Neviditelný čert

"K tomu průlomu došlo úplně náhle. Jednoho dne jsem seděl na židli ve své kanceláři patentního úřadu v Bernu a najednou mě napadlo: když člověk padá volným pádem, necítí vlastní váhu. Ohromilo mě to. Tento jednoduchý myšlenkový experiment na mě hluboce zapůsobil. A přivedl mě k teorii gravitace." - Albert Einstein

Lucifer

Název článku vás zřejmě překvapil. Jak asi někteří z vás ví, nebo alespoň tuší, gravitace patří ve fyzice mezi čtyři základní síly či interakce, zbývající tři jsou slabá, elektromagnetická a silná. Z pohledu obecné teorie relativity však výrok "gravitační síla neexistuje" nemusí být až tak přitažený za vlasy. Pojďme se tedy na to podívat.

V roce 1915 přišel Albert Einstein s obecnou teorií relativity (OTR), aby napravil některé nedostatky své speciální teorie relativity (STR), se kterou přišel o deset let dříve. Potíž se speciální teorií relativity spočívá v tom, že je... speciální. Zabývá se tím, co vidí člověk, který se dívá na jiného člověka pohybujícího se vzhledem k němu konstantní rychlostí, a odhaluje nám, že pohybující člověk se zdánlivě zkracuje ve směru pohybu a jeho čas se zpomaluje. Účinky jsou tím výraznější, čím více se rychlost pohybu blíží rychlosti světla. Ale pohyb konstantní je speciální záležitost. Tělesa obecně svou rychlost čas od času mění. Poté, co Einstein publikoval STR, začal hledat odpověď na následující otázku: Co člověk vidí, dívá-li se na jiného člověka, který vzhledem k němu zrychluje?

Když se Einstein pustil do svého nelehkého pátrání, největší starosti mu dělalo, co si počít s Newtonovým gravitačním zákonem. Za 250 let jeho existence ho nikdo nezpochybnil, ale Einsteinovi bylo jasné, že s STR je principiálně neslučitelný. Podle Newtona každé hmotné těleso působí na jiné hmotné těleso přitažlivou silou, kterou nazýváme gravitace. K tomuto závěru prý dospěl, když seděl pod jabloní a na hlavu mu náhle spadlo jablko (viz Pohádka o Newtonovu objevu gravitace). Tahle představa Einsteinovi nevadila, co mu vadilo, bylo, že Newton předpokládal, že gravitační síla působí okamžitě (tedy cestuje nekonečnou rychlostí). Einstein totiž ve své STR postuloval, že nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo ve vakuu. Tenhle předpoklad ale není jediným závažným nedostatkem Newtonovy gravitační teorie, v níž se praví, že gravitační síla vzniká v důsledku hmotnosti. Einstein totiž zjistil, že všechny formy energie mají efektivní hmotnost, pročež všechny musí být zdrojem gravitace. Když Einstein přemýšlel nad tím, jak začlenit myšlenku STR do nové teorie gravitace a zároveň zobecnit STR tak, aby dokázala popsat, jak se svět jeví člověku, který se pohybuje zrychleně, ke svému překvapení a potěšení zjistil, že oba úkoly jsou vlastně jedno a totéž.

Gravitační síla má jednu zvláštní vlastnost: všechna tělesa, bez ohledu na svou hmotnost, padají stejně rychle. Traduje se, že tento jev demonstroval už někdy v sedmnáctém století Galileo Galilei, který z vrcholku šikmé věže v Pise upustil jeden lehký a těžký předmět, a oba prý dopadly na zem současně. Problém s tímto pokusem však spočívá v tom, že různá tělesa mohou být při pádu různě ovlivněna odporem vzduchu. Historicky doložitelný experiment na důkaz tohoto tvrzení se odehrál na Měsíci, kde v roce 1972 upustil Dave Scott, kapitán lodi Apollo 15, zároveň peříčko a kladivo, a jak už jistě tušíte, oba předměty dopadly na povrch Měsíce současně. Na větší hmotnost působí větší gravitační síla než na malou hmotnost, a tato síla je přímo úměrná hmotnosti tělesa, takže předměty o velké hmotnosti zrychlují stejnou měrou jako předměty lehké. Ale jak se gravitační síla přizpůsobí hmotnosti, na kterou působí? Einsteinův geniální mozek si uvědomil, že k tomu dochází nesmírně prostě a přirozeně - a navíc způsobem, který výrazně mění naši zažitou představu o gravitaci.

Představme si astronauta v místnosti, která se zrychluje směrem vzhůru o 9.8 metrů za sekundu, což je zrychlení, jaké gravitační síla udílí padajícím objektům v blízkosti zemského povrchu. Představme si také, že touto místností je kabina rakety, jejíž motory právě spustily. Astronaut vezme peříčko a kladivo, podrží je ve stejné výšce nad podlahou a ve stejném okamžiků je upustí. Peříčko i kladivo samozřejmě dopadnou (současně) na podlahu rakety. Výklad této události ale závisí čistě na úhlu pohledu. Za předpokladu, že se raketa nenachází v gravitačním poli velkých hmotných těles, peříčko ani kladivo nic neváží. Takže když se podíváme dovnitř raketoplánu zvenčí (přičemž se pohybuje stejným směrem a stejnou rychlostí, kterou měla raketa, když astronaut obě tělesa upustil), uvidíme oba objekty nehybně viset, přičemž podlaha se rychle přibližuje k nim, až se s oběma současně střetne.

Pokud astronaut trpí amnézií a úplně zapomněl, že je v raketě a okénka jsou zatemněná, tak dojde k závěru, že peříčko i kladivo spadly vlivem gravitační síly. Einstein povýšil nerozlišitelnost gravitace a zrychlení na zásadní fyzikální princip a pokřtil ho princip ekvivalence. Princip ekvivalence tvrdí, že gravitační síla není jako ostatní síly. Vlastně to ani není skutečná síla. Všichni jsme na tom ve skutečnosti stejně jako astronaut s amnézií v zatemněné raketě. Neuvědomujeme si, že naše okolí zrychluje, a tak si musíme najít nějaký jiný způsob, jak vysvětlit, že řeky tečou z kopce a jablka padají ze stromů. Jediné řešení je vymyslet si fiktivní sílu - gravitaci.

V každodenním životě je úplně běžné, že si vymýšlíme síly, které vysvětlují dění kolem nás. Jedete například autem, které prudce zahýbá za roh. Zdá se, že vás jakási síla tlačí do strany, a jako vysvětlení si vymyslíte odstředivou sílu. Jenže ve skutečnosti žádná taková síla neexistuje. Všechna hmotná tělesa, jakmile jsou jednou uvedena do pohybu, mají tendenci pohybovat se nadále přímo kupředu konstantní rychlostí. (Na Zemi, kde tření pohybující se těleso zpomaluje, to není zdaleka tak patrné. Ve vakuu je to však zjevné.) Díky této vlastnosti, známé jako setrvačnost, všechny neupevněné objekty v autě včetně vás coby pasažéra pokračují v pohybu stejným směrem, jakým se auto pohybovalo, než zahnulo do zatáčky. Dveře, k nimž jste v této situaci tlačeni, se tedy přiblížily k vám stejně jako se podlaha rakety přiblížila ke kladivu a peříčku. Nepůsobí tu žádná síla. Je třeba si ještě uvědomit, že zrychlení neznamená jen změnu rychlosti, může také znamenat změnu směru pohybu, k čemuž dochází, když vaše auto zahýbá za roh.

Odstředivá síla je známa jako síla setrvačná. Vymysleli jsme si ji jako vysvětlení vlastního pohybu, protože jsme se rozhodli ignorovat pravdu - že se pohybuje naše okolí vzhledem k nám. Náš pohyb je ve skutečnosti jen důsledkem setrvačnosti, přirozené tendence pokračovat v pohybu po přímce. Einstein jasnozřivě pochopil, že také gravitace je setrvačnou silou, což ho dovedlo přímo k jeho teorií gravitace.

Ale moment: pokud je pohyb, který připisujeme gravitační síle, jen důsledkem setrvačnosti, musí to znamenat, že tělesa jako Země vlastně jen letí vesmírem konstantní rychlostí po přímce. Takový nesmysl! Země přece obíhá kolem Slunce, neletí rovně, že? Ne nutně. Všechno záleží na tom, jak definujeme přímku. A tomu bude věnována druhá část.

Zdroj: Marcus Chown, Kvantová teorie nikoho nezabije - Průvodce vesmírem

06.09.2012, 00:00:30   Publikoval Luciferkomentářů: 1