O ile szczególną teorię względności (opublikowaną w 1905r.) oraz genialne równanie E=mc², będące jej matematycznym rozwinięciem, da się jeszcze w miarę jasno wytłumaczyć (co próbuję uczynić poniżej), o tyle z ogólną teorią względności (1916r.)(zwaną też teorią grawitacji), jest już o wiele, wiele trudniej. Możemy przyjąć, że od ich publikacji minęło już całe stulecie. Tymczasem statystyki mówią, że aż 94 % populacji nie rozumie i nie potrafi wyjaśnić, czego dotyczą obie teorie względności !!!



SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI

   Einstein mając zaledwie 16 lat dotykał już podwalin pod przyszłą Szczególną Teorię Względności, zastanawiał się bowiem, co by zaobserwował goniąc wiązkę światła z prędkością światła. Funkcjonowała wtedy fizyka Newtona, a ta mówiła, że widziałby światło w stanie spoczynku. Tymczasem na podstawie równań Maxwella wiedział, że światło jest nierozerwalnie związane z ruchem. Już wtedy młody Einstein zrozumiał, że przedstawił przykład, który stoi w sprzeczności z nauką.
   Kiedy po latach, w roku 1905 powrócił do pracy nad tym wątkiem ponownie stanął przed paradoksem. Mechanika newtonowska zakładała, że ciało może się poruszać z dowolną prędkością (choćby większą od prędkości światła), jeśli przyśpieszymy je za pomocą odpowiednio dużej siły. Tymczasem Einstein wysnuł dość wywrotową jak na tamte czasy myśl, że nic nie może poruszać się szybciej od światła, ponieważ aby przyśpieszyć ciało do prędkości światła należałoby użyć nieskończenie dużej ilości energii, a przecież ilość energii we Wszechświecie jest skończona. Stało się oczywiste, że nadchodzi moment podważenia newtonowskich zasad absolutnej przestrzeni i czasu, że niezbędne są radykalne zmiany w sposobie myślenia o przestrzeni i czasie!
   Po wielu latach, w roku 1949 napisał: "Newtonie, wybacz mi; znalazłeś jedyną drogę, która w Twych czasach była dostępna dla człowieka o najwyższych zdolnościach umysłowych i twórczych. Koncepcje, które stworzyłeś prowadzą nas przez fizykę teoretyczną jeszcze i dziś, chociaż teraz już wiemy, że trzeba je będzie zastąpić innymi, bardziej odległymi od sfery bezpośredniego doświadczenia (...)"
   Tak więc Einstein podważył fundamentalną w fizyce Newtona absolutność czasu i przestrzeni i uznał je za względne, zaś prędkość światła za stałą, bez względu na położenie i prędkość obserwatora.

Ze szczególnej teorii względności wynika kilka stwierdzeń:
   1) prędkość światła jest zawsze stała
   2) zbliżając się do prędkości światła czas zbliża się do zera (zatrzymuje się)
   3) zbliżając się do prędkości światła masa zbliża się do nieskończoności

Czyli im szybciej się poruszamy tym czas płynie wolniej i tym więcej ważymy. Oczywiście na codzień zjawiska te są przez nas niedostrzegalne ze względu na niewielkie prędkości z jakimi się poruszamy.

Ze szczególnej teorii względności wynika też pięć zjawisk, uznawanych za najważniejsze:
   1) względność jednoczesności
   2) wydłużenie czasu
   3) skrócenie długości przy prędkościach bliskich prędkości światła
   4) wzrost masy szybko poruszającego się ciała
   5) związek masy i energii (o tym mówi matematyczne uzupełnienie szcz.teorii wzgl. czyli wzór E=mc²)

Zanim po krótce omówię tych pięć zjawisk, zastanówmy się co to znaczy, że coś jest względne. Prosty przykład: stwierdzam, że planeta Ziemia jest ogromna. Owszem, ale tylko w porównaniu do mojego Volkswagena. Porównując Ziemię do naszej Galaktyki jest niezwykle mała. Nie możemy stwierdzić, że Ziemia jest bezwględnie duża bądź bezwzględnie mała, jej rozmiar jest względny, zależny od punktu odniesienia. To samo dotyczy prędkości. Nie możemy powiedzieć czy coś jest szybkie czy wolne jeżeli nie ustalimy punktu odniesienia. Zarówno rozmiar jak i prędkość są wielkościami względnymi.


1)  Względność jednoczesności

   Względność czasu nie jest już taka prosta do opisania. Wg Newtona można było powiedzieć, że dwa zdarzenia zachodzą równocześnie, bo uniwersalny zegar mierzył czas bezwzględny. Einstein uświadomił nam, że idea czasu absolutnego i zdarzeń jednoczesnych prowadzi do paradoksu.
   Aby zrozumieć względność czasu posłużę się tu przykładem: "Wyobraźmy sobie kolejowy wagon pasażerski z oszkloną kopułą widokową na dachu. Obserwator siedzi bokiem do kierunku jazdy. Na pociągu zamontowano dwie duże żarówki - jedną z przodu, drugą z tyłu pociągu. Jeśli zostanie wciśnięty przycisk uruchamiający żarówki, pasażer pociągu zobaczy, że światła zapalają się jednocześnie. Nie widzi żadnej różnicy, czy pociąg stoi, czy pędzi 300 km/h, bo względem pasażera pociąg się nie porusza.
   Rozważmy teraz obserwatora, który patrzy na pociąg, kiedy ten go mija. Po włączeniu żarówek obserwator ten ujrzy najpierw rozbłysk tylnego światła, a potem przedniego. Światło tylne zbliża się do niego z prędkością 300 km/h, podczas gdy przednie ucieka od niego z taką samą prędkością. Ponieważ żarówka tylna porusza się w jego kierunku, światło z niej będzie miało do przebycia mniejszą odległość niż światło z oddalającej się żarówki przedniej. Skoro odległość jest mniejsza, a prędkość światła stała w każdych okolicznościach, to musi zobaczyć rozbłysk tylnej żarówki przed rozbłyskiem przedniej. Zatem dwa zdarzenia widziane jako jednoczesne przez pasażera pociągu nie są jednoczesne dla obserwatora stojącego obok torów. I - co ważne - obaj mają rację. Jednoczesność jest zjawiskiem względnym."¹


2)  Wydłużenie czasu

   Wcześniej wspomniałem, iż ze szczególnej teorii względności wynika, że im szybciej się poruszamy tym czas płynie wolniej (dąży do zera). Udowodniono to wielokrotnie, po raz pierwszy w roku 1971, mierząc czas w dwóch odrzutowcach wojskowych lecących dookoła świata, z których jeden poruszał się w kierunku wschodnim, a drugi zachodnim. Pomiary czasu na początku i na końcu lotu różniły się w obu samolotach łącznie o około 300 nanosekund. Innym przykładem, po który najczęściej sięgają fizycy teoretycy jest paradoks bliźniąt. Jest dobry, ale czysto teoretyczny.

   Dla mnie jednak najbardziej ekscytującym przykładem potwierdzającym wydłużenie czasu wynikające z teorii względności jest doświadczenie przeprowadzone w ośrodku CERN pod Genewą (nie pamiętam daty) w akceleratorze cząstek (to ten słynny przyśpieszacz cząstek, o którym głośno było w mediach, gdy uruchamiano go po raz pierwszy w roku 2009 /zdj.poniżej/). W doświadczeniu tym głównego bohatera odgrywały miony czyli ciężsi kuzyni elektronów. Ich życie jest niezwykle krótkie, trwa bowiem dwie milionowe sekundy. Po tym czasie rozpadają się na elektrony. Wystarczyło zatem rozpędzić je w akceleratorze do prędkości zbliżonej do prędkości światła, a następnie zmierzyć czas, po którym ulegną rozpadowi. Efekty były niezwykłe!!! Gdyby duża prędkość nie miała wpływu na cząstki, miony powinny ulec rozpadowi po dwóch mikrosekundach, tymczasem isniały one 30 razy dłużej!!! To niezbity dowód potwierdzający teorię Einsteina.


 Akcelerator (przyspieszacz) cząstek w ośrodku CERN pod Genewą


3)  Skrócenie długości przy prędkościach bliskich prędkości światła

   Eistein twierdził, że wzrost prędkości ma bezpośredni wpływ na skrócenie długości danego ciała wprowadzonego w ruch. Gdybyśmy w tym przyśpieszaczu cząstek w Genewie umieścili jakiś podłużny przedmiot i rozpędzili do prędkości bliskiej prędkości światła, jego długość uległaby skróceniu aż o 90 %. Jest to zjawisko, które wielokrotnie zweryfikowano doświadczalnie w laboratoriach.


4)  Wzrost masy szybko poruszającego się ciała

   Zgodnie z tą hipotezą masa ciała wzrasta wraz ze wzrostem jego prędkości, im bliżej prędkości światła, tym ciało staje się cięższe. Osiągając prędkość światła masa staje się nieskończona. To dla mnie niewiarygodne, ale Einstein doszedł do tego wniosku blisko 100 lat temu, nie mając żadnych instrumentów i narzędzi, które by pozwoliły przeprowadzić doświadczenie udowadniające prawdziwość tych wniosków.
   Dzisiaj teoria ta potwierdza się za każdym razem, gdy w akceleratorach przyśpiesza się cząstki do bardzo dużych prędkości. Taki akcelerator ma kilka kilometrów długości, a zaobserwowany efekt jest taki: już na pierwszych kilkudziesięciu centymetrach rozpędzane cząstki osiągają prędkość bliską prędkości światła. Później przyrost prędkości jest już niewielki, za to ich energia oraz właśnie MASA wciąż wzrastają. Oznacza to, że tak niewiele brakuje takim cząstkom do osiągnięcia prędkości światła, a jednocześnie coraz więcej, bo bardzo wyraźnie wzrasta ich masa, wzrasta niewiarygodnie, uniemożliwiając im coraz bardziej osiągnięcie tej prędkości. Wygląda to tak, jakby Natura zadbała o to, by prędkość światła była zarezerwowana wyłącznie dla światła, aby żadna materia nie mogła się do niej zbliżyć i jej osiągnąć...


5)  Związek masy i energii

   Słynne równanie E=mc² było niejako graficznym uzupełnieniem, przypisem matematycznym do szczególnej teorii względności, pojawiło się ono dopiero kilka miesięcy później niż sama teoria. Równanie to opisuje związek masy z energią, krótko mówiąc, że masa i energia są równoważne, że stanowią dwie formy tej samej rzeczy: energia jest uwolnioną materią, materia jest energią czekającą na uwolnienie. Prędkość światła podniesiona do potęgi (c²) jest naprawdę dużą liczbą, więc równanie mówi również, że w każdej materii kryje się ogromna - naprawdę ogromna - ilość energii. Masa jest zamrożoną energią.
   Einstein wiedział, że gdyby udało się rozszczepić atom i uwalniać tą energię w sposób kontrolowany, to ludzkość uzyskałaby w ten sposób doskonałe źródło energii (obecnie elektrownie atomowe). Uświadomił sobie również, że jeśli uwolnić ją gwałtownie, byłby to nowy rodzaj potężnej broni (bomba atomowa). Jak już wiemy z historii, jedne i drugie właściwości wynikające z rozszczepienia atomu zostały kilkadziesiąt lat później wykorzystane przez ludzkość.

Podsumujmy znaczenie wzoru E=mc²

   √ bez wątpienia może kojarzyć się z budową bomby atomowej
   √ ale dla mnie również, a raczej przede wszystkim wyjaśnia dlaczego świecą gwiazdy i jak to się dzieje, że robią to miliardy lat i nie wypalają swojej energii natychmiast, tylko dochodzi do niezwykle wydajnej i stopniowej zamiany masy w energię
   √ wyjaśnia w jaki sposób działa promieniotwórczość: dlaczego kawałek uranu wciąż emituje strumień wysokoenergetycznych cząstek i nie topi się przy tym jak kostka lodu
   √ opisuje źródła energii w zasadzie całego naszego Wszechświata, pozwolił zrozumieć jak rodzą się, żyją i umierają gwiazdy. Mogę powiedzieć, że gdyby nie Einstein i jego szczególna teoria względności, ja nie mógłbym napisać podstrony o kosmosie Gwiazdy - życie i śmierć :)
   √ przede wszystkim jednak pokazuje, że prędkość światła jest stała. I najwyższa. Że nic nie może jej wyprzedzić (a nawet dogonić)



Chciałbym jeszcze kilka słów o postawie Einsteina w kwestii bomby atomowej

   Jak wspomniałem wcześniej, Einstein miał świadomość konsekwencji, jakie wynikają z jego równania E=mc², że jeśli ktoś dokona rozszczepienia atomu, to stworzenie śmiercionośnej broni będzie już tylko kwestią czasu. Z mojej wiedzy wynika, że pierwsze sygnały, jakie zaczęły docierać do Einsteina o próbach rozszczepiania atomu miały miejsce w 1939 roku. Chodziło o nazistowskich naukowców i ich rzekomą pracę nad stworzeniem bomby atomowej. Podobno Einstein nie wierzył wówczas, że w wyniku kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia atomów uranu może nastąpić potężna eksplozja.
   Jednak był zaniepokojony tymi informacjami i napisał list do prezydenta Franklina Roosevelta. Czytamy w nim: "Najnowsze prace (...) pozwalają oczekiwać, że w najbliższej przyszłości pierwiastek uran może zostać przekształcony w nowe istotne źródło energii. (...) To nowe zjawisko pozwoli również na konstruowanie bomb".
   Einstein nie brał udziału w programie budowy bomby, ani w USA, ani w nazistowskich Niemczech. Do czasu wybuchu pierwszej bomby atomowej w Hiroszimie nawet nie wiedział, że takie bomby wogóle zostały już skonstruowane.

* * * * *

OGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI  (zwana też teorią grawitacji)

   Niestety, w przeciwieństwie do szczególnej teorii względności, nie jestem w stanie przedstawić ogólnej teorii względności spójnie i czytelnie, czyli zgodnie z założeniami mojej strony o kosmosie.
   Nie wiem też, czy wogóle potrafię ją przedstawić ...


   Od samego początku było dla Einsteina jasne, że brakującymi elementami w szczególnej teorii względności są grawitacja i przyśpieszenie. Pierwsza teoria nosiła nazwę "szczególnej", ponieważ dotyczyła szczególnej sytuacji - ciał poruszających się ruchem jednostajnym. Einstein chciał połączyć tą teorię z grawitacją i stworzyć jedną uniwersalną teorię względności. Dlatego nie dawało mu spokoju pytanie: co widzi obserwator patrząc na ciało przyśpieszające? Albo co się stanie, gdy poruszająca się wiązka światła napotka przeszkodę w postaci grawitacji? Pracował nad tym ponad 10 lat, do roku 1916. Wtedy właśnie opublikowana została

OGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI
największe naukowe osiągnięcie pojedynczego umysłu w dziejach całej ludzkości !!!

   Wyjaśnienie teorii względności nie jest rzeczą łatwą, przez wiele lat była uważana za zbyt trudną do zrozumienia nawet dla większości naukowców, a co dopiero dla zwykłych ludzi. Myślę, że problem wynika z tego, że jest ona niezwykle nieintuicyjna. Przyczyną trudności w zrozumieniu tej teorii są nasze umysły, które od pierwszych dni naszego życia przyzwyczajane są do świata trójwymiarowego i w nim zamykane. Tymczasem teoria względności przedstawia czas i trzy wymiary przestrzeni jako coś nierozłącznego, CZTEROwymiarowego. Taką splecioną siatkę wyglądem przypominającą sieć rybacką. Patrząc na stolik w mojej sypialni widzę jego kształt, czyli długość, szerokość i wysokość. Nic więcej. Einstein w ogólnej teorii względności każe mi jeszcze widzieć ten stolik w jednostce czasu, twierdzi że wszystko co można zaobserwować we Wszechświecie posiada cztery wymiary, nierozerwalne cztery wymiary. I nazywa to czasoprzestrzenią. Następnie wprowadza pojęcie zakrzywienia tej czasoprzestrzeni i stwierdza, że Ziemia nie jest przyciągana przez grawitację Słońca, lecz porusza się, jak każde ciało we Wszechświecie, w linii prostej, tyle że po zakrzywionej przez masę Słońca czasoprzestrzeni. I na koniec stwierdza, że siła grawitacji nie istnieje !!!

   Macie dosyć? Ja też. Ale spokojnie, spróbujemy to wszystko jakoś uporządkować.


Dla przejrzystości najistotniejsze wątki ogólnej teorii względności połapiemy w punkty:
   1) zasada równoważności
   2) siła grawitacji nie istnieje
   3) zakrzywienie czasoprzestrzeni
   4) dylatacja czasu


1)  Zasada równoważności

   "Siedziałem na krześle w moim pokoju w biurze patentowym w Bernie. Nagle uderzyła mnie myśl: jeżeli człowiek spada swobodnie, nie odczuwa swej własnej wagi. Zaskoczyło mnie to całkowicie. Ten prosty eksperyment myślowy wywarł na mnie głębokie wrażenie. Doprowadziło mnie to do teorii grawitacji" - cyt. A. Einstein

   Dla zrozumienia zasady równoważności wystarczy jeden przykład, moim zdaniem najtrafniejszy: "Statek kosmiczny porusza się z prędkością 9,8 m/s, tyle samo ile wynosi przyspieszenie swobodnie spadających ciał w pobliżu powierzchni Ziemi. W kabinie statku znajduje się astronauta, który z pewnej wysokości upuszcza na podłogę młotek i piórko. Co się stanie? Młotek i piórko spotkają się oczywiście z podłogą, lecz interpretacja tego zdarzenia zależy całkowicie od punktu widzenia.
   Zakładając, że statek znajduje się w dużej odległości od grawitacji gwiazd lub planet, młotek i piórko znajdują się w stanie nieważkości. Gdy statek ruszy i zacznie przyspieszać, podłoga kabiny zbliży się do obu wiszących przedmiotów, a następnie uderzy w nie. Podłoga trafi równocześnie w młotek i piórko.
   Załóżmy, że astronauta miewa ataki amnezji i całkowicie zapomniał, że znajduje się w kosmosie wewnątrz przyspieszającego statku. W jaki sposób zinterpretuje on wyniki swojego eksperymentu? Otóż stwierdzi, że młotek i piórko spadły na podłogę pod wpływem grawitacji. W końcu oba zrobiły to, co przedmioty zwykle robią pod wpływem grawitacji - spadają z jednakowym przyspieszeniem i równocześnie uderzają w podłogę (pomijamy opór powietrza). Co więcej, astronauta sądzi, że grawitacja jest odpowiedzialna za wszystko, co się dzieje wokół niego, ponieważ stoi on na podłodze, czuje swój ciężar, tak samo jak czułby, gdyby stał na powierzchni Ziemi. Wszystko, czego tam doświadcza jest nieodróżnialne od tego, czego doświadczałby w identycznej kabinie umieszczonej na Ziemi."²
    To właśnie uświadomił sobie Einstein myśląc o spadającym człowieku. Że grawitacja jest nieodróżnialna od przyspieszenia. I znalazł genialną przyczynę. Stwierdził bowiem, że są one po prostu tym samym, że grawitacja jest przyspieszeniem! A tą nieodróżnialność nazwał zasadą równoważności. Zgodnie z tą zasadą grawitacja nie jest wogóle siłą, a my tak naprawdę okłamujemy sami siebie. Kiedy jabłko spada z drzewa mówimy, że siła grawitacji Ziemi przyciągnęła to jabłko do siebie. A jest dokładnie odwrotnie, jabłko jest jak ten młotek i piórko z naszego przykładu, a przyspiesza Ziemia, wpadając na jabłko. Na codzień po prostu nie uświadamiamy sobie tego, że to nasze otoczenie przyspiesza.

   No i w ten sposób dotarliśmy do kolejnego tematu, a mianowicie, że tkwimy w świecie fikcyjnej, wyimaginowanej siły, jaką jest siła grawitacji.


2)  Siła grawitacji nie istnieje

   Tutaj mogą pojawić się pierwsze trudności w wyobrażeniu sobie plastycznej, pofaudowanej i marszczącej się czasoprzestrzeni (tej rybackiej siatki, o której wspominałem), którą Einstein umieścił we Wszechświecie i uznał, że to ona powoduje efekty, które jak sądziliśmy dotąd wywołane są przez grawitację. Rysunek ilustruje czasoprzestrzeń, zdeformowaną przez duże obiekty - planety, gwiazdy, czarne dziury, a dokładniej przez ich masę.


   Oczywiście twierdzenie, żę grawitacja nie istnieje budzi nasz nieskrywalny bunt, bo przecież uczyli nas o niej w szkołach i do dzisiaj funkcjonują w codziennej terminologii słowa przyciąganie ziemskie oraz siła grawitacji. Owszem, ale to wynika z naszych przyzwyczajeń, te fikcyjne siły: grawitacyjna i odśrodkowa, weszły tak głęboko w naszą świadomość, że nie łatwo przestawić się na inny sposób myślenia.
   Podobnie rzecz się ma z naszym trójwymiarowym światem, który Einstein zastąpił czterowymiarowym, którego wciąż nie umiemy sobie wyobrazić. W kontekście naszej poblokowanej wyobraźni często używam pewnej metafory, że "jesteśmy płaszczakami" jeśli chodzi o poziom rozwoju cywilizacyjnego. A skojarzenia te pochodzą z przykładu, który tu przytoczę: "..."






ciąg dalszy wkrótce





____________________
Przypisy
1) cyt. za: Richard P. Brennan, Na ramionach olbrzymów, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999, s.84
2) cyt. za: Marcus Chown, Teoria kwantowa nie gryzie, Zysk i S-ka Wydawnictwo, Poznań 2009, s.152

powrót do góry   kontakt