Neznámý vesmír – Speciální teorie relativity

rubrika: Populárně naučný koutek


Předchozí zahřívací kolo seriálu o neznámém vesmíru bylo věnováno světlu. Jak bylo naznačeno, podivuhodné vlastnosti světla – jeho kvantových nositelů fotonů – se naprosto vymykají všemu ostatnímu, což mělo za následek vznik speciální teorie relativity. Tato teorie doslova zatřásla dosavadními představami o prostoru a času. Předpověděla jevy či efekty, o kterých se nezdálo ani věhlasnému Newtonovi. Opravdu?

 

Lucifer


Speciální teorii relativity přivedl na svět Albert Einstein v roce 1905. Byl již ženatý, měl ročního syna a pracoval pro patentový úřad ve švýcarském Bernu. Ve volném čase se zabýval sepisováním disertační práce pod vedením profesora fyziky v Curychu. Jako by mu to nestačilo, stihl během téhož roku publikovat čtyři neobyčejné práce v prestižním časopise Annalen der Physik. Dnes se tomu říká Einsteinův annus mirabilis, tedy zázračný rok. V jedné z nich předložil slavnou rovnici E = mc2, která postuluje, že dvě základní fyzikální veličiny, hmotnost a energie, jsou v podstatě zaměnitelné (viz Neznámý vesmír – „Reverzní inženýrství“ Arthura Eddingtona). Další dvě se týkaly teoretického vysvětlení výsledků jistých experimentů a později se staly základem atomové fyziky a kvantové mechaniky. Čtvrtá práce se nazývala O elektrodynamice pohybujících se těles. V ní Einstein představil svou světově proslulou teorii relativity.

 

Slovo relativita v Einsteinově podání neznamenala nic jiného, než že každý pohyb je nutné měřit vzhledem k něčemu jinému. V zásadě nic nového, jelikož již Galileo v pojednání Dialogy o dvou největších systémech světa tvrdil, že uvnitř izolované místnosti nelze určit rychlost pohybu ani, zda se místnost pohybuje, či je v klidu. Vlastně to byla první verze teorie relativity. O pět desetiletí později ji Newton smetl ze stolu. Své zákony pohybu a gravitace formuloval tak, jako by existoval jakýsi absolutní rámec prostoru a času, vůči kterému lze všechen pohyb měřit. Avšak výsledky Michelsonova a Morleyho experimentu dokázaly, že se Newton mýlil.

 

Einstein se tím nechal inspirovat a byl přesvědčen, že měření je možné provádět pouze tehdy, když se vztáhnou k něčemu jinému, tedy když jsou k něčemu jinému relativní. Einstein tomu věřil tak silně, že to nazval principem relativity. Dále předpokládal, že rychlost světla je konstantní, bez ohledu na to, zda se cokoli jakýmkoli způsobem pohybuje. Ukázalo se, že z tohoto předpokladu vyplývá celá řada podivných jevů, jež lze ověřit experimentálně. Budete-li měřit základní vlastnosti tělesa, které vás míjí dostatečně vysokou rychlostí, zjistíte, že čas na tomto tělese dilatuje (zpomaluje se), jeho hmotnost se zvyšuje a délka zkracuje. Einstein matematicky prokázal, že čas a prostor jsou prakticky totéž. Sesumíroval to do pojmu časoprostor, jenž je relativní, čímž vyvrátil Newtonovu představu o absolutním čase a prostoru.

 

Einstein nebyl prvním, kdo s touto myšlenkou přišel. Již před ním na to pomýšleli různí filosofové, vědci a básníci. Dokonce nevymyslel ani rovnice, které umožňovaly transformovat čas prostor a délku v rámci pohybu měřeného tělesa. Ty už nějaký čas před ním odvodil Hendrik Lorentz, aby vyhovovaly výsledkům Michelsonova a Morleyho experimentu. Einstein je pouze oblékl do nového fyzikálního hávu v podobě teoretického vysvětlení coby důsledku speciální teorie relativity.

 

Speciální relativita nese své jméno proto, že se týká pouze speciálních okolností. Jedná se o děje, při kterých se předměty pohybují konstantními rychlostmi nebo jsou v klidu. Na tělesa nepůsobí žádné síly – nacházejí se v tzv. inerciální soustavě. Rovnice speciální teorie relativity neplatí pro objekty, které se pod vlivem jakékoli síly pohybují zrychleně – nacházejí se v tzv. neinerciální soustavě. Einstein velmi rychle pochopil, že bude zapotřebí obecnější teorie, která bude zároveň i teorií gravitace.

 

Tolik stylisticky poupravený a lehce doplněný výňatek ze Zdroje.

 

Luciferovy poznámky:

 

Einstein ve své speciální teorii relativity (STR) v podstatě neobjevil nic nového. Pouze sesumíroval, co už někdo objevil před ním, viz již zmíněný díl tohoto seriálu. STR se zabývá něčím, co není v podstatě vůbec reálné. Veškeré částice a tělesa ve vesmíru jsou neustále ve vzájemné interakci v podobě elementárních sil v nejrůznějších konstelacích. Dá se na ni pohlížet jako na jakousi aproximaci v případech, kdy působení oněch sil lze víceméně zanedbat, ale i o tom by se dalo víceméně pochybovat. Neexistuje žádná inerciální soustava – vesmír se rozpíná, expanduje, gravitace kumuluje jeho části do galaxií, v nichž se nacházejí obrovské černé díry atd.

 

V převyprávěném textu Zdroje bylo řečeno, že zásadní výsledky STR – dilatace času, kontrakce délek a navyšování hmotnosti – byly experimentálně dokázány. Co ale bylo ve skutečnosti dokázáno. V interpretacích STR se vyskytují často dost nelogické kotrmelce. Třeba v použitém Zdroji se občas píše, že musíme použít tu či onu Lorentzovu transformaci, abychom správně vyhodnotili měření či pozorování vůči nám se nějak pohybujícího tělesa. Abychom mohli použít tytéž fyzikální rovnice, je třeba patřičně transformovat veličiny jako čas, délka a hmotnost. A pak se najednou objeví poznámka, že tyhle efekty nejsou výsledkem způsobu, jakým provádíme měření, ale výsledkem jakéhosi krabatění prostoročasu.

 

Představte si inerciální prostor, ve kterém se pohybuje obrovské množství stejných objektů (těles) a na každém z nich je přítomen pozorovatel. Všichni pozorovatelé se vůči všem ostatním pohybují nejrůznějšími rychlostmi, od nuly až po téměř rychlost světla. Každý každému si tak naměří úplně jiný čas, hmotnost a velikost či délku onoho objektu. Prostoročas se krabatí podle toho, kterou dvojici pozorovatelů „vnímá“. Pokud vnímá všechny, tak musí být kompletně rozkrabatěný. A žádný z těch pozorovatelů si nevšimne, že objekt (třeba kosmická loď), na kterém se nalézá, mění neustále svoji velikost, hmotnost a tok času.

 

Tohle je typická ukázka nepřiměřeného překlopení matematického modelu do fyzikální reality. Matematický model je pouze nástrojem, tím nejúčinnějším, který můžeme k popisu reality použít. Nemá však žádný smysl samotný nástroj rozebrat do „šroubků“, a ty pak mechanicky interpretovat jako reálné objekty. Důležité je, co nám tento model říká o vzájemném vztahu fyzikálních veličin, ne jakou matematickou konstrukci s komponentami a operacemi jsme použili.

 

STR nám neříká, co se s tělesy natožpak s prostoročasem vůkol děje, když na nich provádíme nějaké měření. Říká nám pouze, kterak upravit rovnice, abychom mohli použít tytéž fyzikální zákony. V této úpravě se neskrývá „krabatění“ měřeného tělesa, ale způsob, jak máme ten výsledek dešifrovat. Je třeba si uvědomit, že všechny experimenty dokazující pravdivost STR v podobě kontrakce délek, dilatace času a navyšování hmotnosti pracují pouze s jedinou měřící sondou – světelným paprskem. Do výsledků takovýchto měření se pak promítá konečná rychlost světla, která je v daném prostředí absolutně konstantní. Tohle je třeba započítat do jejich závěrečné interpretace.

 

Jako důkaz dilatace času se často předkládá vznik částic jménem mion v horních vrstvách atmosféry a jejich dopad na povrch Země. Miony se v pohybují téměř rychlostí světla a mají sice velmi malou, ale nenulovou klidovou hmotnost. Důkazem dilatace času dle STR je, že miony dopadnou na zemský povrch, ačkoli dle jejich strašně krátké doby života by se toho neměly dožít. Hned v prvním odstavci článku je na začátku první věty vložen odkaz, kde najdete Lorentzovu transformaci hmotnosti částice v závislosti na její rychlosti. Hmotnost částice s nenulovou klidovou hmotností, jejíž rychlost vůči něčemu se blíží rychlosti světla, se dle STR blíží nekonečnu. Totéž ale z principu relativity platí i pro Zemi. Mezi mionem a Zemí musí takto narůst obrovská gravitace, což představu inerciální soustavy absolutně vyvrací.

 

Zdroj: Stuart Clark, Neznámý vesmír v 10 kapitolách, Euromedia Group, a.s. – Knižní klub v edici Universum, Praha 2017


komentářů: 13         



Komentáře (13)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_   

« strana 1 »

13 2 MEFI
Starý kocour (neregistrovaný) 28.01.2018, 20:52:02
Někdy mi ta astrofyzika připomíná hru, mezi elektroniky zvanou "černá skříňka" - black box. Známe vstupy, známe výstupy a máme určit/odhadnout, co je uvnitř. Ale řešení může být při stejných parametrech zcela odlišné. Může tam být neznámá součástka. Případně jsme dost dobře nezměřili vstupní a výstupní parametry.

Doufám, že Světlonoš už brzy dopíše pokračování. Společenská situace v kotlince je nedobré téma a máme na ni téměř stejně silný vliv jako na tu pulsující díru v Labuti. Jenom ji můžeme podrobněji pozorovat. Ale součástky tu mohou být taky jiné, zatím nám utajené. [;>)

mefi
12 2 Starý Kocour
mefi 28.01.2018, 19:47:05
.
Petr Kulhánek

Když je černá díra divná a ještě divnější

http://www.aldebaran.cz/bulletin/2018_04_bla.php
.

11
xxx (neregistrovaný) 26.01.2018, 22:09:22
Uznávám...
Ale až asi na dva o nich neví nikdo nic taky (Hawking...). To se jen tak dělají. Že jo. Mrkající
Ospalý

10 sémantika
Starý kocour (neregistrovaný) 26.01.2018, 20:07:05
Dlouho a daleko.
Cestujeme-li daleko, trvá to dlouho. Necestujeme-li nikam, cesta trvá nekonečně krátkou dobu. Slovně je to v pořádku.

https://cs.wikipedia.org/wiki/S%C3%A9mantika

Je zajímavé pozorovat, jak se o takových záležitostech baví lidé, kteří o nich téměř nic nevědí. Usmívající se

9
xxx (neregistrovaný) 26.01.2018, 19:20:38
Experiment!

Stella
8
Stella 26.01.2018, 18:43:49
Nějak podobně probíhá dialog v Havlově absurdní hře...
Ale fakt: já na počátku vidím nulu.

K souvislosti času a prostoru. Nejvíc prozrazuje jazyk. Často klidně zaměňujeme slova dlouho a daleko (směr).

mefi
7 Ví se toho tak žalostně málo!
mefi 26.01.2018, 18:40:03
.
Opomenu-li vypařování černých děr, pak o tom, co se děje uvnitř černé díry, nemáme kromě našich myšlenkových pokusů téměř žádné informace.

Jak správně uvádíš, Starý Kocoure, nejenom že nám selhává matematika (zřejmě nejsme schopni zavést žádnou rozumnou vztažnou soustavu), ale i otázka, co se děje s tak základní veličinou, jakou je čas, je otevřená.

Existují hypotézy (např. Hawking), které tvrdí, že čas obrací svůj chod na horizontu událostí.

Jiné předpokládají kolaps časoprostoru (hodiny za horizontem událostí se zastavují).

Otázka, zda platí naše základní fyzikální zákony i v černé díře, je stále otevřená.

Uvidíme, jak se s tím vyrovná ve svém poutavém vyprávění o černých dírách Světlonoš.
.
Mrkající

6
Tahiti (neregistrovaný) 26.01.2018, 14:08:19
Kocoure, s tvojí myšlenkou bych se ztotožnila beze zbytku, kdybych nebyla sentimentální ženská a naivně si nepřála, aby nakonec KOLEM NĚCO EXISTOVALO. To NĚCO asi je, že člověk není rád se svojí samotou nikde. Nebo spíš - těžko si zvykáme, když jsme NIKDO S vyplazeným jazykem a jako vlastně nevíme, že jsme. Ach jo. Nemám ráda řeči o neexistenci, to bolí! Plačící

5 2 MEFI
Starý kocour (neregistrovaný) 26.01.2018, 11:58:06
Právě!
Pokud se potvrdí (někdy) teorie o pulsujícím vesmíru, vychází mi, že skončí po sloučení všech dílčích černých děl vše* v jedné jediné. Kolem nic nebude. Přestane mít význam jak prostor, tak čas.

Čili budeme kdesi na počátku Big bangu. A vtírá se myšlenka (pokud ovšem nepřijmeme teorii o mnohých prostupujících se vesmírech) jestli není celý náš vesmír jenom nějakou podivnou anomálií v tomhle "prenatálním", mrtvolném stavu.
Tedy zda vůbec NĚCO existuje.

4
xxx (neregistrovaný) 26.01.2018, 10:31:14
Nula, Starý Kocoure. Počátek a konec.
A největší prostor pro fantazie.

Zajímavé je v textu tvrzení o nepřiměřeném překlopení matematického modelu. Když se tlučou dvě pravdy, to je teprve krabatění!

My, kteří nerozlišujeme mezi mionem a myomem, si rádi přečteme takto poučenou interpretaci!

«     1    2   »