Einstein predložil pred 105 rokmi konečnú verziu gravitačného zákona, známeho ako všeobecná teória relativity. Je však ťažko zrozumiteľná pre bežného človeka. V čom zjednodušene spočíva jej podstata?
Úplne najjednoduchšie vysvetlenie je také, že hmota zakrivuje časopriestor, a časopriestor vplýva na hmotu a jej pohyb.
Zložitosť tejto teórie spočíva v tom, že je za ňou pomerne zložitá matematika a prekopala základné ľudské predstavy o čase a priestore.
Bežní ľudia, ale zároveň aj fyzici pred Einsteinom totiž rozmýšľali o čase a priestore v absolútnych pojmoch. To znamenalo, že máme absolútny čas, teda určité hodinky, ktoré tikajú všade vo vesmíre a podľa nich sa dejú veci.
Einstein si však už vo svojej špeciálnej teórii relativity, ktorá tú všeobecnú predchádzala, uvedomil, že to nedáva zmysel.
V skutočnosti platí, že každý pozorovateľ má svoj vlastný čas, ale nie úplne sa dokáže zhodnúť s iným pozorovateľom na tom, ako rýchlo plynie. Potom sa do hry dostala gravitácia.
Ak by zmizlo Slnko, kedy by sme si to všimli? Vieme, že svetlu trvá osem minút, kým príde zo Slnka k nám. Ale otázka je, ako rýchlo by sme prestali cítiť gravitačné pôsobenie Slnka.
V Newtonovej teórii by to bolo okamžite. V celom vesmíre by teda ihneď prestala pôsobiť gravitácia z nášho Slnka. Einsteinovi však bolo veľmi podozrivé, prečo by sa mali ostatné sily šíriť inak ako gravitácia.
Pokúsil sa ju preto zakomponovať do obrazu špeciálnej teórie relativity, kde by bol čas a priestor zložitejší. A zapadla tam úplne nádherným spôsobom, ukázalo sa, že je to prirodzená súčasť teórie.
Vyšlo mu, že hmota spôsobuje zakrivenie časopriestoru, ktoré mení naše vnímanie vzdialenosti a časových úsekov. Zároveň sa prejavuje aj ako gravitačné zrýchlenie, ktoré nás drží pri zemi. Einstenov obraz je teda taký, že Zem zakrivuje časopriestor a v ňom sa pohybujeme tak, že padáme smerom k zemi.
Môžete uviesť konkrétne príklady, aby sme si to všetko vedeli lepšie predstaviť?
Spomeniem tri experimenty, dva z nich sú nebeské a jeden viac pozemský. Einstein tie nebeské experimenty hneď využil na to, aby ukázal, že jeho teória je správnejšia ako tá Newtonova. Vyriešila problém, prečo sa planéta Merkúr okolo Slnka hýbe zvláštnym spôsobom.
Všetky planéty ho obiehajú po elipsách, ale elipsa Merkúra sa zároveň pomalinky stáča. Einsteinovi z jeho rovníc pre zakrivený časopriestor vyšiel presne taký pohyb Merkúra, aký ľudia pozorovali teleskopmi.
Na druhý experiment si Einstein musel počkať. V jeho teórii sa slnečné lúče ohýbajú vplyvom gravitácie inak ako v Newtonovej teórii.
Einsteinova predpoveď bola taká, že keď sa medzi vzdialenou hviezdou a nami ocitne dostatočne hmotné teleso, tak sa lúč z danej hviezdy ohne. To vtedy vyzerá, ako by sa hviezda posunula na oblohe.
Problém je ten, že objekty sa po oblohe veľmi nehýbu, takže ťažko by sme čakali, že sa niečo hmotné ocitne medzi nami a vzdialenou hviezdou. Jedinou výnimkou je Slnko.
Takže nápad bol, že ak sa Slnko ocitne medzi nami a vzdialenou hviezdou, malo by to spôsobiť ohnutie svetelných lúčov. Problém je však v tom, že keď je Slnko na oblohe, nevidíme hviezdy, ktoré sú za ním.
Takže experiment urobili počas zatmenia.
Presne tak. Keď Mesiac zatienil Slnko, boli viditeľné hviezdy, ktoré sú v jeho tesnej blízkosti. A vedci pozorovali, že sa zdanlivo pohli presne podľa Einsteinovej teórie.
Mimochodom, tento efekt sa volá gravitačné šošovkovanie – hmotný objekt pôsobí ako vizuálna šošovka – a dnes je už bežným nástrojom pri skúmaní vesmíru.
Čo sa týka tretieho experimentu, profesor Joseph Hafele si uvedomil, že jeden z efektov Einsteinovej gravitácie by sa mal dať pozorovať aj na Zemi, pri letoch.
Po prvé to znamená to, že ako rýchlo ide čas, závisí od toho, ako blízko sa nachádzame k hmotnému telesu.
Čiže čím sme od Zeme ďalej, tým menej vnímame jej gravitačné pole. Prakticky to znamená, že ak niekto vyletí do vesmíru, tak mu hodinky tikajú iným tempom, ako niekomu, kto zostáva na Zemi.
Po druhé, keď sa voči sebe hýbeme, vzájomne vidíme svoje hodinky tikať pomalšie. Hafele teda vymyslel, aby veľmi presné atómové hodinky naložili do komerčného lietadla, ktoré raz pustili v smere rotácie Zeme a potom proti smeru.
Spojili sa tým dve Einsteinove predpovede. Prvá je tá, že keď sa nachádzame v nejakej výške, čas beží inou rýchlosťou.
A druhá je, že keď sa voči ľuďom na Zemi hýbeme inými rýchlosťami, tak čas beží inak rýchlo. Atómové hodiny, ktoré išli v smere a proti smeru rotácie, teda ukázali iný čas, presne taký, aký predpovedá Einsteinova teória.
Čo všetko nám táto teória priniesla? Čo vďaka nej máme?
Začnem tou praktickejšou časťou. Efekty, ktoré sa namerali v tých lietadlách, sú dôležité pri GPS-kách. Tie sa totiž nachádzajú vysoko a zároveň sa pohybujú veľmi rýchlo.
Takže ak chceme správne rozumieť fyzike GPS, musíme tam tieto efekty zahrnuť, pretože by sme ich rovno mohli zahodiť do koša, mali by chyby na úrovni niekoľkých kilometrov.
Ten „nepraktický“ dôsledok je podľa mňa ešte fascinujúcejší, pretože sme pochopili, aká zvláštna je podstata času a priestoru.
Šokujúce, bez preháňania, bolo zistenie, ktoré z teórie vzišlo – vesmír nie je statický, rozpína sa! To je v Newtonovej teórii nemysliteľné.
Ruka v ruke s tým tak prišlo poznanie, že vesmír musel byť v minulosti menší. Vďaka tomu sme odvodili aj to, že má počiatok.
Z filozofického hľadiska to má obrovské dôsledky na našu predstavu toho, aké je naše miesto vo vesmíre. Aj keď treba uznať, že to možno prinieslo viac nových otázok, než odpovedí!
Na čom môžeme vidieť relativitu v každodennom živote?
Na všeobecnú relativitu nemáme bežný príklad, lebo keby existovali bežné príklady, objavili by ju už skôr. Špeciálna relativita, ktorá nám iba hovorí o rozdielnom vnímaní času a priestoru pri vysokých rýchlostiach, má obrovské dôsledky na bežný život.
Napríklad nebyť tejto teórie, tak nerozumieme tomu, prečo je zlato zlaté a prečo je striebro strieborné. Správanie častíc hmoty v našom okolí je ňou teda priamo ovplyvnené.
Všeobecnú teóriu relativity sa mnohí vedci snažili vyvrátiť, ale veľa vecí sa v nej potvrdilo. V čom je zraniteľná?
Väčšina fyzikov si nemyslí, že táto teória platí úplne presne. Berieme ju ako spresnenie oproti Newtonovi, ale očakávame, že bude mať svojho nástupcu.
Minimálne z toho dôvodu, že nie je kompatibilná s kvantovou fyzikou. Zároveň máme vo vesmíre niekoľko nevysvetlených záhad.
Napríklad nerozumieme tomu, čo je temná hmota, teda že vo vesmíre existujú veci, ktorých gravitačné pôsobenie vidíme, ale nevidíme, čo ho spôsobuje.
Jedna z hypotéz je, že nie je problém s vesmírom, ale že Einsteinove rovnice treba opraviť. A to tak, aby správne opísali, čo je temná hmota.
Zatiaľ sa tomu až tak veľmi dobre nedarí, ale poslednú dobu prichádzajú do kozmológie náznaky, že s gravitáciou je niečo v neporiadku.
Nie je však jasné, či je problém v Einsteinových rovniciach, alebo v našom rozmýšľaní o vesmíre. To, ako sa rozpína, môžeme skúmať pomocou objektov, ktoré sú k nám relatívne blízko, alebo ktoré sú na opačnom konci vesmíru.
A ten obraz, ktorý získavame, nie je konzistentný, čo vzbudzuje dojem, že niečomu nerozumieme úplne poriadne. A to je veľmi vzrušujúce, v kozmológii očakávame veľké objavy.
Einstein predpovedal aj existenciu čiernych dier, ale vlastne sám neveril, že môžu existovať. Je niečo, čo sa jeho teóriou nedá v tomto smere vysvetliť, prípadne odporuje niečomu, čo už vieme, že to tak určite je?
Áno, jemu sa zo začiatku nepozdávalo to, že pri vzniku čiernej diery sa hmota zrúti do jedného bodu s nekonečnou hustotou.
Myslel si, že v prírode existuje mechanizmus, ktorý zabráni vzniku čiernych dier, ale zistil sa opak. Teraz si ale myslíme, že existuje mechanizmus, ktorý predsa len zabraňuje tej nekonečnej hustote, ale zároveň nezabraňuje vzniku čiernej diery.
S týmito objektmi sa spája obrovské množstvo paradoxov. Základná otázka je, čo sa stane s informáciou, ktorá spadne do čiernej diery.
V iných fyzikálnych teóriách platí, že informácia sa nemôže strácať. Môže sa stratiť zdanlivo, ale nie skutočne.
To znamená, že ak spálim knihu, tak informácia sa pre mňa ako človeka síce stratila, ale spätne by sa dala s vynaložením dostatočného úsilia zreprodukovať. V prírode tá informácia teda zostala, stratili sme ju len my ľudia.
Problém s čiernymi dierami je ten, že vyzerajú ako miesto, kde sa informácia dá strácať, čo je v rozpore so všetkými ostatnými fyzikálnymi teóriami. Ukazuje sa, že porozumenie v správaní čiernych dier môže byť kľúčom ku zbytku vesmíru, pretože javia rôzne zvláštne vlastnosti.
Napríklad v ich prípade to vyzerá tak, že každá informácia o nich je uložená v horizonte udalosti, teda v ploche, ktorá ich obklopuje a z ktorej nedokáže uniknúť ani svetlo.
Čierna diera je najhustejší objekt vo vesmíre, to znamená, že keď informácia o nej, je uložená v ploche, ktorá ju obkolesuje. To znamená, že informácia o hocičom, môže byť uložená v ploche, ktorá ho obkolesuje.
Takže napríklad informácia v našom tele je zakódovaná v tom, čo sa deje na povrchu nášho tela. To viedlo k myšlienke, či sa vesmír z istého uhla pohľadu v niečom nespráva ako hologram. Možno teda na úplne fundamentálnej úrovni funguje inak, ako si to predstavujeme.
