Špeciálna teória relativity, ktorá na začiatku minulého storočia prevrátila všeobecne akceptované predstavy o svete, stále vzrušuje mysle a srdcia ľudí. Dnes sa pokúsime prísť na to, čo to je.
V roku 1905 Albert Einstein publikoval Špeciálnu teóriu relativity (SRT), ktorá vysvetľuje, ako interpretovať pohyb medzi rôznymi referenčnými inerciálnymi rámcami - jednoducho povedané, objekty, ktoré sa pohybujú konštantnou rýchlosťou vo vzťahu k sebe navzájom.
Einstein vysvetlil, že keď sa dva objekty pohybujú konštantnou rýchlosťou, jeden by mal uvažovať o ich vzájomnom pohybe namiesto toho, aby prijal jeden z nich ako absolútny referenčný rámec.
Takže ak dvaja astronauti, vy a povedzte, Herman, lietajú na dvoch vesmírnych lodiach a chcete porovnať svoje pozorovania, jediná vec, ktorú potrebujete vedieť, je vaša relatívna rýchlosť.
Špeciálna relativita zvažuje iba jeden špeciálny prípad (odtiaľ názov), keď je pohyb priamočiary a jednotný. Ak sa hmotné telo zrýchli alebo odvráti stranou, zákony SRT už nefungujú. Potom vstúpi do platnosti všeobecná teória relativity (GTR), ktorá vysvetľuje pohyby hmotných tiel vo všeobecnom prípade.
Einsteinova teória je založená na dvoch základných princípoch:
1. Princíp relativity: fyzikálne zákony sa zachovávajú dokonca aj pre telá, ktoré sú inerciálnymi referenčnými rámcami, to znamená, že sa voči sebe pohybujú konštantnou rýchlosťou.
2. Princíp rýchlosti svetla: rýchlosť svetla zostáva nezmenená pre všetkých pozorovateľov bez ohľadu na ich rýchlosť vo vzťahu k svetelnému zdroju. (Fyzici označujú rýchlosť svetla písmenom c).
Propagačné video:
Jedným z dôvodov úspechu Alberta Einsteina je to, že dal experimentálne údaje nad teoretické. Keď séria experimentov odhalila výsledky, ktoré boli v rozpore so všeobecne akceptovanou teóriou, mnoho fyzikov sa rozhodlo, že tieto experimenty boli nesprávne.
Albert Einstein bol jedným z prvých, ktorý sa rozhodol vybudovať novú teóriu založenú na nových experimentálnych údajoch.
Na konci 9. storočia fyzici hľadali tajomný éter - médium, v ktorom by sa podľa všeobecne akceptovaných predpokladov mali šíriť svetelné vlny, podobne ako akustické vlny, pre ktoré je potrebné šíriť vzduch, alebo iné médium - tuhé, kvapalné alebo plynné. Viera v existenciu éteru viedla k presvedčeniu, že rýchlosť svetla sa musí meniť v závislosti od rýchlosti pozorovateľa vo vzťahu k éteru.
Albert Einstein opustil koncepciu éteru a navrhol, aby všetky fyzikálne zákony vrátane rýchlosti svetla zostali nezmenené bez ohľadu na rýchlosť pozorovateľa - ako ukazujú experimenty.
Homogénnosť priestoru a času
Einsteinovo SRT predpokladá zásadný vzťah medzi priestorom a časom. Hmotný vesmír, ako viete, má tri priestorové rozmery: hore-dole, vpravo-vľavo a dopredu-dozadu. Pridáva sa k nemu ešte jedna dimenzia - dočasná. Tieto štyri dimenzie spolu tvoria časopriestorové kontinuum.
Ak sa pohybujete vysokou rýchlosťou, vaše pozorovania týkajúce sa priestoru a času sa budú líšiť od pozorovaní ostatných ľudí, ktorí sa pohybujú pomalšie.
Na nasledujúcom obrázku je myšlienkový experiment, ktorý vám pomôže pochopiť tento nápad. Predstavte si, že ste na kozmickej lodi a držíte v rukách laser, pomocou ktorého vysielate lúče svetla na strop, na ktorom je pripevnené zrkadlo. Svetlo odrazené dopadá na detektor, ktorý ich registruje.
Hore - poslali ste k stropu lúč svetla, ktorý sa odrazil a dopadol vertikálne na detektor. Nižšie - v prípade Hermana sa váš svetelný lúč pohybuje diagonálne smerom k stropu a potom diagonálne smerom k detektoru.
Hore - poslali ste k stropu lúč svetla, ktorý sa odrazil a dopadol vertikálne na detektor. Nižšie - v prípade Hermana sa váš svetelný lúč pohybuje diagonálne smerom k stropu a potom diagonálne smerom k detektoru.
Povedzme, že vaša loď sa pohybuje konštantnou rýchlosťou rovnajúcou sa polovici rýchlosti svetla (0,5c). Podľa Einsteinovho SRT na vás nezáleží, ani si nevšimnete svoj pohyb.
Herman, ktorý vás sleduje z pokojovej lode, však uvidí úplne iný obrázok. Z jeho pohľadu sa lúč svetla pohybuje diagonálne do zrkadla na strope, odráža sa od neho a dopadá diagonálne na detektor.
Inými slovami, dráha svetelného lúča bude vyzerať inak pre vás a pre Hermana a jeho dĺžka sa bude líšiť. Preto sa vám doba, ktorú laserový lúč potrebuje na to, aby prešla vzdialenosť k zrkadlu a k detektoru, bude líšiť.
Tento jav sa nazýva dilatácia času: čas na hviezdnej lodi pohybujúcej sa vysokou rýchlosťou z hľadiska pozorovateľa na Zemi tečie oveľa pomalšie.
Tento príklad, rovnako ako mnoho iných, jasne demonštruje neoddeliteľné spojenie medzi priestorom a časom. Toto spojenie je pre pozorovateľa zreteľne prejavené iba pri vysokých rýchlostiach, ktoré sú blízke rýchlosti svetla.
Experimenty od doby, kedy Einstein publikoval svoju veľkú teóriu, potvrdili, že priestor a čas sú v skutočnosti vnímané odlišne v závislosti od rýchlosti pohybu objektov.
Kombinácia hmoty a energie
Vo svojom slávnom článku uverejnenom v roku 1905 Einstein kombinoval hmotu a energiu do jednoduchého vzorca, ktoré pozná každý študent od tej doby: E = mc².
Podľa teórie veľkého fyzika, keď sa rýchlosť materiálového tela zvyšuje, približuje sa rýchlosti svetla, zvyšuje sa aj jeho hmotnosť. Tie. čím rýchlejšie sa objekt pohybuje, tým ťažší je. V prípade dosiahnutia rýchlosti svetla sa hmota tela ako aj jeho energia stávajú nekonečnými. Čím ťažšie je telo, tým ťažšie je zvýšiť jeho rýchlosť; na urýchlenie tela s nekonečnou hmotou je potrebné nekonečné množstvo energie, takže je nemožné, aby materiálne objekty dosiahli rýchlosť svetla.
Pred Einsteinom sa koncepty hmoty a energie vo fyzike posudzovali osobitne. Brilantný vedec preukázal, že zákon o zachovaní hmoty, rovnako ako zákon o ochrane energie, je súčasťou všeobecnejšieho zákona o masovej energii.
V dôsledku základného spojenia medzi týmito dvoma pojmami sa hmota môže zmeniť na energiu a naopak - energia na hmotu.