V článku Jak funguje relativita, který napsal pro svého syna Tima o tom, jak funguje relativita, „protože o tom každý povídá, ale málo kdo tomu doopravdy rozumí. Hlavně té fyzikální stránce věci.“ Martin Tůma bohužel mate svého syna i sám sebe.

Jak relativita nefunguje ukazuje následující odstavec jeho článku

Ano, je to tak. Čím rychleji se pohybuješ, tím pomaleji pro Tebe plyne čas, Kdybys seděl na fotonu a letěl s ním rychlostí světla, čas a prostor pro Tebe ztratí význam, protože jsi všude právě teď. Takový foton, který byl vyzářen při Velkém třesku, o kterém jsme si psal minule, ve skutečnosti do dnešní doby nezestárnul ani o nanosekundu, on je pořád součástí Velkého třesku, on je pořád tady a teď. Jako první s myšlenkou, že čas neplyne všem pozorovatelům stejně přišel Albert Einstein ve své speciální teorii relativity. Bylo to začátkem 20. století, tehdy už se rozdávaly Nobelovky, ale ta teorie byla natolik převratná, že mu raději dali Nobelovku za objasnění fotoelektrického jevu, což je kvantová fyzika, tedy fyzika, které Einstein nevěřil a do smrti se s ní nesmířil. Pěkný paradox, co?

Hned druhá věta je zcela chybná a Tim by měl říct: tati, to, co říkáš, nedává smysl, moje rychlost přece závisí na tom, vůči čemu ji měřím, je jiná, když sedím ve vlaku a měřím ji vůči kolejím, po nichž jedu, než když ji měřím vůči protijedoucímu vlaku, ne? A Tvé tvrzení, že „ve skutečnosti tomu hokejistovi vůči brankáři plyne čas nepatrně pomaleji“ můžeš klidně obrátit, jejich pohyb je přece relativní, ne? Takže komu plyne čas pomaleji? A na foton si sednout nemůžu, to je přece základní tvrzení relativity, že žádné hmotné těleso nemůže v žádné soustavě letět rychlostí světla ve vakuu, to bys měl vědět. V prostředí, třeba vodě, světlo dohnat ba i předehnat lze, ale to je jiná věc. A foton nestárne, kdes tohle slyšel? A to, o té Nobelovce pro Einsteina, je jen mýtus, tati.

Timův otec má, až na poslední větu, pravdu, když píše

Takže si shrneme, co je to relativita - je to definovaní vztahu mezi dvěma vztažnými soustavami, aby pozorovatelé byli schopni si navzájem sdělit, co pozorovali a aby přitom platilo, že fyzikální zákony platí pro každého a všude. I když to znamená, že čas neplyne všem stejně.

ale první větě dává druhou větou chybnou interpretaci. A nyní jak relativita opravdu funguje.

V klasické nerelativistické fyzice mají vztahy mezi časy a prostorovými souřadnicemi v různých souřadnicových soustavách důležitou vlastnost: samotné souřadnice mohou být v různých soustavách různé, ale časové intervaly mezi dvěma událostmi a délky předmětů jsou ve všech soustavách stejné. Takže také události, které jsou současné pro jednoho pozorovatele, jsou současné pro všechny. To ve speciální teorii relativity neplatí. Ze vztahů mezi časem a souřadnicemi ve dvou soustavách pohybujících se vůči sobě rovnoměrně přímočaře danou rychlostí, tzv. Lorentzových transformací, lze snadno odvodit vtahy mezi časovými intervaly a délkami předmětů, resp. obecně vzdálenostmi, v různých systémech.

Co konkrétně poslední věta znamená lze ilustrovat na následujícím fyzikálním jevu. Koncem 30. let minulého století byly v kosmickém záření objeveny částice, které se nazývají miony a které jsou kladně nebo záporně elektricky nabité. Vznikají při srážkách primárního kosmického záření, co jsou protony nebo jádra s jádry kyslíku a dalších prvků v atmosféře, typicky ve výškách kolem 15 kilometrů nad povrchem Země. Miony jsou nestabilní a jejich střední doba života je v soustavě, v níž jsou v klidu, rovna 2,2 mikrosekundy. Za tuto dobu i světlo uletí jen cca 660 metrů. Přesto převážná část mionů dopadne až na povrch Země i když na to, aby urazily 15 kilometrů, potřebují cca 50 mikrosekund. Jak je to možné? Právě proto, že časový interval mezi dvěma a událostmi, zde vznikem mionu a jeho rozpadem, je jiný pro pozorovatele na povrchu Země než pro pozorovatele letícího s mionem. Pro typické hodnoty rychlosti mionů se pozorovateli na povrchu země jeví jejich doba života cca 40krát delší než pozorovateli letícímu s mionem, což bohatě stačí, aby mion dopadl až na povrch Země. To ale neznamená, že čas běží pozorovateli na Zemi pomaleji než pozorovateli letícímu s mionem, nesymetrie jejich měření času (i vzdálenosti mezi místem vzniku mionu a povrchem Země) je dána tím, že mion je v klidové soustavě jen jednoho z nich. Tomuto jevu se říká dilatace času, přičemž jde o vztah mezi dvěma dobami života nestabilních částic ve dvou různých soustavách.

Jak ale vysvětlí dopad na povrch Země pozorovatel letící s mionem? Ten také zná relativitu a tak ví, že vzdálenost místa, které kolem něj letělo, když mion vznikl a povrchem Země, se ve srovnání se vzdáleností měřenou pozorovatelem na Zemi naopak zkrátí přesně stejným faktorem 40, takže na povrch Země on i s mionem dopadnou typicky dříve, než se mion za 2,2 mikrosekundy rozpadne. Tomuhle se říká kontrakce délky a takhle funguje relativita.

A nyní k Einsteinovi a kvantové fyzice. Tim rád surfuje a tak při tom narazil na článek Max Planck: váhavý revolucionář dánského historika vědy Helge Kragh, v němž ho zaujala věta

„Jestliže Planck nezavedl v roce 1900 hypotézu kvanta energie, kdo jí zavedl? Lorentz a Boltzmann se uvádějí jako kandidáti, ale existuje daleko pádnější argument pro to, že to byl Einstein, kdo první pochopil podstatu kvantové teorie“.

Helge Kragh má pravdu, Einstein byl opravdu první a po dvacet let téměř jediný, kdo pochopil hloubku změn, které přinesl Planckův objev. Einsteinův příspěvek ke kvantové teorii byl důležitější než jeho příspěvek ke speciální teorii relativity (na rozdíl od obecné teorie relativity, která je téměř výlučně jeho dílo), která byla v roce 1905 na spadnutí a vznikla by i bez něj. A byl to on, nikoliv Planck, kdo první správně interpretoval kvantum energie, které Planck zavedl pro popis záření absolutně černého tělesa, jako kvantum energie elektromagnetického záření a tím vysvětlil fotoelektrický jev, který byl klasicky nepochopitelný. Einsteinova kritika kvantové mechaniky v její kodaňské interpretaci nebyla výrazem nedůvěry v kvantovou mechaniku, ale naopak projevem hlubokého chápáni změn, které přinesla a jeho diskuse s Bohrem o interpretaci kvantové teorie byly pro její pochopení nesmírně přínosné. Loňská Nobelova cena za fyziku za experimentální zkoumání a praktické využití tzv. provázaných stavů v kvantové fyzice s těmito diskusemi přímo souvisí.