Právě před sto lety, 25. listopadu 1915, odprezentoval Albert Einstein před Pruskou akademií věd své rovnice gravitačního pole. Do dějin vešly pod názvem obecná teorie relativity. Ukazují nový pohled na gravitaci jako na (zjednodušeně řečeno) zakřivení časoprostoru.
Albert Einstein je zřejmě nejznámějším vědcem v historii. Možná i díky této fotce z roku 1951.
Spolu s Einsteinovou o deset let starší speciální teorií relativity a navazující kvantovou teorií (na které se Einstein také částečně podílel) představuje obecná teorie relativity klíčový milník v teoretické fyzice a chápání vesmíru. A za sto let se dočkala mnohonásobného experimentálního ověření a uvedení do praxe. Pro české čtenáře není bez zajímavosti, že obecná teorie relativity z velké části vznikala během Einsteinova působení na Karlo-Ferdinandově univerzitě v Praze v letech 1911 - 1913. O Einsteinově působení v Praze se více dočtete v PDF prezentaci MFF UK.
Nejznámější rovnice fyzika z patentového úřadu
Einsteinova slavná rovnice E=mc2 patří do tzv. speciální teorie relativity, kterou slavný fyzik uveřejnil v roce 1905. V té zřejmě nejslavnější vědec 20. století postuloval:
- neměnnou povahu vesmíru v závislosti na pozorovateli (pokud se pohybuje stálou rychlostí, tedy rovnoměrně a přímočaře)
- konstantní rychlost světla ve vakuu (konstanta c)
Z toho vyplývá například pomalejší plynutí času (z pohledu pozorovatele), pokud se objekt pohybuje vysokou rychlostí blízkou rychlosti světla. Rychlost světla ve vakuu (299 792 458 m/s) je zároveň nejvyšší možnou rychlostí ve vesmíru. Žádná informace se podle Einsteinovy teorie nemůže pohybovat rychleji než toto neměnné maximum.
Pěkně Einsteinovu speciální teorii relativity vysvětlil student Ryan Chester:
Einstein a GPS Albert Einstein a jeho rovnice pomohly k fungování systému GPS. |
Pro zájemce doporučujeme podrobnou bezmála dvouhodinovou přednášku o speciální teorii relativity z cyklu 100 let obecné relativity z produkce Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy.
Obecná teorie relativity
O deset let později (tedy právě před sto lety) pak Albert Einstein dokončil i obecnou teorii relativity, a změnil tak pohled fyziků nejen na gravitaci.
Zatímco speciální teorie relativity je veřejnosti „relativně“ známá (alespoň postulát o maximální rychlosti světla do obecného povědomí pronikl), obecná teorie relativity (OTR) už tak populární není. Zřejmě proto, že je o poznání složitější.
Inerciální soustavaNa příkladě ping-pongu ve vlaku Pokud sedíme v rovnoměrně jedoucím vlaku na dokonale rovných kolejích, nevnímáme, že se vlak pohybuje. Dokonce můžeme ve vlaku hrát ping-pong a očekávat, že míček se bude chovat stejně, jako kdybychom ve vlaku nebyli. Ovšem jakmile vlak začne brzdit, na vše ve vlaku začne působit negativní zrychlení. Míček bude zatáčet směrem k lokomotivě, hráči budou „přitahováni“ ve směru jízdy apod. Zrychlující vlak již není inerciální soustavou. |
Zatímco speciální teorie relativity se týkala pouze inerciálních vztažných soustav a netýkala se gravitace, obecná teorie relativity už gravitaci popisuje. Neplatí zde ono omezení na vztažné soustavy, které se pohybují přímočaře a rovnoměrně.
„Ke konci svého pražského pobytu začal Einstein studovat i dynamické gravitační pole, například vliv zrychleného pohybu vzdálených zdrojů na hmotnost těles v laboratorní soustavě,“ píše Jiří Podolský z Ústavu teoretické fyziky MFF UK. V Praze podle něj rovněž Einstein přišel na myšlenku použít pro popis gravitace absolutní diferenciální počet, což mu podle vzpomínek Philippa Franka navrhl profesor matematiky George Pick.
Zakřivení prostoru objektem
Přelomovou myšlenkou bylo představit si a samozřejmě také matematicky vyjádřit působení gravitačního pole jako zakřivení prostoročasu. Podobně jako kulička prohýbá plachtu, na kterou je položena, tak podle Einsteina libovolný hmotný objekt „prohýbá“ časoprostor kolem sebe.
Na teorii gravitačního pole pracoval Einstein se svým spolužákem z vysoké školy Marcelem Grossmannem, švýcarským matematikem žijícím v Curychu. V roce 1913 společně publikovali práci, která nastínila možnosti aplikace speciální teorie relativity na gravitaci (anglický překlad PDF). Einstein byl autorem fyzikální kapitoly práce, zatímco Grossmann napsal část matematickou (nikoli snad proto, že by Einstein měl pětku z matematiky).
Einsteinova „volovina“Za svůj největší omyl označil Einstein kosmologickou konstantu, kterou se pokoušel vyhnout rozpínání či smršťování vesmíru. V roce 1929 v USA prohlásil, že to byla „největší volovina jeho života“. |
Cesta k obecné teorii relativity nebyla přímočará (pro zájemce více v PDF Jana Novotného). Einstein vzpomíná na řadu odboček a slepých uliček. „Spí, dokud se neprobudí, je vzhůru, dokud mu někdo neřekne, aby šel spát. Hladoví, dokud mu někdo nepřinese něco k jídlu, a pak jí, dokud jej někdo nezarazí,“ popisuje Einsteinovu životosprávu jeho osobní přítel Janos Plesch. Na paty šlapal Einsteinovi německý matematik David Hilbert a Einstein věděl, že si musí pospíšit. Teprve v roce 1915 si byl jist tím, že je v cíli. Zjistil, že rovnice, kterou si načmáral před lety do notýsku a později ji zavrhl, se nakonec ukázala být tou správnou cestou.
Die Feldgleichungen der Gravitation (tedy Rovnice pole gravitace) prezentoval Einstein na setkání Pruské akademie věd. Matematici se shodují, že jde o elegantní a kompaktní zápis. Laikové si mohou Einsteinovu obecnou teorii představit jako „matraci, která se prohýbá pod tíhou na ni položených objektů“. V roce 1916 pak Einstein publikoval souhrnný článek Základy obecné teorie relativity v Annalen der Physik.
Gravitace najednou nebyla záhadnou silou, která se neznámým způsobem „pohybuje“ prostorem a „táhne“ k sobě hmotná tělesa. Einstein vykreslil gravitační sílu jako zakřivení prostoru. „Celé dny jsem byl bez sebe radostí a vzrušením,“ svěřil se později Einstein svému příteli fyzikovi Paulovi Ehrenfestovi.
Ověření správnosti a nástup kvantové mechaniky
Nadšení sice bylo na místě, ale věda se posouvá vpřed díky tomu, že teorie testuje. Také Einsteinova obecná teorie relativity musela projít testy, než ji fyzici přijali.
První potvrzení vycházející z pozorování reality našel již Einstein. Vysvětlil, jak je možné, že Newtonovy zákony nedokážou správně popsat oběžnou dráhu planety Merkur (konkrétně tzv. „stáčení perihelia“). Tato odchylka byla známá již od 19. století a teprve Einsteinova teorie gravitace ji uspokojivě vysvětlila.
Gravitační čočky zpopularizoval už ve 30. letech v časopise Scientific American astronom Henry Norris Russell. Jejím nejčastějším projevem je "zmnožení" obrazu - v tomto případě do čtyř dalších obrazů. Pro tuto konfiguraci se zase vžil výraz Einsteinův kříž. Na to, že se Einstenovi do publikace o gravitačních čočkách nechtělo, je s nimi jeho jméno dnes spojeno velmi pevně.
V roce 1919 naměřil Arthur Eddington při zatmění Slunce nepatrný ohyb světelných paprsků procházejících kolem naší nejbližší hvězdy. To bylo opět v souladu s časoprostorovým zakřivením, které Einsteinova obecná teorie relativity popisuje. Další efekty obecné teorie relativity jsou tak obtížně měřitelné, že se jich Einstein nedožil. Až v roce 1960, pět let po jeho smrti, se na Harvardově univerzitě povedlo experimentálně otestovat i posun vlnové délky světla směrem k červené vlivem rozdílného gravitačního působení.
Dnes se obecná teorie relativity používá, byť v „relativně“ malé míře, i ke zpřesnění výpočtu polohy systémem GPS. Jde o jednu z nejlépe experimentálně ověřených teorií 20. století a stále přibývají nová pozorování, která ji stvrzují.
Albert Einstein získal Nobelovu cenu za fyziku. Nikoli však jen za teorii relativity, ale za „přínos pro teoretickou fyziku, a především za objev a popis fotoelektrického jevu“. Einstein dostal cenu za rok 1921, ale udělena mu byla až zpětně, o rok později. Tato cena Einsteinovi ještě přidala na prestiži, které se těšil (a později děsil) na svých cestách do zahraničí.
Nacistické pronásledování židovských vědců ve třicátých letech 20. století vedlo Einsteina k emigraci a v roce 1932 přijal post na Princentonské univerzitě a status uprchlíka. Později se stal americkým občanem (ale zachoval si své švýcarské občanství) a ze své pozice pomáhal dalším uprchlíkům, především kolegům vědcům z Německa a jejich rodinám. „Osud mi dopřál privilegované útočiště v Princetonu,“ svěřil se v dopise belgické královně. „V tomto malém univerzitním městečku je chaotická vřava lidského utrpení sotva slyšet. Skoro se stydím žít v takovém míru, zatímco jinde lidé trpí.“
Sbírka „Sto autorů proti Einsteinovi“, 1931, Lipsko
V Německu mezitím Hitlerův režim na Einsteina vyhlásil hon, a to včetně odměny za jeho hlavu. Už v roce 1931 vyšla Lipsku kniha „100 autorů proti Einsteinovi“, kde se němečtí fyzici a další autoři předháněli v tom, kdo trefněji zkritizuje nejslavnějšího německy píšícího vědce židovského původu.
Einstein prý reagoval stručně: „Proč sto autorů? Pokud bych neměl pravdu, stačil by jeden.“
Aktualizace: V článku jsme upřesnili detaily týkající se speciální teorie relativity a doplnili odkazy. Doplnili jsme vysvětlení inerciální soustavy a upřesnili popis ověření obecné teorie relativity.
