Opšta relativnost  

U novembru 1915, Ajnštajn je održao seriju predavanja pred Pruskom akademijom nauka na kojima je predstavio novu teoriju gravitacije, poznatu kao Opšta teorija relativnosti. Poslednje predavanje se završava njegovim uvođenjem jednačina koje zamenjuju Njutnov zakon gravitacije i nazivaju se Ajnštajnove jednačine polja. David Hilbert, zapravo, je objavio jednačine polja u članku koji je datiran pet dana pre Ajnštajnovih predavanja. Ali prema Tornu (-{Thorne}-) (117-118), Hilbert je otkrio ispravne jednačine tek posle “premišljanja nad stvarima koje je naučio” tokom nedavne Ajnštajnove posete Getingenu. Torn ide i dalje pa kaže: “Sasvim prirodno, i u skladu sa Hilbertovim viđenjem stvari, rezultujući zakoni zakrivljenosti hitro su nazvani imenom “Ajnštajnove jednačine polja”, radije nego da budu nazvane po Hilbertu. U stvari, da nije bilo Ajnštajna, opšte relativistički zakoni gravitacije možda bi bili otkriveni tek nekoliko decenija kasnije.” Videti Osporavanja prioriteta otkrića relativnosti za više detalja. Ova teorija sve posmatrače smatra ekvivalentnim, a ne samo one koji se kreću ravnomerno, odnosno stalnom brzionom. U opštoj relativnosti gravitacija nije više sila (kao što je to u Njutnovom zakonu gravitacije) nego je posledica zakrivljenosti prostor-vremena.

 Ajnštajnovi objavljeni radovi iz opšte relativnosti za vreme rata nisu bili dostupni nigde izvan Nemačke. Vesti o Ajnštajnovoj novoj teoriji stigle su do astronoma sa engleskog govornog područja u Engleskoj i Americi preko holandskih fizičara Hendrika Lorenca i Pola Erenfesta kao i njihovog kolege Vilema de Sitera, direktora Lajdenske opservatorije. Artur Stenli Edington iz Engleske, koji je bio Sekretar Kraljevskog astronomskog društva, zatražio je od de Sitera da u korist njegovih astronoma napiše seriju članaka na engleskom. On je bio fasciniran novom teorijom i postao je vodeći pobornik i popularizator teorije relativnosti.

Većini astronoma nije se sviđala Ajnštajnova geometrizacija gravitacije i smatrali su da njegova predviđanja pojava savijanja svetlosti i gravitacionog crvenog pomaka ne mogu da budu tačna. Godine 1917, astronomi pri Maunt Vilson opservatoriji (-{Mt. Wilson Observatory}-) u južnoj Kaliforniji objavili su rezultate spektroskopskih analiza Sunčevog spektra koje su, činilo se, ukazivale na to da nema nikakvog gravitacionog crvenog pomaka u Sunčevoj svetlosti. U 1918. godini, astronomi pri Lik opservatoriji (-{Lick Observatory}-) u severnoj Kaliforniji načinili su fotografije pomračenja sunca vidljivog u Sjedinjenim Državama. Nakon završetka rata, oni su proglasili svoje nalaze tvrdeći da su Ajnštajnova opšte-relativistička predviđanja o savijanju svetlosti pogrešna, ali nisu nikada objavili njihove rezultate, pravdajući to mogućim velikim greškama pri merenju.

U maju mesecu, 1919, tokom britanskih osmatračkih ekspedicija pomračenja Sunca (preduzetih u Sobralu, Brazil, (-{Sobral, Ceará, Brazil}-), kao i na ostrvu -{Principe}- (Prinčevsko ostrvo), na zapadnoj ovali Afrike, Artur Stenli Edington nadgledao je merenje savijanja svetlosti zvezda prilikom njenog prolaska u blizini Sunca, što rezultuje u prividnom pomeranju položaja posmatranih zvezda dalje od Sunca. Ovaj fenomen nazvan je efekat gravitacionog sočiva i u ovom slučaju opaženo pomeranje položaja zvezda bilo je duplo veće nego što je bilo predviđeno Njutnovom fizikom. Ova opažanja slagala su se sa predviđanjima proisteklim iz Ajnštajnovih jednačina polja iz Opšte teorije relativnosti. Edington je objavio da rezultati potvrđuju Ajnštajnovo predviđanje i Tajms magazin (The Times) izvestio je o ovoj potvrdi Ajnštajnove teorije 7. novembra iste godine, naslovima "Revolucija u nauci – Nova teorija Univerzuma – Njutnovske ideje su odbačene". Nobelov laureat Maks Born (-{Max Born}-) izrazio je svoje poglede na opštu relativnost kao na "najveći podvig ljudskog razmišljanja o prirodi"; njegov kolega laureat Pol Dirak (Paul Dirac) nazvao je to "verovatno najvećim naučnim otkrićem ikada učinjenim". Ovi komentari i rezultujući publicitet zacementirali su Ajnštajnovu slavu. On je postao svetski slavan – neuobičajeno dostignuće za jednog naučnika.

Mnogi naučnici još uvek nisu ubeđeni u sve to zbog raznoraznih razloga, počevši od onih naučnih (neslaganje sa Ajnštajnovim tumačenjem eksperimenata, verovanje u eter ili u to da je apsolutni sistem referencije neophodan) pa sve do psiho-socijalnih (konzervatizam, antisemitizam). Prema Ajnštajnovom gledištu, većina primedbi dolazila je od eksperimentatora koji su imali vrlo malo razumevanja teorije koja je u to uključena. Ajnštajnova popularnost u javnosti, koja je nastupila posle članka iz 1919, stvorila je ozlojeđenost kod tih naučnika, a kod nekih ova ozlojeđenost se zadržala i u 1930.-im godinama.

30. marta, 1921., Ajnštajn odlazi u Njujork da drži predavanja o njegovoj novoj Teoriji relativnosti, a iste godine on će biti nagrađen i Nobelovom nagradom. Mada je on sada bio najslavniji po svome radu na relativnosti, Nobelova nagrada mu je dodeljena za raniji rad o fotoelektričnom efektu, jer je njegova opšta relativnost još uvek bila predmet sporenja. Nobelov komitet je, dakle, doneo odluku da navodeći njegov najmanje osporavani rad prilikom dolele nagrade, učine to prihvatljivijim za naučnu zajednicu.

Kopenhagensko tumačenje

U 1909. godini, Ajnštajn predstavlja svoj rad “Razvoj naših pogleda na sastav i suštinu zračenja” (Template:Jez-nem, dostupan i u engleskom prevodu kao: eng. The Development of Our Views on the Composition and Essence of Radiation) u kojem sumira dotadašnja gledišta fizičara na koncept luminoferusnog (propusnog za svetlost) etera i, što je još važnije, u kojem razmatra o pojavi kvantizacije svetlosti. U ovome, kao i u ranijem 1909. godine članku, Ajnštajn pokazuje da kvanti energije, koje je u fiziku uveo Maks Plank, takođe poseduju i dobro definisan impuls i da se u mnogim pogledima ponašaju kao da su nezavisne tačkaste čestice. Ovaj članak obeležava uvođenje modernog „fotonskog“ koncepta (mada je termin kao takav uveden znatno kasnije, u radu iz 1926. godine Gilberta N. Luisa (-{Gilbert N. Lewis}-). Čak možda još značajnije je to, što Ajnštajn pokazuje da svetlost može istovremeno da bude i talas i čestica, i tačno predskazuje da fizika stoji na ivici revolucije koja će zahtevati od nje da ujedini ove dva dualna svojstva svetlosti. Međutim, njegov predlog da Maksvelove jednačine elektromagnetnog polja treba izmeniti tako da one dozvole u graničnim slučajevima i singularitete polja, nikada nije dalje razvijan, mada je mogao imati uticaja na Luj de Broljijevu talasno-čestičnu pilot hipotezu Kvantne mehanike.

Determinizam

Početkom 1920-ih, kako je originalna kvantna teorija sve više zamenjivana sa novom teorijom Kvantne mehanike, Ajnštajn je glasno počeo da kritikuje Kopenhagensko tumačenje (-{Copenhagen interpretation}-) novih jednačina. Njegov opozicioni stav u gledanju na ovo pitanje on će zadržati celog svoga života. Većina vidi razloge ovog njegovog protivljenja u tome što je on bio kruti determinista (videti determinizam). Pri tome oni se pozivaju na pismo upućeno Maksu Bornu). 1926, u kojem Ajnštajn navodi primedbu koje se istoričari najviše podsećaju:

Kvantna mehanika je zaista impozantna. Ali neki unutrašnji glas mi govori da to još nije prava stvar. Ova teorija kaže nam mnogo toga, ali nas zaista ne dovodi nimalo bliže tajni Onog Starog (Boga, Stvoritelja, prim. prev.). Ja sam, po svaku cenu, ubeđen da se On (Bog) ne igra kockom.

Na ovo, Nils Bor, koji se najviše sporio sa Ajnštajnom oko kvantne teorije, odgovorio mu je, "Prestani da govoriš Bogu šta bi on trebalo da radi!" Bor-Ajnštajnova debata o fundamentalnim aspektima kvantne mehanike desila se tokom Solvej konferencije. Još jedan važan deo Ajnštajnove tačke gledišta na probablizam kvantne mehanike predstavlja čuveni EPR članak koji je on napisao zajedno sa Podolskim i Rozenom (Ajnštajn - Podolski - Rozen paradoks). Neki fizičari uzimaju ovaj rad kao dodatni dokaz tvrđenja da je Ajnštajn bio u suštini determinista.

Ima mesta, međutim, i za sasvim drugačije gledanje na ove Ajnštajnove primedbe upućene “kvantnim pravovercima”. Jer, Ajnštajn je osim ove, prethodno navedene, izjave davao i neke druge, tako da je Ajnštajnov savremenik Volfgang Pauli, našao za njega po ovome pitanju i reči razumevanja. Prethodno citirana izjava “Bog se ne igra kockom” data je prilično rano, a Ajnštajnove kasnije izjave tiču se nekih drugih tema. Volfgang Paulijev citat po ovom pitanju je sledeći:Ja nisam u stanju da prepoznam Ajnštajna kada god vi govorite o njemu, bilo u vašem pismu ili u manuskriptu. Čini mi se kao da ste vi sami za sebe napravili i podigli neku lutku Ajnštajna, koju zatim oborite na pod sa velikom pompom. Posebno zato što Ajnštajn nije smatrao koncept determinizma toliko fundamentalnim kao što je često držano da jeste (ovo mi je on rekao nedvosmisleno mnogo puta). ...On odbija da je ikada koristio, kao kriterijum prihvatljivosti neke teorije, pitanje "Da li je ona rigorozno deterministička?"…on nije uopšte ljut na vas, nego samo kaže da ste vi osoba koja neće da sluša.

Nepotpunost i realizam

Mnogi od Ajnštajnovih komentara ukazuju na njegovo verovanje da je kvantna mehanika 'nepotpuna' teorija. Ovo tvrđenje je prvi put izneto u čuvenom, Ajnštajn – Podolski – Rozen članku, (EPR paradoks), iz 1935. godine, a ponovo se pojavljuje i 1949. godine u knjizi Albert Ajnštajn, Filozof-Naučnik (Albert Einstein, Philosopher-Scientist). EPR članak — naslovljen sa "Može li se kvantno mehanički opis fizičke stvarnosti smatrati potpunim?" (eng. Can Quantum Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?) — završava se zaključkom: "Pošto smo tako pokazali da talasna funkcija ne obezbeđuje potpuni opis fizičke stvarnosti, otvara se pitanje da li takav opis uopšte i postoji ili ne. Mi verujemo, međutim, da je takva jedna teorija ipak moguća."

U Shilpovoj knjizi, Ajnštajn postavlja fascinantan eksperimentalni predlog u nečemu sličan sa „Šredingerovom mačkom“. U uvodu on čini kratko podsećanje na problem (radioaktivnog raspada) atoma. Ako imamo na početku jedan neraspadnuti atom i ako čekamo određeni period vremena, kvantna mehanika daje nam verovatnoću sa kojom će ovaj atom u datom vremenu podleći transformaciji putem radioaktivnog raspada. Ajnštajn zatim zamišlja sledeći sistem kao sredstvo za detekciju raspada

Umesto da razmatramo sistem koji sadrži samo radioaktivni atom (i njegov proces transformacije), bolje je razmatrati sistem koji uključuje u sebe takođe i sredstvo za konstataciju radioaktivne transformacije – na primer Gajgerov brojač sa mehanizmom za automatsko registrovanje. Neka ovo uključuje i registarsku traku, pomeranu satnim mehanizmom, po kojoj će oznake biti ispisivane okidanjem brojača. Istina, sa tačke gledišta kvantne mehanike, ovaj sistem u celini je veoma složen i prostor koji zauzima njegova konfiguracija je veoma velikih dimenzija. Ali u principu nema zamerki na tretiranje celog ovog sistema sa tačke gledišta kvantne mehanike. Ovde takođe, teorija određuje verovatnoću za svaku konfiguraciju, za sve koordinate i za svaki vremenski trenutak. Ako bi se uzele u obzir sve konfiguracije koordinata, za vreme dovoljno veliko u poređenju sa prosečnim vremenom raspada jednog radioaktivnog atoma, trebalo bi da bude (najviše) jedna takva registraciona oznaka na papirnoj traci. Za svaku konfiguraciju koordinata treba da odgovara određena pozicija oznake na papirnoj traci. Ali, ukoliko teorija donosi samo relativnu verovatnoću zamislivih koordinatnih konfiguracija, to takođe nudi samo relativne verovatnoće za položaje oznaka na papirnoj traci, ali ne i tačno određene polaožaje ovih oznaka.

Ajnštajn dalje nastavlja:

…Ako mi pokušamo da se pozabavimo tumačenjem da kvantni teoretski opis treba da bude shvaćen kao potpuni opis nekog pojedinačnog sistema, tada smo prisiljeni na tumačenje da položaj oznake na traci nije nešto što pripada sistemu po sebi, nego da je postojanje tog položaja suštinski zavisno od izvršenja opažanja načinjenog na registracionoj traci. Ovakvo tumačenje u stvari nije ni na koji način apsurdno sa čisto logičke tačke gledišta, ali teško da postoji bilo ko ko bi bio sklon da ovo uzme ozbiljno u razmatranje. Zato što u makroskopskom svetu jednostavno se podrazumeva da se moramo držati programa realističkog opisa u prostoru i vremenu, dok u oblasti mikroskopskih pojava, skloni smo rađe da odustanemo od ovog programa, ili da ga, u najmanju ruku, izmenimo.

Ajnštajn nije nikada odbacio u potpunosti probablističke tehnike i način mišljenja. On lično iskazao se kao veliki “statističar”. koristeći statističku analizu u njegovom radu o Braunovom kretanju i fotoelektricitetu, a u radovima objavljenim pre 1905. Ajnštajn je čak otkrio i Gibsove ansamble. Prema mišljenju većine fizičara, međutim, on je verovao da se na indeterminizmu mogu zasnivati razlozi za ozbiljne primedbe na račun fizičke teorije. Paulijevo svedočenje, kao što smo videli, u suprotnosti je sa ovim, a Ajnštajnove lične izjave pokazuju da se on fokusirao na nepotpunost, kao njegovu glavnu brigu.

U nešto kasnijim vremenima došlo je do novog zaokreta u ovom poslu. Džon Bel (-{John Stewart Bell}-) otkrio je dalje zanimljive rezultate (Belova teorema i Belova nejednakost) prilikom njegovog istraživanja Ajnštajn, Podolski i Rozenovog članka. Postoji razilaženje u mišljenjima u odnosu na zaključke koji su iz ovoga izvodljivi, u vezi sa EPR analizom. Prema Belu, kvantna nelokalnost time je ustanovljena, dok drugi u tome vide smrt determinizma.

Rezime

Šta god da su bila njegova unutrašnja ubeđenja, Ajnštajn se slagao da je kvantna teorija najbolja koja je trenutno na raspolaganju, ali on je tragao za više „potpunim“ objašnjenjem, bilo da je ono više determinističko ili da je ono koje može fundamentalnijie objasniti razloge za probablizme kvantne mehanike na jedan logičan način. On nije mogao da se odrekne verovanja da fizika opisuje zakone kojima se potčinjavaju „realne stvari“, niti je mogao da se odrekne verovanja da ne postoji takvo objašnjenje koje bi u sebi sadržavalo kontradikcije, što ga je, između ostalog, dovelo do njegovih uspešnih objašnjenja fotona, relativnosti, atoma i gravitacije.

Boze-Ajnštajnova statistika

U 1924. godini, Ajnštajn je primio kratko pismo od mladog indijskog fizičara po imenu Satjandra Nat Boze (-{Satyendra Nath Bose}-) u kojem on opisuje svetlost kao gas fotona i moli Ajnštajna za pomoć oko objavljivanja. Ajnštajn shvata da ista ta statistika može da bude primenjena i na atome, i objavljuje članak na nemačkom jeziku (u to vreme lingam franka (-{lingua franca}-) fizike) u kome opisuje Bozeov model i objašnjava njegove posledice. Boze-Ajnštajnova statistika sada opisuje skupove takvih, identičnih čestica, celobrojnog spina, poznatih kao bozoni. Boze-Ajnštajnov kondenzat je fenomen predviđen 1920., od strane Bozea i Ajnštajna, zasnovan na Bozeovom radu o statističkoj mehanici fotona, koji je potom bio formalizovan i generalizovan od strane Ajnštajna. Prvi takav kondenzat u alkalnim gasovima proizveli su Erik Kornel i Karl Vajman (-{Eric Cornell}- i -{Carl Wieman}-) 1995. godine na Univerzitetu Kolorado, mada je Boze-Ajnštajnova kondenzacija bila opažana u superfluidnom helijumu-4 još od 1930ih. Ajnštajnove originalne skice ove teorije bile su ponovo otkrivene avgusta 2005. u biblioteci Lajdenskog univerziteta.

Ajnštajn je takođe pripomogao Ervinu Šredingeru u razvoju kvantne Bolcmanove distribucije, mešavine klasičnog i kvantno mehaničkog gasnog modela, mada je shvatio da će to biti manje značajno od Boze-Ajnštajnovo modela i odbio je da njegovo ime bude uključeno u ovaj rad.

Ajnštajnov frižider

Godine 1926, Ajnštajn i njegov bivši student Leo Silard (Leó Szilárd) zajednički su patentirali Ajnštajnov frižider. US patentni biro je nagradio Ajnštajna i Leo Silarda za ovaj frižider,11. novembra 1930. Patent pokriva termodinamičke cikluse rashlađivanja, koji omogućavaju hlađenje bez pokretnih delova, na konstantnom pritisku, sa toplotom kao jedinim ulazom. Rashladni ciklusi koriste amonijak, butan i vodu.  

Ujedinjena teorija polja

Ajnštajnovi istraživački napori, nakon razvitka opšte relativnosti bili su primarno sastavljeni od dugačke serije pokušaja da uopšti još više svoju teoriju gravitacije sa namerom da ujedini i pojednostavi osnovne fizičke zakone, posebno zakone gravitacije i elektromagnetizma. U 1950., on opisuje taj rad, koji naziva Ujedinjenom teorijom polja, u jednom članku objavljenom u Sajentifik Amerikan (-{Scientific American}-) naučnom časopisu. Ajnštajn je vođen svojom verom u jedinstveno poreklo celog seta fizičkih zakona.

Ajnštajn je postajao sve više izolovan u ovim svojim istraživanjima uopštene teorije gravitacije i njegovi napori su u konačnom ostali bezuspešni. Konkretno, njegova potraga za ujedinjenjem fundamentalnih sila ignorisala je rad zajednice fizičara u većini (i obrnuto), gde je posebno značajno otkriće jakih i slabih nuklearnih sila, koje nisu shvatane kao nezavisne sve do otprilike 1970, što je petnaest godina posle Ajnštajnove smrti. Ajnštajnova težnja za ujedinjenjem zakona fizike pod jednim jedinim modelom preživela je do današnjih dana kroz nameru da bude izgrađena jedna nova Velika ujedinjujuća teorija. (-{Grand unification theory}-).

POVRATAK NA POČETNU STRANICU