Wielkim atutem Einsteina była wyobraźnia, którą cechowała dziecięca fantazja, nieskrępowana wzorami narzuconymi przez realistyczną dojrzałość.
Stała prędkość światła
Możliwe, że pierwszą inspiracją dla naukowca był pociąg jadący na dworzec w Zurychu, gdzie mieszkał i pracował Albert Einstein. Gdy powoli oddalamy się od stacji, patrząc przez okno, widzimy odjeżdżający peron. Dorosły natychmiast zrozumie, że to nie peron się porusza, ale pociąg. Jednak Einstein zadał sobie pytanie: skąd to wiemy?
Odpowiedzią jest Ziemia. To jest to, co uważamy za stacjonarne i dlatego przypisujemy obiektom prędkość względem niej. Ale co, jeśli Ziemia nie istniała? Skąd wiemy, czy nasz statek kosmiczny się porusza, czy stacja kosmiczna oddala się od nas? Pierwszą rzeczą, która przychodzi na myśl, są prawa fizyki. Może są jakieś zasady, które uwzględniają prędkość iw ten sposób uczymy się z przebiegu zjawisk, czy stoimy, czy się poruszamy?
Najlepszym kandydatem są pola magnetyczne i elektryczne. W szkole dowiedzieliśmy się, że to naprawdę jedna siła – elektromagnetyzm. Praca holenderskiego fizyka Hendrika Lorenza pokazuje, że światło, które w rzeczywistości jest zmiennym polem elektromagnetycznym, musi zawsze poruszać się z tą samą prędkością, niezależnie od naszego ruchu.
Jak sprawdzić? Skoro wiemy, że Ziemia porusza się (dość szybko) wokół Słońca i wokół własnej osi, to jeśli prędkość światła zależy od ruchu, wiązka światła poruszająca się z zachodu na wschód – a więc w kierunku ruchu Ziemi – powinien podążać tą samą drogą, inną niż druga, z północy na południe. Taki eksperyment przeprowadzili amerykańscy naukowcy Albert A. Michelson i Edward Morley. I okazało się, że prędkość światła tak naprawdę nie zależy od kierunku jego ruchu.
Szczególna teoria względności
Ruch istnieje tylko w kontekście dwóch obserwatorów porównujących swoje układy, jest zawsze wzajemny i nie ma sensu definiować układów w spoczynku. Dlatego wszystkie poprawne teorie fizyczne muszą być niezależne od prędkości i położenia, a także od czasu. Gdyby było inaczej, możliwe byłoby rozróżnienie systemów mobilnych i stacjonarnych.
Jak pogodzić się z tą stałą prędkością światła? Wszakże oznacza to, że gdyby kosmiczna „latarnia” wysłała sygnał świetlny, a my uderzyliśmy rakietę lecącą z prędkością zbliżoną do prędkości światła i gonilibyśmy ten sygnał, równie szybko oddaliłaby się od nas i latarni . To paradoksalne, ale nie dziecięca wyobraźnia.
Jeśli tak, to albo odległość między nami a belką się zwiększa, albo czas dla nas zwalnia. Stopień rozciągnięcia przestrzeni lub dylatacji czasu jest proporcjonalny do prędkości względnej. W przypadku pogoni za światłem przestrzeń będzie się rozciągać w nieskończoność, a czas się zatrzyma.
Dochodzimy do punktu, w którym nasza wyobraźnia może nam nie wystarczyć. Co to znaczy, że czas się zatrzyma? Czy zamarzniemy w jednej pozycji? Cóż, nie, będziemy normalnie żyć w naszym układzie odniesienia – ale poczujemy się jak bogowie istniejący poza czasem reszty wszechświata. Ale ponieważ ruch jest względny i wzajemny, to samo możemy powiedzieć o świecie na zewnątrz nas. Czym więc jest jednoczesność? Jak pogodzić z tym zasadę przyczyny i skutku?
Wszystkie implikacje teorii względności nie są jeszcze zrozumiałe. Einstein wymienił dwa z najważniejszych. Po pierwsze, nie da się osiągnąć prędkości światła. Energia potrzebna do zwiększenia prędkości wzrasta odwrotnie proporcjonalnie do różnicy między nią a prędkością światła. Obiekt poruszający się z prędkością światła będzie miał nieskończoną energię. Ale skoro ruch jest względny, czym jest ta energia? Jak pamiętamy ze szkoły, energia ruchu jest proporcjonalna do prędkości i masy. Tak więc Einstein powiedział, że powinien być ogromny. Z tego wyprowadził swoje najsłynniejsze równanie. E=mc^2 – masa jest formą energii w spoczynku.
Drugi wniosek wynikający ze stałości prędkości światła to konieczność zintegrowania czasu jako czwartego wymiaru w znanej nam trójwymiarowej przestrzeni, opisanej już w starożytności przez Euklidesa. Dopiero tak utworzona czasoprzestrzeń, zdefiniowana po raz pierwszy przez niemieckiego matematyka Hermanna Minkowskiego, będzie poprawnie opisywała fizykę. Punkt w czasoprzestrzeni to określone położenie w przestrzeni w określonym momencie w czasie. Odcinek czasoprzestrzeni łączący dwa jej punkty to odległość między dwoma zdarzeniami.
Ogólna teoria względności
Masa jest nie tylko miarą siły, którą należy przyłożyć, aby wprawić obiekt w ruch, a zatem jego stopnia bezwładności. Masa jest również źródłem grawitacji. Definicje te odnoszą się do zupełnie innych zjawisk. Czy mogą zawierać taką samą ilość fizyczną? Takie „incydenty” nie zdarzają się w naturze.
Podobny eksperyment przeprowadził węgierski geofizyk Lorand Eötvös przy użyciu wahadła skrętnego. Okazało się, że masy bezwładności i grawitacji są absolutnie równe. Dla Einsteina był to dowód na to, że podobnie jak pola elektryczne i magnetyczne, grawitacja i bezwładność muszą mieć ten sam wzór. Pod wpływem siły zmieniamy wartość lub kierunek naszej prędkości, którą w fizyce nazywamy przyspieszeniem. Przyspieszenie to zmiana prędkości, a prędkość jest zawsze względna. Ponieważ sam ruch jest względny, przyspieszenie również musi być względne.
Zainspirowany przykładem Ziemi, zakrzywionej powierzchni, na której żyjemy i mierzymy, Einstein wiedział, że płaska powierzchnia nie jest jedyną możliwością dozwoloną przez geometrię. Gdyby czterowymiarowa czasoprzestrzeń nie była płaszczyzną, to trajektorie obiektów pozbawionych jakiejkolwiek ingerencji z zewnątrz, a zatem poruszających się po liniach prostych zgodnie z klasycznymi prawami fizyki, musiałyby być zakrzywione.
W niektórych układach można to wytłumaczyć grawitacją, w innych bezwładnością, aw modelu po prostu krzywizną przestrzeni. Dwa pociągi jadące po sąsiednich równoległych torach lub na tym samym torze, ale w stałych odstępach, mogą się zderzyć.
Konieczne było ponowne przemyślenie pojęć równoległości i bezpośredniości, a także pojęcia czasu. Ponieważ przestrzeń jest zakrzywiona, światło musi być zakrzywione w takich krzywych. Ponieważ krzywizna musi powodować takie efekty jak grawitacja, każda masa musi tworzyć niejednorodności czasoprzestrzenne, a tym samym wpływać na przykład na upływ czasu.
Wiele z tych wniosków zostało eksperymentalnie potwierdzonych, takich jak nierównomierny upływ czasu w najbliższym i najdalszym punkcie orbity Merkurego, prowadzący do jego powolnych zmian, czy zdolność dostrzegania gwiazd ukrytych za innymi masywnymi ciałami kosmicznymi. Wiele innych wciąż czeka na potwierdzenie.
