ფარდობითობის თეორია

 1955 წლის 18 აპრილს, ალბერტ აინშტაინის გარდაცვალების ამბავმა ჩვენი პლანეტა შეძრა. პოლიტიკოსები და მწერლები, ფიზიკოსები და ხელოვანები ამბობდნენ, რომ მისი წასვლით სამყარო სხვაგვარი გახდა…

 აშშ-ს პრეზიდენტმა, დუაიტ ეიზენჰაუერმა, მეცნიერის გარდაცვალებიდან მეორე დღეს განაცხადა: „მე-20 საუკუნეში, არცერთ ადამიანს არ გაუკეთებია ამდენი, ადამიანის ცოდნის გასაფართოებლად. ამასთან ერთად, არც ერთი ადამიანი არ ყოფილა ასეთი თავმდაბალი, ჰქონდა რა ძალაუფლება  ცოდნის სახით, და არავინ არ ყოფილა ასე დარწმუნებული იმაში, რომ ძალაუფლება, სიბრძნის გარეშე მომაკვდინებელია“.

 ვერნერ ჰაიზენბერგი კი ასე გამოეხმაურა ფარდობითობის თეორიის შემქმნელის გარდაცვალებას: “აინშტაინს ჰქონდა გამბედაობა იმისა, რომ ეჭვქვეშ დაეყენებინა კლასიკური ფიზიკის ყველა წინაპირობა, ჰქონდა შინაგანი ძალა, გაეაზრებინა, თუ როგორ შეიძლებოდა ამ წინაპირობებთან ერთად მოვლენათა თანამიმდევრულ, არაწინააღმდეგობრივ წესრიგში მოყვანა”.

 

 ამბობენ, რომ იდეა, ალბერტ აინშტაინს წამიერად მოუვიდა, როცა ცნობილი მეცნიერი ბერნის(შვეიცარია) ტრამვაითი მგზავრობდა. მან ქალაქის საათს შეხედა და უეცრად თავში ასეთი აზრი გაუჩნდა, თუ ტრამვაი სინათლის სხივის სიჩქარემდე აჩქარდება, მაშინ მის წარმოდგენაში ეს საათი გაჩერდება და ირგვლივ აღარც დრო იარსებებს. სწორედ ამან მიიყვანა ის ფარდობითობის ერთ-ერთი ცენტრალური პოსტულატის ფორმულირებამდე – ანუ, სხვადასხვა დამკვირვებლები განსხვავებულად აცნობიერებენ სინამდვილეს, მათ შორის ისეთ ფუნდამენტურ სიდიდეებსაც კი, როგორიცაა მანძილი და დრო. მეცნიერული ენით რომ ვთქვათ, იმ დღეს აინშტაინმა გააცნობიერა, რომ ნებისმიერი ფიზიკური მოვლენის აღწერა ათვლის სისტემაზეა დამიკიდებული, რომელშიც დამკვირვებელი იმყოფება. თუ ტრამვაის მგზავრს, მაგალითად, დაუვარდება სათვალე, მაშინ მისთვის ის ვერტიკალურად დაბლა დაეცემა, ხოლო ქუჩაში უძრავად მყოფი დამკვირვებლისთვის, სათვალე პარაბოლაზე იმოძრავებს, რადგან ტრამვაი ხომ სათვალეს ვარდნის დროსაც მოძრაობს. ყველას აქვს თავისი ათვლის სიტემა.

 მოვლენათა აღწერა სისტემიდან სისტემაში გადასვლისას იცვლება, თუმცა არსებობს უნივერსალური, უცვლელი რაღაც, რაც მოძრავი და უძრავი დამკვირვებლისთვისაც ერთნაირია – ესაა ბუნების კანონები(მაგ. ის რამაც სათვალის ვარდნა გამოიწვია), მაშინ როცა მოვლენათა აღწერა დამკვირვებელზეა დამოკიდებული, ბუნების კანონებს ეს არანაირად არ ეხება, ანუ როგორც მეცნიერულ ენაზე ამბობენ, ეს კანონები ინვარიანტულია. სწორედ ამაში მდგომარეობს ფარდობითობის პრინციპი.

 ნებისმიერი ჰიპოთეზის მსგავსად, ფარდობითობის პრინციპიც პრაქტიკულ დადასტურებას მოითხოვს. ამ პრინციპიდან აინშტაინმა ორი ცალკეული (მონათესავე)თეორია გამოიყვანა – ფარდობითობის სპეციალური და ზოგადი თეორია. პირველი თეორიის მიხედვით, ბუნების კანონები ერთნაირია ათვლის ყველა სისტემებისთვის, რომლებიც მუდმივი სიჩქარით მოძრაობს. სპეციალური, ყველაზე ვრცელდება, მათ შორის აჩქარებით მოძრავ სისტემებზეც. ფარდობითობის სპეციალური თეორია 1905 წელს გამოქვეყნდა, ხოლო მათემატიკური აპარატით უფრო რთული ფარდობითობის ზოგადი თეორია, აინშტაინმა 1916 წელს დაასრულა.

ფარდობითობის სპეციალური თეორია

 პარადოქსულ, ინტუიციური წარმოდგენის საწინააღმდეგო ეფექტებს, რომლებიც სინათლის სხივის სიჩქარის მახლობელი სიჩქარით მოძრაობის დროს ჩნდება, ფარდობითობის სპეციალური თეორია წინასწარმეტყველებს. მათგან ყველაზე ცნობილია დროის შენელების ეფექტი. საათი, რომელიც დამკვირვებლის მიმართ მოძრაობს, მისთვის ნელა ითვლის დროს, ვიდრე მაშინ, როცა იგივე საათი, დამკვირვებელთან ერთად მოძრაობს.

 დრო, კოორდინატთა სისტემებში, რომლებიც სინათლის სხივის მახლობელი სიჩქარეებით მოძრაობს, დამკვირვებლის მიმართ ნელდება, ხოლო ობიექტების სივრცული სიგრძე მოძრაობის ღერძის გასწვრივ – პირიქით, იკუმშება(ლორენც-ფიცჯერალდის ეფექტი). მოგვიანებით, აინშტაინმა ამ ეფექტის აღმწერი განტოლებები ფარდობითობის სპეციალურ თეორიაში შეიყვანა, მიღებული ფორმულის მიხედვით, სინათლის სხივის სიჩქარესთნ მიახლოებისას სხეულის მასაც იზრდება(!!! – ინვარიანტული მასა). მაგალითად, 260 000 კმ/წმ(სინათლის სიჩქარის 87%) სიჩქარით მოძრაობისას, ობიექტის მასა, უძრავი ათვლის სისტემაში მყოფი დამკვირვებლის თვალთახედვაში, ორმაგდება.

 აინშტაინის ეპოქიდან მოყოლებული, რაც არ უნდა უცნაურად გვეჩვენებოდეს, ეს წინასწარმეტყველებანი მთლიან და პირდაპირ ექსპერიმენტულ მტკიცებულებებს ღებულობენ. ყველაზე უფრო თვალსაჩინო ექსპერიმენტი, მიჩიგანის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა ჩაატარეს. მათ ორი ერთნაირი ზეზუსტი ატომური საათიდან ერთ-ერთი, ავიალაინერის ბორტზე დააყენეს, რომელიც რეგულარულ ტრანსატლანტიკურ რეისებს ასრულებდა. საბოლოოდ გაირკვა, რომ თვითმფრინავზე მდებარე საათი ყოველი ფრენის მერე ძალიან მცირედ, თუმცა მაინც ჩამორჩებოდა უძრავ საათს(დროის შენელება ლაბორატორიაში გაზომეს).

 ნახევარი საუკუნეა მეცნიერები ელემენტარულ ნაწილაკებს უზარმაზარი ამაჩქარებლებით იკვლევენ. დამუხტული სუბატომური ნაწილაკები(პროტონები, ელექტრონები) სინათლის სიჩქარემდე ჩქარდება, რის შემდეგაც სპეციალურ სამიზნეებს ეჯახება. ასეთი ცდების დროს აუცილებელია ნაწილაკების მასების ზრდის გათვალისწინება – წინააღმდეგ შემთხვევაში შედეგების ინტერპრეტაცია შეუძლებელი იქნება. აქაც ფარდობითობის სპეციალური თეორია, უკვე დიდი ხანია, ჰიპოთეტურიდან სრულიად რეალურ გამოყენებითი ინჟინერიის ინსტრუმენტად იქცა, ნიუტონის მექანიკის კანონებთან ერთად.

 თუ ნიუტონის კანონებს დავუბრუნდებით, აუცილებელია აღინიშნოს, რომ ფარდობითობის სპეციალური თეორია, რაც არ უნდა წინააღმდეგობრივად გამოიყურებოდეს, სინამდვილეში, ზუსტად ეთანხმება ჩვეულებრივ ნიუტონისეულ განტოლებებს, თუ ის დაბალი სიჩქარეებით მოძრავი ობიექტებისთვის გამოიყენება. ანუ, ფარდობითობის სპეციალური თეორია არ ცვლის ნიუტონისეულ ფიზიკას, არამედ ავსებს მას.

 ფარდობითობის პრინციპი ასევე გვეხმარება გავიგოთ, თუ რატომ თამაშობს მაინცდამაინც სინათლის სიჩქარე სამყაროს აღნაგობის ამ მოდელში უმნიშვნელოვანეს როლს – ამ კითხვას სვავენ ადამიანები, რომლებიც პირველად შეეხენ ალბათობის თეორიას. სინათლის სიჩქარე განსაკუთრებული და უნივერსალური კონსტანტაა, რადგან ის ბუნებრივი კანონებითაა განპირობებული. მისი სიჩქარე(с) ვაკუუმში ერთნაირია ათვლის ნებისმიერ სისტემაში. ეს თითქოს ეწინააღმდეგება საღ აზრს, რადგან გამოდის, რომ მოძრავი და უძრავი ობიექტებიდან გამოსხივებული სინათლე, დამკვირვებლამდე ერთი და იგივე დროს მიდის. და ეს სწორედ ასეა.

 ბუნების კანონებში თავისი განსაკუთრებული როლის გამო, სინათლის სიჩქარე ფარდობითობის ზოგად თეორიაშიც ცენტრალურ ადგილს იკავებს(ეს რა თქმა უნდა ეხება ნებისმიერ ელ.მაგნიტურ ურთიერთქმედებას, სინათლეც ელ.მაგნიტური გამოსხივებაა).

ფარდობითობის ზოგადი თეორია

 ფარდობითობის ზოგადი თეორია ათვლის ყველა სისტემებისთვისაა თავსებადი(არა მარტო ერთმანეთის მიმართ მუდმივი სიჩქარეებით მოძრავი სისტემებისთვის) და მეთემატიკურად გაცილებით რთულია, ვიდრე სპეციალური თეორია(ამით აიხსნება მათ პუბლიკაციებს შორის არსებული დიდი ინტერვალი). ის თავის წინამორბედთაგან განსხვავებით კიდევ უფრო შორს მიდის და გრავიტაციას განსხვავებული ინტერპრეტაციით წარმოგვიდგენს.

 ფარდობითობის ზოგადი თეორია სამყაროს ოთხ განზომილებიანად აქცევს, სამ სივრცულს ემატება მეოთხე – დრო. ოთხივე განზომილება განუყოფელია, ამიტომ ამ დროს არა ობიექტებს შორის სივრცულ დაშორებაზეა ლაპარაკი, როგორც ეს სამგანზომილებიან სამყაროში ხდება, არამედ მოვლენათა შორის არსებულ დრო-სივრცულ ინტერვალზე, რომლებიც მათ შორის დაშორებას განსაზრვრავენ – როგორც დროით, ასევე სივრცულს.

 ანუ დრო და სივრცე განიხილება როგორც ოთხგანზომილებიანი დრო-სივრცული კონტინუუმი, ან უბრალოდ, დრო-სივრცე. ამ კონტინუუმში დამკვირვებლებს, რომლებიც ერთმანეთის მიმართ მოძრაობენ, ერთი და იგივე მოვლენზე განსხვავებული აზრი ექნებათ, მოხდა ეს მოვლენები ერთდროულად თუ ერთმა დაასწრო მეორეს. მიზეზ-შედეგობრივი კავშირის დარღვევამდე საქმე არ მიდის – ანუ კოორდინატების სისტემების არსებობა, რომლებშიც ორი მოვლენა არა ერთდროულად ხდება და განსხვავებული მიმდევრობით, ფარდობითობის ზოგადი თეორიაც კი არ უშვებს.

ნიუტონის მსოფლიო მიზიდულობის კანონი გვეუბნება, რომ სამყაროს ორ ნებისმიერ სხეულს შორის არსებობს ურთიერთ მიზიდულობის ძალა. ამ თვალსაზრისით, დედამიწა მზის გარშემო, მათ შორის არსებული მიზიდულობის გამო მოძრაობს. ფარდობითობის სერთო თეორია, თუმცა, ამ მოვლენაზე სხვაგვარად შეხედვას გვაიძულებს. ამ თეორიის მიხედვით, გრავიტაცია – დრო-სივრცის ხისტი ”ნაჭრის” მასიური სხეულის მიერ გამოწვეული დეფორმაციაა(თან რაც უფრო მასიურია სხეული მით მეტად იზნიქება მის ქვეშ დრო-სივრცე. გამოდის, რომ დედამიწა მზის მიერ ჩაზნექილი დრო-სივრცის, კონუსის ფორმის, სამყაროს ხისტი ”ნაჭრის”  კედელზე მოძრაობს(და რატომ არ ეცემა მზეზე?). ის რაც ჩვენ სიმძიმის ძალა გვგონია, სინამდვილეში დრო-სივრცის დეფორმაციაა, და არა ძალა ნიუტონისეული გაგებით. დღევანდელი დღისთვის გრავიტაციის ბუნების უკეთესი ახსნა არ არსებობს.

 ფარდობითობის ზოგადი თეორიის დამტკიცება ძნელია, რადგან ჩვეულებრივ ლაბორატორიულ პირობებში ის ნიუტონის მსოფლიო მიზიდულობის კანონებს ემთხვევა. მიუხედავად ამისა რამდენიმე მნიშვნელოვანი ექსპერიმენტი მაინც ჩატარდა, მათი შედეგები თეორიის მტკიცებულებად შეიძლება ჩაითვალოს. ამას გარდა, ფარდობითობის სერთო თეორია გვეხმარება იმ მოვლენების გაგებაში, რომლებიც კოსმოსში ხდება – მაგალითად, მერკურის უმნიშვნელო გადახრები სტაციონარული ორბიტიდან, რომელიც ვერ აიხსნება  ნიუტონის კლასიკური მექანიკით. ან შორეული ვარსკვლავების ელექტრომაგნიტური გამოსხივების დეფორმაცია, ამ სხივების მზესთან ახლოს გავლის დროს.

 ფარდობითობის ზოგადი თეორიით ნაწინასწარმეტყველევი, შესამჩნევად მაშინ განსხვავდება ნიუტონისეულისგან, როცა გამოთვლები ზეძლიერ გრავიტაციულ ველებს ეხება. ამიტომ ფარდობითობის ზოგადი თეორიის სრულფასოვანი შემოწმებისათვის ან ძალიან მასიური სხეულების ზეზუსტი გაზომვაა საჭირო, ან შავი ხვრელები, რომლებთანაც არანაირი ჩვენი ინტუიტიური  წარმოდგენების გამოყენება არ გამოგვადგება. ასე რომ ფარდობითობის თეორიის მართებულობის დასამტკიცებელი ახალი ექსპერიმენტული მეთოდების ძებნა თნამედროვე ექსპერიმენტული ფიზიკის უმთავრესი ამოცანაა.