Albert Einstein i jego teorie

Rok 2005 został obwołany rokiem fizyki, bowiem w tym roku mija 100 lat od ogłoszenia przez Alberta Einsteina teorii względności, która stała się rewolucyjna nie tylko dla fizyki. I choć to nie za nią otrzymał Nagrodę Nobla, została uznana największym dziełem genialnego fizyka.

W chwili, gdy trzy nowatorskie artykuły zostały opublikowane, Einstein miał 26 lat i był nie znanym nikomu pracownikiem urzędu patentowego. Pierwszy z nich wyjaśniał zjawisko fotoelektryczne (opierając się na wprowadzonym do fizyki przez Maxa Plancka pojęciu kwantu), drugi dotyczył budowy materii i ruchów cząstek. Trzeci, najsłynniejszy z artykułów, o teorii względności, ukazał się 26 września 1905 roku w naukowym czasopiśmie "Annalen der Physik". Teoria ta została nazwana później Szczególną Teorią Względności, w skrócie STW.

Piękno i prostota tej teorii polegały na tym, że nie opierała się ona na żadnych wcześniejszych teoriach fizycznych. Wreszcie zagadnienia fizyki Newtona zostały uzupełnione o przypadki dużych prędkości.

Einstein jako fundament swojej teorii przyjął skończoną, stałą wartość prędkości światła (dla pustej przestrzeni), która nie zależy od ruchu świecącego ciała. Innymi słowy, każdy powinien obserwować zawsze tę samą prędkość światła. Ten postulat naruszył absolutny charakter pojęcia odległości i czasu. Żądając spełnienia powyższego postulatu i biorąc pod uwagę najprostszą zależność wyrażającą prędkość jako stosunek przebytej drogi do czasu, w którym została ona przebyta, otrzymał dwa zadziwiające efekty. Pierwszy to skrócenie (kontrakcja) długości - poruszający się względem nas obiekt okazuje się krótszy, niż wtedy, kiedy spoczywa względem nas (efekt ten zachodzi tylko w kierunku ruchu). Drugim efektem jest wydłużenie (dylatacja) czasu w układach poruszających się. Jeśli dokonujemy odczytów pierwotnie zsynchronizowanych zegarów, gdy jeden umieszczony jest w szybkiej rakiecie, a drugi np. na Ziemi, to stwierdzamy, że zegar w rakiecie opóźnia się w stosunku do tego drugiego. Dziś to już nie tylko teoretyczne rozważania. W roku 1971 wysłano w podróż na pokładzie samolotu o prędkości 1200 km/h (co stanowi 0.0001% prędkości światła) niezwykle dokładny zegar cezowy. Po piętnastu godzinach lotu zegar pokładowy pokazał dodatnie przesunięcie czasowe wynoszące 0,047 μs w stosunku do identycznego zegara, który pozostał na Ziemi. Jest to dokładnie wartość przewidziana przez STW.

Jeszcze innym ciekawym problemem STW jest jednoczesność zdarzeń. Wyobraźmy sobie superszybki, jednowagonowy pociąg, którego drzwi przednie i tylne otwierane są poprzez fotokomórkę, sterowną lampką ze środka wagonu. Dla osoby wewnątrz wagonu drzwi przednie i tylne zawsze się będą otwierać jednocześnie, ponieważ droga światła do jednych i drugich drzwi jest taka sama. Względem zawiadowcy stacji światło wysłane w przód "goni" drzwi, w rezultacie czego musi przebyć dłuższą drogę niż w tył. Zawiadowca widzi, że najpierw otwierają się drzwi tylne, a potem przednie. Wniosek, jaki się nasuwa, jest następujący: nie ma doskonałego zegara we Wszechświecie, który tak samo dobrze odmierza czas dla wszystkich układów odniesienia i wszystkich zdarzeń.

W 1905 roku Einstein przesłał jeszcze jedną krótką pracę do publikacji. Dotyczyła ona zależności między masą a energią. Wykazał w niej, że masa ciała tracącego energię w formie promieniowania zmniejsza się o wartość proporcjonalną do utraconej energii. Oznacza to, że wszelka energia ma masę, a także relację odwrotną - wszelka masa ma energię. Najsłynniejszy chyba wzór w fizyce E=mc² określa tę zależność. Ponieważ c² jest bardzo dużą liczbą (dziewiątka z szesnastoma zerami) z niewielkiej ilości masy możemy otrzymać ogromną energię. Potwierdziły to rozpady ciężkich jąder pierwiastków, takich jak uran i pluton, a w końcu konstrukcja bomby atomowej.

W roku 1907 Einstein wpadł na pomysł, który później uznał za najwspanialszą myśl swojego życia. Jak sam to opisywał: "Siedziałem właśnie przy biurku w Urzędzie Patentowym w Bernie, gdy zupełnie niespodziewanie przyszedł mi do głowy pomysł: "Jeśli człowiek będzie spadał swobodnie, nie odczuje własnego ciężaru". Byłem zdumiony. Ta prosta konstatacja zrobiła na mnie głębokie wrażenie i zainspirowała mnie do stworzenia teorii grawitacji."

Nowa teza głosząca, że masa grawitacyjna i masa jako miara bezwładności są sobie równoważne, a przebywanie w polu grawitacyjnym jest równoważne ze znajdowaniem się w poruszającym się z przyspieszeniem układzie odniesienia, była wstępem do Ogólnej Teorii Względności. OTW ogłoszona w 1915 roku stanowi podstawą całej dwudziestowiecznej kosmologii i astronomii. Tłumaczy między innymi zmienność orbity Merkurego w ruchu wokół Słońca, przyczyny i możliwości powstawania czarnych dziur, a także pozwala zrozumieć i potwierdza Teorię Wielkiego Wybuchu. Najtrudniejszą rzeczą w OTW jest postulat zakrzywienia czasoprzestrzeni (masa odkształca przestrzeń). Efektem tej skomplikowanej wizji byłoby ugięcie promienia świetlnego przelatującego w pobliżu dużej masy. Ponieważ ugięcie światła można obserwować porównując położenie świecącej gwiazdy na niebie, gdy leży z dala od Słońca i gdy jej promień przebiega tuż obok Słońca, szybko przewidywania teoretyczne Einsteina zostały potwierdzone w praktyce. W roku 1919 wyruszyły dwie niezależne ekspedycje badawcze, jedna do Brazylii, a druga na Wyspę Książęcą u wybrzeży Afryki Zachodniej. Wyniki przeprowadzonych badań były jednoznaczne: analiza zdjęć zrobionych podczas zaćmienia Słońca dowiodła, że położenie gwiazd jest zgodne z przewidywaniami Ogólnej Teorii Względności (najbardziej przesunięte na zewnątrz wydają się te gwiazdy, których światło "dotyka" krawędzi tarczy słonecznej).

Mimo swej rangi i znaczenia dla wielu dziedzin nauki skomplikowany, rozbudowany aparat matematyczny czyni OTW nieprzystępną i niezrozumiałą dla większości.

...

"Dlaczego to właśnie ja sformułowałem zasadę względności? Ile razy zadaję sobie to pytanie, to wydaje mi się, że przyczyna jest następująca: normalny dorosły człowiek w ogóle nie rozmyśla nad problemami czasu i przestrzeni. W jego mniemaniu przemyślał to już w dzieciństwie. Ja jednak rozwijałem się intelektualnie tak powoli, że czas i przestrzeń zajmowały moje myśli nawet wtedy, gdy stałem się dorosły" - pisał Einstein. I choć nie od razu zyskał uznanie środowiska naukowego, jego talent i wielkość rozpoznane zostały przez innego wielkiego fizyka Maxa Plancka. Włączając STW do swych wykładów spowodował szybki rozgłos i sławę teorii i twórcy. To jednak wcale nie cieszyło Einsteina. Doszedł do wniosku, że "aby ukarać mnie za moją pogardę dla autorytetów, los spowodował, że sam stałem się autorytetem". "W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy, co oczywiście jest zjawiskiem dość powszechnym". Przekonanie, że "wyobraźnia jest ważniejsza od wiedzy" i, że "praca naukowa to sprawa charakteru" było mottem działań największego fizyka XX wieku. Surowo wychowany, ale w hołdzie dla wiedzy i nauki nabrał przekonania, że "osobowość kształtuje się nie poprzez piękne słowa, lecz pracą i własnym wysiłkiem".

Wielki Einstein mylił się jednak w kwestiach fizyki atomu, wierząc w "możliwość modelu rzeczywistości - to znaczy teorii, która opisuje rzeczy, a nie jedynie prawdopodobieństwo ich wystąpienia". Pomimo znacznego wkładu w rozwój fizyki kwantowej (praca o zjawisku fotoelektrycznym uwieńczona Nagrodą Nobla w 1921 roku), niesłusznie ignorował nowe idee Nielsa Bohra, Luisa de Broglie'a i Wernera Heisenberga, a to spowodowało, że pod koniec lat dwudziestych jego gwiazda nieco przygasła.

Zainteresowania Einsteina wykraczały znacznie poza fizykę i matematykę. Świetnie grał na skrzypcach, namiętnie oddawał się żeglarstwu, czytał rozprawy filozoficzne, korespondował z wieloma mu współczesnymi ludźmi świata nauki m. in. z Freudem, żywo interesował się sprawami polityki, przyjaźnił się z prezydentem Roosveltem, wiele razy spotykał z belgijską królową Elżbietą, napisał wiele aforyzmów i sentencji. W kontaktach towarzyskich i życiu prywatnym był nieprzewidywalnym ekscentrykiem. Znany z błyskotliwego ale i kąśliwego poczucia humoru. Oświadczył kiedyś: "jeśli chodzi o was kobiety, waszym narządem twórczym nie jest mózg".

Żyjąc w przeświadczeniu, że "istnieje zbyt duża dysproporcja pomiędzy tym, kim człowiek jest, a tym za kogo go uważają" nie udzielał wywiadów, stronił od dziennikarzy. Nachodzącym go, nękającym wywiadami tak wytłumaczył teorię względności: "godzina spędzona z piękną dziewczyną na ławce w parku mija jak minuta, podczas gdy minuta siedzenia na rozpalonym piecu wydaje się godziną".

Należy zgodzić się z Georgem Bernardem Show: "Ptolemeusz stworzył Wszechświat, który przetrwał 1400 lat. Newton stworzył Wszechświat, który przetrwał 300 lat. Einstein również stworzył Wszechświat, ale nie potrafię powiedzieć, jak długo on potrwa". Również Max Born miał rację, mówiąc: "Einstein byłby jednym z największych fizyków - teoretyków wszechczasów, nawet gdyby nie napisał ani jednej linijki o teorii względności".

Bibliografia:

1. Calaprice Alice: Einstein w cytatach.
2. Danin Daniel: W dziwnym świecie.
3. Einstein Albert, Infeld Leopold: Ewolucja fizyki.
4. Highield Rodger, Carter Poul: Prywatne życie Alberta Einsteina.
5. Infeld Leopold: Moje wspomnienie o Einsteinie.