POČETKOM DVADESETOGA stoljeća dvije nove teorije potpuno su promijenile način našeg razmišljanja

POČETKOM DVADESETOGA stoljeća dvije nove teorije potpuno su promijenile način našeg razmišljanja o prostoru i vremenu te o samoj stvarnosti. Više od sedamdeset pet godina kasnije mi još uvijek razrađujemo njihove dublje smislove i nastojimo ih spojiti u neku jedinstvenu teoriju koja će opisati sve u svemiru. Dvije teorije o kojima je riječ su opća teorija relativnosti i kvantna mehanika. Opća teorija relativnosti ima posla s prostorom i vremenom te kako su oni zakrivljeni ili iskrivljeni materijom i energijom na makroplanu svemira. Kvantna mehanika pak s druge strane ima posla s vrlo malenim veličinama.

U njoj je sadržano ono što je nazvano načelo neodređenosti, načelo koje izriče da se nikada ne može točno izmjeriti i položaj i brzina čestice u istom trenutku; što se točnije može izmjeriti jedna veličina, to je manja točnost mjerenja druge. Prisutan je uvijek neki element nesigurnosti ili slučaja i on utječe na ponašanje tvari u malim dimenzijama na bitni način. Einstein je gotovo sam, bez ičiji pomoći, stvorio opću teoriju relativnosti, a odigrao je i značajnu ulogu u razvoju kvantne mehanike. Njegovi osjećaji odbojnosti prema ovoj potonjoj sažeti su u njegovoj slavnoj izjavi “Bog se ne kocka.”

No sav dokazni materijal upućuje na to da je Bog nepopravljivi kockar te da se kocka u svakoj mogućoj prigodi. U ovom eseju pokušat ću prenijeti temeljne ideje koje stoje iza ove dvije teorije te zašto je Einstein bio tako nesretan s kvantnom mehanikom. Opisat ću također neke značajne stvari koje se, izgleda, događaju kada se pokuša objediniti te dvije teorije. One ukazuju na to da je samo vrijeme imalo početak prije otprilike petnaest milijardi godina te da bi moglo imati kraj u nekoj točki u budućnosti.

Ipak, u jednoj drugoj vrsti vremena, svemir nema granice. On je niti stvoren niti će biti uništen. On jednostavno jest. Započet ću s teorijom relativnosti. Državni zakoni vrijede samo unutar jedne države, ali zakoni fizike su isti u Britaniji, SAD ili Japanu. No isti su također i na Marsu i u Andromedinoj maglici. I ne samo to. Zakoni su isti bez obzira kojom brzinom se kretali. Zakoni su isti u brzom vlaku ili u zrakoplovu kao i za nekoga tko stoji na mjestu.

Dakako, i netko tko sjedi u svojoj sobi na Zemlji zapravo se kreće brzinom od 30 kilometara oko Sunca. Sunce se pak također giba brzinom od više stotina kilometara u sekundi oko središta Galaktike, i tako dalje. Ipak, sva ta gibanja se u zakonima fizike ne razlikuju: zakoni su isti za sve promatrače. Neovisnost o brzini sustava prvi je otkrio Galilej koji je iznio na vidjelo zakone gibanja predmeta poput topovske kugle ili planeta. Međutim, pojavila se poteškoća kad smo nastojali proširiti ovu neovisnost o brzini promatrača do zakona koji ravnaju gibanjem svjetlosti.

U osamnaestom stoljeću je bilo otkriveno da svjetlost put od izvora do promatrača ne prevaljuje trenutno već da putuje nekom brzinom, oko 300.000 kilometara na sekundu. Ali, ta je brzina u odnosu na što? Bilo je razumno pretpostaviti da je prostor ispunjen nekim medijem po kojem svjetlost putuje. Taj je medij bio nazvan eter. Zamišljalo se da svjetlosni valovi putuju kroz eter brzinom od 300.000 kilometara u sekundi, što znači da bi promatrač koji miruje u odnosu na eter mjerio brzinu svjetlosti 300.000 kilometara u sekundi, no promatrač koji se i sam giba kroz eter izmjerio bi veću ili manju brzinu. S tim u svezi, smatralo se da bi se mjerena brzina svjetlosti trebala mijenjati ovisno o gibanju Zemlje kroz eter na njenom godišnjem putovanju oko Sunca.

Međutim, pažljivo proveden pokus Michelsona i Morleya godine 1887. pokazao je da je brzina svjetlosti bila uvijek ista. Bez obzira kojom se brzinom gibao promatrač, uvijek bi izmjerio brzinu svjetlosti 300.000 kilometara u sekundi. Kako to može biti? Kako je moguće da promatrači koji se gibaju različitim brzinama svi mjere istu brzinu svjetlosti? Odgovor je da ne mogu, ukoliko je naše uobičajeno poimanje prostora i vremena točno. Međutim, u svom slavnom radu iz godine 1905. Einstein je pokazao da ti promatrači mogu mjeriti svi iste brzine svjetlosti ukoliko napuste ideju općenitog, apsolutnog vremena.

Umjesto toga, svaki promatrač imao bi svoje vlastito osobno vrijeme, mjereno urom što ga promatrač nosi sa sobom. Vremena mjerena tim raznim urama slagala bi se gotovo točno ukoliko se ure, to jest njihovi vlasnici, gibaju sporo jedne u odnosu na druge. Međutim, vremena mjerena raznim urama osjetno bi se razlikovala ako bi se ure međusobno gibale velikom brzinom. Ovaj učinak je doista bio zapažen uspoređivanjem ure na tlu s jednom u putničkom zrakoplovu; ura u zrakoplovu išla je neznatno sporije u usporedbi s urom u mirovanju. Međutim, pri uobičajenim brzinama putovanja, vrlo su sitne razlike u brzini hoda ura.

Trebali biste obletjeti svijet putničkim zrakoplovom četristo milijuna puta da produžite svoj život za jednu sekundu; no vaš bi se život bitno više skratio zbog svih onih obroka pojedenih u zrakoplovu. Kako to osobna vremena ljudi koji putuju raznim brzinama imaju za posljedicu mjerenje iste brzine svjetlosti? Brzina pulsa svjetlosti je udaljenost što je svjetlost prevali između dva događaja, podijeljena s vremenskim intervalom između tih događaja.

(Događaj u ovom smislu je nešto što se dogodi u jednoj točki prostora, pri određenoj točki vremena.) Ljudi koji se gibaju različitim brzinama neće se složiti glede udaljenosti između dva događaja. Na primjer, ako mjerim automobil koji putuje niz autocestu, mogu misliti da je prešao samo jedan kilometar, ali za nekoga na Suncu automobil bi se pomaknuo oko 1800 kilometara (30 kilometara puta 60 sekundi), jer se cijela Zemlja giba prostorom za vrijeme putovanja automobila po autocesti. Budući da promatrači s različitim brzinama gibanja mjere različite udaljenosti između događaja, moraju također mjeriti i različite intervale vremena, ukoliko su se suglasili o istoj brzini svjetlosti.