"Dosud jsme princip relativity, tj. předpoklad nezávislosti přírodních zákonů na stavu pohybu vztažného systému, užívali jen pro vztažné systémy prosté zrychlení. Je myslitelné, že by princip relativity platil také pro systémy, které jsou k sobě navzájem relativně zrychlené?"


Co je zde jakoby mimoděk vyjádřeno v střízlivých větách, je ve skutečnosti srovnatelné s úderem na tympány, jehož ozvenu lze ve výzkumních institutech zaslechnout dodnes. Einstein tu položil základ svého hlavního díla, o osm let později završené obecné teorie relativity. Jak dlouho už přemýšlel o tomto zobecnění speciální teorie relativity, není známo. Jeho formulace ovšem dokazují, že do tohoto problému už pronikl velmi hluboko. Už tuší, že gravitace (stejně jako pohyb) zpomaluje čas. A předvídá už také efekt, jehož ověření během zatmnění Slunce v roce 1919 založí jeho světovou slávu: "Z toho vyplývá, že světelné paprsky (...) jsou zakřivovány gravitačním polem."

.

Einstein se jednou nechal slyšet, že ve srovnání s obecnou teorií relativity byla práce na její "speciální" předchůdkyni dětskou hrou. Bez ní by však její mladší, "obecnou" sestru nikdy nemohl rozvinout. V roce 1905 připravil prostor a čas o jejich absolutní charakter. Relativizoval je, když povýšil rýchlost světla na míru všech (pohybujících se) věcí. Umožnil, aby se v rovnicích matematika Hermanna Minkowského slily v jediný čtyřdimenzionální časoprostor. Hlavou mu projížděli superrychlé vlaky, díky nimž dostala současnost událostí nový smysl. Rozpoznal, že elektrické a magnetické pole jsou dvěma stranami jedné mince. Ideu éteru jako nosného média pro světlo a všechny ostatní elektromagnetické vlny prohlásil za zbytečnou. A konečně objevil vztah mezi hmotností a energií a shrnul jej v rovnici E=mc2.




Einsteinova kariéra: Proč je nebe modré?
Anatomie jednoho objevu: Jak Einstein došel k obecné teorii relativity
/Jürgen Neffe: Einstein/

Geometria, mnohými považovaná za rýdzo matematickú disciplínu, veľmi úzko súvisí s úplne fundamentálnymi teóriami modernej fyziky. Napríklad taká teória relativity nie je vlastne nič iné ako geometria štvorrozmerného časopriestoru.

Konštantná rýchlosť svetla nám umožňuje previesť meranie času na meranie dĺžky... Čas a dĺžka sú do istej miery zameniteľné... Podľa špeciálnej teórie relativity čas a priestor nielenže môžu, ale priam musia tvoriť spoločný časopriestor... Náš svet je štvorrozmerný a Pytagorova veta je v ňom skomolená.

Vo všeobecnej teórii relativity môže byť štvorrozmerný časopriestor s čudnou geometriou ešte aj zakrivený. (...) Zakrivenie je dané rozložením hmoty, ktorá sa v tomto časopriestore nachádza. Vzťah medzi zakrivením časopriestoru a rozložením hmoty je daný takzvanou Einsteinovou rovnicou.  Toto zakrivenie určuje tvar najjednoduchších čiar v danom časopriestore. Pod najjednoduchšími čiarami sa myslia najkratšie spojnice nejakých bodov. Práve po týchto čiarach sa pohybujú telesá, na ktoré pôsobia jen gravitačné sily.

Podstata Einsteinovej všeobecnej teórie relativity je vlastne jednoduchá: hmota hovorí časopriestoru (prostredníctvom Einsteinovej rovnice), ako sa má zakrivovať, a časopriestor hovorí hmote (prostredníctvom tvaru najjednoduchších čiar), ako sa má pohybovať. Najzaujímavejšie na tom celom je, že hoci ide o teóriu gravitácie, samotná gravitačná sila do hry vôbec nevstupuje. Všetky gravitačné javy sú len dôsledkami geometrie zakriveného časopriestoru. 

To, že sa Einsteinovi podarilo zredukovať gravitáciu na čistú geometriu, (...) je považované za jeden z najhlbších výsledkov celej fyziky a všeobecná teória relativity sa práve vďaka geometrizácii gravitácie zaslúžene teší povesti najelegantnejšej fyzikálnej teórie všetkých čias.


(martin mojžiš: časopriestor, .týždeň 26/2006)

. 

Paradox dvojčat: Pri tomto myšlenkovém experimentu putují dvojčata - říkejme jim třeba Tim a Tom - časoprostorem velmi odlišnými cestami. Tim nasedne do superrychlé rakety a vzdaluje se téměř rychlostí světla od Země, na které zanechá svého bratra Toma. Pro něj jdou nyní Timovy hodiny o hodně pomaleji. To znamená, že Tim také stárne výrazně pomaleji než jeho bratř. Po roce cesty se Timova raketa otočí a po dalším roce opět přistane na Zemi. Ke svému překvapení Tim zjistí, že jeho dvojče Tom nezestárl o dva, ale o celých 20 let. Paradox spočívá v tom, že podle principu relativity museli jít pro Tima opačně také hodiny jeho bratra pomaleji, a tudíž by měl být také on mnohem starší než Tom. Jak se dá vysvětlit tento podivný rozpor?

Einsteina samotného stálo mnoho úsilí přijít paradoxu dvojčat na kloub. Ještě v roce 1919 má potíže zkusit to elegantní cestou, kterou bez problémů připouští Minkowského matematický formalismus. Minkowski začal i v matematickém světě seriózně počítát se čtvrtou dimenzí, o které sa Einstein už v mládí dočetl u Felixe Ebertyho, totiž "že už nemůžeme prostor a čas chápat jako dva navzájem různé pojmy."

Minkowského ideu a řešení paradoxu dvojčat lze nejpřístupněji přiblížit analogií mezi prostorem a prostoročasem, tedy mezi trojrozměrným a čtyřrozměrným světem. Představme si místnost s balonkem a připusťme, že balonek urazí v místnosti dráhu přesně jeden metr. Může se pohybovat ve třech směrech - do výšky, délky nebo šířky. Čím výše letí, tím méně se mění jeho poloha dopředu nebo vzad, resp. vpravo nebo vlevo. Pokud stoupá kolmo vzhůru, urazí celou vytčenou dráhu jednoho metru pouze v jedné dimenzi. Na oba vodorovné rozměry pak nezbude vůbec nic. Pokud se ale balonek pohybuje jenom v ploše, tedy pokud se koulí po podlaze, vertikální dráha zůstane nulová.

Čas jako čtvrtý rozměr je kolmý na tři zbylé osy, podobně jako je v prostoru výška kolmá na dvě dimenze plochy. Vzdálenosti v prostoročasu se skládají ze čtyř dimenzí. Čím více se pohybujeme v jedné z nich, tím méně zbývá pro ty ostatní.

Pokud se těleso nachází v klidu, tj. nepohybuje se v žádné ze tří prostorových dimenzí, odehrává se jeho veškerý pohyb v časové ose. Takové těleso prostě jenom stárne, stejně jako my všichni včetně malého Alberta sedícího v křesle a ponořeného do četby oblíbené knihy. Jakmile ovšem Bertík vstane a projde se po místnosti nebo vyjde nahoru po schodech do patra, mění se jeho pozice v prostoru. Čím rychleji se vzdaluje ze svého stanoviště - ve vztahu k domu, v němž se nachází, nebo k celé Zemi jakožto vztažným systemům - tedy čím větší vzdálenost urazí ve třech prostorových dimenzích, tím menší podíl na celkovém pohybu časoprostorem zbude na čas. Celková dráha se totiž skládá z délky, šířky, výšky a času. Co připadne na prostor, chybí v čase, podobně jako v trojrozměrném prostoru chybí výšce to, co se odehraje v plošných dimenzích.

V porovnání se vzdálenostmi, které urazí světlo, jsou všechny vzdálenosti, které je člověk schopen překonat, i kdyby letěl tryskovým letadlem, tak mizivé, že se prakticky pohybujeme pouze po časové ose. Prostě je nepřetržitě stárneme.

Světlo samotné, které se pohybuje na stejné úrovni jako čas, urazí veškerou dráhu časoprostorem jen ve třech prostorových dimenzích - podobně jako se balonek kutálející se po podlaze místnosti pohybuje pouze ve dvou plošných rozměrech. Na poslední dimenzi - výšku u balonku a čas u světla, nezbude vůbec nic. Protože se částice světla nepohybují v čase, nýbrž s časem, můžeme říct, že nestárnou. "Nyní" pro ně znamená totéž jako "věčně". "Žijí" navždy ve svém okamžiku. Sluneční hodiny stojí jako zmražené.

A protože my se naopak neustále nacházíme prakticky v klidu, pohybujeme se výhradně na časové ose.

Pozemšťan Tom stárne skutečně mnohem rychleji než jeho časoprostorem se řítící bratr Tim. Tom se totiž jako zápecník pohybuje jenom v čase a jeho světočára kopíruje časovou osu. Naproti tomu Tim, který cestoval vysokou rychlostí, urazil významnou část své dráhy v prostorových dimenzích a jeho světočára se od časové osy výrazně odchýlila. Proto také "spotřeboval" méně času a po návratu byl vzhledem k svému vztažnému systému - Zemi - skutečně mladší.

"V prostoročasu před námi leží minulost, současnost a budoucnost nehybně rozprostřeny jako slova na stránkách knihy." (Banesh Hoffmann)

Kosmická loď, která sviští vesmírem téměř tak rychle jako světlo, má více hvězd před sebou než za sebou. (...) Světlo hvězd nacházejících se za lodí totiž může cestovat také "jen" rychlostí světla, a nemůže tedy stejně rychle se pohybující loď dohnat.

"Princip relativity v souvislosti z Maxwellovými rovnicemi vyžaduje, aby hmotnost byla přímo úměrná v tělesu obsažené energii; světlo přenáší hmotnost." (...) Energie se rovná hmotnosti vynásobené čtvercem rychlosti světla (E = mc2). Tato rovnice představuje doslova rozbušku. Popisuje totiž neskutečný energetický potenciál štěpení jader atomu. (...)

Protože Einstein intenzivně přemýšlí o vzájemné souvislosti energie a hmoty, neobjeví jejich ekvivalentnost. Ta vyplývá, a to je pozoruhodné, čistě logicky ze speciální teorie relativity. Abychom zrychlili hmotu, je nutné vynaložit energiii. Čím rychleji se daná hmota už pohybuje, tím více energie je zapotřebí k jejímu dalšímu zrychlení. Abychom hmotné těleso katapultovali na rychlost světla, museli bychom vynaložit nekonečně mnoho energie. Proto se žádný předmět, který má "klidovou hmotnost" (nebo setrvačnost), nemůže pohybovat rychlostí světla. Možné to je iba v myšlenkovém experimentu. Oproti tomu fotony klidovou hmostnost nemají. Jejich veškerá hmotnost spočívá v pohybové energii. Jen částice tohoto typu mohou cestovat nejvyšší možnou rychlostí - bok po boku s časem. 

Prostřednictvím rovnice E = mc2 se speciální teorie relativity stává svého druhu nejsložitějším zjednodušením světa. (...) Sjednocením energie a hmoty se Einsteinovi podařilo něco jako kvadratura světla. Ta ukazuje, jaké nesmírné množství energie vězí ve hmotě. Že tento vztah zatím nikdo neobjevil, má jednoduchý důvod: Energie je ve hmotě skrytá tak hluboko, že není měřitelná. (...) Hmotnost, kterou stowattová žárovka vyzáří za 100 let, je nižší než tři stotisíciny gramu. Z tohoto příměru lze vytušit nesmírnou energii, která je skryta i v těch nejmenších kouscích hmoty.

Působivou demonstraci přeměny hmoty na energii předvádí každý den Slunce: Miliony tun hmoty se v něm přeměňují na gigantické množství zářivé energie...

Kvadratura světla: Proč musel Einstein objevit teorii relativity
/Jürgen Neffe: Einstein/

Protože Einstein bezpodmínečně trvá na principu relativity a na konstantní rychlosti světla, položí si ve své práci otázku, "co zde chápeme pod pojmem 'čas' ". Vzápětí si sám odpoví: "Musíme vzít v úvahu, že všechna naše tvrzení, ve kterých hraje roli čas, jsou vždy tvrzení o současných událostech . Když například řeknu: 'Vlak přijede v 7 hodin,' znamená to vlastně: 'Malá ručička mých hodinek ukazující na 7. hodinu a příjezd vlaku jsou současné události.' "

Nikdy předtím a ani potom nezdobili takto jednoduché věty dílo takové hloubky. Einstein udělá ze samozřejmostí senzaci. Jeho teorie se stane nejen základem celé moderní fyziky, nýbrž hluboce otřese také naším chápáním přírody a vesmíru.

Suvislosti, které uvádí, přitom nesou rysy vznešené jednoduchosti. Dají se ozřejmit pomocí myšlenkových experimentů, v nichž hrají hlavní roli pozorovatelé na nástupišti a ve vlaku, v Einsteinově době nejrychlejším dopravním prostředku. Einstein například vyzve svého čtenáře, aby si představil, že podél kolejí jsou ve stejné vzdálenosti od pozorovatele na peroně instalovány dvě zábleskové lampy. Pokud čekající visí oba záblesky v týž okamžik, jsou pro něj současné. S cestujícím ve vlaku se to má ale jinak: Během chvíle, kdy jej záblesky dostihnou, se posune o kousek dále. Protože se od jednoho světla vzdaluje a ke druhému se blíží, zaznamenává záblesk lampy, ke které se blíží, dřívě než záblesk té, od které se vzdaluje. Ze svého pohledu může stejným právem tvrdit, že světla se nerozzářila současně. Pokud se celý příměr obrátí, získáme stejný obraz: Připevníme-li lampy na předním a zadním konci vlaku, blesknou pro cestujícího ve vagoně ve stejnou chvíli, avšak pozorovatel na nástupišti mezi nimi zaznamená časovou prodlevu. Cestující a čekající se tedy nemají šanci shodnout na čase, ve kterém se záblesky odehrály. Co jeden považuje za prodlevu mezi záblesky, druhý vnímá jako jeden a tentýž okamžik.

Mimořádně břitkou myšlenku, kterou Einstein rozetne jak mečem gordický uzel rozporů svazujících po dlouhá léta fyzikální teorii, lze shrnout do lapidárního tvrzení: Současnost je relativní. Na celém světě neexistuje žádný okamžik, který by bylo možné nazvat "teď".

(...)

Připušťme, že ve vlaku jede basketbalista, který dribluje míčem. Z pohledu pozorovatele ve vlaku létá míč svisle nahoru a dolů mezi podlahou vlaku a rukou hráče. Když ale někdo sleduje dráhu míče z nástupiště, kolem kterého vlak sviští, vidí jeho dráhu jako klikatou linii. Míč nelétá jen nahoru a dolů, ale také do strany spolu s vlakem. Viděno z vnějšku, a to je další důležitý bod, musí míč urazit delší dráhu, než když jej sledujeme uvnitř vlaku.

Nyní si spolu s Einsteinem představme místo basketbalisty a míče zařízení, v němž poskakuje světelný bod nahoru a dolů mezi dvěma zrcátky. Výsledkem je podobný obraz: Pro cestujícího světelko poskakuje svisle nahoru a dolů. Při pohledu z nástupiště opisuje, pokud jede vlak dost rychle, klikatou dráhu. (...) Pozorováno zvnějšku musí světlo urazit delší dráhu, než když se díváme zevnitř. Z toho by mohl pozorovatel na nástupišti usoudit, že ve vlaku je rychlost světla větší. To ovšem Einstein kategoricky vylučuje. Z této situace existuje pouze jediné východisko: Protože světlo potřebuje na překonání delší dráhy víc času, musí se z perspektivy nástupiště hodiny ve vlaku opožďovat. Čas ubíha v pohybujícím se systému vzhledem k systému nacházejícímu se v klidu pomaleji. Tento jev se označuje jako časová dilatace.

Čím rychleji jede vlak, tím protáhlejší se při pohledu zvnějšku zdá být klikatá linie světelného bodu a tím pomaleji jdou hodiny. Při dosažení rychlosti světla přestane světélko úplne poskakovat a hodiny ve vlaku se při pohledu z nástupiště zastaví. To přesně odpovídá příměru se slunečními hodinami, jejichž obraz k nám putuje rýchlostí světla jakoby zmražený. (...)

Symetrie zůstává zachována. Pro jedoucího jdou hodiny stojícího se vzrůstající rychlostí stejnou měrou pomaleji, jak jdou opačně pro čekajícího pomaleji hodiny cestujícího. Tato relativizace představuje Einsteinův průkopnický čin: Určitý časový úsek může podle něj v závislosti na pohybu pozorovatele trvat různě dlouho, a sice ne subjektivně, ale objektivně, tj. změřitelně pomocí hodin.

Newton vycházel z absolutního času, svého druhu jednotných hodin pro celý svět. Domníval se, že čas "ubíhá sám o sobě a skrze svou přirozenost rovnoměrně". (...) Einstein oproti tomu prohlási světlo za vládce nad časem. A také nad prostorem. Se spomalením hodin v pohybujícím se systému se totiž změní také vzdálenosti v prostoru. Čím více se rychlost vlaku blíží rychlosti světla, tím kratší jsou vzdálenosti.

Tento jev zvaný kontrakce délek lze vysvětlit na základě pohybu. Pohyb je definován jako dráha za určitý čas, tj. - vezmeme-li běžnou jednotku - v metrech za sekundu. Pokud trvá v pohybujícím se vlaku vteřina déle, zkracuje se odpovídajícím způsobem metr. Pozorovatel ve vlaku to vidí zase opačně: Metr ve vlaku pro nej zůstane metrem. Registruje ovšem délkovou kontrakci na nástupišti. Krátce před dosažením rychlosti světla se mu metr nástupiště smrští na pouhý centimetr. (...)

Pokud by kolem nás letěla kosmická loď rychlostí odpovídající 90% rýchlosti světla a byla by podle našich měřítek dlouhá pět metrů, pro astronauty uvnitř by měřila metrů šestnáct.

Uvnitř "nehybného tělesa", tedy například vlaku nebo kosmické lodi, vládne - řečeno Einsteinem - "čas klidového systému". (...) Uvnitř v klidu se nacházejícího systemu vládne současnost. Proto můžeme na naší vesmírné lodi zvané Země definovat "světový čas" a synchronizovat všechny hodiny na celé zeměkouli. Jakmile se ale dvě nehybná tělesa vůči sobě pohybují, má každé svůj vlastní čas, své vlastní "teď".
.
Události světového dění leží jako "světobody" na "světočarách", které dohromady utvářejí "svět".


Kvadratura světla: Proč musel Einstein objevit teorii relativity
/Jürgen Neffe: Einstein/

.
Za všechna ta léta se Einstein naučil rozpoznat, že teorie, které se opírají o nepodložené hypotézy, jako například o nezměřitelný éter nebo mechanickou kontrakci v důsledku působení jeho proudu, jsou nedůvěryhodné. Proto se niní odhodlá k radikálnímu kroku. Přes všechnu úctu vůči Lorentzovi hodí jeho neprokazatelné teze přes palubu a prohlásí hypotetický éter za zbytečný. Einstein důvěřuje empirii a za bernou minci považuje závěry ověřené v experimentech.

Protože, jak se pozdeji vyjádří, "ani mechanika, ani elektrodynamika si nemohou nárokovat exaktní platnost", odváží se udělat krok do prázdnoty. Rychlost světla prohlásí - a v tom spočívá jeho odvaha a vizionářství - za nezávislou na pohybu zdroje nebo přijímače. Je prostě konstantní, jak to předpovídala maxwellovsko-lorentzovská teorie. (...) Na druhou stranu však musí platit princip relativity, o tom je Einstein pevně přesvědčen, jinak by vznikali asymetrie, které by fyziku uvrhly do předgalileiovské doby kamenné.

Nyní se tedy ocitá tváří v tvář finálnímu rozporu. Zdá se, že jeden ze svých pilířů musí obětovat: buď klasický princip relativity, nebo konstantní rychlost světla. Obojí nedokáže v rámci tehdejší fyzikální teorie skloubit. (...) To, co mu umožní završit léta přemítání, je uvědomění si niterného sepětí prostoru, času a světla.
.
"Mým řešením byla analýza pojmu čas." (1922)
.
Einstein se ptá po podstatě času nejen jako fyzik, ale také jako filozof. Co je čas sám o sobě, když jej nikdo neměří? Co vlastně děláme, když měříme čas? Co to znamená, když se dvě události stanou současně? Musel to být neuvěřitelně povznášející okamžik, když si uvědomil, že je konečně na správné stopě. (...)

Einstein se pak vydá cestou zpochybnění všeho, včetně základních pojmů, jako je prostor, které vlastně ani zpochybnit nelze, protože tvoří podle tradiční představy rámec pro veškeré dění na tomto světe. Na počátku osvícenství sebral Immanuel Kant prostoru vše reálné a prohlásil ho za formu, v níž vnímáme věci. Prostor je v tomto pojetí apriorní, nezávislý na zkušenosti a existuje i bez věcí. Einstein včlení prostor spět do oblasti vnímatelného, přístupného lidské zkušenosti.

Ve své prozíravosti Einstein brzy pozná, "že pouze nalezení obecného formálního principu nás může dovést ke spolehlivým výsledkům". Myslí tím něco stejně nezpochybnitelného, jako je například nemožnost perpetua mobile, tj. princip, že energie nemůže vznikat z ničeho. Aby vyvedl vědu ze slepé uličky, musí takřka postavit na hlavu Newtonův kosmos. Povýší tedy rychlost světla na přirozenou konstantu a světlo samotné prohlásí - téměř biblicky - za absolutno. Na druhé straně však musí upřít absolutnost prostoru a času. Prostě je "relativizuje" - a všechny rozpory jsou najednou ty tam. Všechny známé rovnoměrné pohyby, od elektronů po vzdálené hvězdy, lze najednou vysvětlit v rámci nového obrazu světa. (...) Relativita se stane realitou.


Kvadratura světla: Proč musel Einstein objevit teorii relativity
/Jürgen Neffe: Einstein/

"Vidíme vlastně stále jenom minulost a nikdy přítomnost." (Aaron Bernstein)
.
"Tydo děje vesmíru jsou jako hlasy minulosti, které k nám doléhají. Po právu bylo řečeno, že našimi velkými dalekohledy pronikáme současně do prostoru i času." (Alexander von Humboldt)
.
Prostor a čas jsou neoddělitelně propojeny, mezi světlem a časem existuje pozoruhodná souvislost, současnost událostí závisí na hledisku pozorovatele.
.
"Vševědoucnost Boha se z této perspektivy jeví jako přirozeně vysvětlitelný jev. Pokud si představíme, že Boží oko je najednou přítomno v každém bodě vesmíru, přichází k němu zároveň také celý běh dějin světa. (...) Už nemůžeme prostor a čas chápat jako dva různé pojmy. Neboť to, co za sebou následuje v čase, leží prostorově vedle sebe." (Felix Eberty)
.
Tyto řádky obsahují také zásadní myšlenku speciální teorie relativity: Okamžik cestuje se světlem. Anebo řečeno opačně: obraz okamžiku nesený světlem jako by zamrzl. Eberty si s touto myšlenkou s gustem pohrává : "Nejen na stěnách pokoje zanechá vražda nesmazatelné stopy; také v nekonečných prostorách vesmíru se zločin odráží znovu a znovu." Pokud bychom do vesmíru vyslali snímek Země, na němž by bylo možné rozpoznat hodiny, doneslo by světlo tento obraz k očím vzdáleného pozorovatele, jako kdyby se během cesty čas zastavil.
.
"Dějiny nejen naší planety, ale všech nebeských těles jsou současně rozšířeny v kosmickém prostoru jako obraz největších a nejopravdovějších dějin světa a světů. (...) Čas je jen rytmem dějin vesmíru. Průběh času tedy není pro to, co se událo, nutný - počátek a konec mohou naopak splývat, a přece obsáhnout vše, co leží uprostřed. (...) Co kdyby rok uplynul za šest měsíců? Žádnou změnu bychom nezpozorovali, protože průběh času dokážeme určit jen měřením, tedy srovnáním s jiným časovým průběhem." (Eberty)
.
Když se dospělý Einstein pustí do hloubání, neobejde se to bez značné dávky podmiňovacího způsobu. "Jak by to vypadalo, kdybychom se rozběhli za světelným paprskem? A co kdybychom na něm seděli jako na koni?" Těmto hypotetickým úvahám se podle svých slov oddával už v šestnácti letech. Ve svých autobiografických zápiscích se však nezmiňuje o tom, že by pro tyto nanejvýš originální a zdánlivě zcela nové myšlenky existoval nějaký pramen. Tyto otázky obsahují témeř v doslovném znění Bernsteinovy knihy. Odpovědí na ně je speciální teorie relativity.


Malé dějiny vědy, jak je četl Einstein
/Jürgen Neffe: Einstein/

.
"Světlo je posel, který nám přináší zprávu o tom, co se děje v dáli." (Bernstein)
.
...zatmění Jupiterova měsíce Io nastáva v porovnání s výpočty pravidělně s určitým spožděním, a sice s rozdílem 22 minut. (...) Pokud je Jupiter nachází na stejné straně Slunce jako Země, přichází světlo (a s ním "poselství" o zatemnění) dříve; pokud je Jupiter naopak na odvrácené straně Slunce, světlo dorazí k oku pozemského pozorovatele později. To znamená, že pokud musí světlo urazit větší vzdálenost, potřebuje na to více času. A ze vzdálenosti a času se dá snadno vypočítat rychlost!
.
V Bernsteinových knihách lze nalézt mnoho zarážejících podobností s budoucími Einsteinovými myšlenkami. Například když Bernstein ilustruje fenomén aberace světelného paprsku způsobený pohybem Země: "Představme si, že někdo, kdo stojí po straně železniční trati, vystřelí z pistole na železničný vagon, který kolem něj rychle projíždí."
Kulka provrtá nejdříve jednu a po průletu skrz vnitřek vagonu i jeho druhou stěnu. Protože se však vlak mezitím posunul o kousíček dál, může "někdo, kdo sedí ve vagoně (...), podle polohy obou otvorů soudit, že střelec musel vypálit šikmo na dráhu projíždějícího vlaku."
Vztaženo na situaci pozemského pozorovatele hvězd to znamená, že světelný paprsek, dopadající na jeho dalekohled z nebeského tělesa, bude při svém průchodu dalekohledem - a dokonce okem pozorovatele - vlivem pohybu Země lehce zakřiven. "Během té kratičké doby, kterou potřebuje světlo, aby proletělo dalekohledem, se Země i s dalekohledem posune o kousíček dál," vysvětluje Bernstein. "Pokud tedy chceme pozorovat stálici, musíme dalekohled o malý úhel posunout." Tento posun vyrovná aberaci světla.
.
Podivuhodný fenomén světelné aberace objevil anglický astronom James Bradley v roce 1725. (...)
Bradley - a to je pro Bernsteina rozhodující - zjistí, že posun světelného paprsku je u všech hvězd stejný bez ohledu na to, jak daleko ve skutečnosti jsou. Z toho správně vyvozuje, že každé světlo se pohybuje stejnou rychlostí. Einstein toto zjištění převezme jako jeden ze dvou základních principů do své teorie relativity: Rychlost světla je konstantní.
.

Malé dějiny vědy, jak je četl Einstein
/Jürgen Neffe: Einstein/

"V roce 1846 zjistil pařížský učenec jménem Leverrier, aniž by podnikl jakákoli pozorování či vůbec vzhledl k obloze, tedy čistě prostřednictvím výpočtu, že 600 milionů mil od nás obíhá Slunce planeta, kterou ještě žádný člověk nespatřil, že tato planeta oběhne Slunce za 60 238 dní a 11 hodin, že je 24,5 krát těžší než naše Země a že by tato planeta mohla být v jistou hodinu na jistém místě na obloze pozorována, pokud bychom jen měli dost dobré dalekohledy, abychom ji mohli spatřit."
23. září 1846 pak obdrží astronom Johann Galle pracující v dobře vybavené berlínské hvězdárně dopis od Leverriera, který obsahuje výzvu, aby "si počíhal na navou planetu na přesně označeném místě oblohy". Jestě téhož dne večer namíří Galle svůj dalekohled udaným směrem. A skutečně: objeví planetu, která dostane jméno Neptun. Tento objev a jeho okolnosti představují další z neuvěřitelných triumfů matematické fyziky, jejímiž zakladateli se stali Koperník, Kepler, Galilei a Newton.
.
... Einstein bude svou teorií schopen vysvětlit i poslední vadu na kráse Newtonovy jinak bezchybné mechaniky sluneční soustavy: Perihelium planety Merkuru, tj. křivka, kterou opisuje v průběhu staletí jeho Slunci nejbližší bod, se každoročně nepatrně liší od propočítané dráhy. Stejně jako v případě Neptunu se tehdejší astronomové domnívali, že tuto odchylku způsobuje další, dosud neobjevena planeta. Dali jí dokonce i jméno Vulkán. Nikdo ji však nikdy nespatřil. Ani nemohl, protože taková planeta neexistuje. Newtonovy rovnice v tomto případě stanovili nesprávnou prognózu. Chování Merkuru nejsou schopny objasnit. Stále znovu se vědci pokoušeli odstranit tento nesoulad, aniž by si vypomáhali předpokladem existence další planety. Záhadu Merkurova perihelia však beze zbytku odhalí až Einsteinova obecní teorie relativity.
.


Malé dějiny vědy, jak je četl Einstein
/Jürgen Neffe: Einstein/

...těžké predmety nepadají rychleji než lehké. Podle jeho (Galileiho, pozn.) slavných zákonů volného pádu se peří a kámen přibližují zemi stejnou rychlostí, pokud jsou vyloučeny všechny druhotné faktory jako například odpor vzduchu. (...)
Dráha vystřeleného tělesa, například dělové koule, sestáva ze dvou komponent: svislé, dodané vystřelením, a vodorovné, způsobené pádem. ...všechny přirodzené pohyby těles probíhají rovnoměrně a přímočaře, pokud na ně nepůsobí žádné vnější síly.
.
Hmotnost hraje v Newtonových zákonech dvojí roli: Jeho setrvačnost popisuje odpor, který klade těleso zrychlení. Čím větší je například setrvačná hmotnost kočáru, tím více koňských sil je zapotřebí, aby byl uveden do pohybu (tj. zrychlen). Na druhé straně je gravitační hmotnost původcem síly, kterou dané těleso přitahuje ostatní tělesa (tj. gravitace). Dokonce i jablko působí na Zemi gravitační silou. Galileiho zákon volného pádu, podle nějž všechna tělesa padají k zemi stejně rychle bez ohledu na svou hmostnost, vysvětluje Newton tím, že setrvačná a gravitační hmotnost mají stejnou hodnotu. Při nárůstu setrvačnosti rovnoměrne vzrůstá také gravitace. Proč to tak je, však nedovede říci.
Nesmrtelnost si britský učenec vyslouží tím, že jeho zákony fungují pro tělesa na Zemi i na obloze. Pád jablka k zemi spůsobuje stejná síla, která drží Měsíc na jeho dráze kolem Země a Zemi na její dráze kolem Slunce - gravitace. Co je tato přitažlivá síla, však zůstane Newtonovi utajeno. Tuto otázku zodpoví teprve Einstein ve své obecné teorii relativity.
Jak to přijde, že Měsíc nedopadne na Zemi, která ho přitahuje? Co poutá nebeská tělesa na jejich dráhách? V Newtonově světe panuje přesná rovnováha mezi gravitací na jedné a odstředivou sílou na druhé straně.
.
Stále ale zůstáva nerozřežena otázka, co se pohybuje vůči čemu - koule nebo Měsíc relativně vůči Zemi, nebo Země vůči Měsíci? Tady zavede Newton pojem, který ostatní myslitelé včetně Leibnize ostře kritizují a který teprve Einstein dokáže správně zařadit: absolutnost. Prostor a čas jsou podle Newtona absolutní. Pokud by na světě neexistovalo nic jiného, prostor a čas by tu byl.
Absolutní prostor tvoří svého druhu nádrž, v níž se odehráva veškeré dění světa. Nejen Země a Měsíc, ale také všechno ostatní se pohybuje v tomto prostoru. Ten se pak nachází - zde z Newtona promlouvá hluboká religiozita a pokora před Stvořitelem - v úplném klidu, je sám v sobě konstantní. Tím ale Newton zavádí jakousi upřednostňovanou vztažnou soustavu, takže Galileiho relativita už neplatí kompletně: Pokud vlak projíždí kolem nástupiště, nemůžou už čekající a cestujúcí říct, že se jeden pohybuje relativně vůči druhému a opačně. Vztaženo k absolutnímu prostoru se jeden z nich pohybuje a druhý zůstává v klidu.
Všemohoucímu Stvořiteli věnuje Newton ve svém spise také druhou absolutní věličinu: "Absolutní, skutečný a matematický čas plyne sám o sobě a skrze svoj přirozenost rovnoměrně ." V tomto pojetí existují v celém vesmíru jen jedny hodiny. Představa absolutního času, rovnoměrně ubíhajícího v pravidelném taktu těchto hodin, přesně odpovídá naší každodenní zkušenosti. Je ovšem v rozporu se skutečností, jak ji chápeme od objevu teorie relativity. Einstein v ní od základu vyvrátí také zdánlivě neotřesitelnou ideu absolutního času.
.


Malé dějiny vědy, jak je četl Einstein
/Jürgen Neffe: Einstein/

Nechtěl, aby po něm zbylo cokoli, co by se mohlo stál poutním či pamětním místem. On sám byl přece pomníkem. Bohové nemají hroby.
.
Ludwig Büchner, přesvědčený o "posledním důvodu bytí", přidá Albertovi na jeho životní cestu krédo, že "jednoduchost je jak známo znamením pravdy". Bude to právě Einstein, kdo propojí "sílu a hmotu" , teda energii a materii v hutné formuli, v nejhlubokomyslnějším zjednodušení světa: E = mc².

Albert si brzy osvojí základní principy vědeckého myšlení. Tyto principy vycházejí z dlouhé tradice, která učí, že všem velkým, syntetickým teoriím vždycky předchází pozorování, shromažďování a třídení. (...)
Po rozčlenení přijde na řadu uspořádání smyslových vjemů, po jejich sebrání následuje systematika. Odpovědí na rozmanitost přírody je abstrakce v klasifikaci, která v sobě podle okolností již ukrývá tajemství společných principů. (...)

K prvním věcem, které lidé rozčleňovali už v temném dávnověku, patří čas. (...)

Ze všech fenoménů, které může Einstein objevit v knihách svého mládí, patří těžko pochopitelná přesnost pozorování oblohy k těm nejpodivuhodnějším. Už samotná schopnost zjistit "pouhým oken počet zřetelně rozpoznatelných hvězd"- podle Humboldta je jen "nad obzorem Berlína 4022 hvězd" - přesahuje kapacitu vnímaní běžného amatérského pozorovatele. (...) Vytvořit však z toho systém, který dráhy všech planet nejen popisuje, ale dokonce i předpovída, už hraničí s magii. (...)

... pro správnost určité teorie mohou mluvit také estetické a filozofické argumenty. Příroda prý nevytváří nic nadbytečného, tvrdí Kopernik. Také proto se obrátil proti Ptolemaiově soustavě se spoustou pomocných konstrukcí a zvolil "jednodušší" řešení v podobě Země, která se otáčí kolem své osy a obíhá po kruhové dráze kolem Slunce. (...) Člověk se se svou Zemí přesouvá ze středu na okraj. A vesmír se otevírá v podstatě až do nekonečna. (...)

S představou kruhových drah skoncuje až Johannes Kepler (...). Díky nekonečné pečlivé práci - jen na výpočtu dráhy Marsu pracuje šest let a výpočty popíše 900 stan - nakonec nalezne jejich správný tvar: elipsu.

Z Keplerova příběhu může mladý Einstein vyčíst nejen to, že se vyplatí být vytrvalý a věřit ve správné řešení. Kepler mu sprostředkuje také vhled do jednoho z nejúžasnějších fenomenů vědy, který se nazývá matematizovatelnost světa. Jak je možné, že matematické formule a geometrické tvary které jsou v podstatě konstrukty lidského ducha, popisují tento svět tak přesně, jako by kniha přírody byla psána jazykem matematiky?


Malé dějiny vědy, jak je četl Einstein
/Jürgen Neffe: Einstein/

abstruse goose