Speciální teorie relativity, publikovaná v roce 1905 Einsteinem a důležité zobecnění řady dřívějších hypotéz, je jednou z nejvíce rezonujících a diskutovaných ve fyzice.
Ve skutečnosti je těžké si představit, že když se objekt pohybuje rychlostí blízkou rychlosti světla, začnou pro něj fyzikální procesy probíhat zcela neobvyklým způsobem: jeho délka se zkracuje, jeho hmotnost se zvětšuje a čas se zpomaluje. Okamžitě po publikaci začaly pokusy o diskreditaci teorie, které pokračují dodnes, ačkoliv uplynulo více než sto let. To není překvapivé, protože otázka, kolik je hodin, dlouho znepokojovala lidstvo a přitahovala pozornost všech.
Co je relativismus
Podstata relativistické mechaniky (je to také speciální teorie relativity, dále jen SRT) a její odlišnost od klasické mechaniky je názorně vyjádřena přímým překladem jejího názvu: latinsky relativus znamená „relativní“. SRT postuluje nevyhnutelnost dilatace času pro objekt, když se pohybuje vzhledem k pozorovateli.
Rozdíltéto teorie, navržené Albertem Einsteinem, z newtonovské mechaniky a spočívá ve skutečnosti, že všechny probíhající procesy mohou být považovány pouze ve vztahu k sobě navzájem nebo k nějakému vnějšímu pozorovateli. Než popíšeme, co je to relativistická dilatace času, je nutné se trochu ponořit do otázky vzniku teorie a určit, proč se její formulace stala vůbec možnou a dokonce závaznou.
Počátky relativity
Koncem 19. století vědci pochopili, že některá experimentální data nezapadají do obrazu světa založeného na klasické mechanice.
Základní rozpory vyústily v pokusy spojit Newtonovu mechaniku s Maxwellovými rovnicemi popisujícími pohyb elektromagnetických vln ve vakuu a spojitých médiích. Už se vědělo, že světlo je právě taková vlna a mělo by se o ní uvažovat v rámci elektrodynamiky, ale bylo krajně problematické polemizovat s vizuální a hlavně časem prověřenou mechanikou.
Rozpor byl však zřejmý. Předpokládejme, že před jedoucím vlakem, který svítí dopředu, je upevněna lucerna. Podle Newtona se musí sčítat rychlosti vlaku a světlo vycházející z lucerny. Maxwellovy rovnice se v této hypotetické situaci jednoduše „rozbily“. Bylo zapotřebí zcela nového přístupu.
Speciální teorie relativity
Bylo by nesprávné věřit, že Einstein vynalezl teorii relativity. Ve skutečnosti se obrátil k dílům a hypotézám vědců, kteří pracovali před ním. Autor však přistoupilotázka na druhou stranu a místo Newtonovy mechaniky uznali Maxwellovy rovnice jako „a priori správné“.
Kromě slavného principu relativity (ve skutečnosti jej však formuloval Galileo v rámci klasické mechaniky) tento přístup přivedl Einsteina k zajímavému tvrzení: rychlost světla je konstantní ve všech rámcích odkaz. A právě tento závěr nám umožňuje hovořit o možnosti změny časových norem, když se objekt pohybuje.
Stálost rychlosti světla
Zdá se, že tvrzení „rychlost světla je konstantní“není překvapivé. Zkuste si ale představit, že stojíte na místě a sledujete, jak se světlo od vás vzdaluje pevnou rychlostí. Sledujete paprsek, ale stále se od vás vzdaluje přesně stejnou rychlostí. Navíc, když se otočíte a letíte opačným směrem než paprsek, nijak nezměníte rychlost své vzájemné vzdálenosti!
Jak je to možné? Zde začíná rozhovor o relativistickém efektu dilatace času. Zajímavý? Pak čtěte dál!
Relativistická dilatace času podle Einsteina
Když se rychlost objektu blíží rychlosti světla, vypočítá se vnitřní čas objektu, aby se zpomalil. Pokud předpokládáme, že se člověk pohybuje paralelně se slunečním paprskem podobnou rychlostí, čas pro něj vůbec přestane běžet. Existuje vzorec pro relativistickou dilataci času, která odráží jeho vztah k rychlosti objektu.
Při studiu této problematiky je však třeba mít na paměti, že žádné hmotné těleso nemůže ani teoreticky dosáhnout rychlosti světla.
Paradoxy související s teorií
Speciální teorie relativity je vědecká práce a není snadné jí porozumět. Veřejný zájem o otázku, co je čas, však pravidelně vyvolává myšlenky, které se na každodenní úrovni zdají být neřešitelnými paradoxy. Například následující příklad vyvede z míry většinu lidí, kteří jsou seznámeni s SRT bez jakýchkoli znalostí fyziky.
Jsou zde dvě letadla, z nichž jedno letí rovně a druhé startuje a poté, co popsalo oblouk rychlostí blízkou rychlosti světla, dohoní první. Předvídatelně se ukazuje, že čas pro druhý přístroj (který letěl rychlostí blízkou světla) ubíhal pomaleji než u prvního. V souladu s postulátem SRT jsou však referenční rámce pro obě letadla stejné. To znamená, že čas může u jednoho i druhého zařízení plynout pomaleji. Zdálo by se, že jde o slepou uličku. Ale…
Řešení paradoxů
Ve skutečnosti je zdrojem tohoto druhu paradoxů nepochopení mechanismu teorie. Tento rozpor lze vyřešit pomocí známého spekulativního experimentu.
Máme kůlnu se dvěma dveřmi tvořícími průchozí průchod a sloupem o něco delším, než je délka kůlny. Pokud tyč natáhneme od dveří ke dveřím, nebudou se moci zavřít nebo nám tyč jednoduše zlomí. Pokud sloup letí do stodoly,bude mít rychlost blízkou rychlosti světla, jeho délka se zmenší (pamatujte: objekt pohybující se rychlostí světla bude mít délku nula) a v momentě, kdy je uvnitř stodoly, můžeme zavřít a otevřít dveře bez rozbití našich rekvizit.
Na druhou stranu, stejně jako v příkladu s letadlem, je to stodola, která by se měla vzhledem k tyči zmenšovat. Paradox se opakuje a zdá se, že neexistuje východisko - oba objekty se synchronně zkracují. Pamatujte však, že vše je relativní a problém vyřešte změnou času.
Relativita simultánnosti
Když je přední hrana tyče uvnitř, před vchodovými dveřmi, můžeme je zavřít a otevřít a ve chvíli, kdy tyč vletí úplně do kůlny, uděláme totéž se zadní dveře. Zdálo by se, že to neděláme současně a experiment se nezdařil, ale tady se ukazuje to hlavní: v souladu se speciální teorií relativity se uzavírací momenty obou dveří nacházejí ve stejném bodě na časová osa.
Stává se to proto, že události vyskytující se současně v jednom referenčním rámci nebudou simultánní v jiném. Relativistická dilatace času se projevuje ve vztahu objektů a vracíme se k naprosto každodennímu zobecňování Einsteinovy teorie: vše je relativní.
Je tu ještě jeden detail: rovnost referenčních systémů je relevantní v SRT, když se oba objekty pohybují rovnoměrně a přímočaře. Jakmile jedno z těles začne zrychlovat nebo zpomalovat, jeho vztažná soustava se stává jedinečnoumožné.
Paradox dvojčat
Nejznámějším paradoxem, který „jednoduchým způsobem“vysvětluje relativistickou dilataci času, je myšlenkový experiment se dvěma bratry-dvojčaty. Jeden z nich odlétá ve vesmírné lodi rychlostí blízkou rychlosti světla, zatímco druhý zůstává na zemi. Po návratu bratr astronaut zjistí, že on sám zestárnul o 10 let a jeho bratr, který zůstal doma, zestárnul až o 20 let.
Celkový obrázek by měl být čtenáři jasný již z předchozích vysvětlení: pro bratra na vesmírné lodi se čas zpomaluje, protože jeho rychlost se blíží rychlosti světla; nemůžeme přijmout vztažnou soustavu vzhledem k bratru na zemi, protože se ukáže jako neinerciální (přetížení zažívá pouze jeden bratr).
Rád bych poznamenal ještě něco: bez ohledu na to, jakého stupně oponenti ve sporu dosáhnou, faktem zůstává: čas ve své absolutní hodnotě zůstává konstantní. Bez ohledu na to, kolik let bratr letí na vesmírné lodi, bude i nadále stárnout přesně stejným tempem, jak plyne čas v jeho vztažné soustavě, a druhý bratr bude stárnout přesně stejným tempem – rozdíl se ukáže, až když setkají, a ne v žádném jiném případě.
Dilatace gravitačního času
Na závěr je třeba poznamenat, že existuje druhý typ dilatace času, který je již spojen s obecnou teorií relativity.
Ještě v 18. století Mitchell předpověděl existenci červenéposunutí, což znamená, že když se objekt pohybuje mezi oblastmi se silnou a slabou gravitací, čas pro to se změní. Navzdory pokusům Laplacea a Zoldnera prostudovat tuto problematiku pouze Einstein v roce 1911 předložil plnohodnotnou práci na toto téma.
Tento efekt není o nic méně zajímavý než relativistická dilatace času, ale vyžaduje samostatnou studii. A to je, jak se říká, úplně jiný příběh.
