Za co czcimy Einsteina

Autor: Sajuuk'khar
9 stycznia 2007

Fizyka teoretyczna jest to, jak wiadomo, dziedzina nauki badająca prawa rządzące wszechświatem, bez potężnego wsparcia eksperymentalnego, interpretująca dostępne dane za pomocą warsztatu matematycznego. Pomimo wielu niejasności i wysokiego stopnia skomplikowania, ta gałąź nauki cieszy się niezwykłą popularnością nawet wśród laików. Autorytet czołowych naukowców zajmujących się fizyką teoretyczną nie ulega wątpliwości – bowiem kto nie słyszał o Albercie Einsteinie czy Stephenie W. Hawkingu? Czytając książkę tego ostatniego badacza, mającego opinię guru w swojej dziedzinie, natknąłem się na ciekawe objaśnienie podstaw tego, co dziś stanowi normę w badaniu wszechświata, ekwiwalent biologicznej teorii ewolucji.

Mam tu na myśli szczególną teorię względności opracowaną przez Einsteina. Chcąc dobrze zrozumieć jej zasady, musimy wyobrazić sobie jezioro o gładkiej tafli wody, do którego wpada kamień. W efekcie powstaje wiele okrągłych fal, które rozchodzą się coraz dalej, aż rozszerzą się na cały zbiornik. Jezioro jest w rozumieniu fizyki układem o trzech wymiarach – dwóch przestrzennych (długość i szerokość) oraz jednym czasowym. W poniższym rysunku przestrzeń odpowiada osi poziomej, a czas pionowej, więc zmarszczki na tafli jeziora rosną, jednocześnie przesuwając się do góry, tworząc stożek.

Stożek

To jest właśnie stożek świetlny przyszłości – kształt na wykresie, mający umożliwić wyobrażenie sobie wszechświata w inny niż dotychczas sposób. Fale na jeziorze są światłem podróżującym od źródła – gwiazd – przez pustkę przestrzeni kosmicznej. Jak wiemy, światło przemieszcza się z maksymalną dozwoloną prędkością, czyli 300 tys. kilometrów na sekundę, a ze słynnego równania Einsteina E = mc2 wynika, że większa szybkość wymagałaby posiadania nieskończonej energii, co jest raczej wykluczone. Światło przemieszcza się więc najszybciej, ale relatywnie wolno w skali całego wszechświata. Obszar, jaki objęło swoim zasięgiem, znajduje się w stożku światła przyszłości, w nim znajduje się całość rzeczy możliwych do zobaczenia z punktu P na wykresie, z miejsca obserwacji. Istnieje też stożek światła przeszłości, określający zasięg wszystkiego, co mogło dotrzeć do punktu P z prędkością światła.

Znając zasadę stożka świetlnego, wiemy już, dlaczego nie można zobaczyć wszystkich gwiazd we wszechświecie. Oczywiście poza odległością przeszkodzi nam prędkość światła, bo od początku wszystkiego, tzn. Wielkiego Wybuchu, minęło około 15 miliardów lat (Ziemia istnieje 4,6 miliarda lat). Odległość, jaką możemy objąć za pomocą nawet najlepszych przyrządów obserwacyjnych, to maksymalnie 15 miliardów lat świetlnych, czyli tyle, ile podróżuje światło przez taki czas. Dziś wiemy, że wszechświat jest znacznie większy od tego, co widzimy, ponieważ tempo jego rozszerzania się znacznie przewyższa prędkość światła.

Wszystko, co znajdują się poza stożkiem świetlnym, jest tym, gdzie nie dotarło jeszcze światło, a więc dla nas, obserwatorów nie istnieje i nie ma wpływu na to, co się dzieje tu i teraz. Hawking podaje przykład Słońca, które nagle przestaje świecić, ktoś na Ziemi mógłby to zauważyć dopiero po ośmiu minutach od tego faktu, gdyż tyle zajmuje światłu pokonanie dystansu między Słońcem a naszą planetą. Obserwator musiałby poczekać aż znajdzie się we wnętrzu stożka świetlnego tego zdarzenia, by odczuć efekty zgaśnięcia Słońca. Ta sama zasada powoduje, że gwiazdy widoczne na niebie są obrazem przeszłości – dzieli nas od nich dystans, który światło pokonuje setki, tysiące, a nawet miliony lat, nim obejmie ich nas stożek świetlny.

To są podwaliny „szczególnej teorii względności”. Ale czy coś tu się nie wydaje dziwne? Einstein też prawdopodobnie tak sądził, bowiem wiedział o sile, której zdefiniowanie przypisuje się Izaakowi Newtonowi, dzięki domniemanej przygodzie z jabłkiem spadającym mu na głowę. Siła grawitacji, bo ona zmusza obiekty do wzajemnego przyciągania, wydaje się przeczyć temu, co odkrył Einstein, bo przecież działa natychmiast. Kometa zbliżająca się do Słońca nie musi czekać aż ją obejmie oddziaływanie grawitacyjne gwiazdy, ono po prostu działa. Jak to zostało wyjaśnione?

Otóż grawitacja nie jest podobna do innych sił, na przykład oddziaływań elektrycznych, bowiem nie działa za pośrednictwem cząstek elementarnych, ale w oparciu o samą właściwość przestrzeni. Ową przestrzeń można przyrównać do trampoliny, na której leży jakiś ciężar, na przykład kula do kręgli. Jej masa powoduje, że trampolina staje się w tym miejscu wklęsła i rozciągnięta. Jeśli położymy obok mniejszą kulkę, ta stoczy się w zagłębienie. Jeśli przestrzeń wszechświata jest taką trampoliną, to ciężarami odkształcającymi jej powierzchnię będą gwiazdy, planety i wszystkie mające masę obiekty. Grawitacja to nic innego jak siła zmuszająca te obiekty do „staczania się” w miejsca odkształcenia.

Fakt, iż „szczególna teoria względności” wraz z jej stożkiem świetlnym oraz siła grawitacyjna nie zaprzeczają sobie jako koncepcje fizyczne, a nawet współtworzą spójny obraz wszechświata jako teoria względności, stanowi o prawdziwym geniuszu jej twórcy, Alberta Einsteina. Dzięki temu odkryciu, a także wielu innych z dziedziny fizyki teoretycznej, możemy cieszyć się spójną wizją wszechświata, jednak to jeszcze nie koniec badań. Na przyszłych naukowców czeka jeszcze Święty Graal fizyki – teoria wszystkiego, która połączy wszystko to, co wiemy i kiedykolwiek się dowiemy o zasadach rządzących we wszechświecie.



blog comments powered by Disqus