Historia Szczególnej Teorii Względności

Część druga

W pierwszej części w skrócie opisałem kontekst, w którym formowała się Szczególna Teoria Względności. Końcówka dziewiętnastego wieku pozostawiła wiele nierozstrzygniętych pytań. Jak wyjaśnić wynik doświadczenia Michelsona-Morleya? Jak zniwelować sprzeczności między mechaniką a elektrodynamiką? Czy Newton miał rację i czas jest absolutny? Czy istnieje eter? W drugiej części postaram się opisać, jakie odpowiedzi na te pytania udzielili różni naukowcy początku dwudziestego wieku.

Wiek XX

Henri Poincaré

„Czy eter istnieje, czy też nie – zostawmy to metafizykom. Dla nas ważne jest, że wszystko zachodzi tak, jakby istniał i hipoteza ta jest wygodna w wyjaśnianiu zjawisk. Poza tym, czy mamy jakikolwiek inny powód, aby wierzyć w istnienie obiektów materialnych? Jest to, ponownie, tylko wygodną hipotezą, nigdy nie przestanie taką być, podczas gdy pewnego dnia eter zostanie wyrzucony jako bezużyteczny.” – Henri Poincaré, 1889 r.

„Nie ma absolutnej przestrzeni, a my pojmujemy jedynie ruch względny. […] Nie ma absolutnego czasu. […] Nie tylko nie mamy bezpośredniej intuicji na temat równości okresów, lecz nawet nie mamy takowej dla jednoczesności dwóch zdarzeń, zachodzących w dwóch osobnych miejscach.” – Henri Poincaré, 1901 r.

Henri Poincaré, wybitny francuski matematyk i fizyk, był jednym z najważniejszych twórców, którzy doprowadzili do powstania pierwszej teorii względności. Tak jak Hendrik Lorentz pozostał zwolennikiem eteru i nie do końca zgadzał się z konsekwencjami własnych obliczeń. Chociaż Poincaré uznawał względny i zależny od konwencji charakter czasu i przestrzeni, wierzył jednocześnie, że konwencja klasyczna jest bardziej „wygodna”, kontynuował rozróżnianie pomiędzy „prawdziwym” czasem w eterze i „pozornym” w ruchomym układzie. Bez dwóch zdać stworzył podwaliny wielkiej teorii, lecz By skutecznie połączyć mechanikę z elektrodynamiką, i spójnie odpowiedzieć na wszystkie pytania z początku artykułu, potrzebny był prawdziwy geniusz.

Albert Einstein

Gdy Albert Michelson wykonał swój pierwszy eksperyment, jego niemiecki imiennik Einstein miał zaledwie dwa latka. Urodził się w miejscowości Ulm na południu Cesarstwa Niemieckiego i przez praktycznie całą edukację był uczniem bardzo dobrym, jeśli nie wybitnym. Po latach wyznał, iż w wieku szesnastu lat (~1895 rok) po raz pierwszy przeprowadził eksperyment myślowy, w którym poruszając się z prędkością światła, fale przed nim stałyby w miejscu, jak gdyby zostały zamrożone. Dla młodego Einsteina było to bardzo nieintuicyjne, dlatego też niewiele później zaczął swoją przygodę z równaniami Maxwella i doświadczeniem Michelsona-Morleya.

Młody Einstein postanowił pogodzić elektrodynamikę z mechaniką. Nie było to proste zadanie, taki sam cel bezskutecznie miało tysiące uczonych. Początkowo Albert błąd upatrywał w elektrodynamice Maxwella, dlatego pracował nad teorią emisyjną – teorią, która opisując emisję światła, uwzględniłaby zasadę względności Galileusza. Prace te skończyły się całkowitą porażką, dlatego postawił na nową taktykę, zamierzał zmienić mechanikę tak, by pasowała do elektrodynamiki. Einstein pod wpływem obliczeń Lorentza i Poincarégo dokonał ogromnego przełomu. W 1905 roku opublikował pracę naukową „O elektrodynamice ciał w ruchu”, w której zawarł nowy pogląd na czas i przestrzeń oraz odrzucił istnienie eteru. Jeszcze tego samego roku opublikował pracę naukową, w której trafnie opisał zależność masy i energii. Mowa rzecz jasna o prawdopodobnie najbardziej znanym wzorze świata. Choć nowa teoria wyjaśniała wyniki doświadczeń Michelsona-Morleya, Fizenau czy François Arago, musiała zostać potwierdzona eksperymentalnie.

Jeżeli teoria względności okaże się prawdziwa, to Niemcy nazwą mnie wielkim Niemcem, Szwajcarzy – Szwajcarem, a Francuzi – wielkim uczonym. Jeżeli natomiast teoria względności okaże się błędna, wtedy Francuzi nazwą mnie Szwajcarem, Szwajcarzy – Niemcem, a Niemcy – Żydem.” – Albert Einstein, 1918 r.

Walther Ritz

W 1908 roku szwajcarski fizyk Walther Ritz opublikował swoją teorię emisyjną, kontr teorię do teorii względności. W wielkim skrócie zakładała ona cząstki światła, poruszające się jak w modelu Newtonowskim. Albert Einstein również pracował nad teorią emisyjną, i porzucił ją po długich staraniach, gdy domyślił się, iż nie jest ona w stanie wyjaśnić wyników doświadczeń z XIX wieku. Teoria emisyjna Walthera Ritza była bardzo niespójna, mimo to zyskała ogromną popularność, między innymi za sprawą tego, że zachowany w niej był intuicyjny, absolutny czas Newtonowski. Walther Ritz zmarł w młodym wieku zaledwie rok po opublikowaniu swojej pracy.

Bardzo zła.” – Według fizyka R.S. Shanklanda, to odpowiedź Alberta Einsteina zapytanego po latach o teorię emisyjną Walthera Ritza

Hermann Minkowski

Hermann Minkowski, posiadający także polskie korzenie, był niemieckim fizykiem i matematykiem. W swoim życiu wykładał na licznych uczelniach, między innymi w Zurychu, gdzie miał okazję nauczać samego Alberta Einsteina. Jedną z zasług Minkowskiego jest duży wkład w szczególną teorię względności – mowa oczywiście o przestrzeni Minkowskiego. Około roku 1907 Minkowski doszedł do wniosku, że idee Einsteina oparte na wcześniejszych pracach Lorentza i Poincarégo dadzą się łatwiej przedstawić, jeśli czas i przestrzeń potraktować jako wymiary pewnej przestrzeni czterowymiarowej, a nie osobne i niezwiązane ze sobą wielkości. Można przyjąć, że to właśnie Minkowskiemu zawdzięczamy interpretację czasu jako czwartego wymiaru i istnienie terminu czasoprzestrzeni.

„Poglądy na przestrzeń i czas, które zamierzam tu wygłosić, wyrosły z gruntu fizyki doświadczalnej. Poglądy te są radykalne. Odtąd sama przestrzeń i sam czas mają całkowicie zniknąć w cieniu i tylko pewien rodzaj unii między nimi utrzymać ma samodzielność.” – Hermann Minkowski, 1908 r.

Paul Langevin

W 1911 roku francuski fizyk, pedagog i działacz oświatowy Paul Langevin jako pierwszy przedstawił znany paradoks bliźniąt. Choć nigdy nie użył w tym kontekście słowa „bliźniak”, zaproponował eksperyment myślowy, w którym żywy człowiek odlatuje z Ziemi z prędkością bliską prędkości światła, zawraca i po powrocie jest młodszy, niż gdyby spędził ten czas na Ziemi. Wyjaśnił go za pomocą złamania symetrii, ponieważ w Szczególnej Teorii Względności obserwator nie może przyśpieszać, w tym zmieniać kierunku swojego ruchu. Langevin uznał to za przejaw istnienia eteru. Tak jak jego wytłumaczenie paradoksu bliźniąt do dziś jest akceptowane jako wytłumaczenie na najbardziej podstawowym poziomie, tak jego opinia dotycząca eteru, niczym niepoparta, nie zyskała popularności.

Arthur Eddington

W 1915 roku Albert Einstein opublikował Ogólną Teorię Względności, rozszerzenie pierwszej teorii o oddziaływanie grawitacyjne i związane z nim zagięcie czasoprzestrzeni. Jest to temat niesamowicie obszerny. Naukowcy z całego świata podzielili się na zwolenników oraz przeciwników teorii względności, była ona w końcu dalej niepotwierdzona. 29 maja 1919 roku Arthur Eddington zorganizował wyprawę na Wyspę Książęcą, leżącą u wybrzeży Afryki Zachodniej, w celu obserwacji całkowitego zaćmienia Słońca. Na jego nieszczęście, na czas zaćmienia niebo zakryły grube chmury, lecz Eddington był bardzo zdesperowany, by potwierdzić Teorię Względności. Wybrał fotografie, na których było widać jakiekolwiek gwiazdy w otoczeniu Słońca i stwierdził, że ich pozycje uległy przesunięciu zgodnie z przewidywaniem teorii względności na skutek ugięcia promienia światła w polu grawitacyjnym. Arthur Eddington ogłosił obserwacyjne potwierdzenie teorii Einsteina. Potwierdzenie Teorii Względności niemieckojęzycznego autora przez brytyjską ekspedycję zostało uznane za akt pojednawczy po I wojnie światowej.

William W. Campbell

Choć oświadczenie Arthura Eddingtona trafiło do mas, naukowcy podeszli do wyników jego ekspedycji z ogromnym dystansem. Nic w tym dziwnego, biorąc pod uwagę, iż Eddingtonowi bardzo zależało na potwierdzeniu teorii Einsteina, a dokonał tego za pomocą zaledwie kilku gwiazd. W dodatku, w wyniku złej pogody, błąd pomiaru był tak duży, iż weryfikację teorii Einsteina należało wykonać ponownie. W 1922 roku tego zadania podjął się William Wallace Campbell, amerykański astronom. Wraz z całym zespołem wyruszył na zachodni brzeg Australii, przez którą przebiegał następny pas zaćmienia Słońca. Zespół W. W. Campbella, przy znacznie lepszej pogodzie, również ogłosił zgodność Teorii Względności z rzeczywistością. Po latach kontrowersji, wojnie światowej i kilku nieudanych wyprawach, Teoria Względności Einsteina została ostatecznie obserwacyjnie udowodniona.

Henry Gale

W 1925 roku przeprowadzono doświadczenie Michelsona–Gale’a–Pearson. Specjalny interferometr dzięki przewidywaniom Szczególnej Teorii Względności był w stanie określić prędkość kątową obracającej się Ziemi. Eksperyment zakończył się sukcesem, otrzymano rzeczywistą prędkość kątową Ziemi, co umocniło pozycję Szczególnej Teorii Względności. Dziś efekt wykorzystany w tym doświadczeniu musi być uwzględniany w technologii GPS, by działała poprawnie.

Dayton Miller

Amerykański fizyk Dayton Miller postanowił powtórzyć doświadczenie Michelsona-Morleya. Do tego celu wykorzystał największy i najbardziej czuły interferometr na świecie, w którym wiązka światła miała do pokonania ponad sześćdziesiąt cztery metry. Ku zaskoczeniu praktycznie całego naukowego świata, wyniki odbiegały od wyników Michelsona. Dayton Miller ogłosił istnienie wiatru eteru, o szybkości około dziewięciu kilometrów na sekundę.

„Wierzę, że naprawdę odkryłem związek między grawitacją a elektrodynamiką, zakładając, że eksperyment Millera został błędnie wykonany. W przeciwnym razie cała teoria względności załamie się jak domek z kart.” – Albert Einstein do fizyka Roberta Millikana, 1921 r.

Albert Einstein uznał, iż doświadczenie D. Millera musiało zostać wykonane błędnie. Uderzało ono w najbardziej podstawowy fundament Teorii Względności, stałość prędkości światła. Zaczął więc poszukiwać przyczyn błędu Daytona Millera.

„Problem z profesorem Einsteinem polega na tym, że  nic nie wie o moich wynikach. […] Oczywistym jest, że wiem o tym, jaki wpływ temperatura może mieć na wyniki eksperymentu. Napisał do mnie w listopadzie, sugerując, że mogłem to pominąć. Nie jestem tak prostacki, aby nie uwzględnić temperatury.” – Komentarz Daytona Millera, początek lat dwudziestych

Georg Joos

Niemiecki uczony Georg Joos widząc napiętą sytuację, postanowił wykonać identyczny eksperyment. Korzystając z interferometru niewiele mniejszego, od tego w Kalifornii, potwierdził wyniki doświadczenia Michelsona-Morleya, brak wiatru eteru. Dayton Miller, dowiedziawszy się o wynikach Joosa, uznał, że Joos musiał wykonać eksperyment na niższej wysokości od morza, gdzie wiatr eteru mógłby wynosić inną wartość. Dla Einsteina stało się jasne, eksperyment D. Millera został przeprowadzony błędnie.

Robert Shankland

W latach pięćdziesiątych Robert Shankland wraz z ekipą naukowców dokonał ponownej analizy doświadczenia Millera. Shankland wywnioskował, że wynik Millera był spowodowany lokalnymi warunkami temperaturowymi, a także sugerował, że wyniki Millera wynikały raczej z błędu systematycznego niż z zaobserwowanego istnienia eteru. Uważał również, że Miller nie przywiązywał wystarczającej wagi do ochrony przed gradientami termicznymi w pomieszczeniu, w którym odbywał się eksperyment.

„Bardzo dziękuję za przesłanie mi dokładnych badań na temat eksperymentu Millera. […] Przekonująco wykazaliście, że zaobserwowany efekt wykracza poza zakres przypadkowych odchyleń i dlatego musi mieć przyczynę systematyczną. Sprawiliście, iż bardzo prawdopodobne jest, że ta systematyczna przyczyna nie ma nic wspólnego z wiatrem eteru, lecz związek ma z różnicami temperatury powietrza pokonywanego przez dwie wiązki światła. […] Jest to jeden z przypadków, w których błędy systematyczne szybko rosną wraz z rozmiarem aparatu doświadczalnego.” – Albert Einstein do Roberta Shanklanda, 1954 r.

Podsumowanie

Teoria Einsteina została wielokrotnie potwierdzona eksperymentalnie i do dziś jest niezbędna w wielu dziedzinach astronomii. W tym miejscu pragnę skończyć ten artykuł. Z pewnością nie znalazło się w nim wielu mniejszych, lecz równie ciekawych doświadczeń, eksperymentów, badań, lecz artykuł miał na celu przedstawić kontekst historyczny Szczególnej Teorii Względności. Zachęcam do zainteresowania się tematem na własną rękę. Pomóc w tym zdecydowanie może dobra lektura. Poniżej znajduje się kilka książek, z których korzystałem, pisząc ten artykuł.

  • Stephen Hawking, „Krótka historia czasu. Od wielkiego wybuchu do czarnych dziur”, Wyd. pierwsze, Warszawa 1990, s. 39-58.
  • Neil DeGrasse Tyson,  „Kosmiczne zachwyty”, Kraków 2018, s. 178-191.
  • Peter Coveney, Roger Highfield,  „Strzałka czasu. Jak rozwiązać największą tajemnicę nauki”, Wyd. pierwsze, Poznań 1997, s. 34-82.
  • Igor Nowikow, „Rzeka czasu. Czarne dziury, białe dziury i podróże w czasie”, Wyd. pierwsze, Warszawa 1998, s. 56-75.

Autor

Szymon Ryszkowski
Szymon Ryszkowski

Uczeń drugiej klasy technikum, redaktor AstroNETu, twórca astronomicznej gry planszowej „Solar System Voyager” i co najważniejsze fan czeskiej Kofoli.