Specijalna teorija relativnosti se bazira na dva Ajnštajnova postulata:
1) Princip relativnosti važi u svim inercijalnim sistemima.
2) Brzina svetlosti ima uvek istu vrednost, bez obzira u kom sistemu se meri.
Sve je relativno
Video čas
Galileov princip relativnosti
Niko ne može utvrditi da li se kreće ravnomerno pravolinijski ili miruje, sve dok ne uporedi svoj položaj sa nekim drugim telom. Svi zakoni fizike bez razlike važe i u sistemu koji relativno miruje kao i u sistemu koji se kreće ravnomerno pravolinijski.
Klasično sabiranje brzina
Brzina koju meri posmatrač u sistemu koji miruje, jednaka je vektorskom zbiru brzine tela koju meri posmatrač u sistemu koji se kreće i brzine samog inercijalnog sistema u odnosu na posmatrača koji miruje.
Ono što bi za posmatrača u automobilu bio vertikalni hitac, za posmatrača sa strane bio bi kosi hitac. Na vertikalnu komponentu brzine hica (jedinu koju vidi posmatrač u automobilu), posmatrač sa strane bi dodao i horizontalnu komponentu brzine, koja potiče od horizontalne brzine automobila.
Brzina svetlosti
1865. godine James Clerk Maxwell je objavio rad “Dinamička teorija elektromagnetnog polja” kojim je uspeo da objasni i poveže elektricitet, magnetizam i svetlost. Ovaj rad je predvideo pojavu radio talasa i objasnio mnoge talasne efekte, koji su ranije primećeni. Dao je i jednačinu za izračunavanje brzine svetlosti:
$$ c=\frac{1}{\sqrt{\mu _{0}\epsilon _{0} } } $$
μ0 i ε0 su karakteristike sredine (vakuum-a)
Ova jednačina daje rezultat C = 300.000 km/s što odgovara izmerenim vrednostima za brzinu svetlosti u vakuum-u. Međutim, nigde se ne govori u odnosu na šta je izračunata brzina svetlosti?
Prvi mogući odgovor bio je predlog da se ustanovi postojanje apsolutne supstance koja ispunjava ceo svemir i apsolutno miruje. Ova hipotetička supstanca nazvana je “etar”. U slučaju da “etar” postoji, brzina svetlosti u odnosu na “etar” bila bi uvek ista – 300.000 km/s. Ova pretpostavka je povlačila za sobom jednu katastrofalnu posledicu – brzina svetlosti, u odnosu na neko drugo telo koje se kreće kroz “etar”, bi imala neku drugu vrednost, na osnovu klasičnog zakona sabiranja brzina.
Pretpostavimo da se nalazite u unutrašnjosti broda koji mirno plovi. Svi prozori su zatvoreni i ne vidite ni jedno drugo telo van broda. Na osnovu Galileovog principa relativnosti, ne postoji ništa što bi mogli da uradite pa da sa sigurnošću utvrdite da li se brod kreće ravnomerno pravolinijski ili miruje. Pa ipak, ako se svetlost uvek kreće istom brzinom u odnosu na “etar”, onda će zrak svetlosti koji uperite u smeru kretanja broda putovati sporije u odnosu na vas c-v (vi, zajedno sa brodom jurite za emitovanim zrakom svetlosti), nego zrak svetlosti koji uperite u suprotnom smeru od smera kretanja broda c+v (vi, zajedno sa brodom bežite od emitovanog zraka svetlosti), gde je v je brzina broda u odnosu na “etar”. To bi značilo da pomoću jednostavnog eksperimenta u unutrašnjosti broda, ipak možete utvrditi da li se krećete ili ne. Galileov princip relativnosti to strogo zabranjuje. Da li to znači da Galileov princip relativnosti više ne važi?
Narednih četrdesetak godina fizičari su pokušavali da dokažu postojanje “etra” i na taj način objasne rezultat Maxwell-ove jednačine za brzinu svetlosti, Iako bi to značilo napuštanje Galileovog principa relativnosti.
Michelson – Morley ogled
Najpoznatiji ogled, koji je imao za cilj da dokaže postojanje apsolutnog prostora – “etra”, izveli su Michelson i Morley. U tu svrhu su konstruisali posebnu napravu, koja je mogla da zabeleži putnu razliku između svetlosnog zraka koji se kreće u smeru kretanja Zemlje i onog koji se kreće u pravcu normalnom na pravac kretanja Zemlje. Ako je brzina svetlosti konstantna u odnosu na “etar” tada ogledalo, koje se kreće zajedno sa Zemljom u smeru kretanja zemlje, “beži” od svetlosnog zraka, koji je stoga prinuđen da pređe veći put nego zrak koji se kreće normalno na pravac kretanja Zemlje.
Bez ozira na brojna ponavljanja ogleda i usavršavanja aparature, putne razlike nije bilo. Brzina svetlosti je bila ista u odnosu na oba ogledala. Ovo je moglo da znači samo jedno – Maxwell-ov rezultat za brzinu svetlosti se nije odnosio na “etar” kao referentni sistem – “etar” ne postoji.
Albert Ajnštajn (Albert Einstein) – teorija relativnosti
Galileov princip relativnosti nalaže da se svako kretanje određuje u odnosu na neko referentno telo. Šta koristiti kao referentno telo za brzinu svetlosti, tako da se uvek dobije rezultat c= 300.000 km/s? Ajnštajnov odgovor na ovo pitanje bio je krajnje jednostavan – ništa. Brzina svetlosti je posebna, ona je uvek ista, bez obzira u odnosu na šta se meri. Na ovaj način Ajnštajn je sačuvao i Galileov princip relativnosti i Maxwell-ovu teoriju elektrodinamike. Ali sa kakvim posledicama po dotadašnje poimanje fizike, naročito prostora i vremena?