Posebna teorija relativnosti, ki je v začetku prejšnjega stoletja prevrnila splošno sprejete predstave o svetu, še vedno vznemirja misli in srca ljudi. Danes bomo poskušali skupaj ugotoviti, kaj je to.
Leta 1905 je Albert Einstein objavil posebno teorijo relativnosti (SRT), ki je razložila, kako razlagati gibanje med različnimi inercialnimi referenčnimi okviri - preprosto povedano, predmeti, ki se gibljejo s konstantno hitrostjo drug v drugem.
Einstein je pojasnil, da morata dva predmeta, ko se gibljeta s konstantno hitrostjo, upoštevati njihovo gibanje glede na drugega, namesto da bi enega sprejela kot absolutni referenčni okvir.
Če torej dva astronavta, vi in recimo Herman, leteta na dveh vesoljskih ladjah in želite primerjati svoja opazovanja, je edino, kar morate vedeti, vaša hitrost glede na drugo.
Posebna relativnost upošteva le en poseben primer (od tod tudi ime), ko je gibanje pravokotno in enakomerno. Če se materialno telo pospeši ali obrne, zakoni o SRT ne delujejo več. Nato začne veljati splošna teorija relativnosti (GTR), ki pojasnjuje premike materialnih teles v splošnem primeru.
Einsteinova teorija temelji na dveh osnovnih načelih:
1. Načelo relativnosti: fizikalni zakoni so ohranjeni tudi za telesa, ki so inercijski referenčni okviri, to je, da se gibljejo s konstantno hitrostjo glede na drugo.
2. Načelo hitrosti svetlobe: hitrost svetlobe ostane nespremenjena za vse opazovalce, ne glede na njihovo hitrost glede na vir svetlobe. (Fiziki označujejo hitrost svetlobe s črko c).
Promocijski video:
Eden od razlogov za uspeh Alberta Einsteina je ta, da je eksperimentalne podatke postavil nad teoretične. Ko je vrsta eksperimentov razkrila rezultate, ki so bili v nasprotju s splošno sprejeto teorijo, so se mnogi fiziki odločili, da so bili ti poskusi napačni.
Albert Einstein je bil eden prvih, ki se je odločil zgraditi novo teorijo na podlagi novih eksperimentalnih podatkov.
Konec 9. stoletja so fiziki iskali skrivnostni eter - medij, v katerem naj bi se po splošno sprejetih domnevah širili svetlobni valovi, kot akustični valovi, za katere je potreben zrak za širjenje, ali drug medij - trden, tekoč ali plinast. Vera v obstoj etra je privedla do prepričanja, da se mora svetlobna hitrost spreminjati glede na hitrost opazovalca glede na eter.
Albert Einstein je opustil koncept etra in predlagal, da vsi fizični zakoni, vključno s hitrostjo svetlobe, ostanejo nespremenjeni ne glede na hitrost opazovalca - kot so pokazali poskusi.
Homogenost prostora in časa
Einsteinov SRT postulira temeljno razmerje med prostorom in časom. Material Vesolje ima, kot veste, tri prostorske dimenzije: gor-dol, desno, levo in naprej-nazaj. Temu se doda še ena dimenzija - začasna. Te štiri dimenzije skupaj tvorijo prostorno-časovni kontinuum.
Če se premikate z veliko hitrostjo, se bodo vaša opažanja glede na prostor in čas razlikovala od opazovanj drugih ljudi, ki se gibljejo z manjšo hitrostjo.
Spodnja slika prikazuje miselni eksperiment, ki vam bo pomagal razumeti to idejo. Predstavljajte si, da ste na vesoljski ladji in v rokah držite laser, s pomočjo katerega pošljete žarke svetlobe na strop, na katerega je pritrjeno ogledalo. Svetloba, ki se odbija, pade na detektor, ki jih registrira.
Zgoraj - v strop ste poslali žarek svetlobe, ta se je odbil in navpično padel na detektor. Spodaj - pri Hermanu se vaš svetlobni žarek pomakne diagonalno proti stropu in nato diagonalno proti detektorju.
Zgoraj - v strop ste poslali žarek svetlobe, ta se je odbil in navpično padel na detektor. Spodaj - pri Hermanu se vaš svetlobni žarek pomakne diagonalno proti stropu in nato diagonalno proti detektorju.
Recimo, da se vaša ladja premika s konstantno hitrostjo, ki je enaka polovici hitrosti svetlobe (0,5 c). Po Einsteinovem SRT ni pomembno za vas, svojega gibanja sploh ne opazite.
Vendar bo Herman, ko vas bo opazoval s počitniškega zvezdnega broda, videl povsem drugačno sliko. S svojega vidika bo svetlobni žarek diagonalno potoval do ogledala na stropu, odseval od njega in padel diagonalno na detektor.
Z drugimi besedami, usmeritev svetlobnega žarka bo za vas in za Hermana videti drugače in njegova dolžina bo drugačna. Zato se vam bo zdelo, koliko časa traja, da laserski žarek prevozi razdaljo do ogledala in do detektorja.
Temu pojavu rečemo časovna dilatacija: čas na zvezdni ladji, ki se giblje z veliko hitrostjo, z vidika opazovalca na Zemlji, teče veliko počasneje.
Ta primer, tako kot mnogi drugi, jasno prikazuje neločljivo povezavo prostora in časa. Ta povezava se opazovalca očitno opazi le, kadar gre za velike hitrosti, blizu hitrosti svetlobe.
Poskusi, odkar je Einstein objavil svojo veliko teorijo, potrjujejo, da se prostor in čas dejansko dojemata različno, odvisno od hitrosti gibanja predmetov.
Združevanje mase in energije
V svojem znamenitem članku, objavljenem leta 1905, je Einstein združil maso in energijo v preprosti formuli, ki jo pozna že vsak učenec že od nekdaj: E = mc².
Po teoriji velikega fizika se ob povečanju hitrosti materialnega telesa, ki se približuje hitrosti svetlobe, poveča tudi njegova masa. Tiste. hitreje se predmet premika, težji postane. V primeru doseganja hitrosti svetlobe masa telesa, pa tudi njegova energija postaneta neskončna. Težje kot je telo, težje je povečati njegovo hitrost; potrebna je neskončna količina energije za pospešitev telesa z neskončno maso, zato ni mogoče, da materialni predmeti dosežejo hitrost svetlobe.
Pred Einsteinom so koncepte mase in energije v fiziki obravnavali ločeno. Sijajni znanstvenik je dokazal, da je zakon ohranjanja mase, tako kot zakon ohranjanja energije, del splošnejšega zakona mase-energije.
Zaradi temeljne povezanosti teh dveh konceptov se lahko materija spremeni v energijo in obratno - v energijo.