Zmienne losy teorii względności

Andrzej M. Sołtan

o książce:
Pedro G. Ferreiry "Teoria doskonała. Stulecie geniuszy i bitwa o ogólną teorię względności"


'Habent sua fata theoriae' - dla ogólnej teorii względności ta parafraza znanego powiedzenia okazała się szczególnie prawdziwa.

O samej teorii nie dowiemy się jednak wiele z książki Pedra Fereiry Teoria doskonała. Zatem, żeby zrozumieć jej sens, a tym bardziej zapis matematyczny, musimy w bibliotece zajrzeć na inną półkę. Mimo to, Teoria doskonała ma nam coś do powiedzenia o ludziach. Nie o wszystkich, ale nie tylko o fizykach profesjonalistach, czy interesujących się światem amatorach. W pewnych krajach i w pewnych czasach również politycy uznali, że mają na jej temat coś do powiedzenia.

Wcześniej do ogólnej teorii względnosci (OTW) 'dobrali się' naziści. Oczywiście ze względu na osobę jej twórcy. Albert Einstein był niemieckim Żydem. I to w zasadzie wystarczyło, aby uznać teorię nie tylko za fałszywą, ale za szkodliwą jako część szerszego zjawiska określanego jasno jako 'fizyka żydowska'. W III Rzeszy ta klasyfikacja niosła proste przesłanie. Może tylko dziwić jedynie fakt, iż podpisali się pod nim również wielcy niemieccy fizycy tamtych czasów, choć nie wszyscy. Ówczesnym politykom nie przyszedł do głowy 'lepszy' pomysł – mogli przecież teorię ukraść. A leżało to chyba w zasięgu propagandy, gdyż równania ogólnej teorii wzgledności, znane jako równania Einsteina, przedstawił jako pierwszy znakomity matematyk niemiecki – David Hilbert. Wprawdzie sam Hilbert nazywał je, zgodnie z prawdą, właśnie tak – równaniami Einsteina, ale z tym poradziliby sobie decydenci III Rzeszy.

W latach 40. i początku 50. ubiegłego wieku w Związku Radzieckim OTW również nie miała łatwego życia. Co prawda wielką jej wagę dostrzegł bardzo wcześnie rosyjski/radziecki fizyk, bohater wojenny z lat 1914-18, Aleksander Friedman, ale w latach 20. i 30. większy rozgłos teorii nadał belgijski astronom, jezuita Georges Lemaître. Co wiecej, wnioski księdza Lemaître'a można było interpretować w świetle Biblii. Lemaître zauważył bowiem, że Wszechświat zgodnie z ogólną teorią względności mógł powstać w jednym Wielkim Wybuchu. A stąd już tylko krok do twierdzenia, że został wtedy stworzony. Owszem, Lemaître nigdy takich argumentów jako naukowiec nie uznawał, nie propagował i wręcz je dezawouwał. Ale, sama możliwość łączenia Wielkiego Wybuchu z Księgą Rodzaju dyskwalifikowała teorie Einsteina w oczach twardogłowych marksistów.

Ogół fizyków powitał teorię Einsteina życzliwie, ze zdrową dawką zawodowego sceptycyzmu. To dla każdego pomysłu naukowego jest rzeczą właściwą. Bezwględnie należy sprawdzić, czy nowy opis grawitacji, tego dotyczyła przedstawiona przez Alberta Einsteina w 1915 r. teoria, zgadza się z obserwacjami. Przez ponad 200 lat prawo powszechnego ciążenia sir Isaaca Newtona doskonale wyjaśniało prawie wszystkie zjawiska związane z grawitacją. Jak wiemy, jednak "prawie robi wielką różnicę". Jeżeli "powszechne", to nie ma miejsca na wyjątki. Tymczasem jedno (dokładnie jedno) ciało niebieskie, planeta Merkury, w swoim ruchu dookoła Słońca biegło po orbicie niezgodnej z przewidywaniami teorii Newtona. Odchylenie było małe, a teoria sprawdzała sie wszędzie indziej. Stąd astronomom i fizykom nie spieszyło się z jej poprawianiem, a tym bardziej odrzuceniem. Prawo Newtona miało jeszcze jeden słaby punkt bardziej metafizycznej niż czysto fizycznej natury – pochodzenie siły grawitacji, siły działającej na odległość pozostawało tajemnicze. To rzucało cień podejrzeń na całą teorię. Jeżeli do tego dodać znikanie grawitacji w swobodnie poruszających się układach odniesienia, na przykład w spadającej windzie, to odczucie, że teoria Newtona jest nie do końca prawdziwa nabiera znaczenia.

Świadom tego wszystkiego Einstein stworzył teorię, która doskonale radziła sobie z wszystkimi powyższymi problemami i wskazał kolejny test obserwacyjny, który mógłby potwierdzić jej poprawność. Teoria przewidywała ugięcie promieni świetlnych biegnących w pobliżu masywnych obiektów. Za naturalne laboratorium kolejny raz posłużyło Słońce jako źródło grawitacji. Wystarczyło zmierzyć ewentualne zmiany położeń gwiazd, na tle których przesuwa się Słońce w ruchu rocznym. Problem w tym, że gwiazdy w dzień trudno dostrzec nawet przez teleskop, a juź w żadnym wypadku w pobliżu Słońca. Trzeba było poczekać do zaćmienia Słońca i liczyć, że znajdzie się astronom gotów taki pomiar wykonać. Teoria Einsteina okazała się na tyle atrakcyjna, że jeden z najwybitniejszych astronomów, Artur Eddington, podjął się tego zadania. Mimo kłopotów z pogodą i trudności technicznych, Eddington stwierdził zgodność teroii Einsteina z obserwacjami. W tym momencie OTW przestała być hipotezą i weszła do zbioru praw fizyki.

Mimo że wkrótce później jej przewidywania kolejny raz okazały się zgodne z obserwacjami (tym razem rzecz dotyczyła rozszerzania się Wszechświata postulowanego przez Lemaître'a i potwierdzonego przez Edwina Hubble'a), teoria Einsteina weszła w stan uśpienia. Jedni kwestionowali ekspansję Wszechświata i Wielki Wybuch, inni uznali, że teoria przewiduje istnienie zbyt wielu dziwnych (wręcz dziwacznych) tworów kosmicznych, by mogła opisywać rzeczywisty świat. W sumie, mimo pierwszych sukcesów wielu uznało teorię za interesujacą, ale błędną.

Musiało minąć 20–30 lat, by OTW powróciła do głównego nurtu fizyki. Nowe obserwacje potwierdziły bowiem ekspansję Wszechświata i skierowały uwagę astronomów na te dziwaczne obiekty przewidywane przez teorię, czyli czarne dziury. Odkryto podwójne układy gwiazd, to jest pary gwiazd obiegających się nawzajem, w których jedna była zupełnie niewidoczna. Natomiast jasny blask zdawał sie pochodzić z obszaru leżącego wokół gwiazdy. Były to idealne kandydatki na czarne dziury o masach typowo kilkanaście razy większych od masy Słońca. W tym samym mniej więcej czasie, uznano, że kwazary – potężne źródła promieniowania elektromagnetycznego, to równiez czarne dziury, tyle że o masach milionów słońc. Wszechstronne obserwacje czarnych dziur i ich opis w ramach teorii względności pozwoliły stworzyć obszerną dziedzinę astrofizyki.

Rozkwit OTW trwa do dziś, ale trudności, jakie napotykają teoretycy z kwantową teorią grawitacji być może wymuszą głęboką modyfikację teorii Einsteina. Prace Jacoba Beckensteina i Stevena Hawkinga wykazują, że natura czarnych dziur nie jest wcale taka prosta, jak zdaje się mówić OTW. Charakter tych komplikacji niemal z pewnością wiąże się z kwantowaniem grawitacji. Nie wiemy, w jaki sposób to się dokona i wobec tego nie wiemy, na ile naruszy to całą konstrukcję OTW. Jedno jest jednak pewne, OTW pozostanie wspaniałym narzędziem badania relacji między materią a czasem i przestrzenią tak, jak prawo powszechnego ciążenia pozostanie na zawsze doskonałym narzędziem badania ruchów ciał niebieskich w niemal wszystkich kontekstach astro-fizycznych.

Pominę milczeniem kilka błędnych sformułowań, które przeszły przez luźne sito korekty z wyjątkiem jednego, nieoczywistego: katalog jasych galaktyk Shapleya–Amisa to w rzeczywistorści katalog Shapleya–Ames, gdyż został opracowany przez Harlowa Shapleya i Adelaidę Ames, asystentkę w Observatorium Uniwersytetu Harvarda.




Home O książkach Publications After hours Wielka Woda