Říká se, že zjevení přišlo k Albertovi Einsteinovi v okamžiku. Vědec údajně řídil tramvaj v Bernu (Švýcarsko), podíval se na pouliční hodiny a najednou si uvědomil, že pokud by nyní tramvaj zrychlila na rychlost světla, pak by se jeho vnímání zastavilo - a nebyl by čas. To ho vedlo k formulaci jednoho z centrálních postulátů relativity - že různí pozorovatelé vnímají realitu různě, včetně takových základních veličin, jako je vzdálenost a čas.
Vědecky vzato, ten den si Einstein uvědomil, že popis jakékoli fyzické události nebo jevu závisí na referenčním rámci, ve kterém je pozorovatel umístěn (viz Coriolisův efekt). Pokud například cestující na tramvaji upustí brýle, pak pro ni padne svisle dolů a pro chodce stojícího na ulici padnou brýle v parabole, protože tramvaj se pohybuje, zatímco brýle klesají. Každý z nich má svůj vlastní referenční rámec.
Ale i když se popisy událostí mění během přechodu z jednoho referenčního rámce do druhého, existují také univerzální věci, které zůstávají nezměněny. Pokud místo popisu pádu brýlí položíme otázku o zákonu přírody, který je způsobí, že spadnou, bude odpověď na něj stejná pro pozorovatele v pevném souřadném systému a pro pozorovatele v pohyblivém souřadném systému. Zákon distribuované dopravy platí stejně na ulici i v tramvaji. Jinými slovy, zatímco popis událostí závisí na pozorovateli, přírodní zákony na něm nezávisí, tj. Jak se říká ve vědeckém jazyce, jsou invariantní. To je princip relativity.
Stejně jako u každé hypotézy se i zde musel testovat princip relativity se skutečnými přírodními jevy. Z principu relativity Einstein odvodil dvě oddělené (byť související) teorie. Speciální nebo konkrétní teorie relativity vychází z předpokladu, že zákony přírody jsou stejné pro všechny referenční rámce pohybující se konstantní rychlostí. Obecná relativita rozšiřuje tento princip na jakýkoli referenční rámec, včetně těch, které se pohybují s akcelerací. Zvláštní teorie relativity byla vydána v roce 1905 a čím složitější z pohledu matematického aparátu, obecná teorie relativity byla dokončena Einsteinem v roce 1916.
Speciální teorie relativity
Většina paradoxních a protichůdných intuitivních představ o světě účinků, které vznikají při pohybu rychlostí blízkou rychlosti světla, je předpovězena speciální teorií relativity. Nejslavnější z nich je účinek zpomalení hodin nebo účinek zpomalení času. Hodiny pohybující se vůči pozorovateli pro něj běží pomaleji než přesně stejné hodiny v jeho rukou.
Čas v souřadném systému, který se pohybuje rychlostí blízkou rychlosti světla, se natahuje vzhledem k pozorovateli, zatímco prostorový rozsah (délka) objektů podél osy směru pohybu je naopak komprimován. Tento efekt, známý jako kontrakce Lorentz-Fitzgerald, popsal v roce 1889 irský fyzik George Fitzgerald (1851-1901) a v roce 1892 jej doplnil Holanďan Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgeraldova zkratka vysvětluje, proč Michelson-Morleyův experiment k určení rychlosti zemského pohybu ve vesmíru měřením „éterového větru“dal negativní výsledek. Později Einstein začlenil tyto rovnice do speciální relativity a doplnil je podobným transformačním vzorcem pro hmotu,podle kterého se také zvyšuje hmotnost těla, když se rychlost těla blíží rychlosti světla. Takže při rychlosti 260 000 km / s (87% rychlosti světla) se hmotnost objektu z pohledu pozorovatele v klidovém referenčním rámci zdvojnásobí.
Propagační video:
Od doby Einsteina najdou všechny tyto předpovědi, bez ohledu na to, jak se mohou zdát zdravému rozumu, úplné a přímé experimentální potvrzení. V jednom z nejvíce odhalujících experimentů vědci na Michiganské univerzitě nasadili na palubu dopravní letadlo, které provádělo pravidelné transatlantické lety, velmi přesné atomové hodiny, a po každém letu zpět na domovské letiště zkontrolovali své údaje oproti kontrolním hodinám. Ukázalo se, že hodiny v letadle postupně zaostávaly za řídicími (čím dál více řečeno, pokud jde o zlomky vteřiny). Za poslední půl století vědci zkoumali elementární částice v obrovských hardwarových komplexech zvaných urychlovače. V nich se paprsky nabitých subatomových částic (jako jsou protony a elektrony) zrychlují na rychlosti blízké rychlosti světla,pak jsou vystřeleny na různé jaderné cíle. V takových experimentech na urychlovačích je nutné vzít v úvahu nárůst hmotnosti urychlených částic - jinak by se výsledky experimentu jednoduše nedaly rozumné interpretaci. A v tomto smyslu speciální teorie relativity již dávno přešla z kategorie hypotetických teorií do oblasti nástrojů aplikovaného inženýrství, kde se používá na stejné úrovni jako Newtonovy zákony mechaniky.
Když se vracím k Newtonovým zákonům, rád bych zdůraznil, že zvláštní teorie relativity, i když navenek odporuje zákonům klasické newtonské mechaniky, ve skutečnosti prakticky přesně reprodukuje všechny obvyklé rovnice Newtonových zákonů, pokud se aplikují na označení těles pohybujících se rychlostí významně menší než rychlost světla. To znamená, že speciální teorie relativity nezruší newtonovskou fyziku, ale rozšíří ji a doplní (tato myšlenka je podrobněji diskutována v úvodu).
Princip relativity také pomáhá pochopit, proč rychlost světla, a nikoliv jiná, hraje tak důležitou roli v tomto modelu struktury světa - na tuto otázku se ptají mnozí z těch, kteří se poprvé setkali s teorií relativity. Rychlost světla vyniká a hraje zvláštní roli jako univerzální konstanta, protože je určována přírodovědným zákonem (viz Maxwellovy rovnice). Na základě principu relativity je rychlost světla ve vakuu c stejná v každém referenčním rámci. To zdánlivě odporuje zdravému rozumu, protože se ukazuje, že světlo z pohybujícího se zdroje (bez ohledu na to, jak rychle se pohybuje) a ze stacionárního zdroje dosáhne současně pozorovatele. Je to však tak.
Kvůli jeho zvláštní roli v zákonech přírody, rychlost světla je centrální k obecné relativitě.
Obecná teorie relativity
Obecná teorie relativity je již aplikována na všechny referenční rámce (a nejen na ty, které se pohybují konstantní rychlostí vůči sobě navzájem) a vypadá matematicky mnohem komplikovanější než speciální (což vysvětluje jedenáctiletou mezeru mezi jejich publikací). Zahrnuje jako zvláštní případ zvláštní teorii relativity (a proto Newtonovy zákony). Obecná teorie relativity navíc jde mnohem dále než všichni její předchůdci. Zejména poskytuje nový výklad gravitace.
Obecná relativita činí svět čtyřrozměrným: ke třem prostorovým rozměrům se přidává čas. Všechny čtyři dimenze jsou neoddělitelné, takže už nemluvíme o prostorové vzdálenosti mezi dvěma objekty, jako je tomu v trojrozměrném světě, ale o časoprostorových intervalech mezi událostmi, které spojují jejich vzdálenost od sebe - jak v čase, tak v prostoru … To znamená, že prostor a čas jsou považovány za čtyřrozměrné kontinuum časoprostoru nebo jednoduše za časoprostor. V tomto kontinuu mohou pozorovatelé pohybující se vůči sobě navzájem dokonce nesouhlasit, zda se dvě události odehrály současně - nebo jedna předcházela druhé. Naštěstí pro naše ubohé mysli tato záležitost nenarušuje vztahy mezi příčinami a následky - to jest existence souřadných systémů,ve kterém dvě události se nevyskytují současně a v jiné posloupnosti, ani obecná teorie relativity neumožňuje.
Newtonův gravitační zákon nám říká, že mezi oběma těly ve vesmíru existuje síla vzájemné přitažlivosti. Z tohoto hlediska se Země točí kolem Slunce, protože síly vzájemné přitažlivosti mezi nimi působí. Obecná relativita nás však nutí dívat se na tento jev jinak. Podle této teorie je gravitace důsledkem deformace („zakřivení“) elastické tkáně časoprostoru pod vlivem hmoty (v tomto případě čím těžší je tělo, například Slunce, tím více se „prostorový čas“pod ním ohýbá, a tím silnější je jeho gravitační pole). Představte si pevně natažené plátno (druh trampolíny) s masivním míčem. Pás se deformuje pod hmotností koule a kolem ní se tvoří nálevkovitá prohlubeň. Podle obecné relativityZemě se točí kolem Slunce jako malá kulička, která se valí kolem kužele trychtýře vytvořeného v důsledku „tlačení“časoprostoru těžkou koulí - Sluncem. A zdá se nám, že ve skutečnosti gravitační síla je ve skutečnosti čistě vnějším projevem zakřivení časoprostoru a vůbec ne sílou v newtonovském porozumění. Dosud nebylo nalezeno žádné lepší vysvětlení podstaty gravitace, než nám dává obecná teorie relativity. Dosud nebylo nalezeno žádné lepší vysvětlení podstaty gravitace, než nám dává obecná teorie relativity. Dosud nebylo nalezeno žádné lepší vysvětlení podstaty gravitace, než nám dává obecná teorie relativity.
Je těžké otestovat obecnou teorii relativity, protože v běžných laboratorních podmínkách se její výsledky téměř zcela shodují s tím, co předpovídá Newtonův zákon univerzální gravitace. Bylo však provedeno několik důležitých experimentů a jejich výsledky umožňují považovat teorii za potvrzenou. Obecná relativita navíc pomáhá vysvětlit jevy, které pozorujeme ve vesmíru - například drobné odchylky rtuti od stacionární oběžné dráhy, které jsou nevysvětlitelné z hlediska klasické newtonovské mechaniky nebo zakřivení elektromagnetického záření od vzdálených hvězd, když prochází v těsné blízkosti Slunce.
Ve skutečnosti se výsledky předpovídané obecnou relativitou výrazně liší od výsledků předpovídaných Newtonovými zákony pouze v přítomnosti superdiastických gravitačních polí. To znamená, že pro plnohodnotný test obecné teorie relativity je zapotřebí buď ultra přesných měření velmi masivních objektů nebo černých děr, na které se nevztahuje žádný z našich obvyklých intuitivních nápadů. Vývoj nových experimentálních metod pro testování teorie relativity tedy zůstává jedním z nejdůležitějších úkolů experimentální fyziky.