Pióra i ołówki na teorii grawitacji połamało już wielu badaczy. To, co znamy, to prosty wzór, którego dzieci uczą się w szkole. Że siła grawitacji zależy od masy obiektów, które są jej źródłami (im obiekt cięższy, tym większa siła), oraz że słabnie wraz ze zwiększającą się odległością pomiędzy tymi obiektami. Dzięki tej prostej zależności udaje się doskonale przewidywać ruchy planet, satelitów, także zachowanie sporej części gwiazd w galaktyce. Sporej, ale nie wszystkich.

Jabłko spadło na głowę

Pomijając dosyć irytujący dla naukowców fakt, że przeważająca większość masy wszechświata jest kompletną niewiadomą (wiemy o tym od kilku dziesięcioleci), teoria grawitacji Newtona nie jest w stanie wyjaśnić wielu obserwowanych zjawisk. Nie może być też stosowana w – chyba można tak powiedzieć – najbardziej interesujących obszarach wszechświata. Tam, gdzie dzieją się rzeczy straszne i fascynujące zarazem. Kolizje gwiazd neutronowych, pulsary, czarne dziury czy wybuchy supernowych. Grawitacji nie sposób także „dopasować” do Wielkiego Wybuchu. A skoro od niego swój początek wzięły czas i przestrzeń, nasze braki w rozumieniu grawitacji stają się kłopotliwe. Osobą, która grawitację wprowadziła do podręczników przyrody (fizyki) i która pierwsza opisała ją liczbowo, był wspomniany Isaac Newton. Żył na przełomie XVII i XVIII wieku, był człowiekiem prawdziwie uniwersalnym. To z nim wiąże się – najpewniej nieprawdziwą – historię o jabłku, które spadając z drzewa, uderzyło odpoczywającego na trawie naukowca. To wtedy miał on wymyślić jeden z pierwszych wzorów fizycznych, jakie uczniowie poznają w szkole. Drugą osobą, która przychodzi do głowy każdemu fizykowi na myśl o grawitacji, jest Albert Einstein. Dokładnie 100 lat temu ogłosił on swoją „Ogólną teorię względności” (OTW). Jej manuskrypt (ma 46 stron) można dzisiaj zobaczyć w Bibliotece Narodowej Izraela. Kartki, każdą z osobna, umieszczono w szklanych gablotach. Oświetlono je specjalnymi żarówkami, których światło nie zniszczy cennych rękopisów. W pomieszczeniu wystawowym panuje półmrok, a wilgotność i temperatura cały czas są kontrolowane.

Bazgroły geniusza

Ogólna teoria względności powstała w 1915 roku, gdy Albert Einstein przebywał w Niemczech. Dokładnie dziesięć lat później, w 1925 roku, swój rękopis podarował nowo otwartemu Uniwersytetowi Hebrajskiemu w Jerozolimie. Już wtedy Einstein był znanym człowiekiem, a jego prace – choć przez bardzo nielicznych rozumiane – były w pewnym sensie kultowe. Na postronnym obserwatorze, niespecjaliście, notatki Einsteina mogą sprawiać wrażenie niewyraźnych bazgrołów zrobionych na pożółkłych kartkach. Są napisane bardzo drobnym maczkiem, często poprawiane, miejscami podkreślone, w innych miejscach przekreślone. Sporo w nich matematycznych wzorów. Niesamowite, jak wiele w fizyce czy w ogóle w postrzeganiu świata (wszechświata) zmieniło to, co 100 lat temu zostało zaprezentowane światu. Stworzenie OTW nie było olśnieniem, jak w przypadku wielu innych teorii fizycznych. Einstein pracował nad nią 9 lat. Czasami błądził, mylił się. To była żmudna praca. OTW jest – jak sama nazwa wskazuje – uogólnieniem szczególnej teorii względności Einsteina.

Choć teoria ogólna i szczególna to jego najbardziej znane prace, Einstein największe naukowe zaszczyty (Nagrodę Nobla) odebrał za prace nad zupełnie innym problemem (konkretnie – nad efektem fotoelektrycznym). Ogólna teoria względności jest w zasadzie teorią opisującą najbardziej namacalne dla nas oddziaływanie – grawitację. Z nią wiążą się takie wielkości jak masa, przestrzeń i czas. OTW jest bardzo skomplikowana. Nie sposób jej zrozumieć bez ogromnej wiedzy matematycznej. Wynika z niej, że każda masa jest źródłem zakrzywienia otaczającej ją przestrzeni. Im większa masa, tym większa siła grawitacji, czyli większe zakrzywienie przestrzeni. W zakrzywionej przestrzeni światło nie porusza się po liniach prostych, tylko krzywych. To dlatego światło dalekich galaktyk biegnące w okolicach dużych mas (czarnych dziur czy innych galaktyk) jest zakrzywione, tak samo jak światło przechodzące przez szklane soczewki. Astrofizycy znają pojęcie soczewek grawitacyjnych, czyli dużych (ciężkich) obiektów we wszechświecie, które zakrzywiają bieg promieni świetlnych. Zakrzywiane światło to jednak dopiero początek wchodzenia w świat abstrakcji. Z równań Einsteina wynika także, że czas jest pojęciem względnym, że nie płynie dla nas wszystkich tak samo. Jego bieg jest zależny bowiem od siły grawitacji i od prędkości, z jaką porusza się ciało.

Garstka rozumie

Podobno na jednej z konferencji naukowych do Einsteina podszedł młody naukowiec i poprosił o pomoc w zrozumieniu matematyki, jaka stoi za teoriami względności. Tłumaczył mistrzowi, że próbował to zrozumieć, ale nie podołał. – Pana teoria jest tak trudna, że podobno rozumieją ją tylko dwie osoby na tej sali – powiedział młodziak. – Dwie, powiadasz, to powiedz mi, proszę, która to ta druga – miał powiedzieć Einstein. Być może ta historia, jak zresztą większość anegdot dotyczących znanych ludzi, jest nieprawdziwa, ale… Gdy Einstein referował swoje pomysły na względność, był znany z zupełnie innych badań teoretycznych. Słuchano go więc z zaciekawieniem. Ale to zaciekawienie wynikało z szacunku do znanego fizyka, a nie ze zrozumienia tego, o czym mówił. W pewnym sensie tak jest do dzisiaj. Albert Einstein jest postacią kultową. Ale nie dlatego, że tak wielu ludzi rozumie szczególną czy ogólną teorię względności. Tak naprawdę zaledwie garstka fizyków wie, o co w niej chodzi. Znacznie większa grupa wie, jak wykorzystywać wiedzę, która z teorii Ein- steina wynika. Trudność teorii względności jest podwójna. Stoi za nią bardzo skomplikowany aparat matematyczny – to po pierwsze. Po drugie wnioski, jakie wynikają z tych równań, są dla nas abstrakcyjne. Jak to – czas biegnie inaczej dla osoby, która stoi w miejscu, a inaczej dla osoby, która się porusza? Co to znaczy, że grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń? Jak to sobie wyobrazić? W dwóch wymiarach to dość proste: gdy dwie osoby trzymają za rogi obrus, jego powierzchnia jest prosta. Ale gdy na sam jego środek wrzucimy piłkę, obrus w miejscu, w którym się ona znajduje, jest „zakrzywiony”. Im większa piłka, tym większe zakrzywienie, a położona na skraju obrusu mniejsza piłeczka stoczy się do tego zakrzywienia, tak jak przyciągana grawitacyjnie asteroida „stoczy” się w kierunku Słońca. Tyle tylko, że obrus ma dwa wymiary, a przestrzeń wokoło trzy.

Pomyłka, której nie było

Einstein był teoretykiem. Nie sprawdzał eksperymentalnie tego, co wyliczył na drodze matematyki. Zresztą kiedy dokonywał swoich odkryć, nie było możliwości sprawdzenia ich poprawności. Urządzenia pomiarowe nie były dość czułe, a człowiek jeszcze nie latał w kosmos. To właśnie w przestrzeni pozaziemskiej wielokrotnie testowano wyliczenia Alberta Einsteina. Wszystkie dokładnie się zgadzają. Einstein pomylił się tylko w jednym punkcie. W czasach, w których żył, uważano, że wszechświat jest statyczny. Nie rozszerza się (nie pęcznieje), ale też się nie kurczy. Lecz z równań Einsteina wynikało, że wszechświat powinien się rozszerzać. Fizyk długo sprawdzał, czy nie popełnił w rachunkach jakiegoś błędu. Ostatecznie – gdy go nie znalazł – postanowił dodać do swoich równań tzw. stałą kosmologiczną Λ, czyli parametr, który w sposób, można by powiedzieć, sztuczny powodował, że na papierze opis wszechświata pasował do jego obrazu, jaki wtedy funkcjonował. Einstein długo nie mógł zrozumieć, w czym jest problem. Z teorii wszystko powinno wynikać „wprost”, a dopisywanie czegokolwiek tylko po to, by pasowało do rzeczywistości, jest… nieeleganckie. Wyjścia jednak nie było. Kilka lat po opublikowaniu „Ogólnej teorii względności” okazało się, że dodanie stałej kosmologicznej było błędem. Młody amerykański astronom Edwin Hubble zaobserwował bardzo dalekie galaktyki, które się od siebie (i od nas) oddalają. Dosyć szybko zorientowano się, że wszechświat nie jest statyczny, ale pęcznieje. Pierwotne równania Einsteina nie myliły się, a teoria, którą stworzył, była doskonała. Nie tylko opisywała rzeczywistość, ale ją w pewnym sensie przewidywała. Sam fizyk po latach powiedział, że dodanie stałej kosmologicznej było największym naukowym błędem jego życia.