Albertas Einsteinas: viskas, ką jums būtina žinoti apie šį mokslo genijų

„Jaunystėje Albertas Einsteinas praleido metus slankiodamas iš kampo į kampą. Jeigu nešvaistai laiko, nieko ir nepasieksi, tai, deja, paauglių tėvai dažnai pamiršta“, – rašo Carlo Rovelli knygoje “Septynios trumpos fizikos pamokos“ („Tyto alba“).

Albertas Einsteinas.<br>„ViDA Press“ nuotr.
Albertas Einsteinas.<br>„ViDA Press“ nuotr.
Daugiau nuotraukų (1)

Lrytas.lt

2016-12-13 11:39, atnaujinta 2018-02-09 22:54

Bendroji reliatyvumo teorija, kvantinė gravitacija, laiko negrįžtamumas, tamsioji materija, žmonijos vieta pasaulyje... Daugybė dalykų, kurių šiuolaikinė fizika iki galo nesupranta ir kurie užburia ir jaudinamūsų vaizduotę. Carlo Rovelli apie visus juos pasakoja ne tik su tikro fiziko meile dar nepažintoms gamtos paslaptims, bet ir su tikro italo emocijomis. 

Lrytas.lt skaitytojams siūlome knygos skyrių „Pirmoji pamoka. Pati gražiausia teorija“.

* * *

Jaunystėje Albertas Einsteinas praleido metus slankiodamas iš kampo į kampą. Jeigu nešvaistai laiko, nieko ir nepasieksi, tai, deja, paauglių tėvai dažnai pamiršta. Jis buvo Pavijoje. Metęs mokslus Vokietijoje, mat nebegalėjo pakęsti griežtos licėjaus tvarkos, jis atvyko pas savo šeimą.

Tai buvo amžiaus pradžia, o Italijoje – pramonės perversmo pavasaris. Tėvas inžinierius Po lygumoje įrenginėjo pirmąsias elektrines. Albertas skaitė Kantą, o laisvu laiku klausėsi paskaitų Pavijos universitete: tik dėl smagumo, nebuvo nei studentas, nei ruošėsi laikyti egzaminų. Štai kaip tampama rimtais mokslininkais.

Vėliau įstojo į Ciuricho universitetą ir paniro į fiziką. Po keleto metų, 1905-aisiais, išsiuntė tris straipsnius į svarbiausią tų laikų mokslo žurnalą „Fizikos metraštis“ (Annalen der Physik). Visi trys straipsniai buvo verti Nobelio premijos.

Pirmasis įrodė, kad atomai iš tiesų egzistuoja. Antrasis atvėrė duris kvantinei mechanikai. Trečiasis pristatė pirmąją jo reliatyvumo teoriją (šiandien ji vadinama specialiąja reliatyvumo teorija), kuri aiškina, jog laikas slenka ne visiems vienodai: du dvyniai nėra to paties amžiaus, jeigu vienas iš jų keliavo labai greitai.

Einsteinas netikėtai tampa garsiu mokslininku, o iš įvairių universitetų plūsta darbo pasiūlymai. Bet kažkas jam neduoda ramybės: jo reliatyvumo teorija, net jei iš karto sutikta aplodismentais, neatspindi to, ką žinome apie gravitaciją, kitaip sakant, apie krintančius kūnus.

Jis atkreipia į tai dėmesį rašydamas apžvelgiamąjį straipsnį apie savo teoriją ir svarsto, ar senasis šlovingasis didžiojo tėvo Newtono gravitacijos dėsnis neturi būti iš naujo apsvarstytas ir pritaikytas prie naujojo reliatyvumo. Mįslė neduoda jam ramybės. Prireiks dešimties metų, kad ji būtų įminta. Dešimt karštligiškų tyrimų metų, bandymų, klaidų, painiavos, nepagrįstų straipsnių, pamišusių idėjų, klaidingų idėjų.

Pagaliau 1915 metų lapkritį jis išsiunčia spaudai straipsnį, siūlydamas galutinį sprendimą – naują gravitacijos teoriją, pavadintą „bendrąja reliatyvumo teorija“, geriausią savo kūrinį. „Gražiausia mokslinė teorija“, – taip ją pavadino didysis rusų fizikas Levas Landau.

Kai kurie neginčijami šedevrai mus itin jaudina: Mozarto „Requiem“, „Odisėja“, Siksto koplyčia, „Karalius Lyras“... Kad įžvelgtume jų didybę, gali prireikti specialaus pasirengimo. Bet galiausiai būsime apdovanoti tikru grožiu. Ir ne tik: mūsų akys pažvelgs į pasaulį nauju žvilgsniu. Bendrasis reliatyvumas, Alberto Einsteino deimantas, ir yra viena iš šių dovanų.

Pamenu tą jausmą, kai pradėjau šį tą suprasti. Buvo vasara. Paskutiniais universiteto metais gulėjau Kalabrijos paplūdimyje, Kondofurio mieste, graikiškame Viduržemio jūros lopšyje. Per atostogas mokytis lengviau, nes mokykla tavęs neblaško. Skaičiau knygą, kurios kraštai buvo apgraužti pelių, mat knyga man padėjo užtverti šių vargšų gyvūnėlių urvelius; apleistuose, šiek tiek hipiškuose namuose ant Umbrijos kalvos viešpatavo naktis, čia troškau atitrūkti nuo nuobodžių Bolonijos universiteto paskaitų. Retkarčiais pakeldavau akis nuo knygos ir pažvelgdavau į mirguliuojančią jūrą: man atrodė, kad matau Einsteino įsivaizduotą erdvės ir laiko kreivumą.

Atrodė magiška: tarsi draugas man būtų pakuždėjęs į ausį pasakišką slaptą tiesą ir netikėtai numetęs šydą nuo tikrovės, kad atskleistų paprastesnę, gelminę tvarką. Nuo tada, kai sužinojome, kad Žemė yra apvali ir sukasi lyg koks išprotėjęs vilkelis, supratome, kad tikrovė nėra tokia, kokią įsivaizduojame: kiekvieną kartą, kai įžvelgiame naują detalę, apima jaudulys. Dar vienas krintantis šydas.

Vis dėlto, vieną po kito apžvelgiant visus mūsų istorijos atradimus, Einsteino padarytam šuoliui nėra lygių. Kodėl? Visų pirma, tik supratę teorijos prasmę, suvoksime kvapą gniaužiantį jos paprastumą. Apibendrinsiu mintį: Newtonas mėgino išaiškinti kūnų kritimo ir planetų judėjimo priežastį. Jis įsivaizdavo „jėgą“, traukiančią vienus kūnus prie kitų, – ją pavadino „traukos jėga“.

Nebuvo aišku, kaip ši jėga įstengia traukti toli vienas nuo kito esančius kūnus, kai tarp jų nėra nieko, kas turėtų šią galią, tačiau didysis mokslo tėvas buvo itin atsargus ir nespėliojo galimų atsakymų. Newtonas įsivaizdavo, kad kūnai juda erdvėje, primenančioje didžiulę tuščią talpyklą, Visatos dėžę.

Milžiniška spinta, kurioje kūnai juda tiesia kryptimi, kol juos nukreipia jėga. Iš ko padaryta šita „erdvė“ – Newtono išgalvota Visatos dėžė, – net ir tai nėra žinoma.

Tačiau dar prieš gimstant Albertui du žymūs britų fizikai, Faraday’us ir Maxwellas, į šaltą Newtono pasaulį įbėrė vieną prieskonį – elektromagnetinį lauką. Laukas yra egzistuojanti, visur aptinkama realybė, leidžianti sklisti radijo bangoms, pripildanti erdvę; jis gali vibruoti ir banguoti tarsi ežero paviršius, būtent dėl jo „keliauja“ elektros jėga.

Einsteinas nuo pat vaikystės žavėjosi elektromagnetiniu lauku, dėl kurio sukosi jo tėvo sukurtų jėgainių rotoriai, netrukus jis suvokė, kad gravitacija, kaip ir elektra, turi veikti dėl lauko: turi egzistuoti „gravitacijos laukas“, tolygus „elektriniam laukui“; jis bandė suprasti, kaip galėtų atrodyti tas „gravitacijos laukas“ ir kokios lygtys galėtų jį aprašyti.

Štai ir stulbinama mintis, tikras genialumas: gravitacijos laukas nėra išplitęs erdvėje, gravitacijos laukas ir yra erdvė. Tai pagrindinė bendrosios reliatyvumo teorijos idėja. Newtono „erdvė“, kurioje juda kūnai, ir „gravitacijos laukas“, skleidžiantis traukos jėgą, yra tas pats.

Tai nušvitimas. Neįtikėtinas pasaulio supaprastinimas: erdvė jau nebėra kažkas kita už materijos ribų, tai vienas iš „materialių“ pasaulio dėmenų. Banguojanti, linkstanti, krypstanti, besisukanti esybė. Mes negyvename nematomoje kietoje dėžėje: esame panirę į milžinišką judantį moliuską. Saulė aplink save pakreipia erdvę, o Žemė sukasi aplink ją ne todėl, kad ją traukia paslaptinga jėga, bet todėl, kad juda tiesiai į erdvę, kuri krypsta. Tarsi piltuvėlyje riedantis kamuoliukas: nėra paslaptingų „jėgų“, atsirandančių piltuvėlio centre, kamuoliukas sukasi dėl išlenktų sienelių. Planetos sukasi aplink Saulę, o kūnai krinta todėl, kad erdvė pakrypsta.

Kaip aprašyti šį erdvės iškreipimą? Žymiausias XIX amžiaus matematikas Carlas Friedrichas Gaussas, „matematikų princas“, pritaikė matematiką, kad apibūdintų dvimačius išlenktus paviršius, lygiai kaip ir kalnelių paviršius. Vėliau jis paprašė vieno savo gabaus studento išreikšti viską į trimates ar daugiau matų turinčias išlenktas erdves.

Studentas Bernhardas Riemannas parašė itin sudėtingą daktaro disertaciją, vieną iš tų, kuri atrodė visiškai niekam tikusi. Rezultatas buvo toks: kreivos erdvės ypatumai išreiškiami tam tikru matematiniu objektu, kurį šiandien vadiname Riemanno kreivumu ir žymime R raide.

Einsteinas parašo lygtį, kurioje R yra proporcinga materijos energijai. Kitaip tariant, ten, kur yra materijos, erdvė iškreipiama. Paprasta. Pusė eilutės nusako visą lygtį, nėra nieko daugiau. Viena vizija – krypstanti erdvė – lygtis. Ir vis dėlto šioje lygtyje telpa spinduliuojanti Visata. Čia ir atsiveria stebuklingai turtingas teorijos pasaulis. Fantasmagoriška pranašysčių seka, primenanti bepročio kliedesius, bet iš tiesų visos jos įrodytos.

Visų pirma, lygtis aprašo, kaip erdvė iškrypsta aplink žvaigždę. Dėl šio iškrypimo ne tik planetos sukasi aplink žvaigždę, bet ir šviesa liaujasi skriejusi tiesiai ir nukrypsta. Einsteinas spėja, kad Saulė nukreipia šviesą. 1919 metais atliekami astronominiai stebėjimai, patvirtinantys šią prielaidą.

Tačiau pakrypsta ne tik erdvė, bet ir laikas. Einsteinas spėja, kad laikas aukštai bėga greičiau, o apačioje, arčiau Žemės, – lėčiau. Eksperimentai patvirtina, kad tai tiesa. Nedaug, bet prie jūros gyvenantis dvynys yra šiek tiek jaunesnis už kalnuose gyvenantį savo brolį. Ir tai tik pradžia.

Sudeginusi visą savo kurą (vandenilį), masyvioji žvaigždė galiausiai užgęsta. Degimo šiluma nepajėgia išlaikyti to, kas lieka, todėl žvaigždę sugniuždo jos pačios masė, taip labai iškreipdama erdvę, kad pramuša tikrų tikriausią skylę. Taip susidaro žymiosios juodosios skylės.

Kai mokiausi universitete, jos tebuvo laikomos mažai tikėtinomis ezoterinės teorijos prognozėmis. Šiandien šimtai jų stebima danguje, o astronomai išsamiai jas analizuoja. Tačiau to neužtenka.

Visa erdvė gali tįsti ir plėstis; o dar tiksliau – Einsteino lygtis rodo, kad erdvė negali būti pastovi, ji turi plėstis. 1930 metais pastebėtas ir Visatos plėtimasis. Ta pati lygtis teigia, jog plėtimasis buvo nulemtas jaunos, mažytės ir nepaprastai karštos Visatos sprogimo – Didžiojo Sprogimo. Ir šį kartą niekas netiki, tačiau įrodymų vis daugėja, kol galiausiai danguje pastebima kosminė foninė spinduliuotė – po pradinio sprogimo karščio pasklidęs šiluminis švytėjimas. Einsteino lygties prognozė vėl pasitvirtino.

Teorija numato, kad erdvė banguoja tarsi jūros paviršius, o šių „gravitacijos bangų“ efektai regimi danguje stebint dvinares žvaigždes; ir šios teorijos prognozės pasitvirtina neįtikėtinu vienos šimtamilijardinės dalies tikslumu. Ir taip toliau.

Taigi ši teorija aprašo spalvotą ir nuostabų pasaulį, kuriame sprogsta visatos, erdvė prasmenga į bedugnes skyles, ant planetos „nusileidęs“ laikas sulėtėja, o beribės tarpžvaigždinės erdvės siūbuoja ir banguoja tarsi jūros paviršius... štai kas palengva dvelkė iš mano pelių apgraužtos knygos, tai nebuvo proto netekusio idioto pasekta pasaka ar deginančios Viduržemio jūros saulės Kalabrijoje poveikis, ir netgi ne jūros mirgėjimo sukelta haliucinacija. Tai buvo realybė.

Tiksliau tariant, žvilgsnis į realybę, ne toks miglotas kaip drumstas mūsų banalios kasdienybės žvilgsnis. Realybė, kuri, regis, sukurta iš tos pačios materijos kaip ir sapnai, bet vis dėlto kur kas tikresnė nei rūke paskendęs mūsų kasdienybės sapnas.

Visa tai – paprasčiausios intuicijos rezultatas: erdvė ir laukas yra tas pats. Šioje paprastoje lygtyje, kurios tiesiog negaliu jums nepristatyti, – net jei mano skaitytojas, žinoma, negalės jos iššifruoti, – norėčiau, kad bent jau įžvelgtumėte didį paprastumą:

Rab – ½ R gab = Tab

Tik tiek. Žinoma, reikia nuoseklaus pasirengimo, kad suvirškintume Riemanno matematiką ir išstudijuotume, kaip perskaityti šią lygtį. Reikia truputį valios ir pastangų. Bet tikrai mažiau nei tų, kurių prireiks, kad pajaustume retą vieno iš paskutinių Beethoveno kvartetų grožį. Ir vienu, ir kitu atveju būsime apdovanoti grožiu ir naujomis akimis pasauliui regėti.

* * *

Apie Carlo Rovelli „Septynios trumpos fizikos pamokos“ („Tyto alba“)

Carlo Rovelli – italų fizikas teoretikas ir rašytojas. Knyga „Septynios trumpos fizikos pamokos“ (Iš italų kalbos vertė Eglė Kupšytė) išversta į daugiau nei 40 kalbų.

Bendroji reliatyvumo teorija, kvantinė gravitacija, laiko negrįžtamumas, tamsioji materija, žmonijos vieta pasaulyje... Daugybė dalykų, kurių šiuolaikinė fizika iki galo nesupranta ir kurie užburia ir jaudinamūsų vaizduotę. Carlo Rovelli apie visus juos pasakoja ne tik su tikro fiziko meile dar nepažintoms gamtos paslaptims, bet ir su tikro italo emocijomis.

„Šią knygą perskaityti būtina ne tik todėl, kad tekstas jums padovanos puikų savaitgalį, nors tą tikrai garantuoju. Bet įsivaizduokite, kokiais erudicijos perlais galėsite priblokšti pašnekovus vakarėliuose: „Man pastaruoju metu ramybės neduoda klausimas – kodėl laikas teka iš praeities į ateitį, nors visuose pamatiniuose fizikos dėsniuose, pakeitus laiko ženklą, niekas nesikeičia?“

Nors ir trumpa, ši Carlo Rovelli knyga – tobulas būdas pradėti kelionę į mokslo pasaulį. Joje praleidžiama ta nuobodžioji fizikos dalis, kankinanti mus mokykloje (nuožulniosios plokštumos, garo katilai, nuolatinė elektros srovė, ir t. t.), ir jautis iš karto griebiamas už ragų: bendroji reliatyvumo teorija, kvantinė gravitacija, laiko negrįžtamumas, tamsioji materija, žmonijos vieta pasaulyje...

Šios paslaptys, kurių įminti kol kas neįstengia ir didžiausi žmonijos protai, pateikiamos suprantamai, patraukliai ir įdomiai. Tiesa juk ta, kad mokslininkai, nepaisant savo orumo, rimtumo ir autoriteto, tikrai nežino visko. Bet tai, kas nesuprantama, juk ir yra įdomiausia... Ir tai yra čia, šios knygos puslapiuose“, – teigia prof. dr. Mikas Vengris.

UAB „Lrytas“,
A. Goštauto g. 12A, LT-01108, Vilnius.

Įm. kodas: 300781534
Įregistruota LR įmonių registre, registro tvarkytojas:
Valstybės įmonė Registrų centras

lrytas.lt redakcija news@lrytas.lt
Pranešimai apie techninius nesklandumus pagalba@lrytas.lt

Atsisiųskite mobiliąją lrytas.lt programėlę

Apple App Store Google Play Store

Sekite mus:

Visos teisės saugomos. © 2024 UAB „Lrytas“. Kopijuoti, dauginti, platinti galima tik gavus raštišką UAB „Lrytas“ sutikimą.