Teoria względnie trudna

Ks. Tomasz Jaklewicz

|

GN 07/2005

publikacja 16.02.2005 01:02

Opowiedziałem kiedyś uczniom na religii o Einsteinie i jego teorii. Pukali się w czoło. Nie uwierzyli. Wydało im się to zupełnie nieprawdopodobne. Jeszcze bardziej niż sam Pan Bóg.

Teoria względnie trudna

W 1905 roku 26-letni niemiecki fizyk, pochodzenia żydowskiego, obronił doktorat na Uniwersytecie w Zurychu. Nie uzyskał posady na żadnej wyższej uczelni. W tym samym roku opublikował artykuł, w którym przedstawił tzw. szczególną teorię względności. W ciągu kilku lat ten niewielki, 29-stronicowy tekst całkowicie zmienił obraz świata. Teoria względności stała się podstawowym filarem współczesnej fizyki. Jej twórca, Albert Einstein, okazał się najgenialniejszym uczonym XX wieku, a może i wszech czasów. Dla uczczenia 100. rocznicy ogłoszenia przełomowej teorii rok 2005 ogłoszono Rokiem Fizyki.
Najsłynniejszy Einsteinowski wzór E=mc2 znają dziś chyba wszyscy. A przecież to, co przewiduje teoria względności, tak bardzo kłóci się ze zdrowym rozsądkiem, że nadal wydaje się bardziej fantastyką lub magią niż nauką. Przeciętny człowiek ma trudności ze zrozumieniem, o co tu chodzi. Ponoć zapytano kiedyś Einsteina, „czy to prawda, że tylko dwie osoby na świecie rozumieją teorię względności”. Ten miał odpowiedzieć: „A kto jest tym drugim?”.

Względność zjawisk, (bez)względność policji
Te same rzeczy obserwowane z różnych miejsc wyglądają inaczej. Pewien góral żalił się, że jeśli w Warszawie spadnie pół metra śniegu, to radio podaje informację o katastrofie komunikacyjnej. Jeśli to samo stanie się w Zakopanem, mówi się, że w Tatrach panują znakomite warunki narciarskie. Do obserwowania zjawisk potrzebujemy układu odniesienia. W fizyce wszelkie pomiary dokonywane są względem określonego obserwatora. Policjanci namierzający radarem nasze auto, mierzą jego prędkość względem ziemi. Zwykle nie trafia do nich oczywisty argument, że względem ślamazarnego malucha poruszaliśmy się z prędkością zaledwie 50 km/h. Okazują się (bez)względni i dają mandat.
Co zaskakujące, zasada względności sformułowana przez Einsteina wcale nie oznacza, że „wszystko” jest względne. Wręcz przeciwnie, mówi ona, że prawa fizyki muszą być zachowane w różnych układach odniesienia. Liczby w równaniach fizyki będą różne, ale ostatecznie równanie musi być zachowane. Nie ma zatem takiego układu odniesienia, w którym przestaje obowiązywać na przykład prawo grawitacji. To pierwsze z założeń teorii Einsteina.

Światło – rekordzista nie do pobicia
Z okazji Einsteinowskiej rocznicy Międzynarodowy Instytut Fizyki zamówił u brytyjskiego choreografa balet inspirowany teorią względności. Przedstawienie będzie zatytułowane „Stała prędkość”. Pomysł ciekawy. Ale dlaczego taki dziwny tytuł?

Drugie podstawowe założenie Einsteina dotyczy światła i jego prędkości. Tutaj jest klucz do teorii względności. W naszym normalnym świecie obowiązuje prawo dodawania (odejmowania) prędkości. Jeśli jedziesz autem z prędkością 100 km/h, a samochód jadący z przeciwka porusza się z tą samą prędkością, to przy kolizji (co nie daj Boże!) pojazdy uderzą w siebie z prędkością 200 km/h. Okazuje się, że światło nie podlega temu prawu. Wyobraźmy sobie dwa sygnały świetlne z odległych gwiazd, które biegną naprzeciwko siebie. Każdy z nich ma prędkość c, czyli dokładnie 299 792 458 m/s. Ich prędkość względem siebie powinna wynosić 2 razy c, jak nakazywałby poprzedni przykład. Okazuje się jednak, że jest inaczej. Wynosi ona dokładnie c. Stwierdzono to doświadczalnie (tzw. doświadczenie Michelsona-Morleya). Prędkość światła rozchodzącego się w próżni jest stała i jest największą możliwą prędkością. Nic na świecie nie może poruszać się szybciej. Światło jest absolutnym rekordzistą.

Kłopoty z zegarkami
Einstein wyciągnął z tego faktu konsekwencje. Są one tak zaskakujące, że nadal budzą niedowierzanie. Jednym z dziwnych efektów zachodzących przy prędkościach bliskich prędkości światła jest wydłużenie czasu w układach poruszających się. Jeśli będziemy obserwować zegarek umieszczony w rakiecie poruszającej się z dużą prędkością, to stwierdzimy, że zegarek ten spóźnia się względem identycznego, znajdującego się na naszym ręku. O ile czas ulega wydłużeniu, to długość poruszającego się obiektu ulega skróceniu. Rakieta obserwowana w ruchu jest dla nas krótsza, niż gdyby leżała sobie spokojnie obok.

Słynny wzór E=mc2 (E – oznacza energię, m – masę, c – prędkość światła) opisuje związek między energią a masą. Opierając się na tym prostym równaniu, można wyjaśnić tak fantastyczne efekty, jak: istnienie antymaterii, wybuchy jądrowe, produkcję energii w gwiazdach, a nawet powstawanie wszechświata. Ten wzór otworzył drogę do produkcji bomby atomowej.

Szczególna teoria względności była początkiem. W roku 1915 Einstein opublikował tzw. ogólną teorię względności, zajmującą się układami poruszającymi się ruchem przyspieszonym. Dotychczasowe pojęcia czasu i przestrzeni uległy całkowitej zmianie. Czas i przestrzeń okazały się względne. Zmianie uległo pojęcie jednoczesności zdarzeń. Stworzone zostały mechanizmy umożliwiające opisanie ewolucji wszechświata.

Bóg nie jest wielkim Zegarmistrzem
Na przełomie XIX i XX wieku uczeni określali nieraz Boga jako „Wielkiego Zegarmistrza”, który wprawił w ruch maszynerię świata, a później się wycofał. Wszechświat okazał się tworem znacznie bardziej złożonym i tajemniczym niż maszyna. Nauka siłą rzeczy w nowym świetle ukazała nam jego Twórcę.
Nowe odkrycia w fizyce doprowadziły do zbliżenia między naukami przyrodniczymi a wiarą religijną.

Ksiądz Michał Heller, kosmolog i filozof, zauważa, że dzisiejszemu człowiekowi utrzymującemu kontakt z nauką łatwiej jest wierzyć niż jego poprzednikowi sto lat temu. Współczesna nauka jest bardziej pokorna. Daje poczucie ograniczoności naszej wiedzy i uczestnictwa w czymś, co nas przerasta.
Pisał Albert Einstein: „Chcę wiedzieć, jak Bóg stworzył ten świat. Nie interesuje mnie to czy inne zjawisko, pod kątem tej czy innej części składowej. Chcę poznać Jego myśli, reszta to szczegóły”.

Przy pisaniu tekstu korzystałem z opracowania M. Dyszyńskiego, www.daktik.rubikon

Dostępna jest część treści. Chcesz więcej? Zaloguj się i rozpocznij subskrypcję.
Kup wydanie papierowe lub najnowsze e-wydanie.