teorie relativity

  V listopadu tohoto roku, oslavila teorie relativity své sté výročí. Jak se zdá dáma je to sále čiperná a jen tak nás nemíní opustit. Což je dobré pro Einsteina a teorii relativity, ale špatná zpráva pro vědce. Vědci mají rádi překvapení a případné chyby v zavedených teoriích by je posunuly o kus dále. Jenže zhruba 70let, žádná nová překvapení, či objevy nepřichází. Pouze se potvrzují staré teorie, což je pro vědce tak trochu frustrující situace. Dneska se podíváme co to ta teorie relativity je vlastně zač a proč dnes, vědcům spíše dělá problémy a vrásky na čele. Jelikož jde o poměrně náročné téma, rozdělím jí do tří samostatných článků. Tento první se bude zabývat speciální teorií relativity.   Zakřivený časoprostor a gravitaci zahrnuje až obecná relativita, která vyšla v onom listopadu 2015.

 Trable se světlem….

  Zhruba polovině 19. století se J. C. Maxwellovi, dnes už dobře známý, husarský kousek kdy spojil dohromady magnetismus, s elektřinou. Vytvořil tak elektromagnetismus a definoval, že viditelná část tohoto jevu se projevuje jako světlo. Jinými slovy světlo je elektromagnetické vlnění, ve viditelných frekvencích, pro lidské oči. Tím docela přesně definoval, co to světlo vlastně je a jak vzniká.

 Toto byl jeden z největších milníků, vůbec plodného období a pomalu se tak mohli, začít nahrazovat parní stroje, těmi elektrickými a svět pomalinku začal vypadat tak, jak ho známe dnes.

  A stejně jako dneska, se i tenkrát zdálo, že už všechny nejdůležitější objevy máme za sebou a žádná další překvapení nás už nás moc nečekají. Řešili se jenom takové podivné drobnosti…..například ta drobná nesrovnalost s rychlostmi světla. Rychlost světla se podařilo změřit docela snadno, za pomocí soustav zrcadel. Stanovena byla tenkrát na asi 300 000km za sekundu.

  Jenomže například americký fyzik A. A. Michelson, spolu, s dalšími fyziky si hrál s myšlenkou, že vesmír je vyplněn, jakýmsi éterem. Tenkrát to byla docela populární myšlenka.

 Michelson vypočítal, jak by se asi světlo chovalo v éteru a jak by se chovalo ve vakuu. Následně provedl experiment, za pomocí interferometru, který nakonec existenci éteru, zcela vyloučil. Nic méně, tak trochu omylem (jak už je ve vědě dobrým zvykem), naměřil jednu podivnou, vlastnost světla. Totiž pokud by se země přibližovala ke slunci, nebo naopak od něj vzdalovala, naměřili byste dvě různé rychlosti, dopadajícího světla ze slunce. Alespoň ve světě, normální fyziky. Jenže Micheson zjistil, že když se od slunce vzdalujete, nebo k němu přibližujete, rychlost světla bude vždy stejná.

  Pokud jedou dvě auta proti sobě, rychlostí 60km/h, jejich vzájemná rychlost by byla 120km/h. Jenomže toto pro auta platí, jen pokud se nebudou pohybovat rychlostí světla. Pak se začnou teprve dít věci!

  Experiment…

 Proveďte následující experiment:

Vyšlete dva trabanty, rychlostí světla (zhruba 300 000km/s) proti sobě a změřte jejich vzájemnou rychlost. Předpověď pro tento experiment zní, že naměřená, vzájemná rychlost by se měla rovnat 2x rychlosti světla (600 000km/s). Pokud naměříte jinou hodnotu za:

A)      neumíte správně měřit

B)     Stali jste se obětí, nějaké obludné mystifikace

C)      Stali jste se svědky, relativistického jevu  

 Co bychom tedy u našich dvou trabantů skutečně naměřili? Zhruba něco takového:

1 (rychlost světla ) + 1 = 1.

 Jak je to možné? S tím si vědci dlouho lámali hlavu. Řešení nakonec v roce 1905, přinesl Einstein.

  Světlo se totiž pohybuje nejvyšší možnou rychlostí, jaká se dá ve vesmíru vůbec vyvinout. Důvod je jednoduchý. Totiž protože platí, že E=mc² . Čím je vaše rychlost vyšší, tím více se zvedá vaše hmotnost a tím více budete potřebovat energie, abyste mohli dále zrychlovat. Dříve či později prostě narazíte na limit, protože energii nemůžete navyšovat do nekonečna.        

 Fotony mají nulovou hmotnost a proto, se vesmírem, přirozeně pohybují rovnou tou nejvyšší možnou rychlostí!

  Takže teď už víme, že pokud se naši trabanti budou k sobě přibližovat rychlostí světla, nic nemůže být rychlejší než světlo, tudíž ani jejich vzájemná rychlost! Zní to trochu podivně, ale pokud byste seděli v jednom z těch trabantů (což bych vám asi popřál hodně štěstí), tak byste viděli, že druhý trabant by se k vám přibližoval 2x rychlostí světla a to prostě není možné.

  Jenomže zároveň i každý školák ví, že 1+1=2. Nikoliv 1. Takže tohle nějak musíme dát do pořádku, aby to dávalo nějaký smysl a nevznikala nám tu paradoxní situace.

 Pokud nemůžeme navyšovat to číslo za rovnítkem, můžeme třeba zkusit zmenšit ty čísla před ním. 0,5+0,5=1. Teď už to vypadá lépe, ale jak toho snížení dosáhnout, aniž bychom museli trabantům skutečně snižovat rychlost? No třeba tím, že zpomalíme čas.

  To je ekvivalent k tomu, jako kdybychom skutečně zpomalili oba trabanty, a tím rovnice začne dávat smysl.  Abychom uměli zpomalovat čas, pak potřebujeme zavést pojem relativita.

Co je to relativita

 Předně si musíme nějak ujasnit co to je ten čas. Pokud bych měl nějak definovat čas, pak prostě řeknu, že je to „doba mezi nějakými dvěma událostmi“. Jak je tato doba dlouhá, to záleží pouze na našem subjektivním pocitu. Pokud jednou oběhne země okolo slunce, vnímáme to jako jeden, celý rok. Pokud se země otočí, okolo své osy, vnímáme to jako jeden den. Pokud se pohne vteřinová ručička na hodinkách, víme, že právě uběhla jedna vteřina. Pro nás je to důležité. Můžeme tak včas přijít do práce, nebo včas zasít a sklidit obilí. Je to zkrátka něco co potřebujeme k životu.

 Zároveň však, toto naše pojetí času je něco, co jsme si….ehm…. sami vynalezli, na základě toho jak se pohybuje země okolo slunce. Je mi líto, ale čas, tak jak si ho představujeme, prostě neexistuje.

 Naše hodinky, měří čas nám, ale neměří ho globálně celému vesmíru.  

  Abych vás trochu přesvědčil, že teorie relativity skutečně platí, položím vám jednu otázku: Jakou skutečnou rychlostí, se pohybuje naše planeta vesmírem? Víte to někdo?

Nikdo?  

 Vlastně to nikdo vědět nemůže.

 Nejde to nijak změřit, ani dokázat.

 Spousta z vás si možná i instinktivně položila, relativistickou otázku: „Vůči čemu vlastně?“ Vůči našemu slunci? Vůči naší galaxii? Vůči jiným galaxiím? Pak teprve ta moje otázka, může dávat nějaký smysl a je možné se něčeho dobrat.

 Z pohledu relativity je vlastně úplně jedno, jestli se pohybujeme, nebo ne.

 Pokud tedy lidé kdysi tvrdili, že vesmír se točí, okolo země, měli pravdu stejně jako ti, kteří naopak tvrdili, že to země se otáčí, kolem své vlastní osy.

 Rovnoměrný, přímočarý pohyb je prostě ekvivalent k tomu být v klidu (v obou případech neztrácíme energii). Není tohle náhodou, nám už dobře známý zákon o setrvačnosti?  

 Chcete důkaz, tohoto tvrzení? Inu důkaz objevíte, když změříte rychlost pohybujícího se světla a zjistíte, že vůči vám zůstává neměnná, ať už jste v pohybu, nebo v klidu. 

 A o tom to je přátelé. Vše je relativní…….