Albert Einstein - jego szczególna, a przede wszystkim ogólna teoria względności całkowicie zmieniły świat.
Słynny fizyk urodził się 14 marca 1879 w Ulm w Niemczech. Początkowo nie zdradzał większych talentów naukowych. Po studiach na Politechnice w Zurychu w lipcu 1900 podjął tymczasowo pracę nauczyciela, w grudniu 1901 otrzymał natomiast stanowisko młodszego referenta w Szwajcarskim Urzędzie Patentowym. I to właśnie tam stworzył pierwszą z dwóch wersji teorii, która wstrząsnęła światem.
W 1905 roku opublikował w „Annalen der Physik” kilka prac. Pierwsza z nich, „O wytwarzaniu i transformacji światła”, wyjaśniała zjawisko fotoelektryczne, potwierdzając jednocześnie kwantową naturę światła i istnienie cząstek nazwanych później fotonami. Drugi z tekstów, „O molekularno-kinetycznej teorii ciepła zastosowanej do ruchu cząstek zawieszonych w stacjonarnej cieczy”, zapewnił mu wkrótce tytuł doktora na Uniwersytecie w Zurychu i wyjaśniał zjawisko ruchów Browna. Ale dopiero kolejna praca, „O elektrodynamice ciał w ruchu”, stała się podstawą teorii względności, z którą do dzisiaj kojarzymy Einsteina. Ostatnia z przełomowych prac, które przyszły noblista wydał w tym okresie, „Czy bezwładność ciał zależy od ich energii”, podawała już słynny wzór na równoważność masy i energii: E=mc².
Wszechświat stanął na głowie
Na czym polega ogłoszona wówczas szczególna teoria względności? Wynika ona z przeświadczenia Einsteina – jak się potem okazało uzasadnionego – że światło rządzi się nieco innymi prawami niż reszta zjawisk w przyrodzie, a jego prędkość, niezależnie od tego, skąd ją obserwujemy, zawsze jest stała.
Jak wiadomo, prędkość samochodu X, mijającego stojącego przechodnia z szybkością 200 km/h, względem motoru Y poruszającego się w tym samym kierunku z szybkością 130 km/h wyniesie tylko 70 km/h. A zatem prędkości auta X względem przechodnia i motocyklisty różnią się. Einstein postawił tezę, że ta zasada nie stosuje się światła, które zawsze porusza się z tą samą prędkością względem wszystkich obiektów we Wszechświecie. Innymi słowy - znana już wcześniej prędkość światła nie zależy od prędkości ruchu obserwatora. Jeśli jednak tak jest, to czas i przestrzeń łączą się w jedno.
Ogłoszona 10 lat później ogólna teoria względności była rozwinięciem szczególnej na przypadki pól grawitacyjnych i przyspieszonych układów odniesienia. To właśnie ona stanęła u podstaw całej dwudziestowiecznej kosmologii i dzięki niej mogliśmy zrozumieć takie zjawiska jak przesunięcie ku czerwieni widma galaktyk, które przekonało nas, iż wszechświat się rozszerza, a także genezę czarnych dziur. Einstein dowiódł, że pole grawitacyjne zagina czasoprzestrzeń – podobnie jak naprężone prześcieradło zapadnie się, kiedy położymy na jego środek ciężką kulę. Oznacza to ni mniej ni więcej, że czasoprzestrzeń, masa oraz grawitacja zależą od siebie wzajemnie. Ruch ciał w kosmosie jest uwarunkowany przez deformację lub krzywizny czasoprzestrzeni, które powstają w pobliżu wielkich mas. Także tor światła jest zakrzywiany przez pole grawitacyjne dużych mas – dzieje się tak na przykład w przypadku czarnych dziur. Zakrzywienie światła dało się też zaobserwować doświadczalnie: podczas zaćmienia Słońca stwierdzono bowiem zakrzywienie światła gwiazd, spowodowane działaniem masy naszej gwiazdy. Świecące obiekty, które w trakcie zaćmienia były tuż obok Słońca, widoczne były po prostu w nieco innych miejscach niż powinny według map nieba...
Teoria względności nie tyle znosiła fizykę Newtona, ile ją uszczegóławiała. Na niewielką „ziemską” skalę teoria Newtona nadal znakomicie się sprawdza, ale teoria Einsteina daje nam klucz do opisu zjawisk zachodzącym we wszechświecie.
E=mc2
Wszystko to wydawać się mogło czystą teorią, która przyda się kilku rozumiejącym ją „jajogłowym” do opisu skomplikowanych zjawisk, dopóki Amerykanie nie zrzucili na Hiroshimę i Nagasaki bomb atomowych. Jest to – w świetle zdeklarowanego pacyfizmu Einsteina – paradoks, ale właśnie bomba atomowa stała się najbardziej namacalnym skutkiem praktycznego zastosowania słynnego równania, stworzonego przez pochodzącego z Niemiec fizyka.
Z teorii względności wynika między innymi, że materia i energia są w pewnym sensie tym samym, a ich zależność od siebie opisuje wzór E=mc2, w którym E oznacza energię, m - masę, a c - prędkość światła. Podstawową cechą każdej reakcji termojądrowej jest zjawisko tzw. niedoboru masy – faktu, że masa jądra atomowego jest niższa od sumy jego składników. Wynika to stąd, że część masy nukleonów, które znajdują się w atomowym jądrze, przekształca się energię, która utrzymuje jądro w całości. Rozbicie jądra wyzwala tę energię. Choć różnica mas jest maleńka, to siłę wybuchu wzmacnia fakt, że masę i energię wiąże ze sobą prędkość światła (300 tys. km/s) podniesiona do kwadratu – a zatem wartość bardzo duża.
Einstein i Bohr. Źr. Wikipedia.
Intuicje Einsteina wywracały do góry nogami wszystko, co do tej pory sądzili fizycy, ale – trzeba to przyznać naukowemu światu – ich doniosłość została zauważona niemal natychmiast. Już w 1909 roku Albert Einstein został profesorem fizyki na kilku uniwersytetach w Szwajcarii, Austrii i Niemczech, a potem dyrektorem prestiżowego Instytutu Cesarza Wilhelma Wielkiego (przekształconego po wojnie w jeden z instytutów Towarzystwa Maxa Plancka). Stanowisko piastował do 1936 roku. W 1921 roku otrzymał również Nagrodę Nobla.
Wszechświat jest piękny
Albert Einstein był jednym z tych badaczy natury, którzy wierzyli, że wszechświat jest racjonalny, poznawalny i da się go wyjaśnić przy pomocy jednej ogólnej teorii wszystkiego, zapisanej przy pomocy matematycznych formuł. W tym również przejawiać się miało piękno kosmosu. Stworzenie takiej teorii wszechświata było marzeniem wielu wcześniejszych myślicieli i tej idei słynny fizyk poświęcił ostatnie lata swojego życia.
Dążenie Einsteina do ujęcia świata w racjonalny system wynikało między innymi z rozwijającej się wówczas mechaniki kwantowej. Autor teorii względności nie mógł pogodzić się z tezą, że świat u swoich kwantowych podstaw miałby być niezdeterminowany i że wszechświat miałby mieć naturę probabilistyczną. W jednym z listów fizyk pisał o zwolennikach teorii kwantowej: "Ty wierzysz w Boga, który gra w kości, ja w panowanie i porządek w świecie obiektywnie istniejącym, który próbuję ująć na drodze dzikiej spekulacji". Wielkie marzenie genialnego fizyka pozostało jednak niespełnione, a jego teoria wszystkiego została odrzucona jako zupełnie niezgodna z rozwijającą się w błyskawicznym tempie nauką. Fizyka poszła do przodu, a Einstein okopał się w jednym miejscu – mówili o badaczu konkurenci. Opowiada się, że Niels Bohr, wieloletni przyjaciel Einsteina, tak się zirytował uporem autora teorii względności, że kiedyś powiedział do niego: "Albercie! Przestań mówić Panu Bogu, co ma robić!"
U podstaw dążenia słynnego fizyka leżała bardzo prosta intuicja, której do tej pory nikomu nie udało się obalić. Einstein był, jak sam siebie określał, „głęboko wierzącym ateistą”. Jak pisał, „nauka bez religii jest kulawa, i odwrotnie, religia bez nauki jest ślepa. Obie są ważne i powinny współpracować ręka w rękę". Kiedy nowojorski rabin spytał go, czy wierzy w Boga, odpowiedział, że tak, ale „w Boga Spinozy, który ujawnia się w harmonii wszechbytu, a nie w Boga, który interesuje się losem i działaniami ludzkości”. Ta odpowiedź chyba mówi sama za siebie. Alberta Einsteina, jak wielu klasycznych myślicieli przed nim, zachwyciła po prostu harmonia świata – i temu zachwytowi pozostał wierny do końca. Fizyk zmarł w Princeton w USA w 1955 roku.
Eugeniusz Wiśniewski
Czy teoria strun jest spełnieniem marzenia Einsteina? Obejrzyj filmik:
