Przestrzeń, czas i obserwator

W czerwcu 1905 roku dwudziestosześcioletni Albert Einstein wysłał do Annalen der Physik specjalistyczny artykuł, w którym udało mu się rozwiązać paradoks dotyczący światła, problem, który gnębił go już od jakichś dziesięciu lat. Przewracając ostatnią stronę rękopisu Einsteina, redaktor czasopisma, Max Planck, uświadomił sobie, że Einstein zburzył powszechnie przyjęty porządek. Bez hałasu i fanfar urzędnik patentowy z Berna w Szwajcarii zupełnie odmienił tradycyjne pojęcia przestrzeni i czasu, zastępując je koncepcją całkowicie sprzeczną z codziennym doświadczeniem.

A oto paradoks, który gnębił Einsteina przez dziesięć lat. W połowie XIX wieku, po starannym zapoznaniu się z wynikami doświadczeń przeprowadzonych przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya, szkocki fizyk James Clerk Maxwell z powodzeniem połączył elektryczność i magnetyzm w teorię pola elektromagnetycznego. Jeśli kiedykolwiek znajdowałeś się na szczycie wzgórza tuż przed silną burzą lub stałeś w pobliżu generatora van de Graaffa, wiesz intuicyjnie, czym jest pole elektromagnetyczne. Jeśli nie, wyobraź sobie, że przypomina ono obszar wypełniony liniami sił elektrycznych i magnetycznych. Gdy na przykład rozrzucimy opiłki żelaza w pobliżu magnesu, utworzony przez nie wzór będzie odzwierciedleniem niewidocznych linii siły magnetycznej. Kiedy zdejmujemy wełniany sweter w szczególnie suchy dzień i słyszymy trzaski, a może nawet czujemy jedno czy dwa kopnięcia, zauważamy obecność linii sił elektrycznych, które zostały wytworzone na skutek wzniecenia ładunków elektrycznych przez włókna swetra. Teoria Maxwella nie tylko zjednoczyła te i wszystkie inne zjawiska elektryczne oraz magnetyczne w jednym systemie, ale także wykazała, że zaburzenia elektromagnetyczne przemieszczają się z niezmienną prędkością, równą prędkości światła. Maxwell uświadomił więc sobie, że światło widzialne to nic innego, jak szczególny rodzaj fali elektromagnetycznej, która zgodnie z naszą obecną wiedzą oddziałuje ze związkami chemicznymi w siatkówce oka i tworzy widziane przez nas obrazy. Co istotne, teoria Maxwella pokazała również, że fale elektromagnetyczne - między innymi światło widzialne - przypominają niezmordowanych podróżników. Nigdy się nie zatrzymują, nigdy nie zwalniają. Światło zawsze przemieszcza się z prędkością światła.

Teoria wydaje się spójna, dopóki nie postawimy pytania zadanego przez szesnastoletniego Einsteina: co się stanie, gdy zaczniemy gonić promień świetlny z prędkością światła? Kierując się intuicją i odwołując do praw ruchu Newtona, uznamy, że potrafimy dogonić fale świetlne i światło wyda nam się stacjonarne. Z teorii Maxwella i rozmaitych rzetelnie przeprowadzonych obserwacji wynikało jednak, że światło nigdy nie stoi w miejscu; nikt nigdy nie trzymał w dłoni stacjonarnej wiązki światła. I tak pojawia się problem. Na szczęście Einstein nie wiedział, że w owym czasie z pytaniem tym zmagało się wielu czołowych fizyków z całego świata, którzy podążali niewłaściwymi ścieżkami. Rozważał więc paradoks światła w niemal nienaruszonej prywatności własnych myśli.

W jaki sposób Einstein rozwiązał tę sprzeczność za pomocą szczególnej teorii względności, na zawsze odmieniając nasz obraz przestrzeni i czasu? Wydaje się nieco zaskakujące, że zasadniczy cel szczególnej teorii względności polega na dokładnym zrozumieniu, jak widzą świat osoby poruszające się względem siebie, zwane często obserwatorami. Na pierwszy rzut oka jest to jedynie intelektualne ćwiczenie, zupełnie bez znaczenia. Kwestia okazała się jednak istotna. Einstein, wyobrażając sobie obserwatorów goniących promienie świetlne, znalazł szczegółowe wskazówki niezbędne do zrozumienia najzwyklejszych życiowych sytuacji, widzianych przez ludzi poruszających się względem siebie.

Wady intuicji

Codzienne doświadczenie uwidacznia różnice w obserwacjach prowadzonych przez takie osoby. Kierowcy samochodu drzewa rosnące przy drodze wydają się ruchome, ale z punktu widzenia autostopowicza, siedzącego na balustradzie oddzielającej pasy ruchu, drzewa te stoją. Podobnie, deska rozdzielcza nie rusza się zdaniem kierowcy (taką przynajmniej mamy nadzieję), ale autostopowicz odbiera ją jako ruchomą, podobnie jak resztę samochodu. Owe właściwości światła są tak podstawowe i oczywiste, że prawie ich nie zauważamy.

Ze szczególnej teorii względności wynika jednak, że różnice w obserwacjach dwóch osób mają głębsze podłoże i okazują się znacznie trudniej uchwytne. Według niej obserwatorzy znajdujący się względem siebie w ruchu inaczej postrzegają odległość i czas. Oznacza to, jak się przekonamy, że identyczne zegarki, noszone przez dwie osoby poruszające się względem siebie, odmierzają czas w różnym tempie. Szczególna teoria względności pokazuje, że cała sytuacja nie wynika z niedokładności zegarków, ale z natury czasu. Podobnie, różne wyniki otrzymają poruszający się względem siebie obserwatorzy, którzy mierzą odległość jednakowymi miarkami. Jak poprzednio, nie ma to związku z urządzeniami pomiarowymi lub sposobem ich użycia. Najdokładniejsze urządzenia potwierdzają, że przestrzeń i czas są rozmaicie postrzegane przez poszczególne osoby. Szczególna teoria względności Einsteina rozwiązuje sprzeczność między naszą intuicją, dotyczącą ruchu, a właściwościami światła, ale trzeba za to zapłacić pewną cenę: osoby poruszające się względem siebie odmiennie postrzegają przestrzeń i czas.

Choć upłynęło już niemal stulecie od czasu, gdy Einstein doniósł światu o swym wielkim odkryciu, większość ludzi ciągle uważa, że przestrzeń i czas to pojęcia absolutne. Szczególna teoria względności nie jest w nas zakorzeniona. Nie odbieramy jej intuicyjnie. Dzieje się tak po prostu dlatego, że efekty opisywane przez tę teorię zależą od szybkości poruszania się, a biorąc pod uwagę prędkość osiąganą przez samochody, samoloty czy nawet statki kosmiczne, skutki te trudno uchwycić. Nie zauważa się więc, że osoby stojące na ziemi i te, które jadą samochodami czy lecą w samolotach, różnie postrzegają czas i przestrzeń. Gdybyśmy jednak podróżowali pojazdem przyszłości, który poruszałby się z prędkością sięgającą znacznego ułamka prędkości światła, efekty opisywane przez szczególną teorię względności stałyby się wyraźnie widoczne.