fil przyr5 1

36 • PIĘKNO WSZECHŚWIATA elektryczne oraz magnetyczne w Jednym systemie, ale także wykazała, źe zaburzenia elektromagnetyczne przemieszczają się z niezmienną prędkością, równą prędkości światła, Maxwell uświadomił więc sobie, że światło widzialne to nic innego. Jak szczególny rodzaj fali elektromagnetycznej, która zgodnie z naszą obecną wiedzą oddziałuje ze związkami chemicznymi w siatkówce oka i tworzy widziane przez nas obrazy. Co istotne, teoria Maxwella pokazała również, że fale elektromagnetyczne - między Innymi światło widzialne - przypominają niezmordowanych podróżników. Nigdy się nie zatrzymują. Nigdy nie zwalniają. Światło zawsze przemieszcza się z prędkością światła.

Teoria wydaje się spójna, dopóki nie postawimy pytania zadanego przez szesnastoletniego Einsteina: co się stanie, gdy zaczniemy gonić promień świetlny z prędkością światła? Kierując się intuicją i odwołując do praw ruchu Newtona, uznamy, źe potrafimy dogonić fale świetlne i światło wyda nam się stacjonarne. Z teorii Maxwella i rozmaitych rzetelnie przeprowadzonych obserwacji wynikało Jednak, źe światło nigdy nie stoi w miejscu; nikt nigdy nie trzymał w dłoni stacjonarnej wiązki światła. I tak pojawia się problem. Na szczęście Einstein nie wiedział, że w owym czasie z pytaniem tym zmagało się wielu czołowych fizyków z całego świata, którzy podążali niewłaściwymi ścieżkami. Rozważał więc paradoks światła w niemal nienaruszonej prywatności własnych myśli.

W niniejszym rozdziale omówimy, w Jaki sposób Einstein rozwiązał tę sprzeczność za pomocą szczególnej teorii względności, na zawsze odmieniając nasz obraz przestrzeni i czasu. Wydaje się nieco zaskakujące, że zasadniczy cel szczególnej teorii względności polega na dokładnym zrozumieniu, jak widzą świat osoby poruszające się względem siebie, zwane często obserwatorami. Na pierwszy rzut oka jest to jedynie intelektualne ćwiczenie, zupełnie bez znaczenia. Kwestia okazała się Jednak istotna. Einstein, wyobrażając sobie obserwatorów goniących promienie świetlne, znalazł szczegółowe wskazówki niezbędne do zrozumienia najzwyklejszych życiowych sytuacji, widzianych przez ludzi poruszających się względem siebie.

Wady intuicji

Codzienne doświadczenie uwidacznia różnice w obserwacjach prowadzonych przez takie osoby. Kierowcy samochodu drzewa rosnące przy drodze wydają się ruchome, ale z punktu widzenia autostopowicza, siedzącego na balustradzie oddzielającej pasy ruchu, drzewa te stoją. Podobnie, deska rozdzielcza nie rusza się zdaniem

PRZESTRZEŃ, CZAS i OBSERWATOR • 37

kierowcy (taką przynajmniej mamy nadzieję), ale autostopowicz odbiera ją jako ruchomą, podobnie jak resztę samochodu. Owe właściwości światła są tak podstawowe i oczywiste, że prawie ich nie zauważamy.

Ze szczególnej teorii względności wynika jednak, że różnice w obserwacjach dwóch osób mają głębsze podłoże i okazują się znacznie trudniej uchwytne. Według niej obserwatorzy znajdujący się względem siebie w ruchu inaczej postrzegają odległość i czas. Oznacza to, jak się przekonamy, że Identyczne zegarki, noszone przez dwie osoby poruszające się względem siebie, odmierzają czas w różnym tempie. Szczególna teoria względności pokazuje, że cala sytuacja nie wynika z niedokładności zegarków, ale z natury czasu.

Podobnie, różne wyniki otrzymają poruszający się względem siebie obserwatorzy, którzy mierzą odległość jednakowymi miarkami. Jak poprzednio, nie ma to związku z urządzeniami pomiarowymi lub sposobem ich użycia. Najdokładniejsze urządzenia potwierdzają. że przestrzeń i czas są rozmaicie postrzegane przez poszczególne osoby. Szczególna teoria względności Einsteina rozwiązuje sprzeczność między naszą intuicją, dotyczącą ruchu, a właściwościami światła, ale trzeba za to zapłacić pewną cenę: osoby poruszające się względem siebie odmiennie postrzegają przestrzeń i czas.

Choć upłynęło już niemal stulecie od czasu gdy Einstein doniósł światu o swym wielkim odkryciu, większość ludzi ciągle uważa, źe przestrzeń 1 czas to pojęcia absolutne. Szczególna teoria względności nie jest w nas zakorzeniona. Nie odbieramy jej intuicyjnie. Dzieje się tak po prostu dlatego, że efekty opisywane przez tę teorię zależą od szybkości poruszania się, a biorąc pod uwagę prędkość osiąganą przez samochody, samoloty czy nawet statki kosmiczne, skutki te trudno uchwycić. Nie zauważa się więc. że osoby stojące na ziemi i te, które jadą samochodami czy lecą w samolotach, różnie postrzegają czas i przestrzeń. Gdybyśmy jednak podróżowali pojazdem przyszłości, który poruszałby się z prędkością sięgającą znacznego ułamka prędkości światła, efekty opisywane przez szczególną teorię względności stałyby się wyraźnie widoczne. Podróże takie wciąż jednak istnieją tylko w książkach fantastyczno-naukowych. Niemniej - Jak się dowiemy w kolejnych podrozdziałach - pomysłowe eksperymenty pozwalają na przeprowadzanie dokładnych obserwacji względnych właściwości przestrzeni 1 czasu, przewidywanych przez teorię Einsteina.

Aby mieć pewne pojęcie o wielkości przywoływanych tu zjawisk, wyobraźmy sobie, że jest 1970 rok i pojawiają się duże, szybkie samochody. Po wydaniu wszystkich oszczędności na nowy samochód Chudy wyrusza ze swym bratem Rudym za miasto, aby odbyć ryzy-