Teoria względności Alberta Einsteina
Nazwa ta obejmuje właściwie dwie teorie. Pierwsza to szczególna teoria
względności, sformułowana w 1905 r., druga zaś to ogólna teoria względności,
sformułowana w 1915 r. Tę ostatnią byłoby chyba lepiej nazwać Einsteina prawem
grawitacji. Obie teorie są bardzo skomplikowane. Nie zamierzam tu ich
wyjaśniać, ale chciałbym poświęcić kilka uwag szczególnej teorii względności.
Powszechnie znana maksyma mówi, że "wszystko jest względne". Teoria Einsteina
nie jest jednak powtórzeniem tego filozoficznego banału, ale precyzyjnym
matematycznym twierdzeniem, określającym względność pomiarów naukowych.
Oczywiste jest, że subiektywne postrzeganie czasu i przestrzeni zależy od
obserwatora. Jednakże przed Einsteinem większość ludzi uważała, że za tymi
subiektywnymi wrażeniami kryje się czas absolutny i rzeczywiste odległości,
które można mierzyć w sposób obiektywny za pomocą dokładnych przyrządów
pomiarowych. Einstein odrzucił pojęcie czasu absolutnego, co spowodowało
rewolucję w nauce. Poniższy przykład ilustruje, w jak radykalny sposób jego
teoria zmieniła nasze pojęcia czasu i przestrzeni.
Wyobraźmy sobie statek kosmiczny X, oddalający się od Ziemi z szybkością 100
000 kilometrów na sekundę. Szybkość tę mierzą dwaj obserwatorzy, z których
jeden znajduje się na statku kosmicznym, a drugi na Ziemi. Wyniki ich pomiarów
są identyczne. Drugi statek kosmiczny Y leci dokładnie w tym samym kierunku co
statek X, ale ze znacznie większą szybkością. Mierząc prędkość statku Y,
obserwator znajdujący się na Ziemi stwierdza, że statek ten oddala się od niego
z szybkością 180 000 kilometrów na sekundę. Obserwator lecący na statku Y
otrzymał ten sam wynik. Skoro oba statki poruszają się w tym samym kierunku, to
wydaje się, że różnica ich szybkości wynosi 80 000 kilometrów na sekundę i
szybszy statek oddala się od wolniejszego z tą właśnie szybkością. Jednak z
teorii Einsteina wynika, że jeśli odpowiednie pomiary wykonają obserwatorzy
podróżujący na statkach kosmicznych X i Y, to stwierdzą oni zgodnie, że
odległość między nimi wzrasta z szybkością 100 000, a nie 80 000 kilometrów na
sekundę. Na pozór wydaje się, że wynik ten jest w oczywisty sposób błędny.
Wynik ten nie ma nic wspólnego ze szczegółami budowy obu statków ani ich
silników. Nie jest również wynikiem błędnej obserwacji czy wady przyrządów
pomiarowych. Rzecz nie polega też na jakimś triku. Zgodnie ze szczególną teorią
względności rezultat ten (który możemy z łatwością obliczyć ze wzoru Einsteina
na składanie prędkości) wynika jedynie z zasadniczej natury czasu i
przestrzeni. Wszystko to wydawać się może czystą teorią - i rzeczywiście, przez
lata wielu ludzi nie traktowało poważnie teorii względności, uważając ją za
oderwaną od życia akademicką hipotezę bez żadnego praktycznego znaczenia.
Oczywiście, po roku 1945, kiedy to rzucono bomby atomowe na Hiroszimę i
Nagasaki, nikt już nie popełnił tego błędu. Z teorii względności Einsteina
wynika między innymi, że materia i energia są w pewnym sensie równoważne, przy
czym ich zależność opisuje wzór E=mc2 , w którym E oznacza energię, m- masę, a
c- prędkość światła. Skoro c wynoszące 300 000 kilometrów na sekundę jest już
bardzo dużą wielkością, to c2 (tzn. c mnożone przez c) jest po prostu
wielkością olbrzymią. Wynika z tego, że nawet częściowa przemiana małej ilości
materii wyzwala ogromną ilość energii. Oczywiście, nie można zrobić bomby
atomowej ani zbudować elektrowni jądrowej opierając się wyłącznie na wzorze
E=mc2 . Należy sobie uświadomić, że w pracach nad wykorzystaniem energii
atomowej odegrało ważną rolę wielu innych ludzi, ale znaczenie wkładu Einsteina
jest bezdyskusyjne. Co więcej, to właśnie list Einsteina przekazany
prezydentowi Rooseveltowi w 1939 r., wskazując na możliwość skonstruowania
broni atomowej i podkreślający wagę, jaką ma wyprzedzanie Niemców przez Stany
Zjednoczone w budowie takiej broni, przyczynił się do rozpoczęcia prac nad
projektem Manhattan, które doprowadziły do zbudowania pierwszej bomby atomowej.
Szczególna teoria względności budziła ostre kontrowersje, ale wszyscy zgadzali
się, że jest to najbardziej zdumiewająca teoria naukowa, jaka była i będzie
kiedykolwiek stworzona. Pod tym względem wszyscy się mylili, albowiem punktem
wyjścia ogólnej teorii względności Einsteina jest założenie, że przyciąganie
grawitacyjne nie wynika z działania sił fizycznych w normalnym rozumieniu tego
pojęcia, ale jest rezultatem zakrzywienia samej przestrzeni. Trudno o bardziej
zdumiewający pomysł! Jak można zmierzyć zakrzywienie przestrzeni? Co to w ogóle
znaczy, że przestrzeń jest zakrzywiona? Einstein nie tylko wysunął taką teorię,
ale nadał jej jasną formę matematyczną, dzięki czemu jego teoria pozwala
wysuwać dokładne i nadające się do doświadczalnego sprawdzenia przewidywania.
Przeprowadzone obserwacje -z których najdonioślejsze zostały zrobione w czasie
całkowitego zaćmienia Słońca -wielokrotnie potwierdziły prawidłowość równań
Einsteina. Ogólna teoria względności pod wieloma względami różni się od innych
teorii naukowych. Po pierwsze, Einstein nie oparł swojej teorii na dokładnych
eksperymentach, lecz przy jej formułowaniu kierował się raczej względami
symetrii i matematycznej elegancji -a więc pozostawał na gruncie rozumowym,
racjonalistycznym (racjonalizm rozumiany tu jest jako przeciwieństwo
empiryzmu), podobnie jak usiłowali to uczynić filozofowie greccy i
średniowieczni scholastycy. Tak postępując Einstein przeciwstawił się
empirycznemu nastawieniu nowożytnej nauki. O ile jednak szukającym piękna i
symetrii Grekom nie udało się znaleźć teorii dynamicznej, która wytrzymałaby
decydujący sprawdzian eksperymentu, o tyle teoria Einsteina, jak do tej pory,
przechodzi z powodzeniem każdy test. Wskutek takiego podejścia Einsteinowska
ogólna teoria względności jest powszechnie uznawana za najpiękniejszą,
najbardziej elegancką i intelektualnie zadowalającą ze wszystkich teorii
naukowych. Ogólna teoria względności wyróżnia się także pod innym względem.
Większość praw naukowych ma charakter przybliżony, tzn. sprawdzają się one w
wielu okolicznościach, ale nie we wszystkich. O ile nam wiadomo, od teorii
względności nie ma wyjątków. Nieznane są warunki, teoretyczne lub
doświadczalne, w których przewidywania ogólnej teorii względności sprawdziłyby
się tylko w przybliżeniu. Przyszłe doświadczenia mogą jeszcze zepsuć ten
wspaniały bilans, ale na razie ze wszystkich teorii naukowych ogólna teoria
względności jest najbliższa ostatecznej prawdy.