Czym jest teoria względności?

Przed powstaniem teorii względności uważano, że światło, będąc falą, wymaga ośrodka do rozchodzenia się, a ten ośrodek znany był jako eter. Co więcej, teoria opisująca zjawiska świetlne zdawała się przybierać inną formę, jeśli założymy, że obserwatorzy poruszają się z pewną prędkością względem eteru. W 1887 roku amerykańscy fizycy Albert Michelson i Edward Morley przeprowadzili eksperyment, aby zmierzyć prędkość ruchu Ziemi względem eteru. Wynik wskazywał, że światło rozchodzi się z tą samą prędkością we wszystkich kierunkach na powierzchni Ziemi, co podważało samo istnienie eteru. Eksperyment ten wprawiał w zakłopotanie społeczność naukową, aż w 1905 roku Einstein opracował Szczególną Teorię Względności , która opiera się na dwóch postulatach dotyczących niezmienności praw fizyki – czyli tego, jak natura jest opisywana w podobny sposób, niezależnie od tego, kto ją obserwuje.

Pierwszy postulat, czyli zasada względności, stanowi, że prawa fizyki (z wyłączeniem grawitacji) są takie same jak te obserwowane przez obserwatorów inercyjnych, czyli obserwatorów poruszających się ze stałą prędkością względną. Chociaż znana była ważność praw Newtona dla różnych obserwatorów tego typu, gdyby światło potrzebowało ośrodka do rozchodzenia się, eter można by uznać za absolutny układ odniesienia, a zjawiska świetlne pozwoliłyby nam określić prędkość rozchodzenia się obserwatora inercyjnego względem eteru.

Rozważając fakt, że eter stał się zbędny, Einstein doszedł do wniosku, że prawa elektromagnetyzmu (opisujące światło) muszą obowiązywać również wszystkich obserwatorów. Co więcej, drugi postulat głosi, że prędkość światła w próżni jest taka sama, jak zmierzona przez dowolnego obserwatora inercyjnego. Oznacza to, że obserwator inercyjny nie może poruszać się z taką prędkością. Gdyby statek kosmiczny poruszał się z prędkością światła względem innego obserwatora i emitował impuls światła za pomocą lasera w tym samym kierunku ruchu, obserwator ten zobaczyłby, że statek kosmiczny i światło pozostają w tym samym miejscu, poruszając się z tą samą prędkością, ale z pokładu statku kosmicznego zobaczyłby, że światło się od niego oddala, co jest sprzecznością.

Połączenie tych postulatów prowadzi do pewnych kontrintuicyjnych rezultatów. Dwa zdarzenia, które są jednoczesne dla jednego obserwatora, nie są jednoczesne dla innego obserwatora poruszającego się względem niego, ponieważ czas upływający między zdarzeniami wydłuża się, gdy są obserwowane przez obserwatora poruszającego się względem innego obserwatora, dla którego zachodzą w tym samym miejscu, podczas gdy długość obiektów kurczy się, gdy są obserwowane przez obserwatora poruszającego się względem obiektu. Oczywiście, efekty te są pomijalne, gdy prędkości są znacznie niższe niż prędkość rozchodzenia się światła, ale radykalnie zmieniają nasze rozumienie przestrzeni i czasu. Chociaż interwały przestrzenne i czasowe mogą mieć różne wartości w zależności od tego, kto je mierzy, można zdefiniować interwał czasoprzestrzenny, który jest taki sam dla wszystkich obserwatorów. Fizyka zachodzi w czasoprzestrzeni, którą definiujemy za pomocą tych interwałów, co ma głębokie implikacje.

Ale czy cała fizyka zachodzi w czasoprzestrzeni? Szczególna teoria względności nie była zgodna z newtonowskim opisem grawitacji. Wielki skok koncepcyjny ogólnej teorii względności , sformułowanej przez Einsteina w 1915 roku , polegał na zrozumieniu, że grawitacja nie jest zjawiskiem pośredniczonym przez inną siłę zawartą w czasoprzestrzeni, lecz wynika właśnie z zakrzywienia czasoprzestrzeni, wywołanego przez zawarte w niej masy. Czasoprzestrzeń przekształca się z bezwładnej struktury, w której występują zjawiska fizyczne, w wielkość fizyczną samą w sobie.

Zasady leżące u podstaw Ogólnej Teorii Względności to ogólna zasada kowariancji i zasada równoważności. Pierwsza z nich uogólnia zasadę względności, ponieważ zakłada równoważność praw fizyki dla wszystkich obserwatorów i w obecności grawitacji. Zasada równoważności została wprowadzona w fizyce Newtona i ustanawia równoważność masy bezwładnej, która mierzy, jak obiekt opiera się zmianie swojego ruchu, oraz masy grawitacyjnej, która opisuje, jak ciało doświadcza pola grawitacyjnego. Zależność ta jest konsekwencją powszechności swobodnego spadku, czyli tego, że wszystkie ciała przyspieszają jednakowo w obecności grawitacji i przy braku innych sił.

Einstein poszedł jednak dalej, uznając, że fizyka w laboratorium o równomiernym przyspieszeniu, przy braku grawitacji, powinna być taka sama jak fizyka w innym laboratorium zanurzonym w jednorodnym polu grawitacyjnym. Postępując zgodnie z tą refleksją, można podjąć próbę zrozumienia zjawisk grawitacyjnych w kategoriach wielkości opisujących ruch w przestrzeni, co sugeruje pojmowanie grawitacji jako zjawiska geometrycznego.

Zasada równoważności w teorii relatywistycznej ma kilka sformułowań. Tak zwana zasada równoważności Einsteina głosi, że zjawiska fizyczne niegrawitacyjne (oraz te o pomijalnym wpływie na czasoprzestrzeń) nie są zakłócane przez obecność pola grawitacyjnego w niewielkim obszarze przestrzeni ani w żadnym jego punkcie.

Oznacza to, że w dowolnym punkcie przestrzeni i w dowolnym czasie, w obrębie dostatecznie małego obszaru, można odtworzyć opis natury zawarty w szczególnej teorii względności. Zatem ogólna teoria względności uogólnia teorię szczególnej teorii względności w obecności grawitacji.

Prado Martín Moruno jest doktorem fizyki, badaczem i profesorem na Wydziale Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Complutense w Madrycie .

Koordynacja i pisanie: Victoria Toro .

Pytanie zadane przez José Ortegę Carrascala .

Nosotras Respondemos to cotygodniowe konsultacje naukowe, sponsorowane przez program L'Oréal-Unesco „Dla Kobiet w Nauce” oraz Bristol Myers Squibb , które odpowiadają na pytania czytelników dotyczące nauki i technologii. Na te pytania odpowiadają naukowcy i technolodzy, członkowie AMIT (Stowarzyszenia Kobiet Naukowców i Technologów). Pytania prosimy przesyłać na adres [email protected] lub za pomocą hashtagu #nosotrasrespondemos.