Teória relativity

Špeciálna teória relativity (ŠTR)
Svojho času sa tradovalo, že teórii relativity rozumie iba tucet ľudí na celom svete. V súcasnosti sa základy špeciálnej teórie relativity vyucujú na gymnáziách a je neodmyslitelnou súcastou modernej fyziky. Významne zasiahla do súcasného svetonázoru. Jej autorom je Albert Einstein, ktorý ŠTR publikoval v roku 1905 a je založená na dvoch zásadných tvrdeniach:
Princíp relativity: Vo všetkých inerciálnych sústavách platia rovnaké fyzikálne zákony. Všetky inerciálne sústavy sú fyzikálne úplne rovnocenné a neexistuje žiadna význacná inerciálna sústava
Princíp nemennej rýchlosti svetla vo vákuu: Vo všetkých inerciálnych sústavách má rýchlosť svetla vo vákuu rovnakú velkost, ktorá nezávisí od rýchlosti zdroja svetla. Pod inerciálnou vzťažnou sústavou sa rozumie sústava, v ktorej existuje iba rovnomerný a priamociary pohyb alebo nulový pohyb. To znamená, že žiadne teleso v nej sa nepohybuje so zrýchlením. Dôvodom, preco sa zaviedol tento termín je ten, že ak v inerciálnej sústave neexistuje zrýchlenie, neexistujú v nej ani zotrvacné (neinerciálne) sily. Podobne hovoríme, že dve sústavy sú vzhladom na seba inerciálne, ak sú vzhladom na seba v pokoji alebo rovnomernom priamočiarom pohybe.
Ku koncu XIX. storočia mali vedci vážne problémy s fenoménom svetla. James Clark Maxwell (1831 - 1879) vypracoval teóriu elektromagnetických javov. Ukázalo sa, že medzi elektromagnetické vlnenie, ktoré opisujú Maxwellove rovnice, môžeme zarátať aj svetlo, pretože vykazovalo rovnaké vlastnosti, aké tieto rovnice predpovedali. Táto teória však nepoužívala žiadne mechanické veliciny, co bolo na tie časy pomerne nezvyklé, pretože dovtedy klasická Newtonova mechanika slávila jeden úspech za druhým už vyše dvesto rokov a zdalo sa, že sa cez mechanické veličiny dá vyjadriť skutočne celá podstata sveta.
Všetky dovtedy známe vlnové deje boli vlnením nejakého prostredia, preto sa fyzici snažili zistit, v com sa toto vlnenie vlastne vlní. Mnohí vrátane autora zastávali teóriu, že sa svetlo šíri v prostredí, ktoré nazvali éter. Už na začiatku však bol jasné, že s ním budú problémy, pretože by musel mať nevídané vlastnosti: musel by byt v celom vesmíre (inak by sa k nám nedostalo svetlo z hviezd), musel by prestupovat aj hmotou (inak by sa nemohlo svetlo šírit priesvitnými látkami) a navyše by musel byt pozoruhodne riedky, pretože inak by brzdil pohyb planét.

Nikomu sa však nepodarilo model éteru vytvorit.
Boli uskutočnené pokusy, pri ktorých sa mala zmerat rýchlosť svetla vzhľadom na éter. Experimentátori vychádzali z predpokladu, že ak je éter nehybný a vyplna celý vesmír, aj Zem pri svojom obiehaní okolo Slnka sa vzhladom nan pohybuje rýchlosťou v = 30 km/s. Pri tom by malo dochádzat k skladaniu rýchlosti svetla s rýchlosťou pohybu Zeme, takže keď vyšleme lúč v smere pohybu Zeme, mala by byt rýchlosť svetla vzhľadom na éter c + v a pri jeho vyslaní na opačnú stranu by mala byť rýchlosť šírenia c - v. Nič také však pozorované nebolo a rýchlosť svetla sa ukazovala byt stále rovnaká vo všetkých smeroch.
O nejaký cas prišiel Albert Einstein so svojou teóriou relativity, v ktorej princíp konštantnej rýchlosti svetla zahrnul ako jeden zo základných predpokladov. Teória éteru tým dostala výraznú ranu, pretože jeho existenciou sa narušil princíp relativity, pretože by existovala jedna význacná sústava - sústava spojená s nehybným éterom, vzhladom na ktorú by sme mohli urcovat rýchlost lubovolnej inej inerciálnej sústavy.
Postulát o konečnej a nemennej rýchlosti svetla vo vákuu priniesol vela zásadných zmien do klasickej fyziky. Ak svietime baterkou do priestoru, fotóny z nej prúdia rýchlosťou c. Ak by sme v tom istom smere začali pohybovať baterkou rýchlosťou hoci aj polovicnou rýchlostou svetla, fotóny vychádzajúce z baterky budú mat stále rovnakú rýchlosť ako v prvom prípade.
Konštantná rýchlosť svetla znamená, že dve udalosti, ktoré sa zdajú byť súčasné v jednej sústave, nebudú už súčasné v inej sústave. Predstavme si taký experiment, pri ktorom budú dvaja pozorovatelia. Jeden bude vo vagóne, priamočiaro sa pohybujúcom na kolajniciach rovnomernou rýchlostou, a druhý bude pri trati. Presne v strede dlžky vagóna je umiestnená signálna lampa a na oboch koncoch vagóna sú zrkadlá. V istom okamihu lampa blikne. Pozorovatel vo vagóne vidí, ako svetelný signál ide od lampy k jednému aj druhému zrkadlu rýchlostou svetla c a pretože je lampa presne v strede vagóna, dopadnú lúce z lampy na obe zrkadlá súcasne.
Pozorovatel pri trati však vidí cosi iné. Tiež síce vidí, že sa signál z lampy šíri k obom zrkadlám rýchlostou c, ale zároven vidí, že zrkadlo v prednej časti vozna sa pocas šírenia signálu posunulo o nieco dalej od pôvodného zdroja a zároveň zrkadlo v zadnej časti vagóna sa posunulo bližšie k pôvodnému miestu zdroja. To preto, že rýchlost svetla je pre oboch pozorovatelov vždy konštantná a hoci sa zdroj svetla vo vagóne pohybuje, k rýchlosti svetla sa rýchlost vagóna nepripocíta.

To znamená, že čas, ktorý signál potrebuje na to, aby dopadol na zadné zrkadlo, je menší a trvanie dosiahnutia predného zrkadla zase dlhšie ako čas, ktorý nameral pozorovateľ vo vagóne a ktorý pren bol rovnaký v oboch smeroch. Pozorovatel na trati teda vidí, že signály na zrkadlá nedopadnú súcasne. Z hladiska princípu relativity má každý pozorovatel pravdu, neexistuje predsa žiadna význacná ci hlavná vztažná sústava. Vidíme, že o tom, ci dve udalosti nastanú súcasne, rozhoduje to, akú sústavu si zvolíme za vztažnú.
Zo ŠTR vyplývajú aj také javy ako sú dilatácia času, kontrakcia dlžky či zväčšovanie hmotnosti v závislosti na rýchlosti telesa.
Pohybujúce sa hodiny tikajú pomalšie vzhľadom na hodiny, ktoré sa nepohybujú. Dlžka pohybujúceho sa telesa sa v smere pohybu skracuje a jeho hmotnosť sa zvyšuje. Nejedná sa však o fyzikálne zmeny telesa, je to len dôsledok relatívností dvoch súcasností. S dilatáciou casu je spojený známy "paradox dvojciat". Ten sa týka dvoch dvojciat, z ktorých jedno ešte v detstve bolo posadené do rakety a vyslané prec rýchlostou blízkou rýchlosti svetla c. V dôsledku dilatácie casu by malo dvojca v rakete starnút pomalšie ako to na Zemi, takže ked sa vráti spät na Zem, tak bude mladšie ako jeho vlastné dvojca - odtial ten paradox. Treba si však uvedomit, že ak sa pozemské dvojca pozerá na to v rakete, vidí, že mu cas v rakete plynie pomalšie vzhladom na jeho, pozemské. Ibaže presne to isté vidí aj dvojca v rakete. Ono takisto vidí, že sa dvojca na Zemi od neho pohybuje rýchlostou blízkou c a pozemské hodiny sa mu zdajú íst pomalšie než tie jeho v rakete. Do úvahy sa musí zobrat aj fakt, že ak sa má dvojca v rakete vrátit spät na Zem, tak jeho rýchlost nemôže byt po celý cas konštantná a jeho dráha priamociara, co znamená, že sústavy spojené s raketou a so Zemou už nebudú inerciálne, a ŠTR sa zaoberá iba dejmi v inerciálnych sústavách.

Všeobecná teória relativity (VTR)
Desat rokov po vytvorení ŠTR publikoval Einstein VTR, ktorá sa pokladá za jednu z najkrajších fyzikálnych teórií. Zaoberá sa aj javmi v neinerciálnych sústavách. Ako špeciálne prípady zahrna ŠTR (pre inerciálne sústavy) a klasickú fyziku (pre velmi malé rýchlosti v porovnaní s c) Jej základom je tzv. princíp ekvivalencie, ktorý hovorí, že v lokálnych oblastiach casopriestoru sa nedá odlíšit pôsobenie gravitacného pola od zrýchleného pohybu danej sústavy.
Ked ste vo výtahu, ktorý zrýchleným pohybom ide nahor, cítite, ako vás nejaká sila tlací k podlahe. Vdaka tomu, že nevnímate iba lokálnu oblast kabínky, ale aj to, že ste vo výtahu, ktorý vzhladom na zemský povrch stúpa nahor, môžete povedat, že ide o zotrvacnú silu, charakteristickú pre všetky neinerciálne sústavy.

Keby ste však boli uzavretý v podobnej kabínke bez okien v beztiažovom stave a zrazu by vás nejaká sila pritlacila k podlahe, pôvod tejto sily by ste už nevedeli urcit. Je možné, že ktosi zacal kabínkou zrýchlene pohybovat v priestore v smere opacnom ako je smer sily, ktorá vás tlací k podlahe. Ale práve tak je možné, že s kabínkou stojíte na povrchu nejakej planéty, ciže v gravitacnom poli.
Einstein zaviedol nový spôsob nazerania na priestor a cas a oboje zlúcil do štvorrozmernej sústavy nazývanej casopriestor (priestorocas). Podla jeho teórie je gravitacné pole zakrivením tohto casopriestoru. Našiel 10 rovníc, ktoré definujú zakrivenie priestoru a casu. Zakrivené dráhy telies pohybujúcich sa v gravitacnom poli teória relativity vysvetluje práve týmto zakrivením casopriestoru. To platí takisto aj pre fotóny, ktoré sa pri prelete popri hmotnom objekte vychýlia v dôsledku gravitácie od svojho pôvodného smeru. Ohyb svetla v gravitacnom poli pozoroval a potvrdil Sir Charles Eddington v roku 1919 pri zatmení Slnka, ked meral pozície okolitých hviezd a zistil, že v tesnom okolí slnecného disku boli polohy hviezd posunuté oproti bežným hodnotám.
VTR má pre súcasnú astrofyziku i kozmológiu velký význam, pretože pomáha modelovat vesmír vo velkých merítkach. Vyplýva z nej tiež teória gravitacného kolapsu v záverecnom štádiu života velmi hmotných hviezd. Teória ciernych dier sa teší v súcasnosti velkej popularite a zrejme už nie sú žiadne pochybnosti o ich existencii. VTR tiež vysvetlila stácanie perihélia Merkúru a vyplýva z nej aj cervený posun svetla v dôsledku straty energie fotónov pri prechode gravitacným polom a pomáha tiež pri vytváraní teórie velkého tresku. Takmer všetky javy vyplývajúce z teórie relativity boli experimentálne dokázané. Jedna predpoved však na potvrdenie stále caká a je nou existencia gravitacného vlnenia (žiarenia).