Czytaj dalej

Gdybym został zmuszony do wybrania jednego, nadrzędnego celu jaki przyświeca fizyce, bez wahania wskazałbym na nieustającą gonitwę za unifikacją praw natury. W poniższym cyklu prześledzimy ponad trzystuletnią historię wielkich teorii, które zbliżyły nas do tego monumentalnego dzieła.

Cała nasza nauka, w porów­na­niu z rze­czy­wi­sto­ścią, jest pry­mi­tywna i dzie­cinna,  ale nadal jest to naj­cen­niej­sza rzecz, jaką posiadamy. 

Albert Einstein

Czym jest teoria wszystkiego?

Na wstępie muszę ostudzić emocje osób, które żywią nadzieję, że po prze­czy­ta­niu tych kilku tysięcy słów będą brylować w tematach poświę­co­nych teorii względ­no­ści, mecha­niki kwan­to­wej lub teorii strun. Pięć części tego artykułu omawia naj­waż­niej­sze idee współ­cze­snej nauki, z których każda stanowi temat na opasłe tomisz­cza. Moją intencją nie będzie więc roz­bi­ja­nie poszcze­gól­nych zagad­nień na czynniki pierwsze, lecz ich ogólny przegląd. Tak abyś mógł, drogi czy­tel­niku, bez względu na stopień zaawan­so­wa­nia swojej wiedzy zapoznać się z kie­run­kiem rozwoju fizyki teo­re­tycz­nej i jej naj­istot­niej­szymi pro­ble­mami. Idąc tą drogą dotrzemy w końcu do miejsca, w którym obej­miemy wzrokiem zarys zło­żo­nego systemu, przy­po­mi­na­ją­cego kształ­tem swoisty układ krwio­no­śny. Poszcze­gólne tętnice i żyły to mniejsze i większe kon­cep­cje, tłu­ma­czące wszyst­kie zacho­dzące wokół nas zjawiska fizyczne. Gdzieś wewnątrz tej gęstwiny znajduje się pul­su­jące serce, sta­no­wiące wspólne centrum naj­waż­niej­szych teorii fizyki. To właśnie nasz cel: spa­ja­jąca to wszystko teoria wszystkiego. 

Co w ogóle powin­ni­śmy rozumieć przez “teorię wszyst­kiego” (Theory of Eve­ry­thing, ToE)? Mało praw­do­po­dobne abyś nie słyszał w swoim życiu o teorii ewolucji, teorii helio­cen­trycz­nej, teorii wiel­kiego wybuchu, czy bardziej nas inte­re­su­ją­cych teorii kwantów, szcze­gól­nej lub ogólnej teorii względ­no­ści. Każda stanowi pokaźną skarb­nicę faktów oraz ich inter­pre­ta­cji, pozwa­la­ją­cych na wyja­śnie­nie obser­wo­wa­nych zjawisk. Pytanie więc brzmi: cóż takiego powinna opisywać idea rosz­cząca sobie prawo do miana teorii… wszyst­kiego? Czy jakaś teoria rze­czy­wi­ście ma szansę wyja­śniać wszystko co nas otacza? Pod tym względem fizyka pozo­staje naj­bar­dziej aro­gancką ze wszyst­kich dziedzin. Oczy­wi­ście ToE nie pozwoli na bez­po­śred­nie ogar­nię­cie każdego procesu obecnego w przy­ro­dzie, ale wszyst­kie efekty i oddzia­ły­wa­nia będą musiały być z nim zgodne. Wszyst­kie efekty znajdą w nim wspólny mia­now­nik. Mówiąc pate­tycz­nie, mamy na myśli Świętego Graala nauki – zespół równań, od których wypro­wa­dzimy wszyst­kie prawidła rządzące znanym nam wszech­świa­tem. Od powłok elek­tro­no­wych atomu, po tańczące ze sobą galak­tyki. Gra jest warta świeczki. Osoba, która odkry­łaby tę kosmiczną zasadę, zapew­ni­łaby sobie wieczną chwałę. Jej nazwisko znałby każdy uczeń i nawet dziesięć nagród Nobla nie wystar­czy­łoby na właściwe doce­nie­nie jej wkładu w rozwój nauki. Albert Einstein powie­działby, iż ten kto odnotuje równania teorii wszyst­kiego, trafi na naj­lep­szą drogę do poznania umysłu Boga. 

Unifikacja oddziaływań to klucz do teorii wszystkiego

Jednak zanim fizycy dostąpią tych wszyst­kich zaszczy­tów, muszą uporać się z pod­sta­wo­wym wyzwa­niem. Z uni­fi­ka­cją czterech fun­da­men­tal­nych sił rzą­dzą­cych fizyczną rze­czy­wi­sto­ścią: gra­wi­ta­cji, elek­tro­ma­gne­ty­zmu, oddzia­ły­wań silnych i oddzia­ły­wań słabych. Na szczę­ście nie zaczy­namy od zera. Pewne kroki w tym kierunku poczy­ni­li­śmy już kilka pokoleń temu i to na nich skupimy się w dalszej części tekstu.

Wszyscy spadamy

Naszą wędrówkę roz­pocz­niemy w XVII-wiecznej Anglii, kiedy to pewnemu młodemu uczonemu spadło jabłko na głowę. Oczy­wi­ście, jak to często bywa, historia o jabłku stanowi jedynie pewien symbol, a prawda niemal na pewno wyglą­dała mniej bajkowo. Izaak Newton był wraż­li­wym, cher­la­wym i sno­bi­stycz­nym intro­wer­ty­kiem, który przed­kła­dał naukę ponad kontakty towa­rzy­skie. Kiedy w jego rodzinne strony przy­pa­łę­tała się zaraza, zapewne jako jeden z niewielu dostrzegł w tym fakcie dobre strony, nie musząc wyściu­biać nosa za próg swojej posia­dło­ści i w spokoju oddając się kon­tem­pla­cji rze­czy­wi­sto­ści. Należał on przy tym do geniuszy starego typu, wyra­ża­ją­cych dogłębne zain­te­re­so­wa­nie wszyst­kim co wpadło im akurat w ręce. Maczał palce w alchemii, badał Biblię, rozważał naturę światła, posze­rzał granice mate­ma­tyki i oczy­wi­ście miał fioła na punkcie zjawiska ruchu.

Nawet kilka wieków temu nie sta­no­wiło żadnej tajem­nicy, że jabłko rzucone do góry musi spaść. Newtona trapił jednak związany z tym ogromny problem: skoro Ziemia ściąga ku sobie wszyst­kie obiekty, to dlaczego z nieba nie spadają ciała nie­bie­skie? Był to jeszcze czas silnych wpływów religii, gdy więk­szość umysłów potra­fiła zado­wo­lić się wyja­śnie­niami mistycz­nymi. Newton nie stanowił pod tym względem wyjątku, ale z jakiegoś powodu uważał, iż musi istnieć logiczna, czysto świecka odpo­wiedź akurat na tę zagadkę. Wystar­czył prze­błysk geniuszu (kto wie, być może fak­tycz­nie coś spadło mu na głowę?) aby wpadł na genialny w swej pro­sto­cie pomysł. Doszedł mia­no­wi­cie do wniosku, że na wszyst­kie ciała nie­bie­skie, jak choćby Księżyc, naprawdę działa dokład­nie ta sama siła przy­cią­ga­nia, która przykuwa nas w tej chwili do gruntu. Dlaczego więc nasz natu­ralny satelita nie spada na Ziemię, a Ziemia nie spada na Słońce? Odpo­wiedź Newtona brzmiała prze­wrot­nie: w istocie Księżyc cały czas spada na Ziemię, a wszyst­kie planety spadają na powierzch­nię Słońca! Jest to jednak per­ma­nentne spadanie, w dogod­nych warun­kach trwające bez końca. Jabłko może osiągnąć dokład­nie ten sam efekt. Kiedy rzucisz z całej siły owocem, jego ciężar zmusi go do opadania linii krzywej; a ponieważ energia nadana mu przez Twoje ramie nie jest zbyt impo­nu­jąca, w końcu dotknie ziemi. Teo­re­tycz­nie jednak – powiada Newton – każdy obiekt można wystrze­lić z taką pręd­ko­ścią aby spadał bez końca i osiadł na sta­bil­nej orbicie wokół planety. W sieci istnieje wiele prostych symu­la­cji opartych o kla­syczny pomysł Newtona; jedną z nich znaj­dziesz pod tym adresem.

Odkrycie to zostało szybko spre­cy­zo­wane w ramach nauczo­nego po dziś dzień prawa powszech­nego ciążenia, gło­szą­cego, iż “między parą masyw­nych ciał działa siła, która działa na linii łączącej ich środki mas, której wartość rośnie z ilo­czy­nem ich mas i maleje z kwa­dra­tem odle­gło­ści”. W uprosz­cze­niu, new­to­now­ską gra­wi­ta­cję możemy sobie wyobra­zić jako nie­wi­dzialny sznur trzy­ma­jący przy sobie wszyst­kie obiekty, z siłą zależną od masy i odle­gło­ści między nimi. Jeśli dwa przed­mioty oddalone od siebie o kilometr prze­su­niemy na odle­głość dwóch kilo­me­trów, siła ich przy­cią­ga­nia okaże się pomniej­szona czte­ro­krot­nie. Izaak Newton odkrył w tym momencie jedną z fun­da­men­tal­nych zasad wszech­świata i jed­no­cze­śnie pierwszą tak udaną próbę opisania oddzia­ły­wa­nia gra­wi­ta­cyj­nego. Z dzi­siej­szej per­spek­tywy trudno nam sobie uświa­do­mić wagę tego przełomu. Oto ludzki umysł zdołał pojąć, że dokład­nie takie same siły oddzia­łują na każdy obiekt we wszech­świe­cie – od kamienia wystrze­lo­nego z procy, po planety i odległe odległe gwiazdy – raz na zawsze łącząc fizykę obecną na Ziemi z fizyką nieba. Sir Izaak Newton z miejsca został okrzyk­nięty boha­te­rem nauki, ojcem fizyki, auto­ry­te­tem nad auto­ry­te­tami. Choć miał wielu zacie­kłych wrogów i wraz z wiekiem pro­wa­dził coraz bardziej eks­cen­tryczne życie, to jednak uzyskał tytuł szla­checki, sta­no­wi­sko prze­wod­ni­czą­cego Towa­rzy­stwa Kró­lew­skiego w Londynie i wyzna­czył naukowe trendy na następne stulecia.

Dopiero po ponad dwustu latach miało okazać się, iż gra­wi­ta­cyjny model Newtona, zawiera pewne braki.

Burza, kompas i pola

Ode­tchnijmy jednak na moment od gra­wi­ta­cji, nie opusz­cza­jąc jed­no­cze­śnie Wysp Bry­tyj­skich. Tam bowiem posta­wiony został kolejny krok ku roz­szy­fro­wa­niu kodu wszech­świata, za sprawą Jamesa Clerka Maxwella (to nie dwa imiona, Clerk i Maxwell to nazwiska odzie­dzi­czone po zna­mie­ni­tych rodach ojca i matki). Jak wspo­mnia­łem, gra­wi­ta­cję w ujęciu new­to­now­skim przez poko­le­nia przyj­mo­wano jako pewnik, toteż uczeni woleli zwrócić swój wzrok na inne palące problemy. Maxwell wziął pod lupę dwie obser­wo­walne, a jednak wciąż nie­roz­gry­zione siły: elek­trycz­ność i magne­tyzm. Jeszcze na początku XIX wieku nie zdawano sobie sprawy ze związku łączą­cego obra­ca­jący igłą kompasu magne­tyzm oraz elek­trycz­ność widoczną przy okazji wyła­do­wań atmos­fe­rycz­nych. Toż­sa­mość obu efektów fizycz­nych dostrzegł po raz pierwszy Duńczyk Hans Chri­stian Ørsted, sta­wia­jąc tezę, iż oba efekty fizyczne nie tylko mogą być powią­zane, ale wręcz pozo­stają w nie­ro­ze­rwal­nym sprzę­że­niu. Nawet laik jest w stanie poddać kon­cep­cję Ørsteda prostej wery­fi­ka­cji. Wystar­czy poob­ser­wo­wać zacho­wa­nie kompasu podczas burzy i zwrócić uwagę jak igła wska­zu­jąca zwy­czaj­nie północ, nagle zaczyna wariować, reagując na potężne wyła­do­wa­nie elek­tryczne. Świat nauki zdawał więc sobie sprawę z wyraź­nego pokre­wień­stwa zjawisk, ale długo nie potrafił go sen­sow­nie zinterpretować.

W tym miejscu na scenę wkroczył James Clerk Maxwell wraz z nowa­tor­skim pomysłem pola elek­tro­ma­gne­tycz­nego. W swojej publi­ka­cji z 1865 roku zawarł równania uwzględ­nia­jące związek między natę­że­niem prądu i jego skutkami magne­tycz­nymi oraz opi­su­jące energię własną pola elek­tro­ma­gne­tycz­nego, jako “zależną czę­ściowo od pola­ry­za­cji magne­tycz­nej, a czę­ściowo od pola­ry­za­cji elek­trycz­nej w każdym punkcie”. Zwróć uwagę, że doszło tu do dwo­ja­kiego przełomu. Nie tylko obja­śniono jak ma się magne­tyzm do elek­trycz­no­ści, ale przy okazji wpro­wa­dzono do fizyki teo­re­tycz­nej szalenie istotne pojęcie pola. Dowie­dzie­li­śmy się już, w jaki sposób Newton wykazał jak na siebie oddzia­łują dwa masywne ciała. Żyjący później Charles Coulomb i inni badacze elek­trycz­no­ści zauwa­żyli, że ana­lo­giczne zależ­no­ści panują pomiędzy dwoma ładun­kami elek­trycz­nymi. Jednak aż do czasu Maxwella nikt nie pomyślał nad tym dlaczego dwa fizyczne obiekty potrafią na siebie wpływać mimo dzie­lą­cego ich dystansu. Szkot założył, że prze­strzeń wcale nie jest pusta, lecz wypeł­niona jakimś ośrod­kiem o fizycz­nych wła­ści­wo­ściach. Polem. Nasz bohater nie mógł wiedzieć jak modny stanie się ten koncept już po jego śmierci. Nie prze­sa­dza­jąc, można rzec, że cała XX-wieczna fizyka spoczęła na fun­da­men­cie wszech­obec­nych, wza­jem­nie prze­ni­ka­ją­cych się pól kwantowych.

Równania Jamesa Maxwella

Oczy­wi­ście kon­cep­cja bry­tyj­skiego pro­fe­sora nie była jeszcze tak zaawan­so­wana jak współ­cze­sne, ale zawie­rała to co naj­waż­niej­sze. Świat uzyskał wizu­ali­za­cję siły elek­tro­ma­gne­tycz­nej jako wzbu­rze­nia ota­cza­ją­cego nas pola. Mamy zatem do czy­nie­nia z falą, której grzbiet wywołuje oddzia­ły­wa­nie elek­tryczne, pobu­dza­jące auto­ma­tycz­nie swoim drganiem zjawiska magne­tyczne, które z kolei znów generują pole elek­tryczne. Niczym w rzędzie pousta­wia­nych na przemian białych i czarnych kostek domina. Naru­sze­nie jednej nie­chyb­nie dopro­wa­dzi do prze­wró­ce­nia całej serii, nie­za­leż­nie od koloru.Elektromagnetyzm doczekał się udo­ku­men­to­wa­nia w czterech sto­sun­kowo prostych rów­na­niach (w ory­gi­nal­nej publi­ka­cji znaj­dziesz dwa­dzie­ścia równań, ale te cztery uznaje się za nie­zbędny fun­da­ment). W ten oto sposób, oba zjawiska – elek­trycz­ność i magne­tyzm – zostały zuni­fi­ko­wane w jedno, kolejne po gra­wi­ta­cji, oddzia­ły­wa­nie pod­sta­wowe. Nie można również zapo­mnieć, że przy tej okazji dokonano innego nie­ba­ga­tel­nego odkrycia. Towa­rzy­szące nam od zawsze światło, zostało wreszcie kon­kret­nie zde­fi­nio­wane jako fala elek­tro­ma­gne­tyczna o pewnej czę­sto­tli­wo­ści. Jednak przy tej okazji pojawił się również drobny problem, który poważnie potrak­tują dopiero następcy Maxwella. Prędkość światła – to jest prędkość roz­cho­dze­nia się fali elek­tro­ma­gne­tycz­nej – zgodnie z nowymi odkry­ciami, zdawała się nie zależeć od pręd­ko­ści źródła jego emisji. Co za tym idzie prędkość ta powinna pozo­sta­wać iden­tyczna dla różnych obser­wa­to­rów, nie­za­leż­nie od ich ruchu. A zatem z równań Maxwella płynie nauka, że dla obiektu poru­sza­ją­cego się z szyb­ko­ścią bliską fali światła… czas musi zwolnić.

Zamach na sir Izaaka

Wniosek o spo­wal­nia­niu czasu musiał brzmieć dla XIX-wiecz­nych umysłów co najmniej nie­do­rzecz­nie i nie było szans aby ktoś spojrzał nań przy­chyl­nie. Wystar­czy, że wrócimy do nie­ty­kal­nego sir Izaaka Newtona, i przy­to­czymy tezy pocho­dzące z jego dzieła Prin­ci­pia Mathe­ma­tica. Przede wszyst­kim: “Czas abso­lutny, praw­dziwy i mate­ma­tyczny, sam z siebie i przez swą naturę upływa rów­no­mier­nie bez związku z czym­kol­wiek zewnętrz­nym i inaczej nazywa się trwaniem”. Czas, zresztą podobnie jak i prze­strzeń, były zatem przez Anglika defi­nio­wane “na chłopski rozum”, zgodnie z naszymi codzien­nymi wra­że­niami, jako coś co po prostu jest i nie ulega żadnym prze­kształ­ce­niom. Jest jeszcze coś, na co powi­nie­neś zwrócić uwagę zanim przej­dziemy dalej. Jak już usta­li­li­śmy, new­to­now­ska gra­wi­ta­cja pętała ciała niczym nie­wi­dzialny sznur. Takie rozu­mo­wa­nie prowadzi do pewnego bardzo groźnej impli­ka­cji. Wyobraź sobie, że w tym momencie węzeł trzy­ma­jący Ziemię przy Słońcu zostaje prze­cięty, bądź po prostu w nie­wy­ja­śnio­nych oko­licz­no­ściach Słońce nagle znika. Puf i centrum naszego układu pla­ne­tar­nego zionie pustką. Jak myślisz, co się stanie? Posłu­gu­jąc się logiką czysto new­to­now­ską, nasza planeta jak i wszyst­kie pozo­stałe, natych­miast, w jednym momencie opuszczą swoje orbity i pod­ry­fują w czeluści kosmosu. W opisie siły ciążenia czas nie odgrywa żadnej roli, a wszystko dzieje się bez­zwłocz­nie. Na początku XX wieku pojawiła się jednak osoba kwe­stio­nu­jąca taki stan rzeczy, otwarcie twier­dząca, że wszech­świat nie działa bez ogra­ni­czeń, zaś czas, prze­strzeń, gra­wi­ta­cja i światło nie mieszczą się w dotych­cza­so­wych schematach.

Alberta Ein­ste­ina nie muszę Ci przed­sta­wiać (jeśli jeszcze nie miałeś okazji to zapra­szam do osobnego, trzy­czę­ścio­wego cyklu poświę­co­nego wyłącz­nie Ein­ste­inowi oraz artykułu doty­czą­cego genezy STW. Tu tylko liźniemy temat). Dobrze wykształ­cony i nie­sa­mo­wi­cie inte­li­gentny, długo nie potrafił znaleźć pracy na uczelni i osta­tecz­nie wylą­do­wał w urzędzie paten­to­wym. Choć nie było to marzenie geniusza, to jednak zyskał dzięki temu kontakt z naj­śwież­szymi nowin­kami tech­no­lo­gicz­nymi oraz tyle czasu, aby szli­fo­wać swoje autor­skie teorie. Naj­do­rod­niej­sza z nich miała wkrótce wstrzą­snąć nauką w posadach i wyzna­czyć nowe hory­zonty dla całej fizyki teoretycznej.

Animacja przedstawiająca dylatację czasu

Swoją pracę Einstein roz­po­czął od prze­my­śleń na temat światła. Czy pierw­szym prawem dynamiki Newtona można objąć światło? A czy efekty gra­wi­ta­cyjne poru­szają się z nie­skoń­czoną pręd­ko­ścią, a zatem z większą niż promień świetlny? Według dwu­dzie­sto­pa­ro­let­niego fizyka odpo­wie­dzi na te pytania, musiały być nega­tywne. Prawidła fizyki kla­sycz­nej oraz zwykła intuicja, pod­po­wia­dają nam, że kiedy jedziemy na rowerze i rzucimy przed siebie piłkę, to prędkość samej piłki należy zsumować z pręd­ko­ścią naszego pojazdu. Dla Ein­ste­ina światło, jak i żadna inna fala elek­tro­ma­gne­tyczna, nie powinna działać w ten sposób. Fotony światła (pojęcie fotonu dopiero czekał na odkrycie, ale to teraz nieważne) wyemi­to­wane przez lampkę sto­ją­cego roweru, pędzą z prze­kra­cza­jącą ludzkie wyobra­że­nie pręd­ko­ścią 300 tys. km/s. Choć to dla nas abs­trak­cja, promień światła lampki tego samego roweru podczas jazdy nadal ma prędkość 300 tys. km/s! Podobnie światło lamp samo­cho­dów, samo­lo­tów czy wyima­gi­no­wa­nego statku kosmicz­nego. Bez względu na to jaką prędkość posiada źródło światła, nie dodajemy jej do pręd­ko­ści samego pro­mie­nia świetl­nego. W słynnym artykule O elek­tro­dy­na­mice ciał w ruchu z 1905 roku, Einstein stwier­dzał: “Prędkość światła w próżni, c, jest jed­na­kowa w każdym kierunku we wszyst­kich iner­cjal­nych układach odnie­sie­nia, nie­za­leż­nie od wza­jem­nego ruchu obser­wa­tora i źródła”. Ależ to musiała być bomba. Młody uczony usta­no­wił kosmiczne ogra­ni­cze­nie szyb­ko­ści, którego nic nam znanego nie może prze­kro­czyć, zaś samo światło w próżni powinno poruszać się ni szybciej ni wolniej, ale dokład­nie z pręd­ko­ścią c. W tekście tym nie mogę skupić się na samej szcze­gól­nej teorii względ­no­ści (jeszcze raz zapra­szam do osobnego cyklu), dlatego też skrócę zawartą w niej myśl do minimum. Odważny pomysł Ein­ste­ina oznaczał poja­wie­nie się w nauko­wych słow­ni­kach nowych pojęć i potrzebę zre­de­fi­nio­wa­nia wielu starych. Podczas gdy fala elek­tro­ma­gne­tyczna okazała się cechować pręd­ko­ścią abso­lutną, czas miał ulegać dyla­ta­cji, czyli spo­wol­nie­niu dla przy­śpie­sza­ją­cego obser­wa­tora. Prze­strzeń również nie zacho­wała swoich przy­wi­le­jów, pod­le­ga­jąc kontr­ak­cji, a więc skró­ce­niu w miarę zbli­ża­nia się obiektu do pręd­ko­ści światła. Jedno z drugim kore­lo­wało, pozwa­la­jąc na ukucie nowego kon­struktu, znanego jako cza­so­prze­strzeń. A jakby tego było mało, jeszcze w tym samym roku Einstein utoż­sa­mił masę z energią, co wyraził w naj­bar­dziej znanym wzorze w historii.

Na pod­sta­wie sfor­mu­ło­wa­nych przez siebie postu­la­tów, geniusz Ein­ste­ina kon­ty­nu­ował trium­falny pochód w opu­bli­ko­wa­nej dekadę później ogólnej teorii względ­no­ści. Poproszę Cię w tym miejscu abyś wrócił myślami do eks­pe­ry­mentu myślo­wego z usu­nię­ciem Słońca. Izaak Newton twier­dził, że w razie braku naszej gwiazdy, Ziemia zare­ago­wa­łaby od razu i odle­ciała. Dla nowego bohatera nauki było to kom­plet­nie nie do przy­ję­cia. Ziemia mogłaby opuścić orbitę naj­szyb­ciej po 8 minutach. Dlaczego akurat tyle? Od Słońca dzieli nas średnio 150 milionów kilo­me­trów i nawet promień światła potrze­buje 8 minut aby przebyć ten dystans. Skoro w myśl szcze­gól­nej teorii względ­no­ści nic nie powinno wyprze­dzać pręd­ko­ści c, to również dla gra­wi­ta­cji nie wolno czynić wyjątku. Jednak taki pomysł wymagał istot­nego zre­for­mo­wa­nia dawnego modelu gra­wi­ta­cji. Einstein podjął to wyzwanie i powalił wszyst­kich na kolana ele­gan­cją swej nowej idei.

Zagięcie czasoprzestrzeni według ogólnej teorii względności

Autor teorii względ­no­ści wyobra­ził sobie cza­so­prze­strzeń jako roz­cią­gnięte płótno, na którym spo­czy­wają wszyst­kie mate­rialne obiekty. Z im masyw­niej­szym ciałem mamy do czy­nie­nia, tym większe zagłę­bie­nie wokół siebie tworzy. Mniejsze obiekty mogą w te doliny wpadać, co inter­pre­tu­jemy jako przy­cią­ga­nie. Gra­wi­ta­cja nie jest więc new­to­now­ską nie­wi­dzialną liną, lecz znie­kształ­ce­niem czte­ro­wy­mia­ro­wej cza­so­prze­strzeni, wywo­ła­nym obec­no­ścią masy (tak, czte­ro­wy­mia­ro­wej bo obecność masy wpływa zarówno struk­turę prze­strzeni jak i na upływ czasu). Powta­rza­jąc za Johnem Archi­bal­dem Whe­ele­rem: “Materia mówi cza­so­prze­strzeni jak ma się zakrzy­wiać. Cza­so­prze­strzeń mówi materii, jak ma się poruszać”.

W ten sposób ogólna teoria względ­no­ści dała podstawę m.in. do prze­wi­dze­nia czarnych dziur, eks­pan­sji wszech­świata, fal gra­wi­ta­cyj­nych, czy zjawiska soczew­ko­wa­nia gra­wi­ta­cyj­nego – do dziś naj­le­piej opisując funk­cjo­no­wa­nie świata w skali makroskopowej.

Na scenie pojawia się nieproszony gość

Nazwisko Alberta Ein­ste­ina trafiło na czołówki gazet, a jego twarz nadal pozo­staje roz­po­zna­wana chyba w każdym cywi­li­zo­wa­nym miejscu na Ziemi. Dzięki swojej nie­skoń­czo­nej kre­atyw­no­ści dopro­wa­dził do sprzę­że­nia czasu i prze­strzeni z jednej strony, oraz energii i materii z drugiej. W ten sposób wpadł nam w ręce kolejny, wiel­gachny fragment kosmicz­nej układanki.

Geniusz nie spoczął na laurach i ostatnie kil­ka­dzie­siąt lat spędził w swoim domu w Prin­ce­ton, uparcie szukając… teorii wszyst­kiego. Einstein żył w prze­ko­na­niu bli­sko­ści celu, do którego osią­gnię­cia wystar­czyło począt­kowo jedynie połączyć jakoś teorię względ­no­ści z elek­tro­ma­gne­ty­zmem Maxwella. Niestety natura zakpiła z wiel­kiego uczonego, ujaw­nia­jąc kolejne tajem­ni­cze zjawiska, obecne na poziomie sub­a­to­mo­wym i nie­wy­tłu­ma­czalne na kanwie dotych­cza­so­wych teorii. Einstein i jego polo­wa­nia na jed­no­litą teorię pola znalazły się w cieniu mecha­niki kwan­to­wej – nowej gałęzi fizyki, która bez reszty pochło­nie naj­tęż­sze umysły XX wieku. Profesor Prin­ce­ton dosko­nale zdawał sobie sprawę ze swojego poło­że­nia: “Muszę przy­po­mi­nać strusia, który wiecznie chowa głowę w rela­ty­wi­stycz­nym piachu, żeby nie spotkać złych kwantów”. Wkrótce ziściły się jego naj­gor­sze obawy. Nowa­tor­ska mecha­nika kwantowa okazała się zupełnie nie współ­grać z jego teorią względ­no­ści. Po pokaźnym kroku w przód, nastą­piły dwa kroki w tył.

Ciąg dalszy nastąpi.

Literatura uzupełniająca:
L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej-Józefowicz, Warszawa 2005;
S. Hawking, Krótka historia czasu, Warszawa 2007;
B. Greene, Piękno wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, przeł. E. Łokas, Warszawa 2002;
E. Speyer, Spadkobiercy Newtona, przeł. J. Dziembowski, Warszawa 1997;
W. Issacson, Einstein. Jego życie, jego wszechświat, przeł. J. Skowroński, Warszawa 2010;
A. K. Wróblewski, Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2015;

Wpis stanowi odświe­żoną wersję tekstu z 31 lipca 2012 roku.

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.