bendum sérstaklega á bók Einsteins sjálfs, Afstæðiskenningin. Þorsteinn Halldórsson þýddi. Reykjavík: Hið íslenska bókmenntafélag, 2. útg. 1979.

Aftast í þessari bók er eftirmáli sem heitir "Um staðfestingu afstæðiskenningarinnar á síðari árum" eftir Þorstein Sæmundsson og Þorstein Vilhjálmsson. Hann ætti að geta verið mörgum til fróðleiks þótt menn mundu sjálfsagt taka öðruvísi á málinu núna.

Við bendum líka á ritaskrá í svari ÞV við spurningunni Hvar er hægt að finna lesefni um Einstein og myndir af honum?

Einnig bendum við á góða umfjöllun NOVA um Einstein og hugmyndir hans.

Höfundur

Þorsteinn Vilhjálmsson

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

Útgáfudagur

4.5.2001

Spyrjandi

Kristján Guðnason

Efnisorð

Tilvísun

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Hvernig „verkar“ afstæðiskenning Einsteins? Hvernig getur hún útskýrt betur hvað er að gerast í alheiminum?“ Vísindavefurinn, 4. maí 2001. Sótt 20. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=1564.

Þorsteinn Vilhjálmsson. (2001, 4. maí). Hvernig „verkar“ afstæðiskenning Einsteins? Hvernig getur hún útskýrt betur hvað er að gerast í alheiminum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1564

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Hvernig „verkar“ afstæðiskenning Einsteins? Hvernig getur hún útskýrt betur hvað er að gerast í alheiminum?“ Vísindavefurinn. 4. maí. 2001. Vefsíða. 20. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1564>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvernig „verkar“ afstæðiskenning Einsteins? Hvernig getur hún útskýrt betur hvað er að gerast í alheiminum?
Fyrst bendum við lesendum á að kynna sér ýmis önnur svör sem þegar hafa birst hér á Vísindavefnum um afstæðiskenninguna og efni sem tengist henni. Þessi svör má kalla fram með því að setja orðið 'afstæðiskenning' inn í leitarvél okkar.

Afstæðiskenning Einsteins er yfirleitt sett fram í tvennu lagi eins og hann gerði raunar líka þegar hann birti hugmyndir sínar í öndverðu. Er þá talað um takmörkuðu afstæðiskenninguna annars vegar og hins vegar um almennu afstæðiskenninguna. Kjarna fyrri kenningarinnar birti Einstein í einni tímaritsgrein árið 1905 en hann lauk við að birta meginatriði almennu kenningarinnar árið 1916. Í takmörkuðu kenningunni er megináhersla lögð á ljósið og hluti sem nálgast ljóshraða en í þeirri almennu eru þyngdarkraftar líka teknir með í reikninginn og meðal annars lýst þeim áhrifum sem þeir hafa á rúmið.

Áður en afstæðiskenningin kom til sögunnar höfðu menn vissulega ýmsar heildstæðar og ágætlega nytsamlegar hugmyndir eða kenningar um viðfangsefni eðlisfræðinnar. Kjarni þessara hugmynda var byggður á aflfræði Newtons (samanber svör undir leitarorðinu 'Newton'). En auk hennar höfðu menn um aldamótin 1900 einnig gert sér skýrar hugmyndir til dæmis um rafsegulfræði.

Þegar spurt er eins og hér, hvernig vísindakenning geti "útskýrt betur hvað er að gerast", þá ber að miða við þessar eldri kenningar og hugmyndir. Við viljum glöggva okkur á því, hvar afstæðiskenninguna greinir á við eldri kenningar í forsögnum sínum og útskýringum á því sem fyrir augu ber í athugunum og tilraunum. Þegar slík frávik koma fyrir eru forsagnir og skýringar afstæðiskenningarinnar alltaf réttari og betri en þær eldri og því er hún almennt talin réttari kenning. Á hinn bóginn er að vísu athyglivert að eldri aðferðir eru samt sem áður oft notaðar áfram, en það er annars vegar af því að þær eru einfaldari og meðfærilegri, og hins vegar vegna þess að frávikin eru þá svo lítil að þau mælast alls ekki.

Skemmst er frá því að segja að frávik afstæðiskenningarinnar frá eldri kenningum eru mörg og veigamikil og birtast í mikilvægum fyrirbærum allt í kringum okkur. Þessi frávik eru bæði megindleg og eigindleg (quantitative and qualitative) sem kallað er; þau koma fram annars vegar í mismunandi útkomum úr tölulegum forsögnum eða útreikningum sem eru bornar saman við mælingar og hins vegar í því að ýmislegt sem gerist eða ber fyrir augu er hreinlega allt öðru vísi samkvæmt afstæðiskenningunni en samkvæmt eldri hugmyndum.

Þessi saga byrjar í raun og veru áður en afstæðiskenningin kom til. Samkvæmt eldri hugmyndum töldu menn að til væri svokallaður ljósvaki sem bæri ljós og aðrar rafsegulbylgjur milli staða svipað og loft og önnur efni bera hljóðið sem við heyrum. Tilraunir Michelsons og Morleys á síðustu tveimur áratugum nítjándu aldar sýndu hins vegar að þessi ljósvaki er ekki til. Þetta var eitt af því sem hvatti Einstein til dáða enda leysir kenning hans úr þeim vanda sem þarna kom upp. Samkvæmt henni getur ljósið borist um tómarúm en jafnframt kemur upp úr kafinu að hraði þess er óháður athuganda og hreyfingu hans.

Takmarkaða afstæðiskenningin segir fyrir um það að massi hluta fari eftir hraða þeirra. Þetta er eitt af því sem felst í jöfnunni frægu, E = m c2. Þessi forsögn kenningarinnar var staðfest með mælingum á öreindum á næstu 5-10 árum eftir að hún kom fram, og þetta hefur allar götur síðan verið ómissandi hlekkur í túlkun okkar og skilningi á hegðun öreinda sem nálgast ljóshraðann við ýmsar aðstæður, ýmist í náttúrunni eða í rannsóknatækjum.

En það er fleira sem felst í jöfnunni góðu. Þannig segir hún til um að efni eða massi getur breyst í orku og öfugt. Og ekki nóg með það, heldur segir hún líka til um hlutföllin sem gilda í slíkum breytingum; hversu mikil orka myndast þegar tiltekið efnismagn eyðist. Þar sem ljóshraðinn c er mjög stór tala og annað veldi hans c2 ennþá stærra, þá felst í jöfnunni að lítill massi samsvarar mikilli orku.

Þessi einfalda jafna hefur meðal annars átt mikinn þátt í að dýpka skilning okkar á því að sól og jörð skuli vera til og hafa verið til svo lengi sem raun ber vitni. Samkvæmt eldri hugmyndum vissu menn ekki betur en að himinhnettirnir væru "venjulegir" heitir hlutir (það er að segja heitari en umhverfið) og væru sífellt að tapa orku til umhverfisins með ljósi og annarri geislun. Menn reiknuðu út hraða kólnunarinnar og komust þá að því að hún ætti að taka miklu, miklu skemmri tíma en önnur gögn bentu til, þar á meðal saga lífsins á jörðinni samkvæmt þróunarkenningu Darwins.

Þessi vandi leystist í framhaldi af því að menn uppgötvuðu geislavirknina um aldamótin 1900. Þar með var fundin orkulindin sem heldur jörðinni í stöðugu ástandi í ármilljarða þrátt fyrir linnulaust orkutap út í geiminn. Jafnframt gerðu menn sér grein fyrir því að orkugjafi sólarinnar er ekki venjuleg varmaorka heldur kjarnorka sem losnar úr læðingi við kjarnasamruna.

En í rauninni er það einmitt massi sem er að breytast í orku í sólinni í samræmi við jöfnu Einsteins. Og hlutfallslega massabreytingin í kjarnasamruna er í stærðarþrepinu 1-10% sem er vel mælanlegt. Þess vegna má segja að við ættum í rauninni að minnast afstæðiskenningarinnar í hvert skipti sem við horfum á sólina skína!

Einnig má líta á tilvist andefnis sem eitt dæmið um forsögn afstæðiskenningarinnar sem hefur einmitt verið staðfest rækilega í tilraunum. Þessu er nánar lýst í svari sama höfundar við spurningunni Ljóseind er sín eigin andeind, nánari skýring?

Saga almennu afstæðiskenningarinnar er öðruvísi en saga takmörkuðu kenningarinnar að því leyti að almenna kenningin sagði í upphafi ekki fyrir um sérlega mörg frávik frá eldri eðlisfræði. Þetta gerbreyttist hins vegar á 3-4 síðustu áratugum tuttugustu aldar á þá leið að almenna afstæðiskenningin fléttast nú órjúfanlega inn í allar hugmyndir manna um alheiminn og þróun hans, stöðu og hlutverk þyngdarkrafta, og um einstök fyrirbæri eins og svarthol og þyngdarbylgjur.

Í stuttu máli má segja að afstæðiskenningin "verki" þannig að hún skýrir ýmislegt allt öðruvísi og betur en eldri kenningar og jafnframt skýrir hún mikilvæg fyrirbæri sem ekki verða skýrð samkvæmt eldri hugmyndum.

Frekara lesefni

Við bendum sérstaklega á bók Einsteins sjálfs, Afstæðiskenningin. Þorsteinn Halldórsson þýddi. Reykjavík: Hið íslenska bókmenntafélag, 2. útg. 1979.

Aftast í þessari bók er eftirmáli sem heitir "Um staðfestingu afstæðiskenningarinnar á síðari árum" eftir Þorstein Sæmundsson og Þorstein Vilhjálmsson. Hann ætti að geta verið mörgum til fróðleiks þótt menn mundu sjálfsagt taka öðruvísi á málinu núna.

Við bendum líka á ritaskrá í svari ÞV við spurningunni Hvar er hægt að finna lesefni um Einstein og myndir af honum?

Einnig bendum við á góða umfjöllun NOVA um Einstein og hugmyndir hans....