Špeciálna teória relativity, publikovaná v roku 1905 Einsteinom a dôležité zovšeobecnenie niekoľkých skorších hypotéz, je jednou z najrezonantnejších a najdiskutovanejších vo fyzike.
Je skutočne ťažké si predstaviť, že keď sa objekt pohybuje rýchlosťou blízkou svetlu, fyzikálne procesy preň začnú prebiehať úplne nezvyčajným spôsobom: jeho dĺžka sa zmenšuje, jeho hmotnosť sa zvyšuje a čas sa spomaľuje. Hneď po zverejnení sa začali teóriu zdiskreditovať pokusy, ktoré pokračujú dodnes, hoci už prešlo viac ako sto rokov. To nie je prekvapujúce, pretože otázka koľko je hodín už dlho znepokojuje ľudstvo a priťahuje pozornosť všetkých.
Čo je relativizmus
Podstatu relativistickej mechaniky (je to aj špeciálna teória relativity, ďalej len SRT) a jej odlišnosť od klasickej mechaniky názorne vyjadruje priamy preklad jej názvu: latinsky relativus znamená „relatívny“. SRT postuluje nevyhnutnosť dilatácie času pre objekt, keď sa pohybuje relatívne k pozorovateľovi.
Rozdieltejto teórie, ktorú navrhol Albert Einstein, z newtonovskej mechaniky a spočíva v tom, že všetky prebiehajúce procesy možno posudzovať iba vo vzťahu k sebe navzájom alebo k nejakému vonkajšiemu pozorovateľovi. Pred popisom toho, čo je relativistická dilatácia času, je potrebné sa trochu ponoriť do otázky vzniku teórie a určiť, prečo sa jej formulácia stala vôbec možná a dokonca povinná.
Počiatky relativity
Koncom 19. storočia vedci pochopili, že niektoré experimentálne údaje nezapadajú do obrazu sveta založeného na klasickej mechanike.
Základné rozpory vyústili do pokusov spojiť Newtonovu mechaniku s Maxwellovými rovnicami popisujúcimi pohyb elektromagnetických vĺn vo vákuu a v spojitých médiách. Už sa vedelo, že svetlo je len taká vlna a treba o nej uvažovať v rámci elektrodynamiky, ale polemizovať s vizuálnou a hlavne časom overenou mechanikou bolo mimoriadne problematické.
Rozpor bol však zjavný. Predpokladajme, že pred idúcim vlakom, ktorý svieti dopredu, je pripevnená lampa. Podľa Newtona sa musia rýchlosti vlaku a svetlo vychádzajúce z lampáša sčítať. Maxwellove rovnice sa v tejto hypotetickej situácii jednoducho „rozbili“. Bol potrebný úplne nový prístup.
Špeciálna relativita
Bolo by nesprávne veriť, že Einstein vynašiel teóriu relativity. V skutočnosti sa obrátil na práce a hypotézy vedcov, ktorí pracovali pred ním. Autor však pristúpilotázka na druhej strane a namiesto Newtonovej mechaniky uznali Maxwellove rovnice ako „a priori správne“.
Okrem slávneho princípu relativity (v skutočnosti ho však sformuloval Galileo v rámci klasickej mechaniky) tento prístup priviedol Einsteina k zaujímavému konštatovaniu: rýchlosť svetla je konštantná vo všetkých rámcoch odkaz. A práve tento záver nám umožňuje hovoriť o možnosti zmeny časových noriem pri pohybe objektu.
Stálosť rýchlosti svetla
Zdalo by sa, že tvrdenie „rýchlosť svetla je konštantná“nie je prekvapujúce. Skúste si však predstaviť, že stojíte na mieste a sledujete, ako sa svetlo od vás vzďaľuje pevnou rýchlosťou. Sledujete lúč, ale stále sa od vás vzďaľuje presne rovnakou rýchlosťou. Navyše, keď sa otočíte a letíte opačným smerom od lúča, nijako nezmeníte rýchlosť svojej vzájomnej vzdialenosti!
Ako je to možné? Tu začína rozhovor o relativistickom efekte dilatácie času. zaujímavé? Potom čítajte ďalej!
Relativistická dilatácia času podľa Einsteina
Keď sa rýchlosť objektu priblíži rýchlosti svetla, vypočíta sa, že vnútorný čas objektu sa spomalí. Ak predpokladáme, že sa človek pohybuje paralelne so slnečným lúčom podobnou rýchlosťou, čas mu prestane bežať vôbec. Existuje vzorec pre relativistickú dilatáciu času, ktorá odráža jeho vzťah k rýchlosti objektu.
Pri štúdiu tejto problematiky však treba pamätať na to, že žiadne teleso s hmotnosťou nemôže ani teoreticky dosiahnuť rýchlosť svetla.
Paradoxy súvisiace s teóriou
Špeciálna relativita je vedecká práca a nie je ľahké ju pochopiť. Verejný záujem o otázku, čo je čas, však pravidelne vyvoláva myšlienky, ktoré sa na každodennej úrovni javia ako neriešiteľné paradoxy. Napríklad nasledujúci príklad vyvedie z miery väčšinu ľudí, ktorí sú oboznámení s SRT bez akýchkoľvek znalostí fyziky.
Sú dve lietadlá, z ktorých jedno letí rovno a druhé vzlieta a po opísaní oblúka rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla dobieha prvé. Predvídateľne sa ukazuje, že čas pre druhý prístroj (ktorý letel rýchlosťou blízkou svetla) ubehol pomalšie ako pre prvý. V súlade s postulátom SRT sú však referenčné rámce pre obe lietadlá rovnaké. To znamená, že čas môže plynúť pomalšie pre jedno aj druhé zariadenie. Zdalo by sa, že toto je slepá ulička. Ale…
Riešenie paradoxov
V skutočnosti je zdrojom tohto druhu paradoxov nepochopenie mechanizmu teórie. Tento rozpor možno vyriešiť pomocou dobre známeho špekulatívneho experimentu.
Máme prístrešok s dvomi dverami tvoriacimi priechodný priechod a stĺp o niečo dlhší ako je dĺžka prístrešku. Ak tyč natiahneme od dverí k dverám, nebudú sa môcť zavrieť alebo nám tyč jednoducho zlomia. Ak stĺp letí do stodoly,bude mať rýchlosť blízku rýchlosti svetla, jeho dĺžka sa zmenší (pamätajte: objekt pohybujúci sa rýchlosťou svetla bude mať dĺžku nula) a v momente, keď je vo vnútri stodoly, môžeme zavrieť a otvoriť dvere bez rozbitia našich rekvizít.
Na druhej strane, ako v príklade s lietadlom, je to stodola, ktorá by sa mala vzhľadom na pól zmenšiť. Paradox sa opakuje a zdá sa, že neexistuje východisko - oba objekty sa synchrónne zmenšujú. Pamätajte však, že všetko je relatívne a problém vyriešte zmenou času.
Relativita simultánnosti
Keď je predná hrana tyče vo vnútri, pred vchodovými dverami, môžeme ich zavrieť a otvoriť a v momente, keď tyč úplne vletí do búdy, urobíme to isté so zadnou dvere. Zdalo by sa, že to nerobíme súčasne a experiment zlyhal, ale tu sa ukazuje hlavná vec: v súlade so špeciálnou teóriou relativity sú momenty zatvárania oboch dverí umiestnené v rovnakom bode na časová os.
Stáva sa to preto, že udalosti vyskytujúce sa súčasne v jednom referenčnom rámci nebudú súčasné v inom. Relativistická dilatácia času sa prejavuje vo vzťahu objektov a vraciame sa k absolútne každodennému zovšeobecňovaniu Einsteinovej teórie: všetko je relatívne.
Je tu ešte jeden detail: rovnosť referenčných systémov je dôležitá v SRT, keď sa oba objekty pohybujú rovnomerne a priamočiaro. Akonáhle jedno z telies začne zrýchľovať alebo spomaľovať, jeho referenčný rámec sa stáva jedinečnýmmožné.
Paradox dvojčiat
Najznámejším paradoxom, ktorý „jednoduchým spôsobom“vysvetľuje relativistickú dilatáciu času, je myšlienkový experiment s dvoma bratmi – dvojičkami. Jeden z nich odletí vo vesmírnej lodi rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, zatiaľ čo druhý zostane na zemi. Po návrate brat astronaut zistí, že on sám zostarol o 10 rokov a jeho brat, ktorý zostal doma, zostarol až o 20 rokov.
Celkový obraz by mal byť čitateľovi jasný už z predchádzajúcich vysvetlení: pre brata na vesmírnej lodi sa čas spomalí, pretože jeho rýchlosť je blízka rýchlosti svetla; nemôžeme akceptovať referenčný rámec vo vzťahu k bratovi na zemi, pretože sa ukáže, že nie je inerciálny (len jeden brat zažíva preťaženie).
Rád by som poznamenal ešte niečo: bez ohľadu na to, aký stupeň dosiahnu oponenti v spore, faktom zostáva: čas vo svojej absolútnej hodnote zostáva konštantný. Bez ohľadu na to, koľko rokov letí brat na vesmírnej lodi, bude aj naďalej starnúť presne rovnakým tempom, ako plynie čas v jeho referenčnom rámci, a druhý brat bude starnúť presne rovnakou rýchlosťou – rozdiel sa ukáže až vtedy, keď stretnú sa a nie v žiadnom inom prípade.
Dilatácia gravitačného času
Na záver treba poznamenať, že existuje druhý typ dilatácie času, ktorý už súvisí so všeobecnou teóriou relativity.
Už v 18. storočí Mitchell predpovedal existenciu červenejposunutie, čo znamená, že keď sa objekt pohybuje medzi oblasťami so silnou a slabou gravitáciou, čas na to sa zmení. Napriek pokusom Laplacea a Zoldnera študovať túto problematiku iba Einstein v roku 1911 predložil plnohodnotnú prácu na túto tému.
Tento efekt nie je o nič menej zaujímavý ako relativistická dilatácia času, ale vyžaduje si samostatnú štúdiu. A to je, ako sa hovorí, úplne iný príbeh.
