Szczególna teoria względności

Na początku XX w., właśnie próba syntezy mechaniki z elektrodynamiką doprowadziła, zatrudnionego w tym czasie na posadzie urzędnika szwajcarskiego urzędu patentowego, Alberta Einsteina (1879-1955) do sformułowania w 1905 szczególnej teorii względności, której konsekwencje całkowicie zrewolucjonizowały fizykę.

Powszechnie znana maksyma mówi, że "wszystko jest względne". Teoria Einsteina nie jest jednak powtórzeniem tego filozoficznego banału, ale precyzyjnym matematycznym twierdzeniem, określającym względność pomiarów naukowych. Oczywiste jest, że subiektywne postrzeganie czasu i przestrzeni zależy od obserwatora. Jednakże przed Einsteinem większość ludzi uważała, że za tymi subiektywnymi wrażeniami kryje się czas absolutny i rzeczywiste odległości, które można mierzyć w sposób obiektywny za pomocą dokładnych przyrządów pomiarowych. Einstein odrzucił pojęcie czasu absolutnego, co spowodowało rewolucję w nauce.

Jak sama nazwa wskazuje, teoria ta ma zastosowanie do obserwacji dokonywanych w szczególnych, określonych warunkach względem każdego innego układu będącego w ruchu, takiego jak planety czy gwiazdy. Wyeliminowała ona jeden z najbardziej niepokojących problemów fizyki- stałość prędkości rozchodzenia się światła. Einstein założył, iż prędkość światła jest taka sama dla każdego obserwatora w każdym układzie odniesienia.

Podstawowe postulaty teorii:

a) względność ruchu - ruch można rozpatrywać tylko w odniesieniu do jakiegoś układu.
Einstein uważał, że nie można wykryć eteru (ośrodka w którym, jak uważali ówcześni uczeni, rozchodzi się światło, a który wypełnia cały wszechświat) ponieważ nieruchomy eter byłby jedynym nieruchomym ciałem we wszechświecie, posiadałby ruch absolutny. Stwierdziliśmy jednak, że możemy wykryć jedynie ruch względny, dlatego też nie możemy wykryć eteru.
b) stałość prędkości światła - prędkość światła wynosi około 300 tys. km/s i jest stała względem obserwatora tzn. nie zależy ona od tego czy obserwator zbliża się do źródła światła czy oddala.

Wnioski wynikające z postulatów:

a) skrócenie długości -.pomiary długości przeprowadzone w innym układzie odniesienia, który porusza się względem obiektu równolegle do mierzonej długości dają zawsze wynik mniejszy niż długość własna ( mierzona w układzie spoczynkowym) . Jeśli obserwator lecący w rakiecie A ma możliwość mierzenia długości rakiety B, gdy obie poruszają się względem siebie z prędkością V, to matematyczne obliczenia mówią, iż rakieta B wyda się skrócona. Zjawisko to nosi nazwę skrócenia Fitzgeralda-Lorentza i opisujemy je wzorem:

L` - długość skróconej rakiety L - długość początkowa v - prędkość rakiety A względem rakiety B c - prędkość światła

Wartość masy m` rakiety B dla obserwatora B jest równa m ponieważ jego prędkość względna jest równa zero(masa nie zmienia się).

b) dodawanie prędkości - jeżeli dwa pojazdy mają prędkości V=160 tys. km/s względem jakiegoś układu, te same kierunki, lecz poruszają się w przeciwne strony to na podstawie podanego wzoru obliczymy, że prędkość jednej rakiety względem drugiej wynosi 250 tys. km/s, a nie 320 tys. km/s (jak wynikałoby to z teorii Newtona) ponieważ żadne ciało nie może poruszać się z prędkością względną większą niż 300 tys. km/s.

Vab - prękość rakiety A względem rakiety B Va - prędkość rakiety A względem określonego układu Vb - prędkość rakiety B wzgledem tego samego układu c - prędkość światła

c) równoważność masy i energii - wniosek ten opisuje najsławniejszy i najprostszy, a jakże genialny wzor Einsteina:

E - energia m - masa ciała c - prędkość światła

Jeżeli masa ciała jest całkowicie zamieniona w energię tak, że żadna część tej masy nie pozostała w dawnej postaci, to ilość otrzymanej energii jest dana tym równaniem.

d) zwolnienie czasu (dylatacja czasu) - oznacza zwolnienie tempa upływu czasu wraz ze wzrostem prędkości.

t` - zwolnienie czasu w układzie A względem układu B t - czas w układzie B v - prędkość układów względem siebie c - prędkość światła

Odstęp czasu między zdarzeniami zależy od tego, w jakiej odległości od siebie one nastąpiły zarówno w przestrzeni, jak i czasie. Oznacza to, że przestrzenne i czasowe odległości zdarzeń są ze sobą powiązane. Mierząc w jakimkolwiek innym inercjalnym układzie odniesienia odstęp czasu dzielący te same zdarzenia, zawsze otrzymamy większą wartość.

Jeżeli ze wzoru otrzymamy np. 0.5 oznacza to, że czas u obserwatora B płynie dwa razy wolniej niż u obserwatora A. Ma to miejsce przy V=270 tys. km/s. Pojęcie "względności jednoczesności zdarzeń" było podstawą rozumowania Einsteina. Oznaczało ono, że dane zdarzenie obserwowane przez obserwatora A i obserwatora B nie musi być równoczesne. Czas spostrzeżenia danego zdarzenia przez tych dwóch obserwatorów jest zależny od ich prędkości względem siebie.

Innym przykładem jest tzw. „paradoks bliźniąt”, gdyby jeden z dwóch braci bliźniaków, udał się w 20 letnią podróż kosmiczną z prędkością bliską prędkości światła, po powrocie okazał by się, że brat, który znajdował się na Ziemi jest znacznie starszy od tego, który podróżował. W ten sposób dałoby się zbudować wehikuł czasu, które przenosiłoby Nas w przyszłość( tylko, że nie dałoby się wrócić). Wyobraźmy sobie, że wsiadamy do rakiety, która podróżuje z prędkością światła i po np. 5 latach na statku, na Ziemi upłynęło 5000 lat!

Zgodnie z teorią względności- jak stwierdził sam Einstein-„Masa ciała jest miarą jego energii”. Wkrótce potem naukowiec publikuje swoje słynne równanie; energia „E” jest równa masie ciała „m”, pomnożonej przez kwadrat prędkości światła: E=mc².

---