सापेक्षतेचा सिद्धांत

सापेक्षतेचा सिद्धांत हा अल्बर्ट आइनस्टाइन यांनी मांडलेला भौतिकशास्त्रातील मूलभूत सिद्धांत आहे. या सिद्धांताचे दोन भाग आहेत — १९०५ मध्ये मांडलेली विशेष सापेक्षता आणि १९१५ मध्ये मांडलेली सामान्य सापेक्षता. विशेष सापेक्षता वेळ, लांबी आणि वस्तुमान या गोष्टी निरीक्षकाच्या गतीनुसार बदलतात हे दाखवते. सामान्य सापेक्षता गुरुत्वाकर्षणाचे स्पष्टीकरण अवकाश-काळाच्या वक्रतेच्या आधारे देते. या सिद्धांताने न्यूटनच्या यांत्रिकीची जागा केवळ अत्यंत वेगवान व अत्यंत मोठ्या प्रमाणावरील परिस्थितीत घेतली; दैनंदिन जीवनातील गणितांसाठी न्यूटनचे नियम आजही उपयुक्त आहेत. सापेक्षतेचा सिद्धांत हा आधुनिक भौतिकशास्त्राचा आधारस्तंभ मानला जातो.

माहिती

आइनस्टाइन यांच्या सिद्धांताचा प्रारंभ बिंदू दोन गृहितकांवर आहे. पहिले असे की भौतिकशास्त्राचे नियम सर्व जडत्वीय निरीक्षकांसाठी एकसारखे असतात. दुसरे असे की निर्वातातील प्रकाशाचा वेग सर्व निरीक्षकांसाठी समान असतो, त्या निरीक्षकाची गती कोणतीही असो. हे दुसरे गृहितक नेहमीच्या अनुभवाशी विसंगत वाटते, परंतु प्रयोगांनी ते वारंवार सिद्ध केले आहे.

या गृहितकांवरून असे निष्पन्न होते की वेळ ही सर्वांसाठी एकसारखी वाहणारी गोष्ट नाही. वेगाने जाणाऱ्या वस्तूचा घड्याळाचा वेग संथ होतो. या घटनेला कालविस्तार असे म्हणतात. त्याचप्रमाणे गतिमान वस्तूची लांबी गतीच्या दिशेने कमी मोजली जाते आणि तिचे वस्तुमान वाढलेले आढळते.

विशेष सापेक्षता

१९०५ मध्ये प्रकाशित झालेल्या विशेष सापेक्षतेमध्ये आइनस्टाइन यांनी वेळ व अवकाश एकमेकांशी जोडलेले असल्याचे दाखवले. त्यांनी असे सुचवले की अवकाश आणि वेळ मिळून एकच चार-मितीय रचना तयार होते, जिला अवकाश-काळ असे म्हणतात.

या सिद्धांतातील सर्वात प्रसिद्ध निष्कर्ष म्हणजे वस्तुमान आणि ऊर्जा यांचे समीकरण. त्यानुसार वस्तुमान ऊर्जेत रूपांतरित होऊ शकते आणि उलटही. या समीकरणामुळेच सूर्यासारख्या ताऱ्यांतील ऊर्जानिर्मिती आणि केंद्रकीय अभिक्रियांतील ऊर्जा समजावून सांगता आली.

सामान्य सापेक्षता

१९१५ मध्ये आइनस्टाइन यांनी सामान्य सापेक्षता मांडली. यात त्यांनी गुरुत्वाकर्षणाला बल न मानता अवकाश-काळाची वक्रता मानले. वस्तुमान असलेली वस्तू आपल्या भोवतीचा अवकाश-काळ वाकवते आणि इतर वस्तू त्या वक्र मार्गाने जातात. त्यामुळे ग्रह सूर्याभोवती फिरताना दिसतात.

या दृष्टिकोनातून अनेक नवे निष्कर्ष निघाले. प्रकाशही गुरुत्वाकर्षणामुळे वाकतो. मोठ्या वस्तुमानाजवळ वेळ हळू वाहतो. अतिशय घनदाट वस्तूंभोवती प्रकाशही बाहेर पडू शकत नाही अशा रचना तयार होऊ शकतात. गुरुत्वीय लाटा अस्तित्वात असू शकतात, असेही या सिद्धांतातून सुचले.

गुरुत्वाकर्षण

सामान्य सापेक्षतेने गुरुविषयक अनेक जुने कोडी सोडवली. बुध ग्रहाच्या कक्षेतील अतिरिक्त फिरावाचे प्रमाण शतकाला सुमारे ४३ कला इतके असते आणि न्यूटनच्या सिद्धांतातून ते समजत नव्हते. सामान्य सापेक्षतेने या फिरावाचे अचूक स्पष्टीकरण दिले.

त्याचप्रमाणे गुरुत्वाकर्षणामुळे प्रकाशाचे होणारे वक्रीभवन, गुरुत्वीय कालविस्तार आणि सूर्याजवळून जाणाऱ्या प्रकाशाचे विचलन यांचे अंदाज या सिद्धांताने दिले. हे अंदाज पुढील दशकांत प्रयोगांनी तपासले गेले.

अवकाश-काळ, कृष्णविवरे आणि विश्वशास्त्र

सापेक्षतेनुसार अवकाश आणि वेळ स्वतंत्र नाहीत; ते एकमेकांशी जोडलेले आहेत. वेगवान गतीने जाणाऱ्या वस्तूसाठी वेळ हळू वाहतो आणि तिची लांबी गतीच्या दिशेने कमी मोजली जाते. या बदल दैनंदिन वेगात अत्यंत किरकोळ असतात, परंतु प्रकाशाच्या वेगाजवळ ते लक्षणीय होतात.

गुरुत्वाकर्षणाचाही वेळेवर परिणाम होतो. मोठ्या वस्तुमानाजवळ वेळ हळू वाहतो, कारण तिथे अवकाश-काळ अधिक वाकलेला असतो. हा परिणाम प्रयोगांनी अनेक वेळा सिद्ध झाला आहे आणि उपग्रहांतील घड्याळांच्या दुरुस्तीसाठी तो विचारात घेतला जातो.

सामान्य सापेक्षतेनुसार अतिशय घनदाट वस्तुमानाभोवती अशी सीमा तयार होते जिच्यातून प्रकाशही बाहेर पडू शकत नाही. अशा रचनेला कृष्णविवर असे म्हणतात. कृष्णविवरे प्रत्यक्ष दिसत नसली, तरी त्यांच्या आसपासच्या वायूंच्या वर्तनावरून त्यांचे अस्तित्व ओळखले जाते.

सापेक्षतेच्या समीकरणांवरून विश्वाचा विस्तार होत असल्याचा निष्कर्षही निघाला. यामुळे विश्वाची सुरुवात एका अत्यंत घनदाट अवस्थेतून झाली असावी, असे मत पुढे आले आणि ते आधुनिक विश्वशास्त्राचा आधार बनले. आज कृष्णविवरांचा आणि विश्वाच्या रचनेचा अभ्यास या सिद्धांताच्या आधारेच केला जातो.

पडताळणी

१९१९ मध्ये झालेल्या सूर्यग्रहणाच्या वेळी आर्थर एडिंग्टन यांच्या नेतृत्वाखालील मोहिमांनी सूर्याजवळून जाणाऱ्या ताऱ्यांच्या स्थानातील बदल मोजला. मोजमाप सामान्य सापेक्षतेच्या अंदाजाशी जुळले आणि या घटनेने जगभर लक्ष वेधले. त्यानंतरच्या अधिक अचूक मोजमापांनीही हे निष्कर्ष पुष्ट केले.

ग्लोबल पोझिशनिंग सिस्टम हे सापेक्षतेचे दैनंदिन उदाहरण आहे. उपग्रहांवरील घड्याळे पृथ्वीवरील घड्याळांच्या तुलनेत दररोज सुमारे ३८ मायक्रोसेकंद वेगाने चालतात. या फरकाची दुरुस्ती न केल्यास स्थान मोजणीत मोठी चूक जमा होईल आणि ही व्यवस्था काही तासांतच निरुपयोगी होईल.

गुरुत्वीय लाटांचे प्रत्यक्ष निरीक्षण १४ सप्टेंबर २०१५ रोजी झाले आणि त्याची अधिकृत घोषणा ११ फेब्रुवारी २०१६ रोजी करण्यात आली; त्यामुळे सामान्य सापेक्षतेच्या आणखी एका अंदाजाची पुष्टी झाली. या शोधाला पुढे नोबेल पारितोषिक मिळाले.

दैनंदिन तंत्रज्ञानातील उपयोग

सापेक्षतेचे निष्कर्ष केवळ खगोलशास्त्रापुरते मर्यादित नाहीत. कण त्वरकांमध्ये अत्यंत वेगाने जाणाऱ्या कणांच्या वर्तनाचा अभ्यास करताना सापेक्षतेची गणिते आवश्यक असतात. या त्वरकांवर आधारित संशोधनातून वैद्यकीय निदानातील तंत्रेही विकसित झाली आहेत.

विशेष सापेक्षतेचा परिणाम वातावरणात तयार होणाऱ्या कणांवरही दिसतो. अत्यंत कमी आयुष्य असलेले कण जमिनीपर्यंत पोहोचू शकतात, कारण त्यांच्या वेगामुळे त्यांचे आयुष्य वाढलेले असते. हे निरीक्षण सिद्धांताच्या अंदाजाशी जुळते.

मर्यादा आणि पुढील संशोधन

सामान्य सापेक्षता अतिशय मोठ्या प्रमाणावर यशस्वी ठरली असली, तरी ती क्वांटम यांत्रिकीशी पूर्णपणे जुळवून घेता आलेली नाही. कृष्णविवराच्या अत्यंत आतील भागात आणि विश्वाच्या सुरुवातीच्या क्षणी या दोन्ही सिद्धांतांची एकत्रित गरज भासते.

या समस्येवर उत्तर शोधण्यासाठी अनेक सैद्धांतिक प्रयत्न सुरू आहेत. अद्याप कोणताही प्रयत्न सर्वस्वी स्वीकारलेला नाही. हा प्रश्न आधुनिक भौतिकशास्त्रातील सर्वात मोठ्या खुल्या प्रश्नांपैकी एक मानला जातो.

सापेक्षतेच्या सिद्धांतामुळे अवकाश व काळ यांविषयीची मानवी समज मूलभूतपणे बदलली. ती केवळ गणितीय कल्पना न राहता प्रयोगांनी वारंवार पडताळलेला सिद्धांत ठरली, हे त्याचे वैशिष्ट्य आहे.

संदर्भ

1. नोबेल पारितोषिक — आइनस्टाइन यांचे कार्य
2. नासा — सामान्य सापेक्षता
3. सर्न — सापेक्षता
4. एन्सायक्लोपीडिया ब्रिटानिका — सापेक्षता
5. अमेरिकी भौतिकशास्त्र संस्था

शेवटचे संपादन: ७ नोव्हेंबर २०२६