2015 Διεθνές Έτος Φωτός

Εικόνα 1: Ο Einstein το 1912

Το 1915, η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας αναπτύχθηκε από τον Einstein, αναδεικνύοντας πως το φως ήταν στο επίκεντρο της ίδιας δομής του χρόνου και του χώρου. Ήδη όμως από το 1912 εργαζόταν για τη ΓΘΣ και η έκδοση τριών εγγράφων σχετικών με το θέμα το Νοέμβριο του 1915 ήταν το αποτέλεσμα της εντατικής δουλειάς του.

Το 2015 αποτελεί χρονολογία ορόσημο για την ιστορία της Φυσικής αφού εκατό χρόνια πριν, το Νοέμβριο του 1915, ο Albert Einstein έγραψε τις περίφημες εξισώσεις πεδίου για την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας είναι μία θεωρία που εξηγεί όλα τα βαρυτικά φαινόμενα που γνωρίζουμε (πτώση μήλου, τροχιά πλανητών) και στάθηκε όρθια μετά από έναν αιώνα συνεχών δοκιμών για την ισχύ της.
Μετά από 100 χρόνια θα έπρεπε να συμπεριλαμβάνεται σε ένα κλασικό βιβλίο θεωρίας Φυσικής, όμως η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας παραμένει σύγχρονη στην πράξη: κεντρική ιδέα αποτελεί το γεγονός ότι ο χώρος και ο χρόνος αποτελούν δυναμικές ποσότητες που επηρεάζονται από την παρουσία της ύλης. Αυτό από μόνο του αποτελεί ένα δύσκολο – και ακόμη καλύτερα δυσκολοχώνευτο – γεγονός.
Η ανάπτυξη της θεωρίας προήλθε από πειράματα που διεξήχθησαν στον εγκέφαλο του Einstein – τα λεγόμενα «νοητικά πειράματα». Αυτά τα πειράματα ήταν επικεντρωμένα στην έννοια του φωτός:
«Τι θα συμβεί αν το φως παρατηρείται από κινούμενο παρατηρητή;»
«Τι θα συμβεί αν το φως ταξιδεύει με την παρουσία ενός βαρυτικού πεδίου;» και άλλα παρόμοια ερωτήματα.
Η πρώτη επιτυχία της ΓΘΣ προήλθε από τον Eddington το 1919 ο οποίος και έκανε γνωστή τη ΓΘΣ μέσα από την παρατήρηση της εκτροπής του φωτός (αλλαγή πορείας) μακρινού αστέρα λόγω του Ήλιου κατά τη διάρκεια έκλειψης. Η παρατηρούμενη επίδραση του Ήλιου στην εκτροπή του φωτός του αστέρα ήταν σε τέλεια συμφωνία με τη θεωρία του Einstein, ενώ η προβλεπόμενη εκτροπή του φωτός μέσα από τη θεωρία του Νεύτωνα απείχε κατά έναν παράγοντα 2: Θριάμβος για τον Einstein!

Βαρυτικοί Φακοί

Σήμερα η εκτροπή του φωτός από αστροφυσικά αντικείμενα αποτελεί σημαντικό εργαλείο που χρησιμοποιείται με επιτυχία για την εξερεύνηση του Σύμπαντος: είναι οι λεγόμενοι βαρυτικοί φακοί.
Σε μεταγενέστερες δοκιμές της θεωρίας το φως παρέμεινε κεντρική ιδέα.

Εικόνα 3: η μετατόπιση του φωτός προς το ερυθρό και προς το μπλε για τους γαλαξίες

Για παράδειγμα στην βαρυτική ερυθρή μετατόπιση : το φως αλλάζει συχνότητα καθώς κινείται σε βαρυτικό πεδίο, κάτι που έχει προβλεφθεί από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και έχει πειραματικά δοκιμαστεί το 1959. 

 Εικόνα 4: Μελανή οπή

Αλλά το πιο εκπληκτικό με τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας δεν έχει να κάνει με το φως αλλά με την απουσία του φωτός. Οι μελανές οπές – ή αλλιώς μαύρες τρύπες – είναι αντικείμενα τόσο πυκνά που ακόμη και το φως δεν μπορεί να δραπετεύσει από το ισχυρό βαρυτικό τους πεδίο. Κάτι τέτοιο δεν αποτελεί σενάριο επιστημονικής φαντασίας. Οι μελανές οπές είναι πλέον αστροφυσικά αντικείμενα που έμμεσα παρατηρούνται και μελετούνται.
Σε πολύ μεγαλύτερες, κοσμολογικές κλίμακες, η βαρυτική ερυθρή μετατόπιση του φωτός από τους γαλαξίες και τα αστέρια που εκρήγνυνται (supernovae) αποτελεί το βασικό εργαλείο που μας επιτρέπει να «χαρτογραφήσουμε» το Σύμπαν και να μελετήσουμε τη «γεωμετρία» του. Μέσα από τα συγκεκριμένα εργαλεία συνειδητοποιήσαμε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, παρατηρώντας τους γαλαξίες να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο. Ακόμη πιο πρόσφατα κατέστη σαφές ότι η διαστολή είναι επιταχυνόμενη! Το επόμενο βήμα ήταν να καταλάβουμε ότι υπάρχει μία νέα μορφή – για εμάς – ενέργειας στο Σύμπαν: η σκοτεινή ενέργεια!
Αξίζει να σημειωθεί ότι όλες αυτές οι εκπληκτικές ανακαλύψεις έγιναν μέσω της μελέτης του φωτός από μακρινά αστροφυσικά γεγονότα στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.
Από την κοσμολογία έρχεται μία άλλη σχέση μεταξύ του Φωτός και της ΓΘΣ που σχετίζεται με τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας προβλέπει ότι το Σύμπαν μας προέρχεται από μία πολύ ενεργητική κατάσταση, την Μεγάλη Έκρηξη, σημάδι της οποίας αποτυπώνεται στην Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου. Η Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου είναι το φως που παρήχθη από το πρώιμο καυτό Σύμπαν εκείνη τη στιγμή που η μείωση της θερμοκρασίας ήταν τέτοια ώστε να επιτρέψει στα φωτόνια να ταξιδεύουν ελεύθερα. Αυτό το φως που βλέπουμε σήμερα μας παρέχει πληροφορίες για το πώς ο κόσμος έμοιαζε όταν η ηλικία του ήταν το 1/30000 της σημερινής !

Τι γίνεται με τις μελλοντικές ανακαλύψεις ;
Ίσως το 2015 να έχουμε την πρώτη ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, δηλαδή κυματισμούς στο χωροχρονικό «επίπεδο», μία ακόμη συναρπαστική πρόβλεψη της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας;

Ανυπομονούμε …

Πηγή:  https://spacegates.wordpress.com/ Κατερίνα Λινάρδου

links:
http://www.light2015.org/Home/CosmicLight/Einstein-Centenary.html
http://www.schoolphysics.co.uk/age14-16/Astronomy/text/Galactic_red_shift/index.html
http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/
http://apod.nasa.gov/apod/ap141026.html