Trochu o moderní fyzice - část 1. - Teorie relativity

Úvod

Byly časy, kdy noviny psali, že pouze 12 lidí rozumí teorii relativity. Nevěřím, že tomu tak kdy bylo. Možná nejdříve teorii relativity rozuměl jeden člověk a to sice ten, kdo ji vymyslel. Potom si lidí přečetli jeho článek, pochopily ho a určitě jich bylo více jak 12. Naproti tomu si myslím, že mohu bezpečně prohlásit, že kvantové mechanice nerozumí nikdo.

Richard P. Feynman

Feynman má určitě pravdu v tom, že teorie relativity není nic nepochopitelného. Její důsledky jsou naprosto evidentní a v dnešní době cest do vesmíru, satelitů, nebo zkoumání vesmírů je navíc běžně používaná. Navíc běžné výpočty dilatace času, nebo kontrakce délek si může provést každý obyčejný člověk s pomocí kalkulačky a znalostí ze základní školy.

Na tu opačnou stranu. Výpočty s obyčejným elektronem, který zná každé dítě z 6. třídy, se bez vysokoškolských znalostí provádějí dost těžko.

Teorie relativity

Teorie relativity má své kořeny již někdy v 17. století. Je to v době Isaaca Newtona a Galileo Galilee. Galilei zformuloval princip relativity v klasické mechanice. Díky Newtonovi máme dnes diferenciální a integrální počet. Newton také zobecnil pojem síly. Vypracoval rovnice pro pro výpočty s gravitací. Co nám ale Newton neřekl, proč mu jeho pověstné jablko spadlo na hlavu (tedy ono to tak nebylo). On nám řekl, že to tak je, ale neřekl proč.

Newton se navíc dopustil některých nepřesností. Například se domníval, že prostor a čas je absolutní. Dále a to si vlastně mysleli všichni fyzici do doby Einsteina, že vesmír je statický. Jenomže jak nám Einstein ukazuje, prostor a čas vůbec není absolutní a statický. Einstein ukázal, že prostor a čas se zakřivuje. V době psaní těchto řádků bych klidně mohl tvrdit, že prsty pohybující se po mé klávesnici jsou vlastně v klidu a pohybuje se jen okolní prostor.

Einsteinově Teorii relativity také předcházeli některé pokusy, které nebylo možno v rámci tehdejší fyziky vysvětlit. Například subatomární částice, která by se podle skládání sil z pohledu klasické mechaniky měla pohybovat rychlostí 2c (dvojnásobek rychlosti světla), se pohybuje pomaleji než rychlostí světla.

Einstein byl revoluční tím, že se nebál vyslovit domněnku o maximální rychlosti, totiž rychlosti světla. Nic nemůže být rychlejší než rychlost světla. Z rovnic speciální relativity vyplývá, že pro překonání, nebo dokonce jen dosažení rychlosti světla by bylo potřeba nekonečně velké energie.

Speciální teorie relativity

Speciální teorie relativity je založena na maximální rychlosti světla a na principu relativity. Uplatňuje se při rychlostech blížících se rychlosti světla. Při těchto rychlostech nastávají dva důležité děje - kontrakce délek a dilatace času.

Mějme situaci, kdy letadlo letí rychlostí 0,9999c a mějme pozorovatele, který ze Země letadlo pozoruje. Při takto vysokých rychlostech (kromě toho, že by se letadlo nejspíš rozpadlo, ale to neuvažujme) se začnou uplatňovat relativistické vztahy. Jednak se pozorovateli jeví letadlo zkrácené (kontrakce délek) na základě deformace prostoru a čas by ubíhal jinak na palubě letadla a jinak na Zemi (dilatace času). Tyto děje lze popsat s použití Lorentzovy transformace.

Z příkladu výše tedy vyplývá, proč jsme již dávno nezahodily Newtonovy vztahy pro pohyb. Newtonovy vztahy nám totiž při rychlostech 200 km/h postačují jako extrémně přesná aproximace. Einsteinovy zákony se výrazně projevují pouze při neobyčejně vysokých rychlostech, takže není nutné je využít při běžných výpočtech.

Obecná teorie relativity

Obecná teorie relativity bylo vytvořena asi 10 let po Speciální teorii relativity. Tato teorie vysvětluje pojem gravitace s pomocí zakřivení prostoru. Čím větší je hmotnost objektu, tím více zakřivuje prostor. Můžeme tedy popsat gravitaci pomocí diferenciální geometrie. Důsledkem Obecné relativity je například předpověď černých děr.

Černá díra není nic jiného než místo ve vesmíru s extrémně velkým zakřivením prostoru. Název poprvé použil John Wheeler. Černá díra se jmenuje, protože je opravdu černá. Zakřivení časoprostoru v okolí černé díry je tak veliké, že z ní neunikne ani světlo. Je to zároveň důvod, proč ji nemůžeme vidět. Když světlo, které letí ze slunce k černé díře nedoletí zpět, nemůžeme logicky získat žádnou informaci. Maximálně můžeme pozorovat důsledky černé díry a tak stanovit místo, kde by se černá díra mohla nacházet.

Stejně jako se Speciální relativita projevovala nejmarkantněji u těles pohybujících se vysokou rychlostí, u Obecné relativity budeme počítat hlavně s tělesy o obrovských rozměrech a hmotnostech. Teorie lze dokázat například Shapirovým efektem.

Závěr

To je k první části o moderní fyzice vše. Doufám, že moje osobitá interpretace a výklad této oblasti fyziky nebude nikomu proti srsti. Fyzika a matematika jsou obory, které jsou založeny na absolutní přesnosti. Bohužel nejsem neomylný a předpokládám, že nějaké chyby v textu určitě budou, takže se předem omlouvám a prosím perfekcionisty, kteří budou mít po přečtení tohoto článku nutkání mi zdělit, že jsem idiot, aby si to nejdříve pořádně promysleli a v nejlepším případě psali na můj email. V dalším díle se podíváme na kvantovou fyziku a hlavně kvantovou mechaniku.