SRT, TOE - pod tymi skrótami kryje się termin "teoria względności", znany niemal każdemu. Wszystko da się wytłumaczyć prostym językiem, nawet stwierdzenie geniusza, więc nie rozpaczaj, jeśli nie pamiętasz szkolnego kursu fizyki, bo tak naprawdę wszystko jest o wiele prostsze niż się wydaje.
Narodziny teorii
Zacznijmy więc kurs „Teoria względności dla manekinów”. Albert Einstein opublikował swoją pracę w 1905 roku i wywołała poruszenie wśród naukowców. Teoria ta niemal całkowicie zakryła wiele luk i niespójności w fizyce ubiegłego wieku, ale dodatkowo wywróciła do góry nogami ideę przestrzeni i czasu. Współczesnym trudno było uwierzyć w wiele stwierdzeń Einsteina, ale eksperymenty i badania tylko potwierdziły słowa wielkiego naukowca.
Teoria względności Einsteina wyjaśniała w prostych słowach, z czym ludzie zmagali się od wieków. Można to nazwać podstawą całej współczesnej fizyki. Zanim jednak będziemy dalej mówić o teorii względności, powinniśmy…wyjaśnić kwestię terminów. Zapewne wielu czytając artykuły popularnonaukowe natrafiło na dwa skróty: SRT i GRT. W rzeczywistości mają na myśli nieco inne koncepcje. Pierwsza to szczególna teoria względności, a druga oznacza „ogólną teorię względności”.
Po prostu skomplikowane
SRT to starsza teoria, która później stała się częścią GR. Może uwzględniać tylko procesy fizyczne dla obiektów poruszających się ze stałą prędkością. Ogólna teoria może opisać, co dzieje się z przyspieszającymi obiektami, a także wyjaśnić, dlaczego istnieją cząstki grawitonowe i grawitacja.
Jeśli chcesz opisać ruch i prawa mechaniki, a także związek przestrzeni i czasu podczas zbliżania się do prędkości światła - może to zrobić specjalna teoria względności. W uproszczeniu można to wyjaśnić w następujący sposób: na przykład przyjaciele z przyszłości dali ci statek kosmiczny, który może latać z dużą prędkością. Na nosie statku kosmicznego znajduje się działo zdolne do wystrzeliwania fotonów we wszystko, co znajduje się z przodu.
Kiedy wystrzelony zostaje strzał względem statku, cząstki te lecą z prędkością światła, ale logicznie rzecz biorąc, nieruchomy obserwator powinien zobaczyć sumę dwóch prędkości (samych fotonów i statku). Ale nic takiego. Obserwator zobaczy fotony poruszające się z prędkością 300 000 m/s, tak jakby prędkość statku wynosiła zero.
Chodzi o to, że bez względu na to, jak szybko porusza się obiekt, prędkość światła dla niego jest wartością stałą.
Tostwierdzenie jest podstawą niesamowitych logicznych wniosków, takich jak spowolnienie i zniekształcenie czasu, w zależności od masy i prędkości obiektu. Wiele filmów i seriali science fiction jest opartych na tym.
Ogólna teoria względności
Bardziej obszerną ogólną teorię względności można wyjaśnić w prosty sposób. Na początek powinniśmy wziąć pod uwagę fakt, że nasza przestrzeń jest czterowymiarowa. Czas i przestrzeń są zjednoczone w takim „podmiocie” jak „kontinuum czasoprzestrzenne”. W naszej przestrzeni są cztery osie współrzędnych: x, y, z i t.
Ale ludzie nie mogą bezpośrednio postrzegać czterech wymiarów, tak jak hipotetyczna płaska osoba żyjąca w dwuwymiarowym świecie nie jest w stanie spojrzeć w górę. W rzeczywistości nasz świat jest tylko projekcją czterowymiarowej przestrzeni w trójwymiarową przestrzeń.
Ciekawym faktem jest to, że zgodnie z ogólną teorią względności ciała nie zmieniają się podczas ruchu. Obiekty czterowymiarowego świata są w rzeczywistości zawsze niezmienione i tylko ich projekcje zmieniają się podczas ruchu, co odbieramy jako zniekształcenie czasu, zmniejszenie lub zwiększenie rozmiaru i tak dalej.
Eksperyment z windą
Teorię względności można wyjaśnić w prosty sposób za pomocą małego eksperymentu myślowego. Wyobraź sobie, że jesteś w windzie. Kabina zaczęła się poruszać, a ty byłeś w stanie nieważkości. Co się stało? Mogą być dwa powody: albo winda jest wkosmosu lub spada swobodnie pod wpływem grawitacji planety. Najciekawsze jest to, że nie można znaleźć przyczyny nieważkości, jeśli nie ma możliwości wyjrzenia z kabiny windy, czyli oba procesy wyglądają tak samo.
Być może po przeprowadzeniu podobnego eksperymentu myślowego Albert Einstein doszedł do wniosku, że jeśli te dwie sytuacje są nie do odróżnienia od siebie, to w rzeczywistości ciało pod wpływem grawitacji nie przyspiesza, jest ruchem jednostajnym który jest zakrzywiony pod wpływem masywnego ciała (w tym przypadku planet). Zatem ruch przyspieszony jest tylko rzutem ruchu jednostajnego w przestrzeń trójwymiarową.
Przykład ilustracyjny
Kolejny dobry przykład „Względności dla opornych”. Nie jest to do końca poprawne, ale jest bardzo proste i jasne. Jeśli jakiś przedmiot zostanie umieszczony na rozciągniętej tkaninie, tworzy pod nią „odgięcie”, „lejek”. Wszystkie mniejsze ciała będą zmuszone do zniekształcenia swojej trajektorii zgodnie z nową krzywizną przestrzeni, a jeśli ciało ma mało energii, może w ogóle nie pokonać tego lejka. Jednak z punktu widzenia samego poruszającego się obiektu trajektoria pozostaje prosta, nie odczują krzywizny przestrzeni.
Gravity "obniżony"
Wraz z nadejściem ogólnej teorii względności grawitacja przestała być siłą i jest teraz zadowolona z pozycji prostej konsekwencji krzywizny czasu i przestrzeni. Ogólna teoria względności może wydawać się fantastyczna, ale działawersja i potwierdzona eksperymentami.
Wiele pozornie niesamowitych rzeczy w naszym świecie można wyjaśnić za pomocą teorii względności. W uproszczeniu takie rzeczy nazywamy konsekwencjami ogólnej teorii względności. Na przykład promienie światła lecące z bliskiej odległości od masywnych ciał są zakrzywione. Co więcej, wiele obiektów z odległej przestrzeni jest ukrytych za sobą, ale dzięki temu, że promienie światła krążą wokół innych ciał, pozornie niewidoczne obiekty są dostępne dla naszego wzroku (a dokładniej dla spojrzenia teleskopu). To jak patrzenie przez ściany.
Im większa grawitacja, tym wolniej płynie czas na powierzchni obiektu. Dotyczy to nie tylko masywnych ciał, takich jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Efekt dylatacji czasu można zaobserwować nawet na Ziemi. Na przykład urządzenia nawigacji satelitarnej są wyposażone w najdokładniejsze zegary atomowe. Znajdują się na orbicie naszej planety, a czas tam płynie trochę szybciej. Setne sekundy dziennie dadzą wynik do 10 km błędu w obliczeniach trasy na Ziemi. To teoria względności pozwala nam obliczyć ten błąd.
W uproszczeniu możemy powiedzieć tak: Ogólna teoria względności leży u podstaw wielu nowoczesnych technologii, a dzięki Einsteinowi możemy łatwo znaleźć pizzerię i bibliotekę w nieznany obszar.
