Albert Einstein: Sto let od vědecké revoluce aneb Počátek teorie relativity

Obě teorie relativity – jak původní speciální, tak pozdější obecná – jsou výjimečné zejména tím, že ve své základní podobě představují dílo jediného člověka. Ten je navíc formuloval, aniž by provedl jakýkoliv experiment, přestože vycházel z několika dřívějších pokusů, které uskutečnili jiní. Klást absurdní otázky a nalézat průlomové odpovědi – takový byl styl práce Alberta Einsteina.

Vysněná škola

Albert se narodil 14. března 1879 v německém Ulmu do rodiny židovského obchodníka Hermanna Einsteina. V dětství nic nenaznačovalo, že by měl z chlapce vyrůst velikán vědy. V roce 1894 se Einsteinovi přestěhovali do italské Pavie, ovšem bez Alberta, který měl nejdřív dokončit gymnázium v Mnichově. Nicméně militarismus německé společnosti se mladíkovi protivil natolik, že se ze školy nechal vyloučit a odešel hned. 

Celý rok si užíval bezstarostné mládí a v roce 1895 se přihlásil na polytechniku v Curychu, jež tenkrát přijímala i uchazeče bez střední školy, museli ovšem složit náročné zkoušky. A u nich Albert neuspěl. Díky rodinným známostem se dostal na střední školu ve švýcarském Aarau, kde rok usilovně dřel, aby dohnal vědomosti nezbytné pro přijetí na vysněnou polytechniku. Zkoušky nakonec zvládl bez větších potíží a v necelých osmnácti se stal řádným studentem univerzity. 

K jeho profesorům patřila i význačná osobnost fyziky 19. století, Heinrich Weber, od něhož se Albert naučil základy klasického, tradičního oboru. V pozdějších letech však Einstein projevoval nespokojenost s tím, že Weber ignoruje některé nové objevy, jež zcela popíraly tradiční pojetí fyziky. Mezi oběma muži tak vznikl konflikt, který trval léta. 

Zlomový rok

Kvůli nepříliš vřelým vztahům se svými učiteli nenašel Einstein práci jako univerzitní asistent a nakonec zakotvil na švýcarském patentovém úřadě. Pozice „technického experta třetí třídy“ nebyla právě prestižní, ale finančně mladého muže zajistila a umožnila mu soukromě bádat. Einstein se konečně naplno pustil do řešení rozporů mezi starou teorií a novými experimenty. Rozhodl se vsadit na nové myšlenky, rozpracoval je a výsledkem se stala speciální teorie relativity, kterou v roce 1905 uveřejnil v časopise Annalen der Physik. 

Do odvážného článku přitom neváhal zavrhnout vše, na čem stavěla tehdejší věda. Newtonovy zákony velmi přesně předpověděly pohyby planet a popisovaly dobře i děje na Zemi, pro Einsteina však nebyly dost elegantní. A ukázalo se, že měl pravdu: Newtonovy zákony lze použít pouze pro nízké rychlosti a slabá gravitační pole. Každopádně spolu se zmíněným článkem publikoval Einstein ve zlomovém roce 1905 ještě dva další: Jeden objasnil fotoelektrický jev a druhý se zaměřoval na problematiku atomů, jimž se mladý vědec věnoval i ve své doktorské dizertační práci. 

Dočasná teorie

Speciální teorie relativity představovala pochopitelně skutečnou revoluci ve fyzice, přestože odborná veřejnost zpočátku reagovala chladně. Einstein byl jen neznámým úředníkem a jeho články nevzbudily větší pozornost. On sám přitom věděl, že je jeho teorie přechodná a neúplná. Zahrnovala totiž pouze inerciální vztažné soustavy, a neuměla si tedy poradit se zrychlením ani s gravitací. Odtud onen přídomek „speciální“ – teorie fungovala jen ve speciální třídě (inerciálních) vztažných soustav. A Einstein toužil najít teorii obecnou, univerzálně platnou. 

TIP: Gravitační čočka: Vzácný jev, předpovězený Albertem Einsteinem

Začal na ní pracovat v roce 1907. V té době ještě stále neměl vysněné univerzitní místo, ačkoliv ho vědecká komunita již uznávala coby prvotřídního fyzika. Klíčová myšlenka jej údajně napadla v křesle kanceláře na patentovém úřadě: Při volném pádu člověk necítí vlastní váhu. Na první pohled triviální tvrzení přivedlo Einsteina k myšlence, že zrychlení a gravitace jsou v podstatě totéž. Pokud bychom se ocitli v uzavřeném boxu, nepoznáme, zda stojíme, nebo se pohybujeme rovnoměrně přímočaře – pocítíme pouze zrychlení (či zpomalení). A podle Einsteina mělo platit, že stejně tak nerozeznáme zrychlení od projevů gravitace. 

Nad popsaným tématem přemýšlel až do roku 1908, bohužel bez významnějšího výsledku. Proto se na čas rozhodl věnovat jiným oblastem fyziky. Konečně se také uchytil na univerzitě: Nejprve působil jako docent v Curychu, ale když mu v Praze nabídli plnou profesuru, neváhal.

Vypůjčený časoprostor

V roce 1911 se Einstein opět vrátil k problémům gravitace a začal studovat jev, který obvykle označujeme termínem „slapy“. Při těchto přírodních procesech, jež mimo jiné způsobují příliv a odliv, se projevuje dobře známá vlastnost gravitačního působení mezi dvěma tělesy – totiž že přitažlivá síla slábne s jejich rostoucí vzdáleností. I na Zemi tak působí nepatrně větší gravitace na naše nohy než na naši hlavu, která se nachází od zemského povrchu dál. Gravitace je však v tomto případě celkově natolik slabá, že popsaný rozdíl nepociťujeme a v podstatě jej nelze měřit. 

Ovšem Einsteinovi šlo o princip, nikoliv o měření. Přišel na to, že prostor a čas nejsou ploché a že určitá jejich deformace by mohla problém vyřešit. Zmíněná myšlenka byla revoluční, vědec však stále nebyl spokojen. V roce 1912 si uvědomil, že klíč spočívá ve čtyřrozměrném časoprostoru, který objevil jeho někdejší profesor Hermann Minkowski. Šlo o sjednocení času a prostoru do jedné provázané entity. Einsteinovi bylo jasné, že nelze řešit samostatně čas a samostatně prostor – je nutné řešit časoprostor. A ačkoliv neměl s Minkowským dobré vztahy, implementoval „jeho“ časoprostor do své práce, načež jej zdeformoval neboli zakřivil. 

Přímka versus křivka

Jak ovšem souvisí zakřivení časoprostoru s gravitací? A co vlastně zakřivení časoprostoru způsobuje? Příčinou je hmota. Představme si pružnou gumovou blánu, kterou zcela napneme. Pokud do jejího středu položíme těžkou železnou kuličku, blána se zakřiví. Necháme-li pak po ní kutálet menší kuličku, bude se – stejně jako v normálním prostoru – pohybovat po nejkratší možné dráze. Jenže nejkratší možnou dráhu na zakřivené bláně již netvoří přímka, ale právě křivka. 

Jestliže pošleme malou kuličku dost rychle, prolétne prohlubní kolem velké kuličky, lehce se vychýlí z původního směru a bude pokračovat dál. Bude-li její rychlost menší, původní trajektorie se zakřiví víc. A pokud nebude mít kulička dost pohybové energie, spadne na dno prohlubně k větší kolegyni. Přesně tak přitom funguje i gravitace naší planety: Má-li těleso dost energie, unikne z jejího gravitačního sevření; v opačném případě dopadne na její povrch. Einstein tak v roce 1912 učinil zásadní objev: Gravitace a zakřivení časoprostoru jsou totéž. 

Bylo ovšem nutné formulovat deformační zákon, tedy soustavu rovnic, jež by popsaly, jak hmota zakřivuje časoprostor a jak se gravitace projevuje. A navíc musely být nezávislé na volbě vztažné soustavy. 

Vysoká matematika

Jen krátce po svém objevu se Einstein vrátil do Curychu, neboť mu jeho alma mater – místní polytechnika – nabídla profesuru. Fyzik hodlal dál pracovat na teorii gravitace, neměl však vhodný matematický nástroj. V Curychu ovšem vyučoval matematiku jeho někdejší spolužák Marcel Grossmann a Einstein jej požádal o pomoc. Grossmann během krátké doby zjistil, že matematici Riemann, Ricci a Levi-Civita vymysleli již v 19. století aparát, který se dnes nazývá diferenciální geometrie. A ten mohl Einstein použít.

Oba muži se potýkali s těmi nejsložitějšími rovnicemi. Není proto divu, že postupovali velmi pomalu a dokázali najít jen jakousi předběžnou verzi zákona popisujícího, jak hmota deformuje prostor. Základní komplikace tkvěla v tom, že zákon stále závisel na některých speciálních vztažných soustavách. Navíc se problémem gravitace zabývalo několik dalších vědců, přičemž Einsteinovu tezi o zakřiveném časoprostoru nikdo nepřijal. Byla příliš revoluční.

Závody rovnic

V roce 1914 přijal Einstein profesuru v Berlíně. Výhodou bylo, že neměl žádné pedagogické povinnosti a mohl se naplno věnovat vědecké činnosti. V univerzitním městě Göttingen působil jeden z nejvýznamnějších matematiků 20. století David Hilbert. Einsteinova práce ho zaujala a od léta roku 1915 už oba muži spolupracovali. Hilbert Einsteina inspiroval a fyzik postupně objevoval chyby, jichž se při svém bádání dopustil. Prezentoval také nové verze svého zákona, které méně a méně porušovaly princip relativity. Na sklonku listopadu konečně našel skutečně významnou chybu a 25. listopadu mohl Pruské akademii věd představit svůj deformační zákon.

Ve skutečnosti nebyl Einstein první. Hilberta jeho práce upoutala natolik, že se sám pustil do hledání odpovídajících rovnic. Coby velký matematik si s nimi poradil daleko dřív, a tak svou verzi přednesl 20. listopadu na zasedání Královské akademie věd v Göttingenu. Hilbert byl ovšem slušný člověk a významný vědec, který si nepotřeboval přivlastňovat výsledky jiných. Uznal, že autorem zákona je Einstein a on sám pouze rychleji sestavil rovnice. Koneckonců, teorií gravitace se zabývali i jiní, matematicky zdatnější kolegové. Einstein „vyhrál“, protože měl správný náhled na fyziku skrývající se za zákonem. On jediný v té době připustil deformace časoprostoru. 

Objev si žádá důkaz

Zbývalo nový zákon potvrdit. Brzy po formulaci Einsteinovy deformační rovnice se objevily výpočty, jež hovořily o konkrétních jevech, které bychom měli být schopni měřit. Patřil k nim i ohyb světla při průchodu kolem hmotného tělesa. Bude-li například světlo hvězdy procházet kolem Slunce, ohne se vlivem gravitace. Stálice se tak bude na obloze jevit jinde než v době, kdy se před ní Slunce nenachází. 

Situaci však ztěžovaly dva základní problémy. Zaprvé, naše denní hvězda představuje ve vesmírném měřítku poměrně malou hmotu a gravitační ohyb není velký. Přesto měl být i s technologiemi dostupnými ve druhém desetiletí 20. století měřitelný. Druhý problém byl ovšem principiální: Slunce září na obloze mnohem jasněji než okolní hvězdy, proto také až na výjimky ve dne žádné další stálice nevidíme. V blízkosti Slunce, kde se měl ohyb projevit, byli tedy vědci prakticky bez šance na úspěch. Jako ideální řešení se tak nabízelo zatmění.

Potvrzeno, uznáno

Nejbližší zatmění Slunce se mělo odehrát 29. května 1919. Viditelné bylo z Brazílie a z Princova ostrova v Guinejském zálivu, kam se proto vypravil vědecký tým v čele s britským astrofyzikem Arthurem Eddingtonem. Nakonec se podařilo zachytit několik kvalitních snímků, které se později podrobovaly zkoumání. Část fotografických desek však byla proměřena už na místě, takže Eddington hned věděl, že drží v ruce důkaz Einsteinovy obecné teorie relativity. Výsledky zazněly 6. listopadu na jednání Královské společnosti a Královské astronomické společnosti. Einsteinův věhlas pak předčil i mnohé hvězdy showbyznysu a spousta lidí jej dodnes považuje za nejslavnějšího vědce všech dob.

TIP: Einsteinova teorie funguje: Vědci úspěšně provedli doposud nejpřesnější test

Teorii relativity postupně potvrdila řada dalších, preciznějších testů. Dnes už ale víme, že obecná relativita není slučitelná s jinou velkou teorií – kvantovou fyzikou. Proto vědci neúnavně hledají rámec, jenž by obě paradigmata propojil. Sám Einstein neměl kvantovou fyziku rád, přesto se snažil na tomto tématu pracovat. Do své smrti v roce 1955 v americkém Princetonu však již žádnou další revoluci nezpůsobil. Navzdory pokrokům a teoriím, jako jsou kvantová elektrodynamika či kvantová chromodynamika, zatím nedisponujeme finální teorií popisující všechny čtyři přírodní síly. Ani sto let po zrodu obecné teorie relativity tak není fyzika uzavřena.