Einstein je takoj postal legenda

To je edina knjiga o teoriji relativnosti, ki jo je od začetka do konca napisal prav s tem namenom – da bi jo širše množice brale kot knjigo. Kasneje je izdajal tudi druge knjige, a to so bile predvsem zbirke njegovih člankov in predavanj.

V knjigi je zajel posebno in splošno teorijo relativnosti. Ko je leta 1905 razvil najprej posebno teorijo relativnosti, je ta veljala za nenavadno. Nekatere posledice te teorije so bile v popolnem nasprotju s tem, česar smo vajeni iz vsakdanjega življenja: da glede na gibanje ure tečejo različno hitro, da se podaljša čas, da se krajšajo dolžine predmetov. To je bilo težko pogoltniti. S splošno teorijo relativnosti pa so zadeve postale še bolj kompleksne. Z njo je Einstein obravnaval širši spekter naravnih pojavov, zato je morala biti bolj kompleksna, da je lahko enotno opisala več različnih fenomenov. Vpeljala je denimo ukrivljanje prostora-časa, s čimer pa se, vsaj na prvi pogled, v vsakdanjem življenju res nikoli ne srečujemo.

Einstein je želel s knjigo pokazati, da obe teoriji, ne glede na to, da sta sloveli kot izjemno abstraktni in kompleksni, v resnici izhajata iz zelo enostavnih načel. Lepoto te teorije je želel posredovati širšim množicam.

Knjigo je res mogoče brati na osnovi splošne izobrazbe, četudi je v njej nekaj matematičnih formul. S srednješolskim znanjem matematike se da razumeti večino teh formul. Za tiste, ki česa ne bi razumeli, pa je Einstein pripravil dovolj dobre besedilne razlage, da lahko formule pri branju tudi izpustijo.

Zlasti za posebno teorijo relativnosti Einstein ni potreboval zelo sofisticiranega matematičnega aparata – potreben je bil zgolj genialen uvid v to, kaj je bilo narobe s klasično fiziko pred Einsteinom.

Začelo se je že v sedemnajstem stoletju, ko so fiziki skušali razložiti fizikalne lastnosti svetlobe. Ena teorija je svetlobo opisovala kot sestavljeno iz delcev, pristaš te teorije je bil denimo Isaac Newton. Druga teorija je svetlobo razumela kot valovanje v »etru«. Svetlobni eter naj bi bil nekakšna nevidna snov, ki napolnjuje vesolje in po kateri se svetloba razširja – podobno kot zvok, ki potrebuje zrak, vodo oziroma kakršnokoli snov, da se lahko razširja. Eter so fiziki potrebovali, saj je bil koncept praznega prostora zanje zelo težaven. Spraševali so se denimo tudi, kako lahko v praznem vesolju deluje gravitacija – privlačnost med nebesnimi telesi – če vmes ni ničesar, kar bi to privlačnost »prenašalo«.

Pri svetlobi so tovrstne dileme torej reševali z »etrom«. A se je pri tem pokazal izjemen problem: v devetnajstem stoletju se je ob stari newtonski klasični mehaniki dobro usidral novejši elektromagnetizem. Obe teoriji sta bili na svojem področju neoporečni, težava pa je bila, kako s klasično mehaniko razložiti konstantno hitrost svetlobe, ki jo je terjal elektromagnetizem. V skladu s klasično mehaniko bi se morala svetloba namreč, podobno kot zvok, glede na opazovalca gibati hitreje ali počasneje, če se opazovalec in svetloba gibljeta v isto ali pa nasprotno smer. Hitrosti bi se v »etru« morale seštevati. Toda izkazalo se je, da ima svetloba vedno enako hitrost ne glede na to, kako se giblje opazovalec. Tega fiziki niso znali razložiti in so tehtali, čemu bi se raje odpovedali: nekaterim temeljem iz klasične mehanike ali nekaterim razlagam iz elektromagnetizma.

Na tej točki je vstopil Einstein in se zelo resno vprašal, ali ni morda problem v tem, kako izvajamo meritve časa in meritve razdalj. Pokazal je, da newtonska mehanika vsebuje napačne predpostavke o prostoru in času. Ne smemo namreč predpostavljati, da sta dogodka, ki sta sočasna za enega opazovalca, sočasna tudi za drugega opazovalca, ki se giblje glede na prvega. S tem je Einstein ohranil staro Galilejevo načelo relativnosti, ki pravi, da ni mogoče z eksperimentom dokazati, ali se opazovalec giblje enakomerno ali miruje. Ohranil pa je tudi konstantnost svetlobne hitrosti. Pokazal je, da ti dve načeli nista protislovni, če le upoštevamo, da je sočasnost dogodkov odvisna od tega, v katerem sistemu dogodka opazujemo. Pri Newtonu smo imeli en sam vesoljni čas, ki je bil neodvisen od tega, kako se gibljemo. Kar je sočasno za potnika na drvečem vlaku, je bilo sočasno tudi za potnika, ki stoji pri miru na peronu. Einstein pa je pokazal, da to ne drži. Pokazal je tudi, da so dolžine predmetov odvisne od gibanja opazovalca, ki te dolžine meri.

Reciva takole: če imaš palico, glede na katero miruješ, in jo izmeriš, bo dolga na primer en meter. Če to isto dolžino poskuša izmeriti nekdo, ki se mimo palice pelje z vlakom, pa bo izmeril, da je palica krajša od enega metra. To se nam zdi povsem nepričakovano, saj česa takšnega v življenju ne poznamo. Vendar le zato, ker v našem svetu, pri hitrostih, s katerimi živimo, teh »skrajšanj« palice ne moremo opaziti.

Točno tako. »Dejanska« dolžina ne obstaja. Merodajno je tisto, kar lahko izmerimo. Ko res dosledno in do konca premisliš, kaj si izmeril – in do tega premisleka ni prišel kdorkoli, do tega je prišel le Einstein – prideš do posebne teorije relativnosti. Pri tem ohranimo tako klasično načelo relativnosti kot konstantno hitrost svetlobe. Od tod pa je Einstein razmišljal naprej: če se svetloba vedno giblje enako hitro, potem nima lastnega sistema. Torej »svetlobnega etra« ne potrebujemo. To pa je bilo za mnoge ugledne fizike, ki so se intenzivno vse življenje ukvarjali z etrom, v tistem trenutku problematično. Pri etru so vztrajali, četudi so imeli z njim velike težave, saj njegovega obstoja niso mogli eksperimentalno dokazati.

Najbrž je bilo razlogov več. Res pa je, da so posebno teorijo relativnosti kmalu po letu 1905, ko jo je Einstein objavil, tudi ugledni fiziki že začeli predavati na fakultetah. Max Planck, veliko ime pruske akademije znanosti, je bil eden prvih, ki so teorijo sprejeli. Ne bi torej mogli reči, da so fiziki povsem nasprotovali Einsteinovi teoriji. Vzeli so jo zelo resno, ohranjali pa so določeno skepso. To je razumljivo, saj je skepsa neločljiv del znanosti. Kot rečeno, Einsteinove ideje so bile vendarle v nasprotju s tem, kar poznamo v vsakdanjem življenju.

Res je, a tovrstni konceptualni prelomi se zgodijo le na vsakih nekaj sto let. Začetna rezerviranost fizikov do posebne teorije relativnosti, ki niti ni bila zelo izrazita, se mi zdi povsem razumljiva. Ko so se stvari razčistile, Einstein bistvenih nasprotovanj ni več doživljal.

Takrat je bil že zelo znan. Leta 1905, ko je začel objavljati članke, pa ga ni poznal skoraj nihče. A že tedaj je objavil pet člankov, ki so bili monumentalni. Tega leta je v okviru posebne teorije relativnosti izpeljal še znamenito formulo E>mc

2

Ne na tak način kot Einstein. Einstein je predpostavil, da se da svetlobo opisati kot plin svetlobnih delcev. Na podlagi tega je objavil članek, za katerega je kasneje dobil Nobelovo nagrado. Leta 1905 je torej v nekaj mesecih pokazal, da je treba z njim resno računati.

Bil je izredno, arogantno samozavesten. To mu je pomagalo do uspeha. Za to, da se lotiš temeljnih načel fizike, da pokažeš njihove pomanjkljivosti, potrebuješ res veliko poguma in genialnosti. Einstein je bil velik upornik. Obenem pa je v svoji teoriji videl nekaj res lepega, estetsko vrednost, ki jo je moral predstaviti vsem ljudem.

Izkazalo se je, da je gravitacija le druga plat posplošitve posebne teorije relativnosti. Od posebne teorije, ki jo je razložil v dveh elegantnih člankih leta 1905, do splošne teorije leta 1915 je Einstein prehodil trnovo pot. Slog članka o posebni teoriji relativnosti je igriv in lahkoten, na poti k splošni teoriji pa se je več let boril z znanstvenimi razlagami in matematičnimi formulacijami. To je bilo v primerjavi z obdobjem pred letom 1905 res težaško delo. Serije člankov, napake, padci, učenje, borba.

Ko je bila teorija končana, je pisal velikemu fiziku Hendriku Lorentzu, da je njegova teorija »serija napačnih korakov, ki so pripeljali do pravega rezultata«. Prosil ga je, da bi on namesto njega napisal to knjigo.

Točno to knjigo. Lorentz pa mu je rekel: ti si avtor teorije, ti napiši knjigo. Za Einsteina je bil Lorentz v znanstvenem smislu očetovska figura. Knjigo je potem napisal sam. Njegov motiv je bil pokazati vsem ljudem, s kakšno intelektualno lepoto imamo opravka.

Namreč, leta 1907, dve leti po objavi posebne teorije relativnosti, je Einstein doživel, kot se je sam izrazil, »najsrečnejšo misel v življenju«. Zamislil si je nekoga, ki pada s strehe. Ta padec je zaradi gravitacije pospešen. Če človek med padcem iz rok izpusti predmet, denimo steklenico, bo steklenica padala skupaj z njim in bo glede na njega mirovala. Če pa je človek med padanjem zaprt v padajoči škatli, bo videti, kot da se s steklenico ne gibljeta pospešeno, temveč mirujeta v breztežnosti. Kot da gravitacijskega polja sploh ni. Einstein je torej uvidel, da je nepospešen sistem, denimo enakomerno drveči vlak, s katerim se je ukvarjala posebna teorija relativnosti, na neki način ekvivalenten pospešenemu sistemu – torej tej padajoči škatli, v kateri je človek s steklenico. To je bil za Einsteina namig, da so pospešeni sistemi v fizikalnem smislu ekvivalentni enakomerno gibajočim se sistemom in da posebna teorija potrebuje posplošitev.

V splošno teorijo relativnosti je Einstein potem vključil splošno gibajoče se sisteme, torej vse, kar obstaja in kar si lahko zamislimo – mirujoče, gibajoče se, pospešene, nepospešene, krožeče... Splošna teorija je način opisa narave, ki ni odvisen od gibanja opazovalca, pa naj se ta giblje kakorkoli že. Potem je Einstein razmišljal naprej: imamo človeka v zaboju, ki miruje daleč nekje v vesolju, potem pa ta zaboj neko bitje pripne na kavelj in ga začne pospešeno vleči »navzgor«. Zaboj torej skupaj s človekom potuje vedno hitreje. Kaj se človeku dogaja? Zaprt je v zaboju in če izpusti nekaj iz rok, bo predmet padel na tla. Človek bo to razložil s tem, da se nahaja v gravitacijskem polju, saj ne more vedeti, da ga nekdo vleče skupaj z zabojem navzgor. Trdil bo, da njegov sistem miruje. Opazovalec, ki zadevo opazuje od zunaj, pa bo rekel, da je človek v breztežnostnem prostoru, vendar njegov zaboj nekdo pospešeno vleče. V enem primeru je torej sistem mirujoč in mu je dodano gravitacijsko polje, v drugem opisu istega sistema pa gravitacijskega polja ni, imamo pa pospešeno gibanje. Pospešen sistem je torej ekvivalenten mirujočemu sistemu, v katerem je gravitacija. Velja oboje, kakor pač pogledaš. Ko so Einsteina prosili, naj v enem stavku opiše splošno teorijo relativnosti, je rekel, da je to teorija prostora in časa, ki vodi k teoriji gravitacije.

Nekje od leta 1911 do leta 1915 je Einstein iskal matematični opis svoje teorije. Za posebno teorijo relativnosti to ni bil tak problem. Pri splošni pa je bil problem zelo velik, saj v pospešenih sistemih evklidska geometrija (po starogrškem matematiku Evklidu, »očetu geometrije«, op.p.) odpove. Razdalj v pospešenem sistemu ne moremo več izračunavati s Pitagorovim izrekom, ki je veljaven za raven prostor. Pojavi se namreč ukrivljenost prostora-časa. Einstein si je za boljšo predstavo teh fenomenov zamislil še en miselni preizkus: če stojimo ob vrtečem se vrtiljaku in z mersko palico izmerimo njegov premer, nato pa vzdolž oboda izmerimo še njegov obseg, razmerje med obema ne bo več število pi, 3.14..., kot to velja v evklidski geometriji. Število bo večje, saj se po posebni teoriji relativnosti merske palice vzdolž oboda glede na nas skrčijo. Einstein je torej ugotovil, da tudi v matematičnem smislu potrebuje splošnejšo geometrijo od dotlej uporabne evklidske geometrije. Na srečo je imel prijatelja in sošolca, matematika Marcela Grossmanna. Prosil ga je za pomoč pri izračunih.

Ni hotel prevzeti odgovornosti za fizikalne vsebine. Obvladal pa je »novo« matematiko – poznali so jo šele nekaj desetletij – ki je omogočala matematični zapis splošne teorije relativnosti.

Ne bi šlo. Nujno je potreboval eksperimentalno potrditev, sicer bi teorija ostala na ravni hipotez.

Einsteinova teorija je bila fantastičen dosežek uma, z eksperimenti pa je imel po svoje srečo. Še preden je svojo teorijo leta 1915 objavil v dokončni obliki, je ugotovil, da je z njo mogoče razložiti nenavadno gibanje, ki so ga astronomi že dolgo opažali pri Merkurju. To gibanje, ki sicer velja za vse planete, a je le pri Merkurju dovolj opazno, je dolgo veljalo za nerazložljivo, saj newtonska mehanika za razlago ni bila ustrezna.

Drugi fenomen, ki ga je bilo mogoče predvideti na podlagi Einsteinove teorije, pa je, da svetloba oddaljenih zvezd zavije, ko potuje tik mimo Sonca. Problem je bil le, kako to opazovati, saj v sonce ne moremo gledati. Edini način je bil, da nebo opazujemo med Sončevim mrkom. Zato je leta 1919 angleška Kraljeva astronomska družba organizirala dve različni odpravi, ki sta opazovali nebo ob popolnem Sončevem mrku. Dve odpravi zato, da bi lahko primerjali neodvisne meritve. Na pot so šli posebej zaradi Einsteina, saj je imela njegova teorija tolikšno veljavo.

Meritve obeh so potrdile Einsteinovo teorijo relativnosti. Pokazale so, da svetloba res malo zavije, ko preči Sonce. Takrat je Einstein postal legenda. V dneh po objavi rezultatov je prišel na naslovnice New York Timesa in vseh velikih svetovnih časopisov. Revije so objavile ne enega, ampak tudi po deset člankov o tem, kaj pomeni teorija relativnosti za človeštvo. Pisali so o ukrivljenosti prostora in o tem, da se je Newtonova teorija izkazala za pomanjkljivo. Zanimanje za Einsteina je bilo enormno.

Opisal je, kako deluje vesolje na velikih razdaljah in tudi na manjših razdaljah, kadar opazujemo dogajanje v prisotnosti velikih gravitacijskih polj, denimo črnih lukenj ali drugih zelo masivnih teles.

Iskal je teorijo, ki bi gravitacijo in elektromagnetno polje opisala kot dva vidika istega polja. Imenoval jo je »enotna teorija polja«. Danes pa fiziki iščejo teorijo, ki bi združila Einsteinovo splošno teorijo relativnosti in kvantno teorijo. Cilj je torej načeloma podoben, vsebinsko pa ne. S kvantno teorijo je imel Einstein določen problem. Ni mogel sprejeti, da se na ravni osnovnih delcev stvari dogajajo naključno. Menil je, da je vesolje na najbolj temeljni ravni vnaprej predvidljivo, ne pa da je splet naključij oziroma zgolj verjetnosti, da se bo nekaj zgodilo. To je sicer osnovno načelo kvantne mehanike. Kvantna mehanika ne pove, kaj se bo zgodilo, ampak kakšna je verjetnost, da se bo nekaj zgodilo. Tega verjetnostnega opisa Einstein ni mogel sprejeti.

In kvantni fizik Niels Bohr mu je odvrnil, da naj ne govori Bogu, kaj naj počne.

To seveda ni bilo kaj takega, česar ne bi mogel razumeti. Trdil pa je, da mora biti kvantna mehanika del neke globlje, deterministične teorije, ki je še nismo odkrili. V tej, bodoči teoriji, naj bi se pokazalo, da temeljni zakoni vesolja vendarle niso prepuščeni verjetnosti, da se bo nekaj zgodilo, ali pa tudi ne. Verjel je, da je vesolje racionalno, da obstaja razlog, zakaj je takšno, kot je.

Morda lahko tako rečemo. Njegovi biografi pravijo, da ga je trma na koncu vodila v slepo ulico. A hkrati mu je zelo pomagala, saj brez trdne, že kar religiozne odločenosti, da ima prav, ne bi razvil ne posebne ne splošne teorije relativnosti. Le tako je lahko prišel do enega največjih dosežkov človeškega uma. Ko so ga vprašali, kaj bo, če poskusi ne potrdijo splošne relativnosti, je odgovoril, da bi mu bilo v tem primeru žal ljubega Boga. Teorija je namreč pravilna.

Ugibam, ampak po mojem takšnega še dolgo ne bo.