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.