Η κλασική φυσική είναι της άποψης ότι κάθε παρατηρητής, ανεξάρτητα από την τοποθεσία, θα λάβει τα ίδια αποτελέσματα στις μετρήσεις του χρόνου και της έκτασης. Η αρχή της σχετικότητας δηλώνει ότι οι παρατηρητές μπορούν να λάβουν διαφορετικά αποτελέσματα και τέτοιες παραμορφώσεις ονομάζονται "σχετικιστικά αποτελέσματα". Όταν πλησιάζει η ταχύτητα του φωτός, η νευτώνεια φυσική παραμερίζεται.
Ταχύτητα φωτός
Ο επιστήμονας A. Michelson, ο οποίος μέτρησε την ταχύτητα του φωτός το 1881, συνειδητοποίησε ότι αυτά τα αποτελέσματα δεν εξαρτώνται από την ταχύτητα με την οποία κινούνταν η πηγή ακτινοβολίας. Μαζί με την E. V. Ο Morley Michelson το 1887 διεξήγαγε ένα άλλο πείραμα, μετά από το οποίο έγινε σαφές σε ολόκληρο τον κόσμο: ανεξάρτητα από την κατεύθυνση που γίνεται η μέτρηση, η ταχύτητα του φωτός είναι παντού και πάντα η ίδια. Τα αποτελέσματα αυτών των μελετών ήταν αντίθετα με τις ιδέες της φυσικής εκείνης της εποχής, γιατί αν το φως κινείται σε ένα συγκεκριμένο μέσο (αιθέρας) και ο πλανήτης κινείται στο ίδιο μέσο, οι μετρήσεις σε διαφορετικές κατευθύνσεις δεν μπορούν να είναι ίδιες.
Αργότερα, ο Γάλλος μαθηματικός, φυσικός και αστρονόμος Ζυλ Ανρί Πουανκαρέ έγινε ένας από τους ιδρυτές της θεωρίας της σχετικότητας. Ανέπτυξε τη θεωρία Lorentz, σύμφωνα με την οποία το υπάρχονο αιθέρας είναι ακίνητος, επομένως η ταχύτητα του φωτός σε σχέση με αυτόν δεν εξαρτάται από την ταχύτητα της πηγής. Σε κινούμενα πλαίσια αναφοράς εκτελούνται μετασχηματισμοί Lorentz, και όχι Γαλιλαίοι (οι μετασχηματισμοί του Γαλιλαίου που ήταν αποδεκτοί μέχρι τότε στη Νευτώνεια μηχανική). Από εδώ και στο εξής, οι μετασχηματισμοί του Γαλιλαίου έχουν γίνει μια ειδική περίπτωση μετασχηματισμών Lorentz, όταν μετακινούνται σε άλλο αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς με χαμηλή (σε σύγκριση με την ταχύτητα του φωτός) ταχύτητα.
Κατάργηση αιθέρα
Το σχετικιστικό αποτέλεσμα της συστολής μήκους, που ονομάζεται επίσης συστολή Lorentz, είναι ότι για τον παρατηρητή, τα αντικείμενα που κινούνται σε σχέση με αυτόν θα έχουν μικρότερο μήκος.
Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν συνέβαλε σημαντικά στη θεωρία της σχετικότητας. Κατάργησε εντελώς τον όρο «αιθέρας», που μέχρι τότε υπήρχε στους συλλογισμούς και τους υπολογισμούς όλων των φυσικών και μετέφερε όλες τις έννοιες των ιδιοτήτων του χώρου και του χρόνου στην κινηματική.
Μετά τη δημοσίευση του έργου του Αϊνστάιν, ο Πουανκαρέ όχι μόνο σταμάτησε να γράφει επιστημονικές εργασίες για αυτό το θέμα, αλλά και δεν ανέφερε το όνομα του συναδέλφου του σε κανένα από τα έργα του, εκτός από τη μοναδική περίπτωση αναφοράς στη θεωρία του το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ο Poincare συνέχισε να συζητά για τις ιδιότητες του αιθέρα, αρνούμενος κατηγορηματικά οποιαδήποτε δημοσίευση του Αϊνστάιν, αν και την ίδια στιγμή αντιμετώπισε τον μεγαλύτερο επιστήμονα με σεβασμό και μάλιστα του έδωσε μια λαμπρή μαρτυρία όταν η διοίκηση της Ανώτατης Πολυτεχνικής Σχολής στη Ζυρίχη ήθελε να προσκαλέσει τον Αϊνστάιν. να γίνει καθηγητής στο εκπαιδευτικό ίδρυμα.
Σχετικότητα
Ακόμη και πολλοί από αυτούς που έρχονται σε πλήρη αντίθεση με τη φυσική και τα μαθηματικά, τουλάχιστον σε γενικές γραμμές, τι είναι η θεωρία της σχετικότητας, γιατί είναι ίσως η πιο διάσημη από τις επιστημονικές θεωρίες. Τα αξιώματά του καταστρέφουν τις συνηθισμένες ιδέες για το χρόνο και το χώρο, και παρόλο που όλοι οι μαθητές μελετούν τη θεωρία της σχετικότητας, δεν αρκεί απλώς να γνωρίζουν τους τύπους για να την κατανοήσουν στο σύνολό της.
Το αποτέλεσμα της διαστολής του χρόνου δοκιμάστηκε σε ένα πείραμα με ένα υπερηχητικό αεροσκάφος. Τα ακριβή ατομικά ρολόγια επί του σκάφους άρχισαν να μένουν πίσω κατά ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά την επιστροφή τους. Εάν υπάρχουν δύο παρατηρητές, ο ένας εκ των οποίων στέκεται ακίνητος και ο δεύτερος κινείται με κάποια ταχύτητα σε σχέση με τον πρώτο, ο χρόνος για τον παρατηρητή που είναι ακίνητος θα πάει πιο γρήγορα και για το κινούμενο αντικείμενο, το λεπτό θα διαρκέσει λίγο μακρύτερα. Ωστόσο, εάν ο κινούμενος παρατηρητής αποφασίσει να επιστρέψει και να ελέγξει την ώρα, θα αποδειχθεί ότι το ρολόι του δείχνει λίγο λιγότερο από το πρώτο. Δηλαδή, έχοντας διανύσει πολύ μεγαλύτερη απόσταση στην κλίμακα του διαστήματος, «έζησε» λιγότερο χρόνο ενώ κινούνταν.
Σχετικιστικά αποτελέσματα στη ζωή
Πολλοί πιστεύουν ότι τα σχετικιστικά φαινόμενα μπορούν να παρατηρηθούν μόνο όταν η ταχύτητα του φωτός επιτυγχάνεται ή την πλησιάζει, και αυτό είναι αλήθεια, αλλά μπορείτε να τα παρατηρήσετε όχι μόνο διασκορπίζοντας το διαστημόπλοιό σας. Στις σελίδες του επιστημονικού περιοδικού Physical Review Letters, μπορείτε να διαβάσετε για το θεωρητικό έργο του ΣουηδούΕπιστήμονες. Έγραψαν ότι σχετικιστικά φαινόμενα υπάρχουν ακόμη και σε μια απλή μπαταρία αυτοκινήτου. Η διαδικασία είναι δυνατή λόγω της ταχείας κίνησης των ηλεκτρονίων των ατόμων μολύβδου (παρεμπιπτόντως, είναι η αιτία του μεγαλύτερου μέρους της τάσης στους ακροδέκτες). Αυτό εξηγεί επίσης γιατί, παρά τις ομοιότητες μεταξύ μολύβδου και κασσίτερου, οι μπαταρίες με βάση τον κασσίτερο δεν λειτουργούν.
Fancy Metals
Η ταχύτητα περιστροφής των ηλεκτρονίων στα άτομα είναι αρκετά χαμηλή, επομένως η θεωρία της σχετικότητας απλά δεν λειτουργεί, αλλά υπάρχουν ορισμένες εξαιρέσεις. Εάν προχωρήσετε όλο και περισσότερο κατά μήκος του περιοδικού πίνακα, γίνεται σαφές ότι υπάρχουν αρκετά στοιχεία βαρύτερα από τον μόλυβδο σε αυτόν. Μια μεγάλη μάζα πυρήνων εξισορροπείται αυξάνοντας την ταχύτητα των ηλεκτρονίων και μπορεί να προσεγγίσει ακόμη και την ταχύτητα του φωτός.
Αν εξετάσουμε αυτήν την πτυχή από την πλευρά της θεωρίας της σχετικότητας, γίνεται σαφές ότι τα ηλεκτρόνια σε αυτή την περίπτωση πρέπει να έχουν τεράστια μάζα. Αυτός είναι ο μόνος τρόπος για να διατηρηθεί η γωνιακή ορμή, αλλά το τροχιακό θα συρρικνωθεί κατά μήκος της ακτίνας, και αυτό πράγματι παρατηρείται σε άτομα βαρέων μετάλλων, αλλά τα τροχιακά των «αργών» ηλεκτρονίων δεν αλλάζουν. Αυτό το σχετικιστικό φαινόμενο παρατηρείται στα άτομα ορισμένων μετάλλων σε τροχιακά s, τα οποία έχουν κανονικό, σφαιρικά συμμετρικό σχήμα. Πιστεύεται ότι είναι αποτέλεσμα της θεωρίας της σχετικότητας ότι ο υδράργυρος έχει μια υγρή κατάσταση συσσώρευσης σε θερμοκρασία δωματίου.
Διαστημικό ταξίδι
Τα αντικείμενα στο διάστημα είναι μεταξύ τουςσε τεράστιες αποστάσεις, ακόμα και όταν κινείστε με την ταχύτητα του φωτός, θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να τις ξεπεράσετε. Για παράδειγμα, για να φτάσει στον Άλφα Κενταύρου, το πλησιέστερο αστέρι σε εμάς, ένα διαστημόπλοιο με ταχύτητα φωτός θα χρειαστεί τέσσερα χρόνια και για να φτάσει στον γειτονικό μας γαλαξία, το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου, θα χρειαστούν 160.000 χρόνια.
Είναι ακόμα δυνατό να πετάξετε στο Άλφα Κενταύρου και πίσω, γιατί θα χρειαστούν μόνο οκτώ χρόνια, και για τους κατοίκους του πλοίου, που αισθάνονται την επίδραση της διαστολής του χρόνου, αυτή η περίοδος θα είναι πολύ μικρότερη, αλλά μετά επιστρέφοντας από ένα ταξίδι σε έναν γειτονικό γαλαξία, οι αστροναύτες θα ανακαλύψουν ότι στην πατρίδα τους έχουν περάσει τριακόσιες είκοσι χιλιάδες χρόνια στον πλανήτη και ο ανθρώπινος πολιτισμός μπορεί να έχει πάψει να υπάρχει εδώ και πολύ καιρό. Έτσι, τα σχετικιστικά φαινόμενα επιτρέπουν στους ανθρώπους να ταξιδεύουν στο χρόνο. Αυτό θεωρείται ένα από τα κύρια προβλήματα της εξερεύνησης του διαστήματος, γιατί ποιο είναι το νόημα να κατακτήσεις το διάστημα αν δεν υπάρχει τρόπος επιστροφής;
Άλλες δραστηριότητες
Εκτός από την περίφημη χρονική διαστολή, υπάρχει και το σχετικιστικό φαινόμενο Doppler, σύμφωνα με το οποίο, εάν η πηγή των κυμάτων αρχίσει να κινείται, τότε τα κύματα που διαδίδονται προς αυτή την κίνηση θα γίνουν αντιληπτά από τον παρατηρητή ως «συμπιεσμένα»., και προς την αφαίρεση του μήκους κύματος θα αυξηθεί.
Αυτό το φαινόμενο είναι χαρακτηριστικό για όλα τα κύματα, επομένως μπορεί να παρατηρηθεί στο παράδειγμα του ήχου στην καθημερινή ζωή. Η μείωση ενός ηχητικού κύματος γίνεται αντιληπτή από το ανθρώπινο αυτί ως αύξηση του τόνου. Ετσι,όταν το σήμα τρένου ή αυτοκινήτου ακούγεται από μακριά, είναι χαμηλότερο, και αν το τρένο περάσει από τον παρατηρητή, ενώ κάνει έναν ήχο, τότε το ύψος του θα είναι υψηλότερο τη στιγμή της προσέγγισης, αλλά μόλις τα αντικείμενα εξισωθούν και το τρένο αρχίζει να απομακρύνεται, ο τόνος θα γίνει απότομα χαμηλότερος και θα συνεχιστεί περαιτέρω στις χαμηλότερες νότες.
Αυτά τα σχετικιστικά φαινόμενα οφείλονται στο κλασικό ανάλογο της αλλαγής της συχνότητας όταν ο δέκτης και η πηγή κινούνται, καθώς και στη σχετικιστική χρονική διαστολή.
Σχετικά με τον μαγνητισμό
Μεταξύ άλλων, οι σύγχρονοι φυσικοί συζητούν όλο και περισσότερο το μαγνητικό πεδίο ως σχετικιστικό φαινόμενο. Σύμφωνα με αυτή την ερμηνεία, το μαγνητικό πεδίο δεν είναι μια ανεξάρτητη φυσική υλική οντότητα, δεν είναι καν μια από τις εκδηλώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Το μαγνητικό πεδίο από την άποψη της θεωρίας της σχετικότητας είναι απλώς μια διαδικασία που συμβαίνει στο χώρο γύρω από σημειακά φορτία λόγω της μεταφοράς ενός ηλεκτρικού πεδίου.
Οι υποστηρικτές αυτής της θεωρίας πιστεύουν ότι εάν το C (η ταχύτητα του φωτός στο κενό) ήταν άπειρο, τότε η διάδοση των αλληλεπιδράσεων σε ταχύτητα θα ήταν επίσης απεριόριστη, και ως αποτέλεσμα, δεν θα μπορούσαν να προκύψουν εκδηλώσεις μαγνητισμού.
