fil przyr5 4

42 • PIĘKNO WSZECHŚWIATA wyniki. Powtórzmy, każde z nich w sposób całkowicie uprawniony wierzy, iźjego stacja znajduje się w spoczynku, mimo że obie poruszają się względem siebie. Jeśli stacje wyposażono w ten sam sposób, te dwa układy doświadczalne niczym się nie różnią - są całkowicie symetryczne. Nasi bohaterowie wydedukują więc ze swoich doświadczeń Identyczne prawa fizyki. Adam 1 Ewa nie odczują ruchu ze stałą prędkością, nie będą od niego zależeć. Ruch nie wpłynie też na wyniki eksperymentów. Właśnie ta prosta reguła jest podstawą istnienia całkowitej symetrii pomiędzy opisanymi wyżej obserwatorami; ona też stanowi rdzeń zasady względności, która wkrótce posłuży nam do otrzymania pewnego ważnego wyniku.

Prędkość światła

Drugi kluczowy składnik szczególnej teorii względności ma związek z właściwościami ruchu światła. W przeciwieństwie do naszej opinii, że stwierdzenie: „Adam podróżuje z prędkością 20 kilometrów na godzinę", nie ma sensu, gdy brak punktu odniesienia, z badań prowadzonych w ciągu prawie stu lat przez wielu oddanych sprawie fizyków eksperymentalnych wynika, iż wszyscy obserwatorzy będą zdania, że światło porusza się zawsze z prędkością 1080 milionów kilometrów na godzinę.

Pogląd ten zrewolucjonizował nasz obraz Wszechświata. Aby zrozumieć sens tej tezy, zestawimy ją z podobnymi stwierdzeniami stosującymi się do zwykłych obiektów. Wyobraź sobie, że w piękny, słoneczny dzień grasz z przyjacielem w piłkę. Przez chwilę leniwie rzucacie Ją z prędkością, powiedzmy, 6 metrów na sekundę, gdy nagle rozpętuje się burza z piorunami. Obaj w pośpiechu szukacie więc schronienia. Gdy burza mija, wracacie do gry, ale spostrzegasz, że coś się zmieniło. Włosy przyjaciela są w nieładzie, a w jego oczach widać zawziętość i obłęd. Patrząc na Jego rękę, ze zdziwieniem zauważasz granat. Ze zrozumiałych względów twój entuzjazm do giy słabnie; bierzesz nogi za pas. Granat rzucony przez kolegę leci w twoim kierunku, ale - ponieważ biegniesz - prędkość, z jaką się do ciebie zbliża, Jest mniejsza niż 6 metrów na sekundę. Jeżeli potrafimy biec z prędkością, powiedzmy, 4 metrów na sekundę, granat będzie się do nas zbliżał z prędkością (6 - 4 =) 2 metrów na sekundę. Oto inny przykład. Jeśli znaleźlibyśmy się w górach i gdyby w naszym kierunku zmierzała lawina, odruchowo rzucilibyśmy się do ucieczki. Spowodowałoby to bowiem zmniejszenie prędkości, z Jaką śnieg zbliża się do nas - a to z kolei zwiększałoby nasze szanse na przeżycie. Oczywiście, osoba, która pozostałaby

PRZESTRZEŃ, CZAS I OBSERWATOR • 43

w spoczynku, zamiast biec, stwierdziłaby, że śnieg zbliża się do niej szybciej niż do osoby w ruchu.

Zestawmy teraz spostrzeżenia dotyczące piłek, granatów i lawin i zachowaniem się światła. Aby dostrzec element wspólny tych porównań, wyobraźmy sobie, że światło składa się z małych elementów czy porcji, znanych jako fotony (tą cechą światła zajmiemy się dokładniej w rozdziale czwartym). Gdy włączamy latarkę lub laser, wystrzeliwujemy w danym kierunku strumień fotonów. Tak jak to robiliśmy w przypadku granatów i lawin, zastanówmy się, w jaki sposób postrzega bieg fotonu człowiek znajdujący się w ruchu. Wyobraźmy sobie, że nasz oszalały przyjaciel zamienił granat na silny laser. Gdyby skierował go na nas - a my mielibyśmy odpowiednie urządzenie pomiarowe - stwierdzilibyśmy, że prędkość, z jaką zbliżają się do nas fotony w promieniu lasera, wynosi 1080 milionów kilometrów na godzinę. Ale co by się stało, gdybyśmy zaczęli uciekać? Jaką prędkość zbliżających się fotonów wykazałyby nasze urządzenia pomiarowe? Aby łatwiej zrozumieć ten wywód, wyobraźmy sobie, że oddalamy się od naszego przyjaciela statkiem Enterprise z prędkością, powiedzmy, 160 milionów kilometrów na godzinę. Opierając się na tradycyjnym, newtonowskim widzeniu świata, wydedukowalibyśmy, że ponieważ teraz uciekamy z dużą prędkością, fotony zbliżają się wolniej. W szczególności, oczekiwalibyśmy, że będą się one przemieszczać w naszym kierunku z prędkością (1080 milionów kilometrów na godzinę - 160 milionów kilometrów na godzinę =) 920 milionów kilometrów na godzinę.

Kolejne dowody czerpane z rozmaitych doświadczeń wykonywanych już od lat osiemdziesiątych XIX wieku, a także dokładna analiza i interpretacja elektromagnetycznej teorii światła Maxwella, powoli przekonały uczonych, iż uzyskamy inny wynik. Mimo że się oddalamy, prędkość fotonów nadał wynosi 1080 milionów kilometrów na godzinę. Na pierwszy rzut oka Jest to zupełnie absurdalne. Fotony przemieszczają się - niezależnie od tego. czy uciekamy przed nimi. czy też chcemy Je dogonić - zawsze z prędkością 1080 milionów kilometrów na godzinę, nie tak Jak piłka, granat czy lawina, których prędkość zależy od tego, czy stoimy, czy się oddalamy. Powtórzmy, niezależnie od względnego ruchu źródła fotonów i obserwatora prędkość światła jest zawsze Identyczna.

Niedoskonałość aparatury sprawia Jednak, że opisanych wyżej eksperymentów ze światłem nie da się przeprowadzić. Da się natomiast zrobić porównywalne doświadczenia. Na przykład, w 1913 roku holenderski fizyk Willem de Sitter zasugerował, aby do zmierzenia wpływu, Jaki na prędkość światła wywiera ruchome źródło, wykorzystać szybko poruszające się układy podwójne gwiazd (dwie