struka(e): fizika

relativistička fizika, fizičko-matematička teorija koja obuhvaća prirodne pojave na razini čestica (iznad kvantne razine koja je opisana Planckovom konstantom) do kozmoloških veličina (razine građe i evolucije svemira). Sadržaj relativističke fizike Einsteinova je relativnost primijenjena u svim granama fizike, koja je zasnovana na postulatima specijalne teorije relativnosti (1905) i tenzorske teorije gravitacijskog polja u općoj teoriji relativnosti (1916), a njezino je uporište klasični princip relativnosti. Newtonova mehanika u nepromijenjenom obliku vrijedi u svim inercijskim sustavima, tako da su inercijski sustavi u klasičnoj mehanici ekvivalentni. Prema Galileijevu načelu relativnosti stvar je fizikalne slobode (izbora) koji će sustav biti u mirovanju, a koji u jednolikom gibanju. Fizikalne veličine, jednadžbe gibanja i fizikalni zakoni u relativističkoj fizici moraju biti invarijantni na Lorentzove transformacije. To slijedi iz Einsteinovih postulata: 1) brzina svjetlosti c u vakuumu jednaka je u svim sustavima što se jedni prema drugima jednoliko gibaju; 2) u svim sustavima što se jedni prema drugima jednoliko gibaju vrijede isti zakoni prirode. Prvi postulat – o stalnosti brzine svjetlosti u svim sustavima neovisno o brzini promatrača – podrazumijeva se kao aksiom elektrodinamike, a drugi je postulat fundamentalni zahtjev kovarijantnosti fizikalnih zakona prirode. Granice točnosti i primjenljivosti klasične fizike fenomenološki su opisane dvjema prirodnim konstantama, brzinom svjetlosti i Planckovom konstantom h. Ako u nekom fizičkom sustavu neka njegova veličina, koja se dimenzijski podudara s Planckovom konstantom, ima vrijednost reda veličine Planckove konstante, sustav se tada mora promatrati kvantnomehanički. Na temelju tih dvaju postulata Albert Einstein je dobio jednadžbe identične Lorentzovim jednadžbama. Iz dobivenih jednadžbi izveo je Lorentzovu kontrakciju dužina i tzv. dilataciju vremena, tj. rezultat da sat u gibanju ide polaganije u usporedbi sa satovima sustava u kojima se mjeri. U sustavu koji se giba brzinom v sat će ići sporije (t) od isto takva sata (t0) u sustavu koji miruje. Taj se efekt naziva relativistička dilatacija vremena: relativistička fizika 1.jpg. Druga je posljedica Lorentzovih transformacija kontrakcija dužine u smjeru gibanja. Njezina duljina l u sustavu mirovanja mjeri se kraćom od one vlastite l0 u sustavu koji se giba brzinom v, po formuli: relativistička fizika 2.jpg. Dimenzije nekoga tijela ne mogu se apsolutno odrediti kao ni vrijeme, jer ovise o stanju opažača. Einstein je izveo i teorem zbrajanja brzina, kojim pokazuje da superpozicijom dviju brzina manjih od brzine svjetlosti opet izlazi brzina manja od brzine svjetlosti makar svaka od njih prelazi polovicu brzine svjetlosti. Dok su u Lorentza transformirane koordinate samo pomoćne varijable, u Einsteina su to prave fizičke veličine. Lorentzovo lokalno vrijeme, koje on razlikuje od pravoga vremena, u Einsteina postaje vrijeme dotičnoga sustava i ravnopravno je s vremenskim podatcima bilo kojega drugog sustava. Preračunavanje takvih podataka iz sustava u sustav sadržano je u jednadžbama transformacije. Time je karakteriziran možda najveći misaoni korak koji je učinio Einstein. Odbacio je koncepciju Newtonova apsolutnoga vremena označenu riječima: »Apsolutno, istinsko i matematičko vrijeme teče jednoliko po sebi i po svojoj prirodi i bez odnosa spram bilo čega izvanjskoga, a drugim se imenom naziva trajanje«. Jedan je od najdubljih rezultata Einsteinove analize spoznaja da istodobnost dvaju prostorno udaljenih događaja nije apsolutna činjenica, već da ovisi o tome u kojem se koordinatnom sustavu ti događaji promatraju. Einstein je jednostavnom argumentacijom zaključio da se masa tijela mijenja ako mu se promijeni energija, i to tako da je promjena mase jednaka promjeni energije podijeljenoj s kvadratom brzine svjetlosti. Tu ekvivalenciju između mase i energije Einstein je izrazio riječima: »Masa tijela mjera je za njegov iznos energije«. Taj rezultat nije drugo doli znamenita relacija E = m c². S pomoću nje fizičari su stekli nove spoznaje o strukturi materije i o prirodi energije koja dolazi od Sunca i zvijezda te o tome kako da se golema energija sadržana u jezgrama atoma iskoristi u korisne, ali i, nažalost, u ratne svrhe. Formalno-matematički napredak teoriji relativnosti donio je Hermann Minkowski. On je Lorentzove transformacije shvaćao kao transformacije u četverodimenzijskom prostoru, koje ostavljaju kao invarijantnu jednu realnu hiperplohu 2. reda. Usto je uveo novu veličinu za određivanje vremena (u obliku w = ict) kao četvrtu koordinatu i time prešao na euklidsku metriku u četverodimenzijskom prostoru, pri čem Lorentzove transformacije dobivaju značenje imaginarnih vrtnji.

Na temeljima specijalne teorije relativnosti razvijena je relativistička mehanika, relativističke relacije za energiju E i količinu gibanja p čestice: relativistička fizika 3.jpg, za ukupnu količinu gibanja čestice, i relativistička fizika 4.jpg, za količinu gibanja, gdje su m0 masa mirovanja neke čestice, v njezina brzina i m0c² energija mirovanja čestice. Povezivanjem ovih dviju relacija dobiva se temeljna relacija relativističke fizike: E² = p²c² + m0²c4 = p²c² + E0², gdje je E ukupna relativistička energija, p relativistička količina gibanja, a E0 = m0c² energijski izražena masa mirovanja čestice. Kada su relativne brzine čestica v male prema brzini svjetlosti c, relativistička mehanika prelazi u običnu, Newtonovu mehaniku. Tako npr. relativistička ukupna energija neke čestice u graničnom slučaju, kada je v << c, prelazi razvojem navedene formule u red po potencijama veličine v/c u: E = m0c² + m0v²/2 = E0 + Ekin, dok se ostali članovi mogu zanemariti. Drugi član s desne strane klasični je oblik kinetičke energije čestice mase m0 i brzine v, dok je prvi član posljedica relativističke mehanike koji odgovara energiji mirovanja E0. Relativistička mehanika revidirala je i neke temeljne pojmove iz termodinamike. Premda su entropija i tlak u jednom sustavu neovisni o brzini gibanja toga sustava, temperatura, koja izražava srednju kinetičku energiju sustava, ovisi o brzini promatrača. Danilo Blanuša izveo je 1947. transformacijske formule za količinu topline i temperaturu, koje su bile drukčije od onih što su ih 1907. izveli Max Planck i Albert Einstein: Q = Q0/α i T = T0/α, gdje je relativistička fizika 5.jpg, Q0 i T0, odnosno Q i T su, redom, toplina i temperatura u sustavu u mirovanju, odnosno u gibajućem sustavu.

Specijalna teorija relativnosti promatra samo idealne sustave u relativnom jednolikom gibanju. Poopćenje te teorije na sustave koji mogu biti proizvoljno ubrzani jedan u odnosu prema drugomu, predstavlja bit opće teorije relativnosti. Polazeći od načela ekvivalencije, Einstein je želio načelo relativnosti protegnuti na sve koordinatne sustave, a ne samo na inercijske. Stoga je promatrao i neinercijske sustave, pa gravitaciju karakterizira s deset koeficijenata diferencijalne kvadratne forme, koja označava linijski element u takvu općem prostorno-vremenskom sustavu. Gravitacija se može objasniti zakrivljenošću prostorno-vremenskoga kontinuuma. Metrikom takva prostora određeni su gravitacijski potencijali bez obzira na to jesu li »realni« ili »fiktivni«. Einstein je također pokazao da se bilo koja materijalna točka kreće po geodetskim linijama, koje matematički predstavljaju najkraći mogući put između dviju svjetskih točaka. Kako je metrika prostora određena masama i njihovim rasporedom, to su i geodetske linije ovisne masama. Zakrivljenost putanja planeta svojstvena je četverodimenzijskom prostorno-vremenskomu kontinuumu. Povijest bilo koje čestice u svemiru u potpunosti je opisana svjetskom linijom u četverodimenzijskom prostoru–vremenu. Uvođenjem zakrivljenoga četverodimenzijskoga prostorno-vremenskoga kontinuuma, Einstein je pokazao da je Newtonov zakon gravitacije sadržan kao aproksimacija u osnovnim jednadžbama polja. U Einsteinovoj teoriji gravitacija je svedena na geometrijska svojstva prostorno-vremenskoga kontinuuma. Svi su koordinatni sustavi ravnopravni, ali se pri prijelazu na sustave koji su ubrzani prema sveukupnosti svemirskih masa pojavljuju polja gravitacije. Tako je Einstein uspio tromost tijela i silu gravitacije svesti na zajednički uzrok: na svemirske mase. Centrifugalne sile u sustavu koji rotira nisu uzrokovane time što sustav rotira prema apsolutnomu prostoru, kako je mislio Newton, nego time što rotira prema svemirskim masama. Opća teorija relativnosti bitno zahvaća u pitanje razvoja cijeloga svemira, u kozmologiju. Glavne su eksperimentalne potvrde teorije relativnosti:

1) Relativističko pomicanje perihela planeta, koje je posebno uočljivo kod Merkura, Venere, Zemlje i planetoida Ikara. Npr., izračunano pomicanje perihela Merkura iznosi 43,03 kutne sekunde u stoljeću, dok mjerenja daju 43,11 ± 0,45 kutnih sekundi kao razliku između mjerenja i utjecaja smetnji drugih planeta.

2) Gravitacijski Dopplerov efekt, tj. pomak spektralnih linija svjetlosti, koja dolazi iz jakih gravitacijskih polja, prema crvenoj strani spektra. Učinak se opaža kod Sunca, nekih dvostrukih zvijezda, bijelih patuljaka, a mjeri se na Zemlji s pomoću Mössbauerova efekta. Postignute točnosti mjerenja iznose do 1% odstupanja od izračunanih.

3) Otklon zrake svjetlosti u gravitacijskom polju Sunca. Zraka koja prolazi neposredno kraj Sunca otklanja se, po teoriji relativnosti, za 1,75 kutnih sekundi. To je bila prva potvrda teorije; god. 1919. izmjeren je, pri potpunoj pomrčini Sunca, otklon zraka svjetlosti od 1,64 kutne sekunde.

4) Zakašnjenje radarske jeke. Radarski signal odaslan prema Merkuru i reflektiran natrag prolazi kraj Sunca te stoga, zbog utjecaja Sunca, putuje 0,24 ms dulje. Mjerenja daju rezultate do točnosti od 5% u odnosu na proračun.

5) Gravitacijski valovi, tj. oscilacije zakrivljenosti prostora–vremena koje, prema Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, nose energiju i impuls, šire se brzinom svjetlosti. Dok elektromagnetski valovi općenito međudjeluju s električnim nabojem i strujama, gravitacijski valovi međudjeluju s materijom općenito.

6) Mjerenje tzv. Lense-Thirringove i de Sitterove precesije zvrka u putanji oko Zemlje (2004–05) kao test Einsteinove opće teorije relativnosti tj. zakrivljenosti prostora–vremena, s pomoću gravitacijske satelitske sonde (Stanford’s and NASA Gravity Probe B) 20. travnja 2004. dalo je predviđene rezultate.

Citiranje:

relativistička fizika. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2013. – 2024. Pristupljeno 20.7.2024. <https://enciklopedija.hr/clanak/relativisticka-fizika>.