Relativitātes teorija

Ar jēdzienu "relativitātes teorija" var saprast vai nu vienu no Einšteina relativitātes teorijas daļām, vai tās abas. 1905. gadā Alberts Einšteins formulēja savu speciālo relativitātes teoriju, savukārt 1915. gadā — vispārīgo relativitātes teoriju, kurā nu bija iekļauts arī gravitācijas apraksts.

Relatīvistiskā fizika 
Ķermeņu kustības un viļņu izplatīšanās ātrumi ir ierobežoti — tie nevar pārsniegt gaismas ātrumu vakuumā. Ja kustības ātrums ir ievērojami mazāks par gaismas ātrumu, tad šādu kustību apraksta klasiskās (Ņūtona) mehānikas likumi. 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā, detalizētāk izpētot elektromagnētiskos viļņus, tika secināts, ka gaismai nav piemērojams ātrumu saskaitīšanas likums un ka, ķermeņu ātrumam tuvojoties gaismas ātrumam, pastāv novirzes no otrā Ņūtona likuma. Piemēram, palielinoties elektronu ātrumam, to trajektorijas elektriskajos un magnētiskajos laukos mainījās tā, it kā šie elektroni kļūvuši inertāki, tas ir, palielinājusies to masa. Tātad Ņūtona mehānikas likumi nav universāli. Relatīviskā teorija (fizika) ir lielu ātrumu fizika. Speciālā relativitātes teorija nosaka inerciālo atskaites sistēmu mehāniku, vispārīgā relativitātes teorija aplūko arī neinerciālu kustību un gravitācijas mijiedarbību.

Speciālā relativitātes teorija 

Speciālā relativitātes teorija postulē, ka gaismas ātrums vakuumā visiem novērotājiem ir vienāds. Tas atrisināja Maikelsona—Morlija eksperimenta radīto mīklu — netika pierādīts, ka gaisma pārvietojas pa kādu noteiktu vidi (visi zināmie viļņi pārvietojās pa vidi: cietu vielu, šķidrumu vai gāzi). Ņūtona klasiskā mehānika nepieļāva, ka gaisma varētu nepārvietoties pa vidi un ka tās ātrums varētu būt absolūts neatkarīgi no novērotāja ātruma, bet Einšteinam izdevās radīt teoriju, kas to pieļāva. Tas nozīmēja daudzu būtisku fizikas jēdzienu pārdefinēšanu — pilnīgi mainījās priekšstati par laiku, telpu, masu, enerģiju, attālumu, kustības daudzumu. Atklājās, ka masa un enerģija būtībā ir ekvivalenti, ātrums izliec laiku, gaismas ātrums ir lielākais iespējamais ātrums, objekti, kas pārvietojas, šķiet smagāki un ir saspiesti pārvietošanās virzienā, gaismai piemīt kustības daudzums, divi notikumi, kas vienam novērotājam šķiet notiekam vienlaicīgi, var šķist notiekam ar laika starpību novērotājam, kas pārvietojas attiecībā pret pirmo novērotāju. Speciālā relativitātes teorija satrieca visus zinātnes pasaules pamatus. Tajā tomēr vēl nebija ietverta gravitācija.

Speciālā relativitātes teorija matemātiski balstās uz Lorenca transformāciju. Einšteina skaidrojums balstījās uz divām aksiomām: pirmkārt, ka dabas likumiem jābūt vienādiem visiem novērotājiem, kas noteiktā ātrumā pārvietojas attiecībā viens pret otru (šī ideja bija jau Galilejam, tāpēc to sauc par Galileja—Einšteina relativitātes principu), un, otrkārt, ka gaismas ātrumam jābūt vienādam visiem novērotājiem. Speciālā relativitāte noraidīja uzskatu, ka laiks un izmēri ir absolūti.

Viena no speciālās relativitātes spēcīgajām pusēm ir tā, ka nepieciešams pieņemt tikai dažas viegli saprotamas premisas: 
 gaismas ātrums vakuumā ir konstants; 
 fizikas likumi ir vienādi visiem novērotājiem inerciālās atskaišu sistēmās; 
 saglabājas kauzalitāte — cēloņi vienmēr notiek pirms to sekām.

Vispārīgā relativitātes teorija 

Vispārīgā relativitātes teorija nodemonstrēja gravitācijas teoriju, kas pilnībā nomainīja Ņūtona gravitācijas teoriju. Matemātiski tā balstījās uz diferenciālo ģeometriju un tensoriem. Vispārīgā relativitāte noteica, ka visi novērotāji ir vienlīdzīgi, ne tikai tie, kas pārvietojas ar noteiktu ātrumu. Gravitācija atšķirībā no Ņūtona apgalvotā vairs netiek uzskatīta par spēku, bet gan par laiktelpas izliekuma sekām. Vispārīgā relativitāte postulē, ka masas un enerģijas klātbūtne izliec laiktelpu, un šis izliekums ietekmē daļiņu, pat gaismas, ceļu. Šī teorija ir pamatā kosmoloģijas Standartmodeļa izveidei.

 
Kosmoloģija