Krótka historia czasu. Стивен Хокинг

porusza się pociąg czy też Ziemia.

      Nieistnienie stanu absolutnego spoczynku oznacza, że nie można stwierdzić, czy dwa zdarzenia, które miały miejsce w różnym czasie, zaszły w tym samym miejscu w przestrzeni. Na przykład, pasażer pociągu widzi, że piłeczka pingpongowa podskakuje w górę i w dół w pociągu, uderzając dwa razy w to samo miejsce w odstępie jednej sekundy. Ktoś, kto obserwuje piłeczkę, stojąc na peronie, stwierdzi, że dwa podskoki zdarzyły się w miejscach oddalonych od siebie o około czterdzieści metrów, ponieważ taki mniej więcej dystans pokona pociąg w czasie jednej sekundy. Z nieistnienia absolutnego spoczynku wynika więc, że wbrew przekonaniu Arystotelesa niemożliwe jest przypisanie zdarzeniom absolutnego położenia w przestrzeni. Miejsce zdarzeń i odległość między nimi są różne dla kogoś jadącego pociągiem i kogoś innego, stojącego na peronie, i nie ma żadnych uzasadnionych powodów, by uznać obserwacje jednej z tych osób za prawdziwsze od obserwacji drugiej.

      Newton był bardzo zmartwiony z powodu nieistnienia absolutnego położenia zdarzeń lub też nieistnienia absolutnej przestrzeni, jak to wtedy nazywano, ponieważ nie zgadzało się to z jego koncepcją absolutnego Boga. W istocie rzeczy odmówił on przyjęcia do wiadomości braku absolutnej przestrzeni, choć była to konsekwencja jego praw ruchu. Za tę irracjonalną postawę krytykowało go ostro wielu ludzi, spośród których warto wymienić biskupa Berkeleya, filozofa przekonanego, że wszystkie przedmioty materialne oraz przestrzeń i czas są iluzją. Kiedy sławny doktor Johnson usłyszał o poglądach Berkeleya, wykrzyknął: „Tak je obalam!” i uderzył stopą w pobliski kamień.

      I Newton, i Arystoteles wierzyli w istnienie absolutnego czasu, to znaczy wierzyli oni, że można bez żadnych dowolności zmierzyć odstęp czasu między dwoma zdarzeniami i wynik będzie identyczny, niezależnie od tego, kto wykonał pomiar, pod warunkiem, że używał dobrego zegara. Czas był według nich kompletnie oddzielony i niezależny od przestrzeni. Taki pogląd większość ludzi uważa za oczywisty i zgodny ze zdrowym rozsądkiem. Mimo to musieliśmy zmienić poglądy na czas i przestrzeń. Chociaż nasze zdroworozsądkowe pojęcia dobrze pasują do opisu ruchu przedmiotów poruszających się względnie powoli – takich jak jabłka i planety – zawodzą jednak całkowicie, gdy próbujemy ich używać do opisu ruchu ciał poruszających się z prędkością bliską prędkości światła.

      Światło porusza się z ogromną, ale skończoną prędkością – ten fakt odkrył w 1676 roku duński astronom Ole Christensen Roemer. Zaobserwował on, że księżyce Jowisza nie chowają się za nim w równych odstępach czasu, jak można by oczekiwać, gdyby okrążały go w równym tempie. W trakcie ruchu Ziemi i Jowisza wokół Słońca zmienia się odległość między nimi. Roemer zauważył, że zaćmienia księżyców są opóźnione tym bardziej, im większa była odległość od Ziemi do Jowisza. Twierdził, że dzieje się tak, ponieważ światło księżyców potrzebowało więcej czasu, aby dotrzeć do Ziemi, gdy znajdowała się ona dalej od nich. Pomiary zmian odległości między Ziemią a Jowiszem, jakich dokonał Roemer, nie były jednak bardzo dokładne i dlatego wyliczona przezeń prędkość światła – 200 tys. km/s – była mniejsza niż dziś przyjmowana wartość 300 tys. km/s. Niemniej jednak Roemer nie tylko wykazał, że światło porusza się ze skończoną prędkością, ale również zmierzył ją, co w sumie ocenić należy jako wspaniały sukces. Zasługuje on na uwagę tym bardziej, że Roemer osiągnął go jedenaście lat przed ukazaniem się Principia mathematica Newtona.

      Na poprawną teorię rozchodzenia się światła trzeba było czekać aż do 1865 roku, kiedy to brytyjski fizyk James Clerk Maxwell zdołał połączyć cząstkowe teorie stosowane przedtem do opisu sił elektryczności i magnetyzmu. Z równań Maxwella wynika istnienie falowych zaburzeń pola elektromagnetycznego, które powinny rozprzestrzeniać się ze stałą prędkością, podobnie jak fale na powierzchni stawu. Jeśli długość takich fal (to znaczy odległość między dwoma kolejnymi grzbietami fal) wynosi metr lub więcej, nazywamy je falami radiowymi. Fale o mniejszej długości nazywamy mikrofalami (parę centymetrów) lub falami podczerwonymi (więcej niż dziesięciotysięczna część centymetra). Światło widzialne to fala elektromagnetyczna o długości pomiędzy czterdziestoma a osiemdziesięcioma milionowymi częściami centymetra. Jeszcze krótsze fale nazywamy ultrafioletowymi, promieniami Roentgena, promieniami gamma.

      Z teorii Maxwella wynikało, że światło porusza się ze stałą prędkością. Ale skoro teoria Newtona wyeliminowała pojęcie absolutnego spoczynku, to mówiąc, iż światło porusza się ze stałą prędkością, należało koniecznie powiedzieć, względem czego ta prędkość ma być mierzona. Wobec tego fizycy zasugerowali istnienie pewnej specjalnej substancji zwanej „eterem”, obecnej wszędzie, nawet w „pustej” przestrzeni. Fale świetlne miały poruszać się w eterze, tak jak fale dźwiękowe poruszają się w powietrzu, prędkość ich zatem należało mierzyć względem eteru. Różni obserwatorzy, poruszający się względem eteru, powinni postrzegać światło biegnące ku nim z różną prędkością, ale prędkość światła względem eteru byłaby stała. W szczególności, skoro Ziemia w swym ruchu orbitalnym wokół Słońca porusza się względem eteru, to prędkość światła mierzona w kierunku ruchu Ziemi przez eter (kiedy poruszamy się w kierunku źródła światła) powinna być większa niż prędkość światła mierzona w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu. W 1887 roku Albert Michelson (który później został pierwszym amerykańskim laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki) i Edward Morley przeprowadzili bardzo staranny eksperyment w Case School of Applied Science w Cleveland. W doświadczeniu tym porównywali oni prędkość światła biegnącego w kierunku ruchu Ziemi z prędkością światła biegnącego w kierunku prostopadłym do tego kierunku. Ku swemu wielkiemu zdziwieniu, stwierdzili, że są one równe!

      Między rokiem 1887 a 1905 podjęto wiele prób wyjaśnienia wyniku doświadczenia Michelsona i Morleya. Spośród nich należy wyróżnić prace holenderskiego fizyka Hendrika Lorentza, który próbował wyjaśnić rezultat eksperymentu, zakładając, że ciała poruszające się względem eteru kurczą się w kierunku ruchu, a zegary w takim ruchu zwalniają bieg. Tymczasem w słynnej pracy opublikowanej w 1905 roku Albert Einstein, nie znany dotąd urzędnik szwajcarskiego biura patentowego, wykazał, że cała idea eteru jest niepotrzebna, jeśli tylko porzuci się również ideę absolutnego czasu. Parę tygodni później z podobną sugestią wystąpił znany francuski matematyk Henri Poincaré. Argumenty Einsteina były jednak bliższe fizyce niż wywody Poincarégo, który uważał cały problem za zagadnienie czysto matematyczne. Dlatego za twórcę nowej teorii uważa się Einsteina, a wkład Poincarégo jest upamiętniony przez połączenie jego nazwiska z jednym z ważnych jej elementów.

      Nowa teoria została nazwana teorią względności. Jej zasadniczy postulat brzmi: prawa fizyki są takie same dla wszystkich swobodnie poruszających się obserwatorów, niezależnie od ich prędkości. Było to prawdą dla praw ruchu Newtona, ale teraz wymóg ten został rozciągnięty i na teorię Maxwella, i na prędkość światła: wszyscy obserwatorzy mierząc prędkość światła, powinni otrzymać ten sam wynik, niezależnie od tego, jak szybko sami się poruszają. Ten prosty pomysł niesie nadzwyczaj ważne konsekwencje, z których najlepiej znana jest zapewne równoważność masy i energii, wyrażona słynnym wzorem Einsteina E = mc2 (gdzie E oznacza energię, m – masę, zaś c – prędkość światła), oraz twierdzenie, że nic nie może poruszać się z prędkością większą niż prędkość światła. Z równoważności energii i masy wynika bowiem, że energia związana z ruchem ciała wnosi wkład do jego masy, innymi słowy, energia ta utrudnia wzrost prędkości ciała. Ten efekt staje się rzeczywiście istotny dopiero wtedy, gdy obiekt porusza się z prędkością bliską prędkości światła. Na przykład, gdy ciało porusza się z prędkością równą 10% prędkości światła, jego masa wzrasta tylko o 0,5%, ale przy prędkości równej 90% prędkości światła masa staje się już przeszło dwukrotnie większa.