Teoria względności

Albert Einstein                fot F_Schmutzer

Nie ma drugiej takiej teorii, która byłaby tak powszechnie znana i jednocześnie tak bardzo tajemnicza jak teoria względności. Każdy słyszał o niej i o jej twórcy, Albercie Einsteinie. Ale co możemy więcej powiedzieć na jej temat? Chyba tylko tyle, że jest piekielnie trudna. Ale czy to prawda? My odpowiadamy, że nie. Nie taki diabeł straszny jak go malują. Na samym początku musimy zaznaczyć, że w rzeczywistości mamy dwie teorie względności: szczególną i ogólną teorię względności. Obie ogłosił Albert Einstein.  

Szczególna i ogólna teoria względności 

Szczególna teoria względności jest zasadniczo prosta, tzn.: każdy kto ukończył szkołę średnią może ją łatwo opanować. Dotyczy ona mniej więcej tego samego, czego uczyliśmy się w szkole, jednak teraz prawa te zostają rozszerzone na duże prędkości (porównywalne z prędkością światła), ponieważ okazało się, że przy dużych prędkościach prawa Newtona zaczynają podawać fałszywe wyniki. Dlaczego? O tym dowiemy się za chwilę. 

Teraz powiemy czym zajmuje się ogólna teoria względności i jakie są pokrewieństwa między tymi teoriami. Otóż, ogólna teoria względności zwana także teorią grawitacji zajmuje się - jak sama nazwa wskazuje - grawitacją, czyli przyciąganiem się ciał w Kosmosie. I rzeczywiście: jeżeli chodzi o tę teorię to jest ona trudna, ale to wynika tylko z tego, że musimy używać do jej opisu bardzo skomplikowanej matematyki (na poziomie szkoły wyższej). Sam opis teoretyczny jest w zasadzie prosty.

 

Pokrewieństwa między tymi teoriami są takie, że tak samo jak szczególna teoria jest rozszerzeniem praw Newtona, tak samo ogólna teoria jest rozszerzeniem szczególnej teorii względności (tzn. obejmuje większy zakres zjawisk).

 

Mimo tego, że szczególna teoria względności jest tylko rozszerzeniem praw Newtona, to jednak śmiało można powiedzieć, że jest ona teorią wręcz rewolucyjną, ponieważ zmienia ona podstawowe nasze wyobrażenia o świecie. Zmiany te często przeczą zdrowemu rozsądkowi,dlatego na początku tak trudno było fizykom zaaprobować tę teorię. Niektórzy do końca swojego życia nie potrafili przyjąć tej teorii. Powstała nawet taka lista „Stu naukowców przeciwko Einsteinowi", jednak ten najspokojniej w świecie odpowiadał: „Gdybym nie miał racji wystarczyłby jeden!". I to jest prawda. Wystarczy jeden naukowiec żeby podważyć czyjąś teorię. Wystarczy, że poda jakiś fakt sprzeczny z daną teorią. Ale takich faktów nikt nie był w stanie podać i wkrótce przeprowadzono wiele różnych doświadczeń, które w pełni potwierdziły teorię względności. A to, że czasami kłóci się ona z naszym zdrowym rozsądkiem, to trudno. Po prostu wynika z tego, że przez tyle lat mieliśmy błędne wyobrażenie o niektórych sprawach, na przykład o czasie: Wcale nie jest prawdą, że czas jest jeden, absolutny (tzn., że dla wszystkich jest jednakowy). W rzeczywistości czas jest zmienny i zależy od tego, jak szybko się poruszamy (zob. Wyprowadzenie wzoru na dylatację czasu). Im większą posiadamy prędkość, tym bardziej czas płynie dla nas wolniej, ale żeby się o tym przekonać musimy poruszać się bardzo, bardzo szybko, o wiele za szybko jak na nasze ziemskie warunki. Dlatego właśnie wcześniej tego faktu nie odkryto.

 

 Paradoks bliźniaków

Paradoks ten znany jest w literaturze jako „paradoks bliźniaków". Otóż, wyobraźmy sobie dwóch braci, którzy mają po tyle samo lat. Jeżeli teraz jeden z nich będzie poruszał się (np. w rakiecie kosmicznej) z prędkością powiedzmy 0,9 prędkości światła, tj. ok.270 tys. km/s to stosunek czasów między nimi będzie taki, że gdy u bliźniaka w statku kosmicznym minie jeden rok, to u bliźniaka na ziemi minie „w tym samym czasie" dwa lata i cztery miesiące. Tak więc gdy bliźniak ten wróci z podróży międzygwiezdnej to może okazać się, że jego brat już dawno umarł ze starości*. 

 Równoważnik masy i energii 

 
Innym takim naszym błędnym wyobrażeniem o otaczającej nas rzeczywistości było rozdzielenie pojęcia „masa" i „energia", ponieważ okazało się, że masa i energia to w zasadzie to samo, tylko że w innej postaci. Tak samo jak woda i lód jest tym samym związkiem, H₂O, tylko w innej postaci. Masa i energia są dwoma różnymi przejawami tego samego. Teoria względności bardzo prosto ten fakt opisuje. Najsłynniejszy chyba wzór fizyczny: E=mc², energia równa się masa razy prędkość światła do kwadratu. Właśnie dzięki tej zależności możliwe było zbudowanie najpierw - bomby atomowej, a potem elektrowni jądrowej**.

Czasoprzestrzeń

 
Z wielu jeszcze innych ciekawych wniosków płynących z teorii względności wspomnijmy o naturze samej przestrzeni jaka jest wokół nas. Okazało się bowiem, że nasze pojęcie o przestrzeni jest odmienne od tego, co jest w rzeczywistości. A więc przede wszystkim okazało się, że żyjemy nie w przestrzeni trójwymiarowej (czyli w takiej do jakiej jesteśmy przyzwyczajeni), ale w przestrzeni czterowymiarowej. Trzy wymiary przestrzenne tj. długość, szerokość i wysokość zostały teraz rozszerzone o czwarty wymiar, o czas. Za pomocą czasu można tak samo dobrze mierzyć odległość, jak metrem. Ma to związek z tym, że prędkość światła w próżni jest niezmienna i nie zależy od niczego. Gdy np. określimy odległość jako jedną sekundę, oznacza to 300 000 km, ponieważ tyle czasu potrzebuje światło na przebycie tej odległości.  

Oprócz tego, że ta przestrzeń jest czterowymiarowa (mówimy wtedy o czasoprzestrzeni), to w dodatku jest ona zakrzywiona. Teoria względności udowadnia nam, że każda masa zakrzywia wokół siebie przestrzeń. Zakrzywienie te można przedstawić tak: Rozłóżmy i naciągnijmy w powietrzu prześcieradło, w taki sposób aby było ono proste. Jeżeli teraz na środku prześcieradła położymy piłkę, zobaczymy, że ugięło się ono pod jej ciężarem. Im bliżej piłki, tym większe jest zakrzywienie. Tak samo jest z przestrzenią. Im bliżej gwiazdy, tym większe jest wokół niej zakrzywienie przestrzeni. Jak lepiej poznacie tę teorię zobaczycie, że naprawdę jest ona teorią rewolucyjną, prostą i w dodatku bardzo piękną.

   * - Gdyby bliźniak ten poruszał się z prędkością nie 0,9, ale z prędkością 0,9999999   prędkości światła, to na Ziemi w tym czasie minęłoby ponad dwa tysiące lat, a więc już znacznie.

** - Z masą związany jest jeszcze inny fakt, a mianowicie, że wraz ze wzrostem prędkości ciała wzrasta także jego masa, ale żeby się o tym przekonać musimy poruszać się bardzo szybko. Np. poruszając się z prędkością 10% prędkości światła nasza masa wzrośnie tylko o pół procenta, ale jeżeli zwiększymy prędkość do 90% prędkości światła to nasza masa wzrośnie ponad dwukrotnie!

Artykuł pochodzi z mojej książki pt. "Ciekawe, niezwykłe, zastanawiające. Część 1". Zapraszam na Stronę książki.

Ciekawe artykuły:

• Uczeni w anegdotach
• Przeżycia na pograniczu śmierci
• Gwiazdy- narodziny, życie i śmierć
• AntyNoble
• Zagadki logiczne i inne zagadki

    Zapoznaj się z innymi utworami. Przejdź do zakładki Spis artykułów.