(Az alábbi egy rövidített változat, emlékeztetőül. A teljes változatot ezen a linken találod. A megjelenő oldalon, ahogy áll, a legfelső sorban kattints a címre vagy a doc vagy a pdf linkre.)
(Hozzászólni a szöveg alatt lehet.)
1. A relativitás jelentése
Ehhez a témához érdemes előbb áttekinteni az ‘Anyag, energia, erők’ témát, ami az említett jelenségek alapjait mutatja be.
Jellemző, hogy a minél messzebb kerülünk az emberi léptéktől, a természet jelenségei annál furcsábbak.
Ahogyan látni fogjuk, ez egyaránt igaz a gyorsan mozgó, a nagy tömegű és a nagyon kicsi dolgokra is.
A relativitáselmélet a gyorsan mozgó és nagy tömegű dolgok elmélete.
(Ellentétben a kvantumfizikával, mely a kicsi dolgoké.)
Emberi méretekben és a mindennapi életben tapasztalható sebességek mellett a relativisztikus jelenségek gyakorlatilag nem tapasztalhatóak. Ezért is tartott olyan sokáig, hogy feltűnjenek.
A relativitás elve azt jelenti, hogy adott fizikai törvényszerűség minden neki megfelelő vonatkoztatási rendszerben ugyanúgy fennáll.
A relativitás elve már Einstein előtt ismert volt. Például a newtoni fizikában sem lehet egy ablaktalan vasúti kocsiban eldönteni, hogy az áll vagy egyenletesen mozog – legalábbis a különféle testek mozgásán végzett kísérletekkel nem, mivel ezek törvényei egyformák az ilyen mozgásokra való tekintet nélkül.
Einstein az elvet kiterjesztette egyrészt a fény mozgására, másrészt a gyorsuló és gravitációnak kitett rendszerekre, az alábbiak szerint.
1) A speciális relativitáselméletben mindennek, beleértve a fényt is, ugyanúgy kell viselkednie minden olyan vonatokozatási rendszerben, melyben nem tapasztalható gyorsulás.
Ide tartoznak a valamihez képest egyenletesen mozgó és álló rendszerek, de a szabadon eső rendszerek is.
2) Az általános relativitáselméletben mindennek, beleértve a fényt is, ugyanúgy kell viselkednie az olyan vonatkozatási rendszerekben, melyekben azonos, egyenletes gyorsulás tapasztalható.
2. Speciális relativitáselmélet
2.1. Kiindulópont
A mindennapi világban a sebességek relatívak: ha én biciklivel 20 km/h-val haladok, és egy autó elhúz mellettem 100 km/h-val, akkor én a bicikliről az autót 80 km/h-val látom távolodni.
Eredetileg ugyanezt feltételezték a fényről is, így azt, hogyha a fénnyel azonos irányban haladunk, a fényt kisebb sebességgel látjuk majd távolodni. Furcsa módon viszont azt találták, hogy ez nem így van: akárhogyan is mozogjunk, a fényt a mozgásunk irányában is mindig fénysebességgel látjuk haladni.
Ha viszont a fény sebessége abszolút, az azzal is jár, hogy az egyenletesen mozgó vonatkoztatási rendszerekben a fény sebességének megmérésével sem lehet eldönteni, hogy hogyan mozgunk – a relativitás elve a fényre is vonatkozik tehát. Einstein hajlandó volt ezt elfogadni, ebből született a speciális relativitáselmélet.
2.2. Következmények
1) A mozgások relativitása
2) Kívülről nézve a mozgó rendszerekben az idő lelassulni látszik.
Ha a térben mozgunk, az tehát befolyásolja az idő érzékelését. Az idő és a tér így nem független egymástól, ahogyan azt a klasszikus fizika feltételezte. Ezért szokták a kettőt újabban együtt egy összefüggő egységként kezelni, amit téridőnek neveznek.
3) Kívülről nézve a mozgás irányába eső hosszúságok megrövidülni látszanak.
4) Az események sorrendjének és egyidejűségének relatív volta
5) A nyugalmi és relativisztikus tömeg kettőssége
6) E=mc2
Ez egyenlet azt fejezi ki, hogy az energia (E) és a tömeg (m) átalakíthatók egymásba, egyúttal megadja az átváltási arányt is, ami fénysebesség (c) négyzete.
2.3. Alkalmazások
A speciális relativitáselmélet leglátványosabb gyakorlati alkalmazása a tömegből történő energia-felszabadítás, ami leginkább a nukleáris erőművekben és bombákban nyilvánul meg.
3. Általános relativitáselmélet
3.1. Kiindulópont
A speciális relativitáselmélet értelmében tehát semmilyen hatás nem lehet gyorsabb a fénynél. A newtoni elméletben azonban a gravitáció hatása azonnali: ha a Nap felrobbanna, a Föld azonnal megszűnne az addigi pályáján keringeni. Az általános relativitáselmélet ennek az ellentmondásnak a feloldását célozta meg.
Az alapvető megfigyelés, ami segített felépíteni a gravitáció új elméletét az volt, hogy egy zárt rendszerben nem lehet megállapítani, hogy a rendszer…
· Valamilyen erő hatására, mely nem a gravitáció, gyorsul vagy
· Alá van támasztva és gravitáció hat rá.
Ahogyan azt fentebb, a relativitás elvénél, a rakétás példával szemléltettem. Ezt nevezik az ekvivalencia elvének. Ennek értelmében, gravitációs mezőben mindennek ugyanúgy kell viselkednie, mint a gyorsuló rendszerekben, az utóbbiakban tapasztalható jelenségek az előzőekben is megfigyelhetőek lesznek. Ezért érdemes részletesebben tanulmányozni, mi történik gyorsulás esetén, különösen a fénnyel.
3.2. A gyorsuló és a gravitációnak kitett rendszerek tulajdonságai
1) A fény hullámhosszának és az idő ütemének megváltozása
2) A fény és a tér meggörbülése
3) A gravitáció új értelmezése
Az általános relativitáselmélet szerint gravitációs mezőben a testek úgy mozognak, hogy a saját rendszerükben mért idő maximális legyen, amíg eljutnak a téridő egyik pontjából a másikba.
Egyúttal itt a tömeggel rendelkező dolgok már nem is egymásra hatnak, és a gravitáció nem is erő. Ehelyett a teret (téridőt) görbítik meg, a testek pedig ebben a görbült térben sodródnak magukra hagyva, az imént leírt törvény szerint: a tömeg meghatározza a tér alakját, a tér pedig a tömeg mozogását. Az új értelmezés megoldja a gravitáció azonnaliságának problémáját is, ugyanis az elmélet szerint a görbület már korlátozott sebességgel, a fény sebességével terjed.
3.3. Alkalmazások
Az általános relativitáselméletnek a mindennapi életet talán leginkább érintő alkalmazása a GPS készülékekkel kapcsolatos. Ezek helyes működése ugyanis a Föld körül keringő műholdakon elhelyezett atomórák pontosságán alapul. Ezek az órák pedig magasan vannak, emiatt az elhangzottak értelmében a felszínről nézve gyorsabban járnak, amit megfelelően korrigálni kell.
