V druhej polovici 19. storočia popisovali fyzikálne deje dve rôzne teórie. Mechanické javy vystihovali Newtonove pohybové zákony z roku 1687. Elektrické, magnetické a optické procesy boli vyjadrené Maxwellovými rovnicami z roku 1865.
Tieto dve teórie však neboli kompatibilné. Krátko po Maxwellovom objave sa všeobecne očakávalo, že sa čoskoro podarí nájsť mechanické vysvetlenie elektromagnetizmu a poznávanie prírodných zákonov sa tým uzavrie. Jedno ani druhé sa však napokon nestalo.
Éter
V polovici 19. storočia sa definitívne potvrdilo, že svetlo má vlnový charakter. Prirodzene sa teda predpokladalo, že ide o vlnenie v nejakom médiu podobne, ako je zvuk vlnením vo vzduchu. Médium dostalo meno éter. To, že to nemôže byť len také hocijaké médium, ukazuje polarizácia svetla. Jav, ktorý objavil už v roku 1669 dánsky učenec Rasmus Bartholin (1625 – 1698) a neskôr ho dôkladne študoval holandský fyzik Christiaan Huygens (1629 – 1695). Pri niektorých dejoch ako lom svetla na islandskom vápenci (kalcite) alebo sledovanie 3D kina sa na prvý pohľad rovnaké lúče svetla môžu správať dvoma veľmi rozdielnymi spôsobmi. Všeobecne existujú vlnenia dvoch rôznych druhov – pozdĺžne a priečne. Pozdĺžnym vlnením je napríklad zvuk, priečnym kmitanie gitarovej struny. Pre pozdĺžne vlnenie stačí, keď médium dokáže tlačiť, pre priečne vlnenie však musí byť médium schopné aj ťahať. V kvapalinách a plynoch sa teda priečne vlny šíriť nedokážu. Na vysvetlenie polarizácie musí mať svetelná vlna dva rôzne módy kmitania. Preto musí byť svetlo priečne vlnenie a éter musí byť pevné médium. Z rýchlosti svetla sa dá vypočítať zodpovedajúca tuhosť éteru a výsledkom je číslo niekoľko miliónkrát väčšie ako tuhosť ocele. Teória éteru teda predpovedá, že priestor zapĺňa extrémne tuhé médium, ale mimo interakcie so svetlom nijako neovplyvňuje pohyb telies. Spočiatku sa to bralo ako dôkaz proti vlnovej teórii svetla, po jej potvrdení sa nad tým pokrčilo plecami s tým, že sa to nejako vysvetlí.
Schematické znázornenie Michelsonovho-Morleyho experimentu. Vľavo je prístroj natočený v smere pohybu éteru, svetlu v tomto smere cesta k zrkadlu a späť trvá dlhšie ako v kolmom smere. Vpravo prístroj natočený pod uhlom 45° k smeru pohybu éteru a v oboch ramenách trvá svetlu cesta rovnako dlho. Výsledný interferenčný obrazec by teda mal byť v týchto prípadoch rôzny.
Pozorovatelia
Vráťme sa ešte k jednému rozdielu medzi mechanikou a elektromagnetizmom. Kľúčovou vlastnosťou Newtonových pohybových rovníc je, že platia rovnako pre stojaceho pozorovateľa, ako aj pozorovateľa pri rovnomernom priamočiarom pohybe. To v sebe zahŕňa princíp, ktorý sformuloval už taliansky učenec Galileo Galilei (1564 – 1642) v roku 1632: neexistuje absolútny pohyb. Neexistuje preferovaná sústava, vzhľadom na ktorú by sa dali určovať rýchlosti. Tie majú zmysel iba medzi pozorovateľmi navzájom, sú relatívne. Ak však existuje éter, v ktorom sa šíria elektromagnetické vlny, toto médium by mohlo definovať jednu preferovanú sústavu. Vzhľadom na ňu by sa dali určovať rýchlosti absolútne. Galileiho princíp by preto mal platiť iba pre mechanické deje, ale nie pre elektromagnetické (a optické deje). Z iného pohľadu je tú istú vec vidieť aj priamo v Maxwellových rovniciach. Keď ich transformujeme do pohybujúcej sa sústavy, vyzerajú na rozdiel od Newtonových inak. Existuje len jedna sústava, v ktorej majú presne taký tvar, v akom ich napísal Maxwell. A to je tá preferovaná sústava, v ktorej éter stojí.
Rýchlosť Zeme
Zem spolu so všetkými fyzikmi a meracími zariadeniami obieha okolo Slnka, a preto sa ich rýchlosť vzhľadom na éter počas roka mení. Teda na prvý pohľad by nemal byť problém zmerať rýchlosť Zeme vzhľadom na éter. No kým ešte bola vlnová teória svetla v plienkach, jeden z jej autorov, Francúz Augustin Fresnel (1788 – 1827), si v roku 1818 uvedomil problém. Aberácia hviezd by z dôvodu meniacej sa rýchlosti Zeme v éteri mala vyzerať inak. Keby slnečná sústava v éteri stála, nemalo by k nej dochádzať vôbec. A. Fresnel to vysvetlil zaujímavou hypotézou – v skutočnosti telesá s éterom interagujú a čiastočne ho svojím pohybom strhávajú. Éter do istej miery nasleduje pohyb telies. Túto hypotézu potvrdil meraním rýchlosti svetla v pohybujúcej sa vode v roku 1851 ďalší Francúz, Hippolyte Fizeau (1819 – 1896). Keďže obežná rýchlosť Zeme okolo Slnka je približne 0,015 % rýchlosti svetla, predchádzajúce experimenty potvrdzovali Fresnelovu hypotézu iba s obmedzenou presnosťou.
Interferometer
Tu prichádza na scénu jeden z najdôležitejších fyzikálnych experimentov vôbec. Albert Michelson (1852 – 1931) spoločne s Edwardom Morleym (1838 – 1923) v roku 1887 skonštruovali veľmi citlivý interferometer s cieľom oveľa presnejšie odmerať rýchlosť Zeme vzhľadom na éter. Ako prezrádza názov prístroja, kľúčovým efektom v pokuse je interferencia svetla. Keď svetelný lúč rozdelíme na dve časti, každú z nich necháme prejsť rôznu vzdialenosť a potom časti spojíme, nemusíme dostať svetlo pôvodnej intenzity. Svetlo je vlna, a preto sa časti lúča navzájom môžu zosilňovať alebo rušiť podobne ako vlny na vodnej hladine. Koniec-koncov pokusy britského vedca Thomasa Younga (1773 – 1829) zo začiatku 19. storočia, ktoré interferenciu svetla demonštrovali, boli najvýznamnejším dôkazom vlnových vlastností svetla. V experimente z roku 1887 sa táto myšlienka použila z iného konca. Dva lúče svetla prejdú tú istú dráhu, ale v rôznom smere. Prípadný rozdiel v časoch, ktoré to lúčom trvalo, by odhalila ich zmenená interferencia. Éterová hypotéza predpokladala, že svetlo sa šíri rôzne rýchlo v smere pohybu Zeme éterom a v smere kolmo na tento pohyb. Zariadenie sa dalo otáčať, takže bolo možné získať výsledky nezávisle od pohybu Zeme. Experiment prebiehal od apríla do júla, takže sa sledovala aj sezónna závislosť. Výsledok? Nijaká zmena rýchlosti svetla sa nepozorovala. Vôbec nijaká. Obe ramená interferometra sa pohybovali vzhľadom na éter rovnako bez ohľadu na to, v ktorom ročnom období sa meranie uskutočnilo a ako bolo zariadenie otočené. Teoretických fyzikov čakalo neľahké vysvetľovanie.
Lorentzova teória
Dvomi hlavnými postavami tohto úsilia boli francúzsky matematik a fyzik Henri Poincaré (1854 – 1912) a holandský fyzik Hendrik Lorentz (1853 – 1928). Spočiatku sa negatívny výsledok experimentu A. Michelsona a E. Morleyho vysvetľoval tým, že telesá éter svojím pohybom strhávajú úplne a v ich okolí sa éter nepohybuje vôbec. H. Lorentz však prišiel v roku 1892 s inou myšlienkou, podľa ktorej je éter dokonale nehybný, ale telesá sa pri svojom pohybe v ňom skracujú. Sú predsa zložené s elektricky nabitých častíc, ktoré s éterom interagujú, a éter telesá týmto pôsobením stláča. H. Lorentz presne vypočítal, ako musí toto stláčanie vyzerať a v roku 1895 si všimol, že keby mal pohyb v éteri vplyv aj na beh času, Maxwellove rovnice by zostali nezmenené aj v pohybujúcich sa sústavách. V roku 1900 H. Poincaré interpretoval zmenu plynutia času pre hodiny v pohybe ako skutočný fyzikálny jav, a nie ako technický nástroj. V roku 1905 interpretoval túto zmenu spolu so skracovaním vzdialeností ako transformáciu súradníc a nazval ju po svojom holandskom kolegovi.
Špeciálna teória relativity
Príbeh samotnej špeciálnej teórie relativity sa, asi prekvapivo, nezačína menom Alberta Einsteina (1879 – 1955). H. Poincaré si ako prvý v roku 1904 uvedomil, že predchádzajúce experimentálne a teoretické výsledky naznačujú rozšírenie Galileiho tvrdenia. Zdá sa, že prírodné zákony napriek existencii éteru nedovoľujú absolútny pohyb a aj pri elektromagnetických dejoch sa dá rýchlosť definovať iba relatívne. Interakcia telies s éterom je taká, že pohyb akéhokoľvek meracieho prístroja dokonale zakamfluje. H. Poincaré toto tvrdenie povýšil na fyzikálny zákon. Tu do príbehu vedeckej teórie vstupuje prekvapivo ľudský element. H. Poincaré aj H. Lorentz boli v tom čase už v pokročilom veku. Celý život strávili uvažovaním o éteri a o jeho dôsledkoch. Neuvedomili si, že existuje veľmi elegantné riešenie toho, ako príroda pred nami obskúrnym spôsobom skrýva éter. Éter jednoducho nemusí existovať. Naopak, Albert Einstein bol mladý vedec ochotný vybočiť vo svojom uvažovaní z vychodených koľají.
Aithér je v gréckej mytológii boh večného jasného svetla. Bol synom bohyne noci Nykty a boha večnej tmy Ereba, často sa vyskytuje v spoločnosti svojej sestry, bohyne jasného dňa Hemery. Aithér je personifikácia čistého vrchného vzduchu, čistejšieho než Slnko, kde žijú bohovia a kde najradšej prebýva Zeus. Je to protiklad spodného vzduchu aér, ktorý dýchajú smrteľníci. V prenesenom zmysle znamená aithér jednak vzduch, jednak látku jemnejšiu než vzduch, ktorá napĺňa výšky, v ktorých sídlia hviezdy a bohovia. Jeho meno sa dokonca niekedy používa na pomenovanie neba a vesmíru.
Einsteinova mechanika
A. Einstein publikoval predpoklad o zbytočnosti éteru vo svojom prevratnom článku z roku 1905. Jeho názov O elektrodynamike pohybujúcich sa telies prezrádza, že autorova hlavná motivácia bola v pochopení fungovania Maxwellovej teórie pre rôznych pozorovateľov. A. Einstein ukázal, že z predpokladu platnosti všetkých fyzikálnych zákonov pre všetkých pozorovateľov a z predpokladu rovnakej rýchlosti šírenia svetla bez ohľadu na rýchlosť zdroja a pozorovateľa vyplývajú rovnaké dôsledky ako z Lorentzovej teórie éteru. Najmä výsledky experimentu A. Michelsona a E. Morleyho – skracovanie vzdialeností v pohybujúcich sa sústavách a Lorentzove transformácie. A. Einstein tiež ukázal, čo tieto dva predpoklady znamenajú pre newtonovskú mechaniku a ako sa pohybové rovnice menia pre pohybujúcich sa pozorovateľov. Špeciálna teória relativity by sa teda pokojne pre mechanické javy mohla nazývať Einsteinovou mechanikou. Prijatie takejto fundamentálnej zmeny do vnímania sveta bolo prekvapivo bezproblémové a Einsteinova teória sa stala stredným prúdom vo svetovej fyzike už okolo roku 1911. Zaslúžili sa o to najmä nemeckí fyzici: Max Planck (1858 – 1947), ktorý Einsteinovu prácu podporoval, a Hermann Minkowski (1864 – 1909), ktorý jej dal veľmi elegantnú geometrickú interpretáciu. Neskôr prišli aj experimentálne potvrdenia dôsledkov špeciálnej teórie relativity, napríklad dilatácie času a závislosti hmotnosti telesa od jeho rýchlosti.
Fundamentálna konštanta
Svetlo hrá v tomto príbehu kľúčovú úlohu tak trochu náhodou a z moderného pohľadu spočíva fyzikálna podstata druhého predpokladu v Einsteinovom článku inde. Prírodné zákony v sebe obsahujú špecifickú hodnotu rýchlosti, ktorá je konštantou prírody. Čo je ešte podstatnejšie, táto hodnota je tá istá bez ohľadu na to, ako sa pohybuje pozorovateľ, ktorý fyzikálne zákony sleduje. Niektoré objekty sa aj pohybujú touto rýchlosťou, okrem svetla napríklad všetky elementárne častice s nulovou pokojovou hmotnosťou alebo, veľmi pravdepodobne, gravitačné vlny. Aj keby však nič túto fundamentálnu rýchlosť nedosahovalo, jej samotná existencia a rovnaká hodnota pre všetkých znamená, že bolo treba zapracovať Newtonovu teóriu do Maxwellovej, a nie naopak. Pre fajnšmekrov ešte dodajme, že druhý postulát špeciálnej relativity je v tejto podobe vlastne zbytočný. Keby rýchlosť svetla nebola rovnaká vo všetkých sústavách, jej meraním by sa dal definovať absolútny pohyb, čo je v rozpore s prvým postulátom. Dôležitá časť druhého zo spomínaných predpokladov je preto ozaj v tom, že prírodné zákony majú v sebe zakomponovanú jednu preferovanú rýchlosť. Prvý hovorí, že tieto zákony sú rovnaké pre všetkých, ktorí sa pohybujú rovnomerne priamočiaro. Čo však s tými, ktorí sa pohybujú zrýchlene? Odpovedať na túto otázku trvalo Einsteinovi ďalších desať rokov.
Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
