Efekty relatywistyczne w zasięgu ręki?
Prędkość nazywana prędkością światła, jest równa m/s. Dokładnie, bo metr jest zdefiniowany za jej pomocą i z wykorzystaniem wzorca sekundy. To, w porównaniu z prędkościami, których doświadczamy, bardzo, bardzo dużo. Na przykład samolot myśliwski o długości 10 metrów, lecący z prędkością km/s, skróci się lorentzowsko przez czynnik czyli o pięć angstremów, a więc długość odpowiadającą pojedynczej cząsteczce paliwa lotniczego.
Jak widać, mierzalne efekty relatywistyczne wydają się dla zwykłego śmiertelnika nieobserwowalne.
A jednak, podobnie jak monsieur Jourdain nie zdawał sobie sprawy, że mówi prozą, tak my możemy nie wiedzieć, że efekty relatywistyczne własnoręcznie wielokrotnie badaliśmy.
Zacznijmy od eksperymentu myślowego. Wyobraźmy sobie dwa bardzo długie, położone bardzo blisko siebie i bardzo wąskie taśmociągi, poruszające się przeciwbieżnie z prędkościami i Na taśmociągach umocowane są, w jednakowych odstępach ładunki na tym poruszającym się w prawo oraz na tym poruszającym się w lewo. Liniowa gęstość ładunku taśmociągów wynosi więc oraz Z odpowiednio dużej odległości taśmociągi są równoważne prądowi o sumarycznej gęstości liniowej
Następnie umieśćmy, w odległości od tak skonstruowanego „przewodnika” z prądem, spoczywający ładunek próbny Na ładunek ten nie będzie działać żadna siła ze strony „przewodnika”, bo sumaryczna liniowa gęstość ładunku jest, z konstrukcji, zerowa.
A teraz spójrzmy na tę sytuację z układu, który porusza się w prawo z prędkością W układzie tym dodatnio naładowany taśmociąg spoczywa. Ponieważ prędkości taśmociągów są niewielkie, to spróbujmy opisać tę sytuację za pomocą transformacji Galileusza. Zgodnie z nią prędkości po prostu się dodają. Wtedy ujemnie naładowany taśmociąg porusza się z prędkością a więc sumaryczna gęstość prądu wynosi tyle samo co poprzednio (natężenie prądu nienaładowanego przewodnika jest niezmiennikiem transformacji Galileusza):
Gęstość ładunku również nie ulega zmianie, bo transformacja Galileusza na nią nie wpływa.
Ponieważ jednak ładunek próbny porusza się obecnie z prędkością więc okazuje się, że działa na niego siła (odpychająca, tak jak między przewodnikami o przeciwnych kierunkach prądu):
Nie jest dobrze. Rozpatrywane układy są inercjalne. Jeśli w jednym nie działa siła, to (w zgodzie z doświadczeniem) w drugim także działać nie może.
Spróbujmy temu zaradzić za pomocą transformacji Lorentza. Zgodnie z nią prędkości dodają się trochę inaczej. Jeżeli układ primowany porusza się względem nieprimowanego z prędkością to (równoległa do i skierowana w tę samą stronę) prędkość w układzie nieprimowanym przejdzie na
Oprócz tego poruszające się (względem jakiegoś układu inercjalnego) z prędkością ciała ulegają skróceniu (w tym układzie) o czynnik
wzdłuż kierunku ruchu, co w naszym przypadku powoduje wzrost gęstości liniowej ładunku o czynnik (bo skracający się odstęp jest w mianowniku).
Teraz należy uważać (ale tylko przez chwilę). Jeżeli popatrzymy na taśmociąg z układu, w którym taśmociąg spoczywa, to zmierzymy gęstość ładunku która z gęstością ładunku w układzie początkowym (tym opisanym na początku) jest związana warunkiem natomiast gęstość prądu warunkiem Oczywiście, musi to być prawda dla dowolnej prędkości poruszania się danego taśmociagu (tu dla dodatnio naładowanego):
Bezpośrednim rachunkiem można sprawdzić następujące równości:
Łatwo wtedy wykazać (podstawiając i porządkując), że pod wpływem opisanych wyżej transformacji z układu początkowego do układu poruszającego się z względną prędkością (układu primowanego), kombinacja przekształca się analogicznie do kombinacji czasu i położenia
Dzięki temu możemy dokładną analizę zaaranżowanej sytuacji pozostawić Czytelnikowi i po prostu (znając oraz ) obliczyć sumaryczną gęstość (liniową) ładunku oraz sumaryczną gęstość (liniową) prądu w układzie primowanym:
co daje następujące wartości siły elektrycznej (przyciągającej dla bo jest wtedy ujemne) oraz siły magnetycznej (odpychającej, jak poprzednio):
gdzie a jest wartością ładunku próbnego w układzie primowanym (nie musimy wnikać w to, jaka jest jego wartość). Siły te się znoszą, o ile To, dla wychowanych na układzie SI, nie musi być oczywiste, ale przecież przenikalności dielektryczna i magnetyczna próżni to tylko przeliczniki jednostek właśnie przez tę relację zdefiniowane!
Uzmysławiamy sobie w ten sposób, że elektromagnetyzm klasyczny jest teorią relatywistyczną. Wszelkie klasyczne efekty magnetyczne można wyjaśnić za pomocą szczególnej teorii względności. Paradoksalnie jednak, takie proste rozważania sprawdzają się tylko dla niewielkich prędkości (dopóki można nie uwzględniać efektów związanych ze skończoną prędkością światła).
Efekty magnetyczne są mierzalne, bo oddziaływanie elektromagnetyczne jest dużo silniejsze niż grawitacyjne, które determinuje naszą codzienną wrażliwość, oraz dlatego, że dość łatwo zaaranżować sytuację, w której ładunki się poruszają, ale są zbilansowane.
W każdym razie, ilekroć przyczepiamy magnesikiem przypominajkę do lodówki, tylekroć doświadczalnie potwierdzamy szczególną teorię względności.