Ciężkie sprawdziany teorii względności

Obserwacja gwiazdy obracającej się wokół czarnej dziury pozwoliła naukowcom stwierdzić, że już ponad stuletnie twierdzenie Alberta Einsteina, czyli ogólna teoria względności, nadal pasuje do rzeczywistości. Przynajmniej na razie…

Gdy w 1915 r. Albert Einstein opublikował swoje wyliczenia dotyczące względności czasu i przestrzeni, wywołał naukową rewolucję. Podważał fundamenty fizyki, jakie ustanowił ponad 200 lat wcześniej Izaak Newton.

Kolejny test dla nauki

Problem z fizyką newtonowską był jednak taki, że o ile świetnie sprawdza się do opisu większości dostrzegalnych ludzkim okiem zjawisk na Ziemi (dlatego nadal uczymy się jej w szkole), o tyle nie nadaje się do opisu rzeczywistości w skali mikro, kiedy mówimy o cząstkach elementarnych, ani w skali makro, kiedy patrzymy na gwiazdy, planety i czarne dziury. Naukowcy nadal nie są przekonani, czy fizyka einsteinowska także spełnia wszystkie oczekiwania i nieustannie wystawiają ją na kolejne próby.

Ostatnio dokonała tego grupa złożona głównie z naukowców z amerykańskiego Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA). W lipcu na łamach magazynu „Science” opublikowali rezultaty obserwacji gwiazdy S0-2, znajdującej się w pobliżu serca Drogi Mlecznej. Jej obrót  wokół czarnej dziury trwa ok. 16 lat ziemskich. Obserwacja tej orbity po raz kolejny potwierdziła, że Einstein miał rację.

Einsten miał rację

W czym dokładnie? Newton postrzegał czas jako niezależną od wszystkiego cechę przestrzeni. Dopiero Einstein udowodnił, że czas jest względny. Jego względność zależy od grawitacji. Zgodnie z tą teorią inaczej powinien płynąć czas w pobliżu obiektów o ogromnej masie, np. gwiazd.

Już 1919 r. nadarzyła się okazja, by potwierdzić lub obalić twierdzenia Einsteina w obliczu obiektu o ogromnej masie. Sprzyjało temu zaćmienie Słońca, które można było obserwować na południowej półkuli, m.in. na Oceanie Atlantyckim. Właśnie w te rejony wyruszyły wówczas dwie ekspedycje z aparaturą astronomiczną. Obserwacja nieba tuż za przesłoniętym przez Księżyc Słońcem wykazała, że wyłaniające się zza niego gwiazdy pojawiają się nieco inaczej, niż wynikałoby to z wyliczeń dotyczących ich położenia.

Oznaczało to, że emitowane przez nie światło, mijając Słońce, natrafiło na strefę, w której grawitacja zmienia tempo upływu czasu. Einstein miał rację, na nieszczęście dla fizyków, którzy znane nam ze szkoły prawa dynamiki musieli zmienić teraz na niezwykle abstrakcyjną teorię względności. Nowe wyliczenia były tak skomplikowane, że mało kto je pojmował.

Według anegdoty autor obserwacji podczas zaćmienia w 1919 r., astrofizyk Arthur Stanley Eddington, zapytany w tamtym czasie, czy to prawda, że tylko trzy osoby na świecie rozumieją teorię Einsteina, miał odpowiedzieć: „A kto jest tą trzecią?”

Niepełna teoria wszystkiego

Nawet jeśli jest bardzo skomplikowana, to jednak żadne dotąd wyliczenia nie podważyły jej prawdziwości. Odkąd wiemy, że we wnętrzu naszej galaktyki jest ogromna czarna dziura – obiekt o przeraźliwie wielkiej masie (ok. 4 mln razy większej od Słońca), którego przyciąganie jest tak silne, że „wsysa” nawet światło – wiedzieliśmy też, że teorię względności trzeba poddać kolejnemu sprawdzianowi.

Naukowcy podkreślają, że teoria Einsteina ciągle czeka na podważenie lub uzupełnienie. Nie jest to bowiem teoria uniwersalna. Tak jak prawa Newtona opisuje nadal tylko część rzeczywistości. Bardzo duży wycinek, ale jednak nie całość. Nie pozwala w sposób efektywny opisać tego, co zachodzi we wnętrzu czarnej dziury, a także niektórych zjawisk fizyki kwantowej. Hipotetyczna teoria, która pozwoli tłumaczyć świat wielki i mikroskopijny, jest uznawana za „fizycznego świętego Graala”. Nie bez powodu nazywana jest potocznie teorią wszystkiego.