Neviditelný čert

Na závěr první části bylo řečeno, že to, co považujeme za gravitační sílu, je pouze důsledkem setrvačnosti, což však nemusí nutně znamenat, že těleso se pohybuje po po přímce, jak si ji klasicky představujeme, ale jak ji s pomocí OTR definujeme. Pojďme se tedy na to podívat.

Lucifer

Nejkratší spojnice dvou bodů je přímka. To beze sporu platí na plochém listu papíru. Ale co zakřivený povrch - například povrch Země? Na zakřiveném povrchu, například zemském je nejkratší spojnicí dvou bodů vždy křivka. Matematici proto zobecnili pojem přímky tak, aby zahrnoval i zakřivené povrchy. Definují geodetiku jako nejkratší spojnici dvou bodů na jakémkoli povrchu, nejen plochém. Co má ale tohle všechno společného s gravitací? Tou souvislostí, jak se ukáže, je světlo. Světlo má tu vlastnost, že vždy zvolí nejkratší trasu mezi dvěma body.

Vraťme se k našemu amnézií trpícímu astronautovi ve zrychlující se dokonale zatemněné raketě (viz první část). Experiment s kladivem a peříčkem už ho znudil, vezme si raději laser a umístí ho na poličku na levé zdi své kajuty. Na protější zeď namaluje fixem červenou čáru, ve stejné výši, v jaké se na druhé straně nalézá laser. Nakonec laser zapne tak, aby jeho paprsek mířil horizontálně kabinou na protější zeď. Kam dopadne? Když paprsek opustí laser, zrychlení raketových motorů na něj přestane působit a podlaha se k němu začne pohybovat. Z pohledu astronauta se tedy světlo bude blížit k podlaze a na protější stěnu dopadne jednoznačně pod červenou čárou. Máme si z toho vyvodit, že trajektorie světelného paprsku je v kabině zakřivená? Je jen jedno možné vysvětlení: prostor uvnitř kabiny je nějakým způsobem zakřivený.

Můžete namítnout, že je to jen iluze vyvolaná zrychlující se raketou. Důležité ale je, že astronaut nemůže tušit, že se nachází ve zrychlující se raketě. Klidně by mohl být v místnosti na Zemi, vystaven působení gravitace. Zrychlení a gravitace jsou nerozlišitelné. To je princip ekvivalence. Experiment s laserem nám vlastně ukazuje - a v tom je právě ohromná síla principu ekvivalence -, že trajektorie světla v přítomnosti gravitace je křivka. Jinými slovy, gravitace ohýbá dráhu světla. Ohýbá světlo, protože prostor je v přítomnosti gravitace nějakým způsobem zakřivený. Gravitace vlastně není nic jiného než zakřivený prostor.

Je snadné si představit zakřivený povrch, například zemský, protože má jen dva směry neboli dvě dimenze. S prostorem je to složitější a kromě tří prostorových dimenzí je tu ještě dimenze časová. Einstein ale dokázal, že prostor a čas jsou vlastně jen dva aspekty téže věci, takže bude přesnější hovořit o čtyřech "časoprostorových" dimenzích. Zakřivení našeho čtyřrozměrného časoprostoru si nedokážeme představit. A přece právě to je gravitace: zakřivení čtyřrozměrného prostoru. Představme si však druh mravenců, který tráví celý život na dvojrozměrném povrchu pevně napnuté trampolíny. Mravenci vidí jen to, co se děje na povrchu, a nemají ani tušení o prostoru pod sebou a nad sebou. A teď si představme, že nějaké zlomyslné bytosti z třetí dimenze zatíží trampolínu dělovou koulí. Mravenci zjistí, že když se pohybují v blízkosti dělové koule, jejich dráhy se k ní záhadně stáčejí. Celkem logicky si tento pohyb budou vysvětlovat tak, že na ně dělová koule působí přitažlivou silou, silou gravitační.

Žádná gravitační síla neexistuje. Země prostě sleduje nejkratší možnou dráhu časoprostorem. Jen proto, že je časoprostor v okolí Slunce zakřiven, připomíná dráha Země kružnici (či spíše elipsu). Jak říkají fyzikové Raymond Chiao a Achilles Speliotopoulos: "V obecné relativitě neexistuje žádná 'gravitační síla'. To, co běžně považujeme za gravitační sílu působící na částici, není ve skutečnosti žádná síla: částice prostě cestuje 'nejpřímější' možnou drahou v zakřiveném časoprostoru." Těleso, které putuje v časoprostoru "nejpřímější" možnou drahou, padá volným pádem. A proto na něj nepůsobí žádná gravitační síla. Také Země padá volným pádem kolem Slunce. Nepociťuje tedy gravitační působení Slunce na Zemi.

Gravitace vzniká (nebo je spíš pociťována) jen tehdy, když tělesu něco brání pokračovat v jeho přirozeném pohybu. Naším přirozeným pohybem je volný pád do středu Země. Půda nám v tom brání, takže cítíme sílu, kterou působí na naše těla, a vykládáme si ji jako gravitaci. Odstředivou sílu pociťujeme, když nám zatáčející auto zabrání v přirozené dráze pohybu po přímce. Obdobně pociťujeme gravitační sílu, když nám okolí brání v přirozeném pohybu po geodetice.

Podle Einsteinovy OTR by se od hmotných těles měly šířit gravitační vlny, které však zatím nebyly přímo zjištěny. Nicméně skutečnost, že se časoprostorem mohou šířit vlny, naznačuje, že vesmír není prázdné a pasivní médium, jak si ho představoval Newton. Jde o aktivní médium s reálnými vlastnostmi. Hmota deformuje časoprostor a tento zakřivený časoprostor zase působí na další hmotu. Jak to shrnul John Wheeler: "Hmota říká časoprostoru, jak se má zakřivovat, a zakřivený časoprostor zas říká hmotě, jak se má pohybovat."

Einsteinův novátorský pohled na gravitaci je nám teď jasný. Hmotná tělesa, například Slunce, zakřivují časoprostor kolem sebe. Jiná hmotná tělesa, například planety jako Země, se pak tímto zakřivením časoprostoru pohybují volným pádem v důsledku vlastní setrvačnosti. Jejich dráhy jsou křivky, protože jde o nejkratší možnou trajektorii v zakřiveném prostoru. A to je celé. To je obecná teorie relativity. Ďábla ale hledejte v detailech. A tomu bude věnována třetí část.

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

09.09.2012, 00:01:53   Publikoval Luciferkomentářů: 7