Rovnici, která obsahuje pouhá tři písmena a jediné číslo, zná i většina malých dětí. Spousta lidí si ale neuvědomuje její epochální význam a co všechno díky ní lidstvo získalo.
V roce 1905 vypracoval tehdy šestadvacetiletý referent bernského patentového úřadu Albert Einstein za pouhé čtyři měsíce tři revoluční vědecké práce. Jakkoli každá spadala do jiného šuplíku fyziky, jedno měly společné: nezastupitelně urychlily její vývoj. Není tedy divu, že historici vědy považují tento rok za „annus mirabilis“ neboli zázračný rok. A to nejen Einsteinův, ale celé fyziky.
Takzvanou speciální teorii relativity, která předcházela obecné teorii relativity, předložil Einstein veřejnosti v článku K elektrodynamice pohybujících se těles, zveřejněném v německém časopise Annalen der Physik v září 1905.
Další Einsteinova stať s názvem Závisí setrvačnost tělesa na jeho energetickém obsahu?, ve které tehdy ještě nepříliš známý fyzik poprvé nastínil vzorec E = mc2, vyšla v témže časopise před 120 lety, 21. listopadu 1905.
Energie a hmota v jedné rovnici
Einsteinův vzorec byl tak revoluční a současně klíčový v tom, že dal do spojitosti energii a hmotu, přičemž vysvětlil, že každá hmota obsahuje energii rovnající se součinu hmotnosti a druhé mocniny rychlosti světla. Jeho teorie relativity se základním východiskem konstantní rychlosti světla zcela rozmetala představy o vztazích mezi prostorem a časem a mezi hmotou a energií a zahájila relativistickou epochu fyziky, která trvá dodnes.
Einstein například formuloval jednotný čtyřrozměrný časoprostor a zavedl do fyziky pojmy jako dilatace času, kontrakce délek či relativnost současnosti.
V teorii relativity Einstein v podstatě představil hmotu jako nový typ energie. Předtím byla hmotnost zvážená v kilogramech pouze měřítkem toho, kolik látky předmět obsahoval, a jak těžké s ním tedy bylo pohnout. V Einsteinově novém světě se ale hmota stala způsobem, jak měřit celkovou energii přítomnou v objektu, i když se s ním nehýbalo, nezahříval se a nedělalo se s ním nic jiného. Hmotnost se stala v podstatě pouze superkoncentrovanou formou energie.
A navíc se obě tyto podoby věci mohou měnit z jedné formy na druhou – a zpět. V současné době je na této myšlence postavená celá moderní civilizace. Například jaderné elektrárny využívají tuto myšlenku ve svých reaktorech, kde jsou subatomární částice nazývané neutrony vystřelovány na jádra atomů uranu, což způsobuje rozštěpení uranu na menší atomy. Proces štěpení uvolňuje energii a další neutrony, které mohou pokračovat v rozštěpování dalších atomů uranu.
Když se provedou velmi přesná měření všech částic před tímto procesem a po něm, zjistí se, že celková hmotnost těch druhých je o něco menší než těch prvních, což je rozdíl známý jako „hmotnostní defekt“. Tato chybějící hmota byla přeměněna na energii a její množství lze vypočítat pomocí Einsteinovy rovnice.
Energie v hmotě
Navzdory nepatrnému rozdílu v hmotnosti mezi atomem uranu a jeho produkty je množství uvolněné energie velké. Jak je to možné? Může za to ono drobné c² v rovnici.
Rychlost světla je sama o sobě obrovské číslo, a její druhá mocnina je proto enormní. V hmotě je kondenzováno velké množství energie – jeden kilogram „hmoty“ obsahuje přibližně 9 krát 1016 joulů. To odpovídá více než čtyřiceti megatunám TNT.
Praktičtěji řečeno, je to množství energie, které by vyprodukovala elektrárna o výkonu jednoho gigawattu, což je dost na to, aby zásobovala deset milionů domácností po dobu nejméně tří let. Sto kilogramů těžký člověk má tedy v sobě dostatek energie, aby napájel celé Česko po dobu šesti století.
Ale jak ji dostat ven?
Proč se to neděje? Uvolnění této energie není snadný úkol. Jaderné štěpení je jedním z několika způsobů, jak uvolnit alespoň malou část hmotnosti atomu, ale většina hmoty zůstává ve formě známých protonů, neutronů a elektronů.
Jedním ze způsobů, jak přeměnit celý blok hmoty na čistou energii, by bylo spojit ho s antihmotou. Částice hmoty a antihmoty jsou stejné, až na opačný elektrický náboj. Pokud se spojí, vzájemně se zničí a přemění se na čistou energii.
Bohužel, vzhledem k tomu, že lidstvo zatím nezná žádné přírodní zdroje antihmoty, jediným způsobem, jak ji vyrobit, jsou urychlovače částic. Výroba jednoho kilogramu antihmoty by trvala s použitím známých technologií deset milionů let.
Dalším místem, kde se Einsteinova rovnice hodí, jsou právě urychlovače částic, které slouží ke studiu základních fyzikálních jevů. Speciální teorie relativity říká, že čím rychleji se něco pohybuje, tím větší to má hmotnost. V urychlovači částic se protony urychlují téměř na rychlost světla a narážejí do sebe. Vysoká energie těchto srážek umožňuje vznik nových částic s větší hmotností než protony – například Higgsova bosonu –, které by fyzici mohli chtít studovat. Které částice mohou vzniknout a jakou mají hmotnost, se dá vypočítat pomocí Einsteinovy rovnice.
Revoluční popis kosmu
Kromě zmíněných dvou prací ještě v roce 1905 odevzdal Einstein doktorskou práci O novém určení rozměru molekul, kterou časopis Annalen der Physik zveřejnil 8. února 1906. Tato práce je dodnes jednou z nejzákladnějších a nejcitovanějších prací ve fyzice.
Obecnou teorii relativity zveřejnil slavný fyzik poprvé až o deset let později, a to v prosinci roku 1915 při přednáškách na Pruské akademii věd, ale publikoval ji až v roce 1916.
Tato teorie vychází z toho, že považuje za ekvivalentní všechny pozorovatele a pro všechny platí stejné zákony obecné relativity, i když je jejich pohyb se zrychlením. Gravitace tady nepůsobí jako síla, ale jako důsledek zakřivení časoprostoru. Je to geometrická teorie předpokládající, že přítomnost hmoty zakřivuje časoprostor.
