Teoria względności - Polski Serwis Naukowy

$E=mc^2$

Zakrzywienie czasoprzestrzeni wywołane masą Ziemi

Teoria względności (Alberta Einsteina) składa się z dwóch teorii fizycznych:

szczególnej teorii względności, odnoszącej się do układów inercjalnych, czyli poruszających się wobec siebie ze stałą prędkością, opublikowanej w 1905 roku, i

ogólnej teorii względności, czyli teorii grawitacji, będącej rozszerzeniem szczególnej teorii względności o opis zjawisk w układach nieinercjalnych (np. przyspieszanych lub oddziałujących grawitacyjnie), która została opublikowana 10 lat później, w 1915 roku.

Przesłanką za wprowadzeniem teorii względności była potrzeba usunięcia niezgodności między zasadą względności Galileusza głoszącej, że prędkość jest względna, a prawami elektrodynamiki.

Albert Einstein (wym. [ˈalbɐt ˈaɪ̯nʃtaɪ̯n] ?/i) (ur. 14 marca 1879 r. w Ulm w Niemczech, zm. 18 kwietnia 1955 r. w Princeton w USA) – jeden z największych fizyków-teoretyków XX wieku, twórca ogólnej i szczególnej teorii względności, współtwórca korpuskularno-falowej teorii światła, odkrywca emisji wymuszonej. Laureat Nagrody Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Opublikował ponad 450 prac, w tym ponad 300 naukowych. Wniósł też swój wkład do rozwoju filozofii nauki.

Przesłanki powstania szczególnej teorii względności stały się podstawą, do jej sformułowania w roku 1905 przez Alberta Einsteina w jego pracy "O elektrodynamice ciał w ruchu.". Zjawisko ruchu ciał fascynowało już starożytnych greckich filozofów. Arystoteles uznał, że istnieje absolutny układ odniesienia, a więc odrzucał względność jako zasadę. Pogląd ten podważył Galileusz, który badając ruch ciał doszedł do wniosku, że prędkość i pozycja ciała jest względna. Później idea ta został zapisana matematycznie w postaci transformacji Galileusza, która stała się fundamentem fizyki Newtona.

Pod koniec XIX wieku zauważono, że elektrodynamika łamie zasadę względności. Według panujących wówczas poglądów, każda fala w tym i światło porusza się w jakimś ośrodku, i względem niego fala ma określoną prędkość, a jej prędkość obserwowana przez innych obserwatorów jest inna. Podczas gdy elektrodynamika określała światło jako falę, której prędkość była zawsze taka sama, niezależnie od prędkości obserwatora. Nie powiodły się próby podważenia elektrodynamiki ani jej dostosowanie do zasady względności. Okazało się też, że prędkość światła jest istotnie stała i niezależna od prędkości obserwatora (Doświadczenie Michelsona-Morleya).

Doświadczenie Michelsona-Morleya – eksperyment zaliczany obecnie do najważniejszych doświadczeń w historii fizyki. Miał na celu wykazanie ruchu Ziemi względem hipotetycznego eteru poprzez porównanie prędkości światła w różnych kierunkach względem kierunku ruchu Ziemi. Doświadczenie zostało przeprowadzone po raz pierwszy w 1881 przez Alberta Abrahama Michelsona, który w 1887 powtórzył je wraz z Edwardem Morleyem.

Transformacja Galileusza – jest to transformacja współrzędnych przestrzennych i czasu z jednego układu odniesienia do innego poruszającego się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem pierwszego. W transformacji tej czas i odległości pomiędzy dwoma dowolnymi punktami pozostają stałe, czyli są niezależne od układu odniesienia. Transformacja Galileusza jest zgodna z klasycznymi wyobrażeniami o czasie i przestrzeni. Transformacja zakłada, że prędkość oraz położenie są względne. Wartości te widoczne dla dowolnego obserwatora w każdym inercjalnym układzie odniesienia mogą być różne, ale każda z nich jest prawdziwa. Względność oznacza, że prawda jest zależna od “punktu siedzenia”. We wszystkich układach zegary obserwatorów mierzą czas absolutny, a więc on nie jest względny. Co więcej wymiary liniowe obiektów też są identyczne w każdym układzie nieinercjalnym.

Po odkryciu przez Lorentza dylatacji czasu i skrócenia długości, Einstein zaproponował zmianę mechaniki newtonowskiej. Zmienił definicje energii i pędu, oraz transformacje Galileusza zastąpił transformacją Lorentza, co zapewniło zgodność z obserwacjami bez zmiany elektrodynamiki ani zasady względności.

Dylatacja czasu – zwiększanie się długości jednostki czasu wraz ze zwiększaniem prędkości układu odniesienia. Zjawisko które opisał już Hendrik Lorentz w 1892 roku stało się jedną z podstaw szczególnej teorii względności Alberta Einsteina i następnie zostało potwierdzone doświadczalnie.

Transformacja Lorentza – przekształcenie liniowe przestrzeni Minkowskiego zachowujące odległości w metryce tej przestrzeni. W przeciwieństwie do transformacji Galileusza, gdzie niezmiennikiem jest stałe tempo upływu czasu, w transformacji Lorentza zachowany jest interwał (odległość zdarzeń w czasoprzestrzeni), podczas gdy wielkość jednostki czasu i odległości zależy od prędkości układu odniesienia. Założeniem transformacji Lorentza jest stałość i niezależność prędkości światła od prędkości układu.

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
Teoria względności