Szczególna teoria względności Einsteina.

1. Albert Einstein.

Urodził się w Ulm (Niemcy) 14 marca 1879 roku w rodzinie żydowskiej. Studiował w szkole politechnicznej w Zurychu. Pracując na podrzędnym stanowisku w federalnym biurze patentowym w Berlinie, w 1905 roku opublikował prace (Zur Elektrodynamik bewegter Krper) zawierającą podstawowe idee szczególnej teorii względności. W pracy tej wysunął nowe koncepcje czasu i przestrzeni, zerwał z pojęciem czasu absolutnego, łącząc przestrzeń i czas w czterowymiarową czasoprzestrzeń. W tym samym roku opublikował wyniki prac nad ruchami Browna, korpuskularną teorię światła i zależnością pomiędzy masą i energią. Prace te przyniosły mu duże uznanie. Od 1909 roku był profesorem uniwersytetu w Zurychu, a w 1911r. – w Pradze. W 1914 przeniósł się do Berlina, gdzie został dyrektorem specjalnie utworzonego Instytutu Fizyki. Podczas pobytu w Berlinie pracował nad relatywistyczną teorią grawitacji, poddając gruntownej analizie (po raz pierwszy od czasów Newtona) prawa grawitacji. W 1916 roku opublikował wyniki badań, tworząc ogólną teorie względności. Teoria ta, stanowiąca uogólnienie teorii grawitacji Newtona, przewidywała wiele nowych efektów, z których jednym było zakrzywienie promieni świetlnych w polu grawitacyjnym. W tym czasie rozwinął także kwantową teorię promieniowania. W 1921 roku otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie praw zjawiska fotoelektryczności i prace w zakresie fizyki teoretycznej. Zmuszony w 1933 roku do opuszczenia Niemiec, objął stanowisko profesora w Institute for Advanced Study w Princeton (USA). Do końca życia pracował nad próbą połączenia w jedną unitarną całość teorii grawitacji z innymi teoriami pola, jak np. z teorią pola magnetycznego. Jednak prace te nie zostały uwieńczone sukcesem. Oprócz wielu prac naukowych, napisał także wiele prac popularyzujących jego teorie, m.in. Istota teorii względności (1922), Mein Weltbild (1935), Ewolucja fizyki (1947).
Einstein brał czynny udział w życiu politycznym. W czasie I wojny światowej głosił idee pacyfistyczne, które w latach następnych – w obliczu nazistowskiego zagrożenia – zrzucił. W czasie II wojny światowej popierał prace zmierzające do budowy bomby jądrowej, jednak po wojnie uznał, że dalsza rozbudowa arsenału jądrowego zagraża istnieniu ludzkości, przed czym nieraz publicznie ostrzegał.


2. Szczególna teoria względności.
W fizyce Arystotelesa występował jeden wyróżniony układ odniesienia, względem którego ciała pozostawione sobie miały osiągać swój „naturalny” stan – spoczynek. W fizyce Newtona jest wyróżniony nieskończony zbiór układów odniesienia, tzw. układów inercjalnych. Współrzędne punktu w dwóch różnych inercjalnych okładach odniesienia są ze sobą związane przekształceniami Galileusza, a czas we wszystkich układach odniesienia przebiega tak samo (czas absolutny). Według zasady względności fizyki Newtonowskiej żadne zjawisko fizyczne nie powinno wyróżniać jakiegoś układu inercjalnego wobec pozostałych, czyli prawa fizyki Newtonowskiej nie powinny się zmieniać przy przekształceniach Galileusza. Newtonowska zasada względności była w zgodzie z doświadczeniem przez prawie 200 lat. Powstała pod koniec XIX w. elektrodynamika, oparta na równaniach Maxwella, zmieniając swa postać przy przekształceniach Galileusza, zdawała się prowadzić do wniosku, że zjawiska elektromagnetyczne wyróżniają jeden układ inercjalny – układ, w którym spoczywa eter kosmiczny. Przeprowadzone doświadczenia (m.in. doświadczenie Michelsona – Morleya) mające określić, w jakim układzie eter spoczywa, prowadziły do wniosku, że takiego układu nie można znaleźć za pomocą zjawisk elektromagnetycznych oraz że prędkość c rozchodzenia się zaburzeń elektromagnetycznych, a więc także światła, jest we wszystkich inercjalnych układach taka sama. W 1905 roku Einstein zaproponował żeby przyjąć, iż równania Maxwella mają tę samą postać we wszystkich układach inercjalnych, a współrzędne i czas w takich układach są ze sobą związane przekształceniami Lorentza. W konsekwencji zasadę względności Newtona należy uznać za zasadę przybliżoną, słuszną, gdy prędkość względna układów jest mała w porównaniu z c, i przyjąć nową zasadę względności, wg której prawa fizyki nie zmieniają się przy przekształceniach Lorentza. Teorię opartą na zasadzie względności Einsteina nazywa się szczególną teorią względności. Podstawowym pojęciem szczególnej teorii względności jest zdarzenie. Zbiór zdarzeń stanowi czasoprzestrzeń. Wszystkie właściwości tego zbioru niezmiennicznie względem przekształceń Lorentza stanowią czterowymiarową geometrię czasoprzestrzeni. Z przeprowadzonej przez Einsteina analizy pojęć czasoprzestrzennych, przy korzystaniu tylko z elementarnych pojęć fizyki klasycznej i niezmienniczości prędkości światła, wynika, iż pojęcie czasu absolutnego jest pojęciem przybliżonym, mającym sens jedynie w sytuacjach, kiedy można uznać, że c = Ą. Elektrodynamika spełnia nową zasadę względności automatycznie, a reszta fizyki klasycznej wymagała modyfikacji. Einstein sformułował nową (tzw. relatywistyczną) mechanikę, a także termodynamikę i optykę zgodnie z nową zasadą względności. Klasyczne wersje tych teorii okazały się teoriami przybliżonymi, słusznymi dla prędkości małych w porównaniu z c. Szczególna teoria względności przewidziała istnienie licznych, nie znanych przedtem zjawisk, z których wszystkie znalazły potwierdzenie w doświadczeniach. Za najważniejsze jej konsekwencje uznaje się: uzależnienie czasu przebiegu zjawisk fizycznych, masy cząstek i wielu innych wielkości od stanu ruchu układu, w którym te zjawiska są opisane. Podanie związku E = mc 2 pomiędzy masą m i energią E ciała. Eliminację z fizyki pojęcia eteru i nadanie polom fizycznym status samodzielnych obiektów fizycznych, charakteryzujących się masą, gęstościami pędu, energii, momentu pędu, itp. Uznanie pewnych wielkości, uznawanych poprzednio za wielkości odrębne, za składowe jednej wielkości określonej w czasoprzestrzeni. Szczególna teoria względności stanowi podstawę konstrukcji współczesnych akceleratorów cząstek, a kinematyka relatywistyczna jest potwierdzona tysiącami doświadczeń nad rozpraszaniem cząstek o wysokich energiach.