Sto rokov všeobecnej teórie relativity
Jana Plauchová - 2015-11-18

Portrét Alberta Einsteina z roku 1921. Autor neznámy.

Čo majú spoločné čierne diery, zdeformované obrazy vzdialených galaxií, pohyb dráhy planéty Merkúr, gravitácia a plynutie času? To, že podstatu ich fungovania vysvetlil Albert Einstein presne pred storočím.


Všeobecnú teóriu relativity publikoval Einstein desať rokov po uverejnení špeciálnej teórie relativity. Kým špeciálna teória popisovala povahu svetla, jeho šírenia a rýchlosti a hovorila, že fyzikálne zákony platia rovnako vo všetkých stojacich a rovnomerne sa pohybujúcich sústavách, všeobecná teória relativity ide ďalej. Jej najznámejším tvrdením je úplne nový pohľad na gravitáciu a zrýchlenie. Einstein tvrdil, že pobyt v gravitačnom poli sa nedá rozlíšiť od pobytu v rovnomerne zrýchľujúcom objekte pohybujúcom sa v stave beztiaže. Nech to znie akokoľvek čudne, bez kontaktu s vonkajším svetom pozorovateľ nie je schopný zistiť, či sa nachádza v uzavretej kabíne na Zemi alebo v uzavretej kabíne rovnomerne zrýchľujúcej hlboko v kozme. To však nie je všetko. Nemecký fyzik tiež tvrdil, že čas a priestor sú späté do štvorrozmernej sústavy zvanej časopriestor a gravitácia podľa neho nie je ničím iným, ako deformáciami tohto časopriestoru. Oproti Newtonovmu stáročia prijímanému pohľadu išlo o obrovskú zmenu. Gravitácia zrazu nie je príťažlivou silou, ale vlastnosťou priestoru, a okrem hmoty vplýva aj na čas. Zrýchlenie, ktoré Einstein považuje za nerozlíšiteľné od účinkov gravitácie, na hmotu a čas vplýva takisto.


Deformacia gravitaciou.png


Zakrivenie časopriestoru v okolí Zeme, ktoré vnímame ako jej gravitáciu. V tejto dvojrozmernej animácii sa zdá, akoby planéta ležala na pružnej podložke. Autor: Johnstone, commons.wikimedia.org


Pravda, tento vplyv je v podmienkach, v akých sa pohybujeme, skoro zanedbateľný. Významné rozdiely v plynutí času by sme pozorovali len v okolí veľmi hmotných telies. Príkladom je Slnko, najhmotnejší objekt slnečnej sústavy, na ktorého povrchu by sa hodinky oneskorovali o minútu a štyri sekundy ročne oproti hodinkám na Zemi. Oveľa extrémnejšie spomalenie času by nastávalo pri neutrónových hviezdach a čiernych dierach. Einsteinova teória sa však volá teóriou relativity preto, lebo toto spomalenie času pod vplyvom gravitácie – alebo zrýchlenia – sa javí ako spomalenie len pozorovateľovi z inej vzťažnej sústavy. Keby sme boli priamo na povrchu Slnka, neutrónovej hviezdy či v blízkosti horizontu udalostí čiernej diery (a zabudnime na chvíľu na skutočnosť, že podmienky v týchto končinách sú so životom nezlučiteľné), plynutie času by nám v danom prostredí pripadalo úplne normálne a v okolí naopak čudné.


Einstein_cross.jpg


Einsteinov kríž – dôsledok výraznej deformácie svetla gravitáciou a jeden z dôkazov platnosti všeobecnej teórie relativity. To, čo vnímame ako štvoricu objektov okolo jedného centrálneho, sú v skutočnosti gravitáciou zdeformované obrazy jedného a toho istého objektu. Autor: NASA, ESA, and STScI


Všeobecná teória relativity má ale aj ďalšie šokujúce dôsledky. Napríklad ten, že keďže gravitácia je deformáciou priestoru, podlieha jej aj svetlo. Dovtedy sa predpokladalo, že svetlo si príťažlivú silu nevšíma. Einstein však ukázal, že je to inak, a potvrdil to aj bezpočet pozorovaní, počnúc Eddingtonovým meraním polôh hviezd v roku 1919 pri úplnom zatmení Slnka. Hviezdy sa javili mierne posunuté oproti pozíciám, na ktorých by mali byť, čo značilo, že gravitácia Slnka zmenila smer ich lúčov. Oveľa výraznejšie ohyby svetla vyvolávajú obrovské kopy galaxií, ktoré svojou gravitáciou deformujú obrazy galaxií ležiacich za nimi. Zaujímavé je, že hoci zo všeobecnej teórie relativity vyplývala aj existencia čiernych dier, Einstein sám v ne neveril. Všeobecná teória relativity ale nachádza uplatnenie aj oveľa bližšie. V slnečnej sústave vysvetlila záhadné stáčanie obežnej dráhy Merkúru.


„Roky tápanie v tme, hľadanie pravdy, ktorú tušíte, ale nedokážete vyjadriť, intenzívna túžba a neustále striedanie presvedčenia s pochybnosťami, až sa vám nakoniec podarí predrať k jasnému záveru a pochopeniu, to pozná iba ten, kto všetko osobne prežil.“ Tieto slová napísal Einstein po publikácii svojej všeobecnej teórie relativity.