Teorie speciální relativity Alberta Einsteina z roku 1905 je jedním z nejdůležitějších článků, které kdy byly publikovány v oblasti fyziky. Speciální teorie relativity je vysvětlení toho, jak rychlost ovlivňuje hmotu, čas a prostor. Teorie zahrnuje způsob, jak pro rychlost světla definovat vztah mezi energií a hmotou – malá množství hmoty (m) mohou být zaměnitelná s obrovským množstvím energie (E), jak je definováno klasickou rovnicí E = mc^2.
Speciální teorie relativity platí pro „zvláštní“případy – většinou se používá při diskuzi o obrovských energiích, ultrarychlých rychlostech a astronomických vzdálenostech, to vše bez komplikací gravitace. Einstein oficiálně přidal gravitaci do svých teorií v roce 1915, když publikoval svůj článek o obecné teorii relativity.
Jak se objekt blíží rychlosti světla, jeho hmotnost se stává nekonečnou a stejně tak i energie potřebná k jeho pohybu. To znamená, že je nemožné, aby se jakákoliv hmota pohybovala rychleji, než se pohybuje světlo. Tento kosmický rychlostní limit inspiruje nové oblasti fyziky a sci-fi, protože lidé zvažují cestování na obrovské vzdálenosti.
Jaká byla fyzika před relativitou?
Před Einsteinem astronomové (z větší části) chápali vesmír z hlediska tří zákonů pohybu, které představil Isaac Newton v roce 1686. Tyto tři zákony jsou:
- Předměty v pohybu nebo v klidu zůstávají ve stejném stavu, pokud vnější síla nevyvolá změnu. Toto je také známé jako koncept setrvačnosti.
- Síla působící na předmět se rovná hmotnosti předmětu vynásobené jeho zrychlením. Jinými slovy, můžete vypočítat, jakou silou je třeba pohybovat objekty s různou hmotností různými rychlostmi.
- Pro každou akci existuje stejná a opačná reakce.
Podle Encyclopedia Britannica se Newtonovy zákony ukázaly jako platné v téměř každé aplikaci ve fyzice. Tvořily základ pro naše chápání mechaniky a gravitace.
Některé věci však Newtonova práce vysvětlit nedokázala: Například světlo.
Aby vědci v roce 1800 začlenili podivné chování světla do Newtonova rámce pro fyziku, předpokládali, že světlo musí být přenášeno přes nějaké médium, které nazývali „světelný éter“. Ten hypotetický éter musel být dostatečně tuhý, aby přenášel světelné vlny, jako když kytarová struna vibruje zvukem, ale také zcela nedetekovatelný při pohybu planet a hvězd.
To byl velký úkol. Vědci se pustili do pokusu odhalit tento tajemný éter v naději, že mu lépe porozumí. V roce 1887, napsal astrofyzik Ethan Siegal na vědeckém blogu Forbes, Starts With a Bang, fyzik Albert A. Michelson a chemik Edward Morley vypočítali, jak pohyb Země éterem ovlivnil měření rychlosti světla, a neočekávaně zjistili, že rychlost světlo je stejné bez ohledu na to, jaký je pohyb Země.
Došli k závěru, že pokud se rychlost světla nezměnila navzdory pohybu Země éterem, nesmí na začátku existovat nic takového jako éter: Světlo ve vesmíru se pohybovalo vakuem.
To znamenalo, že to nelze vysvětlit klasickou mechanikou. Fyzika potřebovala nové paradigma.
Jak Einstein přišel na speciální teorii relativity?
Podle Einsteina ve své knize z roku 1949 „Autobiografické poznámky“(Open Court, 1999, Centennial Edition) začal začínající fyzik zpochybňovat chování světla, když mu bylo pouhých 16 let. V myšlenkovém experimentu jako teenager, napsal, si představoval, jak honí paprsek světla.
Klasická fyzika by naznačovala, že když pomyslný Einstein zrychlil, aby zachytil světlo, světelná vlna by nakonec dosáhla relativní rychlosti nula - člověk a světlo by se pohybovali rychlostí společně a on mohl vidět světlo jako zmrzlé elektromagnetické záření. pole. Ale Einstein napsal, že to odporuje práci jiného vědce, Jamese Clerka Maxwella, jehož rovnice vyžadovaly, aby se elektromagnetické vlny ve vakuu pohybovaly vždy stejnou rychlostí: 186 282 mil za sekundu (300 000 kilometrů za sekundu).
Filozof fyziky John D. Norton zpochybnil Einsteinův příběh ve své knize „Einstein pro každého“(Nullarbor Press, 2007), částečně proto, že jako 16letý Einstein by se ještě nesetkal s Maxwellovými rovnicemi. Ale protože se objevila v Einsteinových vlastních memoárech, je anekdota stále široce přijímána.
Pokud by člověk teoreticky mohl zachytit paprsek světla a vidět jej zmrazený vzhledem k jeho vlastnímu pohybu, musela by se fyzika jako celek měnit v závislosti na rychlosti člověka a jeho úhlu pohledu? Místo toho, jak vyprávěl Einstein, hledal jednotnou teorii, která by zajistila, že pravidla fyziky budou stejná pro všechny, všude a po celou dobu.
To, napsal fyzik, vedlo k jeho případným úvahám o teorii speciální relativity, které rozložil na další myšlenkový experiment: Osoba stojící vedle vlakové koleje a porovnává pozorování bouřky s bleskem s osobou uvnitř vlaku. A protože jde o fyziku, vlak se samozřejmě pohybuje téměř rychlostí světla.
Einstein si představil vlak v bodě na trati rovnoměrně mezi dvěma stromy. Pokud by blesk zasáhl oba stromy současně, osoba vedle trati by viděla současné údery. Ale protože se pohybují směrem k jednomu blesku a od druhého, osoba ve vlaku uvidí nejprve blesk před vlakem a později blesk za vlakem.
Einstein došel k závěru, že simultánnost není absolutní, nebo jinými slovy, že současné události, jak je vidí jeden pozorovatel, mohou nastat v různých časech z pohledu druhého. Uvědomil si, že se nemění rychlost světla, ale relativní je samotný čas. Čas se pohybuje jinak pro objekty v pohybu než pro objekty v klidu. Mezitím je rychlost světla, kterou pozoruje kdokoli kdekoli ve vesmíru, ať se pohybuje nebo nehýbe, vždy stejná.
Co znamená E = mc^2?
Jedna z nejslavnějších a nejznámějších rovnic v celé lidské historii, E = mc^2, v překladu znamená „energie se rovná hmotnosti vynásobené druhou mocninou rychlosti světla“. Jinými slovy, napsal PBS Nova, energie (E) a hmotnost (m) jsou zaměnitelné. Jsou to ve skutečnosti jen různé formy téže věci.
Ale nedají se snadno vyměnit. Protože rychlost světla je už tak obrovské číslo a rovnice vyžaduje, aby byla vynásobena sama sebou (nebo na druhou, aby se stala ještě větší), malé množství hmoty obsahuje obrovské množství energie. Například PBS Nova vysvětlila: "Pokud byste dokázali proměnit každý atom ve sponce na papír na čistou energii - nezanechávající žádnou hmotu - sponka by dala 18 kilotun TNT. To je zhruba velikost bomby, která zničila Hirošimu." v roce 1945."
Dilatace času
Jedním z mnoha důsledků Einsteinovy práce se speciální teorií relativity je, že se čas pohybuje vzhledem k pozorovateli. Objekt v pohybu zažívá dilataci času, což znamená, že když se objekt pohybuje velmi rychle, zažívá čas pomaleji, než když je v klidu.
Když například astronaut Scott Kelly od roku 2015 strávil téměř rok na palubě Mezinárodní vesmírné stanice, pohyboval se mnohem rychleji než jeho dvojče, astronaut Mark Kelly, který strávil rok na povrchu planety. Kvůli dilataci času Mark Kelly stárl jen o něco rychleji než Scott – „o pět milisekund“, podle pozemského dvojčete. Vzhledem k tomu, že se Scott nepohyboval blízko rychlosti světla, skutečný rozdíl ve stárnutí kvůli dilataci času byl zanedbatelný. Ve skutečnosti, vezmeme-li v úvahu, kolik stresu a radiace vzdušné dvojče zažilo na palubě ISS, někteří by tvrdili, že Scott Kelly zvýšil rychlost stárnutí.
Ale při rychlostech blížících se rychlosti světla by mohly být účinky dilatace času mnohem zjevnější. Představte si, že 15letá dívka opustí střední školu a cestuje rychlostí 99,5 % rychlosti světla po dobu pěti let (z pohledu dospívajícího astronauta). Když se 15letá dívka vrátila na Zemi, zestárla o těch 5 let, které strávila cestováním. Jejím spolužákům by však bylo 65 let – na mnohem pomaleji se pohybující planetě by uplynulo 50 let.
V současné době nemáme technologii, abychom cestovali někam blízko této rychlosti. Ale s přesností moderní technologie dilatace času skutečně ovlivňuje lidské inženýrství.
Zařízení GPS fungují tak, že polohu vypočítávají na základě komunikace s minimálně třemi satelity na vzdálených oběžných drahách Země. Tyto satelity musí sledovat neuvěřitelně přesný čas, aby přesně určily polohu na planetě, takže fungují na základě atomových hodin. Ale protože tyto atomové hodiny jsou na palubě satelitů, které neustále sviští vesmírem rychlostí 8 700 mph (14 000 km/h), speciální teorie relativity znamená, že každý den tikají dalších 7 mikrosekund, neboli 7 milióntin sekundy, podle publikace American Physical Society Physics Central. Aby atomové hodiny na satelitech GPS udržely tempo se pozemskými hodinami, musí každý den odečíst 7 mikrosekund.
S dalšími efekty z obecné teorie relativity (Einsteinovo pokračování speciální teorie relativity, která zahrnuje gravitaci), hodiny blíže středu velké gravitační hmoty, jako je Země, tikají pomaleji než ty vzdálenější. Tento efekt přidává mikrosekundy každému dni na atomových hodinách GPS, takže nakonec inženýři odečítají 7 mikrosekund a přidávají dalších 45. Hodiny GPS nepřeskočí do dalšího dne, dokud neuběhnou celkem o 38 mikrosekund déle než srovnatelné hodiny na Zemi.
Speciální teorie relativity a kvantová mechanika
Speciální teorie relativity a kvantová mechanika jsou dva nejrozšířenější modely fungování našeho vesmíru. Ale speciální teorie relativity se většinou týká extrémně velkých vzdáleností, rychlostí a objektů a spojuje je do „hladkého“modelu vesmíru. Události ve speciální (a obecné) relativitě jsou spojité a deterministické, napsal Corey Powell pro The Guardian, což znamená, že každá akce má přímý, konkrétní a lokální důsledek. To se liší od kvantové mechaniky, pokračoval Powell: kvantová fyzika je „hustá“, s událostmi, které se vyskytují ve skocích nebo „kvantových skocích“, které mají pravděpodobnostní, nikoli jednoznačné výsledky.
Výzkumníci sjednocující speciální teorii relativity a kvantovou mechaniku – hladkou a mohutnou, velmi velkou a velmi malou – přišli s obory jako relativistická kvantová mechanika a v poslední době i kvantová teorie pole, aby lépe porozuměli subatomárním částicím a jejich interakcím.
Vědci usilující o propojení kvantové mechaniky a obecné teorie relativity ji naopak považují za jeden z velkých nevyřešených problémů fyziky. Po celá desetiletí mnozí považovali teorii strun za nejslibnější oblast výzkumu jednotné teorie celé fyziky. Nyní existuje řada dalších teorií. Jedna skupina například navrhuje časoprostorové smyčky, aby propojily malý, robustní kvantový svět s širokým relativistickým vesmírem.
