Względność Einsteina – fizyka iluzji

Artykuł po raz pierwszy w języku polskim ukazał się w dwumiesięczniku Nexus w numerze 56 (6/2007)
Tytuł oryginalny: „Einstein’s Relativity – Warped Minds, Bent Truths”, Nexus (wydanie angielskie), vol. 14, nr 5

Dr Bjørn J. Øverbye

Copyright © 2007

część 1

część 2

Znieczulenie eterem, czyli jak kilka nieudanych eksperymentów wpędziło naukę w otępienie

W wygłoszonym 18 kwietnia 1955 roku po śmierci Alberta Einsteina oświadczeniu prezydent Stanów Zjednoczonych Dwight Eisenhower powiedział: „Żaden inny człowiek nie przyczynił się tak znacznie do ogromnego rozwoju dwudziestowiecznej nauki”, a także: „Żaden inny człowiek dysponujący taką potęgą, jaką jest nauka, nie był skromniejszy ani bardziej pewny, że siła bez mądrości jest śmiertelnym zagrożeniem. Dla wszystkich żyjących w wieku atomu Albert Einstein był ucieleśnieniem potęgi kreatywnych możliwości jednostki w wolnym społeczeństwie”.¹ Magazyn Time w artykule zamieszczonym na pierwszej stronie numeru z 31 grudnia 1999 roku wychwalał go jako „Osobistość stulecia”.²

Albert Einstein jeszcze za swojego życia (1879–1955) zyskał naukową sławę za takie teorie, jak O Ruchach Browna, Efekt Fotoelektryczny, Statystyka Termodynamiki Bose’a-Einsteina, a nade wszystko za Szczególną Teorię Względności (1905) oraz Ogólną Teorię Względności (1915–1916). Za wyjaśnienie Efektu Fotoelektrycznego otrzymał Nagrodę Nobla w roku 1921.³ Za sprawą swoich niełatwych w odbiorze teorii stał się symbolem mistycznego naukowca w wieży z kości słoniowej. Był człowiekiem łagodnym, a jego enigmatyczny wygląd i zawoalowane wypowiedzi czyniły zeń idealny wzorzec dla naukowców, pisarzy science fiction oraz zwykłych, przeciętnych ludzi.

Zarówno za jego życia, jak i ponad 50 lat po jego śmierci, kiedy jego chwała wydaje się być już ugruntowana, byli i są tacy, którzy wątpili w jego wielkość i czują się upoważnieni do wątpienia w to, że teoria względności jest w pełni prawdziwa.⁴ Oto kilka powodów ich wątpliwości.

 

Kontrowersja w sprawie eteru

Droga Einsteina do mitycznej chwały i popadnięcia ostatecznie w niesławę wiedzie przez substancję zwaną „eterem”. Eter był opisywany w różnych pracach greckich, egipskich i hinduskich filozofów już w piątym wieku p.n.e.⁵ Według nich eter jest najsubtelniejszą z substancji – matką wszelkich zjawisk. Żyjący w V wieku p.n.e. filozof Anaksagoras wysunął przypuszczenie, że atomy są wirami w eterze, które 2500 lat później podjął genialny szkocki fizyk William Thomson, bardziej znany jako lord Kelvin (1824–1907).⁶

Szczególnym powodem sięgnięcia do tych starych koncepcji były pewne odkrycia nauki. Na początku XIX wieku Michael Faraday i Hans Oersted odkryli elektromagnetyzm, a później w połowie tego stulecia Hermann Helmholtz (1821–1894) udowodnił, że takie siły mogą rozprzestrzeniać się przez „pustą przestrzeń”, tak jak fale. Wielcy naukowcy, tacy jak Michael Meyerson, lord Kelvin i Robert Young, współzawodniczyli między sobą o najlepsze wyjaśnienie tego zjawiska, ale ostatecznie tym, który zdobył nagrodę za najlepszą teorię, był James Clerk Maxwell (1831–1879). W roku 1864 zaproponował teorię „mechanicznego eteru” – niewidzialnej eterycznej elastycznej substancji wypełnionej małymi „bezczynnymi kołami”. Magnetyzm został tu przedstawiony jako wiry w eterze, podczas gdy elektryczność jako deformacja wirów i kół. W rezultacie ciągłego procesu deformacji i rotacji elektromagnetyzm można opisać przy pomocy czterech fundamentalnych równań, znanych dziś jako równania fali elektromagnetycznej Maxwella.⁷

Te równania i obraz bazujący na teorii „mechanicznego eteru” stały się istną kopalnią złota dziewiętnastowiecznej nauki – wyjaśniono mnóstwo zjawisk, a światło zinterpretowano jako falę elektromagnetyczną o ultrakrótkiej długości.

Idąc tym tropem, naukowcy zaczęli zastanawiać się nad eterem i w rezultacie wyłoniły się trzy szkoły myślenia. Pierwsza głosiła, że Ziemia przemierza nieruchomy ocean eteru, druga, że eter porusza się wraz z Ziemią, a trzecia, że eter jest w ruchu. Chcąc dowieść swoich racji, zwolennicy poszczególnych szkół toczyli między sobą ostre spory, jednak żadna z nich nie dysponowała odpowiednimi dowodami, których zdobycie było uzależnione od środków technicznych. Aż do lat 1880., kiedy to profesor Albert Michelson (1852–1931) z Uniwersytetu Case w Cleveland w USA zbudował interferometr o dokładności jednej milionowej części, nie było odpowiednich instrumentów mechanicznych. Taki przyrząd może określić różnicę między dwiema nadchodzącymi falami światła w formie geometrycznych wzorów interferencyjnych, to znaczy wzorów tworzących się, kiedy wiązki światła uderzają w ten sam punkt, wzmacniając się lub osłabiając w zależności od tego, czy przybywają w tym samym czasie, czy też z niewielkim przesunięciem fazy.

Słynny eksperyment Michelsona-Morleya polegał na wysłaniu dwóch wiązek światła dwiema drogami równej długości w różnych kierunkach – jedna droga była zgodna z ruchem Ziemi przez „morze eteru”, a druga skierowana poprzecznie do niej. Przy pomocy luster i pryzmatów doprowadzono do spotkania obu wiązek w jednym punkcie. Gdyby przemieszczające się zgodnie z drogą Ziemi światło uzyskało dodatkową prędkość od morza eteru, a przemieszczające się poprzecznie nie uległoby jego wpływowi, wówczas obie wiązki przybyłyby do punktu spotkania w różnym czasie, przy założeniu, że fale eteru, które nazywamy światłem, mają różne prędkości w różnych kierunkach. Tak więc obserwator zobaczyłby osłabienie światła, ponieważ fale przybywające w różnych momentach wytwarzałyby ujemną interferencję – coś takiego jak nieuporządkowane fale rozchodzące się po powierzchni morza, które są mniejsze w porównaniu z tymi, które toczą się w tym samym czasie w uporządkowany sposób.

Będąc zwolennikiem statycznego eteru, Michelson działał zgodnie z tą teorią. Według niego ten statyczny eter przenikał wszystkie obiekty, zarówno lekkie, jak i ciężkie, wpływając na prędkość rozchodzenia się światła w wyżej opisany sposób. Aby to sprawdzić, ustawił swój interferometr w piwnicy budynku uniwersytetu, ponieważ chciał zobaczyć, czy jest jakaś różnica między wiązką światła równoległą do kierunku ruchu Ziemi a prostopadłą do niego. Michelson i jego kolego Edward Morley (1838–1923) sądzili, że wiązka biegnąca w kierunku przeciwnym do ruchu Ziemi zostanie spowolniona, a przemieszczająca się zgodnie z nim zyska na prędkości, podczas gdy skierowana poprzecznie do niego pozostanie niezmieniona. Według nich te różnice powinny być wykrywalne w zakresie jednej milionowej części długości fali świetlnej. Po wykonaniu 36 pomiarów w okresie trzech dni Michelson i Morley ogłosili, że są możliwe do wykrycia różnice, ale nie są one wystarczająco duże, aby potwierdzić teorię statycznego eteru.⁸ Później eksperyment ten stał się znany jako „eksperyment zerowego wyniku z roku 1887”, ale czy jego wynik był rzeczywiście zerowy i czego dowodził lub czemu przeczył?