Věda a technika v pozadí
Rychlost světla
Teorie
Rozpory, ke kterým dospěla klasická fyzika koncem 19. století při řešení problémů spojených s předpokládanou existencí absolutní vztažné soustavy, vyřešil nezávisle na Hendriku Lorentzovi Albert Einstein pomocí tzv. speciální teorie relativity. Hlavní myšlenky byly publikovány již v roce 1905 v sedmnáctém svazku Annalen der Physik v třicetistránkovém článku K elektrodynamice pohybujících se těles. Teorie se nazývá speciální proto, že popisuje relativnost hlavně ve speciálních případech – když pozorovatelé nemění vzájemnou rychlost ani směr (čili pohybují se rovnoměrně přímočaře – bez zrychlení). Max von Laue o speciální teorii relativity napsal: „speciální teorie relativity je dnes velebena i urážena. Největším křiklounům na obou stranách je přitom společné to, že jí zoufale málo rozumějí …“ [COLES, P. Einstein a úplné zatmění. 1. vydání. Praha: Triton, 2000. ISBN 80–7254–147–1.] Teorie je založena na dvou základních principech.
Hendrik A. Lorentz.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Princip relativity formuloval už Isaac Newton, Leonhard Euler nebo Henri Poincaré. Ten jako první ocenil význam Lorentzovy transformace, pojmenoval ji a v roce 1904 na základě výsledku Michelsonova pokusu vyslovil speciální princip relativity: Fyzikální zákony mají stejný tvar ve všech inerciálních souřadných soustavách. Téměř současně tento princip vyslovil i Albert Einstein: Ve všech inerciálních vztažných soustavách platí stejné fyzikální zákony a vztahy. Za inerciální vztažnou soustavu můžeme považovat vztažnou soustavu spojenou s hvězdami – např. heliocentrickou souřadnicovou soustavu, jejíž počátek leží ve středu Slunce a souřadnicové osy míří ke třem hvězdám. Jestliže provedeme ve dvou inerciálních soustavách stejné pokusy za stejných počátečních podmínek, pak musí platit: Žádným pokusem (mechanickým, elektromagnetickým, optickým apod.) provedeným uvnitř vztažné soustavy nelze rozhodnout, zda se tato soustava vzhledem k jiné inerciální vztažné soustavě pohybuje rovnoměrným pohybem, popř. zda je v klidu. Z hlediska speciální teorie relativity jsou všechny inerciální vztažné soustavy naprosto rovnocenné. Žádná inerciální soustava tedy nemá nějaké význačné vlastnosti, které by ji odlišovaly od ostatních. Neexistuje tedy žádná absolutní vztažná soustava – ani absolutní klid či pohyb.
Princip stálé rychlosti světla: Ve všech inerciálních vztažných soustavách má rychlost světla ve vakuu stejnou velikost, nezávislou na vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele. Rychlost světla v libovolné inerciální vztažné soustavě je ve všech směrech stejná.
Z těchto dvou principů plynou další důsledky (relativnost současnosti, dilatace času, kontrakce délek apod.). I když se zdá, že teorie relativity je pouhou teorií s možným využitím někdy v hluboké budoucnosti, není tomu tak. Speciální i obecná teorie relativity má v současné fyzice i technice velký praktický význam.
Předpokládejme přímou trať, po trati se pohybuje vagon stálou rychlostí v blízkou rychlosti světla. Ve vagonu je umístěna tyč. Když měříme délku nějakého předmětu, mlčky předpokládáme, že se předmět nepohybuje, je v klidu vzhledem k vztažné soustavě, ve které měříme. Co se ale stane, když budeme měřit v soustavě, která se pohybuje? Dojde ke kontrakci délky.
Vznik kontrakce délek.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Pozorovatel pohybující se s vagonem si může vyznačit ve stejném okamžiku body MN a změřit jejich vzdálenost. Je nutné, aby obě značky byly vytvořeny ve stejném okamžiku. Vytvoření obou značek je však současné jen pro pozorovatele ve vagonu. Pozorovatel na kolejích konstatuje, že značky nebyly vytvořeny současně, ale postupně, protože současnost je relativní pojem. Proto pro pozorovatele na kolejích není naměřená vzdálenost bodů MN délkou tyče. Poněvadž měření délky pohybující se tyče vyžaduje současné určení poloh koncových bodů měřeného předmětu a současnost událostí je ralativní pojem, je rovněž délka předmětu relativní pojem (vzhledem k volbě vztažné soustavy). Kdybychom měřili délku tyče, která je kolmá ke směru pohybu, její délka by se neměnila.
Vztah pro kontrakci délky můžeme odvodit z Lorentzovy transformace.
Otázkou je, zda by změna rozměrů tyče byla okem pozorovatelná nebo zachytitelná na fotografii. Obraz tělesa na fotografii nebo na sítnici je vytvořen světlem, které dopadne v určitém okamžiku. To je ale z povrchu tělesa vysláno v různých okamžicích, protože jednotlivé body tělesa jsou od fotoaparátu nebo oka různě vzdáleny. Obraz rychle se pohybujícího tělesa by byl zkreslen, ale toto zkreslení nemá se speciální teorií relativity nic společného. Podle předpokladů speciální teorie relativity by se změnil skutečný tvar tělesa, ne vjem nebo obraz na fotografii. Skutečný tvar tělesa by se ale změnil přesně podle předpokladů speciální teorie relativity.
