Albert Einstein: Génius fyziky prostoru, času a gravitace

V čem spočívá hlavní přínos Einsteina pro svět fyziky? 

V originalitě jeho pohledů na svět. Odstranil „absolutní prvky“ ve fyzikálních teoriích: neexistuje nějaký a priori daný absolutní čas, neexistují absolutní délky objektů, neexistuje absolutní prostoročas, ona „shůry“ daná aréna původní newtonovské fyziky. V obecné teorii relativity je geometrie prostoročasu závislá na rozložení hmoty a energie v něm obsažené. Slovy Johna Archibalda Wheelera, jednoho z velikánů americké fyziky, který učil po Einsteinovi na univerzitě v americkém Princetonu a po válce zahájil renesanci obecné relativity (teorie gravitace) v USA: „Prostoročas říká hmotě jak se pohybovat, hmota říká prostoročasu jak se zakřivovat“.

Ač jako velký realista nedokázal přijímat fyzikální interpretace („filozofii“) kvantové teorie, jeho příklady její dle něho „neúplnosti“ v popisu světa jsou dodnes velmi podnětné. A to i v navrhování experimentů, které ukazují, že jeho pohledy ovšem nebyly správné. 

Do jaké míry byly Einsteinovy poznatky nové a do jaké míry se inspiroval poznatky svých současníků? 

Mnoho efektů v jeho speciální teorii relativity jako dilatace (zpomalování) času, kontrakce (zkracování) délek a závislost hmotnosti na rychlosti bylo známo před jeho zásadním článkem o této teorii z roku 1905. Ano, mnohé vztahy ve speciální teorii relativity se vyskytovaly již v pracích Hendrika Lorentze, Henriho Poincarého a dalších, přesto byl Einsteinův přístup zcela originální. Předchozí autority předpokládaly, že existuje „absolutní prostor“ – totiž ten, v němž je v klidu tzv. „světový éter“. Ten například měl umožňovat šíření světla. Nicméně žádné experimenty ho nedokázaly prokázat. Einstein prohlásil, že žádný éter neexistuje, žádný absolutní prostor neexistuje, všechny vůči sobě se rovnoměrně pohybující inerciální soustavy jsou rovnocenné. Jako první ukázal zásadní fakt, že skutečnost, zda dvě události probíhající v různých místech proběhly současně, je třeba definovat. Přesto se běžně soudí, že k této „fyzice bez gravitace“, tedy ke speciální relativitě, by vědci brzo došli i nebýt Einsteina. 

Nicméně později vytvořená obecná teorie relativity znamenala zásadně nový pohled, dnes bychom ji snad již také měli vyvinutou, nicméně stalo by se tak až mnoho let po roce 1915, kdy ji předložil na zasedání Pruské akademie věd Einstein. Nadto po roce 1915 byly konstruovány jiné, „konkurenční“ teorie gravitace, experimenty a pozorování je však vyvrátily; obecná relativita dodnes zůstává nejlepší teorií gravitace…

Asi nejznámějším konfliktem o autorství v rámci obecné teorie relativity byl spor s německým matematikem Davidem Hilbertem. Ten Einsteina osočil, že si jeho výpočty (sdílené v korespondenci) přivlastnil…

Einstein vytvářel svou obecnou teorii relativity od roku 1907 do roku 1915, Hilbert se gravitací začal systematicky zabývat v létě 1915. V té době ovšem přejal řadu pojmů i matematiky do té doby vyvíjené Einsteinem, například tzv. „metrický tenzor“ k popisu křivého prostoročasu. Hilbert v onom létě Eisnteina pozval do Goettingen, aby mu rozvíjenou teorii gravitace vysvětlil. Nicméně závěrečný tvar rovnic pro gravitaci znám nebyl. 

Einstein odeslal své rovnice redakci 25. listopadu 1915, práce vyšla 2. prosince 1915, zatímco Hilbert 20. listopadu, korektury pak provedl 6. prosince a práce sama vyšla až v březnu 1916. Práce historiků z Institutu Maxe Plancka pro historii vědy v Berlině publikovaná v časopise Science v listopadu 1997 přesvědčivě ukázala, že původně Hilbertem navržené rovnice byly odlišné od těch po korekturách, až ty souhlasily s Einsteinovými rovnicemi. V tištěné verzi pak Hilbert explicitě píše: „Výsledné diferenciální rovnice pro gravitaci jsou, zdá se mi, v souhlase s překrásnou teorií obecné relativity vytvořené Einsteinem“.  

Hilbert byl jistě větším matematikem než Einstein, ale ve srovnání jejich fyzikální intuice a konkrétně ve sporu o prvenství ve vytvoření rovnic pole pro gravitaci nemůže být pochyb. 

Jak přijímala Einsteina odborná veřejnost ve své době? Byl mezi vědci oblíbený?

Vždy, myslím, s velkou úctou, lidé cenili i jeho smysl pro humor. Einstein uměl výstižně formulovat myšlenky nejen ve fyzice, psal básně ironizující komunismus stejně jako „hrabivý kapitalismus“. Nicméně s přibývajicími roky se stával stále více samotářem. Ve fyzice nešel dále s „hlavními proudy“ věnujícími se například fyzice vysokých energií a elementárních částic, plazmatu, kondenzovanému stavu.

TIP: Albert Einstein: Muž, který nesnášel ponožky

Pro nás může být zajímavé, že během pobytu v Princetonu v pozdějších letech se nejvíce přátelil s jedním z největších logiků všech dob, Kurtem Gōdelem, který se narodil v roce 1906 v Brně. Zřejmě měl dobré vztahy i s J. R. Oppenheimerem, považoval za potupné, že ho po válce vyšetřovala Mc Carthyho komise. Do konce života ovšem udržoval písemný kontakt s dlouhodobými přáteli, například s Maxem Bornem.  

Proč odmítal kvantovou mechaniku, ačkoli vlastně základy kvantové fyziky položil? 

Einstein se velmi zajímal o filosofii, měl ovšem velmi blízko k realismu, kvantová mechanika pracuje s pravděpodobnostmi. Můžete určit jen pravděpodobnost, že částice se někde nachází a čím přesněji určíte její polohu, tím méně přesně můžete určit její rychlost. Einstein se svými spolupracovníky se snažil i ukázat, že je kvantová mechanika v rozporu se speciální relativitou, že se podle ní může informace šířit nadsvětelnými rychlostmi; nebo že realitu nepopisuje „úplně“. Až příliš často bývá citován Einsteinův výrok „Pan Bůh nehraje v kostky“.

Na čem pracoval po popsání obecné teorie relativity? Šlo o sjednocenou teorii polí? 

Nejenom. Například spolu s Leopoldem Infeldem a Baneshem Hoffmanem vytvořili velmi sofistikovanou teorii pohybu gravitačně se ovlivňujících částic, která je stále v jistém smyslu používána. Ale, pravda, jeho hlavní úsilí zhruba druhé půlky života bylo soustředěno na vytvoření nějaké jednotné teorie především gravitačního a elektromagnetického pole.

Velký úspěch geometrie v chápání gravitace ho inspiroval k víře, že podobně geometricky lze interpretovat elektrické a magnetické pole. Onen zmíněný metrický tenzor ve čtyřrozměrném prostoročase má 10 nezávislých složek. Kdybychom uvažovali pětirozměrný prostoročas, mohly by být „další“ složky vysvětleny jako určité potenciály vystihující elektromagnetické pole.

K čemu v rámci této práce dospěl? 

K žádné použitelné teorii, nicméně vyzkoušel řadu cest a některé dnešní  moderní teorie, například teorie strun nebo ekpyrotické kosmologické teorie mohou v některých jeho myšlenkách nacházet inspiraci. Řečeno s Otokarem Březinou i „Kámen zavržený se stává v neuvěřitelné metamorfose kamenem úhelným…“