Den allmänna relativitetsteorin fyller 100 år

Albert Einstein har blivit en symbol för det rena intellektet och de flesta av oss känner igen porträtten av honom. I december 1915 publicerades hans allmänna relativitetsteori, som förändrade hur vi ser på världen.

Albert Einstein målad på en vägg i Moskva
I år är det 100 år sedan Albert Einstein presenterade sin allmänna relativitetsteori som tillsammans med den speciella relativitetsteorin, skulle komma att lägga grunden till 1900-talets fysik och förändra hur vi ser på världen.

Sinnebilden av en forskare

Namnet Albert Einstein skapar en omedelbar bild i våra hjärnor. Han har blivit en symbol för det rena intellektet och alla känner igen porträtten av honom. Forskaren och geniet med det yviga året och den lekfulla framtoningen har blivit en kultfigur med sin givna plats i vår kollektiva ikonografi. Han har blivit själva sinnebilden för hur en vetenskapsman ser ut.

1905 bukar kallas för Albert Einsteins mirakelår. Samtidigt som han jobbade heltid på patentverket i Bern skrev han en rad mer eller mindre revolutionerande artiklar på sin fritid. Han färdigställde också sin doktorsavhandling. Artiklarna täcker många områden inom fysiken och publicerades i Annalen der Physik, en av Tysklands mest prestigefyllda vetenskapliga tidskrifter. Han var då 26 år gammal.

Andra betydelsefulla teorier

I en artikel lägger han fram idén om att ljus, liksom energi, består av distinkta energipaket, senare kallade fotoner. Den fotoelektriska effekten förklarar till exempel hur solpaneler fungerar och för den upptäckten fick Albert Einstein Nobelpriset i fysik. Detta är en av de grundläggande principerna för kvantmekaniken.

En annan artikel förklarar den slumpmässiga rörelse som under mikroskop kan iakttas bland mycket små partiklar, som ett direkt resultat av existensen av molekyler. Han beräknade sedan hur stora atomer bör vara utifrån rörelsen. Denna förklaring fick forskarvärlden att slutligen acceptera den moderna atomteorin.

Den speciella relativitetsteorin

E = mc2, formeln skriven på en griffeltavla
I juni samma år levererades nästa manuskript. Denna gång gäller det den speciella relativitetsteorin. Det som är speciellt med den är att den gäller under vissa, speciella, förutsättningar: under rörelse i konstant hastighet. Detta ställde förställningen om absolut tid och rum, som rått i århundraden, på ända.

Ett par månader senare kom en artikel som visade att en konsekvens av relativitetsteorin var det som beskrivs i den kända ekvationen E = mc2. Ett föremåls inneboende energi är lika med dess massa gånger ljushastigheten i kvadrat. Du kan läsa mer om ekvationen i David Bodanis bok E = mc2.

Enligt den gamla, ibland kallad den newtonska efter Isaac Newton, tidsföreställningen är tiden oberoende av referenssystem. Samtidigt var det känt att ljusets hastighet alltid är densamma. Färdad sträcka beräknas som hastighet gånger tid. Om ljusets hastighet är konstant måste sträckan eller tiden, eller bägge, ändras.

En jämförelse med tåg

Albert Einstein beskriver hur vi antingen kan säga att en tågvagn är i rörelse i förhållande banvallen eller att banvallen är i rörelse i förhållande till tågvagnen. Båda referenskropparna är fysikaliskt sett lika giltiga och så länge rörelsen är konstant märks ingen skillnad beroende på vilket synsätt vi väljer. Däremot visar han hur tidsbundna händelser inte kan upplevas lika både för en stationär betraktare på banvallen och för en som befinner sig på tåget i rörelse.

Urtavla formad som en spiral istället för en cirkel
Ju snabbare någon färdas i rymden, desto långsammare går deras tid jämfört med den på jorden. Härifrån kommer tvillingparadoxen. Om en tvilling åker iväg med ett mycket snabbt rymdskepp medan den andra tvillingen stannar kvar på jorden kommer de inte att vara lika gamla då den rymdfarande tvillingen återvänder till jorden. Den subjektiva tiden kommer att ha gått långsammare för rymdfararen. Detta kallas för tidsdilatation eller tidsutvidgning. Ju närmare ljusets hastighet vi åker i, desto större blir skillnaden. Vid ljusets hastighet är den oändligt stor, det vill säga att tiden upphör.

Den allmänna relativitetsteorin

Tio år efter den speciella relativitetsteorin, i december 1915, publicerades den allmänna relativitetsteorin. Nu kunde även förhållandena under acceleration förklaras. Accelerationen visade sig vara likvärdig med gravitation.

1907 insåg Albert Einstein att en fallande person inte kan känna av sin egen vikt. Om effekten av acceleration kan tyckas ta ut den av gravitationen borde man kunna tänka sig att de är en del av samma fenomen. Med detta antagande som utgångspunkt började han söka de matematiska formler som skulle bli den allmänna relativitetsteorin.

Matematikern David Hilbert var en av dem som övertygades om att Albert Einstein kunde ha rätt. De båda tävlade om att komma först med att skapa de ekvationer som matematiskt kunde bevisa tesen. Boken Den speciella och den allmänna relativitetsteorin färdigställdes 1916 och gavs ut på tyska året därpå. På knappt 150 sidor beskriver Albert Einstein på ett lättbegripligt sätt relativitetsteorin.

Mätningarna var korrekta

Bara ett par år senare kunde teorin testas. Under en solförmörkelse 1919 kunde positionsskillnaden hos en fixstjärna iakttas. Albert Einstein räknade ut att en stjärna som sedd ifrån jorden befinner sig nära solen bör om den iakttas vid solförmörkelse förskjutits 1,7 bågsekunder i förhållande till den position den har när solen befinner sig någon annanstans. Detta är på grund av att solens gravitation böjer ljusstrålarna.

Den 6 november 1919 kunde tidningarna rapportera nyheten att mätningarna sammanfallit med beräkningarna och Albert Einstein blev berömd. Han fick 1921 års Nobelpris för sitt arbete med den fotoelektriska effekten som nämndes här ovanför, men han fick aldrig något Nobelpris för relativitetsteorin.

Fler exempel och experiment

Gravitation visad med ett mindre klot som färdas runt ett större klot på ett buktande underlag
Enligt den allmänna relativitetsteorin kröker närvaron av gravitation rumtiden och det är den som ger upphov till universums rörelser. Det brukar beskrivas som effekten av ett bowlingklot och flera biljardbollar på en trampolins elastiska yta.

Just nu utförs ett tvillingexperiment på den internationella rymdstationen ISS. Astronauten Scott Kelly ska tillbringa strax under ett år i rymden och eftersom rymdstationen rör sig snabbt i sin bana runt jorden kommer han vid hemkomsten att åldrats knappt en hundradels sekund mindre än sin tvillingbror som är kvar på jorden.

Sökandet efter teorin om allt

Relativitetsteorin framhäver symmetri, harmoni och konstans, vilket tilltalade Albert Einstein. Under de sista decennierna av sitt liv försökte han hitta en förenande teori om allting.

Även om den generella relativitetsteorin hjälpt oss att förstå universums uppkomst, gravitation och svarta hål är det mycket som ännu inte kunnat testas experimentellt. Det pågår ett par experiment vars syfte är att försöka uppmäta de gravitationsvågor som förutspås enligt Albert Einsteins teori. En accelererande massa bör skapa vågor i gravitationen på samma sätt som en båt skapar vågor på vattnet då den färdas igenom det. Trots att försök pågått i många år har gravitationsvågorna visat sig vara svårfångade. I boken Ripples on a Cosmic Sea av David Blair och Geoff McNamara kan man läsa mer om bland annat gravitationsvågor.

Det finns också forskare som tror att Albert Einstein hade fel i en del av sina teorier om gravitationen. Det är bland annat på grund av iakttagelser som verkar motsäga dem. Dessutom fungerar den allmänna relativiteten inte på kvantnivå, för hittills har inga försök att ena dem lyckats.

Bild: VladNikon/Bigstock, David Franklin Studio/Bigstock, dani3315/Bigstock, designua/Bigstock

 

Relaterade ämnen och vidare läsning
Läs mer om svarta hål och Schwarzschild-radien på Forskning och framstegs webbplats
Läs mer om Aleksandr Friedmann, Georges Lemaître och Big bang-teorin på Alltomvetenskap.se
Läs mer om GPS, Global Positioning System, på svenska Wikipedia

Läs också mer om relativitetsteorin i Scientific American nummer 3/2015 och i Sky & telescope nummer 6/2015.


I filmklippet här nedanför förklarar David Tennant, skådespelaren bakom den tionde Doctor Who, Albert Einsteins relativitetsteori.

 

  1. Einstein

    Undertitel: hans liv och universum
    Av: Isaacson, Walter
    Språk:
    Svenska
    Publiceringsår: 2009
    Klassifikation: Biografi med genealogi

    Finns som: Bok
  2. Einsteins universum

    Av: Calder, Nigel
    Språk:
    Svenska
    Publiceringsår: 2005
    Klassifikation: Fysik

    Finns som: Bok
  3. E=mc

    Undertitel: historien om världens mest kända ekvation
    Av: Bodanis, David
    Språk:
    Svenska
    Publiceringsår: 2001
    Klassifikation: Fysik

    Finns som: Bok
  4. Ripples on a cosmic sea

    Undertitel: the search for gravitational waves
    Av: Blair, David
    Språk:
    Engelska
    Publiceringsår: 1997
    Klassifikation: Praktisk astronomi

    Finns som: Bok
  5. Einstein för envar

    Av: Schwartz, Joseph
    Språk:
    Svenska
    Publiceringsår: 1999
    Klassifikation: Fysik

    Finns som: Bok
  6. Sky & telescope

    Språk:
    Engelska
    Publiceringsår: 1941
    Klassifikation: Astronomi

    Finns som: Tidskrift
  7. Scientific American

    Språk:
    Engelska
    Publiceringsår: 1845
    Klassifikation: Naturvetenskap

    Finns som: Tidskrift

5 bra böcker om rymdfärder

Skrivet av: Anna Sahlén

1900-talets rymdkapplöpning må vara över men rymden fängslar fortfarande. Här är fem läsvärda skildringar av rymdfärder och astronauter.

Experiment för hemmet

Skrivet av: Anna Östman

Vi har gjort en lista med instruktionsvideor om olika spännande kemi- och fysikexperiment du kan göra hemma. De passar både vuxna och barn.

Wikipedia – ta en titt bakom artiklarna

Skrivet av: Fredrik Ragnarsson

Svaren på många frågor finns bara några klick bort. Men kan vi lita på Wikipedia? Lär dig om hur webbplatsen fungerar och om vikten av källkritik.

Målgrupp:

Ämnesord

Skrivet av: Linda, Umeå stadsbibliotek den 7 december 2015