1905 vände Albert Einstein upp och ner på den teoretiska fysikvärlden genom att publicera ett verk inom den disciplin som senare skulle kallas den relativa relativitetsteorin. Hon visade att rum och tid inte kan betraktas som absoluta enheter: tiden kan påskynda eller sakta ner, standardlängder kan dra ihop sig, massorna kan öka.
Och det mest kända resultatet, ekvivalensen av energimassan, och deras andel uttrycks genom ekvationen E = mc².
Ingen tvivlar på Einsteins geni, som formulerade allmän relativitet, men det är allmänt accepterat att om han inte hade publicerat sin teori 1905 skulle någon annan fysiker snart ha gjort det i hans ställe.
"Einsteins kors" - fyra bilder av en avlägsen kvasar, erhållen på grund av att ljuset från den böjer sig runt galaxen som ligger närmare oss och fungerar som en gravitationslins.
Det var först 1915 som Einstein demonstrerade sitt geni genom att publicera sin teori om allmän relativitet. Hon hävdade att rymdtidens krökning är proportionell och också sker på grund av "energimomentdensiteten", det vill säga energin och momentumet som är förknippat med vilken materia som helst i en enhetsvolym av rymden.
Detta uttalande bekräftades när det sammanföll med observationer av Merkurius ovanliga bana och med ljuset från stjärnorna som böjde sig runt solen.
Under de senaste hundra åren har allmän relativitetstest testats med otrolig noggrannhet och har stått provet varje gång. Allmän relativitetsteori har blivit ett så stort steg framåt att man kan säga att om Einstein inte hade formulerat det, kunde det förbli oupptäckt under lång tid.
Vägen till allmän relativitet
Kampanjvideo:
År 1907 hade Einstein den "lyckligaste tanken på livet" när han satt på en stol i patentkontoret i Bern:
Om en person faller fritt känner han inte sin vikt.
Hon ledde honom till formuleringen av "ekvivalensprincipen", som säger att det är omöjligt att skilja mellan den accelererande referensramen och gravitationsfältet. Till exempel, om du står på jorden, kommer det att kännas exakt samma som om du stod i ett rymdskepp och rörde dig med en acceleration på 9,81 m / s² - med tyngdacceleration på jorden.
Detta var det första stora steget mot formuleringen av en ny gravitationsteori.
Einstein trodde att "all fysik är geometri." Han menade att rymdtid och universum kan ses i geometriska termer. Den mest överraskande slutsatsen av allmän relativitet, tidens och rymdets dynamiska natur, ledde uppenbarligen Einstein till behovet av att ompröva den "geometriska" rymdtiden.
Einstein genomförde en serie snygga tankeexperiment som jämför observationer gjorda av observatörer i tröghets- och roterande referensramar.
Han konstaterade att för en observatör i en roterande referensram kan rymdtid inte vara euklidisk, det vill säga som den platta geometrin som vi alla studerar i skolor. Vi måste införa "krökt utrymme" i vårt resonemang för att redogöra för avvikelserna som förutsägs av relativitet. Krökning blir det näst viktigaste antagandet som stöder hans allmänna relativitet.
För att beskriva krökt utrymme vände sig Einstein till ett tidigare verk av Bernard Riemann, en matematiker från 1800-talet. Med hjälp av sin vän Marcel Grossmann, också matematiker, tillbringade Einstein flera tråkiga år med att studera matematiken i böjda utrymmen - vad matematiker kallar "differentiell geometri". Einstein konstaterade att "jämfört med att förstå tyngdkraften såg speciell relativitet ut som ett barns lek."
Einstein hade nu den matematiska apparaten för att föra teorin till slut. I ekvivalensprincipen anges att en accelererande referensram motsvarar ett gravitationsfält. Som ett resultat av sina studier i geometri trodde han att gravitationsfältet var en enkel manifestation av krökt rymdtid. Därför kunde han visa att de accelererande referensramarna var icke-euklidiska utrymmen.
Utveckling
Det tredje viktigaste steget var att undanröja svårigheterna med att tillämpa allmän relativitet på Newtons gravitation. I den speciella relativitetsteorin motsatte sig ljusets hastighet i alla referensramar och påståendet att ljusets hastighet är den maximalt uppnåbara hastigheten, motsatt Newtons gravitationsteori, som postulerade omedelbarheten av gravitationens verkan.
Enkelt uttryckt sa den newtonska tyngdkraften att om solen avlägsnades från solsystemets centrum skulle den gravitationella effekten av denna händelse omedelbart kännas på jorden. Men SRT säger att även effekten av solens försvinnande kommer att röra sig med ljusets hastighet.
Einstein visste också att gravitationsattraktionen för två kroppar är direkt proportionell mot deras massor, som följde av Newtons F = G * M * m / r². Därför bestämde massan tydligt styrkan på gravitationsfältet. SRT säger att massa är ekvivalent med energi, så energimomentdensiteten bör också bestämma tyngdkraften.
Som ett resultat var de tre huvudantagandena Einstein använde för att formulera sin teori:
1. I roterande (icke-tröghets) referensramar är utrymmet krökt (icke-euklidiskt).
2. Likvärdighetsprincipen säger att accelererande referensramar motsvarar gravitationsfält.
3. Ekvivalens mellan massa och energi följer av SRT, och från Newtons fysik följer att massan är proportionell mot tyngdkraften.
Einstein kunde dra slutsatsen att energimomentdensiteten skapar och är proportionell mot rymdtidens krökning.
Det är inte känt när han hade sin "insikt" när han kunde lösa detta pussel och relatera massa / energi till rymdens krökning.
Från 1913 till 1915 publicerade Einstein flera artiklar, samtidigt som han arbetade med att fullborda den allmänna relativiteten. Fel påträffades i vissa verk, vilket ledde till att Einstein slösade bort tid på onödiga distraktioner i teoretiskt resonemang.
Men nettoresultatet, att energimomentdensiteten böjer rymdtid, som en bowlingkula är ett sträckt ark av gummi, och att massrörelsen i ett gravitationsfält beror på krökning av rymdtid är utan tvekan de största gissningarna från mänsklig intelligens.
Handikapp
Hur länge skulle vi ha förstått gravitationen om inte Einsteins geni? Det är möjligt att vi måste vänta på detta i många decennier. Men 1979 skulle mysteriet säkert komma ut. Det året upptäckte astronomer "tvillingkvasarer", QSO 0957 + 561, den första kvasaren som observerade gravitationslinser.
Denna fantastiska upptäckt kan bara förklaras med krökning av rymdtid. För honom skulle de verkligen ha gett Nobelpriset, om inte Einsteins geni. Eller kanske hon fortfarande ska ges ut.