Byl novodobým kouzelníkem, který vdechl času a prostoru překvapivě novou podobu, a tak jednou provždy změnil představy člověka o jeho světě i o něm samém.

Je autorem teorie relativity a svým slavným vzorcem E = mc2 ohlásil příchod atomového věku.

 

 

Přes všechny pocty a slávu zůstal prostým člověkem, který ve stáří ochotně pomáhal školákům s domácími úkoly z geometrie, rád se plavil na plachetnici nebo si na houslích přehrával Mozartovy melodie. Odvážně vystupoval proti sociálním nespravedlnostem a byl otevřeným a rozhodným odpůrcem mccarthísmu, který mu připomínal události ve Výmarshé republice před příchodem Hitlera k moci. Přestože Albert Einstein zemřel už téměř před půlstoletím, není snad člověka, který by neznal jméno tohoto zakladatele moderní fyziky.

Narodil se 14. března 1879 v německém Ulmu. Einstein se ve svých 76 letech, tedy nedlouho před svou smrtí, označoval za „muzeální kousek", za fosilii, která zůstala daleko za neinovějšími proudy moderní fyziky. A opravdu je třeba konstatovat, že jeho obecná teorie relativity se svého času dostala do slepé uličky. Vědci se shodují v názoru, že tato teorie byla v prvních padesáti letech své existence rájem pro teoretiky, ale peklem pro experimentátory, neboť snad u žádné jiné teorie nebylo tak obtížné experimentálně ověřit její platnost. Není proto divu, že fyzici vycházeli z jiných teorií, které se převážně týkaly atomové struktury a které se daly mnohem snadněji ověřit.

V nynější době se však tento stav radikálně změnil. Svědčí o tom například stanovisko německého fyzika von Weizsäckera: „Skutečná Einsteinova velikost je v tom, že jeho učení platí dodnes i přes všechny nové objevy, k nímž se dospělo po jeho smrti."

K tomu je třeba "dodat, že právě mnohé z těchto objevů přispěly k oživení Einsteinových teorií.

Ve svém dětství se Einstein ani v nejmenším neprojevoval jako génius. Mluvit začal až ve třěch letech a později na Luitpoldově gymnáziu v Mnichově ho drtil strnulý systém výuky a zupácké manýry učitelů, proti nimž se marně bouřil. Jisté náznaky jeho příštího poslání se však u něj přesto projevovaly: když v pěti letech dostal kompas, doslova ho fascinovala tajemná síla, která působila na střelku. Po krátkém období náboženského poblouznění začal soukromě studovat matematiku a filozofii. Když jeho otec, který měl v Mnichově podnik pro výrobu elektrochemických potřeb, udělal úpadek, odstěhovala se celá rodina do severní Itálie. Einstein vystoupil ze školy a vzdal se německého občanství. Aby zapomněl na hořká léta mnichovského studia, toulal se rok po Apeninách, navštěvoval příbuzné a muzea. Pak se rozhodl vstoupit do proslulého Švýcarského technického institutu v Curychu. Přestože neudělal přijímací zkoušku - neobstál v botanice a zoologii -, byl po ročním studiu na švýcarské střední škole přijat. Ale i tady si vysloužil pověst rebelanta. Nechodil na přednášky, četl, cO se mu líbilo, a byl nedbalý při práci ve školní laboratoři. Nakonec však díky pomoci svého spolužáka Marcela Grossmanna přece jen složil závěrečné zkoušky a v roce 1900 absolvoval. Pro věčné spory s profesory nedostal místo učitele na univerzitě a živil se tím, že zpracovával výpočty pro jednoho astronoma, dával soukromé hodiny a suploval. Ve věku 23 let dostal u Švýcarského patentového úřadu v Bernu místo examinátora s ročním platem 3500 franků. Einstein, sám o svém zaměstnáni později řekl, že mu „do jisté míry zachránilo život". Umožnilo mu oženit se se spolužačkou Milevou Maričovou a nadto se při zkoumání žádosti o uznání patentů naučil jít přímo k jádru věci a rychle se rozhodovat. Ponechávalo mu také dost času, aby mohl přemýšlet o své oblíbené fyzice.

Co je to světlo?

A bylo stále o čem přemýšlet. Více než dvě století dominovaly ve fyzice Newtonovy základní zákony o pohybu a gravitaci, které více než dostačujícím způsobem popisovaly pohyb nebeských těles, chování plynů a další fyzikální jevy. Koncem 19. století se však v Newtonově fyzice objevily první trhliny. Newton například považoval světlo za proudění částic, avšak experimentálně se zjistilo, že světlo má charakter vlnění. Ještě významnější bylo zjištění anglického vědce Michaela Faradaye a jeho skotského kolegy Jamese Clerka Maxwella, že elektromagnetismus, který zahrnuje světlo, obsahuje jevy, které nezapadají do newtonovského systému.

Jestliže se však světlo skládalo z vln, čím byly přenášeny? Vědci předpokládali, že existuje neviditelná látka zvaná éter, která světlu umožňuje urazit tak dlouhou vzdálenost, jaká je mezi Sluncem a Zemí. Experimentálně se však existenci éteru dokázat nepodařilo a stejně tak selhaly i další pokusy o vysvětlení pohybu světla, i když snad v každé z oněch nesčetných teorií bylo zrnko pravdy.

Vyřešení tohoto problému a tím konec newtonovské fyziky znamenaly dvě práce tehdy šestadvacetiletého Einsteina, uveřejněné v německém vědeckém časopisu Annalen der Physik. První z nich, nazvaná O elektrodynamice pohybujících se těles, vešla později ve známost jako speciální teorie relativity. Einstein odmítl hypotézu o existenci éteru a formuloval dva postuláty:

a) experimentálně lze zjistit pouze relativní pohyb, to je pohyb jednoho pozorovatele ve vztahu k druhému;

b) nezávisle na pohybu svého zdroje se světlo pohybuje prostorem konstantní rychlostí.

Z těchto dvou předpokladů Einstein vyvodil závěry, které otřásly klíčovými myšlenkami Newtonovy fyziky. Newtonův předpoklad, že čas je absolutní, že je v podstatě vždy týž a že konstantně probíhá od minulosti do budoucnosti, Einstein vyvrátil touto úvahou: Pozorovatel, který stojí u železničního náspu, vidí dva paprsky světla, které v témže okamžiku dopadají na koleje, a proto usuzuje, že dopadly současně, jeden na východ a druhý ve stejné vzdálenosti na západ. Právě v okamžiku dopadu projíždí přímo před ním druhý pozorovatel ve vlaku, který velkou rychlostí jede z východu na západ. Tomuto druhému pozorovateli se nezdá, že by oba paprsky dopadly současně. Vzdaluje se totiž od paprsku na východní straně, jehož světlo ho dostihne poněkud později. Protože se však pohybuje směrem k paprsku na západní straně, dorazí k němu jeho světlo dříve. Co první pozorovatel považuje za dva současné světelné paprsky, vidí druhý pozorovatel jako jeden světelný záblesk na západě, následovaný druhým zábleskem na východě. Z toho se přímo nabízí otázka, který z pozorovatelů se mýlí. Einstein na ni odpovídá: Ani jeden. Měření času totiž závisí na volbě místa, odkud měříme.

Čas a prostor jsou relativní

Podobně Einstein dokázal, že také Newtonova koncepce absolutní délky je zastaralá. V novém Einsteinově relativistickém světě jsou čas i vzdálenost stejně nestálé a závisí na pohybu pozorovatele. Jedinou zbývající absolutní veličinou je rychlost světla. Tyto hypotézy vedou někdy k bizarním závěrům týkajícím takzvaných relativních rychlostí, je hodnot, které se blíží rychlosti světla. Jestliže například pozorovatel na Zemi sleduje kosmickou loď, která se od něj vzdaluje rychlostí 260 000 kilometrů za sekundu, pak se mu zdá, že čas na palubě této lodi (za předpokladu, že může vidět palubní hodiny) plyne o polovinu pomaleji než na Zemi. Zdá se mu také, že rozměry lodi a všeho ostatního její palubě se ve směru letu vzhledem k rozměrům na Zemi změnší o polovinu. Naproti tomu pozorovatel přímo v lodi žádné změny na palubě nepozoruje. Má naopak dojem, že právě na Zemi se zpomaluje čas a mění se rozměry.

Tyto zdánlivě protichůdné jevy vedou k proslulému hlavolamu známému jako „paradox dvojčat": Jestliže jedno z dvojčat odletí do vesmíru, které bude starší (a bude-li vůbec starší), az se bratři opět sejdou? Einstein tvrdí, že na tuto otázku je konečná odpověď: V důsledku ostatních relativních jevů souvisejících s odletem ze Země a s návratem na ni bude dvojče, které odletí velkou rychlostí do vesmíru, po návratu mladší než dvojče, které zůstalo na Zemi.

V roce 1905 Einsten uveřejnil v časopise Annalen der Physik dvě další zásadní práce. Jedna vysvětluje takzvaný fotoelektrický jev, který nastává, když světelný paprsek zasáhne kovový terč a způsobí tak, že terč vysílá elektrony. Vychází v ní z teorie fyzika Maxe Plancka, který vyřešil spletitou otázku vyzařování tepla a svěda horkými předměty - předpokládal, že energie je pohlcována i vyzařována v malých dávkách, takzvaných kvantech. Plancka samého tato teorie neuspokojovala, neboť soudil, že je v protikladu k přírodě, ale Einstein po ní nadšeně sáhl. Oprášil starou myšlenku, že světlo má někdy charakter částic (později nazývaných fotony) a tyto částice vypuzují z kovu elektrony.
Ve své druhé práci o relativitě (tato konečná zpráva byla uveřejněna v roce 1905) došel Einstein pomocí nově formulovaného matemamatického aparátu a některých myšlenek ze své studie o fotoelektrickém jevu k historickému závěru: „Jestliže nějaké těleso vydá určité množství energie E ve formě světla, sníží se jeho hmota o toto množství dělené druhou mocninou rychlosti světla (m = E/c2)." Odtud byl krátký algebraický krok, ale nesmírný intelektuální skok k ještě odvážnějšímu závěru - že totiž hmota a energie jsou nejen ekvivalentní, ale zaměnitelné. Neznamenalo to nic jiného než to, že i nepatrně velká hmota hmota má výbušnou sílu desítek TNT, a dveře do jaderného věku byly otevřeny. Vysvětluje to mimo jiné, proč Slunce může svítit miliardy let, aniž se výrazněji zmenší jeho velikost.
Einsteinova intelektuální produkce v onom zázračném roce 1905 byla stejně ohromující jako její důsledky. Bez nadsázky lze říci, že něco tak převratného se stalo naposledy v roce 1666, kdy třiadvacetiletý Newton ze strachu před černým morem odjel z Cambridge do Lincolnshiru, kde studoval světelné spektrum a vypracoval hlavní zásady své univerzální teorie o gravitaci a pohybu těles.

Einstein po sedmi letech odešel posléze z patentového úřadu a získal akademická místa nejprve v Praze a později v Curychu. V předvečer první světové války přijal pak přes svůj odpor vůči německému militarismu místo profesora na berlínské univerzitě a v Ústavu císaře Viléma byl jmenován šéfem nově utvořeného střediska teoretické fyziky. Tento krok měl některé trpké důsledky. Po vypuknutí války byl socialista a pacifista Einstein jedním ze čtyř německých intelektuálů, kteří podepsali prohlášení odsuzující válku. Jeho žena a oba synové se vrátili do Švýcarska a toto odloučení vedlo za několik málo let k rozvodu. Krátce potom se Einstein oženil se svou ovdovělou sestřenicí Elsou.

Princip rovnocennosti

Mezitím se neklidná Einsteinova mysl přestala zabývat rovnoměrným pohybem, který postulovala speciální teorie relativity, a soustředila se na mnohem složitější zrychlený pohyb, to znamená pohyb, jehož rychlost se mění. Tak v důsledku zemské přitažlivosti se rychlost předmětu padajícího k zemi zrychluje každou sekundu o 9,81 metru za sekundu. Einstein zvolil zcela odlišný přístup než Newton, který vypozoroval, že přitažlivost působí stejně na všechna tělesa nezávisle na jejich hmotnosti. K tomuto závěru dospěl už Galileo Galilei, který experimentálně zjistil, že předměty různé hmotnosti, hozené z věže v Pise, dopadly na zem prakticky ve stejném okamžiku (případné rozdíly byly způsobeny odporem vzduchu). Éinstein nabídl vysvětlení. Tvrdil, že zrychlení působené přitažlivostí nelze odlišovat od zrychlení působeného jinými silami.

Tento předpoklad je Einsteinovým principem rovnocennosti. Einstein jako obvykle uvedl názorný příklad: Představme si vědce, který jede ve výtahu, jenž se vzdaluje od Země. Pohyb výtahu se směrem nahoru zrychluje každou sekundu o 9,81 metru za sekundu. V důsledku odporu, který vědcovo tělo klade změně rychlosti (v důsledku jeho setrvačné síly), je tlak vědcových nohou na podlahu výtahu stejný, jako kdyby výtah byl v klidu na zemském povrchu. Nelze určit, zda tah zdola je gravitačního nebo setrvačného původu.
Co je však potom gravitace, tato tajemná síla, o níž se Newton domníval, že i na největší vzdálenost působí okamžitě? Podle Einsteina nejde vůbec o sílu, ale o vlastnost takzvaného časoprostoru. Podle této představy světa je vesmír určován třemi prostorovými rozměry a navíc časovým rozměrem, který nelze vysvětlit nedotknutelnou euklidovskou geometrií z dob Einsteinova mládí. Aby vyjádřil svůj nový čtyřrozměrný svět, vypůjčil si Einstein na radu svého starého spolužáka a přítele Grossmanna podivnou neeuklidovskou geometrii, kterou v 19. století vyvinul německý matematik Bernhard Riemann.
Einstein uspořádal všechny vztahy do deseti komplexních „experimentálních" rovnic a v roce 1916 uveřejnil svou obecnou teorii relativity. Einsteinův zakřivený čtyřrozměrný časoprostor, který si těžko dovedeme představit, je často přirovnáván k nataženému gumovému pásu, který se okamžitě deformuje, je-li na něj položen nějaký těžký předmět. Podobně podle Einsteina těžké těleso, jako je Slunce, deformuje časoprostor, který je obklopuje. Planety nejsou udržovány přitažlivosti na svých eliptických oběžných drahách kolem Slunce, ale pohybují se po zakřivených drahách časoprostoru.
Aby dokázal platnost svých teorií, Einstein poprvé použil tyto experimentální rovnice k vysvětlení podivné anomálie oběžné dráhy Merkuru kolem Slunce. Za sto let se bod na eliptické oběžné dráze Merkuru, který je nejblíže Slunci, posune o 43 úhlové vteřiny. Zatímco klasická newtonovská mechanika nebyla schopna tento posun vysvětlit, Einsteinovy rovnice tu zcela vyhovují.
Jiný Einsteinův myšlenkový experiment předpokládal, že hypotetický výtah s neobyčejně vysokým zrychlením se pohybuje rychlostí blížící se rychlosti světla. V tomto případě vědec ve výtahu uvidí, že světelný paprsek pronikající otvorem ve stěně se ohne do oblouku a vyjde v dolním bodě na protější stěně. Je to proto, že výtah jede směrem vzhůru, i když jím prochází světelný paprsek. Avšak vědec ve výtahu, který si uvědomuje jen to, že jeho nohy tlačí ha podlahu (v důsledku zrychlení), předpokládá, že paprsek se ohnul proto, že na něj působila přitažlivost. Právě tento experiment, aplikovaný pomocí soustavy rovnic na podmínky ve vesmíru, konečně vzbudil pozornost v celém vědeckém světě. Obécná teorie relativity ukázala, že když světlo ze vzdálené hvězdy prochází na své cestě k Zemi těsně kolem Slunce, sluneční přitažlivost změní jeho dráhu a tím se posune poloha hvězdy na obloze. Einstein vypočítal, že toto posunutí činí 1,75 úhlové vteřiny, což je sice nepatrná, avšak přesto pozorovatelná změna. Jak však může nějaký astronom pořídit za slunečního svitu snímek hvězdy, která leží ve stejném směru jako Slunce? Může, a to za úplného zatmění Slunce. A tak 29. května 1919 britský astronom Arthur Eddington, který se skupinou vědců pozoroval zatmění Slunce ze stanoviště na Princově ostrově u západoafrického pobřeží, zjistil odchylku světla z hvězdy, která téměř přesně odpovídala hodnotě vypočítané Einsteinem.

Nadšení i odpor - také relativita

Ve světě, který se ještě nevzpamatoval z válečného krveprolití, působila představa, že jediný člověk může pomocí matematických výpočtů nově uspořádat vesmír, jako neuvěřitelný zázrak. Novináři začali obléhat Einsteina, který ze všech stran dostával pozvání k přednáškám. Přijímali ho prezidenti a králové a všude ho vítaly davy nadšených obdivovatelů. Vydávaly se knihy s populárním vysvětlením relativity, ale Einsteinova teorie je tak složitá, že její matematické vyjádření bylo srozumitelné jen úzkému okruhu zasvěcenců. Velmi brzy se jeho teorie stala předmětem živé polemiky, ale také terčem prudkých útoků. Někteří duchovní hodnostáři ji chápali jako útok proti náboženství a bostonský kardinál O'Connell dokonce prohlásil, že „učení o relativitě je jen novou formou ateismu".

Není těžké pochopit, proč Einsteinova teorie vyvolala takový rozruch. Jeho revoluční myšlenky o čase a prostoru byly v přímém rozporu se starými předsudky a na první pohled i s každodenní zkušeností. Nejostřejší útoky se ozývaly z Německa, kde Židům dávali vinu za porážku v první světové válce - a Einstein byl Žid a navíc pacifista. Jeho učení odmítli všichni tehdejší němečtí vědci, až na několik světlých výjimek, jako byl například Max Planck. Krátce po příchodu Hitlera k moci přijal Einstein, který byl v té době v zahraničí, místo na nově založeném Institutu pro moderní studium v Princetonu a nikdy se už do Německa nevrátil.

V roce 1939, když se fyzici Leo Szilard a Eugene Wigner dozvěděli, že se německým vědcům podařilo rozbít atom, požádali Einsteina o pomoc. Einstein sám neměl tehdy pravděpodobně ani sebemenší představu o vývoji v jaderné fyzice, ale když ho Szilard a Wigner informovali, napsal dopis prezidentu Rooseveltovi, v němž ho upozorňoval, že nacisté se pokoušejí vyrobit atomovou pumu. Tvrdí se, že tento dopis pomohl přesvědčit Roosevelta, aby dal příkaz k zahájení prací na projektu Manhattan, v jehož rámci byly vyrobeny první atomové zbraně. Když Američané později svrhli atomové pumy na Hirošimu a Nagasaki, vyjádřil Einstein své hluboké politování a po válce se se slzami v očích osobně omluvil japonskému fyziku Hidekimu Jakaovi. Při jiné příležitosti řekl: „Kdybych byl věděl, že Němcům se nepodaří vyrobit atomovou pumu, nebyl bych hnul ani prstem."

Einstein, který je právem považován za Newtona 20. století, po sobě zanechal tak bohaté intelektuální dědictví, že jeho hloubka je stálým zdrojem nových objevů. Přitom však nikdy nepřestal být člověkem a vždy usiloval o to, aby jeho objevy sloužily celému lidstvu.

Archiv ZAZ