Toto je môj prvý blog na portáli sme.sk a rád by som ho začal pár slovami o tom, čo ma k jeho napísaniu inšpirovalo a čo od neho očakávam. Mojou hlavnou motiváciou je prostý fakt, že fyzika a matematika patria k mojim koníčkom a okrem toho, že sa im venujem v rámci svojho zamestnania, rád o nich premýšľam a píšem. Preto som sa s myšlienkou pokúsiť sa zachytiť svoje dojmy z týchto fascinujúcich disciplín pohrával už dávno. Čo ma však inšpirovalo natoľko, že som sa nakoniec odhodlal pretaviť ideu v skutok, bola séria článkov rôznych autorov zverejnených práve na tomto portáli. Tieto články boli venované teórii relativity, respektíve sa tak aspoň tvárili. Spoločnou črtou týchto článkov je presvedčenie zjednodušene vyjadrené úvahou "Teória relativity je hlúposť, Einstein na to šiel zle. Podľa mňa totiž... " Na jednej strane ma potešili diskusné príspevky, z ktorých bolo jasné, že popri odborníkoch existuje i mnoho laikov, ktorí majú o základných princípoch teórie relativity veľmi slušnú predstavu. Na strane druhej ma však mrzí, že keď už si autori dajú tú námahu, aby o relativite napísali článok, nedajú si námahu, aby sa o nej niečo seriózne naučili. Zvádza to potom k plytkým úvahám, ktoré sa síce tvária hlbokomyseľne, ťažko v nich ale nájsť racionálne jadro.
Rozhodol som sa teda prispieť svojím pohľadom na vec. Dúfam, že v mojich blogoch nájdu niečo zaujímavé tí, ktorí sa o vedu amatérsky zaujímajú. Ak sa nájde profesionálny fyzik čítajúci tieto texty, rád sa pustím aj do podrobnejšej debaty o sporných témach. A v neposlednom rade, ako obyčajný a teda omylný človek, rád sa nechám opraviť, ak sa dopustím nepresností a rád sa nechám poučiť či inšpirovať vašimi postrehmi a znalosťami.
Zo všetkých fyzikálnych teórií patrí teória relativity asi k tým najčastejšie spochybňovaným -- amatérmi. Môže za to snáď fakt, že sa jedná o prvú teóriu, ktorá zásadne pozmenila naše predstavy o priestore a čase. Tieto pojmy sú nám tak blízke a známe, aspoň v rámci našej každodennej skúsenosti, že len ťažko sa zmierujeme s exotickými tvrdeniami teórie relativity. V populárnej literatúre sa často hovorí o skrútení priestoru, o zbortení času a podobne. Výnimočným rysom špeciálnej teórie relativity je aj to, že jej základné myšlienky a tvrdenia sa dajú odvodiť pomocou elementárnej stredoškolskej alebo základoškolskej matematiky. Táto zdanlivá jednoduchosť potom často zvádza na scestie. Človek má pocit, že porozumel jednoduchým formulám, že vie odvodiť dilatáciu času a kontrakciu dĺžky, ale pritom ich nevie aplikovať ani na pomerne jednoduché situácie. Videl som už desiatky výpočtov dokazujúcich spor v teórii relativity. Vždy boli založené na manipulácii so symbolmi: vezmime tento čas, vydelíme to odmocninou z jedna mínus vé na druhú, dosadíme sem, započítame posunutie, dosadíme to naspäť, atď. Na konci týchto "dosadzovačiek" je potom očividne nesprávna rovnica, napríklad 1=2. Z toho sa následne vyvodí, že teória relativity je nesprávna. V takomto postupe je vždy chyba. Najčastejšie obyčajná algebraická, nesprávna úprava výrazu alebo niečo podobné, inokedy je to nesprávna aplikácia vzťahov teórie relativity. Napríklad vzťah pre dilatáciu času platí len pre rovnomiestne udalosti, vzťah pre kontrakciu dĺžky len pre udalosti súčasné. Obľúbenou chybou vyvracačov relativity je aplikácia oboch vzťahov súčasne na udalosti, ktoré nie sú ani súčasné, ani rovnomiestne. Väčšinou je chyba očividná, zrejmá na prvý pohľad. Keď dotyčného opravíte, možno to aj uzná, ale o pár dní príde s dômyselnejšou, komplikovanejšou a rovnako chybnou úvahou. Po istom čase ma prestalo baviť vysvetľovať to stále znovu a znovu.
Samozrejme, keď sa niekto s teóriou oboznamuje, podobné pokusy sú žiaduce a dôležité. Len tým, že človek vyskúša všetky možnosti, aplikuje dostupné vzťahy na všemožné situácie a ujasní si, prečo ten-ktorý vzťah funguje/nefunguje, len tým je možné do teórie skutočne vniknúť a porozumieť jej. Dôležité je, aby to záujemcovi bolo po každom neúspešnom pokuse o čosi jasnejšie. Bohužiaľ, vyvracači teórie relativity nechcú vidieť argumenty a pochopiť, o čo ide. Na počiatku ich snaženia nie je túžba pochopiť, ale túžba vyvrátiť Einsteina, ktorý je pre nich falošným symbolom geniality.
Jedna vec, ktorá býva vede a vedcom často vyčítaná, a to zďaleka nie len vyvracačmi, ale aj mnohými filozofmi a nábožensky založenými ľuďmi, je nekritické prijímanie skostnatelých dogiem. Podľa nich, zhruba povedané, Einstein bol génius, ktorého my fyzici uctievame ako modlu, nad jeho teóriami sa nezamýšľame, len ich nekriticky prijímame. A každého, kto sa Einsteina snaží vyvrátiť, považujeme a priori za heretika a odmietame s ním diskutovať. Je zaujímavé, a pre mňa nepochopiteľné, že k podobnému (i keď inak formulovanému) názoru sa prikláňa napríklad aj Zdeněk Neubauer, filozof a pôvodom molekulárny biológ, nesmierne vzdelaný a rozhľadený človek. Jeho kritika súčasnej vedy sa opiera o Kuhnovo učenie o paradigme a jej posune v histórii vedy. K tejto problematike by som sa rád v niektorom z blogov vrátil.
Čo však chcem zdôrazniť... táto predstava o sekte fyzikov, ktorí pomyselne upaľujú neveriacich v Einsteina, je mylná. Keď nič iné, dvadsiate storočie ukázalo, aké vratké môžu byť pravdy považované za samozrejmé. Dnes je fyzika v situácii podobnej tej pred vznikom teórie relativity. Súčasné fyzikálne teórie vysvetľujú a perfektne popisujú ohromné spektrum javov. To spektrum je tak ohromné, že človek nevzdelaný vo fyzike o tom nemôže mať dosť dobrú predstavu. Podobne na prelome 19. a 20. storočia mali ľudia pocit, že koniec fyziky je na dosah a ostáva už len práca pre inžinierov. Povestné dva mráčiky na oblohe vtedajšej fyziky, dva nevysvetliteľné javy však hneď na úsvite 20. storočia fyzikou otriasli, navždy ju zmenili a otvorili dovtedy netušené obzory. I dnes je len málo javov, ktoré nedokážeme vysvetliť, za všetky spomeniem zrýchlené rozpínanie vesmíru. Tie sú však nevysvetlené súčasnými teóriami a len málo fyzikov pochybuje o tom, že pre ďalší pokrok bude nutná ďalšia revolúcia. Dnes, keď prakticky nemáme experimenty, ktoré by našim teóriám odporovali, uvedomujeme si, že bude nevyhnutný obrovský intelektuálny prielom, aby sme sa pohli z miesta. Nové nápady sú vítané a vyhľadávané, prahne sa po originálnych myšlienkach. Dnešných fyzikov nemožno považovať za dogmatikov, o čom svedčí plejáda tých najexotickejších teórií a hypotéz, od strún cez membrány, cyklické kozmológie až po červie diery.
Napriek tomu je pravda, že voči vyvracačom relativity sa fyzikálna obec stavia odmietavo, až výsmešne. Títo vyvracači by možno boli prekvapení, keby vedeli, s akými alternatívami voči teórii relativity sa dnes vážne počíta. Je to téma, ku ktorej by som sa tiež rád v nasledujúcich blogoch vrátil. Rozdiel medzi modernými hypotetickými alternatívami a úvahami vyvracačov je ale priepastný. My dnes v podstate s určitosťou vieme, že teória relativity nemôže byť úplne správna, pretože nepostihuje kvantové javy, ktoré sa zdajú byť podstatnou súčasťou fundamentálnych prírodných zákonov (ďalší blog :)). Na druhej strane však musíme rešpektovať skutočnosť, že teória relativity je v rámci svojho oboru platnosti excelentnou teóriou, ktorá poskytuje predpovede v súlade s experimentami, ktoré sme dnes schopní uskutočňovať. Každá alternatíva musí pre tieto prípady dávať rovnaké predpovede (alebo len veľmi málo odlišné, pod medzou presnosti dnešných meraní) ako teória relativity. Dobrým príkladom sú Newtonove zákony pohybu a jeho gravitačný zákon, ktoré nahradila práve Einsteinova teória relativity. Newtonove zákony sa dlhý čas potom, ako ich Newton sformuloval, zdali byť v dokonalom súlade s pozorovaniami i s každodennou skúsenosťou. Nové a nové merania a pozorovania znovu a znovu potvrdzovali predpovede Newtonovej teórie. Až keď sa nakoniec významne zlepšila presnosť meracích prístrojov a objavila sa Maxwellova teória elektromagnetizmu, a keď nakoniec prebehol slávny Michelsonov experiment, ukázali sa hranice platnosti Newtonovej teórie. Vzápätí nasledovala Einsteinova teória relativity, špeciálna a všeobecná, ktorá dramaticky zmenila naše chápanie newtonovského priestoru a času. Na vylepšenie Newtonovej teórie bolo nutné prehodnotiť tie najzákladnejšie pojmy. To však nič nemení na tom, že v rámci svojho oboru platnosti je Newtonova teória vynikajúca. Preto aj teória relativity musí dávať rovnaké výsledky pre prípady, kedy sa Newtonova mechanika osvedčila. V tomto zmysle Newtonova teória nikdy nebude nesprávna, je len približná. A nikto nepochybuje o tom, že aj teória relativity bude jedného dňa vylepšená a nájdeme ešte lepšiu teóriu. Ale táto nová teória musí zreprodukovať výsledky, ktoré teória relativity doposiaľ dosiahla, a pridať k nim nové predpovede, ktoré bude možné experimentálne otestovať.
Tento prístup je, žiaľ, cudzí vyvracačom teórie relativity. Odmietajú vidieť úspechy teórie relativity a množstvo javov, ktoré teoreticky predpovedala, aby následne boli experimentálne potvrdené. Ich motiváciou je len ukázať nesprávnosť teórie relativity. Pritom ignorujú fakt, že aj teória relativity vznikla na základe nezrovnalostí v predošlých teóriách (mám na mysli konflikt medzi Newtonovou mechanikou a elektrodynamikou) a na základe tlaku experimentov, ktoré úspešne vysvetlila. Vyvracačov netrápi, že bez teórie relativity by nefungovali urýchľovače častíc (používané nie len pre potešenie fyzikov ale napríklad aj v medicíne), ani navigačné systémy GPS. Einstein na to totiž išiel zle. A tisíce teoretikov a experimentátorov po ňom z nejakých dôvodov prejali jeho teórie bez toho, aby sa nad nimi zamysleli a celé svoje úsilie venujú zosmiešňovaniu nepochopených géniov, ktorým stačí jeden populárny článok na to, aby teóriu relativity pochopili a vyvrátili.
Rád by som zdôraznil, že každý, kto sa chce poctivo venovať vede, sa musí s teóriou relativity a kvantovou mechanikou vyrovnať po svojom. Mňa teória relativity okúzlila už na základnej škole, kedy sa mi dostala do rúk kniha o relativite od fyzika Russela Stannarda pre deti. Vystupoval v nej "strýček Albert" a jeho "neteř Gedanken", a spoločne premýšľali o pohybe, priestore, čase, svetle a čiernych dierach a všetkých tých fascinujúcich veciach. Bola to ale kniha pre deti, takže hoci v nej boli primeranou formou zmienené základné myšlienky teórie relativity, nenašiel som v nej vysvetlenie, prečo je to tak, alebo aspoň prečo si ľudia myslia, že je to tak. S pochopením špeciálnej teórie relativity mi pomohol môj otec, stredoškolský učiteľ fyziky. Všeobecná teória relativity ale stále zostávala za rámec môjho chápania. Bola to práve túžba porozumieť tejto teórii, ktorá nakoniec určila, že som sa rozhodol študovať fyziku. Bolo to v čase, keď som vôbec nebol rozhodnutý, že chcem byť fyzikom, ani som nevedel, čo presne to obnáša. Môj sen sa nakoniec splnil, vysoká škola mi dala základy potrebné pre štúdium pokročilejších oblastí fyziky, a fyzika ma uchvátila. A to nie len teória relativity. Dnes sa teórii gravitácie venujem profesionálne a napĺňa ma to potešením.
To všetko spomínam preto, aby som zdôraznil, že hoci som bol od začiatku relativitou okúzlený, neprijímal som jej myšlienky ľahko. Postupne som zistil, že ani so špeciálnou relativitou to nie je také jednoduché, ako sa mi na strednej škole zdalo, o všeobecnej nehovoriac. Prijať predstavu, že čas plynie rôzne pre rôznych pozorovateľov pre mňa nebolo jednoduché. Dokázal som pochopiť, že pre pozorovateľa A plynie čas pozorovateľa B pomalšie, ale že súčasne čas pozorovateľa A plynie pomalšie pre pozorovateľa B, bolo nad rámec mojej predstavivosti. Vtedy som prešiel práve tou fázou, ktorá je vlastná vyvracačom relativity. Dosadzoval som rovnice jednu do druhej, vyjadroval raz to, raz ono, občas mi vyšli hlúposti, až kým som to pomaličky nezačal chápať a nenaučil sa to používať. Neraz som nad stránkami učebníc strávil celé dni, než som konečne pochopil, ako môže mať priamka v priestoročase nulovú dĺžku, alebo ako môžu diferenciály súradníc tvoriť duálnu bázu kotangenciálneho priestoru. Keď ma nejaký vyvracač relativity obviní, že dogmaticky opakujem Einsteinove poučky, mám chuť mu rozbiť ... minimálne hodinky.
To, prečo komunita fyzikov prijíma teóriu relativity, nesúvisí s dogmatizmom. Každý fyzik si musí prejsť vnútorným bojom, než sa stotožní s relativitou či kvantovou mechanikou. Rozhodujúcimi faktormi sú však potešenie z peknej teórie, logická konzistentnosť a súlad teórie s experimentom. Vieme, že teória relativity nie je úplne správna a veľmi si prajeme, aby sme našli niečo lepšie. Ale vieme tiež, že kritika teórie relativity nemôže prameniť z hrania sa s algebraickými rovnicami. To, čo potrebujeme, je hlbší vhľad do veci, nájdenie súvislostí tam, kde ich dnes nevidíme, odhalenie nejakého dosiaľ skrytého princípu.
V tomto úvodnom blogu som chcel hlavne poukázať na to, že naivné pokusy ľudových mysliteľov o vyvrátenie teórie relativity sú márne. Nie však preto, že by teória relativity bola pre nás, dogmatických fyzikov, pravda vytesaná Einsteinom do skaly. Naopak, v kontexte súčasných teórií a súčasného stavu poznania sa každá nová myšlienka javí ako prínosná. Ale len pokiaľ je postavená na porozumení problematiky, nie pokiaľ sa opiera o útržky náhodne získaných vedomostí kombinovaných s túžbou prekonať Einsteina.
V nasledujúcom článku by som chcel byť konkrétnejší a venovať sa tomu, čo teória relativity priniesla, o aké teoretické úvahy a experimentálne fakty sa opiera, a o jej vplyve na náš súčasný obraz sveta. Hodlám sa zamerať hlavne na vzťah špeciálnej relativity a kvantovej mechaniky, ktorý nebýva príliš často zdôrazňovaný. Teória relativity totiž nie je len teóriou samou o sebe, ale predstavuje rámec, ktorému sa musia všetky teórie prispôsobiť (za predpokladu, že je správna). Obzvlášť významný je vplyv teórie relativity na kvantovú mechaniku, ktorá bola pôvodne Heisenbergom a Schrödingerom formulovaná vo svojej nerelativistickej podobe. Ako sa ale už krátko po formulácii kvantovej mechaniky ukázalo, teória relativity má skrze geometriu priestoročasu hlboký dopad na vlastnosti elementárnych častíc. O tom, v čom tento dopad spočíva, by som rád pohovoril v nasledujúcom blogu. Chcel by som ukázať, že teória relativity nie je len o dilatácii času, ale významne ovplyvňuje mnohé vlastnosti sveta ako ho poznáme. Chcel by som vysvetliť, že správnosť teórie relativity je potvrdzovaná omnoho hlbšími dôsledkami, než je spomaľovanie sa atómových hodín v lietadle.
