Speciální teorie relativity

Základy speciální teorie relativity vypracoval Albert Einstein v roce 1905 na základě zkoumání vztahu mezi prostorovými charakteristikami, časem a některými dynamickými veličinami, jako jsou energie a hybnost. Speciální teorie relativity je založena na experimentálně zjištěném poznatku, že při měření rychlosti světla ve vakuu vzhledem k libovolné inerciální soustavě vždy naměříme tutéž hodnotu rychlosti světla c.

Představme si, že se jako turisté plavíme na velkém parníku po jezeře. Kromě našeho plují po jezeře další dva parníky. Jeden pluje před a druhý souběžně s naší lodí ve vzdálenosti d od nás. Vzájemná poloha všech lodí se nemění. Kapitán našeho parníku vyšle ve stejný okamžik dva stejně rychlé motorové čluny, aby odvezly zprávu na cizí parníky a vrátily se ihned zpět. Rychlost parníků vůči vodní hladině je přitom v a rychlost člunů u.

Přestože oba motorové čluny jely stejnou rychlostí ke stejně vzdálenému cíli a nezdržely se na místě, člun jedoucí kolmo k našemu parníku se vrátil dřív než člun jedoucí k parníku před námi, jak vyplývá z obrázku znázorňujícího tuto situaci:

STR

Nyní si představme, že náš výletní parník je planeta Země a motorové čluny, jež posíláme ve směru kolmém k pohybu Země a ve směru shodném se směrem pohybu Země, jsou fotony světla. Teoreticky se jedná o stejný případ. Zajímavé ovšem je, že foton na rozdíl od člunu se vrátí vždy za stejnou dobu nezávisle na tom, jakým směrem se pohybuje. Zdá se, že mu vůbec nezáleží na tom, jakou rychlostí a kterým směrem se jeho parník jménem Země pohybuje.

Tento pokus se v reálném provedení označuje jako Michelsonův experiment a způsobil na počátku minulého století vrásky na čele mnoha vědcům. Newtonova představa vesmíru vzala za své a svět přestal být takovým, za jaký byl vždy považován. Z Michelsonova experimentu vyplynulo, že v rozporu s představami klasické fyziky a zdravého selského rozumu je rychlost světla c ve vakuu stejná nezávisle na směru vzhledem k pohybu Země.

Albert Einstein rozřešil tento problém prostě tím, že postuloval princip o stálosti rychlosti světla ve vakuu c: Ve všech inerciálních vztažných soustavách má rychlost světla ve vakuu c stejnou velikost, a to ve všech směrech a nezávisle na vzájemném pohybu světelného zdroje a pozorovatele (2 postulát STR).

Rozpory spojené s touto skutečností vyřešil předpokladem, že neexistuje žádný jev, který by dokazoval rovnoměrný a přímočarý pohyb vztažné soustavy. To znamená, že neexistuje žádný absolutní pohyb vůči nějaké absolutní vztažné soustavě. Existuje pouze relativní pohyb jedné vztažné soustavy vůči druhé.

Všechny inerciální vztažné soustavy jsou rovnocenné, platí v nich stejné fyzikální zákony a neexistuje žádná zvláštní absolutní fyzikální soustava, z níž by bylo možno konat absolutní měření rychlosti okolních těles (1 postulát STR). Naměřená hodnota rychlosti libovolného tělesa má smysl pouze vzhledem k soustavě, v níž byla měřena.

Z důvodu nečekaného výsledku Michelsonova experimentu musela být klasická Galileova transformace souřadnic nahrazena tzv. Lorentzovou transformací souřadnic, která se od ní liší koeficientem a:

a

Z tohoto vztahu vyplývá, že při rychlostech blízkých rychlosti světla ve vakuu c @ 300 000 km/s se začnou objevovat relativistické efekty, jež zcela změní realitu, jak ji známe.

Představme si, že někdo někdy dokáže sestrojit fotonovou raketu, která se bude pohybovat rychlostí blízkou rychlosti světla ve vakuu c. Kosmická loď pohybující se touto rychlostí by nám připadala ve směru pohybu zkrácená, mnohem hmotnější než v klidu, a všechny hodiny na palubě této lodi by šly pomaleji než hodiny na Zemi. Velikost těchto odchylek by závisela právě na výše uvedeném koeficientu a.

Kdyby současně dvě takové kosmické lodi startovaly ze Země do opačných koutů vesmíru a krátce po startu by dosáhly rychlosti blízké rychlosti světla c vzhledem k Zemi, pozorovatel na Zemi by mohl soudit, že se od sebe vzdalují rychlostí rovnou takřka 2c. Přesto oba kapitáni těchto lodí by svorně tvrdili, že se vzdalují jak od Země, tak od sebe navzájem skoro stejnou rychlostí @ c. To je zajímavý paradox plynoucí z STR.

Z STR pochází rovněž nejslavnější Einsteinova rovnice popisující vztah mezi hmotností a energií:

E = m.c2

Einsteinova speciální teorie relativity vážně otřásla základy karteziánsko-newtonovské vědy. Zbourala zastaralá paradigmata a mechanistické představy o podstatě vesmíru. Ještě vážnější zásah do klasických představ o vesmíru však způsobila Einsteinova obecná teorie relativity, jež ukázala, že prostor je těsně spjat s hmotou v něm obsaženou a je jí zakřivován.

It's only fair to share...Share on Facebook
Facebook
Share on Google+
Google+
Tweet about this on Twitter
Twitter
Share on LinkedIn
Linkedin

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *