Specijalna teorija relativnosti (STR) je fizička teorija koju je 1905. godine formulisao nemački fizičar Albert Ajnštajn. Te godine je u nemačkom naučnom časopisu -{Annalen der Physik}- izašao članak „O elektrodinamici pokretnih tela”,Albert Einstein (1905) ">", Annalen der Physik 17: 891; Prevod na engleski On the Electrodynamics of Moving Bodies by George Barker Jeffery and Wilfrid Perrett (1923); Drugi prevod na engleski On the Electrodynamics of Moving Bodies by Megh Nad Saha (1920). u kojem su bile izložene ideje ove teorije, koja je svojom sadržinom sprovela svojevrsnu revoluciju u svetu fizike. Galilejev princip relativnosti, formulisan oko tri veka ranije, govorio je o tome da su sva kretanja relativna. Dopunjen postulatom o konstantnosti brzine svetlosti u vakuumu za sve inercijalne posmatrače obrazovao je osnovu jedne velike teorije koja je trebalo da promeni dotadašnje shvatanje sveta. Ova dva postulata uzeta zajedno formirali su celinu koja je imala značenje koje se protivilo klasičnoj mehanici i uvreženim principima iste koje dotad niko nije smeo da dovede u pitanje. Ova teorija ima mnoštvo iznenađujućih posledica koje se na prvi pogled čine protivnim "zdravorazumskom" shvatanju i standardnoj percepciji sveta u kojoj su prostor i vreme apsolutne kategorije. Specijalna relativnost odbacuje njutnovska načela o apsolutnom prostoru i vremenu tvrđenjem da prostorni i vremenski intervali između bilo koja dva događaja zavise od stanja kretanja njihovog posmatrača, ili da različiti posmatrači različito i opažaju prostorne i vremenske intervale istih događaja. S druge strane brzina svetlosti u vakuumu uzeta je kao apsolutna veličina, kao brzina koja je ista za sve inercijalne referente sisteme i koja se ne može nadmašiti, odnosno koja predstavlja najveću moguću brzinu u prirodi. мини|Albert Ajnštajn
Istorijska podloga i razvoj
Sa napretkom na polju elektromagnetizma, ostvarenim zahvaljujući Maksvelovim teorijama u želji generalizacije fizike i njenog dovođenja na zajednički okvir, proistekle su izvesne nesuglasice između klasične mehanike i elektromagnetizma. Fizičari su uporno tražili način da ih prevaziđu, uvođenjem teorije o etru, koji bi bio nosilac elektromagnetnih pojava i za koji bi se mogao vezati apsolutni sistemDr Dragiša Ivanović, O teoriji relativnosti,Zavod za izdavanje udžbenika narodne republike Srbije, Beograd, 1962. Krajem XIX veka fizika je bila na prekretnici. Nakon Majkelson-Morijevog eksperimenta, sprovedenog 1887. godine, postalo je više nego jasno da je u fizici prisutna velika praznina koju je trebalo nadoknaditi. Naime, on je pokazao da je brzina svetlosti konstantna i u svim inercijalnim referentnim sistemima ima istu vrednost, što se protivilo klasičnom shvatanju i nerelativističkom zakonu slaganja brzina.
Narednih godina fizičari su na različite načine pokušavali da protumače eksperimentom dobijen paradoks. Takvo stanje neizvesnosti održalo se u fizici sve do 1905. godine, i već pomenutog članka, kojim su u fiziku uvedene novine koje su bile u skladu sa Majkelson-Morijevim eksperimentom, ali su odbacivale principe klasične fizike. Ajnštajnov mladalački um, posvećen razotkrivanju ove prirodne tajne, iznedrio je novu teoriju, koja se protivila normama usvojenim iz svakodnevnog iskustva. Skoro istovremeno sa Ajnštajnom do sličnih zaključaka je došao i francuski naučnik Anri Poenkare, ali mu nije pripisan udeo u zasluzi stvaranja ove revolucionarne teorije. Još nekoliko godine pre obojice, Lorenc je formulisao principe transformisanja koordinata, poznate kao Lorencove transformacije, koje dokazuju relativističke efekte, ali sam Lorenc nije bio uspešan u njihovom tumačenju. Nezavisno od Lorenca iste transformacije je formulisao i Ficdžerald, pa se ponekad u literaturi sreće i pojam Ficdžerald-Lorencovih transformacija.
Neposredno po objavljivanju ove, tada neobične teorije, Ajnštajn je bio izložen burnim kritikama naučne javnosti. Ipak, on nije ustuknuo pred izazovom i istrajao u branjenju teorije koju je formulisao. Vremenom je ona postala prihvaćena i Ajnštajn je stekao odgovarajuće priznanje u tadašnjem naučnom svetu. Tri godine nakon Ajnštajnovog objavljivanja STR, Herman Minkovski uvodi matematički model četvorodimenzionalnog prostorno-vremenskog kontinuuma, zasnovan na principima STR. Već 1916. godine Ajnštajn poopštava svoju teoriju, dovodeći pod njen okvir i neinercijalne referentne sisteme. Ova teorija, poznata kao opšta teorija relativnosti (OTR) predstavlja generalizaciju specijalne relativnosti, koja ubrzo u astronomskim osmatranjima pronalazi svoj praktični dokaz. Do danas su eksperimentalno dokazani brojni relativistički efekti, od konstantnosti brzine svetlosti u vakuumu za inercijalne posmatrače do dilatacije vremena, izmerenoj uz pomoć vrlo preciznih časovnika. Postulat vezan za svetlost je višestruko potvrđen u praksi. Sovjetski naučnici A.M. Bonč Bruevič i V.A. Molčanov su 1956. godine posmatrajući prostiranje Sunčevih zraka uspeli da pokažu tačnost tog tvrđenja. Osam godina kasnije to je pošlo za rukom i T. Aljvergeru i njegovim saradnicima koji su to učinili proučavanjem π°-mezona. Bez obzira na to da se danas uspešno primenjuje i dalje postoje pojedini pokušaji da se ona opovrgne, što nije nikom uspelo do sada.
Izvesno neslaganje OTR sa kvantnom mehanikom navodi na pomisao da je moguće postojanje savršenije teorije, koja bi i relativnost i kvantnu mehaniku obuhvatila kao svoj deo. Teorija struna je jedna od takvih teorija koje teže da ujedine relativističku fiziku sa kvantnom, pri čemu je matematički prilično dobro argumentovana, ali još uvek nije do kraja oblikovana. U modernoj fizici se u smislu ujedinjenja ove dve teorije ističe kvantna teorija polja i kvantna elektrodinamikaČlanak: "Šta je to kvantna elektrodinamika. Sasvim je moguće da će se ispostaviti da je STR granični slučaj neke još opštije specijalne teorije, koja bi sadašnju obuhvatila kao graničan slučaj. Važno je napomenuti da se neslaganje između kvantne mehanike i relativnosti odnosi na opštu relativnost, dok je STR sasvim u skladu sa kvantnom mehanikom, čak je u mogućnosti da je dopuni, pošto neki kvantni efekti, poput spina, imaju objašnjenje baš u STR. Ipak kvantna mehanika je nezavisna od STR, tj. mogla bi se izvesti i iz klasične fizike.
Osnovni postulati Svi inercijalni posmatrači su ravnopravni Brzina svetlosti u vakuumu je ista za posmatrače iz svih inercijalnih referentnih sistema Prvi postulat je bio prisutan još u klasičnoj mehanici, ali nije postojao zajednički sa drugim, pošto su se oni činili uzajamno protivurečnim. Spajanje ta dva stava koji na prvi pogled izgledaju kao suprotstavljeni doprineli su tome da ova teorija rezultuje nekim po tada zastupljenom shvatanju neverovatnim posledicama, odnosno relativiziranju vremena i prostora.
Prvi postulat je nešto što se svakodnevno može opaziti. Ako postoje dva automobila koja se kreću po paralelnim pravcima i u istom smeru jednakim brzinama, a pored puta se nalazi čovek u stanju mirovanja u sistemu vezanom za put, onda će taj čovek reći da se automobili kreću, a on sam miruje, dok će posmatrači iz automobila smatrajući da su u stanju mirovanja reći da se drugi automobil ne kreće, a čovek da. Pri tome su tvrđenja svih posmatrača ravnopravna.
Ovaj stav se može drugačije formulisati: Svi zakoni fizike su isti u svim inercijalnim referentnim sistemima.
Drugi postulat iskombinovan sa prvim je bio prilična novina. Bez obzira da li se izvor svetlosti kreće ili miruje u datom inercijalnom sistemu referencije, bez obzira na izbor inercijalnog referentnog sistema iz kojeg to kretanje posmatramo — brzina emitovane svetlosti u vakuumu ostaje ista. Uobičajeno je da se ona obeležava sa c. Ovaj postulat implicira da je brzina svetlosti maksimalna brzina koju materijalno telo može dostići u prirodi. Dakle ne postoji materijalno telo koje bi se moglo kretati većom brzinom od cTeorijski je pokazana mogućnost da nematerijalna tela dostižu veće brzine. Klasičan je primer makaza i presečne tačke njihovih sečiva, koja, pod uslovom da je ugao između njih dovoljno mali, a sečiva jako dugačka može da dostiže i brzine veće od c. Postoji i primer grupne brzine, zatim i relativne brzine jednog tela u odnosu na drugo sa stanovišta trećeg, koja takođe može da nadmaši c, ali je sve to u skladu sa STR.
Neke posledice relativnosti Posledice Lorencovih transformacija su kontrakcija dužine, dilatacija vremena, promena zakona slaganja brzina, izmena Njutnovih zakona, povećanje mase sa brzinom i ekvivalentnost mase i energije. Ove posledice su neobične sa aspekta nerelativističke fizike i nemoguće im je naći analogiju u nerelativističkoj fizici. Kontrakcija dužina Telo nema stalnu dužinu, ona zavisi od izbora referentnog sistema, odnosno od brzine tog tela u odnosu na taj inercijalni referentni sistem. Dilatacija vremena Vremenski interval između dva ista događaja zavisi od izbora referentnog sistema, odnosno zavisi od brzine inercijalnog referentnog sistema u odnosu na sistem u kojem se događaji dešavaju. Promenjen zakon slaganja brzina Zakon slaganja brzina u relativističkoj fizici je izmenjen u odnosu na onaj u klasičnoj mehanici(kao što je i opisano u prethodnom primeru, Izmenjen oblik Njutnovog zakona Drugi Njutnov zakon u obliku , ne važi u relativističkoj fizici. S druge strane, tačan je njegov zapis kojim se sila definiše kao promena impulsa u vremenu. Povećanje mase sa brzinom Masa, po originalnoj STR raste sa brzinom. Po modernom shvatanju to nije sasvim takoPromena mase sa brzinom статью Л. Б. Окуня «Понятие массы» в УФН, 1989, Выпуск 7. стр. 511—530., što je dalje detaljno objašnjeno. Ipak račun u kojem se uzima da masa na taj način zavisi od brzine daje sasvim korektne rezultate, pa je stoga u literaturi i dalje prilično zastupljeno ovo tvrđenje. Ekvivalentnost mase i energije Zaključak proistekao iz relacije jeste da su masa i energija ekvivalentne.
Lorencove transformacije
Neka se referentni sistem K nalazi u stanju relativnog mirovanja, a sistem S kreće brzinom duž x-ose u odnosu na K. Koordinatni počeci se u početnom trenutku() poklapaju. Prema STR prostor i vreme su uzajamno zavisni. Uvođenjem koeficijenata α, β, γ se može pisati:
Prema drugom Ajnštajnovom postulatu brzina svetlosti u vakumu c, ne zavisi od inercijalnog sistema referencije iz kojeg kretanje posmatramo. S obzirom na to x = ct ako je x′ = ct′. Zamenom x i x′ u prethodnim relacijama:
Odatle se dobija:
S obzirom na postulat STR koji govori da su svi referentni sistemi ravnopravni:
Iz ovih relacija se nalazi:
Zamenom x'=1 i t'=0 u prvoj jednakosti i x'=0 kao i t'=1 u drugoj dolazi se do:
Koristeći prethodno dokazanu relaciju: ,
Pošto je dobijena vrednost početnih koeficijenata nalazi se:
, Ili koristeći koeficijent γ,
, Analogno se dobija:
. Ove transformacije poznate su pod nazivom Lorencove transformacije. Njihovim izvođenjem dobijena je veza između prostornih koordinata i vremena u zavisnosti od brzine. Za razliku od Galilejevih, potpuno su u skladu sa relativističkim idejama. Važno je primetiti da se Galilejeve transformacije javljaju graničnim slučajem Lorencovih i to za brzine mnogo manje od brzine svetlosti, kada odgovarajuće formule postaju približno istovetne.
Dilatacija vremena Neka se sistem od dva ogledala od kojih se naizmenično odbija foton kreće brzinom u odnosu na sistem koji je u stanju relativnog mirovanja i neka je rastojanje između tih ogledala L. Za posmatrača u pokretnom sistemu vreme koje protekne između dva sudara sa istim ogledalom je:
Posmatrač koji se nalazi u stanju relativnog mirovanja smatra da je put koji mora da pređe foton u stvari veći iznosi D. Ovde dolazi do razilaženja relativističke i klasične fizike koje je odlična ilustracija njihove opšte razlike. Prema klasičnom shvatanju isto je vreme za koje foton prelazi taj put, a različita je brzina. Relativistički gledano brzina je ista, a vreme različito. Stoga možemo pisati: