Třicet let, které otřásly fyzikou

Teorie relativity se rodila postupně od začátku května 1889 do konce května 1919. Před sto lety se její platnost definitivně potvrdila při zatmění Slunce.

V roce 1881 se mladý americký fyzik Albert Michelson rozhodl utkat s problémem, který fyziky trápil už desítky let: změřit předpokládané variace rychlosti světla během roku.

Důvod kolísání byl podobný, jako když cestující jde vagonem ve směru jízdy nebo proti němu, v prvním případě se rychlosti obou těles sečítají, ve druhém odečítají. Pohybuje-li se světlo rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu a Země kolem Slunce průměrně 30 km/s, pak maximální předpokládaná odchylka činí ± 30/300 000, tedy jednu desetitisícinu rychlosti světla, což vyžaduje přesnost měření, jaké dosud nikdo nedosáhl.

Michelson, v té době na stáži v Berlíně, pro ten účel sestrojil důmyslný přístroj (dnes se jmenuje Michelsonův interferometr), založený na skládání dvou původně totožných a poté rozdělených světelných paprsků, z nichž jeden prošel dráhu ramenem rovnoběžným se směrem momentálního pohybu Země, druhý ramenem stejně dlouhým, avšak kolmým. Podle očekávání by oba paprsky měly do cíle dorazit v nestejnou dobu, tedy v různé fázi, což by po jejich spojení mělo dát interferenční obrazec soustředných světlých a tmavých mezikruží. Mělo, ale nedalo. Paprsky dorazily zároveň.

Michelsonův interferometr. CC BY-SA 2.0

Michelson se ke svému měření znovu vrátil doma na technice v Clevelandu (stát Ohio), kde spolu s chemikem Edwardem Morleyem sestrojili ještě dokonalejší interferometr a na jaře 1887 provedli sadu ještě přesnějších měření. Se stejným výsledkem ­ rychlost světla se ukázala být navlas stejná ve všech směrech, během všech ročních období.

Vysvětlit nepochopitelné

Většina fyziků zaujala k výsledku Michelsonova-Morleyova experimentu (MME) velmi skeptický postoj. V dějinách vědy se přece vyskytlo několik objevů (domnělé planety, domnělé chemické prvky, různá domnělá fluida), které čas vyvrátil… A tak v přesvědčení, že lepší měření časem vše vyřeší, problém rychlosti světla ignorovali.

Někteří fyzikové ale MME vzali vážně alespoň natolik, že se ho pokusili experimentálně vyvrátit. Nepodařilo se to nikomu, naopak došli k závěru, že pokus nemá chybu ani v teoretických předpokladech, ani v praktickém provedení, a že výsledky jsou správné. Pro světlo – přinejmenším v tomto případě – zřejmě princip skládání rychlostí neplatí.

Nu a někteří z oněch některých se odvážili ještě dál. První byl irský fyzik George Francis FitzGerald z univerzity v Dublinu. Ten došel k buřičskému závěru, že chyba může spočívat v samotném fyzikálním chápání pojmu „délka“ a že je nejspíš něco v nepořádku s Newtonovým pojetím absolutního prostoru.

Formální řešení nabídl v krátkém textu, který 2. května 1889 poslal do amerického časopisu Science. Článeček vyšel v červnu a jeho stěžejní část zní následovně:

S velkým zájmem jsem si přečetl o úžasně přesném experimentu pánů Michelsona a Morleyho… Jejich výsledky se zdají být v rozporu s jinými pokusy... Navrhoval bych jako snad jedinou možnou hypotézu, která dokáže zmíněný rozpor vyřešit, že se rozměry hmotných těles při pohybu absolutním prostorem mění v závislosti na čtverci poměru jejich rychlosti k rychlosti světla...

(V ukázce jsou vynechány zmínky o „éteru“, nehmotném prostředí, které podle tehdejší fyziky vyplňovalo celý vesmír a mimo jiné přenášelo elektromagnetické záření včetně světla.)

Na vysvětlení negativního výsledku MME by stačilo zkrácení délky o pouhých 5 miliardtin původní hodnoty ve směru zemského pohybu. Jenže to tehdejší fyzika nepřipouštěla.

Podobně jako FitzGerald uvažovali později i další fyzikové: především uznávaný Hendrik Lorentz v Amsterdamu (tomu FitzGerald napsal vděčný dopis, neboť – jak v něm napsal – „za můj názor se mi tu dost vysmívají“), dále Henri Poincaré v Paříži a Joseph Larmor v Cambridgi. Všem třem přitom vyšlo, že současně se zkracováním délek plyne pro pohybujícího se pozorovatele také pomaleji čas. Bohužel tehdejší hodiny nebyly dost přesné, aby to mohly potvrdit…

Proč Einstein?

Einstein v té době, tedy koncem 19. století, studoval v Curychu, kde jeho učitel fyziky Heinrich Weber o problematice kolem MME nepřednášel. Einstein se ji musel naučit sám a podle svých slov ji považoval za „velmi deprimující“. S tím se ovšem nesmířil a v roce 1905 nabídl řešení.

Proč nakonec „vyhrál“ on a ne ti čtyři výše jmenovaní kontraktátoři délek a dilatátoři časů? Aniž bychom zacházeli do podrobností, jeden rozdíl tu byl a principiální. FitzGerald a spol. problém vysvětlili v rámci stávající newtonovské fyziky, oni prostě našli rovnice, které popisují – chce se téměř říct omlouvají – výsledek MME, aniž tušili, co znamenají. Einstein ale vytvořil fyziku novou, relativistickou.

Změřenou konstantní rychlost světla nebral jako anomálii, nýbrž povýšil ji na „normálii“, na součást základního východiska, od kterého začal odvíjet vše další. Předpokladem, že prostor a čas se mění v závislosti na pozorovatelově pohybu, takže rychlost světla zůstává vždy stejná, výsledek MME nejen popisoval, on ho tím vysvětlil.

Albert Einstein v roce 1921.Underwood and Underwood, New York. Volné dílo, CC0 1.0

(Nabízí se srovnání se vznikem kvantové teorie. Max Planck koncem roku 1900 neshody kolem vyzařování černého tělesa vyřešil čistě matematicky, „účetně“, jak kdesi řekl, a to tím, že ­ pouze a jen pro případ vyzařování ­ zavedl kvantování světla. Až Einstein v roce 1905 na fotoelektrickém jevu vysvětlil, že elektromagnetické záření je kvantováno nejen při vyzařování, ale pořád, na čemž pak Bohr postavil kvantový model atomu ­ a už to jelo.)

Když pak Einstein ještě téhož „zázračného roku“ 1905 objevil vztah ekvivalence mezi hmotou a energií, svoji teorii tím završil.

Vlastně ne tak docela. Podle Němcové pohádky o moudrém zlatníkovi Einstein teorii vyřezal a oblékl, avšak mluvit ji naučil v roce 1908 Hermann Minkovski tím, že jí dodal elegantní matematickou podobu a vybavil názornými termíny jako prostoročas, světobod, světočára.

(Minkovski byl v Curychu Einsteinovým profesorem matematiky. Když uslyšel o speciální teorii relativity, překvapeně prohlásil: „Ach, tenhle Einstein, ten se pořád ulejval z přednášek, do toho bych to byl vůbec neřekl!“

Dalšího vývoje se ale nedožil. Zemřel hned počátkem roku 1909 na prasklé slepé střevo. Na smrtelné posteli si prý povzdechl: „Jaká škoda, že musím opustit svět právě v době, kdy se rozvíjí teorie relativity...“)

A přece platí!

Původně chtěl Einstein „jenom“ vysvětlit stálost rychlosti světla, ale nakonec – po určitém tápání ­ svoji speciální teorii relativity na podzim 1915 zobecnil do nové teorie gravitace (obecné teorie relativity), kde matematicky propoutal tři základní atributy přírody ­ prostor, čas, hmotu. A rovnou navrhl tři možnosti, jak teorii ověřit: změřit zpomalení času (tedy průběh fyzikálních procesů) v místě s vyšší gravitací, nalézt prodloužení vlnové délky (tedy „zrudnutí“) světla v gravitačním poli a konečně prokázat ohyb světla v gravitačním poli. A paradoxně právě ten poslední, snad nejodvážnější a nejnepravděpodobnější důsledek, tedy že každé hmotné těleso vychyluje světelný paprsek z přímočarého směru - Slunce například o (vypočtených) 1,75 úhlové vteřiny - se podařilo dokázat jako první.

Animovaná simulace gravitačního čočkování způsobeného černou děrou přecházející přes galaxii.  CC BY-SA 2.0

Einsteinova práce o relativitě byla na jaře 1916 propašována přes neutrální Nizozemsko do Velké Británie k věhlasnému astrofyzikovi Arthuru Eddingtonovi. Vzápětí se britský královský astronom Frank Dyson nechal objednat u vysokého vládního administrátora. Uprostřed dnes už těžko představitelných válečných poměrů chtěl peníze – vlastně na výlety! Ohyb světla je totiž vhodné pozorovat při úplném zatmění Slunce, kdy se dají nejlépe fotografovat blízké hvězdy. Potom stačí porovnat jejich polohy s údaji z doby, kdy gravitace Slunce jejich světlu „nepřekážela“... Takže právě nejbližší zatmění Slunce, které nastane za tři roky, je prý jedinečnou příležitostí k ověření hypotézy jakéhosi fantasty, nadto ze znepřátelené země. Úředník v tu chvíli udělal něco, co by mu u nás a dnes nejspíš vyneslo padáka. Dal. Za tisíc liber vyrazily dvě skromňoučké expedice, jedna na Princův ostrov u západní Afriky (vedl ji sám Eddington), druhá do Sobralu v Brazílii, tedy do míst, kde mělo být zatmění nejhlubší.

Kýžený úkaz proběhl přesně podle výpočtu 29. května 1919 brzy odpoledne. Obě výpravy pořídily několik platných snímků.

Jedna z Eddingtonových fotografií zatmění Slunce z roku 1919, potvrzujících platnost Einsteinovy obecné teorie relativity. Volné dílo, CC0 1.0

O shodě Einsteinova předpokladu se skutečností Eddington poreferuje za necelého půl roku na schůzi Královské společnosti v Londýně.

Důkaz platnosti obecné teorie relativity pak otevřel v roce 1921 Einsteinovi cestu do Stockholmu (i když alibisticky „pouze“ za fotoelektrický jev). Zkrátka nepřišel ani prapůvodce toho všeho ­ Albert Michelson dostal jako první americký vědec Nobelovu cenu už v roce 1907.