Rzeczywiście, mamy kolejny „wysyp” notek o Szczególnej Teorii Względności. Znów więc sporo o rakietach, zegarach, bliźniętach itp. Postanowiłem więc zebrać trochę faktów, które mam nadzieją pozwolą PT Czytelnikom spojrzeć na STW z innej (wydaje mi się, że bardziej właściwej) strony. Kolegów fizyków proszę o litość – w notce, która ma być z założenia krótka znaczne uproszczenia są nieuniknione. Starałem się też unikać odsyłania do podręczników (z jednym wyjątkiem) – zachęcam jednak do zaglądania do Wikipedii, w której zainteresowani znajdą niektóre wyprowadzenia i wzory. To dobry punkt startowy – ale proszę pamiętać, żadna encyklopedia nie może być traktowana jako źródło.
1. Transformacja Galileusza czyli x'=x+vt, t'=t
Zazwyczaj nie budzi żadnych wątpliwości. Jeśli doświadczenie fizyczne przeprowadzamy w różnych układach współrzędnych, byle poruszających się względem siebie ze stałą prędkością (inercjalnych) ich wynik będzie taki sam. Równania ruchu Newtona są niezmiennicze względem transformacji Galileusza.
2. Równania Maxwella
Równania Maxwella, które pełnią rolę w elektromagnetyźmie pełnią rolę porównywalną z rolą równań Newtona w mechanice klasycznej nie są niezmiennicze względem transformacji Galileusza. Doświadczenia elektromagnetyczne powinny więc przebiegać inaczej w różnych układach inercjalnych! Trzeba więc coś poprawić – albo równania Maxwella, albo transformację Galileusza
3. Transformacja Lorentza
Zapewnia niezmienniczość równań Maxwella w układach inercjalnych – a więc przy jej stosowaniu przewidywania teoretyczne zgadzają się z doświadczeniem – zjawiska elektromagnetyczne przebiegają tak samo we wszystkich układach inercjalnych. Lorentz zaproponował ją rozpatrując właściwości światła.
4. Fala elektromagnetyczna
Równania Maxwella implikują bezpośrednio istnienie fali elektromagnetycznej (patrz wyprowadzenie np. w Wikipedii). Prędkość tej fali zależy od ośrodka – wynika z wartości stałej dielektrycznej i przenikalności magnetycznej ośrodka (także próżni – czyżby więc to słynny eter?!).
5. Oddziaływanie ładunków elektrycznych w ruchu
W szkolnych (i niestety również wielu uczelnianych) kursach fizyki konsekwentnie pomija się to zagadnienie uważając, że jest zbyt trudne. Rodzą się z tego same kłopoty – dlaczego np. ładunek poruszający się po okręgu powinien wypromieniowywać falę elektromagnetyczną? Dlaczego drgajace w antenie ładunki umożliwiają na słuchanie radia lub oglądanie TV.
Oczywiście elektrodynamika, która ma obowiązywać w układach inercjalnych wymaga stosowania transformacji Lorentza (3). Zagadnienie to (łącznie z oddziaływaniem wzajemnym przewodników, w których płynie prąd elektryczny) znakomicie i przystępnie omówiono w podręczniku Purcella „Elektryczność i magnetyzm” (Berkeley Physics Course).
6. Czasoprzestrzeń
Zjawiska fizyczne zachodzą w określonym punkcie przestrzeni i w określonym czasie. Czasoprzestrzeń intuicyjnie stosujemy w życiu codziennym umawiając się na jakiekolwiek spotkanie (podajemy przecież miejsce i czas). Niezmiennikiem transformacji Lorentza jest interwał czasoprzestrzenny, a nie zwykła długość. Wynika to wprost z założenia, że nie możemy się przemieścić dowolnie daleko w dowolnie krótkim czasie.
7. Eter (kosmiczny)
Hipotetyczny ośrodek, w którym (między innymi) miały rozchodzić się fale elektromagnetyczne. Wprowadzenie eteru usuwa ważną wątpliwość – jeśli rozchodzą się fale, to co faluje? Czyżby parametry próżni (stała dielektryczna i przenikalność magnetyczna) to były właściwości eteru? Obserwacje wskazują, że rozchodzenie się fal (a w szczególności prędkość) zależy rodzaju i właściwości ośrodka (np. dźwięku w powietrzu lub w wodzie). Fale przenoszą energię – choćby ze Słońca na Ziemię. Wprowadzenie eteru wydaje się być zgodne z intuicją, ale niestety sprawa się znacznie komplikuje, gdy chcemy tak dobrać wszystkie właściwości takiego ośrodka (eteru) i nie wpaść w sprzeczność w innych dziedzinach fizyki.
Szczególna teoria względności STW powstała w wyniku uwzględnienia powyższych przesłanek. Prędkość fali elektromagnetycznej w próżni wynika wprost z równań Maxwella, zaś taki sam przebieg zjawisk fizycznych we wszystkich układach inercjalnych jest jednym z ważnych wniosków mechaniki klasycznej. Prędkość światła jest bardzo duża w porównaniu z prędkościami, z którymi spotykamy się w życiu codziennym – dla małych prędkości (prędkości naszych rakiet w porównaniu z prędkością światłą są nadal bardzo małe) transformacja Lorentza przechodzi w transformację Galileusza jej wprowadzenie więc niczego (a zwłaszcza mechaniki Newtona) nie obala, a jedynie poszerza zakres stosowalności teorii.
Parametry elektromagnetyczne próżni (lub eteru) wydają się być takie same w znanej nam przestrzeni (wyniki wielu doświadczeń) – a więc wprost wynika stąd, że prędkość światła powinna być wszędzie taka sama, a z niezmienniczości równań Maxwella (i innych praw elektromagnetyzmu) względem transformacji Lorentza, że powinna być taka sama we wszystkich układach inercjanych.
Sporo historyków nauki dowodzi, że nauka zbliżała się do STW etapami oraz podkreśla zasługi Lorentza, Poincarego, Hertza, Tesli i wielu innych. Niewątpliwą zasługą Einsteina jest dokonanie syntezy (choć podobno wielu prac – w tym doświadczenia MM nie znał) oraz oczywiście odwaga w opublikowaniu tez, które inni traktowali jako zbyt odważne. Podobnie było przy odkryciu elektronu – wielu badaczy badało „promienie katodowe”, ale to J.J.Thomson odważył się na postawienie tezy, że są to nowe, nieznane dotychczas cząstki.
Warto jednak podkreślić, że Ogólna Teoria Względności (OTW) to wielki wkład Einsteina w rozwój fizyki teoretycznej.
Jak zapewne Państwo zauważyli, nie ma w tej notce żadnych rakiet, zegarów, obserwatorów, wind itp. przykładów. Nie znajdziecie też Państwo potępienia w czambuł modelu eteru kosmicznego. Dziś przecież poważnie zastanawiamy się nad tym, czy próżnia jest rzeczywiście próżnią, nad tym, czy i w jaki sposób ciała oddziaływują z czasoprzestrzenią, co naprawdę oznacza równoważność masy i energii skąd tak naprawdę bierze się bezwładność itp.
Mam nadzieję, że ta notka chociaż troszeczkę zachęci PT Czytelników do bliższego zapoznania się z tym pięknym działem fizyki.
