Wielce Szanowni Państwo!

W listopadzie roku bieżącego przypada setna rocznica opublikowania ogólnej teorii względności, idei której waga porównywalna jest z Principiami1 sir Issaca. Takiej okazji CXNews nie mógł zignorować. Przyjrzyjmy się zatem, jak do tego doszło.

Wszystko zaczęło się w roku 1905, przez historyków nauki zwanym annus mirabilis, w którym to Einstein popełnił kilka prac demolujących dobrą starą fizykę. A było to tak:

W marcu wyjaśnił efekt fotoelektryczny. Fizycy zauważyli, że pod wpływem światła materia emituje elektrony, ale by zjawisko to w ogóle zachodziło, częstotliwość światła musi być większa od pewnej granicznej charakterystycznej dla materiału. Na podstawie obowiązującej klasycznej teorii uznającej światło za fale, nijak nie dało się tego wyjaśnić. Nasz bohater sięgnął więc do świeżej koncepcji Maxa Plancka2, zgodnie z którą energia może być emitowana i absorbowana w ściśle określonych porcjach zwanych kwantami. Założył, że „wybicie” elektronu wymaga wykonania określonej ‘pracy wyjścia’, zaś światło jest strumieniem cząstek (w oryginale Lichtquanten), o energii zależnej od częstotliwości. W takim ujęciu efekt fotoelektryczny stał się jasny i zrozumiały, zaś owe Lichtquanten zwiemy dzisiaj fotonami. W fizyce zapoczątkowało to prace nad dualizmem korpuskularno-falowym3, zaś autorowi przyniosło nagrodę Nobla w 1921 roku.

W maju opublikował pracę dotyczącą ruchów Browna4, dającą weryfikowalne przewidywania dotyczące hipotezy atomowej. To nudne wynurzenia statystyczne, ale dosyć powiedzieć, że ich obserwacyjne potwierdzenie ostatecznie rozstrzygnęło, iż materia składa się z atomów, co w owym czasie wcale nie było oczywiste.

W czerwcu ukończył szczególną teorię względności głoszącą, że czas i przestrzeń zachowują się w sposób nieoczekiwany i trudny do wyobrażenia – mianowicie, że odległości, prędkości i upływ czasu zależą od obserwatora, są zatem względne.

We wrześniu zaś wyprowadził z niej najsłynniejsze równanie świata: E=mc2.

Następstwem szczególnej teorii względności jest nieprzekraczalność prędkości światła. Stoi w sprzeczności z teorią powszechnego ciążenia Newtona, według której grawitacja działa natychmiast na dowolne odległości. Einstein postanowił ową sprzeczność usunąć. Wymagało to sięgnięcia do bardzo zaawansowanej matematyki, np.: geometrii nieeuklidesowej, przestrzeni Riemanna, rachunku tensorowego i zajęło mu niemal dekadę. Efektem była ogólna teoria względności, ujmująca grawitację w sposób absolutnie nowatorski – jako zakrzywienie czasoprzestrzeni przez masy „zanurzonych” w niej obiektów.

W odróżnieniu od fizyki klasycznej, przestrzeń i czas przestały być niezależnymi bytami i biernym tłem dla rozgrywającego się spektaklu natury. Czasoprzestrzeń wchodzi w interakcję z obiektami – zależy od ruchu ciał i równocześnie nań wpływa. W tym ujęciu paradoks błyskawicznych oddziaływań grawitacyjnych znika, gdyż masa deformuje przestrzeń, zaś przestrzeni ograniczenie prędkości światła nie dotyczy.

Jedną z konsekwencji zakrzywienia czasoprzestrzeni winno być ugięcie toru światła w pobliżu obiektów o dużej masie, np. gwiazd. Toteż, kiedy w 1919 roku obserwacje astronomiczne potwierdziły, iż w rzeczy samej tak się dzieje, Einstein awansował do roli supergwiazdy.

Zmęczony Wielką Wojną świat potrzebował pozytywnego przesłania, a dobroduszny, nieco roztargniony geniusz znakomicie się do tego nadawał. I do dzisiaj gdy mówimy: uczony, podświadomość podsuwa nam Jego podobiznę. Inną, również potwierdzoną obserwacyjnie, konsekwencją teorii względności jest spowolnienie upływu czasu dla obiektów będących w ruchu oraz w pobliżu wielkich mas.

W praktyce oznacza to, że spacerując po molo w Sopocie starzejemy się wolniej niż siedząc na Giewoncie. Płynie stąd rada dla lubiących widoki z góry: jeżeli chcecie dłużej pożyć, wybierzcie raczej awiację niż taternictwo. Zawsze urwiecie tych parę mikrosekund.

Tak, tak, Moiściewy! Kiedy więc przy śniadaniu pacnie Wam kromka na podłogę, pamiętajcie: to nie Ziemia ją przyciągnęła! Ona wdzięcznie zjechała po zawijasie czasoprzestrzeni. I nie traćcie ducha! Dogłębne wyjaśnienie dlaczego zwykle kończy się to masłem w dół, wciąż czeka na swojego Einsteina.

Życzę Państwu Wesołych Świąt i Dosiego Roku. Z.M.

Bibliografia: 1. Isaac Newton, Philosophia Naturalis Principia Mathematica, London 1687 2. 1900 – Max Planck w pracy o promieniowaniu ciała doskonale czarnego wprowadził pojęcie kwantów energii 3. Cecha obiektów kwantowych (np. fotonów), mogących przejawiać własności falowe (np. dyfrakcja) lub korpuskularne (np. efekt fotoelektryczny) 4. To statystyczny opis przypadkowych ruchów cząstek pyłu, w pracy tej wykorzystał obliczenia polskiego fizyka Mariana Smoluchowskiego