Wczesne badaniaEdit

Jak Einstein później powiedział, powodem rozwoju ogólnej teorii względności było preferowanie ruchu inercyjnego w ramach szczególnej teorii względności, podczas gdy teoria, która od początku nie preferuje żadnego szczególnego stanu ruchu, wydawała mu się bardziej zadowalająca. Tak więc w 1907 roku, kiedy Einstein pracował jeszcze w urzędzie patentowym, miał coś, co nazwałby swoją „najszczęśliwszą myślą”. Zdał sobie sprawę, że zasadę względności można rozszerzyć na pola grawitacyjne.

W konsekwencji w 1907 roku napisał artykuł (opublikowany w 1908 roku) na temat przyspieszenia w warunkach szczególnej względności.W artykule tym dowodził, że swobodne spadanie jest tak naprawdę ruchem inercyjnym, i że dla obserwatora swobodnie spadającego muszą obowiązywać zasady szczególnej względności. Argument ten nazywany jest zasadą równoważności. W tym samym artykule Einstein przewidział również zjawisko grawitacyjnej dylatacji czasu.

W 1911 roku Einstein opublikował kolejny artykuł, rozwijający artykuł z 1907 roku.Rozważał w nim przypadek jednostajnie przyspieszonego pudełka nie znajdującego się w polu grawitacyjnym i zauważył, że byłoby ono nieodróżnialne od pudełka siedzącego nieruchomo w niezmiennym polu grawitacyjnym. Wykorzystał szczególną względność, aby zobaczyć, że tempo zegarów na górze pudełka przyspieszającego do góry będzie szybsze niż tempo zegarów na dole. On wnioskuje, że stawki zegarów zależy od ich pozycji w polu grawitacyjnym, i że różnica w tempie jest proporcjonalna do potencjału grawitacyjnego do first approximation.

Also odchylenie światła przez masywne ciała został przewidziany. Chociaż przybliżenie było surowe, pozwoliło mu obliczyć, że ugięcie jest niezerowe. Niemiecki astronom Erwin Finlay-Freundlich nagłośnił wyzwanie Einsteina naukowcom z całego świata. To skłoniło astronomów do wykrycia ugięcia światła podczas zaćmienia Słońca i dało Einsteinowi pewność, że skalarna teoria grawitacji zaproponowana przez Gunnara Nordströma jest błędna. Jednak rzeczywista wartość odchylenia, którą obliczył, była dwukrotnie za mała, ponieważ przybliżenie, którego użył, nie działa dobrze dla rzeczy poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. When Einstein finished the full theory of general relativity, he would rectify this error and predict the correct amount of light deflection by the sun.

Another of Einstein’s notable thought experiments about the nature of the gravitational field is that of the rotating disk (a variant of the Ehrenfest paradox). Wyobraził on sobie obserwatora przeprowadzającego eksperymenty na obracającym się talerzu. Zauważył, że taki obserwator znalazłby inną wartość stałej matematycznej π niż ta przewidywana przez geometrię euklidesową. Powodem jest to, że promień okręgu byłby mierzony za pomocą niezaciągniętej linijki, ale zgodnie ze szczególną względnością obwód wydawałby się dłuższy, ponieważ linijka byłaby zaciągnięta. Ponieważ Einstein wierzył, że prawa fizyki są lokalne, opisywane przez lokalne pola, wywnioskował z tego, że czasoprzestrzeń może być lokalnie zakrzywiona. Doprowadziło go to do studiowania geometrii Riemanniana i sformułowania ogólnej teorii względności w tym języku.

Rozwój ogólnej teorii względnościEdit

W 1912 roku Einstein powrócił do Szwajcarii, aby przyjąć profesurę w swojej alma mater, ETH Zurich. Po powrocie do Zurychu natychmiast odwiedził swojego dawnego kolegę z ETH, Marcela Grossmanna, obecnie profesora matematyki, który zapoznał go z geometrią Riemanniana i, bardziej ogólnie, z geometrią różniczkową. Za namową włoskiego matematyka Tullio Levi-Civity Einstein zaczął badać przydatność ogólnej kowariancji (w zasadzie użycia tensorów) dla swojej teorii grawitacji. Przez pewien czas Einstein sądził, że z tym podejściem wiążą się problemy, ale później powrócił do niego i pod koniec 1915 r. opublikował swoją ogólną teorię względności w formie, w jakiej jest ona używana dzisiaj. Teoria ta wyjaśnia grawitację jako zniekształcenie struktury czasoprzestrzeni przez materię, wpływającą na ruch bezwładny innej materii.

Podczas I wojny światowej prace naukowców z mocarstw centralnych były dostępne tylko dla naukowców z mocarstw centralnych, ze względów bezpieczeństwa narodowego. Niektóre z prac Einsteina dotarły do Wielkiej Brytanii i Stanów Zjednoczonych dzięki wysiłkom Austriaka Paula Ehrenfesta i fizyków w Holandii, zwłaszcza laureata Nagrody Nobla z 1902 roku Hendrika Lorentza i Willema de Sittera z Uniwersytetu w Lejdzie. Po zakończeniu wojny Einstein utrzymał swoje związki z Uniwersytetem w Lejdzie, przyjmując kontrakt jako profesor nadzwyczajny; przez dziesięć lat, od 1920 do 1930 roku, regularnie podróżował do Holandii, aby wykładać.

W 1917 roku kilku astronomów przyjęło wyzwanie Einsteina z Pragi z 1911 roku. Obserwatorium Mount Wilson w Kalifornii, USA, opublikowało analizę spektroskopową Słońca, która wykazała brak grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni. W 1918, the Lick Obserwatorium, także w Kalifornia, ogłaszać że ono zbyt obalać Einstein’s przepowiednia, chociaż swój wynik publikować.

Jednakże, w Maj 1919, zespół prowadzić the Brytyjski astronom Arthur Stanley Eddington twierdzić Einstein przepowiednia grawitacyjny ugięcie światło gwiazdowe the słońce podczas fotografowanie słoneczny zaćmienie z podwójny ekspedycja w Sobral, północny Brazylia, i Príncipe, zachodni Afrykański wyspa. Nobel laureat Max Born chwalił ogólnej względności jako „największy wyczyn ludzkiego myślenia o naturze”; kolega laureat Paul Dirac był cytowany mówiąc, że to „prawdopodobnie największe odkrycie naukowe kiedykolwiek made”.

Były twierdzenia, że kontrola konkretnych zdjęć wykonanych na ekspedycji Eddington pokazał niepewności eksperymentalnej być porównywalne do tej samej wielkości, jak efekt Eddington twierdził, że wykazane, i że 1962 brytyjska ekspedycja stwierdził, że metoda była z natury niewiarygodne. Odchylenie światła podczas zaćmienia Słońca zostało potwierdzone przez późniejsze, dokładniejsze obserwacje. Niektórzy niechętnie patrzyli na sławę nowicjusza, zwłaszcza wśród nacjonalistycznych fizyków niemieckich, którzy później założyli ruch Deutsche Physik (Fizyka Niemiecka).

Kowariancja ogólna i argument z dziuryEdit

Do roku 1912 Einstein aktywnie poszukiwał teorii, w której grawitacja byłaby wyjaśniona jako zjawisko geometryczne. Za namową Tullio Levi-Civity Einstein rozpoczął badania nad wykorzystaniem ogólnej kowariancji (która zasadniczo polega na wykorzystaniu tensorów krzywizny) do stworzenia teorii grawitacji. Jednak w 1913 roku Einstein porzucił to podejście, argumentując, że jest ono niespójne w oparciu o „argument z dziury”. W 1914 i przez większą część 1915 roku Einstein próbował stworzyć równania pola oparte na innym podejściu. Gdy udowodniono, że to podejście jest niespójne, Einstein powrócił do koncepcji ogólnej kowariancji i odkrył, że argument z dziury był błędny.

Rozwój równań pola EinsteinaEdit

Gdy Einstein zdał sobie sprawę, że kowariancja ogólna jest do utrzymania, szybko ukończył prace nad równaniami pola, które nazwano jego imieniem. Popełnił jednak słynny już błąd. Równania pola, które opublikował w październiku 1915 r., były następujące:

R μ ν = T μ ν {{displaystyle R_{mu }=T_{mu }},}

,

gdzie R μ ν {{displaystyle R_{mu }}

jest tensorem Ricciego, a T μ ν {displaystyle T_{mu }}

to tensor energii-momentu. Przewidywało to nienewtonowską precesję peryhelium Merkurego, co bardzo podnieciło Einsteina. Jednak wkrótce zdano sobie sprawę, że nie są one zgodne z lokalnym zachowaniem energii-momentu, chyba że wszechświat miałby stałą gęstość masy-energii-momentu. Innymi słowy, powietrze, skała, a nawet próżnia powinny mieć taką samą gęstość. Ta niezgodność z obserwacjami odesłała Einsteina z powrotem do deski kreślarskiej i 25 listopada 1915 r. Einstein przedstawił Pruskiej Akademii Nauk uaktualnione równania pola Einsteina: R μ ν – 1 2 R g μ ν = T μ ν {{displaystyle R_{ μ ν }-{1 ν 2}Rg_{ μ ν }=T_{ μ ν }}

,

gdzie R {{displaystyle R}

jest skalarem Ricciego, a g μ ν {displaystyle g_{{mu \nu }}

to tensor metryczny. Wraz z opublikowaniem równań pola, problemem stało się ich rozwiązanie dla różnych przypadków i interpretacja rozwiązań. Od tego czasu to i weryfikacja doświadczalna zdominowały badania nad ogólną teorią względności.

Einstein i HilbertEdit

Ale chociaż Einsteinowi przypisuje się znalezienie równań pola, niemiecki matematyk David Hilbert opublikował je w artykule poprzedzającym artykuł Einsteina. Spowodowało to oskarżenia o plagiat pod adresem Einsteina, choć nie Hilberta, oraz twierdzenia, że równania pola powinny być nazywane „równaniami pola Einsteina-Hilberta”. Hilbert nie wysuwał jednak roszczeń o pierwszeństwo, a niektórzy twierdzą, że Einstein przedstawił poprawne równania, zanim Hilbert zmienił swoją pracę, by je uwzględnić. Sugeruje to, że Einstein opracował poprawne równania pola jako pierwszy, choć Hilbert mógł do nich dojść później niezależnie (lub nawet dowiedzieć się o nich później dzięki korespondencji z Einsteinem). Jednak inni skrytykowali te twierdzenia.

Sir Arthur EddingtonEdit

W pierwszych latach po opublikowaniu teorii Einsteina Sir Arthur Eddington użyczył swojego znacznego prestiżu w brytyjskim establishmencie naukowym, starając się wesprzeć pracę tego niemieckiego naukowca. Ponieważ teoria ta była tak skomplikowana i zawiła (nawet dziś jest popularnie uważana za szczyt myśli naukowej; we wczesnych latach jeszcze bardziej), krążyły pogłoski, że tylko trzy osoby na świecie ją rozumieją. Wiąże się z tym pewna pouczająca, choć zapewne apokryficzna anegdota. Jak opowiadał Ludwik Silberstein, podczas jednego z wykładów Eddingtona zapytał on „Profesorze Eddington, musi pan być jedną z trzech osób na świecie, które rozumieją ogólną teorię względności”. Eddington przerwał, nie mogąc odpowiedzieć. Silberstein kontynuował „Nie bądź skromny, Eddington!”. W końcu Eddington odpowiedział „Wręcz przeciwnie, próbuję pomyśleć, kim jest ta trzecia osoba”

.