Co je relativita?

Albert Einstein se proslavil mnoha věcmi, ale jeho největším dítětem je teorie relativity. Navždy změnila naše chápání prostoru a času.

Co je relativita? Stručně řečeno je to představa, že fyzikální zákony jsou všude stejné. My zde na Zemi se řídíme stejnými zákony světla a gravitace jako někdo ve vzdáleném koutě vesmíru.

Univerzalita fyziky znamená, že dějiny jsou provinční. Různí diváci budou vnímat načasování a rozestupy událostí různě. To, co je pro nás milion let, může být pro někoho, kdo letí ve vysokorychlostní raketě nebo padá do černé díry, pouhým mrknutím oka.

Vše je relativní.

Speciální teorie relativity

Einsteinova teorie se dělí na speciální a obecnou teorii relativity.

Speciální teorie relativity vznikla jako první a vychází z toho, že rychlost světla je pro všechny konstantní. To se může zdát dost jednoduché, ale má to dalekosáhlé důsledky.

Einstein dospěl k tomuto závěru v roce 1905 poté, co experimentální důkazy ukázaly, že rychlost světla se nemění, když se Země otáčí kolem Slunce.

Tento výsledek byl pro fyziky překvapivý, protože rychlost většiny ostatních věcí závisí na tom, jakým směrem se pozorovatel pohybuje. Pokud jedete autem podél železniční trati, bude se vám zdát, že vlak, který se na vás řítí, se pohybuje mnohem rychleji, než kdybyste se otočili a sledovali ho stejným směrem.

Einstein řekl, že všichni pozorovatelé naměří rychlost světla 186 000 mil za sekundu bez ohledu na to, jak rychle a jakým směrem se pohybují.

Tato věta přiměla komika Stephena Wrighta k otázce: „Když jste v kosmické lodi, která letí rychlostí světla, a rozsvítíte světlomety, stane se něco?“

Odpověď zní: Světlomety se normálně rozsvítí, ale pouze z pohledu někoho uvnitř kosmické lodi. Pro někoho, kdo stojí venku a pozoruje letící loď, se světlomety zřejmě nerozsvítí: světlo vychází, ale pohybuje se stejnou rychlostí jako kosmická loď.

Tyto protichůdné verze vznikají proto, že pravítka a hodiny – věci, které označují čas a prostor – nejsou pro různé pozorovatele stejné. Má-li být rychlost světla konstantní, jak říkal Einstein, pak čas a prostor nemohou být absolutní; musí být subjektivní.

Například 100 stop dlouhá kosmická loď, která se pohybuje rychlostí 99,99 % rychlosti světla, se nehybnému pozorovateli bude zdát dlouhá jeden metr, ale pro ty, kteří jsou na palubě, zůstane normálně dlouhá.

Možná ještě podivnější je, že čas plyne tím pomaleji, čím rychleji se pohybujeme. Pokud dvojče pojede v rychlé kosmické lodi k nějaké vzdálené hvězdě a pak se vrátí, bude mladší než její sestra, která zůstala na Zemi.

Hmotnost také závisí na rychlosti. Čím rychleji se objekt pohybuje, tím je hmotnější. Ve skutečnosti žádná kosmická loď nikdy nemůže dosáhnout 100 % rychlosti světla, protože by její hmotnost vzrostla do nekonečna.

Tento vztah mezi hmotností a rychlostí se často vyjadřuje jako vztah mezi hmotností a energií: E=mc^2, kde E je energie, m je hmotnost a c je rychlost světla.

Obecná relativita

Einstein neskončil s narušováním našeho chápání času a prostoru. Pokračoval v zobecňování své teorie zahrnutím zrychlení a zjistil, že to narušuje tvar času a prostoru.

Abychom zůstali u výše uvedeného příkladu: představte si, že kosmická loď zrychluje odpálením svých trysek. Osoby na palubě se budou držet země stejně, jako by byly na Zemi. Einstein tvrdil, že síla, kterou nazýváme gravitací, je nerozlišitelná od pobytu ve zrychlující lodi.

To samo o sobě nebylo tak převratné, ale když Einstein rozpracoval složitou matematiku (trvalo mu to 10 let), zjistil, že prostor a čas jsou v blízkosti hmotného objektu zakřivené a toto zakřivení je to, co pociťujeme jako gravitační sílu.

Je obtížné představit si zakřivenou geometrii obecné relativity, ale pokud si představíme časoprostor jako jakousi látku, pak hmotný objekt roztáhne okolní látku tak, že vše, co prochází v jeho blízkosti, již nesleduje přímku.

Rovnice obecné relativity předpovídají řadu jevů, z nichž mnohé byly potvrzeny:

• ohýbání světla kolem hmotných objektů (gravitační čočkování)
• pomalý vývoj dráhy planety Merkur (precese perihelia)
• rámcové protahování časoprostoru kolem rotujících těles
• slabnutí světla unikajícího gravitační přitažlivosti (gravitační rudý posuv)
• gravitační vlny (vlnění v prostoru-).časové struktuře) způsobené kosmickými nárazy
• existence černých děr, které zachycují vše včetně světla

Křivení časoprostoru v okolí černé díry je intenzivnější než kdekoli jinde. Kdyby vesmírné dvojče spadlo do černé díry, roztáhlo by se jako špagety.

Naštěstí pro ni by vše skončilo během několika sekund. Ale její sestra na Zemi by se konce nedočkala – sledovala by, jak se její nebohá sestra postupně přibližuje k černé díře po celou dobu existence vesmíru.