Totálne vysvetlenie relativity -                       bez matematiky,                                     alebo od klaksónu k časopriestoru.                        jún 9, 2016 V tomto článku vám jednoducho, bez matematiky, vysvetlím, prečo nevyhnutne potrebujeme relativitu. Úplne jednoducho povedané, je to preto, lebo veríme, že fyzika existuje a chceme veci okolo nás fyzikálne popisovať. Relativita je dôsledok našej viery v existenciu fyziky, ktorá platí rovnako pre všetkých. Na to, aby sme to skutočne pochopili, musíme ale začať úplne od začiatku. Keď stojíte na dialnici s defektom a okolo Vás prefrčí auto 130-kou, tak je to dosť nepríjemné, vnímate ten rozdiel  rýchlostí dokonale. Keď ale sedíte v tom aute, čo práve rýchlo prešlo okolo, ako spolujazdec, tak si tam kľudne môžete skladať aj model lietadielka, vôbec Vám tá rýchlosť nebude prekážať. O tejto "relativite" rýchlostí vedel už aj pán Galilei. S relativitou, ktorú tu budem vysvetľovať to ale nemá veľa spoločné, spomenul som to tu len preto, aby ma niekto neobvinil s nepresnosti. Šírenie zvuku vo vzduchu síce s relativitou nemá nič spoločné, ale myslím si, že je dobré, najprv pochopiť toto. Pojem šírenie zvuku vo vzduchu je veľmi špecifický a preto, aby sme veci chápali komplexne,obecne,  o to pôjde v celom tomto článku,  nahradíme pojem zvuk obecnejším pojmom "rozruch" a pojem vzduch, obecnejšim pojmom "prostredie". Takže sa budeme najprv rozprávať o šírení sa rozruchu v prostredí. Keď chceme šíriť rozruch v prostredí, tak zdroj tohoto rozruchu do prostredia nevysiela žiadnu novú hmotu, žiadne nové častice, ale iba rozkmitáva v prostredí už existujúce častice. Napríklad reproduktor alebo klaksón (zdroj rozruchu) svojou membránou, ktorú nútime pohybovať sa (kmitať) rozkmitáva mechanicky okolité častice (molekuly , atómy)  vzduchu, čiže prostredia.  Alebo kladivom (zdrojom rozruchu) buchneme po koľajnici (prostredie) a tak atómy tohoto prostredia rozkmitáme. Od čoho závisí rýchlosť šírenia sa takéhoto rozruchu ? Závisí to jedine od vlastností konkrétneho prostredia, presnejšie povedané, väčšinou od jeho hustoty.  Čím hustejšie prostredie, tým rýchlejšie šírenie rozruchu. Čiže nejde o to, že nejaké  "pridané" častice sa musia prostredím "prekľučkovať" ,  ale ide o to, že vlastné častice prostredia musia odovzdať svoje kmity susedným vlastným časticiam prostredia a toto im ide tým lepšie,rýchlejšie, čim sú tie častice hustejšie pri sebe, lebo vtedy je to prostredie viac pružné. Existujú aj prostredia, ktoré sú síce husté, ale vedú rozruch zle, lebo majú špecialne na to nevhodné vlastnosti, ale to nás teraz nezaujíma. Obecne môžeme povedať, že rozruch v riedkom vzduchu (prostredí) sa šíri pomalšie ako rozruch v hustejšom vzduchu a rozruch v koľajnici sa šíri ešte oveľa rýchlejšie. Vždy to závisí ale len od toho prostredia a nie od rýchlosti pohybu zdroja. V konštantnom prostredí sa rozruch šíri konštantnou rýchlosťou, nezávislou od rýchlosti pohybu zdroja . Ak sa zdroj pohybuje touto, alebo ešte väčšou rýchlosťou v prostredí,  tak v smere jeho pohybu, sa už rozruch nedokáže šíriť, nedokáže sa  od neho vzďaľovať. V smere opačnom, sa ale ten rozruch od zdroja, vzďaľuje väčšou rýchlosťou ako je rýchlosť širenia sa rozruchu v danom prostredí. Pokiaľ v prostredí existuje pozorovateľ, ktorý sa pohybuje proti  smeru  šírenia rozruchu, tak sa rozruch k nemu blíži väčšou rýchlosťou, ako je ryćhlosť širenia sa rozruchu v prostredí. Rozruch sa širi konštantnou rýchlosťou, len oproti konkrétnemu prostrediu, ale proti zdroju a  pozorovateľom sa môže širiť skoro ľubovoľnou rýchlosťou . Toľko by o šírení sa rozruchu v prostredí aj stačilo. Uviedol som to len preto, lebo fyzici asi do  polovice 19. storočia predpokladali, že aj svetlo je šírenie rozruchu v protredí. To prostredie nazývali éter. Prečo si to mysleli ? Mali na to celkom dobrý dôvod. Najprv fyzikov, vtedy ešte možno skôr filozofov a polyhistorov, zaujímalo, či sa svetlo šíri nekonečnou rýchlosťou, alebo konečnou. Rôznymi múdrymi a šikovnými pokusmi a hlavne pozorovaniami okolitého vesmíru prišli na to, že je to konečnou rýchlosťou. Dnes vieme, že je tá rýchlosť približne 300 000 km/sekundu a budeme ju označovať "c". Tí, čo svetlo pokladali za častice, predpokladali, že svetlo napríklad zo vzdialenej hviezdy k nám prichádza tým rýchlejšie, čim rýchlejšie sa k nám približuje tá hviezda, ako dnes napríklad strela z guľometu umiestneného na letiacom lietadle. Rýchlosť tej strely, je oveľa väčšia (prípadne menšia) ako keby lietadlo stálo na letisku a tak strieľalo. Ti, čo považovali svetlo za vlnenie, bola ich väčšina, zase predpokladali, že je svetlo šírenie rozruchu v prostredí a tak nazáleži na "rýchlosti" hviezdy a svetlo z nej k nám prichádza vždy rýchlosťou "c". Čiže rýchlosť širenia svetla nezáleži od pohybu zdroja. Zase pomohlo pozorovanie vesmíru, napríklad obehu dvojhviezd okolo spoločného ťažiska a ukázalo sa, že majú pravdu, tí druhí, teda tí , čo si myslia, že svetlo je širenie rozruchu v prostredí. Ak by totiž rýchlosť svetla záležala od rýchlosti pohybu zdroja, hviezdy, tak by svetlo z tej hviezdy, čo sa k nám približuje, počas tej dlhej doby, kým k nám priletí, predbehlo podstatne svetlo, ktoré k nám letí z druhej hviezdy, ktorá sa od nás vzďaľuje. Tým pádom, by sme totiž nevideli, že dvojhviezdy obiehajú pekne okolo spoločného ťažiska, ale by sme jednu videli aj na viacerých miestach súčasne, videli by sme celý vesmír ako veĺký zmetok. Treba sa nad tým kúsok zamyslieť, aby ste to pochopili. Vzdialené objekty (sústavy objektov) vo vesmíre vidíme tak, ako by sme tam blízko nich, "urobili fotku" a tá fotka k nám letí celým vesmírom rýchlosťou "c". Farby na tej fotke budú síce pozmenené podľa toho, ktoré objekty sa k nám približujú a ktoré vzďaľujú, ale polohy objektov budú zachované. Dôležitý výsledok celého tohoto skúmania bol : Rýchlosť širenia svetla nezávisí od rýchlosti pohybu zdroja . Takže toto bol ten dôvod, prečo fyzici predpokladali, že svetlo je šírenie rozruchu v prostredí a to prostredie nazvali "éter" a vymysleli mu aj vlastnosti tak, aby sa v ňom svetlo šírilio rychlosťou "c". Z tohoto presvedčenia, ale automaticky vyplýval dôsledok, že ak sa budem voči tomuto prostrediu (éteru) pohybovať a zasvietim pred seba baterkou, to svetlo sa odo mňa bude vzďaľovať menšou rýchlosťou ako "c" a keby som dosiahol rýchlosť "c" voči prostrediu, baterkou si už pred seba neposvietim ! Dvaja šikovní páni (Michelson a Morley v roku 1887) si povedali, že dostatočne citlivym prístrojom, by si mohli tou "baterkou" posvietiť v dvoch kolmých smeroch a z rozdielu rýchlosti svetla určiť (po natočení ramien o 90 stupňov), ako sa Zem pohybuje voči éteru.  Na ich veľlké prekvapenie ale nenamerali žiadny rozdiel. Tak si povedali, že práve teraz sa náhodou  Zem pohybuje skoro nulovou rýchlostou vočí éteru a tak počkali pol roka, kým Zem obehne okolo Slnka polovicu dráhy a vtedy už mali istotu, že by sa Zem mala pohybovať aspoň rýchlostou 30 km/sek (rýchlosť obehu Zeme okolo Slnka) vočí éteru. Ale zase nenamerali žiadny rozdiel ! Toto meranie bolo opakované nespočetne krát a stále nebol nameraný žiadny rozdiel ! Zbytočne budeme ďalej špekulovať nad tým, ako to robili (a aj  dodnes poniektorí robia)  mnohí, že Zem éter strháva so sebou a preto nenameriame žiadny rozdiel, prípadne sa budeme snažiť napasovať matematiku tak , ako to urobil pán Lorentz svojimi transformáciami času a rozmeru, aby zachránil teóriu éteru. My totiž potrebujeme pochopiť tú celkom jednoduchú vec, ktorú pochopil pán Einstein niekedy okolo roku 1905. On toitž pochopil, že sa fyzici až do vtedy, vlastne snažili dokázať že fyzika neexistuje aj keď oni si to neuvedomili. Pán Einstein si totiž uvedomil tú celkom jednoduchú vec (ktorú ale aj dodnes mnoho ľudí nedokáže pochopiť) :  Čo by to bolo za fyziku, ak by mal pokus pána Michelsona dopadnúť ináč dnes, ako povedzme o pol roka, prípadne iným natočením pokusného zariadenia ? Ako by sme potom mohli popísať fyzikálne zákony ? (Einstein podľa svojich slov, do roku 1905 nepoznal tento konkrétny experiment.) A to je vlastne obecne všetko, čo viedlo k relativite, aj keď Einstein ju tak v roku 1905 vôbec nenazval. On predpokladal : Fyzikálne zákony musia platiť rovnako pre všetkých ! K tomu ešte pridal, čo v tom období bolo nevyhnutné, kedže stavba atómov a ich fungovanie ešte nebolo známe a nikto nevedel čo sú v skutočnosti fotóny : Svetlo sa šíri konštantnou rýchlosťou voči všetkému a nezávisí od pohybu zdroja ani pohybu pozorovateľa a je to maximálna možná rýchlosť, hmotným objektom nedosiahnuteľná. Takže zásadný rozdiel medzi šírením rozruchu v prostredí a širením svetla (ktoré žiadne prostredie nepotrebuje) je to, že jeho rýchlosť je nezávislá nie len od pohybu zdroja , ale aj pohybu pozorovateľa. Svetlo sa teda opäť stáva časticami, ktoré pre svoj pohyb žiadne prostredie nepotrebujú. Svetlo sú teda častice, ktoré sa potrebujú tým prostredím "prekľučkovať" a preto mu to hustejším prostredím ako je vákuum, ide kúsok pomalšie ako "c". Medzi dvomi susednými časticami sa ale svetlo (fotóny) vždy pohybujú rýchlosťou "c". Malý problém je ale v tom, že ak už vieme že svetlo sa šíri rovnakou rýchlosťou voči všetkému a všetkým, bez ohľadu na rýchlosť jednotlivých zdrojov, pozorovateľov a teda fyzikálne pokusy dopadnú rovnako pre všetkých, tak vidíme, že čas neplynie rovnako rýchlo pre dvoch  vzájomne sa pohybujúcich pozorovateľov. Ak to nevidíte hneď, čomu sa ani nečudujem, tak malá pomôcka : Najlepšie to pochopíte tak, ak si nakreslite na ruku dve atomárne častice, a medzi nimi bude "behať tam a späť" svetlo (fotón)  (to bude elementárny "tik-tak" fyzikálneho pokusu) a budete sa voči druhému pozorovateľovi pohybovať a musíte si uvedomiť ten fakt, že to svetlo sa voči Vám aj druhému pozorovateľovi pohybuje konštantne rýchlosťou "c". Potom zístíte, že "tik-tak" nie je pre vás oboch rovnaký. A to je relativita ! Presnejšie povedané, znamená asi toľko, že nemá zmysel hovoriť o Vašej  (absolútnej ) rýchlosti "tik-taku", ale má zmysel hovoriť len o tom, o kolko rýchlejšie/pomalšie beži čas Vám. ako niekomu inému, hovoríme tomu dilatácia času. Ide vždy len o ten pomer , žiadne absolútne plynutie času neexistuje. Toto je daň za to, že veríme v existunciu fyziky, fyzikálnych zákonov, ktoré platia rovnako pre všetkých a pochopil to až pán Einstein. V skutočnosti ešte ale musíme pripustiť aj kontrakciu (skracovanie) rozmeru pohybujúceho sa pozorovateľa (jeho sústavy) , ale to tu bez matematiky nebudem vysvetlovať. Z dilatácie času a kontrakcie rozmeru ďalej priamo vyplýva relativita súčasnosti.  Všetko v tomto odstavci spomínané si môzete podrobnejšie prečitať v ďalšich mojich článkoch, ale tu to nie je pre obecné pochopenie relativity potrebné. Doteraz spomínaná relativita sa nazýva špeciálna , lebo platí len pre pozorovateľov, ktorí sa pohybujú rovnomerne, bez zrýchlovania a tiež sa nenachádzajú v blizkosti veľmi hmotných telies, kde pôsobí relevantná gravitácia, čiže pre špeciálny prípad. Pána Einsteina to trápilo a chcel definovať obecnejšiu relativitu, platnú všeobecne, ktorú nazývame obecná relativita . Podarilo sa mu to v roku 1915 po vytvorení matematickej konštrukcie, podľa ktorej, gravitácia a zrýchlenie (a teda aj gravitačná sila aj sila zotrvačnosti pri zrýchlení) sú prejavmi jednej a tej istej veci. Tou vecou je hmota rozložená v priestore, ktorá ten priestor vo svojej matematickej štruktúre zakrivuje. Zakrivuje nielen tri priestorové súradnice, ale aj jednu časovú, ktorá je štvrtou súradnocou v tej matematickej konštrukcii. Nesnažte si  predstaviť (aspoň nie v tomto momente) štvorrozmerný časopriestor, prípadne jeho zakrivenie  a dokonca ani len zakrivenie trojrozmerného, lebo to normálni ľudia nedokážu a prísť tým k psychickej újme by bolo nevhodné. Oveľa jednoduchšie je s tým matematicky pracovať a keď Vám (alebo radšej matematikovi) potom z tej konštrukcie vyjdú skalárne (číselné) alebo vektorové výsledky, máte vyhrané. To, že si niečo nedokážeme predstaviť, neznamená, že s tým nedokážeme veľmi úspešne počítať pomocou matematiky. Pokiaľ sa pohybujete v časopriestore rovnomerne "priamočiaro" (čo v 3D nemusí byť po priamke) , vtedy nepociťujete ne sebe žiadny silový účinok.  Pokiaľ ale zapnete svoje raketové motory a začnete zrýchľovať, už to nebude ani v časopriestore rovnomerne a začnete pociťovať silový účinok. Pokiaľ stojíte na Zemi, pociťujete silový účinok, zemskú príťažlivosť preto, lebo zemský povrch Vám bráni pohybovať sa v časopriestore rovnomerne po "príamke". Ak sa zem pod Vami prepadne, začnete voľne padať do stredu Zeme a vtedy už silový účinok nepociťujete, lebo sa pohybujete v časopriestore rovnomerne po "priamke". Vy síce budete padať v 3D priestore zrýchlene, ale to zrýchlenie bude presne také, aby ste sa v časopriestore pohybovali rovnomerne po "priamke". Einsteinov štvorrozmerný časopriestor a obecná teória relativity, nevysvetľuje podstatu gravitácie (alebo zotrvačnosti) , iba vytvára matematický model, ktorý súhlasí s pozorovanou skutočnosťou v našom blízkom okolí. Na skutočné vysvetlenie gravitácie a zotrvačnosti si ešte musíme počkať.