Posebna teorija relativnosti, ki jo je leta 1905 objavil Einstein in je pomembna posplošitev številnih prejšnjih hipotez, je ena najbolj odmevnih in obravnavanih v fiziki.
Dejansko si je težko predstavljati, da ko se predmet premika s skoraj svetlobno hitrostjo, začnejo fizični procesi zanj potekati na povsem nenavaden način: njegova dolžina se zmanjša, njegova masa narašča in čas se upočasni. Takoj po objavi so se začeli poskusi diskreditacije teorije, ki se nadaljujejo še danes, čeprav je minilo že več kot sto let. To ni presenetljivo, saj vprašanje, koliko je ura, že dolgo skrbi človeštvo in pritegne pozornost vseh.
Kaj je relativizem
Bistvo relativistične mehanike (je tudi posebna teorija relativnosti, v nadaljevanju SRT) in njena razlika od klasične mehanike je nazorno izražena v neposrednem prevodu njenega imena: latinsko relativus pomeni "relativni". SRT predpostavlja neizogibnost časovne dilatacije za predmet, ko se premika glede na opazovalca.
Razlikate teorije, ki jo je predlagal Albert Einstein, iz Newtonove mehanike in je v dejstvu, da je vse tekoče procese mogoče obravnavati le relativno drug proti drugemu ali nekemu zunanjemu opazovalcu. Preden opišemo, kaj je relativistična časovna dilatacija, se je treba malo poglobiti v vprašanje oblikovanja teorije in ugotoviti, zakaj je njena formulacija sploh postala možna in celo obvezna.
Izvor relativnosti
Do konca 19. stoletja so znanstveniki ugotovili, da nekateri eksperimentalni podatki ne sodijo v sliko sveta, ki temelji na klasični mehaniki.
Temeljna protislovja so povzročila poskuse združitve Newtonove mehanike z Maxwellovimi enačbami, ki opisujejo gibanje elektromagnetnih valov v vakuumu in neprekinjenih medijih. Da je svetloba ravno tak val, je bilo že znano, in to je treba obravnavati v okviru elektrodinamike, vendar je bilo izredno problematično prepirati se z vizualno in, kar je najpomembneje, časovno preizkušeno mehaniko.
Protislovje pa je bilo očitno. Recimo, da je pred premikajočim se vlakom pritrjena luč, ki sije naprej. Po Newtonu se morata sešteti hitrosti vlaka in svetlobe, ki prihaja iz luči. Maxwellove enačbe v tej hipotetični situaciji so se preprosto "pokvarile". Potreben je bil popolnoma nov pristop.
Posebna relativnost
Bilo bi napačno verjeti, da je Einstein izumil teorijo relativnosti. Pravzaprav se je obrnil na dela in hipoteze znanstvenikov, ki so delali pred njim. Vendar se je avtor približalvprašanje na drugi strani in namesto Newtonove mehanike prepoznala Maxwellove enačbe kot "a priori pravilne".
Poleg znamenitega načela relativnosti (v resnici ga je Galileo oblikoval v okviru klasične mehanike) je ta pristop pripeljal Einsteina do zanimive izjave: hitrost svetlobe je konstantna v vseh okvirih referenca. In prav ta sklep nam omogoča, da govorimo o možnosti spreminjanja časovnih standardov, ko se predmet premika.
Stalnost svetlobne hitrosti
Zdi se, da izjava "hitrost svetlobe je konstantna" ni presenetljiva. Toda poskusite si predstavljati, da stojite pri miru in gledate, kako se svetloba oddaljuje od vas s fiksno hitrostjo. Sledite žarku, vendar se ta še naprej oddaljuje od vas s popolnoma enako hitrostjo. Poleg tega, če se obrnete in letite v nasprotni smeri od žarka, nikakor ne boste spremenili hitrosti vaše razdalje drug od drugega!
Kako je to mogoče? Tu se začne pogovor o relativističnem učinku dilatacije časa. zanimivo? Potem berite naprej!
Relativistična časovna dilatacija po Einsteinu
Ko se hitrost objekta približa hitrosti svetlobe, se notranji čas predmeta izračuna za upočasnitev. Če predpostavimo, da se človek giblje vzporedno s sončnim žarkom s podobno hitrostjo, bo čas zanj sploh prenehal teči. Obstaja formula za relativistično časovno dilatacijo, ki odraža njeno razmerje s hitrostjo predmeta.
Vendar pa je treba pri preučevanju tega vprašanja zapomniti, da nobeno telo z maso niti teoretično ne more doseči svetlobne hitrosti.
Paradoksi, povezani s teorijo
Posebna teorija relativnosti je znanstveno delo in ga ni lahko razumeti. Vendar zanimanje javnosti za vprašanje, koliko je čas, redno poraja ideje, ki se na vsakdanji ravni zdijo nerešljivi paradoksi. Naslednji primer na primer zbega večino ljudi, ki so se seznanili s SRT brez znanja fizike.
Obstajata dve ravnini, od katerih eno leti naravnost, drugo pa vzleti in po opisu loka s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti dohiti prvo. Predvidljivo se je izkazalo, da je čas za drugi aparat (ki je letel s skoraj svetlobno hitrostjo) minil počasneje kot za prvi. Vendar sta v skladu s postulatom SRT referenčna okvirja za oba letala enaka. To pomeni, da lahko čas tako za eno kot za drugo napravo teče počasneje. Zdi se, da je to slepa ulica. Ampak…
reševanje paradoksov
Pravzaprav je vir tovrstnih paradoksov nerazumevanje mehanizma teorije. To protislovje je mogoče razrešiti z dobro znanim špekulativnim eksperimentom.
Imamo lopo z dvema vrati, ki tvorita prehod, in drogom, ki je nekoliko daljši od dolžine lope. Če palico raztegnemo od vrat do vrat, se ne bodo mogli zapreti ali pa nam bodo palico preprosto zlomili. Če drog, ki leti v hlev,bo imela hitrost blizu svetlobne hitrosti, se bo njegova dolžina zmanjšala (ne pozabite: predmet, ki se giblje s svetlobno hitrostjo, bo imel dolžino nič), in v trenutku, ko je znotraj skednja, lahko zapremo in odpremo vrata, ne da bi zlomili naše rekvizite.
Po drugi strani, tako kot v primeru z letalom, naj bi se skedenj zmanjšal glede na drog. Paradoks se ponavlja in zdi se, da ni izhoda - oba predmeta se sinhrono zmanjšata po dolžini. Vendar ne pozabite, da je vse relativno, in rešite problem tako, da spremenite čas.
Relativnost simultanosti
Ko je sprednji rob droga v notranjosti, pred vhodnimi vrati, jih lahko zapremo in odpremo, in v trenutku, ko palica popolnoma prileti v lopo, naredimo enako z zadnjimi vrata. Zdi se, da tega ne počnemo hkrati in poskus ni uspel, a tukaj se izkaže glavna stvar: v skladu s posebno teorijo relativnosti so momenti zapiranja obeh vrat nameščeni na isti točki na časovna os.
To se zgodi, ker dogodki, ki se pojavljajo sočasno v enem referenčnem okviru, ne bodo sočasni v drugem. Relativistična časovna dilatacija se kaže v razmerju predmetov in vračamo se k absolutno vsakdanji posploševanju Einsteinove teorije: vse je relativno.
Še ena podrobnost: enakost referenčnih sistemov je pomembna v SRT, ko se oba objekta gibljeta enakomerno in pravokotno. Takoj, ko eno od teles začne pospeševati ali upočasnjevati, postane njegov referenčni okvir edinstvenmožno.
Twin Paradox
Najbolj znan paradoks, ki razlaga relativistično časovno dilatacijo "na preprost način", je miselni eksperiment z dvema bratoma dvojčkoma. Eden od njih odleti v vesoljski ladji s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti, drugi pa ostane na tleh. Po vrnitvi brat astronavt ugotovi, da je sam star 10 let, njegov brat, ki je ostal doma, pa kar 20.
Celotna slika bi morala biti bralcu jasna že iz prejšnjih razlag: za brata na vesoljski ladji se čas upočasni, ker je njegova hitrost blizu svetlobne hitrosti; ne moremo sprejeti referenčnega okvira glede na brat na tleh, saj se bo izkazalo za neinercialnega (samo en brat doživi preobremenitve).
Opozoril bi še na nekaj: ne glede na to, do katere stopnje v sporu dosežejo nasprotniki, ostaja dejstvo: čas v svoji absolutni vrednosti ostaja konstanten. Ne glede na to, koliko let bo brat letel na vesoljski ladji, se bo še naprej staral natanko enako hitro, ko bo čas tekel v njegovem referenčnem okviru, drugi brat pa se bo staral popolnoma enako – razlika se bo pokazala šele, ko bo srečata se in ne v nobenem drugem primeru.
Dilatacija gravitacijskega časa
Na koncu je treba omeniti, da obstaja druga vrsta časovne dilatacije, ki je že povezana s splošno teorijo relativnosti.
Mitchell je celo v 18. stoletju napovedal obstoj rdečepremik, kar pomeni, da se ob premikanju predmeta med območji z močno in šibko gravitacijo čas za to spremeni. Kljub poskusom Laplacea in Zoldnerja, da bi to vprašanje preučili, je le Einstein leta 1911 predstavil popolno delo na to temo.
Ta učinek ni nič manj zanimiv kot relativistična časovna dilatacija, vendar zahteva ločeno študijo. In to je, kot pravijo, povsem druga zgodba.
