|
Mechanika oparta na równaniach dynamiki
Newtona i transformacji Galileusza uznawana była przez
ponad dwa wieki za teorię rządzącą ruchem wszelkich ciał materialnych.
W międzyczasie zmierzono prędkość światła, a Michelson i Morley w swym słynnym
doświadczeniu wykonanym w 1887 roku stwierdzili, że prędkość ruchu Ziemi na orbicie okołosłonecznej nie
dodaje się do prędkości światła ani od niej nie odejmuje.
Wynika z tego, że prędkość światła w próżni jest niezależna od ruchu
układu w którym znajduje się źródło światła lub w którym wykonuje się pomiar.
Prędkość ta równa jest zawsze tej
samej wartości, która wynosi
|
| Fot.10.1 W jonowodzie zderzacza RHIC w Brookhaven poruszają się w dwóch przeciwnych kierunkach jony złota z prędkością równą 0.99996 prędkości światła. |
|
|
Konsekwencje z tego wynikające zrewolucjonizowały rozwój fizyki XX-go wieku. Sformułowania w 1905 roku przez Alberta Einsteina szczególna teoria względności zajęła miejsce mechaniki newtonowskiej. Trzeba jednak dodać, że teoria względności nie obaliła słuszności zasad dynamiki Newtona, ale uściśliła je i określiła zakres ich stosowalności. Szczególna teoria względności i wartość prędkości światła były przedmiotem różnorodnych weryfikacji, ale tej pory wyniki doświadczalne potwierdzają stałość prędkości światła i pozostają w zgodzie ze szczególną teorią względności. |
| Fot.10.2 Albert Einstein. |
Dla uświadomienia sobie konsekwencji wynikających z faktu niezależności prędkość światła od ruchu układu odniesienia, rozpatruje się często następujące doświadczenie, Rys.10.1.
|
|
|
Rys. 10.1.
Zdarzenia równoczesne w układzie
|
Nadajnik, 
znajdujący się na środku platformy 
emituje
błyski światła we wszystkich kierunkach. Na obu końcach platformy ustawione są układy
pomiarowe (odbiorniki: 
i 
), które rejestrują czas nadejścia do
nich sygnału świetlnego, Platforma porusza się względem nieruchomej stacji 
.
Rozpatrujemy czas rejestracji sygnału przez oba odbiorniki. Pamiętamy, że prędkość światła jest taka
sama we wszystkich kierunkach i równa jest 
zarówno w układzie platformy, jak i w układzie stacji.
W układzie własnym platformy sygnał świetlny zostanie zarejestrowany równocześnie
przez oba odbiorniki co jest naturalną konsekwencją symetrii układu
pomiarowego. W układzie stacji zauważamy, że odbiornik
zbliża się do sygnału świetlnego, a odbiornik
oddala się. Światło dotrze więc wcześniej do pierwszego, a później do
drugiego odbiornika.
Otrzymaliśmy paradoksalny wynik. W układzie stacji istnieje moment, kiedy
odbiornik
"wie" o nadejściu sygnału, a odbiornik
- jeszcze nie. W układzie platformy taka sytuacja jest niemożliwa; obydwa
sygnały zostaną odebrane równocześnie. Widzimy, że
równoczesność zdarzeń jest pojęciem względnym i wyciągamy wniosek, że
czas biegnie różnie w różnych układach odniesienia.
Prędkość światła w próżni jest graniczną prędkością rozchodzenia się sygnałów niezależnie od ruchu układu odniesienia. Nie można zwiększyć tej prędkości umieszczając nadajnik na czymś, co już się porusza. Obiekty obdarzone masą zawsze poruszają się z prędkościami mniejszymi od prędkości światła. Stwierdzenia te są jednak sprzeczne z transformacją Galileusza, gdzie prędkości obiektu i danego układu odniesienia dodają się, gdy ruch rozpatrujemy w innym układzie.
Podany przykład ułatwia nam zmianę sposobu myślenia, kiedy rozpatrujemy pojęcia czasu i przestrzeni oraz ich wzajemne relacje. W tej lekcji zobaczymy, że nie można tych pojęć rozpatrywać niezależnie. Wprowadzimy wiec pojęcie czterowymiarowej przestrzeni zwanej czasoprzestrzenią, i określimy tzw. interwał czyli wielkość, która zachowuje swą wartość we wszystkich inercjalnych układach odniesienia.
Zacznijmy od podania postulatów Einsteina.
