specijalna teorija relativiteta

SPECIJALNA TEORIJA RELATIVNOSTI

Početkom XX veka Ajnštajnova teorija relativnosti šokirala je svet. Ova teorija predviđala je drastične promene zakona klasične fizike koji su vekovima bili logični, i niko vekovima nije sumnjao u njihovu ispravnost.

Aristotel, Njutn i svi drugi naučnici pre Anštajna verovali su u apsolutno vreme. Smatrali su, naime, da je bespogovorno moguće izmeriti interval između dva događaja, odnosno da bi ovo vreme bilo isto bez obzira na to ko ga meri, pod uslovom da se koristi dobar časovnik. Vreme je bilo potpuno zasebno i nezavisno od prostora. Za većinu ljudi ovo bi bilo zdravorazumsko stanovište. Ali ipak, čovečanstvo je moralo da promeni svoja viđenja prostora i vremena. Iako su, kako izgleda, zdravorazumske predstave sasvim u redu sa stvarima kao što su jabuke ili planete koje se kreću srazmerno lagano, one potpuno gube valjanost kada su posredi stvari koje se kreću brzinom svetlosti ili sasvim blizu nje.

Najznačajnija stvar koja je doprinela nastanku Teorije relativnosti bilo je to što je Ajnštajn u fiziku uveo jedan nov pojam, pojam prostor-vremena, ovo ujedinjenje prostora i vremena, tj. posmatranje vremena kao jedne posebne dimenzije, ulazak u jedan nov četvorodimenzionalni prostor, dovelo je do mnogih čudnih pojava.

Teorija relativnosti sastoji se od dva glavna dela: Specijalna teorija relativnosti (STR), objavljena 1905. god i Opšta teorija relativnosti (OTR), objavljena 1916. godine. STR razmatra samo predmete ili sisteme koji se, jedni prema drugima, kreću ili konstantnom brzinom (neubrzani sistemi) ili se uopšte ne kreću (brzina jednaka nuli). OTR razmatra predmete ili sisteme koji se jedni prema drugima kreću sa određenim ubrzanjem (ubrzavaju ili usporavaju).

STR pokazala se veoma uspešna u objašnjavanju okolnosti da brzina svetlosti izgleda ista svim posmatračima (kako je to pokazao Majklson-Morlijev eksperiment) i u opisivanju onoga što se događa kada se stvari kreću brzinama bliskim brzini svetlosti. Ona je, međutim, bila nesaglasna sa Njutnovom teorijom gravitacije koja je tvrdila da se tela međusobno privlače silom koja zavisi od razdaljine među njima. Ovo je značilo da ako neko pomeri dalje jedno od tela, sila kojom ono dejstvuje na drugo istog trenutka bi se smanjila. Ili, drugim rečima, gravitaciona dejstva trebalo bi da se kreću beskrajnom brzinom, umesto brzinom svetlosti ili ispod nje, kako je to zahtevala posebna teorija relativnosti. Ajnštajn je preduzeo više bezuspešnih pokušaja između 1908. i 1914. da dođe do teorije gravitacije koja bi bila saglasna sa teorijom relativnosti. Konačno, 1915, postavio je teoriju koju mi danas nazivamo Opšta teorija relativnosti (OTR).

Postulati Specijalne teorije

Na osnovu rezultata mnogih eksperimenata Ajnštajn je došao do dva vrlo važna zaključka, dva postulata, na kojima je zasnovao celu Specijalnu teoriju relativnosti.

Prvi postulat: svi fizički zakoni izražavaju se u istom obliku u svim sistemima koji se kreću ravnomerno pravolinijski. Ovaj postulat predstavlja tzv. Ajnštajnov princip relativnosti.

Da bi se bolje razumeo pravi smisao ovog postulata setimo se vrlo jednostavne situacije čiji smo svedoci verovatno svi bili. Čovek stoji u vozu i posmatra vagon drugog voza na susednom koloseku. Ako jedan od ova dva voza krene, čovek bi lako mogao da dođe u zabunu koji se voz zapravo kreće. Naravno, ovde je lako odrediti ko se zapravo kreće, potrebno je samo pogledati bilo koji predmet pored pruge, ali zamislimo sada jednog putnika “vozom” u dalekoj budućnosti. Neka on krene sa Zemlje na putovanje, i konstantnom brzinom od 8.000 km/h u odnosu na Zemlju. Dok on tako krstari kroz prostor i izgubi Zemlju iz vida, odjednom iza sebe opaža drugu raketu, i biva iznenađen lakoćom kojim ga ova raketa pretiče. Vozač ove druge rakete čak može da pomisli da se raketa koju zaobilazi uopšte ne kreće! Kako će ovaj “zvezdani putnik” da dokaže da se kreće? Sve što može da odredi je brzina kojom je druga raketa prošla pored njega, i ništa više od toga. Ako bi ova brzina bila 1.600 km/h može se doći do više različitih zaključaka:

- prvi putnik putuje brzinom od 8.000 km/h u odnosu na Zemlju, a drugi je pored njega prošao brzinom od 1.600 km/h
- drugi putnik miruje u odnosu na Zemlju, a prva raketa se kreće unazad, brzinom od 1.600 km/h

Brzo se dolazi do zaključka da je bez korišćenja nekog “nepokretnog” predmeta radi merenja brzine posmatrača nemoguće reći ko se kreće a ko miruje, ako neko uopšte miruje. Ustvari ako bi se posmatrač nalazio negde daleko od svih zvezda i planeta, bez ičega što bi mogao da koristi kao referentnu tačku za merenje brzine, on nikad neće saznati da li se kreće ili ne!

Ovo je bila činjenica do koje je Ajnštajn došao – svako kretanje je relativno . Nikada ne možemo govoriti o apsolutnom kretanju, već samo o kretanju u odnosu na nešto drugo. I uopšte se ne može reći da se neki predmet kreće tom-i-tom brzinom, već se mora reći da ima tu-i-tu brzinu u odnosu na nešto.

Drugi postulat STR kaže da je brzina svetlosti, odnosno maksimalna brzina prenošenja interakcije, ista u svim inercijalnim sistemima. Ovaj postulat je direktna posledica rezultata koji su dobijeni na osnovu Majkelson-Morlijevog eksperimenta. Upravo taj eksperiment je pokazao da bez obzira na pravac prostiranja svetlosti, tj. na način na koji se sistem reference kreće, brzina svetlosti uvek ima istu vrednost.

Ovako, sami po sebi, ovi postulati jesu vrlo zanimljivi ali bez neke veze postulata i realnog sveta, tj bez vormiranja odgovarajućih matematičkih jednačina, koje bi dale vezu između ideje i realnog sveta, oni bi bili zanimljivi ali ubrzo bi bili zaboravljeni. Tu vezu daju upravo jednačine koje se nazivaju jednačine Lorencovih transformacija, jer je Lorenc prethodno došao do istih jednačina na osnovu svoje teorije. Ove jednačine dobro objašnjavaju rezultate onih ekesperimenata koji su naveli Ajnštajna da počne da sumlja u tačnost Njunove teorije, ali što je još važnije jednačine su dale i nova predviđanja, predviđanja koja je kasnije bilo moguće proveriti, i uveriti se u tačnost ove teorije.

Posledice koje predviđaju Lorencove transformacije mogu biti neočekivane i naizgled čudne. Razlog što se Teorija relativnosti, uopšte uzev, smatra neshvatljivom, nije to što je teško razumeti njene rezultate, nego što je u njih teško poverovati.