Speciální teorie relativity (STR)

Speciální teorie relativity, kterou vyvinul Albert Einstein v roce 1905, je jedním z pilířů moderní fyziky. Tato teorie popisuje, jak se pohybují objekty, když se jejich rychlost blíží rychlosti světla, a jak jsou čas a prostor propojeny.

Pouze 2 týdny po Einsteinovi, publikoval tuto teorii H. Poincaré (na obrázku)

Rychlost světla je konstantní

Einstein postavil svou teorii na dvou základních předpokladech. Prvním je, že rychlost světla ve vakuu je stejná pro všechny pozorovatele, a to bez ohledu na to, jak rychle se pohybují vůči sobě. To znamená, že pokud stojíte nebo jedete, světlo se stále pohybuje stejnou rychlostí (přibližně 300 000 km/s). To je něco, co vyvolává intuitivní nesouhlas, protože si běžně představujeme, že rychlost závisí na pohybu pozorovatele.

Relativita pohybu

Druhý základní princip říká, že zákony fyziky platí stejně pro všechny pozorovatele, kteří se pohybují rovnoměrně. To znamená, že neexistuje žádný speciální bod ve vesmíru, z něhož by bylo možné pozorovat „správně“ pohybující se objekty. Když tedy cestujete v raketě rychlostí blízkou rychlosti světla, nic na palubě rakety vám neřekne, že se pohybujete.

Dilatace (rozšiřování) času

Jedním z nejzajímavějších a nejvíce neintuitivních důsledků speciální teorie relativity je dilatace času. Když se objekt pohybuje velmi vysokou rychlostí (blízkou rychlosti světla), jeho čas začne „plynout pomaleji“ v porovnání s objektem, který je v klidu. To znamená, že pro cestovatele, který letí rychle blízko světelné rychlosti, ubíhá čas pomaleji než pro pozorovatele na Zemi. Tato efekt je reálný a byl potvrzen experimentálně, například s atomovými hodinami umístěnými na letadlech.

Spojení prostoru a času

Speciální teorie relativity také ukazuje, že prostor a čas nejsou oddělené věci, jak jsme si to dlouho mysleli. Jsou propojeny do jednotné struktury, kterou nazýváme prostor-čas. Rychlost objektu tedy ovlivňuje, jak vnímáme prostor a čas. Tato „prostorová deformace“ se stává velmi znatelná, když se objekty pohybují vysokými rychlostmi.

Speciální teorie relativity změnila naše chápání světa tím, že ukázala, jak je prostor a čas flexibilní a vzájemně propojené. I když může být těžké si představit, jak tyto efekty ovlivňují každodenní život, na velmi vysokých rychlostech, například v blízkosti rychlosti světla, jsou důsledky této teorie naprosto reálné. A co víc, teorie byla ověřena mnoha experimenty a je základem pro další rozvoj vědy, například v oblasti jaderné fyziky nebo GPS navigace.

E=mc²

Nejslavnější rovnice speciální teorie relativity ukazuje vztah mezi energií (E), hmotností (m) a rychlostí světla (c). Tato rovnice znamená, že hmotnost a energie jsou zaměnitelné – což je základní princip, na němž fungují jaderné reakce, jako jsou ty, které probíhají v našem Slunci.

Albert Einstein

Třešně nebo višně?

Lidové rčení říká: „Kolik třešní, tolik višní“. A v podobném duchu můžeme rozumět i tomuto vzorečku. Všimneme si totiž jednoho důležitého detailu. Ve vzorečku máme pouze hmotnost, ale není tam žádný jiný parametr, který by určoval, jaké má mít hmota vlastnosti.

Z toho tedy vyplývá, že stejné množství energie je ukryto v 1 kg peří i v 1 kg železa! A nebo v 1 kg pilin je stejné množství energie jako v 1 kg plutonia, které slouží jako jaderné palivo.

Proč nedáváme do jaderných elektráren piliny?

Odpověď je jednoduchá. Neumíme zatím energii získávat z každého materiálu stejně. Někde lépe, někde hůře. Až se to naučíme, budeme mít neomezené zásoby energie!

Vznik speciální teorie relativity

Na přelomu 19. a 20. století byla fyzika již poměrně vysoce rozvinutá, ale stále existovaly některé problémy, které nešlo jednoduše vysvětlit. Největší otázky se týkaly elektrodynamiky a pohybu světla. Vědci věřili v existenci „éteru“, jakéhosi média, které vyplňuje prostor a umožňuje šíření světelných vln. Tento model byl základem pro pochopení, jak světlo cestuje prostorem. Ale pokusy, jako známý experiment Michelsona-Morleyho z roku 1887, ukázaly, že rychlost světla je konstantní bez ohledu na pohyb Země nebo pozorovatele, což bylo v rozporu s tehdejšími představami.

Zklamání s „éterem“

Experiment Michelsona-Morleyho (snaha změřit rychlost světla v různých směrech vzhledem k „éteru“) byl klíčový pro to, aby vědci začali přehodnocovat předpoklady o existenci tohoto éteru. Skutečnost, že rychlost světla se nezměnila podle pohybu Země, byla pro vědce velkým zklamáním, protože znamenala, že teorie éteru nefungovala. To vedlo k tomu, že někteří vědci hledali novou cestu k vysvětlení pohybu světla a prostoru.

Einsteinovo pojetí prostoru a času

Albert Einstein, který byl ve své době ještě relativně mladý (měl pouze 26 let), přišel s úplně novým pohledem na prostor a čas. Nepotřeboval k tomu složité experimenty, ale vycházel z teoretických úvah o povaze světla a pohybu. Spojil tehdejší znalosti o elektromagnetismu (Maxwellovy rovnice) a vyvodil, že rychlost světla je konstantní pro všechny pozorovatele, což znamenalo, že prostor a čas musí být propojeny a dynamicky se ovlivňovat.

To přece není možné

Na začátku bylo mnoho skeptiků, kteří odmítali přijmout Einsteinovy závěry. Vědecká komunita tehdy ještě nedokázala plně pochopit nebo si představit důsledky relativistických myšlenek. Někteří dokonce obviňovali Einsteina z chyb v matematice nebo logice. Nicméně, postupem času se jeho teorie ukázala jako neodmyslitelná součást moderní fyziky, a jak experimenty a pozorování potvrzovaly jeho predikce, skeptici začali ustupovat.

Einstein nebyl první, kdo se zabýval podobnými otázkami. Například Henri Poincaré nebo Lorentz pracovali na otázkách souvisejících s relativistickými transformacemi před Einsteinem. Avšak Einsteinovy myšlenky byly novátorské v tom, že skutečně zavedl koncept, že prostor a čas nejsou absolutní, ale relativní a vzájemně propojené.

Předehra k obecné teorii relatitivity

Speciální teorie relativity byla jen začátkem. O pár let později, v roce 1915, Einstein dokončil svou obecnou teorii relativity, která rozšířila relativitu na gravitaci. Oproti obecné teorii relativity, se týká pouze pohybu objektů bez gravitace a předpokládá „rovný“ časoprostor.

Obecná teorie relativity zohledňuje i to, jak hmotnost a energie ovlivňují strukturu samotného vesmíru. Speciální teorie se věnuje hlavně relativitě pohybu.