Czy teoria względności jest prawdziwa?

To pytanie nasuwa się każdemu, który usłyszy o tak dziwnych efektach relatywistycznych jak dylatacja czasu, czy możliwość zmiany kolejności zachodzenia zdarzeń w zależności od układu odniesienia. Część ludzkich umysłów jest na tyle przywiązana do świadomości, że „czas to czas” i nie może płynąć dla każdego inaczej, że właściwie z góry „wie”, że cała ta teoria względności to tylko wymysł „wrogich” sił.

Problem jest o tyle złożony, że w nauce słowo „teoria prawdziwa” dawno już zatraciło sens znany przeciętnym zjadaczom chleba. Bo „prawdziwość” najczęściej oceniamy (poniekąd słusznie) po tym, czy dana rzecz poprawnie zintegruje się z naszym umysłem. Dlatego np. teoria bardzo dobra, ale przez nikogo nie zrozumiana nie ma szansy na zaistnienie w nauce.

Jednak zrozumienie nie jest jedyną trudnością komplikującą sprawy prawdziwości teorii. Weźmy taki przykład z życia – po czym sądzimy, że dana osoba jest „wesołą”? - najczęściej myślimy sobie, że ktoś jest „naprawdę wesoły” jeśli się śmieje i dowcipkuje, a smutnym ktoś kto usiadł sobie w kącie i patrzy melancholijnie na wazon z kwiatami. Tymczasem gdzieś wewnątrz tych ludzi może być tak, że dowcipniś po prostu chaotycznie zabawia się swoimi słowami i myślami nie odczuwając przy tym jakiejś szczególnej radości, zaś wspomniany „melancholik” czuje się dobrze w swojej ciszy i spokoju i tak po prostu lubi. Jednak większość osób radość bez uśmiechu na twarzy i zintegrowania z towarzystwem uzna za nieprawdziwą. Wszystko to wynika z faktu, że tak naprawdę to w 100% nie wiemy, co to znaczy być wesołym, czy smutnym – znamy te uczucia tylko w odniesieniu do samych siebie, a w odniesieniu do innych tylko domyślamy się. Podobnie jest z teoriami w fizyce – nie wiemy do końca co to znaczy, że są one „prawdziwe”. Jest co prawda szereg kryteriów których brak dyskredytuje daną teorię, ale bardzo często naukowcy „przymykają oczy” na powstające niejasności formalne. Ważniejsze od tego jest, aby teoria przewidywała jakieś obserwowane efekty doświadczalne, aby coś „tłumaczyła”.

W każdym razie, jest przynajmniej jedno kryterium podstawowe, które musi być w fizyce spełnione:

Teoria powinna być zgodna z doświadczeniem.

Dlatego powstaje oczywiste pytanie: czy takie zjawiska jak wydłużenie czasu w układzie poruszającym się dadzą się doświadczalnie sprawdzić?

Odpowiedź brzmi: ależ tak, oczywiście! – przeprowadzono wiele doświadczeń, z których jednoznacznie wynika, że czas zachowuje się zgodnie z przewidywaniami Einsteina.

Dowody doświadczalne potwierdzające teorię względności

Najbardziej typowymi są doświadczenia na cząstkach elementarnych. Cząstki te są najczęściej obiektami o bardzo krótkim czasie istnienia – zazwyczaj po ułamku sekundy rozpadają się na inne cząstki, co daje się zaobserwować w laboratoriach. Robiono więc doświadczenia na miuonach – cząstkach o czasie życia rzędu mikrosekundy. Badano więc grupę szybko poruszających się miuonów (z prędkościami porównywalnymi do prędkości światła) oraz miuonów specjalnie do celów doświadczenia spowolnionych. I okazało się, że te szybkie rozpadały się po wyraźnie dłuższym czasie. Innymi doświadczeniami związanymi z względnością czasu było wysłanie na orbitę superdokładnych zegarów atomowych. Okazało się, że rzeczywiście następują odchylenia ich „chodu” od podobnych zegarów zostawionych na Ziemi.

Wreszcie słynny wzór E = mc². Gdyby nie był prawdziwy, to nigdy nie wybuchłaby bomba atomowa, nie działałyby reaktory jądrowe, ani akceleratory. Setki urządzeń wybudowanych za grube miliardy dolarów nie mogłoby działać, bo są one zbudowane z uwzględnieniem tej teorii. Czy można podejrzewać finansistów wykładających grube miliardy dolarów na te cele, o kierowanie się idealistycznymi przesłankami, a przynajmniej chęcią bezinteresownego oszukiwania świata? Czy możliwe jest, aby wyłożyliby oni pieniądze na coś, co nie przyniesie efektu?...

Poza tym większość efektów fizyki jądra atomowego, cząstek elementarnych czy ogólnie fizyki kwantowej zakłada prawdziwość tej teorii i na co dzień wykorzystuje ją w swoich przewidywaniach. A ponieważ wszystkie uznane aktualnie teorie muszą być (i są) potwierdzone doświadczalnie, to gdyby nagle okazało się, że teoria względności jest całkiem nieprawdziwa – oznaczałoby to absolutną ruinę całej współczesnej fizyki i chemii...

Czy można obalić teorię względności?

Takie pytanie nurtuje większość osób nie zajmujących się na co dzień fizyką. Gdzieś w ukryciu pojawia się przy tym nadzieja: i może gdyby tak się stało, to okazałoby się, że czas jest dalej "po bożemu" - czyli jednakowy dla wszystkich...
Takie podejście znamionuje też częściowo przekonanie, że nauką rządzą tajemniczy mocodawcy, mroczne siły, które z nieznanych powodów utrzymują mylne teorie. Prawda jest taka, że dzisiejsza fizyka nie potrafiłaby się obejść bez teorii względności i jedynym sposobem pozbycia się jej zastąpienie jej teorią lepszą. A to oczywiście jest możliwe i chyba niewielu jest fizyków, którzy uważają, że einsteinowskie zasady pozostaną niezmienne przez tysiąclecia. Zapewne, prędzej czy później, ktoś stworzy nową, lepszą teorię, która rozwiąże problemy przez Einsteina nie wyjaśnione, a efekty teorii względności przedstawi w nowym, pełniejszym świetle. Bo to co się dzieje w nauce nie jest kwestią wiary, lecz odpowiedniego uzasadnienia, że jest tak, jak to widzimy w naszym modelu rzeczywistości.

Dlatego raczej nie ma sensu dyskutować na „prawdziwością” teorii względności w tym sensie, że np. ktoś przyjdzie i udowodni, że jednak „e zupełnie nie równa się em ce kwadrat”. Bez tego wzoru fizyka nie potrafi się dzisiaj obejść. Jednak w miarę stabilna pozycja teorii względności w dzisiejszej fizyce wcale nie oznacza, że na temat czasu, przestrzeni, energii i masy zostało powiedziane ostatnie słowo. Teoria względności, oprócz wielkich sukcesów, ma również swoje słabości:

	jest w pewnym zakresie niezgodna z mechaniką kwantową
	są pewne doświadczenia które stawiają pod znakiem zapytania postulat nieprzekraczalności prędkości światła

Tylko problem tkwi w tym, że nie bardzo wiadomo jak ułożyć teorię, aby wszystko się zgadzało. Póki co – czekamy na kolejnego geniusza fizyki, który:

	połączy fizykę kwantową z teorią względności
	stworzy jednolitą, spójną teorię oddziaływań elektrosłabych, silnych i grawitacyjnych
	i ogólnie wyjaśni czym właściwie jest ten zadziwiający świat...

Teoria względności, a filozofia

Do czasów powstania teorii względności myślano, że czas po prostu jest wszędzie i niezmienny – że jeżeli dla kogoś A zdarzyło się wcześniej, a B później, to dla każdego tak być musi i dla każdego odstęp czasu między zdarzeniami A i B jest taki sam. Trochę bardziej względna wydawała się przestrzeń, bo wiadomo, że dla różnych poruszających się układów odniesienia ruch obiektów może być postrzegany różnie. Jednak uważano, że odległości między tymi obiektami i długości obiektów muszą być dla każdego takie same.

Choć przyznać trzeba, że umysł ludzki jest zadziwiający, bo znaleźli się myśliciele na tyle przenikliwi, że dostrzegli umowność zarówno czasu, jak i przestrzeni. Np. wielki filozof niemiecki Immanuel Kant (1724-1804) już ponad 100 lat przed Einsteinem sformułował pogląd, że czas i przestrzeń są „kategoriami ludzkiego umysłu” – czyli, że nie istnieją obiektywnie a jedynie służą jako punkty odniesienia do porządkowania zdarzeń. Naukowe potwierdzenie tego poglądu znajdujemy w teorii względności.

Ciekawe jest też, że istnieją pewne dane wskazujące, że Izaak Newton (1642-1727) – sztandarowy przecież twórca klasycznej fizyki, domyślał się, że z tym czasem i przestrzenią może być trochę inaczej niż to się na pierwszy rzut oka wydaje.

Czym jest więc czas?

Teoria względności na to do końca nie odpowiada. Jedynie komplikuje sprawę w stosunku do tradycyjnych poglądów pokazując czym czas nie jest. Wiemy zatem, że nie jest to jakby jednolity strumień taktujący cały wszechświat jednym niezmiennym rytmem. Czas jest zależny od układu odniesienia.

Ciekawym matematycznym aspektem czasu w matematycznym opisie teorii względności jest fakt, że spośród czterech zmiennych czasoprzestrzeni: x, y , z, t - czas, jako jedyny, łączy się z pozostałymi zmiennymi za pomocą jednostki urojonej i (w matematyce jednostka urojona i równa jest pierwiastkowi z minus jeden).
Np. wzór tzw. interwału czasoprzestrzennego - czyli jakby odległości w czasoprzestrzeni:

– Ds² = (Dx)² + (Dy)² + (Dz)² + (icDt)²

zawiera jednostkę urojoną i, stojącą przy zmiennej czasowej.
Oznacza to, że w czasoprzestrzeni – łączącej w jedno przestrzeń i czas, ta ostatnia zmienna jest wyróżniona i zachowuje się (matematycznie rzecz ujmując) odmiennie od pozostałych.

Wzory teorii względności dotyczące czasu pokazują, że wraz ze zbliżaniem się prędkości obiektu do prędkości światła, czas zaczyna płynąć coraz wolniej, a dla samej prędkości światła czas musiałby stanąć w miejscu. Niektórzy wyciągają stąd wniosek, że gdyby tak jednak przekroczyć prędkość światła (jakimś specjalnym sposobem) to, oznaczałoby to odwrócenie biegu czasu. Jednak jest to jak na razie pomysł z obszaru fantastyki naukowej, bo rozpędzenie najmniejszego obiektu materialnego do prędkości światła wymagałoby użycia nieskończenie wielkiej energii. A co tu mówić o przekroczeniu tej prędkości?...

Jeszcze jednym ciekawym elementem teorii względności dotyczącym czasu (w tym przypadku już Ogólnej Teorii Względności) jest powiązanie upływu czasu z obecnością materii. Np. czarne dziury wytwarzające bardzo silne pole grawitacyjne powodują zakrzywienie czasoprzestrzeni, co z kolei dla obserwatora zewnętrznego daje efekt spowolnienia czasu.

Wykraczając poza teorię względności, też możemy znaleźć ślady ciekawych koncepcji związanych z pojęciem czasu. Niektórzy sugerują np., że w świecie cząstek elementarnych czas płynie inaczej niż w naszym makroskopowym świecie. Być może nawet w bardzo niewielkim obszarze czas mógłby się cofać? A może dla obiektów rzeczywiście elementarnych czas stoi w miejscu?

Istnieją też poważne teorie fizyczne opisujące zjawiska za pomocą większej ilości wymiarów czasoprzestrzennych, niż znane z teorii względności cztery wymiary (czyli trzy przestrzenne i jeden czasowy) – np. teoria strun posługuje się 10-cioma lub 11-toma wymiarami.

To wszystko razem powoduje, że nie należy dzisiejszej fizyki traktować jako nauki niewolniczo "podległej" teorii względności. I choć wpisuje się ona w wiedzę o rzeczywistości, to nie jest dogmatem, a (póki co) powszechnie przyjmowanym sposobem ujęcia.