CCF20090701004

6 E, Cassirer - O teorii względności Einsteina

ne i niezmienne tło wszystkich zjawisk materialnych. Pogląd ten był zgodny z naszym codziennym doświadczeniem, w którym czas także płynie niezależnie od naszych oczekiwań i indywidualnych odczuć, a odległości w przestrzeni, na przykład na powierzchni Ziemi, są ustalone i niezmienne.

Einstein w swojej pierwszej teorii pokazał, że tak nie jest. Przyjmując jako podstawowy postulat szczególnej teorii względności twierdzenie o stałości prędkości światła w próżni c, niezależności tej wielkości od inercjalnego układu odniesienia^ w którym jest mierzona, udowodnił, że obie wielkości uważane dawniej za stałe - różnica czasowa między dwoma zdarzeniami i ich odległość w przestrzeni - zależą od układu odniesienia i są różne dla dwóch obserwatorów poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym. Zależności między tymi wielkościami są opisane przez transformacje Lorentza, łączące w sobie czas i przestrzeń. Wzory Lorentza zastąpiły klasyczne wzory Galileusza, a wynikający z nich obraz własności czasu i przestrzeni jest w swych zasadniczych rysach nowy i trudny do przyjęcia. Najważniejszą konsekwencją nowej teorii było zakwestionowanie pojęcia równoczesności. W klasycznym absolutnym czasie wszystkie zdarzenia były jednoznacznie uporządkowane i było dobrze wiadomo, które z nich były równoczesne, to znaczy zaszły w tej samej chwili. W szczególnej teorii względności tempo zachodzenia zjawisk i wskazania zegarów zależą od układu odniesienia, czyli od tego, z jaką prędkością porusza się obserwator wraz z przyrządem pomiarowym. W związku z tym, dwaj obserwatorzy poruszający się względem siebie, w inny sposób podzielą zdarzenia na klasy zdarzeń równoczesnych.

Ten szokujący z punktu widzenia fizyki klasycznej wniosek staje się zrozumiały, jeżeli podążając za Einsteinem, zastanowimy się, jak fizycy faktycznie mierzą czas i odległości przestrzenne. Jeżeli do pomiaru użyjemy sygnałów świetlnych, których prędkość jest skończona i stała dla wszystkich obserwatorów, to otrzymamy wyniki zgodne z wzorami Lorentza. Musimy tylko zrezygnować z przekonania, że odległości czasowe są absolutne i niezależne od metody ich pomiaru. Przekonanie to okazało się nieuzasadnione z punktu widzenia żądania, by w naukach przyrodniczych posługiwać się wielkościami, które mają sens operacyjny, czyli określony jest sposób ich pomiaru. Taki pogląd stał się przedmiotem analizy ope-racjonizmu (nurtu filozofii nauki powstałego pod wpływem szczególnej teorii względności Einsteina, którego najwybitniejszym przedstawicielem był P. W. Bridgeman). W tym punkcie w rozumowaniu fizyków była luka, która prowadziła do wniosków niezgodnych z faktami stanowiącymi podstawą szczególnej teorii względności.

Matematyczny formalizm teorii Einsteina, oparty na wzorach Lorentza, uzyskał spójną geometryczną interpretację dzięki Hermannowi Min-kowskiemu, który w 1908 roku wprowadził pojęcie czasoprzestrzeni - konstrukcji łączącej w sobie czas z przestrzenią w jeden obiekt. Czasoprzestrzeń, nazwana przestrzenią Minkowskiego, zawiera w sobie czas i przestrzeń, lecz sposób jej podziału na te składniki zależy od prędkości obserwatora w sposób opisany przez wzory Lorentza. W rezultacie zamiast czasu i przestrzeni, dwóch podstawowych składników klasycznego obrazu świata, niezależnych od siebie i traktowanych absolutnie, w nowej teorii mamy jedną czasoprzestrzeń. Jej geometryczne własności są jednakowe dla wszystkich obserwatorów poruszających się ruchem inercjalnym.

Na tym jednak nie zakończyły się zmiany poglądów na temat czasu i przestrzeni, ponieważ Einstein, chcąc włączyć do swojej teorii pole grawitacyjne, musiał zrezygnować z ograniczenia się do obserwatorów inercjalnych i stworzył teorię opisującą zjawiska widziane i mierzone przez obserwatora poruszającego się w sposób dowolny. Wymagało to gruntownej przebudowy formalizmu matematycznego klasycznej teorii grawitacji. Ogólna teoria względności korzysta z matematycznej teorii przestrzeni zakrzywionych, których własności geometryczne mogą być odmienne w różnych punktach. Stanowiące podstawę teorii równania Einsteina wyrażają zależność geometrycznych własności czasoprzestrzeni od znajdującej się w niej materii. Rozwiązania tych równań opisują obiekty tak dziwne z klasycznego punktu widzenia jak czarne dziury i rozszerzający się wszechświat. Obie teorie względności budziły początkowo zdumienie i sprzeciw, lecz potwierdzone przez obserwacje stały się podstawą współczesnej fizyki i obecnie przywykliśmy do tego, że żyjemy we wszechświecie rozszerzającym się w zakrzywionej przestrzeni, a czarne dziury i inne konsekwencje fizyki relatywistycznej stały się powszechnie akceptowanymi składnikami nowoczesnego obrazu świata. Na temat filozoficznych zagadnień obu teorii względności napisano mnóstwo prac, a ożywione dyskusje na jej temat wciąż trwają, ponieważ nie ma odpowiedzi na wiele podstawowych pytań.

Jak w świetle tego ogromnego i różnorodnego dorobku uczonych i filozofów można spojrzeć na książkę Ernsta Cassirera, napisaną pięć lat po ogłoszeniu ogólnej teorii względności, gdy teoria ta była rewolucyjną nowością, a jej naukowe i światopoglądowe konsekwencje były jeszcze