Stephen Hawking - Vesmír v orechovej škrupinke

svetlo šíriace sa éterom

Ku koncu storočia sa začali objavovať rozpory v predstave všetko prenikajúceho éteru. Očakávalo sa, že ak by sa svetlo v éteri šírilo konštantnou rýchlosťou a vy by ste cestovali éterom rovnakým smerom ako svetlo, jeho rýchlosť by sa mala javiť nižšia, ale ak by ste cestovali opačným smerom ako svetlo, jeho rýchlosť by mala byť vyššia (obr. 1.1).

Séria experimentov na podporu tejto myšlienky vyšla naprázdno. Najstarostlivejší a najpresnejší z experimentov vykonali v roku 1887 Albert Michelson a Edward Morley v Caseovej škole aplikovaných vied (Case School of Applied Science) v Clevelande, v Ohiu. Porovnali rýchlosť dvoch lúčov svetla, ktoré boli na seba navzájom kolmé. Pretože sa Zem otáča okolo svojej osi a obieha okolo Slnka, experimentálna aparatúra sa pohybuje éterom s premenlivou rýchlosťou a v rôznych smeroch (obr. 1.2). Michelson a Morley však nenašli žiadne denné alebo ročné rozdiely medzi dvoma lúčami svetla. Vyzeralo to, akoby sa svetlo šírilo stále tou istou rýchlosťou vzhľadom na pozorovat

bez ohľadu na to, ako rýchlo a akým smerom sa pohybuje (obr. 1.3.).

Na základe Michelsonovho-Morleyho experimentu írsky fyzik George FitzGerald a holandský fyzik Hendrik Lorentz navrhli, že telesá prechádzajúce éterom by sa mali skracovať a hodiny spomaľovať. Táto kontrakcia a spomaľovanie chodu hodín by malo byť také, že všetci ľudia by namerali rovnakú rýchlosť svetla, bez ohľadu na ich relatívny pohyb vzhľadom na éter. (FitzGerald a Lorentz stále považovali éter za reálnu látku.) Einstein v článku, ktorý napísal v júni 1905, však poukázal na to, že ak sa nedá zistiť, či sa niečo priestorom pohybuje alebo nie, potom je hypotéza éteru nadbytočná. Namiesto toho vychádzal z postulátu, podľa ktorého by sa fyzikálne zákony mali javiť rovnako pre všetkých voľne sa pohybujúcich pozorovateľov. Medziiným by všetci mali namerať tú istú rýchlosť svetla bez ohľadu na to, ako rýchlo by sa pohybovali.

Rýchlosť svetla je nezávislá od ich pohybu a je vo všetkých smeroch rovnaká.

To si vyžadovalo opustiť predstavu, podľa ktorej existuje univerzálna veličina nazývaná čas, ktorú merajú všetky hodiny. Namiesto toho má každý svoj vlastný, osobný čas. Časy dvoch ľudí sa zhodujú, iba ak sú títo ľudia vzhľadom na seba v pokoji, ale nie vtedy, ak sa voči sebe pohybujú.

Potvrdili to mnohé pokusy vrátane toho, keď dvoje presných hodín letelo okolo zemegule v opačných smeroch a vrátilo sa s trocha rozdielnymi časmi (obr. 1.4). To by mohlo naznačovať, že ak by niekto chcel žiť dlhšie, mal by letieť smerom na východ, aby sa rýchlosť lietadla a rotačná rýchlosť Zeme sčítavali. Avšak ten nepatrný zlomok sekundy, ktorý by sa takto získal, by vyšiel navnivoč pre konzumáciu jedál na palube lietadla.

Na hodinách v lietadle le-tiacom smerom na západ uplynie viac času, ako na hodinách pohybujúcich sa opačným smerom.

Časový interval pre ces-tujúcich v lietadle letiacom na východ je menší, ako pre pasažierov v lietadle idúcom smerom na západ.

Einsteinov postulát, že prírodné zákony by mali byť rovnaké pre všetkých pozorovateľov, ktorí sa vzhľadom k sebe pohybujú rovno-merne a priamočiaro, bol základom teórie relativity, nazvanej tak preto, lebo tvrdila, že dôležitý je iba relatívny pohyb. Jej krása a jednoduchosť presvedčila mnohých mysliteľov, ale našlo sa aj mnoho oponentov. Einstein zavrhol dve absolútna vedy 19. storočia: absolútny pokoj, predstavovaný éterom, a absolútny alebo univerzálny čas, ktorý mali merať všetky hodiny. Pre mnohých ľudí to však bola znepokojujúca predstava. Pýtali sa, či to znamená, že všetko je relatívne, že neexistujú žiadne absolútne morálne normy. Tieto rozpaky trvali po celé 20. a 30. roky minulého storočia. Nobelovu cenu udelili Einsteinovi v roku 1921 za dôležitú, ale (vzhľadom na jeho úroveň) relatívne nevýznamnú prácu predloženú tiež v roku 1905. Nebola tu žiadna zmienka o relativite, ktorú vtedy považovali za príliš kontroverznú. (Ešte stále dostávam dva alebo tri listy týždenne, v ktorých mi oznamujú, že sa Einstein mýlil.) Avšak vedecká komunita dnes úplne akceptuje teóriu relativity a jej predpovede sa overili v nespočetných aplikáciách.

(OBR. 1.5,vľavo)

V teórii relativity má každý pozorovateľ svoju vlastnú rých-losť plynutia času. To nás mô-že doviesť k tzv. paradoxu dvojčiat.

Jedno z dvojčiat (a)sa vydá na dlhú kozmickú púť, počas ktorej cestuje rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla (c), zatiaľ čo jeho brat (b)ostáva na Zemi.

V dôsledku pohybu dvojčaťa (a)dvojča pripútané k Zemi vidí, že čas v kozmickej lodi plynie pomalšie. Preto kozmický cestovateľ (a2)pri svojom návrate zistí, že

jeho brat (b2)zostarol viac ako on sám.

Aj keď sa to zdá proti zdra-vému rozumu, množstvo ex-perimentov potvrdilo, že ces-tujúce dvojča by bolo v tomto scenári skutočne mladšie.

(obr. 1.6. vľavo)

Kozmická loď míňa Zem zľava doprava 4/5 rýchlosťou svetla. Svetelný záblesk vyslaný z jedného konca kabíny sa odrazil na jej druhom konci (a).

Svetlo pozorujú ľudia na Zemi i na kozmickej lodi. V dôsledku pohybu kozmickej lode sa nezhodnú na vzdialenosti, ktorú prekonal lúč (b).

Teda sa musia líšiť aj v určení času, počas ktorého sa svetlo šírilo, keďže Einstein postuloval, že rýchlosť svetla je rovnaká pre všetkých voľne sa pohybujúcich pozorovateľov.

Veľmi dôležitým dôsledkom teórie relativity je vzťah medzi hmotnosťou a energiou. Einsteinov postulát, že rýchlosť svetla by mala byť pre každého rovnaká, má za následok, že nič sa nemôže pohybovať rýchlejšie ako svetlo. Ide o to, že keď dodávame energiu na zrýchlenie hocičoho, či už častíc alebo kozmickej lode, hmotnosť zrýchľovaného objektu narastá a je stále ťažšie ďalej zvyšovať jeho rýchlosť. Zrýchliť časticu až na rýchlosť svetla by bolo nemožné, pretože by sme jej museli dodať nekonečné množstvo energie. Hmotnosť a energia sú ekvivalentné, ako to vyjadruje známa Einsteinova rovnica E = mc2. Je to asi jediná rovnica vo fyzike, ktorú pozná každý. Vďaka nej sme si medziiným uvedomili, že štiepenie jadra atómu uránu na dve jadrá s o niečo menšou celkovou hmotnosťou vyvolá uvoľnenie obrovského množstva energie.