Obecné teorii relativity je 110 let. Bez Einsteina bychom na ni možná čekali dodnes
Před 110 lety předstoupil před Pruskou akademii věd Albert Einstein a v sérii přednášek představil kolegům finální verzi své obecné teorie relativity. Neznámý úředník patentového úřadu se do světa fyziky zapsal již deset let před tím svou prací o speciální teorii relativity. Jakkoliv byla přelomová, vědci by k ní pravděpodobně dospěli i bez jeho přispění. Obecná teorie relativity ale působí dojmem, jako by ji Einstein vylovil ze zcela jiného vesmíru. Nebýt jeho geniality, je možné, že bychom na ni čekali dodnes.
Básník Paul Valéry se jednou Alberta Einsteina zeptal, jestli vlastní zápisník, do kterého si poznamenává své nápady. Einstein odpověděl: „Ale ne. To by bylo zbytečné. Já dostávám nápady jen zřídkakdy.“ Pro slavného fyzika byla taková skromnost typická. Málokdo totiž může popřít, že když ho něco napadlo, světem vědy proběhlo zemětřesení.
Ze zasutého patentového úřadu v Bernu se Einstein dostal do první vědecké ligy v roce 1905. V prestižním časopise Annalen der Physik mu během dvanácti měsíců vyšly čtyři velké práce a všechny posunuly lidské poznání o notný kus kupředu. Teorie fotoelektrického efektu, za kterou obdržel Nobelovu cenu, představila pojem fotonu. Práce o Brownově efektu dokázala existenci molekul. V létě pak publikoval svou speciální teorii relativity a o několik měsíců později ji doplnil dodatkem, kde se objevila slavná rovnice E=mc2.
Čas je relativní a svět je podivný
Už pojednání o speciální teorii relativity bylo v mnohých ohledech neobvyklé. Einstein v něm sice pracuje s teoriemi o chování časoprostoru, které vyvinuli matematici Hendrik Lorentz a Jules Henri Poincaré. Namísto abstraktních rovnic ale použil čistě myšlenkový rozbor situace, kdy se dva objekty pohybují velmi vysokou rychlostí. Jeho práce neuváděla žádné citace, neobsahovala skoro žádnou matematiku a dospěla k mnoha, na první pohled nelogickým, závěrům. Například, že rychlost světla je vždy stejná, čas ale vnímáme každý jinak. Pro astronauta v raketě letící vysokou rychlostí plyne pomaleji než pro jeho příbuzné, kteří zůstali na zemi. Události, které jedni vnímají jako současné, vidí letící pozorovatel posunuté. Objekty se ve směru svého pohybu zkracují a při vysokých rychlostech nabývají na hmotnosti.
Všechna tato nelogicky znějící tvrzení jsou dnes prakticky ověřená. Díky extrémně citlivým přístrojům víme, že se čas rozchází i během cesty letadlem, nebo že baseballový míček nabere během letu k odpalovačovi 0,000000000002 gramy hmotnosti. Na začátku 20. století nebylo takové měření proveditelné. Einsteinovy závěry ale nikdo nezpochybňoval, protože se shodovaly s uvažováním další řady vědců. Dnes ostatně málokdo pochybuje, že by ke speciální teorii relativity nedospěli vědci i bez Einsteina. Kromě Lorentze a Poincarého se podobnými problémy zabývali i Max Planck, Hermann Minkowski, David Hilbert, Gunnar Nordström a další. Bez Einsteinova přispění by ale rovnice pravděpodobně zůstaly pouze v teoretické rovině. Přízvisko „speciální“ má teorie proto, že popisuje nereálné prostředí. Prostor, kde neexistuje gravitace a pozorovatelé se pohybují naprosto konstantními rychlostmi. Aplikovat její závěry v reálném vesmíru, kde vládne všudypřítomná gravitace a objekty zrychlují a zpomalují, se zdálo nemožné. Einstein to přesto dokázal. Musel ale naprosto opustit svět nedotknutelné Newtonovské fyziky.
Nápad z jiného vesmíru
Když Newton popsal ve svých slavných Principiích gravitaci a její vliv na pohyb planet, nezabýval se vůbec myšlenkou, jak se její síla přenáší. Předpokládal, že vychází z hmotných objektů, které se navzájem přitahují, její účinky jsou okamžité a šíří se éterem – nehmotnou substancí vyplňující celý vesmír. Newtonova práce byla v Einsteinově době tři sta let stará. Popisovala ale vesmír tak dokonale, že si ji nikdo neodvážil zpochybnit. Na svatokrádežnou myšlenku, že Newton neměl pravdu, prý Einstein přišel v okamžiku, kdy přemýšlel o situacích, kdy člověk na zemi gravitaci nepociťuje. Například když stojí ve výtahu, kabina se utrhne z lana a padá šachtou dolů. Einstein si uvědomil, že pasažér by se v této situaci v kabině vznesl nad podlahu a pociťoval by (byť jen na krátký okamžik) stav beztíže. Jak je to ale možné, když je stále pod vlivem gravitačního pole? A co by se stalo, kdyby délka volného pádu nebyla omezena dnem šachty? Když se ve stavu bez gravitace může ocitnout člověk na Zemi, jak může gravitace řídit pohyb planet? Takové otázky dovedly Alberta Einsteina k závěru, že gravitace není síla šířící se mezi dvěma hmotnými objekty. Gravitaci pociťujeme proto, že hmotné objekty deformují samotnou materii vesmíru, a jejich sousedé kolem nich krouží po nakloněném časoprostoru, jako kulička roztočená po stěně rulety.
Takto popsaný základ obecné teorie relativity je samozřejmě zjednodušený ad absurdum a na hony vzdálený její skutečné podobě, kterou Einstein 25. listopadu 1915 představil. Pro skutečný popis fungování deformovaného časoprostoru musel Einstein sáhnout k tehdy málo známé oblasti matematiky zvané Riemannova geometrie. Její rovnice jsou tak složité, že s nimi Einsteinovi musel pomáhat jeho přítel Marcel Grossmann. Výpočty sice s představou zakřiveného vesmíru souzněly, teorie ale neměla zdaleka vyhráno. Z rovnic totiž vyplývaly tehdy nepředstavitelné a doslova strašidelné závěry. Hvězdy hroutící se pod drtivým tlakem vlastní gravitace. Oblasti, kde je časoprostor tak extrémně zakřivený, že z něj neunikne ani světlo. Díry propojující různé části deformovaného vesmíru. Gravitační vlny roznášející do prostoru informace o zaniklých hvězdách. Dokonce i samotný vesmír se měl rozpínat nebo smršťovat! Všechny tyto podivnosti byly postupně dokázány praktickým pozorováním, kterého se ale Einstein nedožil – gravitační vlny jsme poprvé zachytili až v roce 2015. Jeden důsledek obecné teorie relativity ale mohl být ověřen v podstatě okamžitě.
Trestná výprava
Když se podivné teorie dostaly do Británie, vyvolaly mezi členy Královské společnosti pobouření. Džentlmeni si nedokázali představit, že si jakýsi Einstein dovolil zpochybnit závěry britského titána Newtona. Navíc, když je to Němec, příslušník nepřátelské země, která zatáhla celý svět do strašlivého válečného konfliktu. Angličtí astronomové si rychle uvědomili, že se jim naskytne příležitost zadusit teorii relativity v samém počátku. Pokud by totiž hovořila pravdu, muselo by se v zakřiveném časoprostoru ohýbat i světlo. A v naší blízkosti se pohybuje objekt dost hmotný na to, aby byl efekt pozorovatelný i ze Země – naše Slunce. Za běžných okolností je tak jasné, že přehlušuje svit hvězd v jeho blízkosti. Když ale nastane zatmění, objeví se poblíž Slunce hvězdy, které normálně nemůžeme během dne pozorovat. Britové proto navrhli pokus. Zaměří polohu hvězd na noční obloze a pomocí Newtonových rovnic vypočítají, kde by se měly nacházet během zatmění. Pokud má Einstein pravdu a Slunce opravdu ohýbá prostor, hvězdy by se v jeho okolí měly zobrazovat posunuté.
Vhodné podmínky se naskytly poměrně brzy. V roce 1919 mělo nastat plné zatmění Slunce a na výpravu k vyvrácení Einsteinových rovnic se vydali hned tři slovutní astronomové. Arthur Eddington na Princův ostrov v západní Africe, Andrew Crommeln do města Sobral v Brazílii a královský astronom Frank Watson Dyson vše koordinoval z Anglie. Analýza fotografií na skleněných deskách mu zabrala dlouhých 5 měsíců, důkazy však byly nezpochybnitelné. Na listopadové schůzi Královské astronomické společnosti bylo celému světu oznámeno, že Einsteinova předpověď vyplývající z obecné teorie relativity byla potvrzena. Jaký důsledek to pro svět mělo, vyjádřil asi nejlépe fyzik Joseph John Thompson: „Einstein neobjevil osamělý ostrov, ale celý kontinent nových idejí. Je to největší objev od časů Newtonových.“
