Dlaczego Einsteina uważa się za twórcę teorii względności...

Otóż ważne są nie tylko same wzory; równie ważna – a właściwie nawet znacznie ważniejsza – jest ich INTERPRETACJA. Podobne (albo nawet identyczne) równania mogą pojawiać się w różnych hipotezach. Wynika to nawet z prościutkiej analizy wymiarowej. Dla przykładu wyobraźmy sobie, że chcemy znaleźć jakiś ogólny związek między masą m a energią E. Wiemy, że masę wyraża się w kilogramach (kg), natomiast wymiarem energii są dżule (J). Z kolei jeden dżul to kilogram pomnożony przez metr (m) w kwadracie i podzielony przez sekundę (s), też w kwadracie (J=kg*m²/s²), a zatem żeby przejść od masy do energii, trzeba wartość masy pomnożyć przez coś, co ma wymiar prędkości w kwadracie (m/s)². A jakie prędkości są wyróżnione przez naturę? Tylko jedna – prędkość światła c. Dlatego, czego byśmy nie założyli, powinniśmy spodziewać się wzoru postaci E=mc², ewentualnie z jakimś dodatkowym współczynnikiem liczbowym.

Wystąpiła tutaj drobna kolizja oznaczeń: m pisane kursywą to masa, zaś m pisane czcionką prostą to metr. Mam nadzieję, że nie prowadzi to do nieporozumień.

Tak właśnie wychodziło wielu fizykom, którzy na przełomie XIX i XX wieku rozważali różne sytuacje i przyjmowali różne założenia. Fritz Hasenöhrl znalazł zależność E=3/8mc², Max Abraham E=3/4mc², zaś Poincaré akurat dokładnie E=mc².

No to w jaki sposób wyżej wspomniani panowie interpretowali swoje wzory? Aby zrozumieć ich tok myślenia, należy przyjrzeć się ówczesnemu stanowi wiedzy. Triumfy świeciła wtedy teoria elektromagnetyzmu, sformułowana przez Jamesa Clerka Maxwella. Jedną z jej części jest opis promieniowania elektromagnetycznego. Zarówno Maxwell, jak i jego kontynuatorzy, zakładali że nosicielem tego promieniowania jest pewien ośrodek, który nazwano eterem. Ponieważ nasza planeta w trakcie obiegania Słońca ustawicznie zmienia kierunek ruchu, to powinien się zmieniać wynik pomiaru prędkości światła, gdyż byłby on wypadkową prędkości propagacji światła w stacjonarnym eterze i ruchu Ziemi. W ten sposób można by wyznaczyć ruch naszej planety względem stacjonarnego eteru. Albert Michelson i Edward Morley przeprowadzili w 1887 roku odpowiednie doświadczenie mające zmierzyć ten efekt, ale dało ono wynik negatywny: spodziewanych zmian nie wykryto.

Za próbę wyjaśnienia tego nieoczekiwanego wyniku zabrały się najtęższe głowy. W 1889 roku George Fitzgerald wysunął ciekawą hipotezę, że długość ciała poruszającego się z prędkością v względem eteru ulega skróceniu o pewien czynnik, zależny od stosunku tej prędkości do prędkości światła c. Gdyby aparatura Michelsona i Morleya była w taki sposób ściskana, efekt ten zniwelowałby względne zmiany prędkości światła w trakcie pomiaru.

Podobny wynik otrzymał kilka lat później Lorentz, który poszedł jeszcze dalej i chcąc, żeby rozwijana wówczas przez niego teoria elektronu nie zależała od wyboru układu współrzędnych, oprócz transformacji długości dokonał także transformacji czasu. Jego wzory noszą dziś nazwę transformacji Lorentza.

Trzeba wyraźnie podkreślić, że fizycy ci (a także wielu innych) uważali, iż ciała faktycznie ulegają ściskaniu, zaś czas pojawiający się w transformacji Lorentza to jakiś „czas lokalny” – narzędzie matematyczne, które nie ma nic wspólnego z czasem rzeczywistym.

Fizycy starają się jednak nie przyjmować niczego „na słowo honoru” i, jeżeli to tylko możliwe, weryfikować doświadczalnie hipotezy wysuwane przez teoretyków. Jak przekonać się, czy ciała ulegają rzeczywistemu ściskaniu? Lord Rayleigh zauważył, że jeśli tak jest, powinny w nich pojawiać się wewnętrzne naprężenia. Wymyślił on sprytną metodę, jak to sprawdzić, i w 1902 roku przeprowadził eksperyment. Jego wynik, podobnie jak wynik doświadczenia Michelsona-Morleya, był negatywny: jeżeli takie naprężenia w ogóle powstawały, to w stopniu mniejszym niż 1% efektu przewidzianego przez hipotezę Lorentza. Później wynik Rayleigha potwierdzili z jeszcze większą dokładnością inni fizycy eksperymentalni.

Mniej więcej w tym samym czasie nikomu nieznany pracownik urzędu patentowego, niejaki Albert Einstein, zaczął zastanawiać się nad (pozornie) całkowicie innym zagadnieniem: jak pogodzić zasadę względności ruchu z teorią Maxwella. Zgodnie z zasadą względności, sformułowaną już przez Galileusza, prawa ruchu są identyczne w każdym układzie inercjalnym (to znaczy nie doznającym żadnych przyspieszeń i poruszającym się ruchem jednostajnym). Jeśli tak jest, to nie można wyróżnić żadnego układu, a zatem nie można mówić o bezwzględnym spoczynku. Galileusz uzasadniał tę zasadę następującym przykładem: gdyby kogoś zamknąć pod pokładem statku, to w żaden sposób nie byłby on w stanie stwierdzić, czy statek płynie ze stałą prędkością, czy stoi w miejscu.

Zasada względności ruchu została później wielokrotnie potwierdzona w doświadczeniach kinematycznych, jednakże oryginalna teoria elektromagnetyzmu Maxwella, rozwinięta potem przez Lorentza, tej zasady nie spełniała. Mieliśmy wyróżniony układ – układ, w którym eter spoczywał. Nie podobało się to Einsteinowi, który uważał, że zasada Galileusza powinna dotyczyć wszystkich zjawisk, nie wyłączając elektromagnetyzmu. Doszedł do wniosku, że jest to możliwe, jeśli się założy, iż prędkość światła jest stała w każdym układzie i nie zależy ani od prędkości emitującego je źródła, ani od prędkości rejestrującego je obserwatora. Przyjmując to założenie wyprowadził transformację Lorentza.

I tu mamy pierwszą różnicę między Lorentzem a Einsteinem: Lorentz przyjął swoje wzory w zasadzie ad hoc, bez głębszego uzasadnienia, natomiast Einstein wyprowadził je wychodząc z założenia znacznie bardziej podstawowego.

Ale o wiele ważniejsza jest druga, absolutnie zasadnicza różnica – w interpretacji wzorów. Einstein nie uważał, że przedmioty w trakcie ruchu ulegają ściskaniu, i że w konsekwencji zmienia się ich struktura. Cały czas pozostają takie same, natomiast pomiar ich długości daje różne wyniki w poruszających się względem siebie układach. Podobnie, nie ma różnych czasów: „rzeczywistego” i jakiegoś „lokalnego”; czas jest jeden i ten sam, ale odstęp czasu między dwoma zdarzeniami mierzony w różnych układach jest różny. Różnice między wynikami pomiarów długości i odstępów czasu podają wzory transformacyjne Lorentza. No i na tym właśnie polega STW.

W teorii Lorentza czas i przestrzeń są niezależnymi bytami, są traktowane po newtonowsku, natomiast u Einsteina są one ze sobą związane i tworzą jedną czasoprzestrzeń. Wprowadzenie czasoprzestrzeni było absolutną rewolucją w fizyce i zmieniało nasze pojmowanie Wszechświata. Ani Lorentz, ani Poincaré, ani inni ówcześni uczeni nie potrafili wykonać tak zdecydowanego kroku.

Wprowadzając założenie o stałości prędkości światła, Einstein za jednym zamachem załatwił dwie sprawy: uratował zasadę względności i wyjaśnił brak obserwowanych zmian w doświadczeniu Michelsona-Morleya. Konsekwencje STW były wielokrotnie weryfikowane i zawsze otrzymywano wynik pozytywny. Sprawdzano też bezpośrednio niezależność prędkości światła od prędkości emitującego je źródła. O jednym takim eksperymencie wysmażyłem nawet kiedyś notkę (można ją znaleźć TUTAJ).

Piszę to, ponieważ stale pojawia się ktoś, kto twierdzi, że stałość prędkości światła nie została nigdy zweryfikowana doświadczalnie. Otóż została; niedowiarków proszę o zerknięcie do zlinkowanego powyżej tekstu.

A co z formułą E=mc²? W tymże samym 1905 roku Einstein opublikował inną pracę pod tytułem „Czy bezwładność ciała zależy od zawartej w nim energii?”, w której napisał:

Jeżeli ciało emituje energię L w postaci promieniowania, to jego masa zmniejsza się o L/c²

Jest to sformułowanie zasady równoważności masy i energii o dużym stopniu ogólności i zdecydowanie różni się od tego, co ze związkami masy i energii wyczyniali inni ówcześni fizycy.

Co bowiem oznaczały ich, formalnie podobne, bądź nawet identyczne wzory? W owym czasie wielu naukowców skłaniało się do od dawna zapomnianej już dziś idei, a mianowicie, że bytem pierwotnym w przyrodzie jest pole elektromagnetyczne, zaś masa jest bytem wtórnym. Innymi słowy, źródłem masy miałoby być pole elektromagnetyczne. W ramach tej koncepcji Abraham rozważał jakiś model elektronu i wyszło mu, że masa tegoż powinna wynosić m=4/3E/c² (tutaj E to energia pola elektrycznego elektronu). Z kolei Poincaré zajmował się promieniowaniem elektromagnetycznym. Wymyślił sobie, że promieniowanie to jakiś dziwaczny płyn przenikający przez eter, i obliczył, iż jego masa wynosi m=E/c² (tutaj E to energia promieniowania elektromagnetycznego). Jak widać, zarówno wzór Poincaré, jak i wzór Abrahama nie mają nic wspólnego z zasadą uniwersalnej równoważności masy i energii (nie mówiąc już o tym, że powstały na bazie fałszywych założeń). A dlaczego ich wyniki są podobne do wzoru Einsteina? To już wyjaśniłem na początku.

Z wyjątkiem Philippa Lenarda i jeszcze jednego czy dwóch fizyków, którzy z powodów czysto antysemickich kwestionowali pierwszeństwo Einsteina w stworzeniu STW, nikt inny wówczas tego nie robił. Sam Hendrik Lorentz w wywiadzie udzielonym niedługo przed śmiercią stwierdził:

Wprowadziłem pojęcie czasu lokalnego, ale nigdy nie myślałem, że ma to coś wspólnego z czasem rzeczywistym. Dla mnie czas rzeczywisty był nadal zgodny z klasycznym pojęciem czasu absolutnego. (…) Traktowałem moją transformację czasu tylko jako heurystyczną hipotezę roboczą. Zatem teoria względności jest wyłącznie dziełem Einsteina.

Pozostaje jeszcze sprawa ogólnej teorii względności (OTW), czyli teorii grawitacji. Einstein sformułował jej ostateczną wersję w 1915 roku. I znowu sporo osób, opierając się na jakichś niezweryfikowanych artykułach, twierdzi że Einstein ukradł OTW Davidowi Hilbertowi. Sam nie będę wyjaśniał tej sprawy – i tak ta notka zrobiła się o wiele za długa – ale odeślę wszystkich do starego tekstu napisanego przez nieżyjącego już blogera Eine (TUTAJ). Można się z niego dowiedzieć, że jeżeli już ktoś coś komuś ukradł, to raczej Hilbert Einsteinowi niż odwrotnie.

Notkę tę napisałem dlatego, że co i rusz na salonie24 pojawia się ktoś, kto - mimo iż nie zna źródeł - z uporem maniaka twierdzi, że Einstein był zwykłym złodziejem, a wszystkie jego odkrycia należy przypisać innym uczonym. Niektórych ludzi jakoś szczególnie podnieca obalanie autorytetów, nieważne, czy są ku temu podstawy, czy nie. A dlaczego tak jest? To pytanie do psychologów, a nie do mnie.

PS. Cytaty zaczerpnąłem z książki Andrzeja Kajetana Wróblewskiego "Historia fizyki".