Tytuł oryginału

EINSTEIN’S COSMOS

How Albert Einstein’s Visions Transformed

Our Understanding of Space and Time

Copyright © 2004 by Michio Kaku

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Zdjęcie na okładce

Corbis/Sven Geier

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Mariola Będkowska

ISBN 978-83-7839-839-4

Warszawa 2012

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Książkę tę dedykuję Michelle i Alyson

PRZEDMOWA

Nowe spojrzenie na dorobek Alberta Einsteina

Geniusz. Roztargniony profesor. Ojciec teorii względności. Albert Einstein – o jakby nieobecnym spojrzeniu, z rozwianym na wietrze włosem, bez skarpetek, w zbyt obszernej bluzie i z pykającą fajką – taka legendarna postać została trwale zapisana w naszej pamięci. Jak pisze jego biograf Denis Brian: „Na równi z Elvisem Presleyem i Marilyn Monroe stał się on ikoną popkultury spoglądającą zagadkowo z pocztówek, okładek czasopism, T-shirtów i gigantycznych plakatów. Agencja z Beverly Hills wykorzystuje jego wizerunek w telewizyjnych reklamach. On sam odnosiłby się do tego z najwyższą niechęcią”.

Einstein zajmuje miejsce wśród największych uczonych wszech czasów. Jego wkład do nauki stawia go na równi z Isaakiem Newtonem. Nie budzi zaskoczenia fakt, że magazyn „Time” ogłosił go Człowiekiem Stulecia. Wielu historyków umieszcza go na liście stu najbardziej wpływowych ludzi ostatniego milenium.

Ze względu na jego miejsce w historii istnieje kilka powodów, aby podjąć nową próbę ponownego przeanalizowania jego życia. Po pierwsze, jego teorie są tak dogłębne i wnikliwe, że wnioski, które wysnuwał dziesiątki lat temu, wciąż dominują w nagłówkach, a zatem zrozumienie podstaw tych koncepcji jest rzeczą niezwykle istotną. Dzięki zastosowaniu przyrządów i metod nowej generacji, które były nie do pomyślenia w latach dwudziestych (na przykład satelity, lasery, superkomputery, nanotechnologia), zostały podjęte badania przestrzeni kosmicznej oraz wnętrza atomu. Okazało się wówczas, że przewidywania Einsteina przyczyniły się do uhonorowania Nagrodą Nobla także innych uczonych. Nawet okruchy informacji ze stołu Einsteina stwarzają nauce nowe możliwości. Na przykład w 1993 roku Nagroda Nobla przypadła dwóm fizykom, którzy, analizując ruch podwójnego układu gwiazd neutronowych, potwierdzili pośrednio istnienie fal grawitacyjnych, co Einstein postulował w roku 1916. Podobnie w 2001 roku Nagrodę Nobla otrzymało trzech fizyków, którzy potwierdzili istnienie kondensatu Bosego–Einsteina, nowego stanu materii mającej temperaturę bliską zera absolutnego – Einstein przewidział to w 1924 roku.

Inne przewidywania są w trakcie weryfikacji. Czarne dziury uważane niegdyś za dziwaczny aspekt teorii Einsteina zostały obecnie zidentyfikowane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i zespołu radioteleskopów VLA (Very Large Array Radio Telescope). Istnienie pierścieni Einsteina i soczewek Einsteina zostało nie tylko potwierdzone, lecz zjawiska te znalazły zastosowanie jako główne narzędzie astronomów do badania niewidocznych obiektów w odległej przestrzeni.

Nawet „błędy” Einsteina traktuje się obecnie jako istotny wkład do naszej wiedzy o wszechświecie. W 2001 roku astronomowie odkryli przekonujący dowód, że „stała kosmologiczna”, uważana za największą pomyłkę Einsteina, wyraża w istocie najpotężniejszą koncentrację energii we wszechświecie i będzie decydowała o jego ostatecznym losie. W sferze eksperymentalnej dorobek Einsteina przeżywa więc renesans, w miarę jak przybywa dowodów weryfikujących jego wizje.

Po drugie, fizycy poddają ponownej ocenie jego dorobek, a w szczególności jego proces myślowy. Podczas gdy ostatnie biografie drobiazgowo analizują jego prywatne życie w poszukiwaniu klucza do źródeł jego teorii, fizycy w coraz większym stopniu uświadamiają sobie, że Einstein oparł swoje teorie nie tyle na arkanach matematyki (zostawmy na razie w spokoju jego życie uczuciowe), ile na prostych i eleganckich obrazach fizycznych. Często powtarzał, że jeśli podstawą jakiejś nowej teorii nie jest obraz tak prosty, że mogłoby go zrozumieć dziecko, to jest ona prawdopodobnie bezwartościowa.

Dlatego w niniejszej książce właśnie obrazy, produkty naukowej wyobraźni Einsteina, są formalną zasadą porządkującą opis jego sposobu myślenia i jego największych osiągnięć.

Podstawą pierwszej części jest obraz, który po raz pierwszy nasunął się Einsteinowi, gdy miał on 16 lat. Zadał sobie wówczas pytanie: jak wyglądałby promień światła, gdyby można było obok niego pędzić. Obraz ten z kolei był prawdopodobnie zainspirowany czytaną przez niego dziecinną książeczką. Dzięki wizualizacji tego, co by się zdarzyło podczas ścigania się z promieniem światła, Einstein ujawnił kluczową sprzeczność pomiędzy dwiema wielkimi teoriami owych czasów – teorią sił Newtona i Maxwellowską teorią pól i światła. W trakcie rozwiązywania tego paradoksu odkrył on, że jedną z tych dwu wielkich teorii – jak się okazało, teorię Newtona – należy odrzucić. W pewnym sensie, w obrazie tym zawarta jest cała szczególna teoria względności (teoria, która w końcu odsłoni tajemnice gwiazd i energii jądrowej).

W drugiej części zobaczymy inny obraz. Einstein wyobrażał sobie planety jako kulki toczące się po zakrzywionej powierzchni, w której centrum znajduje się Słońce. Miała to być ilustracja koncepcji, zakładającej, że grawitacja jest wynikiem ugięcia przestrzeni i czasu. Dzięki zastąpieniu sił newtonowskich krzywizną gładkiej powierzchni Einstein zaprezentował zupełnie nowy, rewolucyjny obraz grawitacji. Według tego nowego schematu „siły” Newtona były iluzją wywołaną zakrzywieniem samej przestrzeni. Konsekwencje tego prostego obrazu umożliwiły nam odkrycie czarnych dziur, stworzenie teorii Wielkiego Wybuchu i poznanie ostatecznego losu samego wszechświata.

Część trzecia nie przedstawia żadnego obrazu – stanowi raczej opis niepowodzenia w stworzeniu wizji, która doprowadziłaby do opracowania „zunifikowanej teorii pola”, teorii, która stanowiłaby szczytowe osiągnięcie Einsteina, będące ukoronowaniem dwóch tysięcy lat badań nad prawami materii i energii. Intuicja zaczęła zawodzić Einsteina, w jego czasach bowiem prawie nic nie wiedziano o siłach rządzących jądrem i cząstkami subatomowymi.

Niedokończona teoria pola i jego trzydziestoletnie poszukiwania „teorii wszystkiego” w żadnym razie nie były błędem, choć taka ocena pojawiła się dopiero ostatnio. Dla jego współczesnych były tylko pogonią za złudzeniem. Fizyk i biograf Einsteina Abraham Pais biadał nad tym, pisząc: „W ciągu pozostałych 30 lat swego życia był on aktywnym badaczem, ale jego sława nie ucierpiałaby, a może by nawet wzrosła, gdyby zamiast tego poświęcił się wędkowaniu”. Innymi słowy, jego spuścizna mogłaby być nawet większa, gdyby porzucił on fizykę w 1925 roku, a nie w 1955.

Jednakże w ostatnim dziesięcioleciu wraz z pojawieniem się teorii zwanej teorią superstrun czy „M-teorii” fizycy zrehabilitowali późne prace Einsteina i jego osiągnięcia wobec faktu, że poszukiwanie zunifikowanej teorii pola zostało uznane za centralny problem fizyki. Uzyskanie teorii wszystkiego stało się ostatecznym celem wyścigu, w którym bierze udział cała generacja młodych, ambitnych naukowców. Unifikacja, uznawana niegdyś za pole, na którym zostały pogrzebane kariery wielu starzejących się naukowców, jest obecnie głównym przedmiotem badań fizyki teoretycznej.

W tej książce mam zamiar przedstawić nowy, uaktualniony pogląd na pionierskie prace Einsteina, a może nawet bardziej wnikliwie sportretować jego trwały dorobek, przedstawiając go w formie prostych obrazów fizycznych. Teorie Einsteina stały się paliwem całej generacji nowych, rewolucyjnych eksperymentów przeprowadzanych w kosmosie oraz w zaawansowanych laboratoriach fizycznych, a także napędem intensywnych badań prowadzących do spełnienia jego najbardziej hołubionego marzenia, jakim była teoria wszystkiego. Na tym właśnie polega sukces jego życia i jego pracy – osiągnięcie, które, jak sądzę, jemu samemu najbardziej przypadłoby do gustu.

PODZIĘKOWANIA

Chciałbym podziękować za gościnność pracownikom Biblioteki Uniwersytetu Princeton, gdzie prowadziłem część badań, przygotowując się do napisania niniejszej książki. Biblioteka ta posiada kopie wszystkich manuskryptów Einsteina oraz oryginalne materiały. Chciałbym także podziękować profesorom V.P. Nairowi i Danielowi Greenbergerowi z City College w Nowym Jorku za przeczytanie mojego manuskryptu i podzielenie się pomocnymi i krytycznymi komentarzami. Wreszcie, bardzo pożyteczne okazały się dyskusje z Fredem Jerome’em, który otrzymał z FBI obszerne dossier Einsteina. Wdzięczny jestem także Edwinowi Barberowi za jego wsparcie i zachętę, a także Jesse Cohen za dokonanie bezcennych edytorskich uwag i zmian, które w znacznym stopniu wzmocniły siłę i wyrazistość przekazu. Czuję się także bardzo zobowiązany Stuartowi Krichevskiemu, który przez te wszystkie lata troszczył się o sprzedaż wielu moich naukowych książek.

CZĘŚĆ I

OBRAZ PIERWSZY

W zawody z promieniem światła

ROZDZIAŁ 1

Fizyka przed Einsteinem

Pewnego razu do Alberta Einsteina, największego naukowego geniusza od czasów Isaaca Newtona, zwrócił się dziennikarz z prośbą o wyjaśnienie, jaki jest jego wzór na sukces. Wielki uczony pomyślał chwilę, po czym odpowiedział:

– Jeśli sukces oznaczymy przez A, to powinienem przyjąć, że wzór będzie następujący: A = X + Y + Z, gdzie X oznacza pracę, a Y zabawę.

– A co oznacza Z? – zapytał dziennikarz.

– Trzymanie języka za zębami – padła odpowiedź.

Cechami, dzięki którym Einstein cieszył się względami fizyków, królów i królowych oraz ogromnych rzesz, były jego humanitaryzm, wielkoduszność i poczucie humoru, zarówno wtedy, kiedy był orędownikiem sprawy światowego pokoju, jak i wówczas, gdy badał tajemnice wszechświata.

Nawet dzieci zbiegały się, aby zobaczyć starszego pana, słynnego fizyka, gdy szedł ulicami Princeton, a on odwzajemniał ich zainteresowanie i zabawiał je, poruszając uszami. Einstein lubił gawędzić z pięcioletnim chłopcem, który miał zwyczaj towarzyszyć wielkiemu uczonemu w jego drodze do Instytutu Badań Zaawansowanych. Któregoś dnia, gdy tak szli sobie razem, Einstein nagle wybuchnął śmiechem. Kiedy matka chłopca spytała syna, o czym rozmawiali, malec odparł: „Spytałem Einsteina czy był dzisiaj w łazience”. Matka była zaszokowana, lecz Einstein powiedział na to: „Cieszę się, że mam kogoś, kto zadaje mi pytanie, na które znam odpowiedź”.

Jak to powiedział kiedyś fizyk Jeremy Bernstein: „Każdy, kto miał bezpośredni kontakt z Einsteinem, wychodził przepełniony poczuciem szlachetności tego człowieka. Słowo, które tutaj wciąż się nasuwa, to jego humanitaryzm – prosta, przemiła właściwość jego charakteru”.

Einstein, który był równie uprzejmy wobec żebraków, dzieci, jak i członków rodziny królewskiej, był także wspaniałomyślny wobec swoich poprzedników w prześwietnym panteonie nauki. Chociaż naukowcy, jak wszystkie kreatywne jednostki, mogli być chorobliwie zazdrośni wobec swoich rywali i zaangażowani w małostkowe spory, Einstein robił wszystko, aby prześledzić pochodzenie wprowadzanych przez siebie idei, sięgając wstecz aż do gigantów fizyki, takich jak Isaac Newton i James Clerk Maxwell, których portrety umieszczał w widocznym miejscu na swoim biurku i na ścianach.

Faktem jest, że prace Newtona w dziedzinie mechaniki i grawitacji oraz Maxwella na temat światła stanowiły dwa filary nauki u progu XX wieku. Warto zauważyć, że prawie cała wiedza w dziedzinie fizyki była zawarta w dziełach tych dwóch fizyków.

Nie pamiętamy zazwyczaj, że przed Newtonem ruch obiektów na Ziemi i w przestworzach prawie zupełnie nie był wyjaśniony, a na dodatek panowało powszechne przekonanie, że o naszych losach przesądzają nieżyczliwe nam duchy i demony. Magia, czary i zabobony były żywo dyskutowane nawet w najbardziej światłych centrach nauczania w Europie. Nauka, jak ją teraz rozumiemy, nie istniała.

Szczególnie greccy filozofowie i chrześcijańscy teologowie pisali, że obiekty poruszają się dzięki pragnieniom i emocjom zbliżonym do ludzkich. Według zwolenników Arystotelesa będące w ruchu obiekty w końcu zwalniały, ponieważ czuły się „zmęczone”. Pisali oni, że obiekty spadają, gdyż tęsknią za zjednoczeniem się z ziemią.

Człowiek, który wprowadzał porządek do tego chaotycznego świata duchów, był w pewnym sensie przeciwieństwem Einsteina pod względem osobowości i temperamentu. O ile Einstein zawsze hojnie szafował swoim czasem i zawsze miał dla prasy jakieś błyskotliwe powiedzonko, o tyle Newton był człowiekiem chorobliwie, w stopniu bliskim paranoi, zamkniętym. Niezwykle podejrzliwy w stosunku do innych, toczył długie i przykre waśnie z innymi naukowcami o prawo pierwszeństwa. Jego małomówność była wręcz legendarna. Kiedy był członkiem brytyjskiego parlamentu w latach 1689–1690, jedyny odnotowany przypadek jego wystąpienia przed czcigodnym zgromadzeniem miał miejsce wówczas, kiedy poczuł przeciąg i poprosił woźnego o zamknięcie okna. Według jego biografa Richarda S. Westfalla „Newton był cierpiącym człowiekiem o wyjątkowo neurotycznej osobowości, stale balansującym na granicy załamania, przynajmniej gdy osiągnął wiek średni”.

Jednak w sferze nauki Newton i Einstein byli prawdziwymi mistrzami i posiadali wiele wspólnych cech. Obaj mogli niczym w manii spędzać tygodnie i miesiące w stanie intensywnej koncentracji aż do fizycznego wyczerpania i omdlenia. Obaj też mieli zdolność do przedstawiania tajemnic wszechświata w postaci prostych obrazów.

Newton w 1666 roku, kiedy miał 23 lata, dzięki wprowadzeniu nowej mechaniki opartej na siłach przepędził duchy, które nawiedzały arystotelesowski świat. Newton zaproponował trzy zasady dynamiki, według których obiekty poruszały się, ponieważ były popychane lub ciągnięte przez siły, które można było dokładnie zmierzyć i wyrazić w prostych równaniach. Zamiast spekulacji na temat pragnień poruszających się obiektów, Newton zaproponował rozwiązanie, które pozwalało na wyliczenie trajektorii wszystkiego, od spadających liści aż do wznoszących się rakiet, kul armatnich i chmur, poprzez sumowanie działających na nie sił. Nie było to zagadnienie czysto akademickie, ponieważ przyczyniło się do rozwoju idei, będących podłożem rewolucji przemysłowej, w trakcie której moc parowych maszyn napędzających olbrzymie lokomotywy i statki stworzyła nowe imperia. Mosty, tamy i gigantyczne drapacze chmur można było teraz budować z większą pewnością, ponieważ nacisk na każdą cegłę czy belkę był już możliwy do obliczenia. Sukces newtonowskiej teorii sił był tak wielki, że całkiem słusznie jej twórca został za swego życia uznany za znakomitość, co skłoniło Alexandra Pope’a do wyrażenia uznania w następujących słowach:

Nature and Nature’s laws lay hid in night,

God said, Let Newton be! And all was light1.

Newton zastosował teorię sił w odniesieniu do samego wszechświata, proponując nową teorię grawitacji. Lubił on opowiadać pewną historię z czasów, kiedy powrócił do swojej posiadłości w Woolsthorpe w Lincolnshire po zamknięciu Uniwersytetu w Cambridge, wymuszonym epidemią dżumy. Pewnego dnia, kiedy zobaczył w swoim ogrodzie jabłko spadające z drzewa, zadał sobie pytanie, które miało dalekosiężne skutki: jeżeli spada jabłko, to czy spada także Księżyc? Czy siła grawitacji działająca na jabłko na Ziemi jest tą samą siłą, która kieruje ruchami ciał niebieskich? Była to herezja, ponieważ uważano wówczas, że planety są położone na stałych sferach, które stosują się do doskonałych niebiańskich praw, w przeciwieństwie do praw grzechu i odkupienia, którymi rządzi się nikczemna ludzkość.

W przebłysku natchnienia Newton pojął, że jest w stanie połączyć obie fizyki – niebieską i ziemską – w jednym obrazie. Siła, która przyciąga jabłko do Ziemi, musi być tą samą siłą, która sięga do Księżyca i wyznacza jego szlak. Niespodziewanie odkrył, że ma nową wizję grawitacji. Wyobraził sobie siebie siedzącego na szczycie góry i rzucającego kamieniem. Wyrzucając kamień coraz szybciej, mógł stwierdzić, że kamień leci coraz dalej. Następnie dokonał on kroku o wielkim znaczeniu: zadał sobie pytanie, co się wydarzy wówczas, kiedy kamień zostanie wyrzucony z taką szybkością, że już nie wróci na Ziemię. Doszedł do wniosku, że kamień, spadając nieustannie pod wpływem grawitacji, nie dotknie Ziemi, lecz będzie ją okrążał, aby w końcu powrócić do swego właściciela i uderzyć go w tył głowy. W swojej nowej wizji zastąpił kamień Księżycem, który nieustannie spada, ale nigdy nie uderza w grunt, ponieważ podobnie jak kamień wykonuje pełny obrót dookoła Ziemi po kolistej orbicie. Księżyc nie spoczywa na niebieskiej sferze, jak naucza Kościół, ale podlega działaniu siły grawitacji i jest w stanie ciągłego swobodnego spadku, podobnie jak kamień czy jabłko. Było to pierwsze wyjaśnienie ruchu w Układzie Słonecznym.

Dwie dekady później jasna kometa, która pojawiła się na nocnym niebie, przeraziła i zadziwiła Londyn. Newton precyzyjnie prześledził ruch komety za pomocą zwierciadlanego teleskopu (jeden z jego wynalazków) i odkrył, że jej ruch – przy założeniu, że jest to swobodny spadek pod wpływem grawitacji – dokładnie opisują równania. Wraz z astronomem amatorem Edmundem Halleyem mógł precyzyjnie przewidzieć, kiedy kometa (znana później pod nazwą komety Halleya) pojawi się ponownie, co stanowiło światową premierę prognozowania ruchu komet. Prawa grawitacji, które zastosował Newton do wyliczenia ruchu komety Halleya oraz Księżyca, są tymi samymi prawami, które dzisiaj z zapierającą dech w piersiach precyzją stosuje NASA do sterowania sondami kosmicznymi lecącymi poza Neptuna i Urana.

Według Newtona siły te działają natychmiastowo. Na przykład był przekonany, że jeśli Słońce nagle by znikło, Ziemia zostałaby natychmiast wytrącona ze swojej orbity i zamarzłaby gdzieś w kosmicznej głębi. Każdy mieszkaniec wszechświata dowiedziałby się, że Słońce zniknęło w tym właśnie momencie. Tak więc możliwe by było takie zsynchronizowanie wszystkich zegarów, aby wskazywały jednakowy czas w całym wszechświecie. Jedna sekunda na Ziemi trwałaby tyle samo na Marsie i na Jowiszu. Podobnie jak czas, absolutna jest także przestrzeń. Metrowa miarka na Ziemi miałaby taką samą długość na Marsie i na Jowiszu. Sekundy i metry byłyby zawsze takie same bez względu na to, gdzie w kosmosie byśmy się znajdowali.

Newton oparł więc swoje koncepcje na zdroworozsądkowym pojęciu absolutnej przestrzeni i absolutnego czasu. Dla niego przestrzeń i czas były układami odniesienia, w stosunku do których oceniamy ruch wszelkich obiektów. Jeśli na przykład podróżujemy pociągiem, to jesteśmy przekonani, że porusza się pociąg, a Ziemia stoi w miejscu. Jednakże, obserwując drzewa przesuwające się za oknami, możemy spekulować, że może tak naprawdę to pociąg jest w spoczynku, a drzewa są wprawiane w ruch. Ponieważ wszystkie obiekty w pociągu wydają się nieruchome, możemy zadać pytanie: co w rzeczywistości się porusza, pociąg czy drzewa? Według Newtona absolutne układy odniesienia mogły determinować odpowiedź.

Prawa Newtona pozostawały fundamentami fizyki przez dwa stulecia. Dopiero kiedy pod koniec XIX wieku dzięki takim wynalazkom, jak telegraf i żarówka, nastąpił przewrót w wielkich miastach Europy, badania nad elektrycznością przyczyniły się do pojawienia się w nauce zupełnie nowej koncepcji. Aby wyjaśnić tajemnicze siły elektryczności i magnetyzmu, James Clerk Maxwell, szkocki fizyk pracujący na Uniwersytecie w Cambridge, w latach sześćdziesiątych XIX wieku stworzył teorię światła opartą nie na newtonowskich siłach, lecz na nowej koncepcji określanej nazwą pola. Einstein napisał, że koncepcja pól „jest najbardziej wnikliwą i najbardziej owocną koncepcją w dziedzinie fizyki od czasów Newtona”. Pola te można unaocznić, rozsypując żelazne opiłki na arkuszu papieru. Po umieszczeniu pod nim magnesu opiłki ułożą się we wzór przypominający pajęczynę, której nitki będą przebiegały od północnego do południowego bieguna. Zatem każdy magnes jest otoczony polem magnetycznym, czyli niewidzialnym układem linii sił penetrujących całą przestrzeń. Elektryczność również wytwarza pola. Na targach naukowych dzieci zaśmiewają się, kiedy ich włosy stają dęba po dotknięciu źródła elektryczności statycznej. Włosy układają się wzdłuż niewidzialnych linii pola elektrycznego wytwarzanego przez źródło.

Pola są jednak zupełnie odmienne od sił wprowadzonych przez Newtona. Siły, jak powiedział Newton, działają natychmiastowo poprzez przestrzeń, tak że zakłócenie wywołane w jednej części wszechświata miałoby być odczuwane natychmiast w całym wszechświecie. Błyskotliwe obserwacje Maxwella wykazały, że efekty elektryczne i magnetyczne nie przenoszą się natychmiast, tak jak siły Newtona. Przemieszczają się w określonym czasie i z określoną prędkością. Autor biografii Maxwella Martin Goldman napisał: „Wydaje się, że idea czasu w odniesieniu do aktywności magnetycznej […] spadła na Maxwella jak piorun z jasnego nieba”. Maxwell wykazał na przykład, że potrzeba trochę czasu, aby po potrząśnięciu magnesem poruszyły się opiłki rozsypane w jego pobliżu.

Wyobraźmy sobie pajęczynę drgającą na wietrze. Zakłócenie, takie jak wiatr, działające na jedną część pajęczyny powoduje powstanie zmarszczek, które rozprzestrzeniają się po całej pajęczynie. Zarówno w obrębie pól, jak i pajęczyn, inaczej niż w przypadku sił, wibracje rozchodzą się z określoną prędkością. Maxwell zabrał się więc do obliczenia prędkości tych magnetycznych i elektrycznych efektów. Kiedy, opierając się na tej koncepcji, rozwikłał tajemnicę światła, dokonał jednego z przełomowych odkryć XIX wieku.

Maxwell wiedział z wcześniejszych prac Michaela Faradaya i innych uczonych, że poruszające się pole magnetyczne może wytwarzać pole elektryczne i vice versa. Generatory i silniki, które przyczyniły się do elektryfikacji naszego świata, są bezpośrednią konsekwencją tej dialektyki. (Ta zasada została wykorzystana w urządzeniach dostarczających prąd do naszych domów. Na przykład woda spiętrzona przez tamę, spadając, wprawia w ruch koło, które z kolei powoduje wirowanie magnesu. Poruszające się pole magnetyczne napędza w przewodach elektrony, które wędrują przewodami wysokiego napięcia aż do gniazdek w naszych domach. Podobnie w odkurzaczu prąd płynący z gniazdek wytwarza pole magnetyczne, zmuszające łopatki silnika do wirowania).

Geniusz Maxwella polegał na połączeniu obu tych efektów. Jeśli zmienność pola magnetycznego może wytwarzać pole elektryczne i vice versa, to być może oba pola działają cyklicznie w taki sposób, że pole elektryczne i pole magnetyczne bez przerwy zasilają się nawzajem i nawzajem w siebie przechodzą. Maxwell szybko się zorientował, że ten cykliczny wzór tworzyłby ruchomy ciąg elektrycznych i magnetycznych pól drgających w zgodnym rytmie i przechodzących w siebie nawzajem w formie niekończącej się fali. Następnie uczony przystąpił do obliczenia prędkości tej fali.

Ku swemu zdumieniu odkrył, że była to prędkość światła. Sformułował wówczas być może najbardziej przełomowe stwierdzenie XIX wieku – ogłosił, że to właśnie jest światło. Maxwell, zwracając się wówczas do swoich kolegów, wypowiedział prorocze słowa: „Trudno odrzucić nasuwający się wniosek, że światło składa się z poprzecznych fal tego samego medium, które jest przyczyną zjawiska elektryczności i magnetyzmu”. Naukowcy po tysiącleciach zgłębiania natury światła w końcu zrozumieli jego najgłębsze tajemnice. W odróżnieniu od sił Newtona, pola elektryczne i magnetyczne przemieszczały się z określoną prędkością, z prędkością światła.

Praca Maxwella została skodyfikowana w postaci ośmiu trudnych równań różniczkowych (znanych jako równania Maxwella), których każdy inżynier elektryk i każdy fizyk w ciągu ostatnich 150 lat musiał się nauczyć na pamięć. (Dzisiaj można kupić T-shirty z wypisanymi na nich wszystkimi ośmioma równaniami. Poprzedza je zdanie: „Na początku Bóg rzekł…” a całość kończą słowa: „… i stała się światłość”).

Pod koniec XIX stulecia eksperymentalne sukcesy Newtona i Maxwella były tak wielkie, że niektórzy fizycy z przekonaniem mówili, że ci wybitni uczeni udzielili odpowiedzi na wszystkie podstawowe pytania dotyczące wszechświata. Kiedy Max Planck (twórca teorii kwantowej) poprosił o radę w kwestii wyboru zawodu fizyka, zasugerowano mu zmianę zainteresowań, ze względu na to, że fizyka jest w zasadzie skończona. Powiedziano mu, że niczego istotnie nowego nie ma w niej już do odkrycia. Podobne myśli znalazły odbicie w wypowiedzi wielkiego dziewiętnastowiecznego fizyka lorda Kelvina, który ogłosił, że fizyka jest w zasadzie kompletna, z wyjątkiem kilku małych „chmurek” na horyzoncie, które nie zostały wyjaśnione.

Ale niedostatki newtonowskiej wizji świata stawały się z roku na rok coraz wyraźniejsze. Odkrycia, takie jak wyizolowanie przez Marię Curie radu i wykazanie istnienia radioaktywności w przyrodzie, zachwiały światem nauki i pobudziły wyobraźnię szerokich rzesz. Nawet kilka uncji radu – rzadkiej, święcącej substancji – mogło w pewnym stopniu oświetlić ciemny pokój. Uczona udowodniła także, że pozornie nieograniczone ilości energii mogą pochodzić z nieznanego źródła, gdzieś z głębi atomu. Rzuciła tym samym wyzwanie prawu zachowania energii, które stanowi, że energia nie może się tworzyć ani ginąć. Te małe „chmurki” jednakże miały w XX wieku wydać na świat wielkie rewolucyjne teorie – teorię względności i teorię kwantową.

Ale czymś, co budziło największe zakłopotanie, był fakt, że zawiodły wszelkie próby połączenia mechaniki Newtona z teorią Maxwella. Teoria Maxwella potwierdziła, że światło jest falą, ale pozostawiła otwarte pytanie: co właściwie faluje? Naukowcy wiedzieli, że światło może podróżować w próżni (pokonuje miliony lat świetlnych od odległych gwiazd poprzez próżnię przestrzeni kosmicznej), ale ponieważ próżnia z samej definicji jest „nicością”, powstaje paradoks, że to nicość faluje!

Fizyka newtonowska próbowała rozwiązać tę kwestię, postulując, że światło składa się z fal stanowiących drgania niewidzialnego eteru, stacjonarnego gazu wypełniającego wszechświat. Eter miał być absolutnym układem odniesienia, wobec którego można było mierzyć wszelkie prędkości. Sceptyk mógł mówić, że ponieważ Ziemia porusza się wokół Słońca, a Słońce porusza się wokół Galaktyki, to nie da się powiedzieć, co się naprawdę porusza. Fizyka newtonowska odpowiadała na to, twierdząc, że Układ Słoneczny porusza się względem nieruchomego eteru, możliwe jest zatem określenie, co się w istocie rzeczy porusza.

Jednakże ów eter zaczął nabierać coraz bardziej magicznych i dziwacznych właściwości. Na przykład fizycy wiedzieli, że fale rozchodzą się szybciej w gęściejszym środowisku. Zatem fale dźwiękowe przenoszą się szybciej w wodzie niż w powietrzu. Ale skoro światło podróżowało z fantastyczną prędkością (300 000 km na sekundę), oznaczało to, że eter przenoszący światło musiałby być niewiarygodnie gęsty. Ale jak to miało być możliwe, jeśli eter wydawał się lżejszy od powietrza? Z czasem eter stawał się prawie mistyczną substancją – był absolutnie nieruchomy, niewidzialny, pozbawiony lepkości, a jednocześnie mocniejszy od stali i niewykrywalny za pomocą żadnego instrumentu.

Około 1900 roku nieścisłości newtonowskiej mechaniki stawały się coraz trudniejsze do wytłumaczenia. Świat był już przygotowany na rewolucję, ale kto miałby być jej przywódcą? Chociaż fizycy byli świadomi obecności luk w teorii eteru, próbowali je łatać, bojaźliwie dochowując wierności koncepcji Newtona. Einstein, który nie miał nic do stracenia, sprecyzował istotę problemu, polegającego na tym, że siły Newtona i pola Maxwella są niekompatybilne. Jeden z dwóch filarów nauki musi runąć. Kiedy jeden z tych filarów w końcu runął, wywołał przewrót w ponaddwustuletnim gmachu fizyki, co przyczyniło się do zrewolucjonizowania sposobu widzenia wszechświata i samej rzeczywistości. Fizyka newtonowska została obalona przez Einsteina za pomocą obrazu zrozumiałego nawet dla dziecka.

1 Natura i prawa natury leżały ukryte w mroku, Bóg rzekł, niech będzie Newton! I wszystko stało się jasne (przyp. tłum.).

ROZDZIAŁ 2

Wczesne lata

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 3

Szczególna teoria względności i „cudowny rok”

Dostępne w pełnej wersji

CZĘŚĆ II

OBRAZ DRUGI

Zakrzywiona czasoprzestrzeń

ROZDZIAŁ 4

Ogólna teoria względności i „najszczęśliwsza myśl w moim życiu”

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 5

Drugi Kopernik

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 6

Wielki Wybuch i czarne dziury

Dostępne w pełnej wersji

CZĘŚĆ III

NIEDOKOŃCZONY OBRAZ

Zunifikowana teoria pola

ROZDZIAŁ 7

Unifikacja i kwantowe wyzwanie

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 8

Wojna, pokój i E = mc^2

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 9

Proroczy dorobek Einsteina

Dostępne w pełnej wersji

BIBLIOGRAFIA

Dostępne w pełnej wersji

Table of Contents

Przedmowa: Nowe spojrzenie na dorobek Alberta Einsteina

Podziękowania

CZĘŚĆ I: OBRAZ PIERWSZY (W zawody z promieniem światła)

Rozdział 1: Fizyka przed Einsteinem

Rozdział 2: Wczesne lata

Rozdział 3: Szczególna teoria względności i „cudowny rok”

CZĘŚĆ II: OBRAZ DRUGI (Zakrzywiona czasoprzestrzeń)

Rozdział 4: Ogólna teoria względności i „najszczęśliwsza myśl w moim życiu”

Rozdział 5: Drugi Kopernik

Rozdział 6: Wielki Wybuch i czarne dziury

CZĘŚĆ III: NIEDOKOŃCZONY OBRAZ (Zunifikowana teoria pola)

Rozdział 7: Unifikacja i kwantowe wyzwanie

Rozdział 8: Wojna, pokój i E = mc2

Rozdział 9: Proroczy dorobek Einsteina

Bibliografia