Hovorí sa, že zjavenie prišlo k Albertovi Einsteinovi v okamihu. Vedec údajne jazdil na električke v Berne (Švajčiarsko), pozrel na pouličné hodiny a zrazu si uvedomil, že ak by električka teraz zrýchlila na rýchlosť svetla, potom by sa podľa jeho vnímania tieto hodiny zastavili - a nebol by čas. To ho viedlo k formulácii jedného z ústredných postulátov relativity - že rôzni pozorovatelia vnímajú realitu odlišne, vrátane takých základných veličín, ako je vzdialenosť a čas.
Vedecky povedané, ten deň si Einstein uvedomil, že opis akejkoľvek fyzickej udalosti alebo fenoménu závisí od referenčného rámca, v ktorom sa nachádza pozorovateľ (pozri Coriolisov efekt). Ak napríklad cestujúci na električke spadne na okuliare, potom pre ňu spadne vertikálne dole a pre chodca stojaceho na ulici okuliare padnú v parabole, keď sa električka pohybuje, zatiaľ čo okuliare padajú. Každý z nich má svoj vlastný referenčný rámec.
Aj keď sa opis udalostí mení počas prechodu z jedného referenčného rámca na druhý, existujú aj univerzálne veci, ktoré zostávajú nezmenené. Ak namiesto popisu pádu okuliarov kladieme otázku o zákone prírody, ktorý ich spôsobuje, bude odpoveď na túto otázku rovnaká pre pozorovateľa v pevnom súradnicovom systéme a pre pozorovateľa v pohyblivom súradnicovom systéme. Zákon o distribuovanej premávke platí rovnako na ulici aj v električke. Inými slovami, zatiaľ čo opis udalostí závisí od pozorovateľa, prírodné zákony na ňom nezávisia, tj, ako sa hovorí vo vedeckom jazyku, sú invariantné. Toto je zásada relativity.
Ako každá hypotéza, aj zásada relativity sa musela testovať tak, že ju korelovala so skutočnými prírodnými javmi. Z princípu relativity Einstein odvodil dve samostatné (aj keď súvisiace) teórie. Špeciálna alebo konkrétna teória relativity vychádza z predpokladu, že prírodné zákony sú rovnaké pre všetky referenčné rámce pohybujúce sa konštantnou rýchlosťou. Všeobecná relativita rozširuje tento princíp na akýkoľvek referenčný rámec vrátane tých, ktoré sa pohybujú so zrýchlením. Špeciálna teória relativity bola uverejnená v roku 1905 a zložitejšia z hľadiska matematického aparátu bola všeobecná teória relativity dokončená Einsteinom v roku 1916.
Špeciálna teória relativity
Väčšina paradoxných a protichodných intuitívnych predstáv o svete účinkov, ktoré vznikajú pri pohybe rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, predpovedá špeciálna teória relativity. Najslávnejšie z nich je účinok spomalenia hodín alebo účinok spomalenia času. Hodiny pohybujúce sa vo vzťahu k pozorovateľovi pre neho bežia pomalšie ako presne tie isté hodiny v jeho rukách.
Čas v súradnicovom systéme pohybujúcom sa rýchlosťou blízky rýchlosti svetla sa predlžuje vzhľadom na pozorovateľa, zatiaľ čo priestorový rozsah (dĺžka) predmetov pozdĺž osi smeru pohybu je naopak skomprimovaný. Tento efekt, známy ako kontrakcia Lorentz-Fitzgerald, opísal v roku 1889 írsky fyzik George Fitzgerald (1851-1901) a v roku 1892 ho dokončil Holanďan Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgeraldova skratka vysvetľuje, prečo Michelson-Morleyov experiment na určenie rýchlosti zemského pohybu vo vesmíre meraním „éterového vetra“dal negatívny výsledok. Neskôr Einstein zahrnul tieto rovnice do špeciálnej relativity a doplnil ich podobným transformačným vzorcom pre masu,podľa ktorého sa hmotnosť tela tiež zvyšuje, keď sa rýchlosť tela blíži rýchlosti svetla. Pri rýchlosti 260 000 km / s (87% rýchlosti svetla) sa teda hmotnosť predmetu z pohľadu pozorovateľa v referenčnom rámčeku zdvojnásobí.
Propagačné video:
Od čias Einsteina, všetky tieto predpovede, bez ohľadu na to, ako sa môžu zdať v rozpore so zdravým rozumom, nachádzajú úplné a priame experimentálne potvrdenie. V jednom z najviac odhalených experimentov vedci z University of Michigan umiestnili na palubu lietadlo, ktoré uskutočňovalo pravidelné transatlantické lety, ultrapresné atómové hodiny a po každom lete späť na domovské letisko skontrolovali svoje hodnoty oproti kontrolným hodinám. Ukázalo sa, že hodiny v lietadle postupne zaostávali za kontrolnými hodinami (čím ďalej, keď dôjde k zlomkom sekundy). Vedci za posledné polstoročie skúmali elementárne častice v obrovských hardvérových komplexoch nazývaných urýchľovače. V nich sa lúče nabitých subatomárnych častíc (ako sú protóny a elektróny) zrýchľujú na rýchlosti blízke rýchlosti svetla,potom sú vystrelení na rôzne jadrové ciele. Pri takýchto pokusoch na urýchľovačoch je potrebné vziať do úvahy zvýšenie hmotnosti zrýchlených častíc - v opačnom prípade by sa výsledky pokusu jednoducho nedali primerane interpretovať. V tomto zmysle špeciálna teória relativity už dávno prešla z kategórie hypotetických teórií do oblasti nástrojov aplikovaného inžinierstva, kde sa používa na rovnakej úrovni ako Newtonove zákony mechaniky.
Pokiaľ sa vrátim k Newtonovým zákonom, rád by som osobitne poznamenal, že špeciálna teória relativity, hoci navonok protirečí zákonom klasickej newtonovskej mechaniky, v skutočnosti presne reprodukuje všetky obvyklé rovnice Newtonových zákonov, ak sa použije na výrazné opisovanie telies pohybujúcich sa rýchlosťou rýchlosťou nižšia ako rýchlosť svetla. To znamená, že špeciálna teória relativity nezrušuje newtonovskú fyziku, ale rozširuje a dopĺňa ju (táto myšlienka je podrobnejšie opísaná v úvode).
Princíp relativity tiež pomáha pochopiť, prečo rýchlosť svetla, a nie žiadna iná, zohráva v tomto modeli štruktúry sveta takú dôležitú úlohu - túto otázku pýtajú mnohí z tých, ktorí sa prvýkrát stretli s teóriou relativity. Rýchlosť svetla vyniká a zohráva osobitnú úlohu ako univerzálna konštanta, pretože je určená prírodovedným zákonom (pozri Maxwellove rovnice). Na základe princípu relativity je rýchlosť svetla vo vákuu c rovnaká v každom referenčnom rámci. Toto zdanlivo odporuje zdravému rozumu, pretože sa ukazuje, že svetlo z pohybujúceho sa zdroja (bez ohľadu na to, ako rýchlo sa pohybuje) a zo stacionárneho zdroja sa súčasne dostane k pozorovateľovi. Je to však tak.
Vzhľadom na svoju osobitnú úlohu v prírodných zákonoch je rýchlosť svetla ústrednou črtou všeobecnej relativity.
Všeobecná teória relativity
Všeobecná teória relativity sa už uplatňuje na všetky referenčné rámce (a nielen na tie, ktoré sa pohybujú konštantnou rýchlosťou voči sebe) a vyzerá matematicky oveľa komplikovanejšie ako špeciálna (čo vysvetľuje jedenásťročnú medzeru medzi ich uverejnením). Ako osobitný prípad zahŕňa osobitnú teóriu relativity (a teda aj Newtonove zákony). Okrem toho všeobecná teória relativity ide omnoho ďalej ako všetci jej predchodcovia. Poskytuje najmä nový výklad gravitácie.
Všeobecná relativita robí svet štvordimenzionálnym: čas sa pripočítava k trom priestorovým dimenziám. Všetky štyri dimenzie sú neoddeliteľné, takže už nehovoríme o priestorovej vzdialenosti medzi dvoma objektmi, ako je to v trojrozmernom svete, ale o časopriestorových intervaloch medzi udalosťami, ktoré spájajú ich vzdialenosť od seba - tak v čase, ako aj v priestore. … To znamená, že priestor a čas sa považujú za štvorrozmerné kontinuum v čase alebo jednoducho za časopriestor. V tomto kontinuu môžu pozorovatelia, ktorí sa pohybujú voči sebe navzájom, dokonca nesúhlasiť, či sa dve udalosti odohrali súčasne - alebo jedna predchádzala druhej. Našťastie pre naše zlé mysle táto záležitosť nenarúša vzťahy medzi príčinami a následkami - to znamená existenciu súradnicových systémov,v ktorých sa dve udalosti nevyskytujú súčasne a v odlišnom poradí, to neumožňuje ani všeobecná teória relativity.
Newtonov zákon gravitácie nám hovorí, že existuje sila vzájomnej príťažlivosti medzi akýmikoľvek dvoma telami vo vesmíre. Z tohto hľadiska sa Zem točí okolo Slnka, pretože sily vzájomného príťažlivosti pôsobia medzi nimi. Všeobecná relativita nás však núti pozerať sa na tento jav inak. Podľa tejto teórie je gravitácia dôsledkom deformácie („zakrivenia“) elastického tkaniva časopriestoru pod vplyvom hmoty (v tomto prípade, čím ťažšie je telo, napríklad Slnko, tým viac sa priestorovo časovo „ohýba“pod ním, a čím je jeho gravitačná sila silnejšia. lúka). Predstavte si pevne natiahnuté plátno (druh trampolíny) s mohutnou loptou. Pás sa deformuje pod hmotnosťou gule a okolo neho sa vytvára lievikovitý prepad. Podľa všeobecnej relativityZem sa točí okolo Slnka ako malá guľa, ktorá sa otáča okolo kužeľa lievika vytvoreného ako výsledok „nátlaku“priestorového času ťažkou loptou - Slnko. A zdá sa nám, že v skutočnosti je gravitačná sila v skutočnosti čisto vonkajším prejavom zakrivenia časopriestoru a vôbec nie silou v newtonovskom porozumení. Doteraz sa nenašlo lepšie vysvetlenie povahy gravitácie, ako nám dáva všeobecná teória relativity. Doteraz sa nenašlo lepšie vysvetlenie povahy gravitácie, ako nám dáva všeobecná teória relativity. Doteraz sa nenašlo lepšie vysvetlenie povahy gravitácie, ako nám dáva všeobecná teória relativity.
Je ťažké otestovať všeobecnú teóriu relativity, pretože v bežných laboratórnych podmienkach sa jej výsledky takmer úplne zhodujú s tým, čo predpovedá Newtonov zákon univerzálnej gravitácie. Uskutočnilo sa však niekoľko dôležitých experimentov a ich výsledky umožňujú považovať teóriu za potvrdenú. Okrem toho všeobecná relativita pomáha vysvetliť javy, ktoré pozorujeme v priestore - napríklad malé odchýlky ortuti od stacionárnej obežnej dráhy, ktoré sú nevysvetliteľné z hľadiska klasickej newtonovskej mechaniky alebo zakrivenie elektromagnetického žiarenia od vzdialených hviezd, keď prechádza v tesnej blízkosti Slnka.
V skutočnosti sa výsledky predpovedané všeobecnou relativitou výrazne líšia od výsledkov predpovedaných Newtonovými zákonmi iba v prítomnosti superdiastických gravitačných polí. To znamená, že na plnohodnotný test všeobecnej teórie relativity sú potrebné buď veľmi presné merania veľmi masívnych objektov, alebo čierne diery, na ktoré sa nevzťahuje žiadny z našich obvyklých intuitívnych nápadov. Vývoj nových experimentálnych metód na testovanie teórie relativity teda zostáva jednou z najdôležitejších úloh experimentálnej fyziky.