Pochopte základní ideu Einsteinovy teorie relativity za pár minut

Dnes si předvedeme nejjednodušší možný výklad podstaty speciální teorie relativity, a to konkrétně výklad dilatace času. Za chvíli pochopíte, proč se čas může zpomalovat. Jednodušší výklad teorie relativity neexistuje.

K tomuto prostému výkladu potřebujeme chápat, jak je možné, že je rychlost světla vůči pozorovateli stále stejně velká, i když "stojíme" nebo se za světelným paprskem ženeme obrovskou rychlostí. To jsme si názorně vysvětlili v minulém blogu. Teď to už bereme jako fakt.

K našemu výkladu použijeme příklad, na němž teorii relativity pochopil sám Einstein. Je důležité říci, že Albert už měl rovnice speciální teorie relativity hotové, ale pro něj bylo zásadní si relativistické efekty představit i názorně. Vzorce nejsou všechno, hlavní je pochopení. Občas zašel uvažovat nad speciální relativitou na nádraží v Bernu. Představoval si relativistické efekty, které by probíhaly, kdyby se vlaky pohybovaly skoro světelnou rychlostí. Takový vlak máme zjednodušeně nakreslený na následujícím obrázku.

Nejdříve si představme situaci A, což je situace, kdy sedíme ve vlaku a budeme pozorovat pohyb světelného paprsku mezi dvěma zrcadly. Jedno je na stropě a druhé na podlaze. (Tomuto zařízení se říká světelné hodiny.) Sedíme-li ve vlaku, jsme vzhledem k vlaku v klidu a také soustava dvou zrcadel s paprskem je vůči nám v klidu. Vidíme tedy paprsek tak jako v případě A.

Nicméně onen vlak projíždí velkou rychlostí kolem nástupiště a my jej můžeme také pozorovat z nástupiště. To odpovídá situaci B, která je na druhém obrázku. Vlak v pohledu z nástupiště pohybuje vpravo a s ním ale i zrcadla s paprskem. Paprsek se pochopitelně musí posunovat spolu se zrcadly, což ale znamená, že ho z nástupiště vidíme pohybovat se šikmo. Dráha paprsku prostě z nástupiště vypadá jinak.

Znázorněme si to podstatné z obou situací A a B na dalším obrázku. To, co opravdu sledujeme je dráha jednoho paprsku a bude nám postačovat třeba dráha paprsku od stropu k podlaze. (Tím se vyhneme odrazu paprsku, který by znamenal zrychlení, čím bychom se ocitli už v obecné teorii relativity, tedy mimo speciální relativitu, kterou si tu vykládáme.)

Jsme-li pozorovatel ve vlaku, uvidíme dráhu paprsku A, která je znázorněna modrou šipkou, a to i když se vlak vzhledem k nástupišti pohybuje šílenou rychlostí. My jsme totiž vůči vlaku v klidu. Jsme-li ale pozorovatelem na nástupišti, uvidíme dráhu téhož paprsky jako dráhu B, znázorněnou červenou šipkou. Černá šipka znázorňuje pohyb vlaku rychlostí v.

Na první pohled je zřejmé, že dráha paprsku z pohledu člověka na nástupišti, tedy B, je delší než dráha téhož paprsku z pohledu cestujícího v tomto vlaku, tedy A. Kdybychom takto pozorovali pohyb nějakého tělesa (třeba padajícího míče), řekli bychom si prostě, že těleso se v případě B pohybuje rychleji než v případě A a proto urazí za stejný čas větší dráhu.

To je ale přesně to, co si u světelného paprsku říci nemůžeme, protože jsme si minule vysvětlili, že rychlost každého paprsku světla je stále stejná, a to právě c, ať se pozorovatel pohybuje jakkoliv. Tedy jak po dráze A, tak po dráze B se paprsek světla pohybuje toutéž rychlostí c. Nezbývá nám než připustit, že v případě B ubíhá čas pomaleji než v případě A. Tomuto jevu se říká dilatace času.

Pro větší názornost si představme, že vše pozorujeme z nástupiště a že zcela stejné (tedy i stejně velké) světelné hodiny, máme jak na nástupišti, tak ve vlaku. Když na hodinách na nástupišti dospěje paprsek od stropu k podlaze, paprsek na hodinách ve vlaku ještě nedorazí k podlaze, protože se pohybuje po delší dráze. To ale znamená, že paprsek ve vlaku (A) letí delší dobu, než letí identický paprsek (B) na nástupišti. A protože obě zařízení jsou identické hodiny, je zřejmé, že hodiny ve vlaku jdou pomaleji než hodiny na nástupišti. No, není to průzračné a nádherné vysvětlení dilatace času, které nám Albert připravil?

Další blogy ze speciální relativity:
Proč je rychlost světla stále neměnná - relativita snadno a názorně...Teorie relativity jako symetrický klam a iluze?Ucelenejší výklad - Teorie relativity pro ty, kdo si myslí, že ji nikdy nepochopí :

Proč neexistuje paradox dvojčatChybička pana Einsteina aneb proč není současnost jen iluzeKdyž chce náročnější téma: Vidíme hvězdy v minulosti nebo v současnosti?Je čas jen iluze?