Η «γέννηση» της Θεωρίας της Σχετικότητας

Εισα­γω­γή

Η Επι­στη­μο­νι­κή Επα­νά­στα­ση που συντε­λεί­ται τον 16^ο και 17^ο αι. και οι σπου­δαί­ες ανα­κα­λύ­ψεις στη Φυσι­κή, την Αστρο­νο­μία και τα Μαθη­μα­τι­κά με πρω­το­πό­ρους τον Galileo Galilei (1564−1642), τον René Descartes (1596−1650) και τον Isaac Newton (1643−1727) οδη­γούν τους επι­στή­μο­νες στη βεβαιό­τη­τα πως το Σύμπαν είναι μια τερά­στια καλο­κουρ­δι­σμέ­νη μηχα­νή στην οποία τα πάντα λει­τουρ­γούν αιτιο­κρα­τι­κά υπό την επί­βλε­ψη συγκε­κρι­μέ­νων Φυσι­κών Νόμων.

Prinicipia Mathematica

Ο μεγά­λος Isaac Newton, φυσι­κός, μαθη­μα­τι­κός, αστρο­νό­μος, φιλό­σο­φος, αλχη­μι­στής και θεο­λό­γος, πατέ­ρας της Κλα­σι­κής Φυσι­κής και του Δια­φο­ρι­κού και Ολο­κλη­ρω­τι­κού Λογι­σμού, δια­τυ­πώ­νει τη θεω­ρία του περί «Ουρά­νιας Μηχα­νι­κής», το επι­στέ­γα­σμα της μηχα­νι­στι­κής αντί­λη­ψης για τον Κόσμο. Στο περί­φη­μο έργο του Philosophiæ Naturalis Principiæ Mathematica  (Μαθη­μα­τι­κές αρχές της φυσι­κής φιλο­σο­φί­ας, 1684–1687) περι­γρά­φει τους τρεις διά­ση­μους νόμους του για την κίνη­ση και δια­τυ­πώ­νει τον νόμο της Παγκό­σμιας Έλξης που περι­γρά­φει τον τρό­πο της Βαρυ­τι­κής Αλλη­λε­πί­δρα­σης δύο σωμά­των.

Ο Newton — και κατ’ επέ­κτα­ση η Κλασ­σι­κή Φυσι­κή — αντι­λαμ­βά­νε­ται το Χώρο ως μια τρισ­διά­στα­τη οντό­τη­τα, ανε­ξάρ­τη­τη του Χρό­νου, τη ροή του οποί­ου τίπο­τα δεν μπο­ρεί να αλλά­ξει. Ο Χώρος και ο Χρό­νος θεω­ρού­νται από­λυ­τοι, ανε­ξάρ­τη­τοι δηλα­δή του παρα­τη­ρη­τή. Το Νευ­τώ­νειο οικο­δό­μη­μα στη­ρί­ζε­ται στους μετα­σχη­μα­τι­σμούς του Γαλι­λαί­ου, οι οποί­οι μετα­σχη­μα­τί­ζουν τις μετρή­σεις του Χώρου και του Χρό­νου από έναν παρα­τη­ρη­τή σε έναν άλλον κινού­με­νο με στα­θε­ρή ταχύ­τη­τα ως προς τον πρώ­το. Θα πρέ­πει εδώ να σημειω­θεί ότι ο Γαλι­λαί­ος είναι ο πρώ­τος που δια­τυ­πώ­νει το αξί­ω­μα της σχε­τι­κό­τη­τας, σύμ­φω­να με το οποίο όλοι οι νόμοι της κίνη­σης είναι ίδιοι σε όλα τα συστή­μα­τα ανα­φο­ράς.

Στα χρό­νια που ακο­λου­θούν οι περισ­σό­τε­ροι επι­στή­μο­νες θεω­ρούν πως το οικο­δό­μη­μα της Φυσι­κής είναι σχε­δόν τελειο­ποι­η­μέ­νο, πως οι παρα­δο­ξό­τη­τες και οι εκπλή­ξεις δεν έχουν θέση σε αυτήν καθώς βρί­σκει αξιο­ση­μεί­ω­τες εφαρ­μο­γές στην Υδρο­δυ­να­μι­κή, την Ανα­λυ­τι­κή Μηχα­νι­κή και την Ουρά­νια Μηχα­νι­κή. Πιστεύ­ουν επί­σης πως κάποια «μικρο­προ­βλή­μα­τα» που προ­κύ­πτουν αργά ή γρή­γο­ρα θα βρουν τη λύση τους στα πλαί­σια πάντα της «θεϊ­κής» Νευ­τώ­νειας Μηχα­νι­κής.

Ένα από αυτά τα «μικρο­προ­βλή­μα­τα» είναι το ενο­χλη­τι­κό ερώ­τη­μα που βασα­νί­ζει τους αστρο­νό­μους «Για­τί η τρο­χιά του Δία μοιά­ζει να συρ­ρι­κνώ­νε­ται ενώ του Κρό­νου να επε­κτεί­νε­ται;» Φαί­νε­ται αδύ­να­το να δοθεί μια μαθη­μα­τι­κή απά­ντη­ση στο ερώ­τη­μα καθώς οι αμοι­βαί­ες Βαρυ­τι­κές Έλξεις των Πλα­νη­τών είναι ιδιαί­τε­ρα πολύ­πλο­κες, κάτι που κάνει τον ίδιο τον Newton να δια­τυ­πώ­σει την άπο­ψη ότι η ευστά­θεια του Ηλια­κού Συστή­μα­τος πρέ­πει να οφεί­λε­ται στην περιο­δι­κή παρέμ­βα­ση μιας ανώ­τε­ρης θεϊ­κής δύνα­μης. Την «θεό­τη­τα» του Newton ανα­λαμ­βά­νει να εξο­ρί­σει από τη Φυσι­κή ο Γάλ­λος μαθη­μα­τι­κός Pierre – Simon de Laplace (1749−1827) o οποί­ος εφαρ­μό­ζει επι­τυ­χώς τη βαρυ­τι­κή θεω­ρία του Newton στο Ηλια­κό Σύστη­μα, παρου­σιά­ζο­ντας μια αυστη­ρά μαθη­μα­τι­κή από­δει­ξη της στα­θε­ρό­τη­τας του Ηλια­κού Συστή­μα­τος. Το κύρος της Νευ­τώ­νειας Μηχα­νι­κής απο­κα­θί­στα­ται προ­σω­ρι­νά.

Περι­ή­λιο πλα­νή­τη

Το 1846 οι αστρο­νό­μοι παρα­τη­ρούν την ανω­μα­λία της μετά­θε­σης του περι­η­λί­ου του Ερμή η οποία απο­δει­κνύ­ε­ται μεγα­λύ­τε­ρη κατά 43″ από αυτήν που υπο­λο­γί­ζει η θεω­ρία. Ο Urbain Le Verrier (1811−1877) προ­κει­μέ­νου να εξη­γή­σει το φαι­νό­με­νο αυτό, υπο­θέ­τει την ύπαρ­ξη ενός Πλα­νή­τη τον οποίο ονο­μά­ζει “Ήφαι­στο” και υπο­λο­γί­ζει τα στοι­χεία του. Τέτοιος πλα­νή­της όμως δεν υπάρ­χει.

Το 1872, ο δια­πρε­πής φυσι­κός James Clerk Maxwell (1831−1879), στο έργο του A Treatise on Electricity and Magnetism (Πραγ­μα­τεία πάνω στον Ηλε­κτρι­σμό και το Μαγνη­τι­σμό) παρου­σιά­ζει τις περί­φη­μες εξι­σώ­σεις που φέρουν το όνο­μά του για το Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κό Πεδίο. Ο Maxwell ουσια­στι­κά βασί­ζε­ται στην θεω­ρία του Michael Faraday και ενώ­νει τους τέσ­σε­ρις νόμους που περι­γρά­φουν το Ηλε­κτρι­κό και το Μαγνη­τι­κό Πεδίο (ηλε­κτρι­κός νόμος Gauss, μαγνη­τι­κός νόμος Gauss , Νόμος Ampere — Maxwell και νόμος Faraday) σε τέσ­σε­ρις εξι­σώ­σεις.

Ο James Clerk Maxwell και οι εξι­σώ­σεις του

Απο­δει­κνύ­ει για πρώ­τη φορά την ύπαρ­ξη μιας αλλη­λε­πί­δρα­σης με πεπε­ρα­σμέ­νη ταχύ­τη­τα, της Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κής, δυνα­μι­τί­ζο­ντας την αντί­λη­ψη που ως τότε επι­κρα­τού­σε περί ακα­ριαί­ων αλλη­λε­πι­δρά­σε­ων. Επί­σης, για πρώ­τη φορά, περι­γρά­φει με μαθη­μα­τι­κό τρό­πο τα Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κά Κύμα­τα. Άμε­ση απόρ­ροια αυτού είναι το γεγο­νός πως η ταχύ­τη­τα του φωτός (το οποίο, όπως δεί­χνουν οι έρευ­νες για τη φύση του, συμπε­ρι­φέ­ρε­ται ως εγκάρ­σιο Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κό Κύμα) είναι πεπε­ρα­σμέ­νη και στα­θε­ρή, κάτι που ανοί­γει το δρό­μο για και­νού­ριες αμφι­σβη­τή­σεις του Νευ­τώ­νειου οικο­δο­μή­μα­τος, εφό­σον κάτι τέτοιο δεν επι­δέ­χε­ται ερμη­νεί­ας στα πλαί­σια της Κλασ­σι­κής Μηχα­νι­κής.

Η πρώ­τη σελί­δα της δημο­σί­ευ­σης του Michelson για τον πει­ρα­μα­τι­κό προσ­διο­ρι­σμό της ταχύ­τη­τας του φωτός

Το 1879 o Albert Abraham Mickelson (1852−1931) υπο­λο­γί­ζει πει­ρα­μα­τι­κά ότι η ταχύ­τη­τα του φωτός στο κενό είναι περί­που ίση με 300.000 km/s, επι­βε­βαιώ­νο­ντας τις θεω­ρη­τι­κές προ­βλέ­ψεις του Maxwell.

Εκεί­νη την επο­χή ένας γερ­μα­νό­φω­νος Τσέ­χο-Αυστρια­κός φυσι­κός, ο Ernst Mach (1838−1916), ασκεί σκλη­ρή κρι­τι­κή στο μηχα­νι­στι­κό μοντέ­λο του Isaac Newton. Το 1883 δημο­σιεύ­ει το βιβλίο του Die Mechanik in ihrer Entwicklung historisch-kritisch dargestellt (Η Μηχα­νι­κή στην ιστο­ρι­κή της εξέ­λι­ξη — κρι­τι­κή θεώ­ρη­ση) όπου χαρα­κτη­ρί­ζει ως «άχρη­στες μετα­φυ­σι­κές συλ­λή­ψεις» κάποιες μη ελέγ­ξι­μες έννοιες όπως ο από­λυ­τος Χρό­νος και ο από­λυ­τος Χώρος διό­τι αφ’ ενός δεν είναι μετρή­σι­μες έννοιες, αφ’ ετέ­ρου έχουν έντο­νη θεο­λο­γι­κή χροιά. Υπο­στη­ρί­ζει ότι μόνο η σχε­τι­κή κίνη­ση μπο­ρεί να είναι χρή­σι­μη.

Η εμφά­νι­ση του Αιθέ­ρα

Οι επι­στή­μο­νες του 19^ου αι. προ­κει­μέ­νου να εξη­γή­σουν την διά­δο­ση του φωτός αλλά και διά­φο­ρα «παρά­δο­ξα» που προ­κύ­πτουν σε σχέ­ση με την Κινη­μα­τι­κή και τη Δυνα­μι­κή των σωμά­των (για παρά­δειγ­μα αδυ­να­μία παρου­σί­ας των αιτί­ων της κίνη­σης στον κενό χώρο) έχουν επι­νο­ή­σει τον «αιθέ­ρα», ένα ακί­νη­το, δια­φα­νές, μη άμε­σα παρα­τη­ρή­σι­μο και διά­χυ­το στο Σύμπαν μέσο, μέσα στο οποίο η Γη κινεί­ται όπως ένα οποιο­δή­πο­τε αντι­κεί­με­νο στο ρεύ­μα ενός ανέ­μου. Εξα­σφα­λί­ζουν με τον τρό­πο αυτόν στο φως ένα ελα­στι­κό μέσο διά­δο­σης, παρ’ όλο που οι εξι­σώ­σεις Maxwell δεν απαι­τούν κάτι τέτοιο. Στον αιθέ­ρα απο­δί­δο­νται περί­ερ­γες ιδιό­τη­τες. Δεν έχει μεν μάζα αλλά είναι άκαμ­πτος και δεν επι­δρά στις τρο­χιές κανε­νός ουρά­νιου σώμα­τος. Και επει­δή τα εγκάρ­σια κύμα­τα δια­δί­δο­νται μόνο στα στε­ρεά, υπο­θέ­τουν ότι ο αιθέ­ρας θα πρέ­πει να είναι στε­ρε­ός. Διά­φο­ρες Κοσμο­λο­γι­κές Θεω­ρί­ες υπο­στη­ρί­ζουν ότι το Σύμπαν ταυ­τί­ζε­ται με τον αιθέ­ρα και ότι η ύλη που αντι­λαμ­βα­νό­μα­στε προ­κύ­πτει από δίνες αιθέ­ρα.

Παρ’ όλη την εικα­ζό­με­νη «ανα­γκαιό­τη­τα» της ύπαρ­ξης του αιθέ­ρα, υπάρ­χουν πολ­λές αμφι­σβη­τή­σεις για την ύπαρ­ξή του, οι οποί­ες απορ­ρέ­ουν από το γεγο­νός πως οι ιδιό­τη­τες που του δίνο­νται για να ερμη­νευ­τούν με επι­στη­μο­νι­κή συνέ­πεια τα φαι­νό­με­να που προ­κα­λεί, είναι αντι­φα­τι­κές.

Διά­φο­ρα πει­ρά­μα­τα λαμ­βά­νουν χώρα για τον εντο­πι­σμό του «αιθέ­ριου» μέσου διά­δο­σης του φωτός, το πιο γνω­στό από τα οποία είναι το διά­ση­μο πεί­ρα­μα συμ­βο­λής που πραγ­μα­το­ποιούν το 1887 οι Albert Michelson και Edward Morley, με το οποίο προ­σπα­θούν να εντο­πί­σουν μετα­βο­λές στην ταχύ­τη­τα του φωτός που οφεί­λο­νται στην κίνη­ση της Γης ως προς τον αιθέ­ρα. Όμως προ­κύ­πτει ένα «ανα­πά­ντε­χο» απο­τέ­λε­σμα: καμία μετα­βο­λή στην ταχύ­τη­τα του φωτός δεν εντο­πί­ζε­ται. Η ταχύ­τη­τά του είναι ίδια προς κάθε κατεύ­θυν­ση. Κατά συνέ­πεια ο αιθέ­ρας θα πρέ­πει να είναι ακί­νη­τος ως προς τη Γη, κάτι που ‑ως αδύ­να­τον- οδη­γεί στην δια­πί­στω­ση ότι ο αιθέ­ρας δεν υπάρ­χει. Αντί­θε­τα απο­δει­κνύ­ε­ται η ύπαρ­ξη στο Σύμπαν μιας από­λυ­της ταχύ­τη­τας, αυτής του φωτός, που δεν εξαρ­τά­ται από τον παρα­τη­ρη­τή.

Το πεί­ρα­μα των Albert Michelson και Edward Morley

Το 1887 ο Heinrich Rudolf Hertz (1857−1894) απο­δει­κνύ­ει την ύπαρ­ξη των Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κών Κυμά­των και η ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κή θεω­ρία του Maxwell γίνε­ται ευρέ­ως απο­δε­κτή.

Η εγκα­τά­λει­ψη του Αιθέ­ρα

Τα δεδο­μέ­να οδη­γούν σε αδιέ­ξο­δο. Οι επι­στή­μο­νες αδυ­να­τούν να ερμη­νεύ­σουν το απο­τέ­λε­σμα του πει­ρά­μα­τος των Michelson-Morley. Εξ’ άλλου οι νόμοι του Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­σμού και ειδι­κό­τε­ρα ο νόμος για την στα­θε­ρό­τη­τα της ταχύ­τη­τας των Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κών Κυμά­των, παρα­βιά­ζουν τον νόμο πρό­σθε­σης των ταχυ­τή­των (δεν ικα­νο­ποιούν τους μετα­σχη­μα­τι­σμούς του Γαλι­λαί­ου). Συνε­πώς, είτε η Νευ­τώ­νεια Μηχα­νι­κή δεν ισχύ­ει ή οι εξι­σώ­σεις Maxwell και τα πει­ρα­μα­τι­κά δεδο­μέ­να είναι λαν­θα­σμέ­να. Η ασυμ­βα­τό­τη­τα των εξι­σώ­σε­ων του Maxwell με το πλαί­σιο της Νευ­τώ­νειας Φυσι­κής φαί­νε­ται ότι μπο­ρεί να αντι­με­τω­πι­στεί μόνο μέσα από ένα νέο χωρο­χρο­νι­κό πλαί­σιο.

Το 1889 ένας Ιρλαν­δός επι­στή­μο­νας, ο George Francis FitzGerald (1851−1901) σε μια μικρή εργα­σία με τίτλο “The Ether and the Earth’s Atmosphere” (Ο αιθέ­ρας και η γήι­νη ατμό­σφαι­ρα), δια­τυ­πώ­νει την ιδέα ότι οι δια­στά­σεις των σωμά­των μετα­βάλ­λο­νται καθώς κινού­νται μέσα στον αιθέ­ρα, κλο­νί­ζο­ντας έτσι για πρώ­τη φορά το αναλ­λοί­ω­το των δια­στά­σε­ων των σωμά­των.

Το 1896, ο Hendrik Lorentz (1853−1928), Ολλαν­δός φυσι­κός και μαθη­μα­τι­κός, ερμη­νεύ­ει το φαι­νό­με­νο Zeeman κάνο­ντας την ανα­τρε­πτι­κή, για τα υπάρ­χο­ντα θεω­ρη­τι­κά δεδο­μέ­να, πρό­τα­ση της εκπο­μπής φωτός από κινού­με­να ηλε­κτρι­κά φορ­τι­σμέ­να σωμα­τί­δια που βρί­σκο­νται μέσα στο άτο­μο. Τον επό­με­νο χρό­νο, τον Αύγου­στο του 1897, ο Joseph John Thomson (1856−1940) περι­γρά­φει τα πει­ρά­μα­τα προσ­διο­ρι­σμού του λόγου φορ­τί­ου προς μάζα (e/m) των σωμα­τί­ων που συνι­στού­σαν τις Καθο­δι­κές Ακτί­νες (ηλε­κτρο­νί­ων) και προ­τεί­νει ότι το ηλε­κτρό­νιο είναι συστα­τι­κό όλων των ατό­μων και θεμε­λιώ­δες σωμά­τιο της Ύλης.

Παράλ­λη­λα με όλα αυτά εισά­γε­ται στη Φυσι­κή ο όρος «ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κή μάζα» καθώς πρώ­τος ο Thomson, από το 1881, έχει παρα­τη­ρή­σει πως η μάζα των κινού­με­νων σωμά­των αυξά­νε­ται κατά μία στα­θε­ρή ποσό­τη­τα και ότι τα Ηλε­κτρο­στα­τι­κά Πεδία συμπε­ρι­φέ­ρο­νται ως να προ­σθέ­τουν μία «ποσό­τη­τα μάζας» στη μηχα­νι­κή μάζα των σωμά­των. Σύμ­φω­να με τον Thomson η Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κή Ενέρ­γεια αντι­στοι­χεί σε συγκε­κρι­μέ­νο ποσό μάζας, κάτι που ερμη­νεύ­ε­ται ως ένα είδος «αυτε­πα­γω­γής» του Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κού Πεδί­ου. Η εργα­σία του Thomson συνε­χί­ζε­ται από άλλους επι­στή­μο­νες και το 1899 ο Lorentz εξαί­ρει τη σημα­σία των παρα­τη­ρή­σε­ών του.

To 1900 ο Wilhelm Wien προ­τεί­νει την ιδέα ότι η συνο­λι­κή μάζα ενός σώμα­τος έχει ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κή προ­έ­λευ­ση και κατα­λή­γει στο συμπέ­ρα­σμα ότι θα πρέ­πει να υπάρ­χει μια ανα­λο­γία μετα­ξύ της ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κής, της αδρα­νεια­κής και της βαρυ­τι­κής μάζας. Ταυ­τό­χρο­να, ο Henri Poincaré βρί­σκει έναν άλλον τρό­πο συσχε­τι­σμού των εννοιών της μάζας και της ενέρ­γειας. Θεω­ρεί ότι η Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κή Ενέρ­γεια συμπε­ρι­φέ­ρε­ται όπως ένα είδος εικο­νι­κού ρευ­στού με πυκνό­τη­τα μάζας m=E/c², δηλα­δή ουσια­στι­κά εισά­γει για πρώ­τη φορά τη σχέ­ση E=mc² στην οποία ωστό­σο δεν κατα­φέρ­νει να δώσει φυσι­κή ερμη­νεία. Το ίδιο έτος, o Lorentz, προ­τεί­νει την θεω­ρία ότι η Βαρύ­τη­τα μπο­ρεί να απο­δο­θεί σε ενέρ­γειες που ταξι­δεύ­ουν με την ταχύ­τη­τα του φωτός.

Κατά τη διάρ­κεια των ετών 1901–1903, ο Kaufmann μελε­τά την κίνη­ση σχε­τι­κι­στι­κών σωμα­τι­δί­ων σε Ηλε­κτρι­κό και Μαγνη­τι­κό Πεδίο και δίνει την πρώ­τη πει­ρα­μα­τι­κή από­δει­ξη της εξάρ­τη­σης της μάζας από την ταχύ­τη­τα. Συγκε­κρι­μέ­να ανα­λύ­ο­ντας τον λόγο e/m των καθο­δι­κών ακτί­νων, δια­πι­στώ­νει ότι η τιμή του μειώ­νε­ται καθώς αυξά­νε­ται η ταχύ­τη­τα, δεί­χνο­ντας έτσι ότι, αν θεω­ρη­θεί το φορ­τίο στα­θε­ρό, η μάζα του ηλε­κτρο­νί­ου αυξά­νε­ται με την ταχύ­τη­τα. O Kaufmann πιστεύ­ει ότι τα πει­ρά­μα­τά του επι­βε­βαιώ­νουν την υπό­θε­ση Wien περί ύπαρ­ξης μόνο μιας «φαι­νο­με­νι­κής» ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κής μάζας. Tη σκυ­τά­λη της έρευ­νας παίρ­νουν οι Max Abraham και Friedrich Hasenöhrl.

Το 1904 o Lorentz επι­νο­εί τους μετα­σχη­μα­τι­σμούς που φέρουν το όνο­μά του, στην προ­σπά­θειά του να εξη­γή­σει το πεί­ρα­μα Michelson-Morley.

To 1905 ο Henri Poincaré σε μια εργα­σία που υπο­βάλ­λει προς δημο­σί­ευ­ση λίγες ημέ­ρες πριν δημο­σιεύ­σει ο Einstein την Θεω­ρία της Ειδι­κής Σχε­τι­κό­τη­τας, προ­τεί­νει ότι όλες οι δυνά­μεις θα έπρε­πε να μετα­τρα­πούν σύμ­φω­να με τους μετα­σχη­μα­τι­σμούς Lorentz. Όμως, αυτό απο­κλεί­ει την ισχύ του νόμου του Νεύ­τω­να, διό­τι αυτός επι­τρέ­πει την ακα­ριαία δρά­ση από από­στα­ση. Κατ’ ανα­λο­γία με την Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κή Θεω­ρία, ο Poincaré θεω­ρεί ότι οι Βαρυ­τι­κές Αλλη­λε­πι­δρά­σεις πραγ­μα­το­ποιού­νται με την ταχύ­τη­τα του φωτός και περι­λαμ­βά­νουν κύμα­τα που δια­δί­δο­νται με στα­θε­ρό ρυθ­μό, φτά­νο­ντας πολύ κοντά στη δια­τύ­πω­ση μιας νέας θεω­ρί­ας. Διστά­ζει όμως να κάνει το τελευ­ταίο απο­φα­σι­στι­κό βήμα: την απόρ­ρι­ψη της ύπαρ­ξης του αιθέ­ρα.

Henri Poincare

Από τα τέλη του 19^ου αιώ­να δια­φαί­νε­ται πως η ενερ­γεια­κή μελέ­τη, στα πλαί­σια της κλασ­σι­κής μηχα­νι­κής, των ραδιε­νερ­γών δια­σπά­σε­ων πυρή­νων αρχι­κά ακί­νη­των σε μικρό­τε­ρους πυρή­νες ή στοι­χειώ­δη σωμά­τια που εκπέ­μπο­νται με μη μηδε­νι­κές ταχύ­τη­τες, οδη­γεί σε αδιέ­ξο­δο. Στις αρχές του 20^ου αιώ­να οι νεο­γέν­νη­τες ιδέ­ες για τη φύση του φωτός και τον υπο­α­το­μι­κό κόσμο έρχο­νται να προ­σθέ­σουν άλλη μία «αστά­θεια» στο οικο­δό­μη­μα της φυσι­κής, καθι­στώ­ντας σαφές το γεγο­νός πως η κλασ­σι­κή μηχα­νι­κή απο­τυγ­χά­νει όταν εισέρ­χε­ται στον «παρά­ξε­νο» δυϊ­κό κόσμο του φωτός ή της ραδιε­νέρ­γειας.

Τα ινία της θεω­ρη­τι­κής έρευ­νας λαμ­βά­νει ένας νεα­ρός, άση­μος υπάλ­λη­λος στο γρα­φείο ευρε­σι­τε­χνιών της Βέρ­νης, ο Albert Eisntein (1879−1955). Το 1905, προ­σπα­θώ­ντας να ερμη­νεύ­σει το φωτοη­λε­κτρι­κό φαι­νό­με­νο, απο­δί­δει στο φως σωμα­τι­δια­κές ιδιό­τη­τες.

«Η ενέρ­γεια μιας φωτει­νής ακτί­νας που εκπέ­μπε­ται από μια φωτει­νή πηγή, δεν είναι συνε­χώς κατα­νε­μη­μέ­νη στο χώρο, αλλά απο­τε­λεί­ται από ένα πεπε­ρα­σμέ­νο αριθ­μό ενερ­γεια­κών κβά­ντων (φωτο­νί­ων), που είναι τελεί­ως εντο­πι­σμέ­να στο χώρο, χωρίς να διαι­ρού­νται και τα οποία μπο­ρούν να παρα­χθούν ή να απορ­ρο­φη­θούν μόνο σαν ολό­κλη­ρες μονά­δες.»

Α. Einstein, 1905.

Τα θεμέ­λια βασι­κών φυσι­κών εννοιών όπως η ενέρ­γεια, \( \mathbf{E=\frac{1}{2}mu^{2}}(1) \) και η ορμή, \( \mathbf{P=mu}(2) \), τρί­ζουν. Εφό­σον τα φωτό­νια έχουν μηδε­νι­κή μάζα και κινού­νται με πεπε­ρα­σμέ­νη ταχύ­τη­τα \( \mathbf{c\simeq 3\cdot 10^{8}m/s} \), από τις σχέ­σεις (1) και (2) συνά­γε­ται πως η Ενέρ­γεια και η Ορμή τους είναι αμφό­τε­ρες μηδε­νι­κές, κάτι που προ­φα­νώς δεν ισχύ­ει.

Δύο είναι οι ενδε­χό­με­νοι τρό­ποι λύσης του προ­βλή­μα­τος: είτε οι σχέ­σεις για την ενέρ­γεια και την ορμή δεν είναι σωστές,  είτε τα δύο φυσι­κά αυτά μεγέ­θη δεν δια­τη­ρού­νται σε όλα τα φαι­νό­με­να.

Η απά­ντη­ση στο δίλημ­μα αυτό είναι μάλ­λον προ­φα­νής. Κι αυτό διό­τι οι δύο αρχές δια­τή­ρη­σης που «δοκι­μά­ζο­νται» είναι βαθιά και στα­θε­ρά θεμε­λιω­μέ­νες στο σώμα της Επι­στή­μης, καθώς σχε­τί­ζο­νται με την ομο­γέ­νεια του χώρου και του χρό­νου. Το θεώ­ρη­μα Noether δεν αφή­νει περι­θώ­ρια: η συ Iμμε­τρία ως προς τις χρο­νι­κές μετα­το­πί­σεις συνε­πά­γε­ται τη δια­τή­ρη­ση της ενέρ­γειας, ενώ η συμ­με­τρία ως προς τις χωρι­κές μετα­το­πί­σεις συνε­πά­γε­ται τη δια­τή­ρη­ση της ορμής. Επο­μέ­νως ο μονα­δι­κός δρό­μος οδη­γεί στην ανα­ζή­τη­ση νέων σωστών εκφρά­σε­ων για την ενέρ­γεια και την ορμή που θα αντι­κα­τα­στή­σουν τις υπάρ­χου­σες.

Η τρέ­χου­σα φυσι­κή θεω­ρία δεν αρκεί για την ερμη­νεία του κόσμου καθώς η κλασ­σι­κή Νευ­τώ­νεια Μηχα­νι­κή μοιά­ζει όλο και περισ­σό­τε­ρο ασύμ­βα­τη με τα και­νού­ρια δεδο­μέ­να. Όμως, ενώ οι φυσι­κοί έχουν κατα­φέ­ρει να βρουν πολ­λά από τα κομ­μά­τια του παζλ μιας νέας, ανα­δυό­με­νης φυσι­κής πραγ­μα­τι­κό­τη­τας, εν τού­τοις δεν έχουν κατα­φέ­ρει ακό­μη να βρουν τον τρό­πο να τα τοπο­θε­τή­σουν στη σωστή τους θέση.

Αυτό δεν είναι όσο εύκο­λο φαί­νε­ται εκ πρώ­της όψε­ως. Οι νόμοι του Νεύ­τω­να θριαμ­βεύ­ουν για περισ­σό­τε­ρο από 250 χρό­νια, έχο­ντας άπει­ρες πει­ρα­μα­τι­κές επι­τυ­χί­ες και προ­βλέ­πο­ντας σωστά πολ­λά παρα­τη­ρή­σι­μα φαι­νό­με­να. Αντί­θε­τα η θεω­ρία του Maxwell είναι και­νού­ρια και σχε­τι­κά αδο­κί­μα­στη και τα νέα πει­ρα­μα­τι­κά δεδο­μέ­να που θέτουν εν αμφι­βό­λω το κλασ­σι­κό οικο­δό­μη­μα, δεν γίνο­νται απο­δε­κτά από όλους. Οι επι­στή­μο­νες χωρί­ζο­νται σε δύο αντί­πα­λα στρα­τό­πε­δα. Από τη μια μεριά βρί­σκο­νται οι υπέρ­μα­χοι της κλα­σι­κής φυσι­κής που βλέ­πουν με σκε­πτι­κι­σμό τα απο­τε­λέ­σμα­τα των πει­ρα­μά­των και θεω­ρούν ότι θα απο­δει­χτούν λαν­θα­σμέ­να και ο Newton θα θριαμ­βεύ­σει όπως έχει γίνει τόσες φορές στο παρελ­θόν. Από την άλλη μεριά οι επι­στή­μο­νες εκεί­νοι που θεω­ρούν πως τα πει­ρα­μα­τι­κά δεδο­μέ­να είναι ορθά και η ασυμ­βα­τό­τη­τα του Maxwell και του Newton δεδο­μέ­νη και δια­βλέ­πουν ότι η κλα­σι­κή θεώ­ρη­ση του κόσμου ατε­λής.

Η εμφά­νι­ση της Ειδι­κής Σχε­τι­κό­τη­τας

Στα 17 του χρό­νια ο Albert Einstein έχει ήδη μελε­τή­σει την Ηλε­κτρο­μα­γνη­τι­κή Θεω­ρία του Maxwell ενώ στα 18, δηλα­δή το 1897, δια­βά­ζει το βιβλίο του Mach «Η Μηχα­νι­κή στην ιστο­ρι­κή της εξέ­λι­ξη-κρι­τι­κή θεώ­ρη­ση». Tον εντυ­πω­σιά­ζει ιδιαί­τε­ρα η θαρ­ρα­λέα, για την επο­χή, αμφι­σβή­τη­ση από τον Mach των θεμέ­λιων λίθων της Νευ­τώ­νειας επι­στή­μης, του από­λυ­του Χώρου και του από­λυ­του Χρό­νου. Κατα­λα­βαί­νει λοι­πόν γρή­γο­ρα πως ο μόνος τρό­πος να τα κατα­φέ­ρει είναι να απαλ­λα­γεί από κάποιες «προ­φα­νείς αλή­θειες» που δεσπό­ζουν στη Φυσι­κή και εδώ ακρι­βώς έγκει­ται η μεγα­λο­φυ­ΐα του.

Albert Einstein

Στις 30 Ιου­νί­ου του «annus mirabilis» 1905, στο επι­στη­μο­νι­κό περιο­δι­κό Αnnalen der Physik δημο­σιεύ­ει ένα άρθρο με τον τίτλο «Zur Elektrodynamik bewegter Körper» (Περί της Ηλε­κτρο­δυ­να­μι­κής των εν κινή­σει σωμά­των) το οποίο απο­τε­λεί το θεμέ­λιο λίθο της μίας νέας φυσι­κής θεω­ρί­ας η οποία βασί­ζε­ται σε δύο αρχές που ο Einstein δέχε­ται αξιω­μα­τι­κά.

• Το πρώ­το αξί­ω­μα, σε συμ­φω­νία με τον Maxwell, είναι πως το φως έχει στα­θε­ρή ταχύ­τη­τα, ίδια για όλους τους αδρα­νεια­κούς παρα­τη­ρη­τές και ανε­ξάρ­τη­τη από τη μετα­ξύ τους ταχύ­τη­τα.
• Το δεύ­τε­ρο αξί­ω­μα είναι πως οι νόμοι της Φυσι­κής είναι οι ίδιοι ως προς όλους τους αδρα­νεια­κούς παρα­τη­ρη­τές.

Η πρώ­τη απόρ­ροια αυτών των αξιω­μά­των είναι ότι ο Χώρος και ο Χρό­νος δεν είναι πλέ­ον από­λυ­τες οντό­τη­τες αλλά εξαρ­τώ­νται από το σύστη­μα ανα­φο­ράς με το οποίο γίνε­ται η μέτρη­σή τους. Γίνε­ται σαφής λόγος για συστο­λή μήκους (οι δια­στά­σεις ενός κινού­με­νου σώμα­τος αλλά­ζουν κατά τη διεύ­θυν­ση της κίνη­σής τους σύμ­φω­να με τους μετα­σχη­μα­τι­σμούς του Lorentz) και δια­στο­λή χρό­νου (o χρό­νος που μετρά ένας κινού­με­νος παρα­τη­ρη­τής είναι μικρό­τε­ρος από αυτόν που μετρά παρα­τη­ρη­τής σε ηρε­μία). Η μάζα, που ουσια­στι­κά απο­τε­λεί το μέτρο της αδρά­νειάς ενός σώμα­τος, παύ­ει να θεω­ρεί­ται ως από­λυ­το μέγε­θος καθώς απο­δει­κνύ­ε­ται ότι αυξά­νε­ται όταν το σώμα επι­τα­χύ­νε­ται. Συνέ­πεια αυτού είναι ότι στο όριο κατά το οποίο η ταχύ­τη­τα ενός σώμα­τος τεί­νει να γίνει ίση με την ταχύ­τη­τα του φωτός, η μάζα του (άρα και η αδρά­νειά του) απει­ρί­ζο­νται, κάτι που είναι αδύ­να­το. Συνε­πώς κανέ­να σώμα με μη μηδε­νι­κή μάζα δεν μπο­ρεί να έχει ταχύ­τη­τα ίση με αυτή του φωτός, κάτι που θέτει ένα άνω όριο στις ταχύ­τη­τες των σωμά­των στο Σύμπαν.I

Η μάζα συν­δέ­ε­ται με την Ενέρ­γεια με την διά­ση­μη εξί­σω­ση Einstein: E=mc², που απο­κτά πλέ­ον φυσι­κή υπό­στα­ση υπο­δη­λώ­νο­ντας την ισο­δυ­να­μία μάζας και ενέρ­γειας. Για πρώ­τη φορά γίνε­ται λόγος για Υλο­ε­νέρ­γεια.

Η διά­ση­μη εξί­σω­ση του Einstein

Ο Einstein κατα­φέρ­νει να θέσει τα θεμέ­λια μιας και­νού­ριας θεω­ρί­ας της Φυσι­κής Επι­στή­μης, συν­θέ­το­ντας τα κομ­μά­τια του παζλ που οι προ­κά­το­χοί του είχαν κατα­φέ­ρει να εντο­πί­σουν και δίνο­ντας φυσι­κή ερμη­νεία στους μετα­σχη­μα­τι­σμούς Lorentz και την εξί­σω­ση με την οποία ο Poincare είχε συν­δέ­σει τη μάζα με την ενέρ­γεια. H νέα θεω­ρία είναι ένα τερά­στιο, αξιο­θαύ­μα­στο επι­στη­μο­νι­κό άλμα, αν σκε­φτεί κανείς πως φέρ­νει τα πάνω κάτω στον τρό­πο θεώ­ρη­σης του Σύμπα­ντος και ότι τα φαι­νό­με­να που προ­βλέ­πει αντί­κει­νται στην καθη­με­ρι­νή μας εμπει­ρία. Tο όνο­μα αυτής «Special Relativity» (Ειδι­κή Σχε­τι­κό­τη­τα).

Ο Einstein μπρο­στά στις εξι­σώ­σεις του

Η ριζο­σπα­στι­κή αλλα­γή στη θεώ­ρη­ση του μήκους και του χρό­νου είναι γεγο­νός. Δεν απο­τε­λούν πια από­λυ­τα δια­κρι­τά φυσι­κά μεγέ­θη αλλά συν­δέ­ο­νται μετα­ξύ τους με τη σχέ­ση: από­στα­ση = ταχύ­τη­τα φωτός x χρό­νος.

Έτσι εισά­γο­νται μονά­δες μέτρη­σης από­στα­σης, όπως είναι το έτος φωτός, που δηλώ­νει την από­στα­ση που δια­νύ­ει το φως κατά τη διάρ­κεια ενός έτους.

Μετά από τρία χρό­νια, το 1908, ο Minkowski εισά­γει την έννοια του Χωρο­χρό­νου, ο οποί­ος παρου­σιά­ζει μια σημα­ντι­κή δια­φο­ρά από αυτόν του Γαλι­λαί­ου: δεν επι­τρέ­πει κανέ­να ταξί­δι με ταχύ­τη­τα μεγα­λύ­τε­ρη από αυτήν του φωτός. Σε ένα συνέ­δριο στην Κολω­νία ο Minkowski θα πει: «Οι από­ψεις για τον Χώρο και τον Χρό­νο τις οποί­ες επι­θυ­μώ να εκθέ­σω ενώ­πιόν σας, έχουν ξεπη­δή­σει από το έδα­φος της Πει­ρα­μα­τι­κής Φυσι­κής, και σε αυτό έγκει­ται η δύνα­μή τους. Είναι πρω­ταρ­χι­κές. Στο εξής ο Χώρος αφ’ εαυ­τού και ο Χρό­νος αφ’ εαυ­τού, είναι κατα­δι­κα­σμέ­νοι να σβή­σουν σε απλές σκιές, και μονά­χα ένα είδος ένω­σης των δύο θα δια­τη­ρεί μια ανε­ξάρ­τη­τη πραγ­μα­τι­κό­τη­τα». O Χωρό­χρο­νος Minkowski περι­λαμ­βά­νει τέσ­σε­ρις δια­στά­σεις: τρεις για το Χώρο και μία για το Χρό­νο. Ο τετρα­διά­στα­τος πλέ­ον Χωρό­χρο­νος, ως ενο­ποι­η­μέ­νη οντό­τη­τα, είναι ανε­ξάρ­τη­τος του παρα­τη­ρη­τή και συνε­πώς από­λυ­τος, παρό­λο που οι συνι­στώ­σες του, δηλα­δή ο Χώρος και ο Χρό­νος, εξαρ­τώ­νται από το σύστη­μα ανα­φο­ράς στο οποίο γίνο­νται οι μετρή­σεις τους. Ένα σημείο του Χωρο­χρό­νου ονο­μά­ζε­ται γεγο­νός.

Χωρό­χρο­νος

Όμως, στην πορεία παρου­σιά­ζε­ται ένα ακό­μη σημα­ντι­κό πρό­βλη­μα. Ο νόμος της βαρύ­τη­τας του Newton είναι ασύμ­βα­τος με τις αρχές της Ειδι­κής Σχε­τι­κό­τη­τας. Και αυτό διό­τι, όπως έχει επι­ση­μαν­θεί παρα­πά­νω, συνε­πά­γε­ται ακα­ριαία μετά­δο­ση των δυνά­με­ων (άρα άπει­ρη ταχύ­τη­τα) ενώ οι αρχές της σχε­τι­κό­τη­τας θεω­ρούν την ταχύ­τη­τα του φωτός ανυ­πέρ­βλη­τη. Εξάλ­λου, σύμ­φω­να με τον νόμο αυτό, η βαρυ­τι­κή δύνα­μη μετα­ξύ δύο σωμά­των είναι αντι­στρό­φως ανά­λο­γη του τετρα­γώ­νου της μετα­ξύ τους από­στα­σης. Το γεγο­νός όμως πως η από­στα­ση δεν είναι πλέ­ον από­λυ­το μέγε­θος αλλά εξαρ­τά­ται από το σύστη­μα ανα­φο­ράς σημαί­νει πως ο νόμος της Παγκό­σμιας Έλξης δεν είναι αναλ­λοί­ω­τος ως προς τους μετα­σχη­μα­τι­σμούς Lorentz. Ένα επι­πρό­σθε­το «αγκά­θι» της Ειδι­κής Θεω­ρί­ας της Σχε­τι­κό­τη­τας είναι πως αυτή αφο­ρά στα αδρα­νεια­κά συστή­μα­τα ανα­φο­ράς και δεν συμπε­ρι­λαμ­βά­νει τα επι­τα­χυ­νό­με­να. Ο Einstein γρή­γο­ρα αντι­λαμ­βά­νε­ται ότι τίπο­τα δεν έχει τελειώ­σει ακό­μη και ότι η Θεω­ρία της Σχε­τι­κό­τη­τας πρέ­πει να επε­κτα­θεί έτσι ώστε να συμπε­ρι­λαμ­βά­νει τη βαρύ­τη­τα και να ισχύ­ει σε οποιο­δή­πο­τε σύστη­μα ανα­φο­ράς.

Η Εμφά­νι­ση της Γενι­κής Σχε­τι­κό­τη­τας

H επε­ξερ­γα­σία μιας νέας, γενι­κευ­μέ­νης Θεω­ρί­ας της Σχε­τι­κό­τη­τας απο­δει­κνύ­ε­ται για τον Einstein μια ιδιαί­τε­ρα επί­πο­νη δια­δι­κα­σία. Κι αυτό διό­τι σε αντί­θε­ση με την Ειδι­κή Θεω­ρία της Σχε­τι­κό­τη­τας για τη δια­τύ­πω­ση της οποί­ας στη­ρί­χθη­κε στη εργα­σία πολ­λών επι­στη­μό­νων, αυτή τη φορά, στο δύσκο­λο έργο που έχει ανα­θέ­σει στον εαυ­τό του, είναι μόνος. Επι­πλέ­ον γνω­ρί­ζει πολύ καλά ότι η εκ νέου αμφι­σβή­τη­ση του Newton δεν είναι εύκο­λη υπό­θε­ση και ότι μπο­ρεί να γίνει μόνο αν η νέα θεω­ρία είναι συμπα­γής και δια­τυ­πώ­νε­ται σαφώς με έναν αυστη­ρό μαθη­μα­τι­κό φορ­μα­λι­σμό.

Το 1907 ο Einstein γρά­φει ένα άρθρο στο οποίο εισά­γει για πρώ­τη φορά την «αρχή της ισο­δυ­να­μί­ας» και το φαι­νό­με­νο της βαρυ­τι­κής δια­στο­λής του Χρό­νου. Ακο­λου­θούν οκτώ έτη έντο­νης δια­νοη­τι­κής προ­σπά­θειας καθώς το όλο εγχεί­ρη­μα βαί­νει σε δύσβα­τα και ανε­ξε­ρεύ­νη­τα νοη­τι­κά μονο­πά­τια. Κατά τη διάρ­κεια αυτών των ετών, όπως φαί­νε­ται από κάποιες επι­στο­λές που στέλ­νει σε φίλους, ο Einstein συχνά καταρ­ρέ­ει ψυχο­λο­γι­κά όταν οι υπο­λο­γι­σμοί του δεί­χνουν να τον προ­δί­δουν. Ο ίδιος ο Max Plank φέρε­ται να του συνι­στά να εγκα­τα­λεί­ψει την προ­σπά­θεια καθώς υπάρ­χει πιθα­νό­τη­τα απο­τυ­χί­ας και σε αυτήν ακό­μη την περί­πτω­ση της επι­τυ­χί­ας, η θεω­ρία του είναι πολύ δύσκο­λο να γίνει απο­δε­κτή.

Ο Einstein όμως επι­μέ­νει, κατα­φέρ­νει να συμπλη­ρώ­σει τη θεω­ρία του και 10 έτη μετά το «annus mirabilis», το Νοέμ­βριο του 1915, παρου­σιά­ζει στην Πρωσ­σι­κή Ακα­δη­μία Επι­στη­μών σε μία σει­ρά δια­λέ­ξε­ων το νέο, μνη­μειώ­δες έργο του «The field equations of gravitation» που περι­λαμ­βά­νει τη Γενι­κή Θεω­ρία της Σχε­τι­κό­τη­τας, ένα από τα πλέ­ον συναρ­πα­στι­κά επι­τεύγ­μα­τα της ανθρώ­πι­νης σκέ­ψης, ισχυ­ρι­ζό­με­νος ότι τα Βαρυ­τι­κά Πεδία επι­βάλ­λουν μια δια­φο­ρε­τι­κή από την Ευκλεί­δεια Γεω­με­τρία στο Χώρο.

Η Βαρύ­τη­τα τίθε­ται κάτω από ένα εξ’ ολο­κλή­ρου δια­φο­ρε­τι­κό πρί­σμα θεώ­ρη­σης. Τα βασι­κά σημεία της νέας θεω­ρί­ας συνο­ψί­ζο­νται ως εξής:

1. Το Βαρυ­τι­κό Πεδίο ισο­δυ­να­μεί με ένα επι­τα­χυ­νό­με­νο Σύστη­μα Ανα­φο­ράς.
2. Η βαρύ­τη­τα επι­βρα­δύ­νει το Χρό­νο.
3. Η καμπύ­λω­ση του Χωρο­χρό­νου προ­κα­λεί επι­τά­χυν­ση.
4. Η παρου­σία Ύλης καμπυ­λώ­νει το Χωρό­χρο­νο.

Συνε­πώς η Βαρύ­τη­τα δεν είναι δυνα­τόν πλέ­ον να αντι­με­τω­πί­ζε­ται ως μια δύνα­μη που περι­γρά­φε­ται από το Νόμο της Παγκό­σμιας Έλξης, αλλά ως ένα δυνα­μι­κό φαι­νό­με­νο που οφεί­λε­ται στην καμπύ­λω­ση του Χωρο­χρό­νου που προ­κα­λεί η παρου­σία Ύλης. Ο Χωρό­χρο­νος δεν είναι από­λυ­τος αλλά δια­κρί­νε­ται από μία «ευε­λι­ξία» απο­τε­λώ­ντας μία δυνα­μι­κή οντό­τη­τα που μπο­ρεί να καμ­φθεί εξ’ αιτί­ας της ύλης που περιέ­χε­ται μέσα σε αυτόν και στη συνέ­χεια να αλλά­ξει τη συμπε­ρι­φο­ρά της ύλης. Η ύλη επο­μέ­νως «δια­πλά­θει» τον Χωρο­χρό­νο σε μια συγκε­κρι­μέ­νη τετρα­διά­στα­τη μορ­φή. Η ριζο­σπα­στι­κή αυτή θεώ­ρη­ση των φυσι­κών νόμων θέτει τις βάσεις για την ανά­πτυ­ξη ενός συναρ­πα­στι­κού κλά­δου της επι­στή­μης: της Κοσμο­λο­γί­ας.

Καμπύ­λω­ση χωρο­χρό­νου

Εύκο­λα κάποιος που έχει ελά­χι­στη γνώ­ση της φυσι­κής επι­στή­μης και της ιστο­ρί­ας της μπο­ρεί να συμπε­ρά­νει την ανα­στά­τω­ση που φέρ­νει στον επι­στη­μο­νι­κό κόσμο η νέα αντί­λη­ψη του Σύμπα­ντος που εισά­γει η νέα θεω­ρία. Πολύ περισ­σό­τε­ρο αν εντα­χθεί στα πλαί­σια των κοι­νω­νι­κο­πο­λι­τι­κών διερ­γα­σιών που λαμ­βά­νουν χώρα στην Ευρώ­πη, στην οποία μαί­νε­ται ο 1ος Παγκό­σμιος Πόλε­μος. Αυτό που ουσια­στι­κά επι­χει­ρεί­ται, σε επι­στη­μο­νι­κό επί­πε­δο, είναι η εκθρό­νι­ση του Άγγλου «Θεού» της φυσι­κής Newton από τον κεί­με­νο στις τάξεις του εχθρού Γερ­μα­νο­ε­βραίο Einstein. Και μολο­νό­τι αυτό φαί­νε­ται παρά­δο­ξο, το πρώ­το μεγά­λο εγχεί­ρη­μα της επι­κύ­ρω­σης αυτής της εκθρό­νι­σης, το ανα­λαμ­βά­νουν Άγγλοι.

Στα πλαί­σια του Μεγά­λου Πολέ­μου, η ανταλ­λα­γή επι­στη­μο­νι­κών πλη­ρο­φο­ριών ανά­με­σα στις επι­στη­μο­νι­κές ομά­δες των αντί­πα­λων στρα­το­πέ­δων, της Γερ­μα­νί­ας και της Αγγλί­ας, είναι περιο­ρι­σμέ­νη. Το μόνο «όχη­μα ανταλ­λα­γής από­ψε­ων» είναι η ουδέ­τε­ρη Ολλαν­δία. Μέσω αυτής λοι­πόν, ένας σημα­ντι­κός Άγγλος αστρο­νό­μος, o Arthur Eddington (1882 – 1944), διευ­θυ­ντής του Αστε­ρο­σκο­πεί­ου του Cambridge και μέλος της Βασι­λι­κής Εται­ρί­ας, που εκ πεποι­θή­σε­ως δεν συμ­με­τέ­χει στον πόλε­μο, λαμ­βά­νει γνώ­ση για την νέα ανα­τρε­πτι­κή θεω­ρία του άση­μου ακό­μη Einstein. Η θεω­ρία αυτή του κινεί το ενδια­φέ­ρον, πολύ περισ­σό­τε­ρο όταν δια­πι­στώ­νει ότι τα απο­τε­λέ­σμα­τα που παρέ­χει ο Einstein για τη μετα­τό­πι­ση του Περι­η­λί­ου του Ερμή (την οποία αδυ­να­τεί να ερμη­νεύ­σει η Νευ­τώ­νεια Θεω­ρία), βρί­σκο­νται σε πλή­ρη συμ­φω­νία με την παρα­τή­ρη­ση.

Ο Eddington, παρ’ όλη τη δυσπι­στία της επι­στη­μο­νι­κής κοι­νό­τη­τας απέ­να­ντι στη νέα θεω­ρία και την εχθρό­τη­τα που γεν­νά στο πρό­σω­πό του η συμπά­θειά του προς τον Γερ­μα­νό Einstein, απο­φα­σί­ζει το 1917 να τον υπο­στη­ρί­ξει έμπρα­κτα χρη­σι­μο­ποιώ­ντας το επι­στη­μο­νι­κό του κύρος. Στην προ­σπά­θειά του αυτή συνα­ντά πολ­λές δυσκο­λί­ες καθώς ο 1ος Παγκό­σμιος Πόλε­μος εξα­κο­λου­θεί να κοστί­ζει στα αντι­μα­χό­με­να μέρη τόσο σε υλι­κό όσο και σε ανθρώ­πι­νο δυνα­μι­κό. Η βρε­τα­νι­κή επι­στη­μο­νι­κή κοι­νό­τη­τα απο­φα­σί­ζει να συν­δρά­μει το εγχεί­ρη­μά του ερχό­με­νη σε σύγκρου­ση με τον βρε­τα­νι­κό στρα­τό αλλά και με ένα τμή­μα της κοι­νής γνώ­μης που θεω­ρεί την από­πει­ρα των Άγγλων να απο­δεί­ξουν την ορθό­τη­τα του έργου του Einstein ως προ­δο­σία.

Σύμ­φω­να με τη Γενι­κή Θεω­ρία της Σχε­τι­κό­τη­τας η βαρύ­τη­τα καμπυ­λώ­νει το φως ήτοι όταν μία δέσμη φωτός διέρ­χε­ται πλη­σί­ον από κάποιον Αστέ­ρα ή Πλα­νή­τη με μεγά­λη μάζα απο­κλί­νει ελα­φρά από την αρχι­κή πορεία του. Ο ίδιος ο Einstein, έχει προ­τεί­νει έναν τρό­πο επα­λή­θευ­σης της πρό­βλε­ψης αυτής, υπο­λο­γί­ζο­ντας το 1915 την εκτρο­πή μιας φωτει­νής δέσμης που περ­νά κοντά από την επι­φά­νεια του ήλιου. Η τιμή που δίνουν οι υπο­λο­γι­σμοί του είναι 1,75 δευ­τε­ρό­λε­πτα του τόξου. Ο Eddington χρη­σι­μο­ποιεί την Νευ­τώ­νεια Θεω­ρία και υπο­λο­γί­ζει πως σύμ­φω­να με αυτήν το μέγε­θος της εκτρο­πής είναι 0,87 δευ­τε­ρό­λε­πτα του τόξου. Εκεί­νο που πρέ­πει να πρά­ξει για να δια­πι­στώ­σει ποια από τις δύο Θεω­ρί­ες δίνει τη σωστή πρό­βλε­ψη, είναι να μετρή­σει αυτή την εκτρο­πή. Καθώς όμως το φως του ήλιου καλύ­πτει το φως των άστρων κατά τη διάρ­κεια της ημέ­ρας, ένας μόνο τρό­πος υπάρ­χει για να τα κατα­φέ­ρει: να ανα­ζη­τή­σει αστρι­κές μετα­το­πί­σεις κατά τη διάρ­κεια μιας ολι­κής ηλια­κής έκλει­ψης.

Οι μετρή­σεις βασί­ζο­νται στην παρα­τή­ρη­ση δύο φωτο­γρα­φιών. Στην πρώ­τη θα πρέ­πει να γίνει λήψη του αστρι­κού πεδί­ου κοντά στον ήλιο κατά τη διάρ­κεια της σκο­τει­νής φάσης της ολι­κής έκλει­ψης και στη δεύ­τε­ρη η λήψη του ίδιου πεδί­ου κατά τη διάρ­κεια της νύχτας πριν ή μετά την έκλει­ψη. Τα ενδε­χό­με­να είναι τρία:

• Η βαρύ­τη­τα του ήλιου δεν καμπυ­λώ­νει το φως των άστρων οπό­τε οι θέσεις τους είναι ταυ­τό­ση­μες στις δυο φωτο­γρα­φί­ες.
• Η βαρύ­τη­τα καμπυ­λώ­νει το φως σύμ­φω­να με τον Newton οπό­τε η μετρού­με­νη εκτρο­πή του είναι 0,87 δευ­τε­ρό­λε­πτα του τόξου.
• Η βαρύ­τη­τα καμπυ­λώ­νει το φως σύμ­φω­να με τον Einstein οπό­τε η μετρού­με­νη εκτρο­πή του είναι 1,75 δευ­τε­ρό­λε­πτα του τόξου.

Σύμ­φω­να με τις προ­βλέ­ψεις των αστρο­νό­μων η κοντι­νό­τε­ρη ημε­ρο­μη­νία ολι­κής έκλει­ψης, ορα­τής στο Νότιο ημι­σφαί­ριο, είναι η 29η Μαί­ου του 1919. Ο Εddington προ­τεί­νει στο αστε­ρο­σκο­πείο του Greenwich να οργα­νω­θούν δύο απο­στο­λές για την ταυ­τό­χρο­νη παρα­τή­ρη­ση της έκλει­ψης, κατα­φέρ­νει να εξα­σφα­λί­σει μια διό­λου ευκα­τα­φρό­νη­τη οικο­νο­μι­κή στή­ρι­ξη για το εγχεί­ρη­μα και τον Μάρ­τιο του 1919 οι δύο απο­στο­λές απο­πλέ­ουν από τη Μεγά­λη Βρε­τα­νία , η πρώ­τη για τη Βρα­ζι­λία και η δεύ­τε­ρη για το Principe της Δυτι­κής Αφρι­κής , επι­κε­φα­λής της οποί­ας ορί­ζε­ται ο Arthur Eddington και φθά­νει στον προ­ο­ρι­σμό της στις 23 Απρι­λί­ου του 1919.

Τα όργα­να παρα­τή­ρη­σης της ηλια­κής έκλει­ψης στο Sobral της Βρα­ζι­λί­ας (Science Museum Group Collection).

Η εκτρο­πή του φωτός που τελι­κά κατα­φέρ­νει να μετρή­σει ο Eddington είναι 1,61 δευ­τε­ρό­λε­πτα του τόξου, αρκε­τά κοντά στη θεω­ρη­τι­κή πρό­βλε­ψη του Einstein. Ο Eddington ισχυ­ρί­ζε­ται πως η παρα­τή­ρη­ση επι­βε­βαιώ­νει τη Γενι­κή Θεω­ρία της Σχε­τι­κό­τη­τας. Τη θέση του ενι­σχύ­ει η από­κλι­ση που δίνουν οι παρα­τη­ρή­σεις της ομά­δας της Βρα­ζι­λί­ας. Ο Joseph Thomson , Πρό­ε­δρος της Royal Society, 220 χρό­νια μετά από τον ίδιο τον Newton , δηλώ­νει: «Πρό­κει­ται για το σημα­ντι­κό­τε­ρο απο­τέ­λε­σμα για τη θεω­ρία της Βαρύ­τη­τας το οποίο εμφα­νί­στη­κε από την επο­χή του Νεύ­τω­να και του αξί­ζει να το ανα­κοι­νώ­σου­με σε μια συνε­δρί­α­ση της Royal Society που συν­δέ­ε­ται στε­νά με αυτόν».

Φωτο­γρα­φία του Ηλια­κού Στέμ­μα­τος κατά τη διάρ­κεια της ηλια­κής έκλει­ψης στις 29 Μαΐ­ου 1919 στο Sobral της Βρα­ζι­λί­ας (Science Museum Group Collection)

Στις 7 Νοεμ­βρί­ου του 1919 δημο­σιεύ­ε­ται στους Times του Λον­δί­νου ένα άρθρο με τίτλο «Επα­νά­στα­ση στην επι­στή­μη. Νέα θεω­ρία του Σύμπα­ντος. Ανα­τρο­πή των νευ­τώ­νειων ιδε­ών». Δύο μέρες αργό­τε­ρα, στις 9 Νοεμ­βρί­ου του 1919, η επι­στη­μο­νι­κή αυτή είδη­ση γίνε­ται πρω­το­σέ­λι­δο στους Νew York Times. O Einstein χρειά­ζε­ται περισ­σό­τε­ρο χρό­νο για να δικαιω­θεί από τους συμπα­τριώ­τες του. Η πρώ­τη φωτο­γρα­φία του δημο­σιεύ­ε­ται στο Γερ­μα­νι­κό περιο­δι­κό Berliner Illustrate Zeitung, στο τεύ­χος της 14ης Δεκεμ­βρί­ου 1919.

Times Λον­δί­νου, 7 Νοεμ­βρί­ου 1919, σελί­δα 12, στή­λη 6.

Πολύ αργό­τε­ρα, προς το τέλος της ζωής του, ο Albert Einstein έχο­ντας πλή­ρη συνεί­δη­ση του ρήγ­μα­τος που προ­κά­λε­σε στα θεμέ­λια της Νευ­τώ­νειας Φυσι­κής, τόσο με την κατάρ­γη­ση της απο­λυ­τό­τη­τας του Χώρου και του Χρό­νου και της στα­θε­ρό­τη­τας της μάζας όσο και με την πλή­ρη ανα­τρο­πή της έννοιας της Παγκό­σμιας Βαρύ­τη­τας, έγρα­ψε το περί­φη­μο «Newton, verzeih’ mir» (Νεύ­τω­να, συγ­χώ­ρε­σέ με).

Einstein — Lorentz — Eddington

Μια σύντο­μη βιο­γρα­φία του Einstein

Επι­στή­μο­νες που “εύρη­καν” για την Ανθρω­πό­τη­τα: «Αϊν­στάιν» — Podcast Series

Το πέμ­πτο επει­σό­διο της σει­ράς Επι­στή­μο­νες που Εύρη­καν για την Ανθρω­πό­τη­τα είναι αφιε­ρω­μέ­νο στον Άλμπερτ Αϊν­στάιν. Στο podcast περι­γρά­φο­νται χαρα­κτη­ρι­στι­κά στιγ­μιό­τυ­πα από τη ζωή του καθώς και δύο από τις πιο σημα­ντι­κές θεω­ρί­ες που έδω­σε στον κόσμο, την Ειδι­κή Θεω­ρία της Σχε­τι­κό­τη­τας και την Γενι­κή Θεω­ρία της Σχε­τι­κό­τη­τας. Η δεύ­τε­ρη, μαζί με την κβα­ντι­κή φυσι­κή, απο­τέ­λε­σαν τα θεμέ­λια της σύγ­χρο­νης φυσι­κής επι­στή­μης. Με τις θεω­ρί­ες του αυτές, ο Αϊν­στάιν άνοι­ξε νέους δρό­μους στην Επι­στή­μη, ανε­ξε­ρεύ­νη­τους έως τότε, δίνο­ντας το έναυ­σμα για μία επι­στη­μο­νι­κή επα­νά­στα­ση που κρα­τά μέχρι σήμε­ρα. Τιμη­μέ­νος με βρα­βείο Νόμπελ Φυσι­κής το 1921, ο Αϊν­στάιν θεω­ρεί­ται ένας από τους πιο σημα­ντι­κούς επι­στή­μο­νες της ανθρω­πό­τη­τας.