Początek. Jim Baggott

      RYSUNEK 1. Nieruchomy obserwator w sytuacji (a) widzi dwie błyskawice uderzające jednocześnie, ponieważ prędkość światła jest tak duża, że wydaje się, iż światło dociera do niego natychmiast. Jednak w sytuacji (b) obserwator, który porusza się z prędkością stanowiącą znaczny ułamek prędkości światła, zauważa coś innego. Jest rozpędzony do połowy prędkości światła i przemieszcza się z lewej strony na prawą, toteż gdy dociera do niego światło błyskawicy uderzającej po lewej stronie, zdąży już przesunąć się w prawo. Światło błyskawicy uderzającej po prawej stronie ma do pokonania krótszą drogę. W rezultacie obserwator znajdujący się w sytuacji (b) dostrzega najpierw błyskawicę po prawej stronie.

      Ty widzisz błyskawice uderzające równocześnie. Ja nie. Kto ma rację?

      Ty masz rację i ja mam rację. Zasada względności jednoznacznie stwierdza, że prawa fizyki muszą być takie same, niezależnie od względnego ruchu obserwatora, oraz że nie możemy posłużyć się jakimikolwiek pomiarami wielkości fizycznych, aby stwierdzić, kto z nas, Ty czy ja, jest w ruchu.

      Nie mamy wyboru, zmuszeni jesteśmy wysnuć wniosek, że nie ma czegoś takiego jak absolutna równoczesność. Nie istnieje wyróżniony lub uprzywilejowany układ odniesienia, w którym moglibyśmy ogłosić, że zdarzenia te zaszły w tym samym momencie. Mogły zajść jednocześnie w jednym układzie odniesienia, a w innym – w różnych momentach, a wszystkie układy są równoważne. W rezultacie nie możemy mówić o „rzeczywistym” lub absolutnym czasie. Z czegoś trzeba zrezygnować. Postrzegamy zdarzenia w różny sposób, ponieważ czas jest pojęciem względnym.

      Einstein opracował podobny zestaw argumentów mających ukazać, że przestrzeń jest również pojęciem względnym. Dziwaczne implikacje szczególnej teorii względności są stosunkowo dobrze znane. Jeżeli prędkość światła jest stała, a prawa fizyki mają obowiązywać wszystkich obserwatorów we Wszechświecie, oznacza to, że interwały czasowe (czasy trwania) mogą ulegać wydłużeniu, natomiast interwały przestrzenne (odległości) – skróceniu. Oznacza to, że pomiary czasu trwania i odległości prowadzone przez obserwatorów poruszających się z różnymi prędkościami będą dawać różne wyniki.

      Jednak nie wszystko jest stracone. Wydłużanie czasu trwania i skracanie odległości są niczym dwie strony tej samej monety. Są powiązane przez prędkość obserwatora dokonującego pomiarów w odniesieniu do prędkości światła. Jeśli teraz połączymy przestrzeń i czas w jedną czterowymiarową czasoprzestrzeń, mierzone w niej interwały pozostają niewrażliwe na względność. W odniesieniu do interwałów czasoprzestrzennych wydłużanie czasu trwania jest kompensowane przez skracanie odległości i vice versa.

      Czy to oznacza, że choć przestrzeń i czas są względne, czasoprzestrzeń jest absolutna? Pogląd ten podzielają niektórzy współcześni fizycy. Inni zgłaszają sprzeciw. Dla nas ważne jest, abyśmy zdali sobie sprawę, że musimy porzucić nasze przesadnie uproszczone, zdroworozsądkowe pojęcia o niezależności przestrzeni i czasu oraz zaakceptować fakt, iż w naszym Wszechświecie przestrzeń i czas są nierozerwalnie złączone.

      MASA I ENERGIA

      Artykuł Einsteina z 1905 roku, w którym opisał szczególną teorię względności, zapierał dech w piersi swą prostotą, lecz niósł jednocześnie głębokie implikacje. Einstein miał jednak świadomość, że nie wyczerpał tematu. Kontynuował rozważanie konsekwencji własnej teorii i już kilka miesięcy później opublikował w tym samym piśmie krótki aneks.

      W tym drugim artykule rozważał sytuację, w której poruszający się obiekt emituje dwie wiązki światła w przeciwnych kierunkach. Energia początkowa obiektu w całości jest energią ruchu (nazywamy ją energią kinetyczną). Każda wysłana przez obiekt wiązka światła niesie taką samą ilość energii, równą 1/2E. Ponieważ obowiązuje zasada zachowania energii, energia kinetyczna obiektu musi zmniejszyć się o wartość równą E. To ma sens. Światło unosi ze sobą energię, która skądś musi pochodzić.

      Następnie wyobraził sobie, jakich pomiarów dokonałoby dwóch różnych obserwatorów, jeden poruszający się wraz ze „spoczynkowym układem odniesienia” badanego obiektu (czyli dotrzymujący kroku obiektowi w taki sposób, że wydawałoby się, iż pozostają wobec siebie w spoczynku), i drugi, poruszający się ze stałą prędkością względem tego układu odniesienia. Obserwatorzy mierzą różnicę energii badanego obiektu, porównując jej wartość sprzed i po emisji światła. Einstein odkrył, zapewne nie postrzegając tego jako niespodzianki, że różni obserwatorzy uzyskują różne wyniki.

Po wykonaniu kilku przekształceń algebraicznych otrzymał wyrażenie matematyczne, z którego mógł wysnuć zdumiewający wniosek. Energia wiązek światła pochodzi z energii kinetycznej emitującego światło obiektu, której wartość zależy od masy i prędkości obiektu5. Na podstawie różnicy między dwoma zestawami wyników Einstein wydedukował, iż energia unoszona przez wiązki światła nie jest czerpana z prędkości obiektu (czego można by oczekiwać), ale z jego masy.

      Z przeprowadzonego przez Einsteina rozumowania wynikało, że jeśli całkowita energia unoszona przez wiązki światła jest równa E, to masa (m) obiektu musi zmniejszyć się o wartość ilorazu energii (E) i kwadratu prędkości światła (c2). Nie ma znaczenia, jaki obiekt obejmiemy naszymi rozważaniami: wynik jest natury ogólnej, o powszechnym zastosowaniu. Masa bezwładna obiektu (będąca miarą jego oporu wobec przyspieszania) jest również miarą zawartej w nim energii.

      Dzisiaj zapewne pospiesznie dokonalibyśmy przekształcenia równania z pracy Einsteina, aby uzyskać kultowy wzór E = mc2. Sam uczony jednak tego nie uczynił. Choć nie był pewny, czy kiedykolwiek uda się to zweryfikować eksperymentalnie, gotów był rozważać, że pewnego dnia da się zaobserwować przemianę masy w energię w wypadku takich substancji promieniotwórczych jak rad.

      Szczególna teoria względności zaciera nasze zdroworozsądkowe pojmowanie fizycznej rzeczywistości przestrzeni i czasu, materii i energii. Przestrzeń i czas są względne, przestrzeń definiowana jest przez obiekty, które w niej się znajdują, czas definiowany jest przez zachodzące w tej przestrzeni zdarzenia, lecz czasoprzestrzeń może być absolutna. Masa jest energią, a z energii można przejść do masy. Niezwykle ważne jest to, aby przyjąć do wiadomości modyfikacje tych powszechnie stosowanych pojęć, jeśli mamy dokładnie zrozumieć, czym było to, co wzięło swój początek z Wielkiego Wybuchu.

      Przed nami jednak jeszcze jedna modyfikacja, którą musimy wprowadzić. Czasoprzestrzeń i masa/energia nie istnieją całkowicie niezależnie od siebie. Splatają się ze sobą w pełnym elegancji tańcu, opisywanym przez ogólną teorię względności Einsteina.

      GRAWITACJA I GEOMETRIA

      Grawitacja jest doskonale znaną siłą, z którą mamy do czynienia na co dzień. Kiedy coś upuszczę, spada na ziemię. Dzieje się tak dlatego, że na ciało działa siła grawitacji. Zmagamy się z tą siłą każdego ranka, gdy wstajemy z łóżka. Walczymy ze skutkami jej działania zawsze, gdy próbujemy podnieść jakiś ciężki przedmiot. Kiedy przewracamy się i ścieramy skórę na kolanie, to właśnie grawitacja zadaje nam cierpienie. Tak dobrze znamy efekty jej obecności, że kuszące jest przyjęcie założenia, iż nauka już dawno temu znalazła odpowiedź na wszystkie związane z nią pytania.

I rzeczywiście, w szkole uczymy się o prawie powszechnego ciążenia Newtona. Ciała przyciągają się wzajemnie siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi6.