Rok 2005 obchodzony jest na całym świecie jako Rok Alberta Einsteina, a 18 kwietnia minie 50. rocznica jego śmierci. O wielkim fizyku teorii względności i gwiazdach z ks. prof. Michałem Hellerem, wybitnym polskim teologiem, filozofem i kosmologiem, rozmawia Renata Krzyszkowska

Jak doszło do powstania szczególnej teorii względności?
- Szczególna teoria względności była odpowiedzią Einsteina na kryzys, jaki zapanował w fizyce w XIX wieku. Świat postrzegano wtedy jako wielką machinę, którą rządzą prawa mechaniki Newtona. Pogląd ten nazwano mechanicyzmem lub filozofią mechanistyczną. W drugiej połowie XIX wieku Maxwell stworzył teorię elektromagnetyzmu. I wówczas pojawiły się problemy: nowa teoria nie chciała wpisać się do mechanistycznego schematu. Próbowano modyfikować teorię Maxwella, ale nie prowadziło to do celu. Dopiero Einstein zauważył, że trzeba zmienić nie prawa elektromagnetyzmu, lecz prawa newtonowskiej mechaniki.
Zmiany zaproponowane przez Einsteina sięgały samej koncepcji czasu i przestrzeni. W mechanice Newtona czas i przestrzeń są absolutne, tzn. nie zależą od układu odniesienia. Einstein zauważył, że aby uzgodnić teorię Newtona z teorią Maxwella, należy to zmienić. I zmienił. W szczególnej teorii względności czas i przestrzeń wyglądają zupełnie inaczej w różnych układach odniesienia. Tym, co się nigdy nie zmienia, jest prędkość światła i stosunki czasoprzestrzenne (ale nie oddzielnie czasowe i przestrzenne).
Szczególna teoria względności dotyczyła tylko układów poruszających się jednostajnie i prostoliniowo względem siebie. Einstein niemal od samego początku rozumiał, że nową teorię należy uogólnić na dowolnie poruszające się układy odniesienia (poruszające się z przyspieszeniami). Po kilku latach intensywnej pracy w 1915 r. ogłosił teorię, którą dziś nazywamy ogólną teorią względności. Okazało się, że uwzględnienie przyspieszeń wprowadza do teorii pole grawitacyjne. Pojawia się ono w teorii jako zakrzywienie czasoprzestrzeni. Słynne Einsteinowskie równania wyrażają ten związek ilościowo i umożliwiają obliczenie, jak się poruszają różne ciała w różnych polach grawitacyjnych. Równania Einsteina są jednymi z najpiękniejszych równań współczesnej fizyki. Wynika z nich wiele faktów, o których w czasach Einsteina nikt nie miał pojęcia.

Czy wynikało z nich to, co naukowcy odkryli dopiero niedawno, że materia, z której zbudowana jest Ziemia, oraz gwiazdy to zaledwie 4 proc. masy wszechświata, a reszta to tajemnicza ciemna materia i ciemna energia?
- Istnienie ciemnej materii i, być może, ciemnej energii wynika z kombinacji danych obserwacyjnych i teorii. Ale to właśnie równania Einsteina zawierały człon (ze słynną stałą kosmologiczną), który dzisiaj dostarcza teoretycznego uzasadnienia dla istnienia ciemnej materii. Warto przypomnieć, że Einstein wprowadził do równań stałą kosmologiczną, gdy równania mówiły mu, iż wszechświat nie jest stabilny, a to mu się nie podobało. Potem, gdy obserwacje astronomiczne istotnie pokazały, że wszechświat jest niestabilny, ponieważ się rozszerza (galaktyki uciekają od siebie), Einstein uznał wprowadzenie stałej kosmologicznej za największą pomyłkę swojego życia. Wygląda na to, że równania były jednak "mądrzejsze" od Einsteina. One już wówczas "wiedziały" o ciemnej materii.

Czym fizyka zajmuje się 100 lat po ogłoszeniu rewolucyjnej teorii Einsteina?
- Obie teorie względności, szczególna i ogólna, należą dziś do niepodważalnych kanonów fizyki. Wiadomo jednak, że ogólna teoria względności nie jest teorią ostateczną. Dzisiaj fizyka podzielona jest na dwa obszary: fizykę makroskopową, w której królują szczególna i ogólna teoria względności, oraz fizykę kwantów, czyli fizykę mikroświata. Wielu fizyków-teoretyków pracuje dziś nad stworzeniem teorii, która łączyłaby ogólną teorię względności, czyli teorię grawitacji, z mechaniką kwantową. Tę poszukiwaną teorię nazywa się kwantową teorią grawitacji, a jej zastosowanie do celów kosmologicznych - kosmologią kwantową.

Dlaczego połączenie tych dwóch teorii jest tak ważne?
- A dlaczego jeden wszechświat miałby być rządzony dwiema niezależnymi od siebie teoriami? Nowożytna fizyka powstała ze zunifikowania, przez Kopernika, Keplera, Galileusza i Newtona, "fizyki nieba" i "fizyki ziemi". Potem ewolucja fizyki polegała na łączeniu niezależnych od siebie teorii. Na przykład Maxwell połączył teorię elektryczności i teorię magnetyzmu. Obecnie pracuje się nad zunifikowaniem mechaniki kwantowej z teorią grawitacji, ale także nad połączeniem czterech podstawowych sił fizycznych (grawitacja, elektromagnetyzm i dwie siły jądrowe: słabe i silne) w jedno fundamentalne oddziaływanie.

Czy Einstein myślał o stworzeniu kosmologii kwantowej?
- Einstein jest jednym ze współtwórców mechaniki kwantowej. Jednak jej nie lubił. Uważał, że jest teorią przejściową, dlatego nie szukał jej połączenia z teorią grawitacji. Einstein jako pierwszy zrozumiał, że fizykę trzeba zunifikować, ale pracował tylko nad zunifikowaniem grawitacji i elektromagnetyzmu. Pracował nad tym do końca życia, ale bez większych sukcesów. Dziś wiemy, że - jak wspomniałem - są cztery podstawowe siły fizyczne: grawitacja, elektromagnetyzm i dwie siły jądrowe: słaba i silna. Za czasów Einsteina wiedza na temat dwóch ostatnich sił była jeszcze niedostateczna, dlatego w programie unifikacji nie brał ich pod uwagę. Przyszłą teorię, która - jak mamy nadzieję - zunifikuje ogólną teorię względności z fizyką kwantową oraz wszystkie cztery oddziaływania w jedno, nazywa się niekiedy teorią wszystkiego.

Jak zaawansowane są prace nad teorią wszystkiego?
- W latach 70. udało się już zunifikować oddziaływanie elektromagnetyczne i jądrowe słabe (tak zunifikowane oddziaływanie nazywa się elektrosłabym). Autorzy tego dokonania, Salam i Weinberg, otrzymali Nagrodę Nobla. Zgodnie z ich teorią, w normalnych temperaturach, jakie spotykamy na Ziemi, te dwie siły, czyli elektromagnetyczna i jądrowa słaba, zawsze są rozdzielone. Ale w temperaturach, jakie panowały we wszechświecie, gdy jego wiek wynosił 10-11 sekundy, oddziaływania elektromagnetyczne i jądrowe słabe były zunifikowane. Gdy w wielkim akceleratorze cząstek elementarnych udało się osiągnąć takie temperatury, teoria Weinberga-Salama została potwierdzona eksperymentalnie.

Ksiądz Profesor również ma swój udział w badaniach nad teorią wszystkiego, bo zajmuje się kosmologią kwantową. Jak wiele czerpie Ksiądz z Einsteina?
- Trudno byłoby znaleźć uczonego, który tak inspirowałby postęp fizyki, jak Einstein. Nawet te jego idee, które kiedyś wydawały się co najmniej dziwne, często po latach okazywały się inspirujące. Chociaż również jest prawdą, że tego, co kiedyś było trudne do przełknięcia przez wielkich uczonych, dziś uczy się studentów. Istotnie, wspólnie z matematykami z Politechniki Warszawskiej stworzyliśmy model, który ma na celu zunifikowanie ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową. Nadal pracujemy nad jego rozwijaniem. Jest to model jeden z wielu, jakie stworzono do tej pory, i nie jest on na pewno dopracowany tak jak na przykład znana wśród fizyków teoria superstrun. Nasz model jest jednak ciekawy, gdyż ukazuje, jak wiele pojęciowych trudności trzeba przezwyciężyć, by dotrzeć do podstawowego poziomu fizyki.