Předpověď gravitačních vln

Einsteinova speciální teorie relativity

Na konci 19. století byla většina fyziků spokojena s existujícím popisem světa. Byli přesvědčeni, že fyzikální výzkum už není potřebný a jediné, co ještě zbývá, je dopracovat detaily. Problém spočíval v tom, že tyto "detaily" častokrát pozorované či ověřené při experimentech, nemohly být vysvětleny pomocí tehdy existujících teorií. Jeden z takovýchto "detailů" byla skutečnost, že experimenty vždy naměřily rychlost světla rovnou 300 000 km/s.

Podle každodenní zkušenosti se zdá, že rychlost světla by se měla měnit v závislosti na tom, jak rychle se pohybujete. Představte si auto s cedulí "Na prodej" jedoucí rychlostí 100 km/hod.

• osoba stojící nehybně na kraji cesty bude vidět auto projet kolem a cedule bude rozmazaná.
• osoba řídící hned vedle auto jedoucí stejnou rychlostí 100 km/hod se může podívat z okna a opsat z cedule třeba i takový detail jako telefonní číslo.
• osoba jedoucí autem rychlostí 100 km/hod v protisměru mine auto a pravděpodobně si ani nevšimne, že nějaká cedule na autě byla.

Rychlost jakou vidíme objekty se pohybovat závisí na rozdíle rychlostí jakou se pohybujeme my a druhá osoba/předmět.

• osoba stojící nehybně na kraji cesty vidí ceduli pohybovat se rychlostí 100km/hod.
  100 km/hod (cedule) - 0 km/hod (osoba) = 100 km/hod.

• osoba jedoucí hned vedle v autě vidí auto pohybovat se rychlostí 0 km/hod.
  100 km/hod (cedule) - 100 km/hod (auto) = 0 km/hod.

• osoba jedoucí v autě opačným směrem uvidí auto pohybovat se rychlostí 200 km/hod.
  100 km/hod (cedule) - (-100 km/hod) (auto) = 200 km/hod.

Proto vědci předpokládali, že budou-li měřit rychlost světla v různých směrech, získají různé hodnoty s ohledem na pozici Země na její dráze kolem Slunce. V roce 1895 Albert Michelson a Edward Morley uskutečnili tento experiment a překvapivě nezjistili žádný rozdíl v rychlostech světla v různých směrech.

Albert Einstein vyřešil tuto hádanku v roce 1905 tím, že navrhl, že rychlost světla - na rozdíl od rychlosti auta - je stejná nezávisle na tom, jakou rychlostí se pohybuje pozorovatel. Jinými slovy, jakkoliv rychle byste se pohybovali, nebudete o nic blíže k doběhnutí světelné vlny jako někdo, kdo stojí nehybně. Prvním zákonem speciální teorie relativity je tedy skutečnost, že rychlost světla je vždy stejná a nezávisí na rychlosti pozorovatele nebo zdroje světla.

Einstein si taktéž uvědomil, že ačkoliv lidé vidí objekty rozličně (např. rychlost cedule "Na prodej"), zákony fyziky musejí platit stejně pro všechny pozorovatele. Někdo jedoucí ve vlaku musí být schopen udělat ty samé experimenty a dostat ty samé výsledky jako někdo sedící v učebně. Nebylo-li by to tak, lidé by dostali rozporuplné odpovědi na děje v přírodě, závislé na jejich rychlosti, protože příroda se chová tak, jak se chová, a nebudou rozličné výsledky pozorování podle toho, kdo a odkud ji pozoruje. A proto druhý zákon Einsteinovy speciální teorie relativity říká, že fyzikální zákony nezávisí na rychlosti pozorovatele, pokud pozorovatel právě nezrychluje nebo nezpomaluje.

Zákony speciální teorie relativity

1. Rychlost světla je vždy stejná a nezávisí na rychlosti pozorovatele nebo zdroje světla.
2. Fyzikální zákony nezávisí na rychlosti pozorovatele, pokud pozorovatel právě nezrychluje nebo nezpomaluje.

Einstein poukázal na to, že jsou-li tyto zákony správné, tak rychlost musí být závislá na vzdálenosti a čase. Představte si dva lidi pozorující paprsek světla. Jestli jedna z osob nehybně stojí, rychlost světla se jí bude jevit rovna 300 000 km/s. Jestli je druhá osoba v kosmické lodi pohybující se rychlostí 200 000 km/s, také ona bude stále vidět světlo pohybovat se rychlostí 300 000 km/s. Jak může být něco takové možné? Jedině nejsou-li prostor a čas absolutní a neměnné.

Tradiční pohled na prostor a čas byl takový, že se jedná o neměnné a nezávislé veličiny. Podle Einsteinovy teorie však pohybující se objekt je kratší než nehybný. Podobně, pohybující se hodiny tikají pomaleji než když jsou v klidu. Einstein dospěl k závěru, že prostor a čas se dají výstižněji popsat jako jedna věc - časoprostor.