Když se na počátku 20. století objevila teorie relativity, převrátila staletí vědy a poskytla fyzikům nové chápání prostoru a času. Isaac Newton považoval prostor a čas za pevné, ale v novém obrazu, který poskytly speciální a obecná teorie relativity, byly plynulé a poddajné.

Kdo přišel s teorií relativity?

Albert Einstein. První část své teorie – speciální teorii relativity – publikoval v německém fyzikálním časopise Annalen der Physik v roce 1905 a teorii obecné relativity dokončil až po dalších deseti letech náročné práce. Posledně jmenovanou teorii představil v sérii přednášek v Berlíně koncem roku 1915 a publikoval v Annalen v roce 1916.

Co je speciální teorie relativity?

Teorie je založena na dvou klíčových koncepcích.

• První je, že přírodní svět neumožňuje žádné „privilegované“ vztažné rámce. Pokud se objekt pohybuje přímočaře konstantní rychlostí (tj. bez zrychlení), jsou fyzikální zákony pro všechny stejné. Je to trochu podobné, jako když se díváte z okna vlaku a vidíte, že se sousední vlak zdánlivě pohybuje – ale pohybuje se on, nebo vy? To se dá těžko poznat. Einstein si uvědomoval, že pokud je pohyb dokonale rovnoměrný, je doslova nemožné to poznat – a označil to za hlavní princip fyziky.
• Vteřina světla se pohybuje neměnnou rychlostí 186 000 mil za sekundu. Bez ohledu na to, jak rychle se pohybuje pozorovatel nebo jak rychle se pohybuje objekt vyzařující světlo, měření rychlosti světla dává vždy stejný výsledek.

Vycházeje z těchto dvou postulátů Einstein ukázal, že prostor a čas jsou vzájemně propojeny způsobem, který si vědci dříve neuvědomovali. Pomocí řady myšlenkových experimentů Einstein ukázal, že důsledky speciální teorie relativity jsou často kontraintuitivní – až zarážející.

Pokud se například blížíte v raketě a míjíte kamaráda v identické, ale pomaleji se pohybující raketě, uvidíte, že kamarádovy hodinky tikají pomaleji než ty vaše (fyzikové tomu říkají „dilatace času“).

Navíc se vám kamarádova raketa bude zdát kratší než ta vaše. Pokud vaše raketa zrychlí, vaše hmotnost i hmotnost rakety se zvětší. Čím rychleji pojedete, tím budou věci těžší a tím více bude vaše raketa odolávat vašemu úsilí o její zrychlení. Einstein ukázal, že nic, co má hmotnost, nemůže nikdy dosáhnout rychlosti světla.

Dalším důsledkem speciální teorie relativity je, že hmota a energie jsou zaměnitelné prostřednictvím slavné rovnice E = mc² (v níž E znamená energii, m hmotnost a c² rychlost světla násobenou sebou samou). Protože rychlost světla je tak velké číslo, i nepatrné množství hmoty odpovídá velmi velkému množství energie – a může se na ni přeměnit. Proto jsou atomové a vodíkové bomby tak silné.

Co je obecná teorie relativity?

V podstatě je to teorie gravitace. Základní myšlenkou je, že místo neviditelné síly, která k sobě přitahuje objekty, je gravitace zakřivením nebo deformací prostoru. Čím je objekt hmotnější, tím více deformuje prostor kolem sebe.

Například Slunce je dostatečně hmotné na to, aby deformovalo prostor v celé naší sluneční soustavě – trochu podobně, jako když těžký míč položený na gumové podložce deformuje podložku. V důsledku toho se Země a ostatní planety pohybují po zakřivených drahách (oběžných drahách) kolem něj.

Toto deformování ovlivňuje také měření času. Máme tendenci si myslet, že čas plyne stálou rychlostí. Ale stejně jako může gravitace roztahovat nebo deformovat prostor, může také rozšiřovat čas. Pokud váš přítel vyleze na vrchol hory, uvidíte, že jeho hodiny tikají rychleji než vaše; jinému příteli na dně údolí budou hodiny tikat pomaleji kvůli rozdílu v síle gravitace na jednotlivých místech. Následné experimenty prokázaly, že k tomu skutečně dochází.

Jak vypadá teorie relativity „pod kapotou“?

Speciální teorie relativity je nakonec soubor rovnic, které vztahují způsob, jakým věci vypadají v jedné vztažné soustavě, k tomu, jak vypadají v jiné – roztažení času a prostoru a nárůst hmotnosti. Tyto rovnice nezahrnují nic složitějšího než středoškolskou matematiku.

Obecná relativita je složitější. Její „polní rovnice“ popisují vztah mezi hmotností a zakřivením prostoru a dilatací času a obvykle se vyučují ve vysokoškolských kurzech fyziky.

Zkoušky speciální a obecné relativity

V průběhu minulého století mnoho experimentů potvrdilo platnost speciální i obecné relativity. Při prvním velkém testu obecné teorie relativity astronomové v roce 1919 změřili vychýlení světla vzdálených hvězd při průchodu světla hvězd kolem našeho Slunce, čímž dokázali, že gravitace skutečně deformuje nebo zakřivuje prostor.

V roce 1971 vědci otestovali obě části Einsteinovy teorie tím, že do letadel umístili přesně synchronizované atomové hodiny a obletěli s nimi celý svět. Kontrola časoměrů po přistání letadel ukázala, že hodiny na palubě letadel běžely o nepatrný kousek pomaleji (méně než jednu miliontinu sekundy) než hodiny na zemi.

Rozdíl byl důsledkem rychlosti letadel (speciální efekt relativity) a jejich větší vzdálenosti od středu gravitačního pole Země (obecný efekt relativity).

V roce 2016 byl dalším potvrzením obecné teorie relativity objev gravitačních vln – jemných vlnek ve struktuře časoprostoru.

Relativita v praxi

Ačkoli se myšlenky teorie relativity zdají být esoterické, měla tato teorie obrovský vliv na moderní svět.

Například jaderné elektrárny a jaderné zbraně by nebyly možné bez poznatku, že hmotu lze přeměnit na energii. A naše satelitní síť GPS (globální polohový systém) musí počítat s jemnými vlivy speciální i obecné teorie relativity; kdyby to nedělala, dávala by výsledky s odchylkou několika kilometrů.

Sledujte NBC NEWS MACH na TWITTERU, FACEBOOKU A INSTAGRAMU.