Kaže se da je epifanija došla do Alberta Einsteina u trenu. Znanstvenik se navodno vozio tramvajem u Bernu (Švicarska), pogledao ulični sat i iznenada shvatio da ako bi se tramvaj sada ubrzao brzinom svjetlosti, onda bi po njegovom shvaćanju taj sat stao - i ne bi bilo vremena oko njega. To ga je natjeralo da formulira jedan od glavnih postulata relativnosti - da različiti promatrači različito doživljavaju stvarnost, uključujući i takve temeljne veličine kao što su udaljenost i vrijeme.
Znanstveno govoreći, toga dana, Einstein je shvatio da opis bilo kojeg fizičkog događaja ili fenomena ovisi o referentnom okviru u kojem se promatrač nalazi (vidi Coriolisov efekt). Ako putnik u tramvaju, na primjer, baci naočale, tada će za nju pasti okomito prema dolje, a za pješaka koji stoji na ulici, naočale će pasti u paraboli, dok se tramvaj kreće dok čaše padaju. Svaka od njih ima svoj referentni okvir.
Iako se opisi događaja mijenjaju tijekom prelaska s jednog referentnog okvira na drugi, postoje i univerzalne stvari koje ostaju nepromijenjene. Ako umjesto opisivanja pada naočala postavimo pitanje o prirodnom zakonu koji ih uzrokuje da padaju, odgovor na njega bit će isti za promatrača u fiksnom koordinatnom sustavu, a za promatrača u pokretnom koordinatnom sustavu. Zakon distribuiranog prometa jednako vrijedi na ulici i u tramvaju. Drugim riječima, dok opis događaja ovisi o promatraču, zakoni prirode ne ovise o njemu, to jest, kako kažu znanstvenim jezikom, oni su invariantni. To je princip relativnosti.
Kao i svaka hipoteza, načelo relativnosti moralo se testirati povezujući ga s stvarnim prirodnim pojavama. Iz principa relativnosti Einstein je izvukao dvije odvojene (doduše povezane) teorije. Posebna, ili posebna teorija relativnosti, proizlazi iz pretpostavke da su prirodni zakoni isti za sve referentne okvire koji se kreću konstantnom brzinom. Opća relativnost proširuje ovaj princip na bilo koji referentni okvir, uključujući i one koji se kreću ubrzanjem. Posebna teorija relativnosti objavljena je 1905., a složenija s gledišta matematičkog aparata, opću teoriju relativnosti dovršio je Einstein 1916. godine.
Specijalna teorija relativnosti
Većina paradoksalnih i oprečnih intuitivnih ideja o svijetu učinaka koji nastaju pri kretanju brzinom bliskom brzini svjetlosti predviđa posebna teorija relativnosti. Najpoznatiji od njih je učinak usporavanja sata, odnosno efekt usporavanja vremena. Sat koji se kreće u odnosu na promatrača teče sporije nego potpuno isti sat u rukama.
Vrijeme u koordinatnom sustavu koji se kreće brzinom bliskom brzini svjetlosti proteže se u odnosu na promatrača, dok se prostorni opseg (duljina) predmeta duž osi smjera kretanja, naprotiv, sažima. Taj je učinak, poznat kao Lorentz-Fitzgerald kontrakcija, 1889. opisao irski fizičar George Fitzgerald (1851-1901), a 1892. dovršio Nizozemac Hendrick Lorentz (1853-1928). Kratica Lorentz-Fitzgerald objašnjava zašto je Michelson-Morleyjev eksperiment za određivanje brzine Zemlje u svemiru mjerenjem "eterskog vjetra" dao negativan rezultat. Kasnije je Einstein uključio ove jednadžbe u posebnu relativnost i nadopunio ih sličnom formulom transformacije za masu,prema kojoj se i masa tijela povećava kako se brzina tijela približava brzini svjetlosti. Dakle, pri brzini od 260 000 km / s (87% brzine svjetlosti) masa objekta sa stajališta promatrača u referentnom okviru odmora će se udvostručiti.
Promotivni video:
Još od vremena Einsteina, sva ta predviđanja, koliko god protivna zdravom razumu izgledala, pronalaze potpunu i izravnu eksperimentalnu potvrdu. U jednom od najizazovnijih eksperimenata, znanstvenici sa Sveučilišta u Michiganu stavili su ultra precizan atomski sat na brod aviona koji je obavljao redovite transatlantske letove, a nakon svakog leta natrag do matične zračne luke provjeravali su svoja očitavanja u odnosu na kontrolni sat. Pokazalo se da je sat u avionu postupno sve više zaostajao za kontrolnim uređajima (da tako kažemo, u djeliću sekunde). Posljednjih pola stoljeća, znanstvenici su istraživali elementarne čestice u ogromnim hardverskim kompleksima zvanim akceleratori. U njima se zrake nabijenih subatomskih čestica (poput protona i elektrona) ubrzavaju do brzine bliske brzini svjetlosti,tada se ispaljuju na razne nuklearne ciljeve. U takvim eksperimentima na akceleratorima potrebno je uzeti u obzir porast mase ubrzanih čestica - inače rezultati eksperimenta jednostavno neće biti podložni razumnom tumačenju. U tom smislu, posebna teorija relativnosti odavno je prešla iz kategorije hipotetičkih teorija u polje alata primijenjenog inženjerstva, gdje se koristi uporedo s Newtonovim zakonima mehanike.
Vraćajući se Newtonovim zakonima, želio bih naglasiti da posebna teorija relativnosti, iako je izvana suprotna zakonima klasične Newtonove mehanike, u stvari praktički točno reproducira sve uobičajene jednadžbe Newtonovih zakona, ako se primijeni za opisivanje tijela koja se kreću velikom brzinom manja od brzine svjetlosti. Odnosno, posebna teorija relativnosti ne poništava Newtonovu fiziku, već je proširuje i dopunjava (ta se ideja detaljnije raspravlja u Uvodu).
Načelo relativnosti također pomaže razumjeti zašto brzina svjetlosti, a ne bilo koja druga, igra tako važnu ulogu u ovom modelu strukture svijeta - ovo pitanje postavljaju mnogi od onih koji su se prvi put susreli s teorijom relativnosti. Brzina svjetlosti ističe se i igra posebnu ulogu kao univerzalna konstanta, jer je određena prirodno-znanstvenim zakonom (vidi Maxwell-ove jednadžbe). Po principu relativnosti brzina svjetlosti u vakuumu, c, jednaka je u bilo kojem referentnom okviru. To naizgled proturječi zdravom razumu, jer ispada da svjetlost iz izvora koji se kreće (bez obzira koliko se brzo kreće) i iz stacionarnog izvora dopire istovremeno do promatrača. Međutim, to je tako.
Zbog svoje posebne uloge u prirodnim zakonima, brzina svjetlosti je središnja za opću relativnost.
Opća teorija relativnosti
Opća teorija relativnosti već se primjenjuje na sve referentne okvire (i ne samo na one koji se kreću konstantnom brzinom međusobno) i izgleda matematički mnogo složenije od posebne (što objašnjava jedanaestogodišnji jaz između njihove objave). Ona uključuje, kao poseban slučaj, posebnu teoriju relativnosti (i, prema tome, Newtonove zakone). Štoviše, opća teorija relativiteta ide mnogo dalje od svih svojih prethodnika. Osobito nudi novu interpretaciju gravitacije.
Opća relativnost čini svijet četverodimenzionalnim: vremenu se dodaje tri prostorne dimenzije. Sve su četiri dimenzije nerazdvojne, pa više ne govorimo o prostornoj udaljenosti dvaju objekata, kao što je slučaj u trodimenzionalnom svijetu, već o prostorno-vremenskim intervalima između događaja koji objedinjuju njihovu udaljenost jedni od drugih - i u vremenu i u prostoru … Odnosno, prostor i vrijeme smatraju se četverodimenzionalnim kontinuumom prostor-vrijeme ili, jednostavno, prostor-vrijeme. U tom se kontinuumu promatrači koji se kreću jedan prema drugom mogu čak ne slagati oko toga jesu li se dva događaja dogodila istovremeno - ili je jedan prethodio drugom. Srećom za naše siromašne umove, stvar ne dolazi do kršenja uzročno-posljedičnih odnosa - odnosno postojanja koordinatnih sustava,u kojima se dva događaja ne događaju istovremeno i u različitom slijedu, čak ni opća teorija relativnosti ne dopušta.
Newtonov zakon gravitacije govori nam da postoji sila uzajamne privlačnosti između bilo koja dva tijela u svemiru. S ovog gledišta, Zemlja se okreće oko Sunca, jer sile međusobnog privlačenja djeluju među njima. Međutim, opća relativnost prisiljava nas da taj fenomen gledamo drugačije. Prema ovoj teoriji, gravitacija je posljedica deformacije ("zakrivljenosti") elastičnog tkiva prostora-vremena pod utjecajem mase (u ovom slučaju, što je tijelo teže, na primjer, Sunce, više se prostor-vrijeme "savija" ispod njega i, sukladno tome, jača je njegova gravitacija polje). Zamislite da se platno razvuče čvrsto (vrsta trampolina) s masivnom kuglom na njemu. Tkanina se deformira pod težinom kugle, a oko nje se formira depresija u obliku lijevka. Prema općoj relativnosti,Zemlja se vrti oko Sunca poput male kugle postavljene da se valja oko konusa lijevka koji je nastao kao rezultat "prisiljavanja" prostora-vremena teškom kuglom - Suncem. A ono što nam se čini da je sila gravitacije, ustvari, čisto vanjska manifestacija zakrivljenosti prostora-vremena, a nikako sila u Newtonovom razumijevanju. Do danas nije pronađeno bolje objašnjenje prirode gravitacije od opće teorije relativnosti. Do danas nije pronađeno bolje objašnjenje prirode gravitacije od opće teorije relativnosti. Do danas nije pronađeno bolje objašnjenje prirode gravitacije od opće teorije relativnosti.
Teško je testirati opću teoriju relativnosti, jer se u običnim laboratorijskim uvjetima njezini rezultati gotovo u potpunosti podudaraju s onim što predviđa Newtonov zakon univerzalne gravitacije. Ipak, provedeno je nekoliko važnih eksperimenata, a njihovi rezultati omogućuju da se teorija smatra potvrđenom. Osim toga, opća relativnost pomaže objasniti pojave koje opažamo u svemiru - na primjer, mala odstupanja Merkura od stacionarne orbite, koja su neobjašnjiva s gledišta klasične newtonske mehanike, ili zakrivljenost elektromagnetskog zračenja iz udaljenih zvijezda dok prolazi u neposrednoj blizini Sunca.
U stvari, rezultati predviđeni općom relativnošću znatno se razlikuju od rezultata predviđenih Newtonovim zakonima samo u prisutnosti super-jakih gravitacijskih polja. To znači da su za potpuno testiranje opće teorije relativnosti potrebna ultra precizna mjerenja vrlo masivnih predmeta ili crne rupe na koje nije primjenjiva nijedna naša uobičajena intuitivna ideja. Dakle, razvoj novih eksperimentalnih metoda ispitivanja teorije relativnosti ostaje jedan od najvažnijih zadataka eksperimentalne fizike.