Špeciálna teória relativity

Čo je príťažlivé a odpudivé na špeciálnej teórii relativity?
Na začiatku minulého storočia prišiel zväčša strapatý génius Albert Einstein s revolučnou teóriou. Nazval ju Špeciálna teória relativity, v skratke ŠTR. Špeciálna sa nazýva preto, pretože popisuje hlavne deje vo špeciálnych prípadoch, keď pozorovatelia nemenia vzájomnú rýchlosť a smer. Neskoršia všeobecná teória už potom zahŕňala aj prípady so zrýchlením, teda akúkoľvek obecnú situáciu. Názov relatívna dostala vďaka tomu, že pre všetkých pozorovateľov platia rovnaké zákony, že nikto nevidí nič naviac, ani nieje o nič ochudobnený.

Táto teória nebola pre bežných ľudí, obmedzených len na svoje okolie, nijak prevratná, tým stačia Newtonové zákony, priniesla však nový pohľad na priestor a čas. Všetko to vzniklo kvôli nejasnosti ohľadne rýchlosti svetla. Na svetlo bola vtedajšia fyzika proste prikrátka a tak musel Einstein formulovať novú teóriu na dvoch základných postulátoch. Všetky inerciálne vzťažné sústavy sú rovnocenné. Rýchlosť svetla je rovnako veľká vo všetkých inerciálných sústavách.

Pred Einsteinom sa za správny výklad relativity považoval Galileiho výklad, ktorý vychádzal z pozorovaní pohybu predmetov okolo nás. Napríklad ak sme sa pohybovali v autobuse, ktorý sa pohyboval rýchlosťou 70 km/h, rýchlosťou 30 km/h v smere jeho pohybu, výsledná rýchlosť môjho pohybu vzhľadom k ceste bola 100 km/h. Rovnakou rýchlosťou sa pohybovala aj cesta vzhľadom ku mne. Z tohto pohľadu si boli všetci, čo nezrýchľovali rovní. V pokoji však nebol nikto, pretože cesta sa pohybovala spolu so zemou a ta obiehala okolo slnka a... Ak teda neexistuje najdôležitejšia vzťažná sústava a vo všetkých platia rovnaké zákony fyziky musí byť aj rýchlosť svetla vo všetkých sústavách rovnaká.

K tomuto kľúčovému faktu sa dospelo až po množstve chybných úvah. Najskôr sa predpokladalo, že svetlo je nekonečne rýchle, pretože všetko bolo osvetlené okamžite. S týmto sa však nestotožnil Galileo Galilei, ktorý sa to pokúsil vyvrátiť tým, že zmeria rýchlosť svetla medzi dvoma vrchmi odrazom od zrkadla. Samozrejme nenameral nič, pretože nemal presné prístroje ale aspoň zistil, že rýchlosť svetla bude obrovská. Olaus Roemer pozoroval zákryty Jupiterových mesiacov a dospel k hodnote 227 000 km/s. James Bradley meral rýchlosť pozorovaním hviezdnej aberácie. Pomocou zrkadiel a presných prístrojov bola na zemi nameraná rýchlosť svetla vo vákuu 299 792,458 km/s. Súčasne s problémom rýchlosti svetla sa začali ľudia pýtať aj na podstatu šírenia svetla. Či je svetlo prúd častíc alebo vlnenie? Po pozorovaní ohybu, interferencie a polarizácie svetla bolo jasné že bude najskôr vlnenie. Po tom čo sa zistilo, že svetlo sa pomalšie šíri vo vode než vo vzduchu bola časticová podstata svetla zavrhnutá. Ku skúmaniu podstaty svetla sa viaže ešte jeden pojem a to ether. Mala to byť abstraktná látka, či vzťažná sústava, kde sa pohybuje svetlo. Fyzici si ju vymysleli na podporu svojich teórii, avšak priniesla so sebou viac problémov než zjednodušení. Aj napriek tomu, že ether nebol nikdy detekovaný relatívne dlho sa tešil obľube u fyzikov. Až ho nakoniec po sérii pokusov odsunuli na vedľajšiu koľaj, pretože sa nedalo overiť, či neexistuje alebo je len nedetekovateľný.
Vráťme sa k príkladu s autobusom. Ak vyšlem v smere pohybu autobusu svetelný lúč, bude sa tento lúč pohybovať rovnakou rýchlosťou, či už vzhľadom k ceste alebo k autobusu. Veď ak by sa autobus pohyboval rýchlosťou blízkou k 300 000 km/h museli by sme na ceste namerať svetlu rýchlosť 600 000 km/h. To sa však nestane, pretože svetlo má konštantnú rýchlosť a tá nezávisí na rýchlosti pozorovateľa. Teória relativity zahŕňa aj pojmy ako relatívny čas. Pozorovateľ na ceste a v autobuse vnímajú čas odlišne, ale žiaden čas nieje nadradený. Pozorovateľ na ceste pozoruje, že svetlo autobus nepredbieha. Pozorovateľ v autobuse to však vidí inak, pretože jeho čas sa vzhľadom k ceste spomalil a lúč predbieha autobus. Že sa čas v autobuse spomalil si pozorovateľ v autobuse nevšimne. Toto spomalenie vidí len pozorovateľ na ceste. Spomalenie vidí len niekto, kto sa vzhľadom k autobusu pohybuje a je to spomalenie len vzhľadom k jeho času. Každý má proste svoj vlastný čas a ten sa nemení. Mení sa len to čo vidíme my a ako iný vidia nás. Čas a priestor teda spolu veľmi úzko súvisia.
Súčasnosť je relatívna. Takéto tvrdenie znie podivne. Uvažujme človeka sediaceho uprostred pohybujúceho sa autobusu, ktorý v rovnaký čas vyšle svetelný lúč v smere aj proti smeru pohybu autobusu. Z pohľadu tohto človeka osvieti svetlo obe steny autobusu v rovnaký čas. Z pohľadu človeka stojaceho na ceste však svetlo neosvieti obe steny súčasne. Jednému lúču totiž ide stena naproti a tomu druhému sa vzďaľuje. Súčasnosť je teda relatívna. Čo sa jednému pozorovateľovi javí ako súčasné sa inému nemusí ako súčasné javiť. Niekedy si dokonca môžu udalosti prehodiť poradie vzhľadom k rôznym pozorovateľom, ak sa jedná o udalosti, ktoré nasledujú tesne po sebe ale sú si ohromne vzdialené.

Aj čas je relatívny. Ak sa niekto pohybuje dosť rýchlo vzhľadom k nám môžeme na ňom pozorovať spomalenie všetkých procesov, on však na sebe nič nepozoruje. Naopak pozoruje zmenu na nás avšak nie zrýchlenie našich procesov, ale rovnako ich spomalenie. Nieje to hlúposť, je potreba si uvedomiť, že každý je v inej vzťažnej sústave. A tak vďaka relatívnosti súčasnosti máme na zemi napríklad 12:00 a to je pre nás súčasné s 9:00 v rakete. Nieje to žart, alebo zle nastavené hodiny, ide o to, že človek v rakete vidí vo svojom čase 9:00 k nám do času 6:00. Každého teraz napadne, čo sa stane ak raketa pristane na zemi? Aký bude čas a ktorý bude ten správny? Aby sme sa mohli stretnúť bude jeden z nás musieť zabrzdiť. Pri brzdení však dôjde k zmenám, ktoré súvisia s relativitou súčasnosti. Ten, ktorý brzdí bude pozorovať náhle zrýchlenie nášho času. Ak sa potom porovnajú hodiny zistíme, že tie v rakete ukazujú menej hodín aj keď boli pred štartom nastavené rovnako.

Nielen, že sa nemôžeme spoľahnúť na čas, nemôžeme sa spoľahnúť ani na rozmery telies. Ak pozorujeme napríklad letiacu raketu vidíme jej skrátenie v smere pohybu. Pozorovateľ v pohybujúcej sa rakete zasa vití skrátenie u nás, pretože sa voči nemu tiež pohybujeme. Nikto však skrátenie nepozoruje na sebe. Ak meriame rozmery pohybujúceho sa telesa nameriame ich kratšie ako v pokoji, aj keď pozorovateľ v rakete vidí všetko okolo skrátene a teda by čakal, že jeho rozmery budú väčšie. Ak meriame dĺžku rakety nám sa zdá, že meriame obe konce súčasne, ale pozorovateľ v rakete vidí, že sme začiatok zmerali v iný čas než koniec a preto sme namerali kratšiu hodnotu. My sme však merali podľa nás obe konce súčasne a sme teda presvedčený, že sme namerali správnu hodnotu. A to celé má zas na svedomí relatívnosť súčasnosti.

Ak pozorujeme rýchlo sa pohybujúci objekt. Pozorujeme u neho zväčšenie hmotnosti oproti hmotnosti v pokoji. Zotrvačnú hmotnosť meriam podľa pohybu telesa pri dodaní mu trošky energie. Proste do telesa strčím a pozorujem o koľko sa pohne. Ak sa však teleso už predtým pohybovalo dosť rýchlo nezvýšim mu rýchlosť postrčením rovnako ako v pokoji. Pre to sa mi pohybujúce telesá zdajú ťažšie. Pridaním rýchlosti sa teda zvyšuje energia aj hmotnosť. Vzťah medzi týmito veličinami popisuje známy vzorec E=mc².
Na záver je ešte dobre si uvedomiť, že rýchlosť svetla sa nedá prekročiť (rýchlosť svetla vo vákuu, pretože v iných prostrediach sa svetlo pohybuje pomalšie). Pretože ak by sme prekročili rýchlosť svetla mohli by sme vidieť, že nadsvetelne rýchly signál by niekam dorazil skôr ako by bol odniekadiaľ vyslaný. A to by zborilo celú filozofiu príčina-dôsledok.
 
Stačí trošku znalosti o fyzike a človek hneď vníma svet okolo nás v inom svetle.