Duzina, masa i brzina u STR

Kontrakcija dužine

Ako bi posmatrač na raketi A bio u mogućnosti da izmeri dužinu rakete B kada se one jedna prema drugoj kreću brzinom v, rezultat koji daju Lorencove transformacije kaže da će B izgledati kao da se skratila, a njena dužina biće data formulom:

 (1)

gde je L’ dužina koju A dobija za B, a L je stvarna dužina B, v njihova relativna brzina, a c brzina svetlosti.
Na slici (duzina.jpg) prikazana je zavisnost dužine rakete, koja je u mirovanju dugačka 100 metara, od njene brzine u odnosu na posmatrača. Sa grafika se vidi da će dužina rakete biti duplo manja pri brzini od 260.000 km/s.
Ista ova formula važi i ako posmatrač iz rakete B meri dužinu rakete A. Na rezultat ne utiče to da li se rakete udaljavaju jedna od druge ili se približavaju. Rezultat zavisi samo od njihove relativne brzine.

Efekat kontrakcije dužine zapaža se samo pri brzinama koje su približne brzini svetlosti. Kako su skoro sve brzine poznate na Zemlji, u svakodnevnom životu, nemoguće je zapaziti efekat kontrakcije. Ako bi se na primer avion kretao brzinom od 1.200 km/h u odnosu na posmatrača, na osnovu jednačine (1) može se izračunati da će se on skratiti za nekoliko milionitih delova milionitog dela centimetra, otprilike za prečnik jednog atomskog jezgra. Naravno, ovoliko malo skraćenje je nemoguće detektovati.

Porast mase sa brzinom

Sa povećanjem brzine ne menja se samo dužina, već posmatrač registruje i mnoge druge promene.

Pretpostavimo sada da rakete A i B imaju jednaku masu kada su na Zemlji i kada miruju jedna u odnosu na drugu. Neka masa raketa iznosi po 1.000 kg. Ako posmatrač iz rakete A meri masu rakete B kada se one relativno kreću, videće da se masa rakete B povećala i da je njen iznos dat formulom:

 (2)

gde je m’ vrednost koju A dobija za masu B, m je prvobitna masa B ili, kako se drugačije ona naziva, masa u mirovanju, v je njihova relativna brzina, a c brzina svetlosti. Na osnovu jednačine (2) dolazi se do zaključka da ako rakete A i B imaju masu od po 1.000 kg dok miruju na Zemlji, onda će kad se budu kretale relativno brzinom od 150.000 km/s izgledati da B ima masu od 1.200 kg posmatrano iz rakete A. Pri brzini od 260.000 km/s posmatrač iz rakete A izmeriće da B ima masu od oko 2.000 kg !

Naravno, treba imati u vidu to da porast mase ne znači da se predmet povećao u smislu fizičkih dimenzija (dužina, širina. visina), čak ne samo da se predmet nije povećao on je postao manji!

Sabiranje brzina

Neka se posmatraču istovremeno približavaju voz i automobil, i to oba brzinom od po 100 km/h u odnosu na posmatrača. Prema tome, ako bi posmatrač merio brzinu voza i automobila dobio bi da ta brzina iznosi tačno 100 km/h. I obrnuto ako bi mašinovođa ili vozač automobila merili svoju brzinu u odnosu na posmatrača dobili bi isti rezultat. Ali, ako bi mašinovođa izmerio svoju brzinu u odnosu na automobil dobio bi da ona iznosi 200 km/h, jer se i voz i automobil kreću u odnosu na nepokretnog posmatrača brzinom od 100 km/h. Isto važi i za vozača automobila, i on se u odnosu na voz kreće brzinom od 200 km/h. Ovakve situacije su vrlo česte u svakodnevnom životu i redovno se koristi jednačina:

v_AB = v_A + v_B (3)

gde je v_AB relativna brzina kojom se A kreće u odnosu na B (tj. brzina voza u odnosu na automobil, ili obrnuto), v_A i v_B je brzina A, tj. B, u odnosu na posmatrača.

Ako bi se posmatrač sada našao u sličnoj situaciji samo što bi umesto voza posmatrao svemirski brod A koji se kreće brzinom svetlosti, a umesto automobila drugi svemirski brod B koji bi putovao brzinom jednakoj polovini brzine svetlosti on bi lako odredio brzine ova dva svemirska broda. Piloti u brodovima takođe lako određuju svoje brzine u odnosu na posmatrača, ali šta će se desiti kada pilot jednog broda, npr. broda B, proba da odredi svoju brzinu u odnosu na drugi brod A? Vođen prethodnom logikom od bi dobio da brzina broda B u odnosu na A iznosi 1,5c, što je nemoguće prema II postulatu. U STR ne važi jednačina (3) već je neophodno naći novu formulu za sabiranje brzina koja će biti u saglasnosti sa postulatima i Lorencovim transformacijama. Taj novi zakon za određivanje relativnih brzina iskazan je formulom:

 (4)

gde su vA i vB relativne brzine kojima se A i B kreću prema nepokretnom posmatraču, a c je brzina svetlosti.
Za sve praktične primene jednačina (3) se može smatrati ispravnom kada su brzine znatno manje od brzine svetlosti, ali kada su brzine približne brzine svetlosti mora se koristiti jednačina (4).

Maksimalna moguća brzina

Od svih predviđanja koja proizilaze iz STR, verovatnije najčudnije je ono da postoji određena brzina preko koje se ništa ne može kretati. Na osnovu jednačine za kontrakciju dužine vidi se da kako brzina raste predmet postaje sve kraći, sve do onog trenutka dok brzina ne dostigne brzinu svetlosti, a tada je dužina jednaka nuli.

Ako pretpostavimo da brzina nastavi da raste, pod korenom bi se našao negativan broj. Kako je kvadratni koren iz negativnog broja imaginaran broj to znači da će i dužina predmeta biti imaginarna, tj. predmet neće postojati.
Slično je i sa masom tela, kako je brzina sve bliža brzini svetlosti masa ke sve veća. Onog trenutka kada bi telo dostiglo brzinu jednaku brzini svetlosti masa bi postala beskonačno velika.

Iz ovoga moguće je izvući samo jedan zaključak – brzina svetlosti je maksimalna moguća brzina. Nijedan predmet ne može putovati brže od svetlosti, jer ne samo što mu se dužina smanjuje na nulu nego će i njegova masa postati beskonačno velika. Ustvari, tačnije je reći da se materijalni predmeti koji su poznati u svakodnevnom životu nikada ne mogu kretati brzinom svetlosti jer bi njihova masa tada postala beskonačno velika, što znači da bi bilo potrebno beskonačno mnogo energije da se dovedu do te brzine.

Ekvivalentnost mase i energije

Najznačajnije predviđanje STR bilo je to da je srazmerno mala količina mase ekvivalentna ogromnoj količini energije. Danas je dobro poznato da je prvi ubedljiv dokaz ovog predviđanja bila eksplozija prve atomske bombe kod Alamogorda (Nju Meksiko, SAD) 16. jula 1945. godine.

Kako STR predviđa da sa porastom brzine raste i masa tela, zaključuje se da i energija tela mora da raste jer masivniji predmet ima veću energiju od lakšeg ako su im brzine jednake. Moguće je pokazati da je dodatna energija, koja je povezana sa dodatnom masom, jednaka porastu mase pomnoženim sa kvadratom brzine svetlosti. Na osnovu ovakvog razmišljanja Ajnštajn je zaključio da je sva masa povezana sa energijom, a ta veza data je njegovom čuvenom formulom:

 (5)

gde je E ekvivalentna energija, m masa tela, a c brzina svetlosti. Na primer, ako bi se u jednačinu uvrstio 1 kg uglja, za energiju se dobija 250 milijardi kilovat-časova, to je približno jednako energiji koju proizvedu sve elektrane u SAD za mesec dana. Kafena kašičica ugljene prašine bila bi dovoljna da najveći brod koji plovi okeanima nekoliko puta pređe rastojanje od Njujorka do Evrope i natrag.

Iz svakodnevnog života svima je poznato da se prilikom sagorevanja uglja oslobađa neuporedivo manja količina energije. Prilikom običnog sagorevanja uglja energija koja se oslobađa nastaje kao rezultat hemijskog procesa, dolazi samo do preuređivanja i novog vezivanja atoma i molekula, ali ne dolazi do merljive konverzije mase u energiju jer se ugalj pretvara u čađ, pepeo, dim, a ne nestaje. Kad bi se svi ovi krajnji produkti izmerili njihova ukupna masa opet bi bila 1 kg.