Ειδική σχετικότητα

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας (ή ειδική θεωρία της σχετικότητας) είναι μια θεωρία της φυσικής που αναπτύχθηκε και εξηγήθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905. Ισχύει για όλα τα φυσικά φαινόμενα, εφόσον η βαρύτητα δεν είναι σημαντική. Η ειδική σχετικότητα ισχύει για τον χώρο Μινκόφσκι ή "επίπεδο χωροχρόνο" (φαινόμενα που δεν επηρεάζονται από τη βαρύτητα).

Ο Αϊνστάιν γνώριζε ότι είχαν ανακαλυφθεί κάποιες αδυναμίες στην παλαιότερη φυσική. Για παράδειγμα, η παλαιότερη φυσική πίστευε ότι το φως κινούνταν σε φωτεινό αιθέρα. Διάφορα μικροσκοπικά φαινόμενα αναμένονταν αν αυτή η θεωρία ήταν αληθινή. Σταδιακά φάνηκε ότι αυτές οι προβλέψεις δεν επρόκειτο να επαληθευτούν.

Τελικά, ο Αϊνστάιν (1905) κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι έννοιες του χώρου και του χρόνου χρειάζονταν μια θεμελιώδη αναθεώρηση. Το αποτέλεσμα ήταν η ειδική θεωρία της σχετικότητας, η οποία συνδύαζε μια νέα αρχή "τη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός" και την ήδη καθιερωμένη "αρχή της σχετικότητας".

Ο Γαλιλαίος είχε ήδη καθιερώσει την αρχή της σχετικότητας, η οποία έλεγε ότι τα φυσικά γεγονότα πρέπει να φαίνονται το ίδιο σε όλους τους παρατηρητές, και κανένας παρατηρητής δεν έχει τον "σωστό" τρόπο να βλέπει τα πράγματα που μελετά η φυσική. Για παράδειγμα, η Γη κινείται πολύ γρήγορα γύρω από τον Ήλιο, αλλά εμείς δεν το αντιλαμβανόμαστε επειδή κινούμαστε μαζί με τη Γη με την ίδια ταχύτητα- επομένως, από τη δική μας οπτική γωνία, η Γη βρίσκεται σε ηρεμία. Ωστόσο, τα μαθηματικά του Γαλιλαίου δεν μπορούσαν να εξηγήσουν ορισμένα πράγματα, όπως η ταχύτητα του φωτός. Σύμφωνα με αυτόν, η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός θα έπρεπε να είναι διαφορετική για διαφορετικές ταχύτητες του παρατηρητή σε σχέση με την πηγή του. Ωστόσο, το πείραμα Michelson-Morley έδειξε ότι αυτό δεν ισχύει, τουλάχιστον όχι για όλες τις περιπτώσεις. Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν το εξήγησε αυτό μεταξύ άλλων.

Βασικά στοιχεία της ειδικής σχετικότητας

Ας υποθέσουμε ότι κινείστε προς κάτι που κινείται προς το μέρος σας. Αν μετρήσετε την ταχύτητά του, θα φαίνεται ότι κινείται ταχύτερα από ό,τι αν δεν κινούσασταν εσείς. Τώρα υποθέστε ότι απομακρύνεστε από κάτι που κινείται προς το μέρος σας. Αν μετρήσετε πάλι την ταχύτητά του, θα φαίνεται να κινείται πιο αργά. Αυτή είναι η ιδέα της "σχετικής ταχύτητας" - η ταχύτητα του αντικειμένου σε σχέση με εσάς.

Πριν από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να μετρήσουν τη "σχετική ταχύτητα" του φωτός. Αυτό το έκαναν μετρώντας την ταχύτητα του φωτός των άστρων που έφτανε στη Γη. Περίμεναν ότι αν η Γη κινούνταν προς ένα αστέρι, το φως από αυτό το αστέρι θα έπρεπε να φαίνεται πιο γρήγορο από ό,τι αν η Γη απομακρυνόταν από αυτό το αστέρι. Ωστόσο, παρατήρησαν ότι ανεξάρτητα από το ποιος έκανε τα πειράματα, πού έγιναν τα πειράματα ή ποιο αστρικό φως χρησιμοποιήθηκε, η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός στο κενό ήταν πάντα η ίδια.

Ο Αϊνστάιν είπε ότι αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει κάτι απροσδόκητο σχετικά με το μήκος και τη διάρκεια, ή το πόσο διαρκεί κάτι. Πίστευε ότι καθώς η Γη κινείται στο διάστημα, όλες οι μετρήσιμες διάρκειες αλλάζουν πολύ λίγο. Κάθε ρολόι που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μιας διάρκειας θα κάνει λάθος ακριβώς κατά το σωστό ποσό, ώστε η ταχύτητα του φωτός να παραμένει η ίδια. Η φαντασία ενός "ρολογιού φωτός" μας επιτρέπει να κατανοήσουμε καλύτερα αυτό το αξιοσημείωτο γεγονός για την περίπτωση ενός μεμονωμένου φωτεινού κύματος.

Επίσης, ο Αϊνστάιν είπε ότι καθώς η Γη κινείται στο διάστημα, όλα τα μετρήσιμα μήκη αλλάζουν (πάντα τόσο λίγο). Οποιαδήποτε συσκευή μέτρησης του μήκους θα δώσει ένα μήκος που θα απέχει ακριβώς κατά το σωστό ποσό, ώστε η ταχύτητα του φωτός να παραμένει η ίδια.

Το πιο δύσκολο πράγμα που πρέπει να κατανοήσουμε είναι ότι τα γεγονότα που φαίνονται να είναι ταυτόχρονα σε ένα πλαίσιο μπορεί να μην είναι ταυτόχρονα σε ένα άλλο. Αυτό έχει πολλές επιπτώσεις που δεν είναι εύκολο να γίνουν αντιληπτές ή κατανοητές. Δεδομένου ότι το μήκος ενός αντικειμένου είναι η απόσταση από το κεφάλι μέχρι την ουρά σε μια ταυτόχρονη στιγμή, προκύπτει ότι αν δύο παρατηρητές διαφωνούν σχετικά με το ποια γεγονότα είναι ταυτόχρονα, τότε αυτό θα επηρεάσει (μερικές φορές δραματικά) τις μετρήσεις τους για το μήκος των αντικειμένων. Επιπλέον, αν μια σειρά ρολογιών φαίνεται συγχρονισμένη σε έναν ακίνητο παρατηρητή και φαίνεται να μην είναι συγχρονισμένη στον ίδιο παρατηρητή μετά την επιτάχυνση σε μια ορισμένη ταχύτητα, τότε προκύπτει ότι κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης τα ρολόγια έτρεχαν με διαφορετικές ταχύτητες. Μερικά μπορεί να έτρεχαν ακόμη και ανάποδα. Αυτή η συλλογιστική οδηγεί στη γενική σχετικότητα.

Άλλοι επιστήμονες πριν από τον Αϊνστάιν είχαν γράψει ότι το φως φαινόταν να κινείται με την ίδια ταχύτητα, ανεξάρτητα από τον τρόπο παρατήρησής του. Αυτό που έκανε τη θεωρία του Αϊνστάιν τόσο επαναστατική είναι ότι θεωρεί ότι η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός είναι εξ ορισμού σταθερή, με άλλα λόγια είναι ένας νόμος της φύσης. Αυτό έχει τις αξιοσημείωτες συνέπειες ότι οι μετρήσεις που σχετίζονται με την ταχύτητα, το μήκος και η διάρκεια, αλλάζουν προκειμένου να προσαρμοστούν σε αυτό.

Οι μετασχηματισμοί Lorentz

Οι μαθηματικές βάσεις της ειδικής σχετικότητας είναι οι μετασχηματισμοί Lorentz, οι οποίοι περιγράφουν μαθηματικά τις απόψεις του χώρου και του χρόνου για δύο παρατηρητές που κινούνται ο ένας σε σχέση με τον άλλον αλλά δεν υφίστανται επιτάχυνση.

Για να ορίσουμε τους μετασχηματισμούς χρησιμοποιούμε ένα καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων για να περιγράψουμε μαθηματικά το χρόνο και το χώρο των "γεγονότων".

Κάθε παρατηρητής μπορεί να περιγράψει ένα γεγονός ως τη θέση κάποιου στοιχείου στο χώρο σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, χρησιμοποιώντας συντεταγμένες (x,y,z,t).

Η θέση του συμβάντος ορίζεται στις τρεις πρώτες συντεταγμένες (x,y,z) σε σχέση με ένα αυθαίρετο κέντρο (0,0,0), έτσι ώστε η (3,3,3) να είναι μια διαγώνιος που εκτείνεται κατά 3 μονάδες απόστασης (όπως μέτρα ή μίλια) προς κάθε κατεύθυνση.

Ο χρόνος του γεγονότος περιγράφεται με την τέταρτη συντεταγμένη t σε σχέση με ένα αυθαίρετο σημείο (0) του χρόνου σε κάποια μονάδα χρόνου (όπως δευτερόλεπτα ή ώρες ή χρόνια).

Έστω ένας παρατηρητής Κ ο οποίος περιγράφει πότε συμβαίνουν τα γεγονότα με μια χρονική συντεταγμένη t και ο οποίος περιγράφει πού συμβαίνουν τα γεγονότα με τις χωρικές συντεταγμένες x, y και z. Αυτό ορίζει μαθηματικά τον πρώτο παρατηρητή του οποίου η "οπτική γωνία" θα είναι η πρώτη μας αναφορά.

Ας διευκρινίσουμε ότι ο χρόνος ενός γεγονότος δίνεται: από την ώρα που παρατηρείται t_{(παρατηρείται)} (π.χ. σήμερα, στις 12 η ώρα) μείον το χρόνο που χρειάστηκε η παρατήρηση για να φτάσει στον παρατηρητή.

Αυτή μπορεί να υπολογιστεί ως η απόσταση από τον παρατηρητή μέχρι το γεγονός d_{(παρατηρείται)} (ας πούμε ότι το γεγονός βρίσκεται σε ένα αστέρι που απέχει 1 έτος φωτός, οπότε το φως χρειάζεται 1 έτος για να φτάσει στον παρατηρητή) διαιρούμενη με το c, την ταχύτητα του φωτός (αρκετά εκατομμύρια μίλια την ώρα), την οποία ορίζουμε ως την ίδια για όλους τους παρατηρητές.

Αυτό είναι σωστό, διότι η απόσταση διαιρούμενη με την ταχύτητα δίνει το χρόνο που χρειάζεται για να διανύσετε αυτή την απόσταση με αυτή την ταχύτητα (π.χ. 30 μίλια διαιρούμενα με 10 μίλια/ώρα: μας δίνουν 3 ώρες, διότι αν πηγαίνετε με 10 μίλια/ώρα για 3 ώρες, φτάνετε τα 30 μίλια). Έτσι, έχουμε:

t = d / c {\displaystyle t=d/c} $t=d/c$

Αυτό είναι ο μαθηματικός ορισμός του τι σημαίνει ο "χρόνος" για κάθε παρατηρητή.

Τώρα με αυτούς τους ορισμούς, ας υπάρχει ένας άλλος παρατηρητής Κ' που είναι

που κινείται κατά μήκος του άξονα x του Κ με ρυθμό v,
έχει σύστημα χωρικών συντεταγμένων x' , y' και z' ,

όπου ο άξονας x' συμπίπτει με τον άξονα x και με τους άξονες y' και z' - "είναι πάντα παράλληλος" με τους άξονες y και z.

Αυτό σημαίνει ότι όταν ο Κ' δίνει μια θέση όπως το (3,1,2), το x (που είναι το 3 σε αυτό το παράδειγμα) είναι το ίδιο μέρος για το οποίο θα μιλούσε ο Κ, ο πρώτος παρατηρητής, αλλά το 1 στον άξονα y ή το 2 στον άξονα z είναι παράλληλο μόνο με κάποια θέση στο σύστημα συντεταγμένων του παρατηρητή Κ', και

όπου τα K και K' συμπίπτουν στο t = t' = 0

Αυτό σημαίνει ότι η συντεταγμένη (0,0,0,0,0) είναι το ίδιο γεγονός και για τους δύο παρατηρητές.

Με άλλα λόγια, και οι δύο παρατηρητές έχουν (τουλάχιστον) έναν χρόνο και μια θέση στην οποία συμφωνούν και οι δύο, η οποία είναι η θέση και ο χρόνος μηδέν.

Οι μετασχηματισμοί Lorentz τότε είναι

t ′ = ( t - v x / c 2 ) / 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle t'=(t-vx/c^{2})/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}} $t'=(t-vx/c^{2})/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}$

x ′ = ( x - v t ) / 1 - v 2 / c 2 {\displaystyle x'=(x-vt)/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}} $x'=(x-vt)/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}$

y ′ = y {\displaystyle y'=y} $y'=y$ , και

z ′ = z {\displaystyle z'=z} $z'=z$ .

Ορίστε ότι ένα γεγονός έχει συντεταγμένες χωροχρόνου (t,x,y,z) στο σύστημα S και (t′,x′,y′,z′) σε ένα σύστημα αναφοράς που κινείται με ταχύτητα v σε σχέση με το εν λόγω σύστημα, S′. Τότε ο μετασχηματισμός Lorentz ορίζει ότι οι συντεταγμένες αυτές συνδέονται με τον ακόλουθο τρόπο: είναι ο παράγοντας Lorentz και c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, και η ταχύτητα v του S′ είναι παράλληλη προς τον άξονα x. Για λόγους απλότητας, οι συντεταγμένες y και z δεν επηρεάζονται- μετασχηματίζονται μόνο οι συντεταγμένες x και t. Αυτοί οι μετασχηματισμοί Lorentz σχηματίζουν μια ομάδα γραμμικών απεικονίσεων μιας παραμέτρου, η οποία παράμετρος ονομάζεται ταχύτητα.

Η επίλυση των παραπάνω τεσσάρων εξισώσεων μετασχηματισμού για τις μη-πρωτογενείς συντεταγμένες δίνει τον αντίστροφο μετασχηματισμό Lorentz:

t = γ ( t ′ + v x ′ / c 2 ) x = γ ( x ′ + v t ′ ) y = y ′ z = z ′ . {\displaystyle {\begin{aligned}t&=\gamma (t'+vx'/c^{2})\\x&=\gamma (x'+vt')\\y&=y'\\z&=z'.\end{aligned}}} ${\begin{aligned}t&=\gamma (t'+vx'/c^{2})\\x&=\gamma (x'+vt')\\y&=y'\\z&=z'.\end{aligned}}$

Η επιβολή αυτού του αντίστροφου μετασχηματισμού Lorentz ώστε να συμπίπτει με τον μετασχηματισμό Lorentz από το σύστημα με το αρχικό σύστημα στο σύστημα χωρίς αρχικό σύστημα, δείχνει ότι το σύστημα χωρίς αρχικό σύστημα κινείται με ταχύτητα v′ = -v, όπως μετράται στο σύστημα με το αρχικό σύστημα.

Δεν υπάρχει τίποτα το ιδιαίτερο στον άξονα x. Ο μετασχηματισμός μπορεί να εφαρμοστεί στον άξονα y- ή z-, ή στην πραγματικότητα σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, η οποία μπορεί να γίνει με κατευθύνσεις παράλληλες προς την κίνηση (οι οποίες στρεβλώνονται από τον παράγοντα γ) και κάθετες- δείτε το άρθρο Μετασχηματισμός Lorentz για λεπτομέρειες.

Μια ποσότητα αναλλοίωτη κάτω από μετασχηματισμούς Lorentz είναι γνωστή ως κλιμάκιο Lorentz.

Γράφοντας τον μετασχηματισμό Lorentz και τον αντίστροφό του σε όρους διαφορών συντεταγμένων, όπου ένα γεγονός έχει συντεταγμένες (x1, t1) και (x′1, t′1), ένα άλλο γεγονός έχει συντεταγμένες (x2, t2) και (x′2, t′2) και οι διαφορές ορίζονται ως εξής

Εξ. 1: Δ x ′ = x 2 ′ - x 1 ′ , Δ t ′ = t 2 ′ - t 1 ′ . {\displaystyle \Delta x'=x'_{2}-x'_{1}\ ,\ \ \Delta t'=t'_{2}-t'_{1}\ . } $\Delta x'=x'_{2}-x'_{1}\ ,\ \Delta t'=t'_{2}-t'_{1}\ .$

Εξίσωση 2: Δ x = x 2 - x 1 , Δ t = t 2 - t 1 . {\displaystyle \Delta x=x_{2}-x_{1}\ ,\ \ \ \ \Delta t=t_{2}-t_{1}\ . } $\Delta x=x_{2}-x_{1}\ ,\ \ \Delta t=t_{2}-t_{1}\ .$

έχουμε

Εξ. 3: Δ x ′ = γ ( Δ x - v Δ t ) , {\displaystyle \Delta x'=\gamma \ (\Delta x-v\,\Delta t)\ ,\ \ \ } $\Delta x'=\gamma \ (\Delta x-v\,\Delta t)\ ,\ \$ Δ t ′ = γ ( Δ t - v Δ x / c 2 ) . {\displaystyle \Delta t'=\gamma \ \ \left(\Delta t-v\ \Delta x/c^{2}\right)\ . } $\Delta t'=\gamma \ \left(\Delta t-v\ \Delta x/c^{2}\right)\ .$

Εξ. 4: Δ x = γ ( Δ x ′ + v Δ t ′ ) , {\displaystyle \Delta x=\gamma \ (\Delta x'+v\,\Delta t')\ ,\ } $\Delta x=\gamma \ (\Delta x'+v\,\Delta t')\ ,\$ Δ t = γ ( Δ t ′ + v Δ x ′ / c 2 ) . {\displaystyle \Delta t=\gamma \ \ \left(\Delta t'+v\ \Delta x'/c^{2}\right)\ . } $\Delta t=\gamma \ \left(\Delta t'+v\ \Delta x'/c^{2}\right)\ .$

Αν πάρουμε διαφορικές αντί για διαφορές, έχουμε

Εξ. 5: d x ′ = γ ( d x - v d t ) , {\displaystyle dx'=\gamma \ (dx-v\,dt)\ ,\ \ \ } $dx'=\gamma \ (dx-v\,dt)\ ,\ \$ d t ′ = γ ( d t - v d x / c 2 ) . {\displaystyle dt'=\gamma \ \ \left(dt-v\ dx/c^{2}\right)\ . } $dt'=\gamma \ \left(dt-v\ dx/c^{2}\right)\ .$

Εξ. 6: d x = γ ( d x ′ + v d t ′ ) , {\displaystyle dx=\gamma \ (dx'+v\,dt')\ ,\ } $dx=\gamma \ (dx'+v\,dt')\ ,\$ d t = γ ( d t ′ + v d x ′ / c 2 ) . {\displaystyle dt=\gamma \ \ \left(dt'+v\ dx'/c^{2}\right)\ . } $dt=\gamma \ \left(dt'+v\ dx'/c^{2}\right)\ .$

Μάζα, ενέργεια και ορμή

Στην ειδική σχετικότητα, η ορμή p {\displaystyle p} $p$ και η συνολική ενέργεια E {\displaystyle E} $E$ ενός αντικειμένου συναρτήσει της μάζας m {\displaystyle m} είναι

p = m v 1 - v 2 c 2 {\displaystyle p={\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} $p={\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$

και

E = m c 2 1 - v 2 c 2 {\displaystyle E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} $E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$ .

Ένα συχνό λάθος που γίνεται (επίσης σε ορισμένα βιβλία) είναι να ξαναγράψουμε αυτή την εξίσωση χρησιμοποιώντας μια "σχετικιστική μάζα" (στην κατεύθυνση της κίνησης) m r = m 1 - v 2 c 2 {\displaystyle m_{r}={\frac {m}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} $m_{r}={\frac {m}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$ . Ο λόγος για τον οποίο αυτό είναι λανθασμένο είναι ότι το φως, για παράδειγμα, δεν έχει μάζα, αλλά έχει ενέργεια. Αν χρησιμοποιήσουμε αυτόν τον τύπο, το φωτόνιο (σωματίδιο του φωτός) έχει μάζα, κάτι που σύμφωνα με τα πειράματα είναι λανθασμένο.

Στην ειδική σχετικότητα, η μάζα, η συνολική ενέργεια και η ορμή ενός αντικειμένου συνδέονται με την εξίσωση

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 {\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}}} $E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}$ .

Για ένα αντικείμενο σε ηρεμία, p = 0 {\displaystyle p=0} $p=0$ οπότε η παραπάνω εξίσωση απλοποιείται σε E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} $E=mc^{2}$ . Επομένως, ένα μαζικό αντικείμενο σε ηρεμία εξακολουθεί να έχει ενέργεια. Αυτή την ενέργεια ηρεμίας την ονομάζουμε ενέργεια ηρεμίας και τη συμβολίζουμε με E 0 {\displaystyle E_{0}} $E_{0}$ :

E 0 = m c 2 {\displaystyle E_{0}=mc^{2}} $E_{0}=mc^{2}$ .

Ιστορία

Η ανάγκη για την ειδική σχετικότητα προέκυψε από τις εξισώσεις του Μάξγουελ για τον ηλεκτρομαγνητισμό, οι οποίες δημοσιεύθηκαν το 1865. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι απαιτούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (όπως το φως) να κινούνται με σταθερή ταχύτητα (δηλαδή την ταχύτητα του φωτός).

Για να είναι οι εξισώσεις του Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ συνεπείς τόσο με τις αστρονομικές παρατηρήσεις^[1] όσο και με τη Νευτώνεια φυσική^[2], ο Μάξγουελ πρότεινε το 1877 ότι το φως ταξιδεύει μέσω ενός αιθέρα που βρίσκεται παντού στο σύμπαν.

Το 1887, το περίφημο πείραμα Michelson-Morley προσπάθησε να ανιχνεύσει τον "άνεμο του αιθέρα" που δημιουργείται από την κίνηση της Γης. ^[3] Τα επίμονα μηδενικά αποτελέσματα αυτού του πειράματος προβλημάτισαν τους φυσικούς και έθεσαν υπό αμφισβήτηση τη θεωρία του αιθέρα.

Το 1895, οι Lorentz και Fitzgerald παρατήρησαν ότι το μηδενικό αποτέλεσμα του πειράματος Michelson-Morley θα μπορούσε να εξηγηθεί από τον αιθερικό άνεμο που συστέλλει το πείραμα προς την κατεύθυνση της κίνησης του αιθέρα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται συστολή Lorentz και (χωρίς αιθέρα) αποτελεί συνέπεια της ειδικής σχετικότητας.

Το 1899, ο Λόρεντζ δημοσίευσε για πρώτη φορά τις εξισώσεις Λόρεντζ. Αν και δεν ήταν η πρώτη φορά που δημοσιεύονταν, ήταν η πρώτη φορά που χρησιμοποιήθηκαν ως εξήγηση του μηδενικού αποτελέσματος των Michelson-Morley, καθώς η συστολή Lorentz είναι αποτέλεσμα αυτών.

Το 1900, ο Πουανκαρέ εκφώνησε μια διάσημη ομιλία στην οποία εξέτασε το ενδεχόμενο ότι χρειαζόταν κάποια "νέα φυσική" για να εξηγήσει το πείραμα Michelson-Morley.

Το 1904, ο Λόρεντζ έδειξε ότι τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά πεδία μπορούν να τροποποιηθούν μεταξύ τους μέσω των μετασχηματισμών Λόρεντζ.

Το 1905, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε το άρθρο του που εισήγαγε την ειδική σχετικότητα, "Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων σωμάτων", στο Annalen der Physik. Σε αυτό το άρθρο, παρουσίασε τα αξιώματα της σχετικότητας, εξήγαγε από αυτά τους μετασχηματισμούς Lorentz και (αγνοώντας το άρθρο του Lorentz του 1904) έδειξε επίσης πώς οι μετασχηματισμοί Lorentz επηρεάζουν τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

Αργότερα, το 1905, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε ένα άλλο άρθρο που παρουσίαζε το E = mc2.

Το 1908, ο Μαξ Πλανκ ενέκρινε τη θεωρία του Αϊνστάιν και την ονόμασε "σχετικότητα". Την ίδια χρονιά, ο Hermann Minkowski έδωσε μια διάσημη ομιλία για το Χώρο και το Χρόνο στην οποία έδειξε ότι η σχετικότητα είναι αυτοσυνεπής και ανέπτυξε περαιτέρω τη θεωρία. Τα γεγονότα αυτά ανάγκασαν την κοινότητα των φυσικών να λάβει σοβαρά υπόψη της τη σχετικότητα. Η σχετικότητα έγινε όλο και περισσότερο αποδεκτή μετά από αυτό.

Το 1912, ο Αϊνστάιν και ο Λόρεντζ προτάθηκαν για το βραβείο Νόμπελ Φυσικής λόγω του πρωτοποριακού τους έργου στη σχετικότητα. Δυστυχώς, η θεωρία της σχετικότητας ήταν τόσο αμφιλεγόμενη τότε και παρέμεινε αμφιλεγόμενη για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα, ώστε το βραβείο Νόμπελ δεν απονεμήθηκε ποτέ γι' αυτήν.

Πειραματικές επιβεβαιώσεις

Το πείραμα Michelson-Morley, το οποίο απέτυχε να ανιχνεύσει οποιαδήποτε διαφορά στην ταχύτητα του φωτός με βάση την κατεύθυνση της κίνησης του φωτός.
Το πείραμα του Fizeau, στο οποίο ο δείκτης διάθλασης του φωτός σε κινούμενο νερό δεν μπορεί να γίνει μικρότερος από 1. Τα παρατηρούμενα αποτελέσματα εξηγούνται από τον σχετικιστικό κανόνα για την πρόσθεση των ταχυτήτων.
Η ενέργεια και η ορμή του φωτός υπακούουν στην εξίσωση E = p c {\displaystyle E=pc} $E=pc$ . (Στη Νευτώνεια φυσική, αυτό αναμένεται να είναι E = 1 2 p c {\displaystyle E={\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}pc}} $E={\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}pc$ ) .)
Το εγκάρσιο φαινόμενο Doppler, κατά το οποίο το φως που εκπέμπεται από ένα γρήγορα κινούμενο αντικείμενο μετατοπίζεται προς το ερυθρό λόγω της διαστολής του χρόνου.
Η παρουσία μιονίων που δημιουργούνται στην ανώτερη ατμόσφαιρα στην επιφάνεια της Γης. Το ζήτημα είναι ότι χρειάζεται πολύ περισσότερος χρόνος από τον χρόνο ημιζωής των μιονίων για να φτάσουν στην επιφάνεια της Γης ακόμη και με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Η παρουσία τους μπορεί να θεωρηθεί ότι οφείλεται είτε στη διαστολή του χρόνου (κατά τη δική μας άποψη) είτε στη συστολή του μήκους της απόστασης από την επιφάνεια της Γης (κατά την άποψη των μιονίων).
Οι επιταχυντές σωματιδίων δεν μπορούν να κατασκευαστούν χωρίς να ληφθεί υπόψη η σχετικιστική φυσική.

Σχετικές σελίδες

Γενική σχετικότητα

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Ε: Τι είναι η ειδική σχετικότητα;

A: Η ειδική σχετικότητα (ή ειδική θεωρία της σχετικότητας) είναι μια θεωρία της φυσικής που αναπτύχθηκε και εξηγήθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905. Ισχύει για όλα τα φυσικά φαινόμενα, εφόσον η βαρύτητα δεν είναι σημαντική. Η ειδική σχετικότητα ισχύει για τον χώρο Μινκόφσκι ή "επίπεδο χωροχρόνο" (φαινόμενα που δεν επηρεάζονται από τη βαρύτητα).

Ερ: Ποιες αδυναμίες είχε η παλαιότερη φυσική;

Α: Η παλαιότερη φυσική πίστευε ότι το φως κινείται στον φωτεινό αιθέρα και διάφορα μικροσκοπικά φαινόμενα αναμένονταν αν αυτή η θεωρία ήταν αληθινή. Σταδιακά φάνηκε ότι αυτές οι προβλέψεις δεν επρόκειτο να επαληθευτούν.

Ερ: Ποιο συμπέρασμα έβγαλε ο Αϊνστάιν;

Α: Ο Αϊνστάιν κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι έννοιες του χώρου και του χρόνου χρειάζονταν μια θεμελιώδη αναθεώρηση, η οποία οδήγησε στην ειδική θεωρία της σχετικότητας.

Ερ: Ποια ήταν η αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου;

Α: Η αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου έλεγε ότι τα φυσικά γεγονότα πρέπει να φαίνονται ίδια σε όλους τους παρατηρητές και κανένας παρατηρητής δεν έχει τον "σωστό" τρόπο να βλέπει τα πράγματα που μελετά η φυσική. Για παράδειγμα, η Γη κινείται πολύ γρήγορα γύρω από τον Ήλιο, αλλά εμείς δεν το αντιλαμβανόμαστε επειδή κινούμαστε μαζί με τη Γη με την ίδια ταχύτητα- επομένως, από τη δική μας οπτική γωνία, η Γη βρίσκεται σε ηρεμία.

Ερ: Πώς τα μαθηματικά του Γαλιλαίου απέτυχαν να εξηγήσουν ορισμένα πράγματα;

Α: Σύμφωνα με τα μαθηματικά του Γαλιλαίου, η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός θα έπρεπε να είναι διαφορετική για διαφορετικές ταχύτητες του παρατηρητή σε σχέση με την πηγή του- ωστόσο, αυτό διαψεύστηκε από το πείραμα Michelson-Morley.

Ερ: Πώς εξήγησε ο Αϊνστάιν αυτό το φαινόμενο;

Α: Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν εξήγησε αυτό μεταξύ άλλων με την καθιέρωση μιας νέας αρχής "της σταθερότητας της ταχύτητας του φωτός" σε συνδυασμό με την ήδη καθιερωμένη "αρχή της σχετικότητας".