Mokslo ir technologijų pasaulis

Erdvė ir laikas sudaro vienį, o tarp energijos ir masės yra nenutraukiamas ryšys – specialioji reliatyvumo teorija, praėjusio amžiaus pradžioje apvertusi supratimą apie pasaulį, iki šiol neramina žmonių protus ir širdis.

1905 m. Albertas Einšteinas publikavo specialiąją reliatyvumo teoriją (SRT), paaiškinusią, kaip interpretuoti judėjimą tarp skirtingų inercinių atskaitos sistemų – paprasčiau tariant, tarp objektų, judančių vienas kito atžvilgiu pastoviu greičiu.

Einšteinas paaiškino, kad dviems objektams judant pastoviu greičiu, reikia nagrinėti jų judėjimą vienas kito atžvilgiu, užuot laikius eterį absoliučia atskaitos sistema.

Taigi, jei du astronautai, jūs ir, tarkime, Gintarė skriejate erdvėlaiviais ir norite palyginti savo stebėjimus, jums tereikia žinoti savo greitį vienas kito atžvilgiu.

Specialioji reliatyvumo teorija nagrinėja tik vieną specialų atvejį, (iš čia ir pavadinimas), kai judėjimas tiesiaeigis ir tolygus.

Jei materialus kūnas greitėja ar suka į šoną SRT dėsniai jai negalioja. Tada galioja bendroji reliatyvumo teorija (BRT), paaiškinanti materialių kūnų judėjimą bendru atveju.

Einšteino teorija remiasi dviem pamatiniais principais:

1. Reliatyvumo principu: fizikos dėsniai inercinėse atskaitos sistemose, t.y. judančiose viena kitos atžvilgiu pastoviu greičiu, išlieka tokie patys.
2. Šviesos greičio principu: šviesos greitis išlieka toks pat visiems stebėtojams, nepriklausomai nuo jų greičio šviesos šaltinio atžvilgiu. (Fizikai šviesos greitį žymi raide c).

Viena iš A. Einšteino sėkmės priežasčių yra ta, kad eksperimentų duomenis jis vertino labiau už teorinius. Kai eksperimentuose būdavo gaunami duomenys, prieštaraujantys visuotinai priimtai teorijai, daugelis fizikų nusprendė, kad klaidingi eksperimentai.

Albertas Einšteinas buvo vienas iš pirmųjų, nusprendusių sukurti naują teoriją ant naujų eksperimentinių duomenų pagrindo.

XIX amžiaus pabaigoje fizikai ieškojo paslaptingojo eterio – terpės, kuria, pagal tuomet visuotinai priimtą įsitikinimą, turėjo sklisti šviesos bangos, panašiai, kaip ir garso, kurių sklidimui būtinas oras ar kokia nors kita terpė – kieta, skysta ar dujinė.

Iš tikėjimo eterio egzistavimu kilo įsitikinimas, kad šviesos greitis privalo kisti priklausomai stebėtojo greičio eterio atžvilgiu.

Albertas Einšteinas atsisakė eterio sąvokos ir spėjo, kad visi fizikos dėsniai, įskaitant ir šviesos greitį, lieka nepakitę, nepaisant stebėtojo judėjimo greičio – kaip ir rodė eksperimentai.

Specialiosios reliatyvumo teorijos paaiškinimas judančiais paveiksliukais.

Erdvės ir laiko vientisumas

Einšteino SRT postuluojamas fundamentalus erdvės ir laiko ryšys. Materialioji visata, kaip žinia, turi tris erdvės matmenis: aukštyn–žemyn, kairėn-dešinėn ir pirmyn-atgal. Prie jų pridedamas dar vienas matmuo – laiko. Drauge šie keturi matmenys sudaro erdvės ir laiko kontinuumą.

Jeigu judate dideliu greičiu, jūsų erdvės ir laiko stebėjimai skirsis nuo kitų, lėčiau judančių, žmonių stebėjimų.

Paveikslėlyje pateikiamas mintinis eksperimentas, padėsiantis suprasti šią idėją.

Įsivaizduokite, kad esate erdvėlaivyje, rankose laikote lazerį, kuriuo šviesos spindulį pasiunčiate į lubas, ant kurių pritvirtintas veidrodis. Atsispindėjusi šviesa patenka į spindulius registruojantį jutiklį.

Tarkime jūsų erdvėlaivis juda pastoviu greičiu, lygiu pusei šviesos greičio (0,5c). Pagal Einšteino SRT, jums tai neturi jokios įtakos, jūs netgi nepastebite savo judėjimo.

Tačiau Gintarė, stebėjusi jus iš nejudančio erdvėlaivio, regės visiškai kitą vaizdą. Jos požiūriu, šviesos spindulys eis įstrižaine link veidrodžio lubose, atsispindės nuo jo ir įstrižaine kris į jutiklį.

Kitaip tariant, šviesos spindulio trajektorija jums ir Gintarei atrodys skirtingai ir bus skirtingo ilgio. Tad ir laikas, kurio reikia lazerio spinduliui atstumo iki veidrodžio ir iki jutiklio įveikti, jums atrodys skirtingas.

Šis reiškinys vadinamas laiko sulėtėjimu: laikas greitai skriejančiame erdvėlaivyje stebėtojo Žemėje atžvilgiu, tekės pastebimai lėčiau.

Šis pavyzdys, kaip ir daugybė kitų, akivaizdžiai demonstruoja nenutraukiamą erdvės ir laiko ryšį. Šis ryšys stebėtojui aiškiai pasireiškia tik kalbant apie didelius greičius, artimus šviesos greičiui.

Šis sąryšis ryšys galioja visiems greičiams, tačiau lėtai judančiuose objektuose pokyčiai yra labai maži, todėl sunkiai pastebimi. Tarkime, dar tik rengiamuose hipergarsiniuose lėktuvuose, skraidysiančiuose ~6 kartus greičiau už garsą (beveik 2 km/s), sekundės tebus maždaug 3 µs ilgesnės. Tai yra, viena papildoma sekundė prisidės po 3000000 sekundžių – po ilgiau nei mėnesio nenutrūkstamo skrydžio

Einšteino teorijos publikavimo metu atlikti eksperimentai patvirtino, kad erdvė ir laikas iš tiesų vertinami skirtingai, priklausomai nuo objektų judėjimo greičio.

Masės ir energijos apjungimas

Savo žymiajame straipsnyje, publikuotame 1905 metais, Einšteinas apjungė masę ir energiją paprastoje formulėje, nuo to laiko žinomoje kiekvienam mokinukui: E=mc².

Žymioji formulė paaiškinama suprantamai ir, kaip priklauso internetui – su katėmis.

Pagal didžiojo fiziko teoriją, masę turinčio objekto judėjimo greičiui artėjant prie šviesos greičio, didėja ir jo masė. T.y., kuo greičiau juda objektas, tuo jis darosi sunkesnis. Pasiekus šviesos greitį, objekto masė, kaip ir jo energija, tampa begaline.

Kuo sunkesnis kūnas, tuo sunkiau jį pagreitinti; begalinės masės objekto pagreitinimui reikėtų begalinio kiekio energijos, todėl materialiems objektams šviesos greitį pasiekti neįmanoma.

Iki Einšteino masė ir energija fizikoje buvo nagrinėjamos atskirai. Genialusis mokslininkas įrodė, kad masės tvermės dėsnis, kaip ir energijos tvermės dėsnis, yra bendresnio masės-energijos tvermės dėsnio dalys.

Dėl šių dviejų sampratų ryšio materiją galima paversti energija ir atvirkščiai – energiją į materiją.