Martins GARDNERS: RELATIVITĀTES TEORIJA VISIEM

Klasiskā fizika, ko radīja Izaks Ņūtons, parāda — ja, piemēram, jūs atrodaties vienmērīgi kustoša vilciena vagonā (vagona logi aizvērti tā, ka jūs nevarat redzēt apkārtni), tad nav nekāda mehāniska eksperimenta, ar kuru varētu pierādīt, ka vilciens kustas. (Protams, jā­pieņem, ka vilciena kustība ir vienmērīga, bez triecie­niem un šūpošanas.) Ja jūs tādā vagonā metīsiet uz augšu lodīti, tad tā kritīs atpakaļ pa taisni tajā pašā vietā, kā tā būtu nokritusi, ja vilciens nekustētos. Novē­rotājs, kas stāvētu uz Zemes un varētu redzēt cauri va­gona sienām, redzētu, ka lodīte kustas pa līkni, bet jums vagonā tā kustas augšup un lejup pa taisni. Un tas ir ļoti labi, jo kā gan mēs varētu spēlēt, piemēram, tenisu vai futbolu, ja katru reizi, kad bumbiņu uzsistu gaisā, Zeme attiecībā pret to pārvietotos ar ātrumu 30 km/s?

Speciālā relativitātes teorija ir solis uz priekšu no Ņūtona klasiskās relativitātes. Pēc speciālās relativitā­tes teorijas vilciena kustību šajā gadījumā nevar noteikt ne ar mehānisku, ne arī ar optisku (pareizāk — eksperimentu, kurā izmantotu elektromagnētisko staro­jumu) eksperimentu. īsi un vienkārši speciālo relativi­tātes teoriju varētu formulēt šādi: nav iespējams ar kādu absolūtu metodi noteikt vienmērīgu kustību. Ja mēs atrastos vienmērīgi kustoša vilciena vagonā, tad, lai pārliecinātos par vilciena kustību, mums vajadzētu atvērt logu un paskatīties uz kādu objektu, piemēram, telefona stabu. Taču arī pat tad mēs nevaram konstatēt, vai vilciens brauc garām stabam vai arī stabs kustas gar vilcienu. Labākā gadījumā varam tikai pateikt, ka zeme un vilciens savstarpēji ir relatīvā vienmērīgā kustībā.

Vai ievērojāt, ka tekstā bieži atkārtojas vārdiņš vien­mērīgi. Kustību pa taisni ar nemainīgu ātrumu sauc par vienmērīgu kustību. Nevienmērīga jeb paātrināta kus­tība ir kustība, kurā ātrums mainās (paātrinās vai palē­ninās, pie kam pēdējā gadījumā paātrinājums ir nega­tīvs), vai ari jebkura kustība pa līkni. Attiecībā uz pa­ātrinātu kustību speciālā relativitātes teorija nepasaka neko jaunu.

Pirmajā brīdī liekas, ka vienmērīgas kustības relati­vitātei nav lielas nozīmes, taču īstenībā tas tā nav — mēs tūlīt nokļūstam neparastā pasaulē, kura sākumā visvairāk atgādina Lūisa Kerola bezjēdzīgo pasauli aiz spoguļa. Ja jau nav metodes kā noteikt vienmērīgu kustību attiecībā pret universālu, nekustīgu atskaites sistēmu līdzīgu ēteram, tad gaismai jābūt fantastiskām īpašībām, kas ir pretrunā ar jebkuru novērojumu.

Iedomāsimies kosmonautu kosmiskā kuģī, kas lido gaismas stara virzienā ar ātrumu, kas vienāds ar pusi no gaismas ātruma. Ja kosmonauts censtos izmērīt gais­mas ātrumu, tad iznāktu, ka gaismas stars iet tam ga-

rām ar parasto ātrumu 300 000 km/s. Nedaudz^ par to padomājot, jūs sapratīsiet, ka tā tam arī ir jābūt, ja neeksistē ētera vējš. Ja kosmonauts butu konstatējis, ka gaismai attiecībā pret viņu ir mazāks ātrums, viņš atklātu to pašu ētera vēju, kuru nevareja atklat Mai­kelsons un Morlejs. Bet ja nu kosmiskais kuģis ar to pašu ātrumu lidotu pretējā virzienā — uz gaismas avotu? Vai kosmonauts noteiktu, ka stars viņam tuvo­jas ar pusotras reizes lielāku ātrumu? Ne, gaismas stars viņam tuvotos tāpat ar ātrumu 300 000 km/s. Tatad, lai kā arī kosmonauts ar savu kuģi kustētos attiecība pret gaismas staru, viņa gaismas stara ātrums bus viens un tas pats.

Ļoti bieži var dzirdēt, ka relativitātes teorija fizika visu padara relatīvu, ka nav vairs nekā absolūta. Tas ir tālu no patiesības! Relativitātes teorija gan padara relatīvus dažus tādus jēdzienus, kurus agrak uzskatīja

par absolūtiem. Tajā pašā laikā tā ieved jaunas absolū­tas. Tā, piemēram, klasiskā fizika uzskata, ka gaismas ātrums ir relatīvs, jo tā lielumam bija jāmainās atka­rībā no novērotājā kustības. Speciālajā relativitātes teorijā gaismas ātrums šādā nozīmē jau kļūst par abso­lūtu. Nav svarīgi, kā kustas gaismas avots vai novēro­tājs — gaismas ātrums attiecībā pret novērotāju neiz- mainās.

Iedomāsimies, ka kosmosā nav nekā cita kā divi kos­miski kuģi A un B, kuri pārvietojas viens pret otru ar nemainīgu ātrumu. Iespējami trīs gadījumi.

Vai astronauti šajos kuģos var noteikt, kurš no šiem trim gadījumiem ir īstenība jeb absolūts?

Nē, nav iespējams, atbild Einšteins. Jebkura kuģa kosmonauts var izvēlēties kuģi A par nekustīgu atskai­tes sistēmu. Nav nekādu eksperimentu, ieskaitot gaismu vai jebkuru citu elektrisku un magnētisku parādību, kas pierādītu, ka šāds pieņēmums ir nepareizs. Tas pats būtu, ja kā nekustīgu atskaites sistēmu viņš izvēlētos kuģi B. Ja pieņemtu, ka kustas abi kuģi, tad kāda ne­kustīga atskaites sistēma jāatrod ārpus šiem kuģiem, attiecībā pret kuru tad kustētos abi kuģi. Nav nozīmes minēt, kurš no šiem pieņēmumiem ir pareizs. Ja mēs gribētu runāt par kāda kuģa absolūto kustību, tad tas nozīmētu runāt par kaut ko bezjēdzīgu. Reāla ir tikai relatīvā kustība — abi kuģi tuvojas viens otram ar konstantu ātrumu.

Šāda veida grāmatā nav iespējams iedziļināties rela­tivitātes teorijas tehniskās, kā arī matemātiskā aparāta detaļās. Tāpēc pieminēsim tikai dažus no visvairāk pār­steidzošiem secinājumiem, kuri loģiski izriet no diviem Einšteina teorijas pamatpostulātiem.

1. Nav iespējams noteikt, vai attiecībā pret nekustīgo ēteri ķermenis ir miera vai vienmērīgas kustības stā­voklī.

2. Vakuumā gaismai vienmēr ir viens un tas pats ātrums neatkarīgi no tā, kā kustas gaismas avots.

Otro postulātu bieži sajauc ar gaismas ātruma ne­mainību attiecībā pret vienmērīgi kustošos novērotāja. Patiesībā šī parādība tikai izriet no otrā postulātā.

Skaidrs, ka fiziķi pārsprieda abus postulātus. Tā, pie­mēram, Lorencs mēģināja tos izmantot savā teorijā, pēc kuras ētera vēja spiediena rezultātā mainījās abso­lūtie garumi un laiks. Lielākā daļa fiziķu uzskatīja, ka Einšteina relativitātes teorija par daudz radikāli sa­trieca veselā saprāta spriedumus. Viņi uzskatīja, ka abi postulāti nav savienojami un vismaz viens no tiem ir nepareizs. Savukārt Einšteinam šī problēma likās dzi­ļāka. Viņš sacīja: «Postulāti nav savienojami tikai tad, ja mēs pēc klasiskās teorijas uzskatām, ka garums un laiks ir absolūti.»

Kad Einšteins publicēja savu teoriju, viņš nezina ja, ka ari Lorencs domās gājis tādā pašā virzienā. Arī Ein­šteins saprata, ka garuma un laika mērījumiem jābūt

atkarīgiem no objekta un novērotāja kustības vienam attiecībā pret otru. Tomēr Lorencs palika pusceļā, jo absolūtā garuma un laika jēdzienus viņš attiecināja uz mierā stāvošiem ķermeņiem. Lorencs uzskatīja, ka tikai ētera vējš izmaina garuma un laika īsto vērtību. Ein- šteins spriedumos gāja līdz galam. «Nav ētera vēja,» viņš sacīja, «nav jēgas garuma un laika absolūtismam!» Šis pieņēmums ir Einšteina speciālās relativitātes teori­jas atslēga. Kad viņš sāka to izlietot, lēnām sāka at­vērties jebkura noslēpuma durvis.

Lai uzskatāmi izskaidrotu speciālo relativitātes teo­riju, Einšteins aprakstīja savu slaveno domu eksperi­mentu. Pa dzelzceļu ar lielu ātrumu brauc vilciens. Dzelzceļa stigas malā stāv novērotājs M. Iedomāsimies uz stigas vikiena kustības virzienā kādu punktu B un tada pat attālumā no novērotāja pretējā virzienā pun­ktu A. Pieņemsim, ka vienlaicīgi abos šajos iedomāta­jos punktos uzliesmo zibens. Novērotājs domās, ka tas noticis vienlaicīgi, 40 viņš abus uzliesmojumus pama­nīs vienā un tajā pašā acumirklī. Tā kā viņš atrodas tieši vidū starp punktiem A un B un gaismas ātrums ir konstants, viņš pieņems, ka abos punktos zibens uz­liesmojis vienlaicīgi.