— Published on 14/11/2010 / Jutarnji list.
blog STORM
Uvjerenje da je svijet uređen i da ga je moguće objasniti malim brojem prirodnih zakona potječe još iz šestog stoljeća prije nove ere, od starogrčkog filozofa Talesa. Tales je bio iz Mileta u Joniji pa je za spomenuto uvjerenje skovan izraz jonska čarolija. Ta je čarolija, kroz povijest, postajala sve profinjenijom te se u modernoj fizici pretvorila u ideju ujedinjenja temeljnih sila. Cijeli se razvoj moderne fizike može opisati kao težnja k ujedinjenju. Newton je na isti način opisao gibanje tijela na Zemlji (mehaniku) i gibanje nebeskih tijela (gravitaciju). Maxwell je ujedinio elektricitet, magnetizam i optiku u elektromagnetizam. No najveći majstor ujedinjenja, Jonjanin do srži, bio je Albert Einstein. On je iz zahtjeva za jedinstvenim opisom elektromagnetizma i mehanike došao do posebne teorije relativnosti koja je ujedinila prostor s vremenom te materiju s energijom. Zatim je posebnu teoriju relativnosti objedinio s gravitacijom stvorivši opću teoriju relativnosti koja je neraskidivo povezala pet najosnovnijih pojmova fizike: prostor, vrijeme, materiju, energiju i gibanje.
ALBERT EINSTEIN
Riječ einstein postala je općeprihvaćeni sinonim za genija. Teorijski fizičar Albert Einstein to je, nesumnjivo, zaslužio iskazujući, kao nitko prije njega, iznimni spoj inteligencije i kreativnosti. Do danas je ostao najutjecajniji i najpoznatiji znanstvenik i intelektualac svih vremena. Stoga ne jenjava zanimanje za njegov život i djelo.
Zahvaljujući izdavaču, uredniku i prevoditelju Damiru Mikuličiću na hrvatskom su jeziku dostupne dvije Einsteinove kraće knjige: Moj pogled na svijet (Izvori , 1999.) i Moja teorija (Izvori, 2000.). Obje su bile dobro prihvaćene i doživjele zasad nekoliko izdanja. Međutim, do danas nije prevedena ni jedna Einsteinova biografija premda na svjetskim jezicima postoje deseci, ako ne i stotine njih. Jednu od boljih, koja vrlo precizno i opsežno opisuje Einsteinov život i ideje, napisao je nedavno Walter Isaacson, Einstein: His Life and Universe (Simon & Schuster, 2007.). Ova će biografija uskoro, nadam se, biti dostupna i na hrvatskom jeziku.
POSEBNA TEORIJA RELATIVNOSTI
Prije svega želim rasčistiti s jednom trivijalnošću. Teorija relativnosti NE znači da je sve relativno. Riječ relativno znači ne apsolutno i odnosi se na neke konkretne pojmove u fizici kao što su, primjerice, gibanje i simultanost.
Gibanje je mijenjanje položaja u odnosu na drugo tijelo. Čini se razumnim pretpostaviti da to "drugo tijelo" može biti sam prazni prostor. Takav stav (bez činjeničnog opravdanja) potječe od Isaaca Newtona. Prema Newtonu stoga postoji apsolutno mirovanje - stanje u kojem tijelo miruje u odnosu na apsolutni prostor. Kasnije je, s elektromagnetskim valovima, uveden pojam etera - hipotetskog sredstva koje ispunjava cijeli prostor. Eter je trebao biti medij za širenje elektromagnetskih valova i, eventualno, fizički kandidat za definiciju apsolutnog mirovanja. Međutim, Einstein je pokazao da apsolutno mirovanje ne postoji te da su eter i apsolutni prostor nepotrebne hipoteze - ideje koje u prirodi nisu realizirane.
Simultanost u fizici znači istovremeno opažanje dvaju događaja, recimo prolaska trkača kroz cilj i točno određenog položaja kazaljki ure. Svako mjerenje vremena svodi se na brojanje ponavljanja neke periodične pojave (poput otkucaja ure) između početnih i konačnih simultanih događaja. No, Einstein je pokazao da apsolutna simultanost ne postoji. Ono što je simultano za jednog opažača ne mora biti simultano za drugoga, koji se giba u odnosu na prvoga. Stoga, ni vrijeme nije apsolutno (kao što je također bio postulirao Newton) nego ovisi o gibanju opažača.
Einsteinovo odbacivanje apsolutnog prostora i apsolutnog vremena imalo je valjane razloge. Bilo je neophodno za usklađivanje elektrodinamike s mehanikom. Einsteinov teorijski rad nije bio motiviran eksperimentalnim podacima koje bi trebalo objasniti odgovarajućim modelom. Umjesto toga on je težio iz što manjeg broja temeljnih načela jedinstvenom teorijom obuhvatiti što veći broj prirodnih pojava. Zato ga Edward Wilson, u svojoj novoj knjizi Pomirenje - jedninstvenost znanja (Algoritam, 2010.), naziva Jonjaninom do srži. Posebnu teoriju relativnosti, i sve njezine fascinantne posljedice, Einstein je izveo iz samo dva temeljna načela: (1) relativnosti i (2) invarijantnosti brzine svjetlosti.
Načelo relativnosti - zakoni fizike isti su u svim inercijskim sustavima. Pod inercijskim sustavima mislimo na one sustave koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju jednoliko pravocrtno (drugim riječima, koji ne ubrzavaju). Načelo relativnosti postavio je već Galileo Galilei, doduše samo za mehaniku. Einstein ga je poopćio na cijelu fiziku, u prvom redu na elektrodinamiku.
Načelo invarijantnosti brzine svjetlosti - svjetlost se u praznom prostoru uvijek širi konačnom brzinom c, neovisno o brzini izvora. To da za svjetlost ne vrijedi klasično zbrajanje brzina daleko je od naše intuicije. Međutim, priroda je naprosto takva. Brzina svjetlosti je uvijek ista bez obzira na relativnu brzinu izvora i opažača. Ova je činjenica imala eksperimentalnu podršku prije i Einsteinovog rada. No važno je reći da njega izvorno nisu motivirali rezultati eksperimenata nego prvenstveno vlastita razmišljanja kako uskladiti elektrodinamiku s mehanikom. Einstein je prepoznao važnost invarijantnosti brzine svjetlosti i postavio ga kao temeljno načelo. Zanimljivo je da je Einstein svoju teoriju namjeravao nazvati teorijom invarijantnosti. No utjecajni njemački fizičar Max Planck, koji je među prvima prepoznao vrijednost Einsteinovog rada, kumovao je, čini se, nazivu teorija relativnosti.
Ono što je proizašlo kao posljedica ovih dvaju jednostavnih načela bilo je naprosto fascinantnto i drastično je promijenilo same temelje fizike: prostor i vrijeme nisu apsolutni nego relativni; simultanost je relativna; duljina se pri gibanju skraćuje a vrijeme produljuje (za opažača izvan tog sustava); energija je ekvivalentna masi (slavna formula E = mc2).
OPĆA TEORIJA RELATIVNOSTI
Posebna teorija relativnosti ograničena je isključivo na inercijske sustave, one koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju jednoliko pravocrtno. Einstein je dalje razmišljao o neinercijskim sustavima, onima koji jedan u odnosu na drugoga ubrzavaju. Spoznaja koja mu je bila ključna za razvoj opće teorije relativnosti, i koju je kasnije nazvao svojom najsretnijom misli, bila je istovjetnost gravitacije i ubrzanja: čovjek koji slobodno pada nema težinu.
Načelo ekvivalencije - lokalni učinci gravitacije jednaki su učincima ubrzanog sustava. Ovo je načelo za opću teoriju isto što i načelo relativnosti za posebnu. Velika razlika opće i posebne teorije relativnosti je u matematičkom aparatu. Dok je za razumijevanje posebne teorije dovoljna srednjoškolska matematika, za opću su neophodni tenzori - zamršeni matematički objekti. Ipak, osnovna se ideja može izreći i bez matematike.
Poanta je da opća teorija relativnosti povezuje posebnu teoriju s gravitacijom. Gravitacija je jedna od četiri temeljne sile u prirodi, a izvor joj je masa. Masa je pak svojstvo tijela da se opire gibanju (što zovemo tromom masom) i svojstvo privlačenja drugih masa (što zovemo teškom masom). Einstein je pokazao da su troma i teška masa iste. I ono što je najvažnije za opću teoriju relativnosti: masa izobličuje prostor u kojem se nalazi. Gibanje druge mase u tom izobličenom prostoru interpretiramo kao gravitacijsko međudjelovanje. Opća teorija relativnosti zapravo je geometrijska teorija gravitacije.
Širu priču o relativnosti, s matematičkim detaljima, dao sam u drugom poglavlju svoje knjige Fizika 3: Pojmovi i koncepti (Neodidacta, 2010.). Ovdje ću završiti opisom opće teorije relativnosti u samo jednoj rečenici koja ujedno, kako je najavljeno u uvodu, povezuje pet najosnovnijih pojmova fizike: materijaenergija oblikuje prostorvrijeme, a oblik prostorvremena određuje gibanje materijaenergije.