Teoria względności, czyli na czym polegał geniusz Einsteina

W tym artykule:

1. Stała prędkość światła
2. Szczególna teoria względności
3. Ogólna teoria względności

Wielkim atutem Einsteina była wyobraźnia, którą cechowała dziecięca fantazja nieograniczona schematami, jakie narzuca nam realistyczna dojrzałość. Nie wystarczał mu opis funkcjonowania świata, jaki dawała ówczesna fizyka. Pytał „dlaczego?” i tak długo szukał odpowiedzi, aż w jego umyśle powstał model tłumaczący prawa przyrody. Tak stworzył teorię względności – hipotezę naukową, której nie da się pojąć bez uwolnienia swojej wyobraźni.

Czy podróże w czasie są możliwe? I tak i nie

Kwestia podróży w czasie od dawna zajmuje wielu naukowców. Nie brakuje głosów, jakoby takie doświadczenia już były możliwe, choć w innej formie niż się spodziewamy.

Stała prędkość światła

Możliwe, że pierwszą inspiracją dla uczonego był pociąg wjeżdżający na stację w Zurychu, gdzie Albert Einstein wówczas mieszkał i pracował. Gdy ruszamy powoli ze stacji kolejowej, patrząc przez okno widzimy odjeżdżający peron. Dorosły człowiek od razu uzna że to pociąg, a nie peron jest w ruchu. Einstein zadawał sobie jednak pytanie: a właściwie skąd to wiemy?

Odpowiedzią jest Ziemia. To ją uznajemy za nieruchomą, a więc przypisujemy przedmiotom prędkość względem niej. Ale gdyby Ziemi nie było? W jaki sposób stwierdzilibyśmy, czy to nasz statek kosmiczny jest w ruchu, czy też stacja kosmiczna się od nas oddala? Pierwsze, co przychodzi na myśl, to prawa fizyki. Może są jakieś zasady, które biorą pod uwagę prędkość i w ten sposób z przebiegu zjawisk dowiemy się, czy stoimy, czy też poruszamy się?

Najlepszym kandydatem są pola magnetyczne i elektryczne. W szkole uczyliśmy się, że tak naprawdę stanowią one jedno oddziaływanie – elektromagnetyzm. Z prac holenderskiego fizyka Hendrika Lorentza wynika, że światło, które w istocie jest zmiennym polem elektromagnetycznym, musiałoby zawsze biec z tą samą prędkością, niezależnie od naszego ruchu.

Jak to sprawdzić? Skoro wiemy, że Ziemia porusza się (i to dość szybko) wokół Słońca i wokół własnej osi, to jeśli prędkość światła zależy od ruchu, promień światła biegnący z zachodu na wschód – a więc zgodnie z kierunkiem ruchu Ziemi – powinien tę samą drogę przebyć w innym czasie niż drugi biegnący z północy na południe. Doświadczenie takie przeprowadzili amerykańscy naukowcy Albert A. Michelson i Edward Morley. I okazało się, że prędkość światła naprawdę nie zależy od kierunku jego biegu.

Einstein – znając wyniki prac Lorentza, Michelsona i Morleya, a także wielu innych ówczesnych fizyków – doszedł do wniosku, że w takim razie w ogóle nie da się odróżnić układów w ruchu od nieruchomych.

Szczególna teoria względności

Ruch istnieje tylko w kontekście dwóch obserwatorów porównujących swoje układy, zawsze jest wzajemny i nie ma sensu definiować układów w spoczynku. Wszystkie poprawne teorie fizyczne muszą więc być niezależne od prędkości i położenia, a także czasu. Gdyby było inaczej, możliwe byłoby odróżnienie układów ruchomych i nieruchomych.

Jak pogodzić z tym stałą prędkość światła? Przecież oznacza to, że gdyby kosmiczna „latarnia morska” wysłała sygnał świetlny, a my wsiedlibyśmy w rakietę lecącą z prędkością bliską prędkości światła i gonili ten sygnał, to i tak oddalałby się on tak samo szybko zarówno od nas, jak i od latarni. Jest to sprzeczne z naszą intuicją, ale nie z wyobraźnią dziecka.

Skoro tak się dzieje, to albo odległość między nami a promieniem ulega rozciągnięciu, albo czas biegnie dla nas wolniej. Stopień rozciągnięcia przestrzeni lub zwolnienia czasu jest proporcjonalny do prędkości względnej. W przypadku pogoni za światłem przestrzeń rozciągnie się w nieskończoność, a czas stanie w miejscu.

Dochodzimy do punktu, gdzie wyobraźnia może nam nie wystarczyć. Co to znaczy, że czas stanie w miejscu? Zastygniemy w jednej pozycji? Otóż nie, będziemy żyli normalnie w naszym układzie odniesienia – z tym że poczujemy się jak bogowie istniejący poza czasem pozostałej części wszechświata. Ponieważ jednak ruch jest czymś względnym i wzajemnym, to samo możemy powiedzieć o świecie zewnętrznym względem nas. Czym więc będzie jednoczesność? Jak pogodzić z tym zasadę przyczyny i skutku?

Wszystkie wnioski z teorii względności do dziś nie zostały jeszcze zrozumiane. Einstein podał dwa najważniejsze. Po pierwsze prędkości światła nie da się osiągnąć. Energia potrzebna na zwiększenie prędkości rośnie odwrotnie proporcjonalnie do różnicy między nią a prędkością światła. Przedmiot poruszający się z prędkością światła miałby nieskończoną energię. Ale skoro ruch jest względny, to czym jest ta energia? Jak pamiętamy ze szkoły, energia ruchu jest proporcjonalna do prędkości i masy. Einstein stwierdził więc, że musi ona być masą. Stąd wyprowadził swoje najsłynniejsze równanie. E=mc^2 – masa jest spoczynkową formą energii.

Drugim wnioskiem ze stałości prędkości światła jest konieczność włączenia czasu jako czwartego wymiaru do znanej nam trójwymiarowej przestrzeni opisanej już w starożytności przez Euklidesa. Dopiero utworzona w ten sposób czasoprzestrzeń, zdefiniowana po raz pierwszy przez niemieckiego matematyka Hermana Minkowskiego, będzie poprawnie opisywała fizykę. Punkt czasoprzestrzeni to konkretne miejsce przestrzeni w określonej chwili czasu. Odcinek czasoprzestrzeni łączący dwa jej punkty to odległość miedzy dwoma zdarzeniami.

Należy zauważyć, że może ona być przestrzenna (np. Kraków–Warszawa), czasowa (np. 2010–2016 r.), ale także czasoprzestrzenna. Każda z tych form znaczy to samo. Okazuje się ponadto, że postulat prędkości światła jako wartości maksymalnej powoduje, że czasoprzestrzeń dla każdego obserwatora podzielona jest na część, którą może poznać, i część, która nie jest mu dostępna.

Szczęśliwego dnia liczby pi! Co łączy ją, Stephena Hawkinga i Alberta Einsteina?

14 marca to wyjątkowa data. Kojarzy się z niezwykłą liczbą pi, a także z dwoma wybitnymi naukowcami.

Ogólna teoria względności

Wniosek Einsteina o równoważności masy i energii nie dawał mu spokoju. Masa to nie tylko miara ilości siły, jaką trzeba włożyć, aby rozpędzić jakiś przedmiot, a więc jego stopień bezwładności. To także źródło siły grawitacyjnej. Te definicje dotyczą przecież całkiem innych zjawisk. Czy mogą zawierać tę samą wielkość fizyczną? Takie „przypadki” w naturze się nie zdarzają.

Odpowiedni eksperyment przeprowadził węgierski geofizyk Loránd Eötvös, używając wahadła skrętnego. Okazało się, że masa bezwładna i grawitacyjna są idealnie równe. Dla Einsteina był to dowód, że – podobnie jak pole elektryczne i magnetyczne – grawitacja i siła bezwładności muszą wynikać z tego samego modelu. Poddani działaniu siły zmieniamy wartość lub kierunek swojej prędkości, co w fizyce nazywane jest przyspieszeniem. Przyspieszenie to zmiana prędkości, a ta jest przecież zawsze względna. Skoro sam ruch jest względny, to przyspieszenie też musi być względne.

Skoro energia ruchu w innym układzie odniesienia zamieniała się w masę, to przyspieszenie z innego punktu widzenia musi być grawitacją. Odwołajmy się do przykładu. Jadąc autobusem po ciasnym łuku w prawo odczuwamy siłę wyrzucającą nas na zewnątrz zakrętu. Zgodnie z koncepcją Einsteina jest to równoznaczne z pojawieniem się za lewym oknem autobusu masy, która będzie nas przyciągać.

Podobnie balonik napełniony helem, który normalnie unosi się do góry, w czasie skrętu autobusu poleci w przeciwną stronę niż my. Einstein, wiedziony wyobraźnią, uogólnił więc swoją wcześniejszą tezę. Stwierdził, że wszystkie zjawiska fizyczne zachodzą tak samo, niezależnie od względnej prędkości i przyspieszenia układów odniesienia.

Należało jeszcze tylko stworzyć model, czyli prawa fizyki w ten sposób, aby te zjawiska opisywały. Einstein zainspirowany przykładem Ziemi – zakrzywionej powierzchni, na której żyjemy i dokonujemy pomiarów – wiedział, że powierzchnia płaska to nie jedyna możliwość dopuszczana przez geometrię. Jeśli czterowymiarowa czasoprzestrzeń nie byłaby płaszczyzną, to trajektorie przedmiotów pozbawionych jakiejkolwiek ingerencji zewnętrznej, a więc zgodnie z klasycznymi prawami fizyki poruszających się po prostych, musiałyby się zakrzywiać.

W jednych układach można by to wytłumaczyć grawitacją, w innych – bezwładnością, w modelu zaś po prostu krzywizną przestrzeni. Dwa pociągi jadące po sąsiednich, równoległych torach – a także po tym samym torze, lecz w stałym odstępie czasu – mogłyby się zderzyć.

Pojęcie równoległości i prostej musiało zostać zrozumiane na nowo, podobnie jak koncepcja czasu. Skoro przestrzeń jest zakrzywiona, to światło powinno się także uginać na takich krzywiznach. Skoro krzywizna ma wywoływać skutki takie jak grawitacja, to każda masa powinna stwarzać nieregularności czasoprzestrzeni, a więc np. wpływać na upływ czasu.

Wiele z tych wniosków zostało potwierdzonych doświadczalnie, np. nieregularność upływu czasu w najbliższym i najdalszym punkcie orbity Merkurego, skutkująca jej powolnymi zmianami, czy też możliwość zobaczenia gwiazd schowanych za innymi masywnymi ciałami kosmicznymi. Wiele innych wciąż czeka na potwierdzenie.

Na razie jednak teorie sformułowane przez Einsteina przed stuleciem, w tym teoria względności, przetrwały wszystkie próby i zostały potwierdzone z ogromną dokładnością. I pomyśleć, że to wszystko mogło się zacząć od jednego szwajcarskiego pociągu.

Czytaj więcej o Albercie Einsteinie:

Albert Einstein: 15 rzeczy, których nie wiedzieliście o tym wybitnym fizyku

Znamy go jako twórcę ogólnej teorii względności. Tymczasem Albert Einstein prowadził fascynujące życie. Oto 15 mniej znanych faktów z życia genialnego naukowca.

Czy zapomniana teoria Einsteina pomoże rozwiązać największe zagadki fizyki?

Mało kto wie, ale Einstein pracował też nad nieco innym matematycznym opisem kosmosu. Chciał opisać, jak masa nie zakrzywia czasoprzestrzeni, lecz ją skręca.

Zaginiony list Einsteina ujawnia, że przewidział odkrycie zwierzęcych superzmysłów

Dziesiątki lat przed tym, jak dowiedzieliśmy się, że ptaki mogą "widzieć" pole magnetyczne Ziemi, Albert Einstein dyskutował o możliwości istnienia nieodkrytych zmysłów u zwierząt w swo...