Pondělí 30. ledna 2023, svátek má Robin
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Pondělí 30. ledna 2023 Robin

Teorie relativity slaví 100 let. Vznikala v Praze a změnila fyziku

  18:30aktualizováno  26. listopadu 7:48
Obecná teorie relativity, kterou Albert Einstein formuloval v roce 1915, zásadně změnila fyzikální pohled na svět. Dnes ji máte svým způsobem v kapse i vy. Ale to neznamená, že lidé chápou, co vlastně Einstein svým objevem změnil.
Albert Einstein měl hlavu plnou vesmíru. Ilustrační snímek.

Albert Einstein měl hlavu plnou vesmíru. Ilustrační snímek. | foto: Pavel Kasík, Technet.cz (montáž)Profimedia.cz

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 soustava

Na 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.

Autor:
  • Nejčtenější

„Nadzvukový strategický bombardér“ Mjasiščev M-50 byl falešným strašákem

V roce 1959 vzlétl prototyp vizuálně zajímavého stroje Mjasiščev M-50. Sověti chtěli nadzvukový letoun pro dopravu...

Až dostaneme západní tanky, Rusové budou zase utíkat, říkají vojáci

Exkluzivně V těchto dnech se s napětím očekává rozhodnutí ve věci poskytnutí německých tanků Leopard 2 obráncům Ukrajiny, kteří...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Kapitán letadla měl infarkt. Tragicky havarovalo v poli za Londýnem

Jednu z nejhorších leteckých katastrof zapříčinil infarkt kapitána letadla Trident společnosti British European...

K čemu jsou tobolky, které marsovský rover odhazuje na povrchu Rudé planety

Těsně před vánočním svátky zanechal rover Perseverance na povrchu Marsu malý dárek. Bylo to titanové pouzdro, které...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Robot od OpenAI složil zkoušky na právnické fakultě, může ohrozit tradiční výuku

Chatovací robot neziskové organizace OpenAI úspěšně složil přijímací zkoušky na americkou právnickou fakultu. Dokázal...

Několik lidí se dostalo na dotyk ke klenotům. Hrad je označil za odborníky

Premium Zatímco jiní mrzli v několikahodinových frontách venku před katedrálou svatého Víta, aby z několika metrů spatřili na...

Přání bank je vyslyšeno. Za předčasné splacení hypotéky si lidé připlatí

Premium Pravidla pro předčasné splacení hypotéky se změní. Banky si budou moci účtovat nejen administrativní náklady v...

Fotbal se mění, Slavia také. Trpišovský exkluzivně o trendech i návratu Stancia

Premium Když se ve chvilce volna vyrazil projít po pískovcových útesech a díval se, jak do skal narážejí mořské vlny, hlavou mu...

Nejtěžší dinosauři ukazují limity suchozemských živočichů

O tom, že sauropodi představují největší známé po souši se pohybující tvory všech dob, není jistě žádných pochyb....

Český fyzik: Jaderná fúze může způsobit energetickou revoluci, jež změní svět

Rozstřel Český vědec Milan Holec je součástí týmu, který se postaral o přelomovou událost ve fyzice. Vědcům se totiž v prosinci...

Bouře v zrnku pepře. Jaderná fúze velmi pokročila, ale k elektrárně je daleko

Exkluzivně V pondělí 5. prosince nastal v americké národní laboratoři LLNL okamžik, který okamžitě vzbudil pozornost nejen...

Krok ke spáse? Vědcům se zdařila jaderná fúze se ziskem energie, píše tisk

Americkým vědcům se poprvé podařilo provést jadernou fúzi, při které se uvolnilo více energie, než kolik bylo do reakce...

Přání bank je vyslyšeno. Za předčasné splacení hypotéky si lidé připlatí

Premium Pravidla pro předčasné splacení hypotéky se změní. Banky si budou moci účtovat nejen administrativní náklady v...

Z šestnáctileté dívky se vlivem vzácného onemocnění stala stařenka

Raizel Grace Calago z Filipín se ještě před dvěma lety účastnila soutěže krásy. Dnes ale vypadá jako padesátiletá žena...

Františka Ringo Čecha odvezli do nemocnice, je v ohrožení života

František Ringo Čech (79) byl v neděli večer podle zdrojů CNN Prima NEWS převezen do pražské Nemocnice Na Homolce....

Evu Decastelo mi kdysi vyfoukl Ruppert, měl větší tah na branku, říká Třeštík

Fotograf Tomáš Třeštík vyměnil loni spisovatelku Radku Třeštíkovou, se kterou má dvě děti, za novou partnerku,...

Nahota dospívajících? Film Modrá laguna by dnes neprošel, míní Shieldsová

Brooke Shieldsová zavzpomínala na natáčení slavného snímku z roku 1980 s názvem Modrá laguna. Podle sedmapadesátileté...