Specijalna teorija relativnosti, koju je 1905. objavio Einstein i važna generalizacija brojnih ranijih hipoteza, jedna je od najrezonantnijih i o kojoj se raspravlja u fizici.
Doista, teško je zamisliti da kada se objekt kreće brzinom skorom svjetlosti, fizički procesi se za njega počnu odvijati na potpuno neobičan način: duljina mu se smanjuje, masa raste, a vrijeme usporava. Odmah nakon objave počeli su se pokušaji diskreditacije teorije, koji traju i danas, iako je prošlo više od sto godina. To nije iznenađujuće, jer pitanje koliko je sati dugo je zabrinjavalo čovječanstvo i privlačilo svačiju pozornost.
Što je relativizam
Suštinu relativističke mehanike (to je također specijalna teorija relativnosti, u daljnjem tekstu SRT) i njezinu razliku od klasične mehanike zorno izražava izravni prijevod njezina imena: latinski relativus znači "relativan". SRT postulira neizbježnost dilatacije vremena za objekt dok se kreće u odnosu na promatrača.
Razlikaove teorije, koju je predložio Albert Einstein, iz Newtonove mehanike i leži u činjenici da se svi tekući procesi mogu promatrati samo međusobno ili u odnosu na nekog vanjskog promatrača. Prije nego što opišemo što je relativistička vremenska dilatacija, potrebno je malo proniknuti u pitanje formiranja teorije i utvrditi zašto je njezina formulacija uopće postala moguća, pa čak i obavezna.
Porijeklo relativnosti
Krajem 19. stoljeća znanstvenici su shvatili da se neki eksperimentalni podaci ne uklapaju u sliku svijeta utemeljenu na klasičnoj mehanici.
Fundamentalne kontradikcije rezultirale su pokušajima kombiniranja Newtonove mehanike s Maxwellovim jednadžbama koje opisuju gibanje elektromagnetskih valova u vakuumu i kontinuiranim medijima. Već je bilo poznato da je svjetlost upravo takav val, i to treba promatrati u okviru elektrodinamike, ali bilo je krajnje problematično raspravljati se s vizualnom i, što je najvažnije, vremenski provjerenom mehanikom.
Međutim, kontradikcija je bila očita. Pretpostavimo da je fenjer pričvršćen ispred vlaka u pokretu, koji svijetli naprijed. Prema Newtonu, brzine vlaka i svjetlosti koja dolazi iz fenjera moraju se zbrajati. Maxwellove su jednadžbe u ovoj hipotetskoj situaciji jednostavno „pukle“. Bio je potreban potpuno novi pristup.
Specijalna relativnost
Bilo bi pogrešno vjerovati da je Einstein izmislio teoriju relativnosti. Zapravo se okrenuo radovima i hipotezama znanstvenika koji su radili prije njega. Međutim, autor je prišaopitanje s druge strane i umjesto Newtonove mehanike prepoznala je Maxwellove jednadžbe kao "a priori točne".
Pored poznatog principa relativnosti (koje je, međutim, formulirao Galileo u okviru klasične mehanike), ovaj pristup je doveo Einsteina do zanimljive izjave: brzina svjetlosti je konstantna u svim okvirima referenca. I upravo ovaj zaključak omogućuje nam da govorimo o mogućnosti promjene vremenskih standarda kada se objekt kreće.
Stalnost brzine svjetlosti
Čini se da izjava "brzina svjetlosti je konstantna" nije iznenađujuća. Ali pokušajte zamisliti da stojite mirno i gledate kako se svjetlost udaljava od vas fiksnom brzinom. Slijedite snop, ali on se nastavlja udaljavati od vas potpuno istom brzinom. Štoviše, okrećući se i leteći u suprotnom smjeru od snopa, nećete ni na koji način promijeniti brzinu svoje udaljenosti!
Kako je to moguće? Ovdje počinje razgovor o relativističkom učinku dilatacije vremena. Zanimljiv? Onda čitajte dalje!
Relativistička dilatacija vremena prema Einsteinu
Kada se brzina objekta približi brzini svjetlosti, unutarnje vrijeme objekta se izračunava za usporavanje. Ako pretpostavimo da se osoba kreće paralelno sa sunčevom zrakom sličnom brzinom, vrijeme će za nju uopće prestati teći. Postoji formula za relativističku dilataciju vremena, koja odražava njen odnos sa brzinom objekta.
Međutim, prilikom proučavanja ovog pitanja, treba imati na umu da nijedno tijelo s masom čak ni teoretski ne može postići brzinu svjetlosti.
Paradoksi povezani s teorijom
Specijalna teorija relativnosti je znanstveno djelo i nije ga lako razumjeti. Međutim, javni interes za pitanje koliko je vrijeme redovito rađa ideje koje se na svakodnevnoj razini čine nerješivim paradoksima. Na primjer, sljedeći primjer zbunjuje većinu ljudi koji su upoznati sa SRT-om bez ikakvog znanja o fizici.
Postoje dva aviona, od kojih jedan leti ravno, a drugi uzlijeće i, opisavši luk brzinom bliskom brzini svjetlosti, sustiže prvi. Predvidljivo, pokazalo se da je vrijeme za drugi aparat (koji je letio brzinom skorom svjetlosti) prošlo sporije nego za prvi. Međutim, u skladu s postulatom SRT-a, referentni okviri za oba zrakoplova su jednaki. To znači da vrijeme može teći sporije i za jedan i za drugi uređaj. Čini se da je ovo slijepa ulica. Ali…
Rješavanje paradoksa
Zapravo, izvor ove vrste paradoksa je nerazumijevanje mehanizma teorije. Ova se kontradikcija može riješiti pomoću dobro poznatog spekulativnog eksperimenta.
Imamo šupu s dvoja vrata koja čine prolaz i stupom nešto dužim od dužine šupe. Ako motku razvučemo od vrata do vrata, oni se neće moći zatvoriti ili će nam jednostavno slomiti stup. Ako motka, leti u štalu,imat će brzinu blisku brzini svjetlosti, duljina će mu se smanjiti (zapamtite: objekt koji se kreće brzinom svjetlosti imat će duljinu nula), a u trenutku kada se nalazi unutar štale, možemo zatvoriti i otvoriti vrata bez lomljenja naših rekvizita.
S druge strane, kao u primjeru s avionom, štala bi se trebala smanjiti u odnosu na stup. Paradoks se ponavlja i, čini se, nema izlaza - oba se objekta sinkrono smanjuju u duljini. Međutim, zapamtite da je sve relativno i riješite problem promjenom vremena.
Relativnost istovremenosti
Kada je prednji rub stupa unutra, ispred ulaznih vrata, možemo ih zatvoriti i otvoriti, a u trenutku kada motka uleti potpuno u šupu, isto ćemo učiniti sa stražnjim vrata. Čini se da to ne radimo u isto vrijeme, a eksperiment je propao, ali ovdje se ispostavlja glavna stvar: u skladu s posebnom teorijom relativnosti, momenti zatvaranja obaju vrata nalaze se u istoj točki na vremenska os.
Ovo se događa zato što događaji koji se događaju istovremeno u jednom referentnom okviru neće biti istovremeni u drugom. Relativistička dilatacija vremena očituje se u odnosu objekata i vraćamo se na apsolutno svakodnevnu generalizaciju Einsteinove teorije: sve je relativno.
Ima još jedan detalj: jednakost referentnih sustava relevantna je u SRT-u, kada se oba objekta kreću jednoliko i pravolinijski. Čim jedno od tijela počne ubrzavati ili usporavati, njegov referentni okvir postaje jedinstvenmoguće.
Twin Paradox
Najpoznatiji paradoks koji objašnjava relativističku dilataciju vremena "na jednostavan način" je misaoni eksperiment s dva brata blizanca. Jedan od njih odleti u svemirskom brodu brzinom bliskom brzini svjetlosti, dok drugi ostaje na tlu. Po povratku, brat astronaut otkriva da je on sam ostario 10 godina, a njegov brat, koji je ostao kod kuće, čak 20 godina.
Ukupna slika bi čitatelju već trebala biti jasna iz prethodnih objašnjenja: za brata na svemirskom brodu vrijeme se usporava jer je njegova brzina bliska brzini svjetlosti; ne možemo prihvatiti referentni okvir u odnosu na brat na tlu, jer će se pokazati da nije inercijalan (samo jedan brat doživljava preopterećenja).
Želio bih primijetiti još nešto: bez obzira na stupanj koji protivnici dosegnu u sporu, ostaje činjenica: vrijeme u svojoj apsolutnoj vrijednosti ostaje konstantno. Bez obzira koliko godina brat leti na svemirskom brodu, nastavit će stariti točno istom brzinom kako vrijeme prolazi u njegovom referentnom okviru, a drugi brat će stariti potpuno istom brzinom – razlika će se otkriti tek kada sastaju se, i to ni u jednom drugom slučaju.
dilatacija vremena gravitacije
U zaključku, treba napomenuti da postoji drugi tip dilatacije vremena, već povezan s općom teorijom relativnosti.
Još u 18. stoljeću, Mitchell je predvidio postojanje crvenepomak, što znači da kada se objekt kreće između područja s jakom i slabom gravitacijom, vrijeme za to će se promijeniti. Unatoč pokušajima proučavanja problema od strane Laplacea i Zoldnera, samo je Einstein 1911. predstavio cjeloviti rad na ovu temu.
Ovaj efekt nije ništa manje zanimljiv od relativističke vremenske dilatacije, ali zahtijeva posebnu studiju. A to je, kako kažu, sasvim druga priča.
