Specijalna teorija relativnosti, koju je 1905. objavio Ajnštajn i važna generalizacija brojnih ranijih hipoteza, jedna je od najrezonantnijih i o kojoj se raspravlja u fizici.
Zaista, teško je zamisliti da kada se objekat kreće brzinom skorom svjetlosti, fizički procesi počinju za njega da se odvijaju na potpuno neobičan način: njegova dužina se smanjuje, njegova masa raste, a vrijeme usporava. Odmah nakon objavljivanja, počeli su 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 pažnju.
Šta je relativizam
Suština relativističke mehanike (to je takođe specijalna teorija relativnosti, u daljem tekstu SRT) i njena razlika od klasične mehanike slikovito je izražena direktnim prevodom njenog imena: latinski relativus znači "relativan". SRT postulira neizbježnost dilatacije vremena za objekat dok se kreće u odnosu na posmatrača.
Razlikaove teorije, koju je predložio Albert Ajnštajn, iz Njutnove mehanike i leži u činjenici da se svi tekući procesi mogu posmatrati samo relativno jedni prema drugima ili prema nekom spoljašnjem posmatraču. Prije nego što opišemo šta je relativistička vremenska dilatacija, potrebno je malo uroniti u pitanje formiranja teorije i utvrditi zašto je njena formulacija uopće postala moguća, pa čak i obavezna.
Porijeklo relativnosti
Krajem 19. veka, naučnici su shvatili da se neki eksperimentalni podaci ne uklapaju u sliku sveta zasnovanu na klasičnoj mehanici.
Fundamentalne kontradikcije rezultirale su pokušajima kombinovanja Njutnove mehanike sa Maksvelovim jednačinama koje opisuju kretanje elektromagnetnih talasa u vakuumu i kontinuiranim medijima. Već je bilo poznato da je svjetlost upravo takav val, i to treba razmatrati u okviru elektrodinamike, ali je bilo krajnje problematično raspravljati se s vizualnom i, što je najvažnije, vremenski provjerenom mehanikom.
Međutim, kontradikcija je bila očigledna. Pretpostavimo da je fenjer pričvršćen ispred voza u pokretu, koji sija naprijed. Prema Newtonu, brzine voza i svjetlosti koja dolazi iz fenjera moraju se zbrojiti. Maxwellove jednadžbe u ovoj hipotetičkoj situaciji su jednostavno „pukle“. Bio je potreban potpuno novi pristup.
Specijalna relativnost
Bilo bi pogrešno vjerovati da je Ajnštajn izmislio teoriju relativnosti. U stvari, okrenuo se radovima i hipotezama naučnika koji su radili prije njega. Međutim, autor je prišaopitanje s druge strane i umjesto Newtonove mehanike prepoznala je Maxwellove jednadžbe kao "a priori tačne".
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 nam omogućava 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. Pratite snop, ali on se nastavlja da se udaljava od vas potpuno istom brzinom. Štaviše, 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 efektu dilatacije vremena. Zanimljivo? Onda čitajte dalje!
Relativistička vremenska dilatacija prema Einsteinu
Kada se brzina objekta približi brzini svjetlosti, interno vrijeme objekta se izračunava da uspori. Ako pretpostavimo da se osoba kreće paralelno sa sunčevom zrakom sličnom brzinom, vrijeme će za nju uopće prestati da teče. 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 ne može čak ni teoretski dostići brzinu svjetlosti.
Paradoksi vezani za teoriju
Specijalna teorija relativnosti je naučni rad i nije ga lako razumjeti. Međutim, interesovanje javnosti za pitanje koliko je vrijeme redovno pobuđuje ideje koje na svakodnevnom nivou izgledaju kao nerješivi paradoksi. 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 pravo, a drugi polijeće i, opisavši luk brzinom bliskom brzini svjetlosti, sustiže prvi. Predvidljivo, ispostavilo se da je vrijeme za drugi aparat (koji je letio brzinom skorom svjetlosti) proteklo sporije nego za prvi. Međutim, u skladu sa postulatom SRT-a, referentni okviri za oba aviona su jednaki. To znači da vrijeme može teći sporije i za jedan i za drugi uređaj. Čini se da je ovo ćorsokak. Ali…
Rješavanje paradoksa
U stvari, izvor ove vrste paradoksa je nerazumijevanje mehanizma teorije. Ova kontradikcija se može riješiti korištenjem dobro poznatog spekulativnog eksperimenta.
Imamo šupu sa dvoja vrata koja čine prolaz i stubom nešto dužim od dužine šupe. Ako razvučemo motku od vrata do vrata, oni neće moći da se zatvore ili će nam jednostavno slomiti motku. Ako motka, uleti u štalu,će imati brzinu blisku brzini svjetlosti, njegova dužina će se smanjiti (zapamtite: objekt koji se kreće brzinom svjetlosti imat će dužinu nula), a u trenutku kada se nalazi unutar štale, možemo zatvoriti i otvoriti vrata bez lomljenja naših rekvizita.
S druge strane, kao iu primeru sa avionom, štala treba da se smanji u odnosu na stub. Paradoks se ponavlja i, čini se, nema izlaza - oba objekta se sinhrono smanjuju u dužini. Međutim, zapamtite da je sve relativno i riješite problem promjenom vremena.
Relativnost simultanosti
Kada je prednja ivica stuba unutra, ispred ulaznih vrata, možemo ih zatvoriti i otvoriti, a u trenutku kada motka uleti potpuno u šupu, isto ćemo uraditi i sa zadnjim vrata. Čini se da to ne radimo u isto vrijeme, a eksperiment je propao, ali ovdje se ispostavlja glavna stvar: u skladu sa specijalnom teorijom relativnosti, momenti zatvaranja oba vrata nalaze se u istoj tački na vremenska os.
Ovo se dešava zato što događaji koji se dešavaju istovremeno u jednom referentnom okviru neće biti simultani u drugom. Relativistička vremenska dilatacija se manifestuje u odnosu objekata i vraćamo se na apsolutno svakodnevnu generalizaciju Ajnštajnove teorije: sve je relativno.
Ima još jedan detalj: jednakost referentnih sistema je relevantna 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 sa dva brata blizanca. Jedan od njih odleti u svemirskom brodu brzinom bliskom brzini svjetlosti, dok drugi ostaje na zemlji. Po povratku, brat astronaut otkriva da je i sam star 10 godina, a njegov brat, koji je ostao kod kuće, čak 20 godina.
Ukupna slika bi čitaocu 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 brata na zemlji, jer će se ispostaviti da nije inercijalan (samo jedan brat doživljava preopterećenja).
Želio bih još nešto da napomenem: bez obzira na stepen koji protivnici dosegnu u sporu, ostaje činjenica: vrijeme u svojoj apsolutnoj vrijednosti ostaje konstantno. Bez obzira koliko godina brat leti na svemirskom brodu, on će nastaviti da stari tačno istom brzinom kako vreme prolazi u njegovom referentnom okviru, a drugi brat će stariti potpuno istom brzinom - razlika će se otkriti tek kada oni se sastaju, i ni u kom drugom slučaju.
dilatacija vremena gravitacije
U zaključku, treba napomenuti da postoji drugi tip dilatacije vremena, već povezan sa opštom teorijom relativnosti.
Još u 18. stoljeću, Mitchell je predvidio postojanje crvenogpomicanje, što znači da kada se objekt kreće između područja sa jakom i slabom gravitacijom, vrijeme za to će se promijeniti. Uprkos pokušajima da prouče ovo pitanje od strane Laplacea i Zoldnera, samo je Ajnštajn 1911. godine predstavio punopravni rad na ovu temu.
Ovaj efekat nije ništa manje zanimljiv od relativističke vremenske dilatacije, ali zahtijeva posebnu studiju. A to je, kako kažu, sasvim druga priča.
