Jürgen Ehlers (ur. 29 grudnia 1929 w Hamburgu, zm. 20 maja 2008 w Poczdamie) – niemiecki fizyk teoretyczny, specjalizujący się w ogólnej teorii względności sformułowanej przez Alberta Einsteina oraz w fizyce matematycznej. Studiował i prowadził badania na Uniwersytecie Hamburskim, w kierowanej przez Pascuala Jordana grupie zajmującej się teorią względności. Był tam kolejno wykładowcą, a później profesorem, po czym objął funkcję dyrektora w Monachium. W 1995 roku został pierwszym dyrektorem nowo utworzonego w Poczdamie.
Badania Ehlersa koncentrowały się na podstawach ogólnej teorii względności oraz na jej zastosowaniach w astrofizyce. Opracował on użyteczną klasyfikację równań pola Einsteina oraz udowodnił , które uzasadnia stosowanie prostych, ogólnorelatywistycznych modeli Wszechświata we współczesnej kosmologii. Opracował w pełni czasoprzestrzenny opis soczewkowania grawitacyjnego oraz wyjaśnił związek między modelami formułowanymi w ramach ogólnej teorii względności a modelami grawitacji Newtona. Ehlers żywo interesował się również historią i filozofią fizyki oraz był aktywnym popularyzatorem nauki.
Życiorys
Młodość i wykształcenie Jürgen Ehlers urodził się w Hamburgu 29 grudnia 1929 roku. W latach 1936–1949 uczęszczał do szkół publicznych, po czym w latach 1949–1955 studiował fizykę, matematykę i filozofię na Uniwersytecie Hamburskim. W semestrze zimowym 1955–1956 zdał egzamin państwowy uprawniający do nauczania w szkole średniej (), nie został jednak nauczycielem, lecz podjął pracę badawczą pod kierunkiem Pascuala Jordana, który był jego promotorem. Praca doktorska Ehlersa dotyczyła konstrukcji i charakteryzacji rozwiązań równań pola Einsteina. Stopień doktora fizyki uzyskał na Uniwersytecie Hamburskim w 1958 roku.
Przed przybyciem Ehlersa grupa Jordana zajmowała się głównie skalarno-tensorową modyfikacją ogólnej teorii względności, znaną później jako . Teoria ta różni się od ogólnej teorii względności tym, że stała grawitacji zostaje w niej zastąpiona zmiennym polem. Ehlers odegrał kluczową rolę w przekierowaniu zainteresowań grupy na strukturę i interpretację oryginalnej teorii Einsteina. Do grupy należeli również , i . Grupa blisko współpracowała z Otto Heckmannem i jego uczniem w hamburskim obserwatorium astronomicznym (). Wśród gości seminarium grupy bywali Wolfgang Pauli, i .
W 1961 roku, jako asystent Jordana, Ehlers uzyskał habilitację, która otworzyła mu drogę do profesury w Niemczech. Następnie zajmował stanowiska dydaktyczne i badawcze w Niemczech oraz w Stanach Zjednoczonych: na Uniwersytecie w Kilonii, na Uniwersytecie Syracuse oraz na Uniwersytecie Hamburskim. W latach 1964–1965 pracował w Graduate Research Center of the Southwest w Dallas. W latach 1965–1971 zajmował różne stanowiska w grupie na Uniwersytecie Teksańskim w Austin, początkowo jako profesor nadzwyczajny, a od 1967 roku jako profesor zwyczajny. W tym czasie był również profesorem wizytującym na uniwersytetach w Würzburgu i Bonn.
Monachium W 1970 roku Ehlers otrzymał propozycję objęcia stanowiska dyrektora działu teorii grawitacji w w Monachium. Kandydaturę Ehlersa zgłosił Ludwig Biermann, ówczesny dyrektor instytutu. Gdy Ehlers dołączył do instytutu w 1971 roku, został zarazem profesorem honorowym na Uniwersytecie Ludwika i Maksymiliana w Monachium. W marcu 1991 roku instytut podzielił się na oraz , w którym pozostał dział Ehlersa. Przez 24 lata jego kierownictwa w grupie badawczej Ehlersa pracowali między innymi , John Stewart i Bernd Schmidt, a także naukowcy wizytujący, w tym , Demetrios Christodoulou i .
Jednym z młodszych współpracowników Ehlersa w Monachium ze stopniem doktora był , który później został redaktorem naczelnym czasopisma , niemieckiej edycji popularnonaukowego pisma Scientific American.
Poczdam Gdy po zjednoczeniu Niemiec w 1990 roku reorganizowano niemieckie instytucje naukowe, Ehlers zabiegał o utworzenie placówki Towarzystwa Maxa Plancka poświęconej badaniom nad teorią grawitacji. 9 czerwca 1994 roku Towarzystwo postanowiło powołać w Poczdamie. Instytut rozpoczął działalność 1 kwietnia 1995 roku, a Ehlers został jego dyrektorem założycielem oraz kierownikiem działu podstaw i matematyki ogólnej teorii względności. Ehlers nadzorował następnie utworzenie drugiego działu badawczego instytutu, poświęconego badaniom nad falami grawitacyjnymi i kierowanego przez . 31 grudnia 1998 roku Ehlers przeszedł na emeryturę, zostając honorowym dyrektorem założycielem.
Ehlers pracował w instytucie aż do śmierci 20 maja 2008 roku. Mieszkał w Starnbergu. Pozostawił żonę Anitę Ehlers, czworo dzieci – Martina, Kathrin, Davida i Maksa – oraz pięcioro wnuków.
Działalność naukowa Badania Ehlersa należały do dziedziny ogólnej teorii względności. Wniósł on w szczególności wkład w kosmologię, teorię soczewek grawitacyjnych oraz teorię fal grawitacyjnych. Jego głównym celem było wyjaśnienie struktury matematycznej ogólnej teorii względności i jej konsekwencji, z oddzieleniem ścisłych dowodów od heurystycznych hipotez (czyli opartych na prawdopodobnych, lecz niedowiedzionych domysłach).
Rozwiązania dokładne W swojej pracy doktorskiej Ehlers zwrócił się ku zagadnieniu, które miało ukształtować jego całą późniejszą działalność badawczą. Poszukiwał rozwiązań dokładnych równań Einsteina: modeli Wszechświata zgodnych z prawami ogólnej teorii względności, lecz na tyle prostych, by dopuszczały jawny opis za pomocą podstawowych wyrażeń matematycznych. Takie rozwiązania dokładne odgrywają kluczową rolę przy budowie ogólnorelatywistycznych modeli sytuacji fizycznych. Ogólna teoria względności jest jednak teorią w pełni – jej prawa są takie same niezależnie od wyboru współrzędnych użytych do opisu danej sytuacji. Bezpośrednią konsekwencją tego jest fakt, że dwa pozornie różne rozwiązania dokładne mogą odpowiadać temu samemu modelowi Wszechświata i różnić się jedynie współrzędnymi. Ehlers zaczął więc poszukiwać użytecznych sposobów charakteryzowania rozwiązań dokładnych w sposób niezmienniczy, czyli niezależny od wyboru współrzędnych. W tym celu badał wewnętrzne, geometryczne własności znanych rozwiązań dokładnych.
W latach 60. XX wieku, nawiązując do swojej pracy doktorskiej, Ehlers opublikował serię artykułów – wszystkie poza jednym napisane wspólnie ze współpracownikami z grupy hamburskiej – która później zyskała miano „hamburskiej Biblii”. Pierwszy z nich, napisany z Jordanem i Kundtem, jest rozprawą o systematycznym sposobie charakteryzowania rozwiązań dokładnych równań pola Einsteina. Przedstawiona w niej analiza wykorzystuje narzędzia geometrii różniczkowej, takie jak (czyli tych części tensora Riemanna opisujących krzywiznę czasoprzestrzeni, których nie ograniczają równania Einsteina), grupy izometrii oraz przekształcenia konforemne. Praca ta zawiera także pierwszą definicję i klasyfikację , czyli klasy prostych fal grawitacyjnych.
Kolejne artykuły z serii były rozprawami o promieniowaniu grawitacyjnym. Praca Jordana, Ehlersa i Sachsa dotyczyła między innymi o szczególnych własnościach algebraicznych, z wykorzystaniem dwuskładnikowego formalizmu spinorowego. Zawierała również systematyczny wykład geometrycznych własności wiązek (w terminologii matematycznej: kongruencji) promieni świetlnych. Geometria czasoprzestrzeni może wpływać na propagację światła, sprawiając, że promienie zbiegają się lub rozbiegają, albo zniekształcając przekrój wiązki bez zmiany jego pola. Praca formalizuje te możliwe zmiany wiązki w kategoriach jej ekspansji (zbieganie/rozbieganie) oraz skręcenia i ścinania (deformacji zachowującej pole przekroju), wiążąc te własności z geometrią czasoprzestrzeni. Jednym z jej rezultatów jest twierdzenie Ehlersa-Sachsa, opisujące własności cienia rzucanego przez wąską wiązkę światła napotykającą nieprzezroczysty obiekt. Narzędzia opracowane w tej pracy okazały się później niezbędne dla odkrycia przez Roya Kerra rozwiązania Kerra, opisującego wirującą czarną dziurę – jednego z najważniejszych rozwiązań dokładnych.
Ostatnia z prac tej serii dotyczyła ogólnorelatywistycznego ujęcia mechaniki ośrodków ciągłych. Jakkolwiek użyteczne bywa pojęcie masy punktowej w fizyce klasycznej, w ogólnej teorii względności taka wyidealizowana koncentracja masy w jednym punkcie przestrzeni nie jest nawet poprawnie określona. Dlatego relatywistyczna hydrodynamika, czyli badanie ośrodków ciągłych, stanowi istotny element budowy modeli w ogólnej teorii względności. Praca systematycznie opisuje podstawowe pojęcia i modele. Przy okazji wydania angielskiego przekładu, 32 lata po pierwotnej publikacji, redaktor czasopisma nazwał ją „jednym z najlepszych przeglądów w tej dziedzinie”.
Inna część prowadzonych w rozprawie doktorskiej badań Ehlersa nad rozwiązaniami dokładnymi doprowadziła do wyniku, który okazał się ważny dopiero później. Gdy rozpoczynał on prace nad doktoratem, nie nastał jeszcze tak zwany złoty wiek ogólnej teorii względności, a podstawowe własności i pojęcia dotyczące czarnych dziur nie były jeszcze rozumiane. W pracy doktorskiej Ehlers udowodnił istotne własności powierzchni otaczającej czarną dziurę, później zidentyfikowanej jako jej horyzont. Wykazał w szczególności, że pole grawitacyjne w jej wnętrzu nie może być statyczne, lecz musi zmieniać się w czasie. Najprostszym tego przykładem jest „most Einsteina-Rosena”, czyli tunel czasoprzestrzenny Schwarzschilda, będący częścią rozwiązania Schwarzschilda opisującego wyidealizowaną, sferycznie symetryczną czarną dziurę. Wnętrze horyzontu mieści w nim mostopodobne połączenie, które zmienia się w czasie, zapadając się na tyle szybko, by uniemożliwić jakiemukolwiek podróżnikowi przebycie tunelu.
Grupa Ehlersa W fizyce dualność oznacza, że istnieją dwa równoważne opisy danej sytuacji fizycznej, posługujące się odmiennymi pojęciami fizycznymi. Jest to szczególny przypadek symetrii fizycznej, czyli zmiany, która zachowuje kluczowe cechy układu fizycznego. Prostym przykładem dualności jest ta między polem elektrycznym E a polem magnetycznym B w elektrodynamice: przy całkowitym braku ładunków elektrycznych podstawienie E –B, B E pozostawia równania Maxwella niezmienionymi. Ilekroć dana para wyrażeń na B i E spełnia prawa elektrodynamiki, zamiana tych dwóch wyrażeń miejscami i dodanie znaku minus do nowego B również daje rozwiązanie poprawne.
W swojej pracy doktorskiej Ehlers wskazał na symetrię dualną między różnymi składowymi metryki stacjonarnej, próżniowej czasoprzestrzeni, która odwzorowuje rozwiązania równań pola Einsteina na inne rozwiązania. Symetria ta, łącząca składową tt metryki (opisującą czas mierzony przez zegary o niezmiennych współrzędnych przestrzennych) z wielkością zwaną potencjałem skręcenia, jest analogiczna do wspomnianej wyżej dualności między E a B.
Odkryta przez Ehlersa dualność została później rozszerzona do większej symetrii odpowiadającej specjalnej grupie liniowej Tę większą grupę symetrii nazwano od jego nazwiska . Jej odkrycie doprowadziło do dalszych uogólnień, w szczególności do nieskończenie wymiarowej (grupa Gerocha jest generowana przez dwie nieprzemienne podgrupy, z których jedną jest grupa Ehlersa). Te tak zwane symetrie ukryte odgrywają ważną rolę w redukcji Kaluzy-Kleina zarówno ogólnej teorii względności, jak i jej uogólnień, takich jak jedenastowymiarowa supergrawitacja. Inne zastosowania obejmują wykorzystanie tych symetrii jako narzędzia do odkrywania wcześniej nieznanych rozwiązań oraz ich rolę w dowodzie, że rozwiązania w stacjonarnym, osiowo symetrycznym przypadku tworzą .
Kosmologia: twierdzenie Ehlersa-Gerena-Sachsa thumb|Niejednorodności temperatury mikrofalowego promieniowania tła zarejestrowane na tym obrazie z sondy WMAP nie przekraczają 10−4 kelwina