Tento článek napsal David Lyth z Lancasterské univerzity a byl původně publikován v The Conversation.

Gravitace poutá naše těla k planetě Zemi, ale neurčuje hranice vzletné lidské mysli. V listopadu 1915 – přesně před sto lety – se ukázalo, že je to pravda, když Albert Einstein v sérii přednášek na Pruské akademii věd představil teorii, která převrátí náš pohled na gravitaci – a fyziku jako takovou. Po dvě století se zdálo, že Newtonova pozoruhodně jednoduchá a elegantní teorie všeobecné gravitace vysvětluje celou záležitost dobře. Ale jak je tomu ve fyzice stále častěji, jednoduchost už prostě nestačí.

Einsteinovým východiskem pro obecnou teorii relativity byla jeho speciální teorie relativity, publikovaná v roce 1905. Ta vysvětlovala, jak formulovat fyzikální zákony při absenci gravitace. V centru obou teorií je popis prostoru a času, který se liší od toho, který by naznačoval zdravý rozum.

Teorie vysvětlují, jak interpretovat pohyb mezi různými místy, která se pohybují konstantní rychlostí vůči sobě navzájem – nikoli vůči jakémusi absolutnímu éteru (jak předpokládal Newton). I když jsou fyzikální zákony univerzální, říká se v nich, že různí diváci budou vnímat časový průběh událostí odlišně v závislosti na tom, jakou rychlostí se pohybují. Událost, která by se při pohledu ze Země zdála trvat 1000 let, může někomu v kosmické lodi letící velkou rychlostí připadat, že trvá pouhou sekundu.

Jádrem Einsteinových teorií je skutečnost, že rychlost světla nezávisí na pohybu pozorovatele, který rychlost měří. To je zvláštní, protože zdravý rozum napovídá, že pokud sedíte v autě podél železniční trati, bude se vám zdát, že vlak projíždějící kolem se pohybuje mnohem rychleji, než kdybyste ho sledovali stejným směrem.

Pokud byste však místo toho seděli a pozorovali projíždějící světelný paprsek, pohyboval by se stejně rychle bez ohledu na to, zda byste ho sledovali, nebo ne – což je jasný důkaz, že se zdravým rozumem není něco v pořádku.

Důsledkem této teorie je, že se musíme vzdát představy, že existuje univerzální čas, a přijmout, že čas zaznamenaný hodinami závisí na jejich trajektorii při pohybu vesmírem. To také znamená, že čas plyne pomaleji, když letíte rychle, což znamená, že dvojče letící do vesmíru bude stárnout pomaleji než jeho sourozenec na Zemi.

Tento “paradox dvojčat” se může zdát jako matematická hříčka, ale ve skutečnosti byl experimentálně ověřen v roce 1971 při pokusu s atomovými hodinami na komerčních letech.

Speciální teorie relativity funguje pouze pro inerciální rámce pohybující se vůči sobě, pokud se pohybují konstantní rychlostí – nemůže popsat, co se děje, pokud zrychlují. Einstein přemýšlel, jak ji rozšířit, aby zahrnovala i takové zrychlení a umožňovala gravitaci, která způsobuje zrychlení a je koneckonců všude.

Uvědomil si, že účinek gravitace mizí, pokud se ji nesnažíme překonat. Představil si lidi ve výtahu, jehož lano se při volném pádu přetrhlo, a přišel na to, že jelikož se předměty budou vznášet buď nehybně, nebo konstantní rychlostí, lidé gravitaci nepocítí. Dnes však víme, že je to pravda, protože jsme to sami viděli u lidí na mezinárodní vesmírné stanici. V obou případech neexistují žádné síly působící proti gravitaci a lidé žádnou gravitaci nepociťují.

Zakřivený časoprostor. Mopic

Einstein si také uvědomil, že účinek gravitace je stejný jako účinek zrychlení; rozjezd vysokou rychlostí nás tlačí dozadu, stejně jako kdyby nás gravitace táhla. Tyto dvě indicie přivedly Einsteina k obecné teorii relativity. Zatímco Newton vnímal gravitaci jako sílu šířící se mezi tělesy, Einstein ji popsal jako pseudosílu pociťovanou proto, že se kolem hmotného objektu ohýbá celá protkaná struktura prostoru a času.

Einstein sám říkal, že jeho cesta nebyla zdaleka jednoduchá. Napsal, že “za celý svůj život jsem nepracoval zdaleka tak tvrdě a pronikl jsem velkou úctou k matematice, jejíž jemnější část jsem ve své prostomyslnosti až dosud považoval za čirý přepych”.

Důkazy

Jakmile Einstein objevil obecnou teorii relativity, uvědomil si, že vysvětluje selhání Newtonovy teorie při vysvětlování oběžné dráhy Merkuru. Oběžná dráha není zcela kruhová, což znamená, že existuje bod, ve kterém je nejblíže Slunci. Newtonova teorie předpovídá, že tento bod je pevný, ale pozorování ukazuje, že se pomalu otáčí kolem Slunce, a Einstein zjistil, že obecná teorie relativity tuto rotaci správně popisuje.

“Byl jsem bez sebe radostným vzrušením,” napsal o několik měsíců později. Od té doby prošla obecná teorie relativity mnoha pozorovacími testy na výbornou.

Vždy, když se dovoláváte systému GPS, abyste zjistili svou polohu na zemském povrchu, používáte obecnou teorii relativity. Tento systém vysílá rádiové signály z 24 družic a přijímač GPS ve vašem telefonu nebo autě analyzuje tři nebo více těchto signálů, aby zjistil vaši polohu pomocí obecné relativity. Kdybyste použili Newtonovu teorii, systém GPS by určil špatnou polohu.

Ale zatímco obecná teorie relativity funguje dobře pro popis fyzikálního světa ve velkých měřítkách, kvantová mechanika se stala nejúspěšnější teorií pro malé částice, jako jsou částice tvořící atom. Stejně jako teorie relativity je i kvantová mechanika protiintuitivní. Zda je možné tyto dvě teorie sjednotit, se teprve ukáže, ale je nepravděpodobné, že by se tím do fyziky znovu vnesl zdravý rozum.

David Lyth, emeritní profesor fyziky na Lancasterské univerzitě.

Tento článek byl původně publikován v The Conversation. Přečtěte si původní článek.