Speciální teorie relativity 1

Úvod do speciální teorie relativity. Postupně se seznámíme se základními principy této teorie, a to i z matematického pohledu.

Dnes si o speciální teorii relativity řekneme jen hlavní myšlenky, ale podrobněji si ji postupně rozebereme v příštích dvou článcích, a to i se základním matematickým aparátem. Nejdřív ze všeho Einsteinův stručný životopis:

Albert Einstein (14. 3. 1879 - 18. 4. 1955)

Albert Einstein se narodil v bavorském městečku Ulm. V Mnichově studoval gymnázium, vynikal ve fyzice, matematice, filozofii, v předmětech jako deskriptivní geometrie, jazyky, chemie, v kreslení patřil mezi horší žáky. V šestnácti letech se pokusil udělat přijímací zkoušky na vysokou školu polytechnickou v Curychu. Na školu nebyl přijat z důvodu nedostatečných znalostí cizích jazyků, botaniky a zoologie. Albert se rozhodl dodělat středoškolské studium na střední škole ve Farau, kde strávil rok. Maturitu složil s výborným prospěchem a byl na vysokou školu polytechnickou v Curychu vzat bez zkoušek. Zde složil závěrečné zkoušky v roce 1900 a získal diplom.

Po vystudování si nedokázal najít žádné zaměstnání. Až v roce 1902 dostal nabídku na Federálním patentovém úřadě v Bernu. Roku 1905 zveřejnil svou sedmiletou práci – speciální teorii relativity. Knížečka s teorií měla pouhých 30 stran. Einstein svou teorii nevymyslel od začátku do konce sám, i když na ni měl hlavní zásluhu, ale stavěl na teoriích jiných vědců, jako byl fyzik a matematik J. H. Poincaré, fyzik Lorentz a Fitzgerald. Kdyby ji Einstein nevymyslel, zcela určitě dřív či později by s ní přišel nějaký jiný fyzik.

Dále Albert stavěl na základě hluboké analýzy optických a elektromagnetických dějů v pohybujících se vztažných soustavách. Nobelovu cenu, jež získal roku 1921, nedostal za teorii relativity, jak se spousta lidí domnívá, ale za vysvětlení fotoelektrického jevu. Když odešel roku 1909 z patentového úřadu v Curychu, byl jmenován profesorem teoretické fyziky na univerzitě v tomto městě. Následně učil na německé části Karlovy univerzity teoretickou fyziku. Zanedlouho přechází jako ředitel na berlínskou univerzitu a roku 1916 dokončuje obecnou teorii relativity. Po nástupu Hitlera je Einstein pronásledován nacisty a vzdává se německého občanství. Zbytek života strávil v Princetenu až do své smrti.

Albert měl jeden veliký sen, a to teorii všeho; teorii, která by dokázala vysvětlit a objasnit všechny jevy ve vesmíru. Této teorii věnoval velkou část svého života, bohužel jeho současníci ho považovali za snílka a blázna. Tím se Albert dostal mimo hlavní proud tehdejší vědy. Tento jeho sen vzkřísili až fyzikové, kteří přišli s novou teorií, tou byla teorie superstrun.

Roku 1905 Einstein dospěl ke speciální teorii relativity. Ta byla založena na základních dvou principech, jež jsou:

1. Princip relativity:

Ve všech inerciálních vztažných soustavách platí tytéž fyzikální zákony.

Z toho vyplývá, ať už dva pozorovatelé provádí jakékoliv totožné pokusy v libovolných inerciálních soustavách, kde jeden bude například na rovnoměrně přímočaře letícím letadle a druhý v laboratoři na zemi, v obou případech dojdou ke stejným zákonům přírody. Dále nemůžu jakýmkoliv experimentálním způsobem v těchto inerciálních soustavách zjistit, zda se pohybují nebo jsou-li v klidu na zemi. Dále je důležité si uvědomit, že všechny inerciální soustavy jsou si naprosto rovnocenné. Žádná inerciální soustava nemá význačnější postavení, tedy neexistuje jediná inerciální soustava, která by se odlišovala od ostatních. Z toho vyplývá, že neexistuje žádná absolutní soustava, takže nemá smyslu se zabývat absolutním pohybem.

2. Princip konstantní rychlosti světla:

Ve všech inerciálních vztažných soustavách ve vakuu má světlo konstantní rychlost bez ohledu, zda se zdroj světla pohybuje či nikoliv, nebo jestli se vzhledem k světlu bude pohybovat pozorovatel.

Představte si třeba takové závody vesmírných lodí se světlem. Dejme tomu, že loď A dokáže letět maximální rychlostí 100 000 km/s, loď B 299 000 km/s. Zároveň se startem obou lodě někdo zapne laser. Podle klasické mechaniky by se světlo od lodi A vzdalovalo rychlostí 200 000 km/s, od lodi B 1000 km/s. Na tento výsledek by jistě Newton nic nenamítal, ale Einstein i on bude souhlasit s těmito výsledky? Ne nebude, protože podle druhého principu se musí světlo vzdalovat rychlostí světla od obou lodí.

Pro dnešek to bude vše. V příštím článku se budeme zabývat dilatací času a kontrakcí délek.