Govori se, da je epifanija v trenutku prišla do Alberta Einsteina. Znanstvenik naj bi vozil tramvaj v Bernu (Švica), pogledal ulično uro in nenadoma spoznal, da če bi tramvaj zdaj pospešil do svetlobne hitrosti, bi se po njegovem dojemanju ta ura ustavila - in okoli tega ne bi bilo časa. To ga je pripeljalo do tega, da je izoblikoval enega osrednjih postulatov relativnosti - da različni opazovalci realnost dojemajo drugače, vključno s temeljnimi veličinami, kot sta razdalja in čas.
Znanstveno gledano je tisti dan Einstein spoznal, da je opis katerega koli fizičnega dogodka ali pojava odvisen od referenčnega okvira, v katerem se nahaja opazovalec (glej Coriolisov učinek). Če potnik v tramvaju na primer spusti očala, potem bodo zaradi nje padla navpično navzdol, za pešca, ki stoji na ulici, pa bodo očala padla v parabolo, saj se tramvaj premika, medtem ko očala padajo. Vsak ima svoj referenčni okvir.
A čeprav se opisi dogodkov med prehodom iz enega referenčnega okvira v drugega spreminjajo, obstajajo tudi univerzalne stvari, ki ostanejo nespremenjene. Če namesto da opišemo padce očal, postavimo vprašanje o naravnem zakonu, ki povzroči, da padejo, potem bo odgovor nanj enak za opazovalca v fiksnem koordinatnem sistemu in za opazovalca v gibajočem se koordinatnem sistemu. Zakon razdeljenega prometa enako velja na ulici in v tramvaju. Z drugimi besedami, medtem ko je opis dogodkov odvisen od opazovalca, zakoni narave niso odvisni od njega, torej, kot pravijo v znanstvenem jeziku, so invariantni. To je načelo relativnosti.
Kot vsako hipotezo je bilo treba tudi načelo relativnosti preizkusiti tako, da ga je povezalo z resničnimi naravnimi pojavi. Iz načela relativnosti je Einstein izpeljal dve ločeni (čeprav povezani) teoriji. Posebna ali posebna teorija relativnosti izhaja iz predpostavke, da so naravni zakoni enaki za vse referenčne okvire, ki se gibljejo s konstantno hitrostjo. Splošna relativnost razširi to načelo na vsak referenčni okvir, tudi na tiste, ki se premikajo s pospeškom. Posebna teorija relativnosti je bila objavljena leta 1905, bolj zapleteno z vidika matematičnega aparata pa je splošna teorija relativnosti do leta 1916 dokončal Einstein.
Posebna teorija relativnosti
Večina paradoksalnih in nasprotujočih si intuitivnih idej o svetu učinkov, ki nastanejo pri gibanju s hitrostjo, ki je blizu svetlobne hitrosti, predvideva posebna teorija relativnosti. Najbolj znan od njih je učinek upočasnitve ure ali učinek upočasnitve časa. Ura, ki se premika glede na opazovalca, teče počasneje kot povsem enaka ura v njegovih rokah.
Čas v koordinatnem sistemu, ki se giblje s hitrostmi, ki so blizu svetlobne hitrosti, se razteza glede na opazovalca, medtem ko je prostorsko merilo (dolžina) predmetov vzdolž osi smeri gibanja, nasprotno, stisnjeno. Ta učinek, znan kot Lorentz-Fitzgerald kontrakcija, je leta 1889 opisal irski fizik George Fitzgerald (1851-1901) in ga leta 1892 dopolnil Nizozemec Hendrick Lorentz (1853-1928). Kratica Lorentz-Fitzgerald pojasnjuje, zakaj je Michelson-Morleyjev poskus za določitev hitrosti Zemljinega gibanja v vesolju z merjenjem "eterskega vetra" dal negativen rezultat. Pozneje je Einstein te enačbe vključil v posebno relativnost in jih dopolnil s podobno formulo transformacije za maso,po katerem se tudi masa telesa povečuje, ko se hitrost telesa približuje hitrosti svetlobe. Torej, pri hitrosti 260 000 km / s (87% svetlobne hitrosti) se bo masa predmeta s stališča opazovalca v referenčnem okviru podvojila.
Promocijski video:
Vse te napovedi že od Einsteina dojemajo popolno in neposredno eksperimentalno potrditev. V enem od najbolj razkritih poskusov so znanstveniki z univerze v Michiganu postavili ultra natančno atomsko uro na letalo, ki je opravljalo redne čezatlantske lete in po vsakem letu nazaj na domače letališče preverjali svoje odčitke glede na krmilno uro. Izkazalo se je, da je ura na ravnini postopoma zaostajala za kontrolnimi vse bolj (tako rekoč, če gre za delčke sekunde). Zadnje pol stoletja so znanstveniki raziskovali elementarne delce v ogromnih strojnih kompleksih, imenovanih pospeševalci. V njih se žarki nabitih subatomskih delcev (kot so protoni in elektroni) pospešujejo do hitrosti, ki je blizu hitrosti svetlobe,nato jih izstrelijo v različne jedrske cilje. Pri takšnih poskusih na pospeševalnikih je treba upoštevati povečanje mase pospešenih delcev - sicer rezultati eksperimenta preprosto ne bodo podvrženi razumni razlagi. In v tem smislu je posebna teorija relativnosti že zdavnaj prešla iz kategorije hipotetičnih teorij na področje orodij uporabnega inženiringa, kjer se uporablja na enak način z Newtonovimi zakoni mehanike.
Če se vrnem k Newtonovim zakonom, želim poudariti, da posebna teorija relativnosti, čeprav navzven nasprotuje zakonom klasične newtonske mehanike, v resnici praktično natančno reproducira vse običajne enačbe Newtonovih zakonov, če jo uporabimo za opisovanje teles, ki se gibljejo s hitrostjo manjša od hitrosti svetlobe. Se pravi, da posebna teorija relativnosti ne prekliče newtonske fizike, ampak jo razširi in dopolni (ta ideja je podrobneje obravnavana v uvodu).
Načelo relativnosti pomaga tudi razumeti, zakaj igra hitrost svetlobe in ne katera koli druga igra v tem modelu strukture sveta tako pomembno vlogo - to vprašanje postavljajo številni tisti, ki so se prvič srečali s teorijo relativnosti. Hitrost svetlobe izstopa in ima posebno vlogo univerzalne konstante, ker jo določa naravoslovni zakon (glej Maxwell-ove enačbe). Po načelu relativnosti je hitrost svetlobe v vakuumu c enaka v katerem koli referenčnem okviru. To na videz nasprotuje zdravi pameti, saj se izkaže, da svetloba iz gibljivega vira (ne glede na to, kako hitro se giblje) in iz stacionarnega vira doseže opazovalca hkrati. Vendar je to tako.
Zaradi posebne vloge v naravnih zakonih je hitrost svetlobe osrednja v splošni relativnosti.
Splošna teorija relativnosti
Splošna teorija relativnosti je že uporabljena za vse referenčne okvire (in ne le za tiste, ki se gibljejo s konstantno hitrostjo med seboj) in je matematično videti veliko bolj zapletena kot posebna (kar pojasnjuje enajstletno vrzel med njihovo objavo). Kot poseben primer vključuje posebno teorijo relativnosti (in zato Newtonove zakone). Še več, splošna teorija relativnosti gre mnogo dlje kot vsi njeni predhodniki. Predvsem omogoča novo razlago gravitacije.
Splošna relativnost naredi svet štiridimenzionalen: trem prostorskim dimenzijam se doda čas. Vse štiri dimenzije so neločljive, zato ne govorimo več o prostorski razdalji med dvema objektoma, kot je to primer v tridimenzionalnem svetu, temveč o časovno-časovnih intervalih med dogodki, ki združujejo njihovo oddaljenost drug od drugega - tako v času kot v prostoru … To pomeni, da se prostor in čas štejeta kot štiridimenzionalni vesolje-čas kontinuum ali, preprosto, prostor-čas. V tem kontinuumu se opazovalci, ki se premikajo drug proti drugemu, lahko celo ne strinjajo, ali sta se dva dogodka zgodila hkrati - ali eden pred drugim. Na srečo za naše slabe pameti stvari ne pridejo do kršitve vzročno-posledičnih odnosov - to je obstoj koordinatnih sistemov,v katerih se dva dogodka ne zgodita istočasno in v drugačnem zaporedju, tudi splošna teorija relativnosti ne dopušča.
Newtonov zakon o gravitaciji nam pove, da obstaja sila medsebojnega privlačenja med kateri koli dve telesi v vesolju. S tega vidika se Zemlja vrti okoli Sonca, saj medsebojno delujejo sile medsebojnega privlačenja. Splošna relativnost pa nas sili, da na ta pojav gledamo drugače. Po tej teoriji je gravitacija posledica deformacije ("ukrivljenosti") elastičnega tkiva vesolja in časa pod vplivom mase (v tem primeru je težje telo, na primer Sonce, bolj se prostor-čas "upogne" pod njim in v skladu s tem močnejša njegova gravitacijska polje). Predstavljajte si, da se platno raztegne tesno (nekakšen trampolin) z masivno kroglico na njem. Splet se pod težo kroglice deformira, okoli nje se oblikuje lijakasto oblikovana depresija. Po splošni relativnosti je dr. Zemlja se vrti okrog Sonca kot majhna kroglica, ki se valja, da se vrti okoli stožca lijaka, ki je nastal zaradi "silovanja" prostora-časa s težko kroglico - Sonce. In kar se nam zdi sila gravitacije, je pravzaprav čisto zunanja manifestacija ukrivljenosti prostora-časa in nikakor ne sila v newtonskem razumevanju. Do danes ni bilo mogoče najti boljše razlage narave gravitacije od splošne teorije relativnosti. Do danes ni bilo mogoče najti boljše razlage narave gravitacije od splošne teorije relativnosti. Do danes ni bilo mogoče najti boljše razlage narave gravitacije od splošne teorije relativnosti.
Težko je preizkusiti splošno teorijo relativnosti, saj v običajnih laboratorijskih pogojih njeni rezultati skoraj popolnoma sovpadajo s tistim, kar napoveduje Newtonov zakon univerzalne gravitacije. Kljub temu je bilo izvedenih več pomembnih poskusov, njihovi rezultati pa omogočajo, da se teorija šteje za potrjeno. Poleg tega splošna relativnost pomaga razložiti pojave, ki jih opazujemo v vesolju - na primer rahla odstopanja živega srebra od nepremične orbite, ki so nerazložljiva z vidika klasične newtonske mehanike ali ukrivljenost elektromagnetnega sevanja oddaljenih zvezd, ko prehaja v neposredni bližini Sonca.
V resnici se rezultati, ki jih napoveduje splošna relativnost, močno razlikujejo od rezultatov, ki jih napovedujejo Newtonovi zakoni le ob prisotnosti nadčloveških gravitacijskih polj. To pomeni, da za popolno preizkušanje splošne teorije relativnosti potrebujemo bodisi ultra natančne meritve zelo masivnih predmetov bodisi črne luknje, za katere ne velja nobena od naših običajnih intuitivnih idej. Razvoj novih eksperimentalnih metod za preizkušanje teorije relativnosti ostaja ena najpomembnejših nalog eksperimentalne fizike.