Historia Szczególnej Teorii Względności

Część pierwsza

Szczególna Teoria Względności – dzieło Alberta Einsteina, które na dobre obaliło newtonowskie, zdroworozsądkowe spojrzenie na czas, wprowadziło na salony najsłynniejszy wzór świata i wyjaśniło wiele pozornie sprzecznych obserwacji. Rewolucyjna teoria została wielokrotnie potwierdzona eksperymentalnie i jest powszechnie wykorzystywana między innymi w astronomii. Mimo przystępnego aparatu matematycznego wielokrotnie była nadinterpretowana i źle rozumiana, co doprowadziło do powstania wielu znanych pseudoparadoksów. W dzisiejszym artykule skupię się na subiektywnie najważniejszych wydarzeniach oraz odkryciach, które do niej doprowadziły. Z całą pewnością nie uda mi się opisać wszystkich wartych wymienienia doświadczeń oraz wybitnych uczonych, ponieważ temat jest niesamowicie obszerny. Mam jednak nadzieję, iż artykuł przybliży kontekst historyczny Szczególnej Teorii Względności mniej zainteresowanemu teorią czytelnikowi.

Wiek XVII

Galileo Galilei

Pierwszą cegiełkę do współczesnej fizyki położył Galileusz. To on wprowadził zasadę względności, która mówi o obowiązywaniu takich samych praw fizyki w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia. Konsekwencją tego odkrycia jest długo obowiązująca transformacja Galileusza, zakładająca, że prędkość oraz położenie są względne. Wprowadza to między innymi sumowanie i odejmowanie prędkości. Gdy na ruchomych schodach zaczniemy pokonywać schodki w kierunku ruchu taśmy, względem statycznego obserwatora na dole nasza prędkość to suma prędkości, z jaką pokonujemy schodki oraz prędkości taśmy samej w sobie. Intuicyjna transformacja przetrwała aż do przełomu XIX i XX wieku.

Wszystkie układy odniesienia poruszające się względem siebie ze stałą prędkością są równoważne – Galileusz, 1604 r.

Co więcej, Galileusz próbował dokonać pierwszego pomiaru prędkości światła. W tym celu wraz ze swoim pomocnikiem udali się za miasto na dwa odległe wzgórza. Sama próba polegała na odsłanianiu i zasłanianiu latarni, jednak ze względu na ogromną prędkość światła i bardzo duży błąd pomiaru, skazana była na niepowodzenie. Galileusz oszacował tylko, że prędkość światła – skończona bądź nie – jest znacznie większa niż 30 km/s.

Isaac Newton

W 1687 roku Isaac Newton opublikował dzieło swojego życia, w którym zawarł między innymi prawo powszechnego ciążenia czy prawa ruchu, kładąc podstawy pod mechanikę klasyczną. Angielski uczony był zwolennikiem modelu statycznego Wszechświata, w którym istniałby uniwersalny czas. Intuicyjna wizja czasu biegnącego wszędzie w równym tempie dzięki autorytetowi Newtona przetrwała kilka stuleci.

Isaac Newton sporą część swojego życia poświęcił badaniu światła. Głosił, że światło ma naturę korpuskularną – składa się z niezliczonej ilości fragmentów zachowujących się jak drobne pociski. Dzięki następnemu odkryciu pogląd ten uda się częściowo zweryfikować.

Wiek XVIII

James Bradley

W 1728 roku angielski astronom James Bradley, mierząc paralaksę roczną najjaśniejszej gwiazdy gwiazdozbioru Smoka, odkrył zjawisko aberracji światła. Polega ono na pozornych wahaniach położenia gwiazd na niebie w ciągu roku. Bradley wytłumaczył ten efekt geometrycznym złożeniem prędkości orbitalnej Ziemi i prędkości światła od gwiazdy, co dzięki znajomości orbitalnej prędkości Ziemi pozwoliło mu na oszacowanie wartości prędkości światła od obserwowanej gwiazdy na 301 000 km/s.

Wiek XIX

François Arago

Odkrycie zjawiska aberracji otworzyło wrota nowych możliwości. Korpuskularny model światła Newtona wraz z transformacją Galileusza jasno stwierdzają, że jeśli gwiazda na niebie zbliża się w naszym kierunku, wystrzeliwując fragmenty światła, prędkość, z jaką dotrą do Ziemi, będzie sumą prędkości światła oraz prędkości gwiazdy. Francuski polityk, oraz astronom, François Arago postanowił zweryfikować to – dzięki zjawisku aberracji – licząc prędkości światła wielu gwiazd na niebie. W 1810 roku ogłosił, że nie znalazł żadnych rozbieżności, dla wszystkich obserwowanych gwiazd prędkość światła jest taka sama! Był to ogromny cios dla modelu korpuskularnego Newtona.

Augustin Fresnel

Obserwacje te wyjaśnił dziewięć lat później Augustin Fresnel wraz z François Arago w ramach falowej teorii światła, która stała się nowym paradygmatem w optyce, zastępując model korpuskularny. Wszystkie ówcześnie znane fale potrzebowały ośrodka, w którym mogłyby się rozchodzić. Tak jak morskie fale rozchodzą się na wodzie, zaś akustyczne między innymi w powietrzu, za ośrodek, w którym rozchodzi się światło, uznano hipotetyczny eter.

Armand Fizeau

W 1851 roku Fizeau wykonał doświadczenie ze specjalną aparaturą interferencyjną w celu pomiaru względnej prędkości światła w poruszającej się wodzie. Według akceptowanych wówczas teorii światło przemieszczające się przez ruchomy ośrodek, taki jak woda, powinno być przez niego unoszone. Fizeau rzeczywiście zarejestrował efekt unoszenia, lecz jego wielkość była znacznie mniejsza, niż zakładano. Po latach Albert Einstein podkreślił wagę tego eksperymentu dla swojej teorii.

James Maxwell

Maxwell dokonał unifikacji oddziaływań elektrycznych i magnetycznych. Wprowadzone przez niego w 1861 roku równania Maxwella pokazały, że pole elektryczne i magnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością światła w postaci fali. Doprowadziło go to do wniosku, że światło jest falą elektromagnetyczną.

Równania Maxwella zrewolucjonizowały fizykę, tworząc jej zupełnie nowy dział – elektrodynamikę. Doprowadziło to do pewnego zgrzytu, bowiem jedno z równań Maxwella, a dokładniej dotyczące prawa Ampère’a było niezgodne z zasadą względności Galileusza. Oznaczało to, że zasada względności nie dotyczy elektrodynamiki, a jedynie klasycznej mechaniki newtonowskiej. Jeśli zasada względności uniemożliwiająca odkrycie wyróżnionego układu odniesienia nie dotyczy elektrodynamiki, otworzyła się furtka do zaobserwowania eteru – owego wyróżnionego układu odniesienia.

James Clerk Maxwell zaproponował doświadczenie, w którym za pomocą dokładnego pomiaru prędkości światła możliwe byłoby obliczenie prędkości Ziemi względem eteru, lecz nie wierzył, by kiedykolwiek technologia na to pozwoliła. Co do ostatniego znacząco się mylił, ponieważ takie doświadczenie wykonano zaledwie dwa lata po jego śmierci.

Albert Michelson

W 1881 roku, urodzony na Kujawach amerykański fizyk Albert Michelson skonstruował swój interferometr, za co dwadzieścia sześć lat później otrzymał nagrodę Nobla. Wynalazek dzielił wiązkę światła na dwie wiązki, które po pokonaniu identycznej odległości w zupełnie innych kierunkach, odbijały się od zwierciadeł i wracały do przyrządzenia, by interferować. Michelson jeszcze przed doświadczeniem policzył, że w związku z ruchem Ziemi względem eteru zmiana w prążkach interferencyjnych powinna być dobrze widoczna przy jakimkolwiek obrocie interferometrem, a także z upływem czasu, ponieważ Ziemia sama się obraca. Michelson, ku swojemu zdziwieniu, nie zauważył żadnego ruchu prążków interferencyjnych. Oznaczało to, że światło porusza się z tą samą prędkością w każdym kierunku.

Po opublikowaniu wyników większość naukowców nie wierzyła w prawdziwość doświadczenia, ponieważ za bardzo uderzało to w model praktycznie „ukończonej fizyki” końcówki XIX wieku. Michelson nie poddał się i wraz z Edwardem Morleyem skonstruował nową aparaturę z dziesięciokrotnie dłuższą drogą do pokonania dla wiązki światła. Cały układ pływał w korytach wypełnionych rtęcią, by zapobiec nawet najmniejszym drganiom. W ten sposób w 1887 roku dokonano drugiego doświadczenia – doświadczenia Michelsona-Morleya, które powtarzano wielokrotnie, lecz nie uzyskano oczekiwanych rezultatów. Naukowcy z całego świata zaczęli tworzyć naukowe teorie wyjaśniające zaskakujący wynik eksperymentu.

Hendrik Lorentz

Niezależnie od siebie w 1889 roku George Fitzgerald oraz dwa lata później Hendrik Lorentz zaproponowali hipotezę kontrakcji. Pomimo pierwszeństwa irlandzkiego fizyka, jego udział często bywa pomijany, ponieważ nie rozwinął swojej teorii, w czasie gdy Hendrik Lorentz na podstawie hipotezy kontrakcji zaproponował poprawki do kilkusetletniej transformacji Galileusza. Dlaczego należało poprawić tą bardzo intuicyjną transformację? Ponieważ takie rozwiązanie nie dość, że wyjaśnia wynik eksperymentu Michelsona-Morleya, to prowadzi do pogodzenia elektrodynamiki z mechaniką!

Według Lorentza obiekty materialne skracają się w kierunku ruchu w wyniku oddziaływania z eterem, co nazywamy kontrakcją. W dodatku w poruszającym się układzie odniesienia czas płynie delikatnie wolniej, niż w „statycznym”, który to efekt nazywamy dylatacją czasu. Oznacza to odejście od intuicyjnego, Newtonowskiego pojmowania jednego czasu oraz od składania ogromnych prędkości w tradycyjny sposób, do którego przyzwyczaja nas życie codzienne.

Wyniki doświadczenia Michelsona-Morleya oraz powstanie transformacji, w której eter byłby praktycznie niewykrywalny, rozpoczęły dyskusję na temat sensu istnienia eteru w fizyce.

„Czy eter rzeczywiście istnieje? Znamy pochodzenie naszej wiary w eter. Jeżeli światło pokonuje szereg lat, aby do nas dotrzeć z odległej gwiazdy, nie należy już ono do gwiazdy, nie należy również do Ziemi. Musi gdzieś być, i być wspierane przez, że tak powiem, jaki materialny byt” – Henri Poincaré, 1900 r.

Autor

Szymon Ryszkowski
Szymon Ryszkowski

Uczeń, redaktor AstroNETu, koordynator sekcji #Autorskie, social-media CREDO Science.