Jak nauczyć teorii względności swojego psa - ebook

Wprowadzenie

Zrobiło się zimno i wokół szalała grypa. Ponieważ prowadzę zajęcia na uczelni, a moja córka chodzi do żłobka, łapię praktycznie każdego wirusa, jaki się pojawi. Poprawiałem właśnie arkusze egzaminacyjne przy stole w jadalni, gdy dopadł mnie atak kaszlu. Gdy w końcu doszedłem do siebie, poszedłem napić się wody i wtedy usłyszałem głuchy stukot. Spojrzałem w kierunku Emmy, która siedziała na podłodze obok kanapy. Stukała ogonem o podłogę z językiem wywieszonym z boku pyska: to psi odpowiednik śmiechu.

– Tak, śmiej się, futrzaku. Uważasz, że to zabawne?

– Przepraszam – odpowiedziała – ale pod koniec zabrzmiało to, jakbyś powiedział:… – i tu szczeknęła dwukrotnie, wydając odgłosy przypominające nieco kaszel. – To naprawdę śmieszne w psim języku.

– Tak? A co to znaczy?

– No cóż, to znaczy… hmm… A zresztą, skoro nie potrafisz powąchać własnego tyłka, to i tak nie zrozumiałbyś dowcipu.

– W takim razie trudno, będę musiał się z tym pogodzić – odparłem i zająłem się ponownie egzaminami.

– Zastanowię się jeszcze, może coś wymyślę, ale tłumaczenie dowcipów jest bardzo trudne.

– Tłumaczenie czegokolwiek jest trudne – powiedziałem, nie podnosząc wzroku znad papierów.

– Tak? A co ty wiesz o tłumaczeniu?

– Na tym polega moja praca.

– Jesteś fizykiem, a nie dyplomatą.

– Jestem wykładowcą fizyki – zauważyłem, odkładając pióro. – Oprócz tego, że zajmuję się fizyką, to jeszcze uczę tego przedmiotu innych ludzi.

– I psy!

– Tak, i psy. Nauczanie fizyki wiąże się z koniecznością tłumaczenia. Naturalnym językiem fizyki jest matematyka, ale większość ludzi nie myśli wyrażeniami matematycznymi. Dlatego nauczając fizyki, trzeba włożyć wiele wysiłku w znalezienie dobrego sposobu na przełożenie idei fizycznych z równań matematycznych na pojęcia odwołujące się do naszego języka i otaczającej nas rzeczywistości.

– No tak, trzeba wymyślać porównania i tym podobne.

– Owszem, to też, ale wiele czasu zajmuje mi także zmaganie się z błędnymi wyobrażeniami na temat działania świata, z którymi często można się spotkać. Czasami nasza intuicja, która zwykle trafnie podpowiada, jak zachowują się znane obiekty, w świecie fizyki prowadzi nas na manowce. Dlatego pierwszym krokiem do nauczenia się fizyki jest pozbycie się tych błędnych przekonań. W zasadzie trzeba zaczynać wszystko od początku.

– Nie miałbyś tego problemu, gdybyś się skupił na nauczaniu psów – stwierdziła, dumna z siebie i swojego gatunku.

– Tak sądzisz?

– Ależ oczywiście. Ja nie mam bladego pojęcia, jak wszystko działa. Jeśli chodzi o fizykę, to jestem tabula rasa.

– Nie posunąłbym się może aż do tak daleko idącego stwierdzenia, ale faktycznie, przynajmniej masz inny zestaw wyobrażeń na ten temat niż większość ludzi. Znaczy to, że rozmyślanie o fizyce z psiego punktu widzenia może być bardzo pouczające – spojrzenie na jakiś problem pod innym kątem i z otwartym umysłem może czasami podsunąć pomysły, na które nigdy by się nie wpadło, wychodząc od własnych utartych przekonań.

– A więc, jeśli się nad tym zastanowić, uczenie mnie fizyki pomaga ci w nauczaniu ludzi.

– Tak, to prawda.

– A to oznacza, że w pewnym sensie jest to częścią twojej pracy, prawda? – Podbiegła bliżej i usiadła, wpatrując się we mnie wzrokiem pełnym nadziei.

– Wiem, do czego zmierzasz, więc pozwól, że ci przypomnę, iż sprawdzenie tych testów jest również częścią mojej pracy. Muszę do jutra wystawić oceny końcowe, więc w tej chwili to zadanie jest ważniejsze.

– Och – westchnęła i nieco zmarkotniała.

– Ale jutro zaczynają się ferie i będę miał więcej czasu, żeby porozmawiać z tobą o fizyce.

– Najchętniej podczas długich spacerów!

– Świetnie, to jesteśmy umówieni. Pozwól więc, że teraz dokończę sprawdzanie egzaminów, a ty zastanów się, o jakich dziedzinach fizyki chciałabyś się czegoś dowiedzieć, dobrze?

– Umowa stoi! – rzuciła i potruchtała w kierunku biblioteki, a ja wróciłem do sprawdzania egzaminów. Gdy zabierałem się do kolejnej pracy, usłyszałem, jak mruczy do siebie:

– Może w końcu dowiem się, o co chodzi z tym całym Einsteinem…

Gdybyśmy poprosili jakiegoś człowieka, a nawet i psa, by wyobraził sobie uczonego, to w większości przypadków usłyszelibyśmy, że przypomina on Alberta Einsteina z najbardziej znanych zdjęć – rozczochrana czupryna siwych włosów, wymięte ubranie, być może nawet niemiecki akcent i wieczne roztargnienie. To trochę nie w porządku wobec uczonych1 – wielcy naukowcy różnią się między sobą wyglądem, kształtem, rasą, płcią i narodowością (choć, na razie, jeszcze nie gatunkiem) – ale Einstein tak bardzo skupił na sobie uwagę wszystkich, że zupełnie zdominował pokutujący w społeczeństwie stereotyp uczonego. Nawet teraz, ponad pięćdziesiąt lat po jego śmierci, Einstein znalazł się na drugim miejscu w sondzie, w której poproszono o wymienienie nazwiska jakiegoś żyjącego uczonego2.

Jeśli spytamy, dlaczego Einstein jest słynnym uczonym, to nawet psy przytoczą równanie E = mc2, a może nawet określenie „teoria względności”. Jednakże już wyjaśnienie, co te sformułowania oznaczają lub skąd się wzięły, przekracza możliwości większości ludzi, nie mówiąc o psach. To bardzo smutne, ponieważ teoria względności Einsteina jest jednym z kamieni węgielnych współczesnej fizyki. Razem z mechaniką kwantową całkowicie odmieniła sposób, w jaki uczeni postrzegają nasz Wszechświat. Pomaga nam poradzić sobie z problemami, których fizyka klasyczna nie potrafi rozwiązać. Stawia też nowe wyzwania, z którymi fizycy wciąż jeszcze się zmagają, choć od ogłoszenia tej teorii upłynęło już sto lat.

Niestety, cechy, dzięki którym teoria względności jest tak ważna w fizyce, sprawiają, że osobom niezajmującym się tą dziedziną wiedzy wydaje się ona wręcz niemożliwa do zrozumienia. Teoria względności zajmuje się sytuacjami, z którymi nie spotykamy się na co dzień – obiektami poruszającymi się tysiące razy szybciej od najszybszych pojazdów skonstruowanych przez człowieka i ciałami kosmicznymi ściskającymi olbrzymią masę w niewielkiej objętości – a jej przewidywania kłócą się z naszymi oczekiwaniami. Wynika z niej, że wielkości, które wydają nam się podstawowe – odległość w przestrzeni i czas trwania jakiegoś zdarzenia – w istocie są różne dla różnych obserwatorów. Poruszający się zegar chodzi w innym tempie niż zegar nieruchomy. Sama przestrzeń rozciąga się w obecności masy tak, że odległość między dwoma punktami zależy od tego, co po drodze mijamy.

Wszystko to są zdumiewające przewidywania wynikające z teorii względności. Nie ma wątpliwości, że są one poprawne, sprawdzono je bowiem w niezliczonej ilości doświadczeń, przeprowadzonych w ciągu stu lat, jakie upłynęły od ogłoszenia tej teorii w 1905 roku. Wszechświat, w którym żyjemy, jest znacznie dziwniejszy, niż można podejrzewać na podstawie tego, czego doświadczamy na co dzień. By go w pełni zrozumieć, musimy rozszerzyć nasze pojęcie Wszechświata tak, by obejmowało również sprzeczne z intuicją przewidywania teorii względności.

Wydaje się to niezwykle trudne, ale można sobie ułatwić to zadanie – wystarczy spojrzeć na świat oczami psa. Każdy właściciel czworonoga wie, że psy zupełnie inaczej postrzegają świat – nie są całkowicie wolne od utartych wyobrażeń, ale przynajmniej są to inne wyobrażenia niż w przypadku ludzi i bardzo często ułatwiają zrozumienie fizyki. Zdaniem psa, każda chwila powinna być porą obiadową, zatem łatwiej jest im przyjąć ideę, że zegary poruszających się obserwatorów (lub obserwatorów znajdujących się w różnych miejscach) chodzą w różnym tempie.

Jeśli nauczymy się myśleć jak nasi czworonożni towarzysze, to świat stanie się dla nas niewyczerpanym źródłem dziwnych i nieoczekiwanych zjawisk, a współczesna fizyka przestanie być tak onieśmielająco trudna. Spojrzenie na fizykę z punktu widzenia psa pozwoli nam pozbyć się naszych ludzkich oczekiwań odnośnie do tego, jak wszystko powinno działać, i będziemy mogli się cieszyć dziwnym i wspaniałym światem teorii względności.

W tej książce zapisałem kilka rozmów, które przeprowadziłem z moim psem na temat pewnych aspektów szczególnej i ogólnej teorii względności. Z myślą o bardziej zainteresowanych czytelnikach po każdej rozmowie zamieściłem szczegółowe omówienie związanych z nią procesów fizycznych. Niektóre z przedstawianych tu zagadnień zyskały już pewien rozgłos, choć nie zawsze wiąże się z tym dobra opinia, i trafiły do szeroko rozumianej kultury – jest to na przykład słynne równanie Einsteina E = mc2 (rozdział 7) czy idea czarnych dziur (rozdział 10); inne koncepcje są mniej znane poza światem fizyki – na przykład związek między przestrzenią i czasem (rozdział 5) czy wpływ grawitacji na czas (rozdział 9) – jednak są nie mniej ważne dla współczesnej wiedzy fizycznej. Powiemy również o niezliczonej ilości doświadczeń i obserwacji potwierdzających to, że Wszechświat jest dziwnym i wspaniałym miejscem.

Nie zdołamy omówić wszystkiego, co w teorii względności jest interesujące – w końcu fizycy już od wielu dziesięcioleci zajmują się tym tematem i wciąż nie zdołali go wyczerpać – ale mamy nadzieję, że książka ta będzie dobrym wprowadzeniem, pozwalającym ludzkim i psim czytelnikom wyrobić sobie pewne wyobrażenie na temat tego, dlaczego teoria ta jest tak ważna. A gdy następnym razem jakiś natarczywy kot spyta was, dlaczego Einstein jest sławny, będziecie mogli udzielić mu wyczerpującej odpowiedzi.

– Nie zapominaj o mnie!

– Nie zapominam. Dlaczego tak myślisz?

– A, racja, wspomniałeś o rozmowach na początku każdego rozdziału. Nie powiedziałeś jednak, że również w środku będę miała cię na oku. Jeśli tylko spróbujesz coś pominąć albo przemycić bez wyjaśnienia, zaraz przystąpię do działania i dopilnuję, żebyś wszystko opisał jak należy.

– Mniej więcej tak, jak to robisz w tej chwili?

– Owszem. Och, zaraz – czy to również trafi do książki?

– Tak.

– Cóż, trudno, przynajmniej teraz czytelnicy mają świadomość, czego się mogą spodziewać. Powinni też wiedzieć, że przez cały czas będę ci patrzyła na ręce, a muszę nadmienić, że jestem doskonałym psem do pilnowania.

– Myślę, że nikt nie ma co do tego najmniejszych wątpliwości.

– Poza tym, jestem także przemiła, lubię długie spacery, głas­kanie po brzuchu, gonitwy za zającami i kiełbasę. Tak, uwielbiam kiełbasę. I ser. I masło orzechowe.

– Wybacz, ale nie rozumiem, jakie to ma znaczenie.

– No, wiesz, mówię to tak na wszelki wypadek, gdyby ktoś chciał przesłać mi jakiś prezent. Sam rozumiesz, jestem przecież doskonałym psem obdarzonym wyczuciem fizyki i tak dalej. Zamieścisz w książce nasz adres, prawda? Bo niby skąd czytelnicy mieliby wiedzieć, dokąd to wszystko wysłać?

– Myślę, że wystarczy już tych pochwał pod twoim adresem?

– Dobrze, jak sobie chcesz. Ale to nie było zabawne.

– Czy możemy zająć się wreszcie rozmową o fizyce?

– Pewnie, nie ma sprawy. Bierzmy się do fizyki – jestem gotowa na wszystko!

1 Taki obraz jest również niesprawiedliwy wobec samego Einsteina, który w chwili opublikowania swojego przełomowego dzieła nie miał nawet jeszcze trzydziestki. Na zdjęciach z tego okresu widać przystojnego, zadbanego młodzieńca – rozwiany włos i niedbały strój pojawiły się znacznie później.

2 To znaczy, na drugim miejscu wśród tych, którzy w ogóle potrafili wymienić nazwisko jakiegoś uczonego – 65% pytanych nawet nie próbowało (http://new­voicesforresearch.blogspot.com/2009/07/can-you-name-living-scientist.html). Stawkę otwiera Stephen „Krótka historia czasu” Hawking.