Εισαγωγή

Στο κεφάλαιο αυτό θα κάνομε μια σύντομη εισαγωγή στην Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, που όπως γνωρίζετε διατυπώθηκε απο τον Αlbert Einstein στις αρχές του 20oυ αιώνα. Θα ήθελα απο την αρχή να τονίσω κάτι που ελπίζω να γίνεται όλο και πιό σαφές στην πορεία. Η Θεωρία της Σχετικότητας δεν ειναι απλά μια θεωρία όπως πολλές που έχουν διατυπωθεί για να ερμηνεύσουν κάποια επι μέρους φαινόμενα. Η Θεωρία της Σχετικότητας έχει πολύ σημαντικές και αδιαφιλονίκητες συνέπειες. Μας περιγράφει τις ιδιότητες του χώρου και του χρόνου για σχετικά μικρές χωροχρονικές αποστάσεις, τέτοιες που να μπορούμε να αγνοήσομε το βαρυτικό πεδίο. Είναι τόσο γενική, με τόσο βαθειές συνέπειες στην αντίληψή μας για το χώρο και το χρόνο που ζούμε και τόσο εξαντλητικά επαληθευμένη πειραματικά ², ώστε δικαίως συνετέλεσε στην ανακήρυξη του βασικού δημιουργού της Einstein ως της προσωπικότητας του εικοστού αιώνα ³.


Η ανεπάρκεια της μηχανικής του Νεύτωνα

Δεν χρειάζεται μεγάλη προσπάθεια για να πειστεί κανείς οτι η θεωρία του Νεύτωνα δεν μπορεί να αποτελεί θεμελειώδη θεωρία περιγραφής της φύσης. Αρκεί να προσπαθήσει να περιγράψει μια οποιαδήποτε πυρηνική διάσπαση. Ας πάρομε για παράδειγμα μία από τις αντιδράσεις που συμβαίνουν συνεχώς μέσα στον 'Ηλιο:

$$^{13}_7N \rightarrow ^{13}_6C + e^+ + \nu_e$$ (1)

κατά την οποία ένα ακίνητο άτομο αζώτου μετατρέπεται στα σωμάτια του δευτέρου μέλους που παράγονται με μη μηδενικές ταχύτητες, ή μία τυπική αντίδραση διάσπασης του ραδιενεργού ουρανίου με εκπομπή ακτίνας α (πυρήνα του στοιχείου ηλίου)

$$^{238}_{92}U \rightarrow ^{234}_{90}Th + ^4_2He$$ (2)

Τέτοιες αντιδράσεις συμβαίνουν διαρκώς σε κάθε αστέρα, σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, κ.ο.κ. Ο Νεύτωνας μας δίδαξε οτι η ορμή και η ενέργεια ενός ελεύθερου σώματος μάζας M που κινείται με ταχύτητα v δίδονται απο τους τύπους

$${\bf p}=M{\bf v} \;\;,\;\;\; E={1\over 2}Mv^2$$ (3)

αντίστοιχα. Επίσης έχετε μάθει οτι η ενέργεια και η ορμή ενός κλειστού συστήματος διατηρείται. Η ύπαρξη στη Φύση αντιδράσεων σαν τις προαναφερθείσες συνεπάγεται οτι ο παραπάνω τύπος για την ενέργεια δεν είναι σωστός. Πράγματι, με βάση τον τύπο αυτό η ενέργεια του συστήματος πριν τη διάσπαση είναι μηδέν, ενώ μετα είναι μη μηδενική. 'Αρα η ενέργεια υπολογισμένη με τον τύπο (3) δεν διατηρείται, και επομένως ο τύπος αυτός είναι λάθος ⁴. Υπάρχει και άλλο επιχείρημα που οδηγεί στο ίδιο συμπέρασμα. Γνωρίζετε οτι τα φωτόνια, τα κβάντα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, είναι σωμάτια με μάζα μηδέν και κινούνται με πεπερασμένη ταχύτητα. Επίσης γνωρίζετε οτι τα φωτόνια μεταφέρουν ενέργεια και ορμή. Το φως του ήλιου μας ζεσταίνει. 'Αν όμως χρησιμοποιήσετε τους παραπάνω τύπους θα καταλήξετε στο οτι η ενέργεια και η ορμή του φωτονίου μηδενίζονται. Δεν θα αναφέρω εδώ άλλα παραδείγματα. Ελπίζω να έχετε πειστεί οτι η νευτώνεια μηχανική δεν είναι πλήρης και αφήνει ανεξήγητα μια σειρά από φυσικά φαινόμενα. Αντ' αυτού, θα προχωρήσω στην βήμα-βήμα άρση των παραπάνω παραδόξων, και στη διατύπωση των σωστών εκφράσεων για την ενέργεια και την ορμή των σωμάτων, που είναι συμβιβαστές και με την παρατήρηση των φαινομένων αυτών.