Ajnštajn je rekao da je najsretnija pomisao koja mu je pala na pamet, je ideja čoveka koji pada sa krova. Shvatio je da čovek koji pada ne bi imao, ne bi osećao, svoju težinu.
Slika 1. Čovek koji pada sa krova je u bestežinskom stanju. Bilo šta što ispusti ostaje pored njega. Isto kao da se nalazi u bestežinskom stanju u svemiru.
Njegovo stanje bi bilo identično kao da se nalazi u bestežinskom stanju unutrašnjosti svemirskog broda koji se kreće konstantnom brzinom. Bez težine. Ispušteni predmeti ostaju pored njega osim ako ih ne gurne i tada će se udaljavati od njega po pravoj liniji konstantnom brzinom. Na Zemlji se koriste avioni u slobodnom padu u čijoj unutrašnjosti se dobija bestežinsko stanje za trening astronauta.
Slika 2. Bestežinsko stanje u namenskom avionu koji pada. Ovde nema uticaja otpora vazduha kao pri padu sa krova.
Takav čovek se nalazi u inercijalnom refentnom sistemu. Nema ubrzanja koje uzrokuje osećaj sile inercije (sile koju osećamo kada automobil ubrzava ili koči), nema gravitaciong polja, svi zakoni fizike važe.
Sada dolazi teži deo. Ajnštajn kaže, da su ta dva stanja, slobodnog pada i bestežinskog stanja u brodu (ili u skafanderu van broda), ekvivalentna, ne da su slična, nego da su potpuno identična.
Slika 3. Čovek koji pada i čovek u bestežinskom stanju svemira su u istom stanju sa gledišta fizike, tačnije po teoriji opšte realtivnosti.
Zašto? Zato što ni jedan od njih dvojce ne oseća ubrzanje. I da imaju istrumente koji mere ubrazanje, instrumenti bi pokazali da nema ubrzanja. Ako nema ubrzanja, fizika je stroga, nema ni sile koja deluje na njih.
S pravom možete da kažete, ali čovek koji pada neprestano ubzava (ako zanemarimo otpor vazduha) 9,81 metara u sekundi, svake sekunde i to će postati pogubno kada udari u tlo. Da, ubrzava, ali u odnosu na tlo prema kome pada. Situacije izgledaju vrlo različito, ali Ajnštajn od nas traži, ako želimo da razumemo teoriju relativnosti, da se fokusiramo na princip ekvivalentnosti, a to je opažanje posmatrača. Ako su posmatrači bez težine, oni su u inercijalnom referentnom sistemu. U klasičnoj fizici i specijalnoj relativnosti inercijalni referentni sistem je onaj na koji ne deluje sila ubrzanja, nego se kreće konstantnom brzinom, ili je brzina jednaka nuli.
Vratimo se raketi koja putuje konstantnom brzinom kroz svemir. Zamislimo da prilazi planeti, a astronut to ne primećuje. Pod dejstvom mase planete raketa skreće ka njoj; raketa sve više ubrzava; astronaut ostaje u bestežinskom stanju sve do pada na površinu isto kao i čovek sa krova. Ako ste smatrali da je postojala razlika između kretanja čoveka koji pada sa krova i broda koji iz svemira pada na zemlju, na kojoj visini iznad Zemlje je ta razlika nestala? Zaključak je da su oba čoveka u istom inericijalnom referentnom sistemu.
Slika 4. Raketa se kreće konstantnom brzinom kroz svemir. Astronaut ne primećuje da se približila planeti i da je pod njenim dejstvom skrenula ka njoj ubrzavajući. Astronaut ni insturmenti ne primećuju da je ikakva sila delovala na brod, bestežinsko stanje je u njemu sve do udara u tlo.
Sada ćemo videti šta se otkriva ako raketa ubrzava. Vraćamo se na brod, palimo motor, podešavamo potisak da raketa ubrzava svake sekunde dodatnih 9,81 m/s. Astronaut više neće biti u bestežinskom stanju nego će svojom punom težinom pritiskati pod ili stolicu, identično kao na Zemlji. Predmeti neće ostajati pored njega, popadaće na pod.
Sada dolazi najteži deo. Da li smo mi čitaoci u inercijalnom referentnom sistemu? Hm… Da li osećamo da smo u bestežinskom stanju? Ne! Znači nismo u inercijalnom referentnom sistemu. Osećamo svoju težinu. Naše opažanje je isto kao astronauta u raketi koja ubrazva 9,81 m/s2, a ne kao astronauta u raketi koja plovi konstantnom brzinom. Da li to znači da mi na površini Zemlje takođe ubrzavamo tim tempom? Po teoriji relativnosti, mi nemamo težinu, nego samo masu koja ubzava na gore, i odatle imamo osećaj težine. Odgovor je da, ubrzavamo na gore.
Ali mi se ne pomeramo na gore? U odnosu na šta to se ne pomeramo? Pa u odnosu na pod, na sve stvari u sobi. Tako je, ali sve te stvari su u našem referentnom sistemu. A i naš referentni sistem nije inercijalni, isti je kao astronauta u brodu koji ubrazava. Astronaut takođe kao ni mi nema utisak da ubrzava. Jedini je merodavan inercijalni referentni sistem, a to je čovek koji pada sa krova. Sa njegove tačke gledišta, on ne pada, nego mi ubrzavamo na gore sa 9,81 m/s2.
Slika 5. Čovek koji pada je u inercijalnom referentnom sistemu i kao takav je po teoriji relativnosti merodavan da kaže ko ubrzava. Objekti oko njega ubzavaju na gore.
Ali ako sve tačke na površini Zemlje ubzavaju na gore, kako to da se površina Zemlje ne pomera? Odgovor je u matematici relativnosti. Postoji formula koja kaže da je drugi izvod položaja u odnosu na vreme jednak ubrzanju (F/m u Njutnovoj fizici) umanjenom za zakrivljenost prostora-vremena pomnožen sa kvadratom brzine. Poenta je da položaj, na levoj strani jednačine, može biti nepromenljiv tako što se na desnoj strani jednačine ubrzanje poništava sa zakrivljenošću koja se množi sa kvadratom brzine.
Slika 6. Formula opšte teorije relativnosti. Na levoj strani je drugi izvod položaja u vremenu. Na desnoj je ubrzanje umanjeno za zakrivljenost prostor-vremena pomnoženog kvadratom brzine. Ako levu stranu postavimo na nulu, sledi da u zakrivljenom prostor-vremenu, moramo da ubrazavamo da bismo ostali na istom mestu!
Po Njutnovoj fizici ubrzanje je nešto što menja brzinu objekta. Bilo da je povećava ili smanjuje. Po opštoj relativnosti moramo prihvatiti novu definiciju ubrzanja: ne ići pravom linijom kroz prostor-vreme, nego prelaziti sa jedne izohipse prostor-vremena na drugu. Površina Zemlje nije poravnata sa prostorno-vremenskom mrežom tako da je neprestano sečemo stojeći na tlu ili na krovu zgrade (vidi deo 1 ovog teksta). Ako nam se omakne i krenemo u padanje, tada smo usaglašeni sa pravom linijom prostor-vremena.
Moramo prihvatiti i novu definiciju prostor-vremena. Da su prostor-vreme jedno, tačnije, da JE jedno i da je pod uticajem mase u neprestanom pokretu. Razumemo da vreme teče, da je u stalnom pokretu, ali ispravno je da je prostor-vreme u stalnom kretanju što čini da mi na površini zemlje neprestano ubrazavamo kroz prostor-vreme iako nam se čini da stojimo.
Prihvatanje ovog koncepta je nephodno za dalji razvoj ljudskog razumevanja zakona koji vladaju u svemiru. I možda će jednog dana kroz dalje spoznaje čovek naći način da oblikuje prostor-vreme po svojoj želji i da stvori savršeni pogon. Pogon kojim bi se kretao u željenom pravcu, neprestano ubrzavajući, kao čovek koji pada, a da ne oseća dejstvo ubrzanja.
Jutjub prema kome je nastao ovaj tekst:
https://www.youtube.com/watch?v=XRr1kaXKBsU
Najstariji i najnoviji dokaz ispravnosti opšte teorije relativnosti
Zašto je Ajnštajnova teorija relativnosti "najlepša na svetu"?
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
