Reliatyvumo teorijai jau 100 metų: nuo pirmųjų eksperimentų iki galutinio rezultato

Kai kurias šios teorijos detales Einsteinas publikavo daug anksčiau, pradedant 1907 metais. Tada ilgame tekste jis išvedė kai kurias labai svarbias reliatyvistines prognozes: ekvivalentiškumo principą, teigiantį, kad judėjimas gravitaciniame lauke atitinka judėjimą su pagreičiu, gravitacinį raudonąjį poslinkį, bei gravitacijos sukeliamą šviesos spindulių užlinkimą. Būtent pastaroji prognozė – tiesa, matematiškai išreikšta tik 1911 metais – buvo pirmoji, kurią pavyko patvirtinti eksperimentiškai. Tai įvyko prieš šimtą metų, 1919-ųjų gegužės 29 dieną.

Bendroji reliatyvumo teorija teigia, kad gravitacija iškreipia erdvėlaikį. Fotonai – šviesos spinduliai – erdvėlaikiu juda tiesiomis linijomis, bet jei pats erdvėlaikis yra iškreiptas, tai iškreipta atrodys ir fotonų trajektorija. Dėl to šviesos spinduliai, judantys pro masyvius kūnus, šiek tiek užlinksta.

Jei spinduliai pasiekia mus, mums atrodo, kad šviesos šaltinis yra šiek tiek kitoje dangaus vietoje, nei iš tikro. Jei erdvę iškreipiantis kūnas yra labai masyvus, o šviesos šaltinis – pakankamai toli už jo, galime matyti netgi ne vieną atvaizdą, o kelis, arba išvis taškinis šaltinis gali pavirsti į žiedą. Jei šaltinis nėra taškinis (pavyzdžiui, galaktika), jo atvaizdas labai iškreipiamas. Dėl tokių pasekmių šis procesas vadinamas gravitaciniu lęšiavimu, nes masyvus objektas, esantis tarp šaltinio ir stebėtojo, veikia panašiai, kaip lęšis optinėje sistemoje.

Pirmasis gravitacinio lęšiavimo eksperimentas atliktas dviejų ekspedicijų metu, stebint Saulės užtemimą. 1919 metų gegužės 29 dieną Saulės užtemimas buvo matomas didžiojoje Afrikos ir Pietų Amerikos dalyje. Mėnulio šešėlis slinko beveik ties pusiauju – per dabartines Tanzaniją, Kongą, Braziliją, Boliviją ir kelias kitas šalis. Viena ekspedicija užtemimą stebėjo Principės saloje netoli Afrikos krantų, kita – Sobralio mieste Brazilijoje. Dvi ekspedicijos buvo rengiamos tik siekiant užtikrinti kuo didesnę tikimybę, kad stebėjimams nesutrukdys oro sąlygos; jų užduotys buvo vienodos.

Abiejų ekspedicijų nariai Saulės užtemimo maksimumo metu darė Saulės vainiko ir aplinkinių žvaigždžių nuotraukas. Užtemimo metu dangus pritemsta tiek, kad žvaigždes įmanoma įžiūrėti, ypač per teleskopus. Aišku, Saulės vainikas vis tiek tam trukdo, bet ne tiek, kad nebūtų įmanoma išmatuoti žvaigždžių padėčių danguje. Matuodami žvaigždžių padėtis, mokslininkai galėjo patikrinti gravitacinio šviesos kelio iškreipimo hipotezę ir tris galimas prognozes:

1) gravitacija nepaveikia šviesos kelio, žvaigždžių padėtys nepasikeičia, joms esant arti Saulės disko (tai vadinama „nuline hipoteze“);

2) gravitacija paveikia šviesos kelią taip, kaip prognozuoja klasikinė (Niutoninė) fizika, laikant, kad fotonas turi masę, ekvivalenčią jo energijai;

3) gravitacija paveikia šviesos kelią taip, kaip prognozuoja bendroji reliatyvumo teorija.

Skirtumas tarp 2) ir 3) prognozių yra lygiai du kartai: Niutoninė fizika teigia, kad žvaigždės, matomos ties Saulės disko kraštu, tikroji padėtis yra 0,87 kampinės sekundės už Saulės disko, o reliatyvumo teorija teigia, kad atstumas yra 1,75 kampinės sekundės. Kuo toliau žvaigždė yra nuo Saulės disko, tuo mažesnis padėties iškreipimas. Stebėjimams pasirinktos 13 žvaigždžių, kurių tikėtinas padėties pokytis dėl Saulės gravitacijos turėtų būti 0,3 kampinės sekundės ir didesnis, remiantis reliatyvistine prognoze. Stebėjimus Principėje šiek tiek sutrukdė debesys, bet ir ten, ir Sobralyje gauti duomenys gerai sutapo su reliatyvistine prognoze ir leido paneigti kitas dvi. Apie šiuos rezultatus paskelbta 1920 metų sausį, straipsnyje žurnale „Philosophical Transactions of the Royal Society A“. Straipsnio skenuota versija prieinama ir internete.

Šį pirmąjį įrodymą sekė daugybė kitų, kuriuos padarėme per šimtą metų. Kol kas visi bandymai paneigti reliatyvumo teorijos prognozes baigėsi nesėkmingai – ji atlaikė visus išbandymus, kokius sugebėjome sugalvoti. Tačiau beveik neabejojama, kad ji nėra galutinis ir tikrai teisingas pasaulio aprašymas: reliatyvumo teorija duoda skirtingas prognozes nuo kvantinės mechanikos kai kurioms situacijoms, kurių patikrinti kol kas neturime galimybės. Taigi abi teorijos negali būti teisingos, o greičiausiai kažkiek pakeisti reikės jas abi.

Kaip bebūtų, reliatyvumas kol kas duoda daug naudos – ir astronominiams tyrimams, ir, pavyzdžiui, palydovinei navigacijai, mat palydovuose laikas eina šiek tiek greičiau, nei ant Žemės, taigi į tai reikia atsižvelgti įrengiant palydovų laikrodžius.

Gravitacinis šviesos nukrypimas, arba tiksliau – gravitacinis lęšiavimas – naudojamas daugybėje astronominių tyrimų. Jis padeda aptikti egzoplanetas, išmatuoti žvaigždžių mases, tyrinėti labai tolimas galaktikas, prognozuoti, kada jose pamatysime įsižiebiant supernovas, ir netgi sukurti gražius (ir teisingus) juodųjų skylių atvaizdus. Šiuo metu kalbama netgi apie tai, kad galėtume į Saulės sistemos pakraščius nusiųsti kosminį teleskopą, kuris pasinaudotų Saule kaip gravitaciniu lęšiu ir galėtų detaliai stebėti labai tolimus objektus.

Nebloga pažanga nuo poros ekspedicijų į pusiaujo regioną.