Fysik
Upptäckerna som förändrade världen
Relativitetsteorin
Under 1900-talets första decennier revolutionerades fysiken av två omfattande teorier som alltsedan dess har befästs och bildats grundvalen för vår kunskap om världen. Den ena är relativitetsteorin, den andra kvantmekaniken. Relativitetsteorin var en man verk: Albert Einstein. Han utvecklade den under 1905 till 1915. sedan 1907 formulerade han ekvation som blivit fysikens kanske enklaste och mest kända och grundläggande, nämligen E=c^2. Energi lika med massa gånger ljusets hastighet i kvadrat. Massa och energi är två sidor av samma mynt. Kvantmekaniken däremot utvecklades av många forskare under mer än ett kvarts sekel.
Relativitetsteorin omfattar den för oss ofattbart stora världen, kvantmekaniken den ofattbart lilla. Just detta är ett stort problem för fysikerna. Det är ju samma värld. Den lilla bygger sina beståndsdelar upp den stora och den stora omfattar allt och påverkar därmed den lilla. Och mittemellan dess världar befinner vi oss och struntar i sådana problem.
Vad har vårt liv att göra med relativitetsteorin? Allt eller ingenting? De flesta skulle nog svara: ingenting. Ändå har de både revolutionerat hela vår tillvaro. Vår världsbild och kultur.
Relativitetsteorins påverkan på vår vardag kan tyckas sublim. Vad den framför allt har lärt oss är att den värld vi lever i. Betraktar och studerar är ändlig. Det universum som vi kan studera är inte oändligt. Det finns visserligen ingen gräns ingen vägg bakom vilken man förhoppningsvis kan kika ut och se hur det ser ut på andra sidan. Det finns emellertid en gräns bortom vilken ingen information kan nå oss. Gränsen sätts av relativitetsteorin. Det infogade astronomens tidigare observationer i ett naturligt sammanhang, något som vi senare återkommer till i samband med kosmologi. Låt oss här konstatera att rymden med dess materia samlade i galaxer, utvidgar sig allt snabbare ju längre bort man observerar. Eftersom ingen information enligt teorin kan spridas snabbare än ljuset har man här den yttersta gränsen –omkring 14 miljarder ljusår långt borta. Utvidgningen måste någon gång ha börjat. Det gjorde den för 14 miljarder år sedan då all materia kom till och förloppet beskrivs med en modell som allmänt kallas Big Bang.
Rymdens gräns finns enligt relativitetsteorin inte bara på ett avstånd av 14 miljarder ljusår utan även betydligt närmare. Kanske bara på några futtiga tusen ljusårs avstånd. Ljus har nämligen enligt teorin tyngd. En ljusstråle påverkas alltså av en himlakropp så att strålen vid en nära passage böjer av något mot himlakroppen. Är den tillräckligt tung och kommer ljusstrålen den tillräckligt nära avlänkas strålen så mycket att den för alltid försvinner in mot dess centrum.
Fysikens allmänna utveckling i stort har åtminstone i backspegeln alltid följt ett rakt spår som inneburit att allt fler fenomen har kunnat infogas i allt mer vittomfattande modeller och därmed fått en gemensam förklaring. Einstein visade riktningen sedan i sin ungdom men råkade senare in på fel spår. Eftersom relativitetsteorierna den speciella och allmänna ligger till grund för hela den moderna kosmologin kan det vara motiverat att sedan nu nämna litet mer om dem.
Om man ser på klassisk fysik, i Newtons fysik, i vår vanliga begreppsvärd är tid och rum absoluta. De erbjuder den fasta ram inom vilka alla händelser, vardagliga händelser, fysikaliska händelser, utspelar sig. Det är något vi aldrig ifrågasätter och med all rätt. Att rum och tid inte är absoluta, av varandra oberoende begrepp, har för oss ingen praktiskt betydelse
eftersom ljusets hastighet är ofantligt stor i förhållande till alla andra hastigheter i vår omgivning.
För Einstein är ljusets konstanta hastighet något mer fundamentalt än vår vardagliga tids och rumsupplevelse. Detta är grunden till den speciella relativitetsteorin. Kärnpunkten i teorin är att naturlagarna är oberoende av observatören och hans rörelse. Enligt Einstein måste naturlagarna vara desamma för alla observatörer och därmed också ljushastigheten. När man drar konsekvenserna av detta visar det sig att absolut rum och absolut tid måste ersättas av en rum-tid. Denna rum- tid omfattar både tiden och våra tre vanliga rumskoordinater längd, höjd och bredd- och är alltså fyrdimensionell. Detta för med sig att något är fundamentalt som att våra mer vardagliga begrepp inte längre gäller generellt utan bara approximativt vid långsam rörelse, långsamma i förhållande till ljusets.
Eftersom Einstein visade att naturlagarna är oberoende invarianta, av observatörens rörelse föredrog han själv att kalla sin teori för invariansteorin, men den blev istället allmänt känd som relativitetsteorin. Detta ledde till det felaktiga påstående att Einstein sagt att allting är relativt. Det vara snarare tvärtom- men det var inte lika gångbart i andra sammanhang.
Inom fysiken är man tvungen att tala om abstrakta ting. Man talar sålunda om system i vila och system i rörelse i förhållandet till det i vila. Relativitetstoerin stämmer: ljuset hastighet är konstant. För observatören i raketen är likaledes ljushastigheten konstant och han iakttar inga förändringar vare sig i sina längdmått eller tidsmått.
Det krävs mycken möda att tränga in i relativitetsteorin och att förstå dess ekvationer men just storleken av denna ”utdragning” av tiden eller tidsdilatation är enkel och beräkna med vanliga skolkunskaper om Pytagoras sats och rätvinkliga koordinatsystem som visas i Appendix. Om man i framtiden finner tillräckligt kraftiga energi källor skulle en människa således under sin livstid kunna färdas många ljusår ut i världsrymden och därmed nå så långt bort som till de flesta stjärnor som vi kan se med blotta ögat. Hon själv skulle inte märka något ovanligt, hon skulle åldras normalt men skulle hon återvända till jorden skulle hon inte känna igen sig. Även om hennes barnbarn skulle vara döda för längesedan.
På kort tid i ett historiskt perspektiv, låt oss säga några tusen år, skulle den närmaste delen av vårt stjärnsystem kunna koloniseras. På ett öga blick i geologiskt perspektiv, några miljoner år, skulle människorna kunna sprida sig över hela vår galax och under universums återstående tid till de galaxer som vi nu endast kan studera med teleskop.
Tidigare har nämnts att all rörelse är relativt. Eftersom man inte kan hänföra rörelsen till ett absolut rum, till en fix punkt, kan man bara hänföra rörelse till en annan kropp. Varför kan man då inte lika gärna tänka sig att det är den tvilling som stannar på jorden som rör sig och den som är i rymdraketen som är i vila? Svaret är att det är den som befinner sig i rymdraketen som är utsatt för en accelererad, allt snabbare, rörelse medan det är den på jorden som befinner sig i likformig, konstant, rörelse. Därmed har vi kommit in på allmänna relativitetsteorin. Det är de mest allmänna och fundamentala principerna som skapar de mest allomfattande teorierna. Naturen väver sitt mönster med långa trådar. Rumtidens egenskaper ligger till grund för den speciella relativitetsteorin.
Den allmänna relativitetsteorin har stor kosmologisk betydelse, eftersom den ligger till grund för de modeller vi har av universum, men den har också praktisk betydelse i vårt vardagliga liv. Gravitationen är ett fenomen som beror på rumtidens geometri och detta innebär att tiden flyter långsammare i ett system som befinner sig i ett svagare. En klocka på jorden i en satellit som kretsar omkring jorden och den går därför långsammare. Detta måste man ta hänsyn till i det satellitnavigeringssystem, GPS (Global Position system), som är nu allmänt används såväl inom flyg- som båttrafik och som också blir allt vanligare i var mans bruk.
Den allmänna relativitetsteorin är så fast förankrad i verkligheten som någon teori kan vara. Den har testats att gälla med 14 siffrors noggrannhet. Det är som att ange jordens omkrets på tusendels millimeter när. Gränsen för noggrannheten sätts av våra instrument, av den noggrannget med vilken vi kan göra en tidsbestämning. Newtons Gravitationsteorin gäller dock med stor noggrannhet på någon miljontedel när- vid de förhållanden som råder inom vårt planetsystem.
Den vedertagna modellen av universum, den som bäst överensstämmer med astronomiska observationer, är alltså ett universum som utvidgar sig, expanderar enligt en av lösningarna för Einsteins ekvationer. Det är själva rymden som expanderar överallt där inte gravitationen håller samman galaxer och galaxhopar. Universums alla galaxer ligger egentligen stilla i en expanderande rymd. För oss ter det sig som en explosion i rymden, men i själva verket är det en explosion av rymden.
Det lönar sig inte att fråga vad som fanns tidigare, innan rymden började expandera, eller vad rymden expanderande som expanderar i. Detta är vår modell av universum som med tid, rum och materia hade sin begynnelse för omkring 14 miljarder år sedan. Den modellen överensstämmer med våra observationer och mer kan man inte begära.
