θεμέλια της σχετικότητας του Αϊνστάιν

— Εκτός από την κίνηση των υλικών σωμάτων, που ρυθμίζεται από τους νόμους της μηχανικής, υπάρχουν στη φύση και φαινόμενα κυματοειδούς τύπου. Ανάμεσα σ’ αυτά, τα ηχητικά κύματα μπορούν να αναχθούν σε τελευταία ανάλυση στην κίνηση των σωματιδίων (μορίων) της ύλης, που αποτελούν το μέσο μέσα στο οποίο μεταδίνεται το κύμα. Η ταχύτητα όμως μετάδοσης του ήχου μέσα σ’ ένα μέσο, που βρίσκεται σε ηρεμία, δεν εξαρτιέται από την ταχύτητα της πηγής. Είναι γνωστό π.χ. ότι ένα υπερηχητικό αεροπλάνο αφήνει πίσω του τον ήχο που προκάλεσε σε προηγούμενη στιγμή, ήχο που μεταδίνεται με την ταχύτητα του ήχου ανεξάρτητα από την ταχύτητα του αεροπλάνου. Από το άλλο μέρος, για έναν παρατηρητή που βρίσκεται σε κίνηση σε σχέση με το μέσον, η ταχύτητα μετάδοσης του ήχου είναι διαφορετική, ανάλογα με την ταχύτητα που έχει ο παρατηρητής. Είναι φανερό π.χ. ότι ένας παρατηρητής, που κινείται με την ταχύτητα του ήχου, δε θα μπορέσει να αντιληφθεί ένα ήχο, που μεταδίνεται προς την ίδια κατεύθυνση πίσω του, γιατί ο ήχος τον κυνηγά χωρίς να τον φτάνει: στην περίπτωση αυτή η ταχύτητα του ήχου σε σχέση με τον παρατηρητή είναι μηδενική. Στην περίπτωση των κυμάτων φωτός ή γενικότερα των ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών οποιουδήποτε μήκους κύματος, ανάλογη εξέταση οδηγεί σε πολύ διαφορετικές συνέπειες. Πρώτα απ’ όλα το φως μεταδίνεται μέσα από το κενό και επομένως είναι αδύνατο να αναχθούν οι νόμοι μετάδοσης του σε μηχανικές ιδιότητες της ύλης. Ως τα τέλη του περασμένου αιώνα, είχε γίνει δεκτό ότι το φως διαδίνεται σε ένα μέσο, τον αιθέρα, που είχε ιδιαίτερες ιδιότητες και διαφορετικές από την κοινή ύλη. Ανάλογα με ό,τι συμβαίνει με τη μετάδοση του ήχου μέσα σ’ ένα υλικό μέσο, η ταχύτητα μετάδοσης του φωτός μέσα στον υποθετικό αιθέρα γίνεται ανεξάρτητα από την κίνηση της πηγής. Αυτό μπορεί να συναχθεί π.χ. από την παρατήρηση του φωτός που εκπέμπουν οι διπλοί αστέρες, φωτός που χρειάζεται τον ίδιο χρόνο για να φτάσει στη Γη, ανεξάρτητα από την ταχύτητα των άστρων που το εξέπεμψαν. Αν επομένως ο αιθέρας είναι ένα μέσο που δεν έλκεται από την ύλη κατά την κίνησή της, πρέπει να περιμένουμε ότι ένας παρατηρητής, που βρίσκεται σε κίνηση σε σχέση με τον αιθέρα, θα βρει για την ταχύτητα του φωτός διαφορετική τιμή από εκείνη που θα μετρήσει ένας παρατηρητής που βρίσκεται σε ηρεμία σε σχέση με αυτόν. Με άλλα λόγια, σύμφωνα με τη θεωρία του αιθέρα, μια φωτεινή ακτίνα θα χρειαζόταν περισσότερο χρόνο για να φτάσει σ’ ένα παρατηρητή που κινείται προς την ίδια κατεύθυνση μ’ αυτήν, από όση χρειάζεται για να φτάσει σ’ ένα παρατηρητή που κινείται προς συνάντηση της. Η υπόθεση αυτή σημαίνει, πρέπει να το τονίσουμε, ότι για τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα δεν έπρεπε να ισχύει η αρχή της σχετικότητας του Γαλιλαίου, με την έννοια ότι θα μπορούσαμε να μετρήσεις με οπτικά πειράματα την ομοιόμορφη ευθύγραμμη κίνηση ενός συστήματος σε σχέση με τον αιθέρα. Ακόμα και δυο αδρανειακά συστήματα δε θα ήταν πια ισοδύναμα μεταξύ τους, γιατί η ταχύτητα του φωτός θα ήταν διαφορετική στο καθένα τους. Αυτό φυσικά δεν αληθεύει για τα ηχητικά κύματα, αφού αυτά αντιστοιχούν, σε τελευταία ανάλυση, σε κυματοειδείς κινήσεις υλικών σωματιδίων, για τα οποία η αρχή της σχετικότητας ισχύει πάντα. Το αποφασιστικό πείραμα, που έκανε να καταπέσει η θεωρία του αιθέρα και συγχρόνως έθεσε τις βάσεις της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, το έκαναν ο Μίκελσον και ο Μόρλεϋ το 1881 και κατόπιν το επανέλαβε μόνος ο Μίκελσον με ακριβέστερα όργανα, με τα οποία πέτυχε οριστική επιβεβαίωση του αρχικού αποτελέσματος. Το πείραμα αυτό είχε σκοπό να αποδείξει την κίνηση της Γης σε σχέση με τον αιθέρα μετρώντας μ’ ένα συμβολόμετρο τη διαφορά του διαστήματος που είχαν διατρέξει σε ίσους χρόνους δύο φωτεινές ακτίνες που εκπέμπονταν προς διαφορετικές κατευθύνσεις και επομένως, κατά τη θεωρία, είχαν διαφορετικές ταχύτητες. Αντίθετα προς κάθε πρόβλεψη δε μετρήθηκε καμιά διαφορά, όποια κι αν ήταν η κατεύθυνση της μετάδοσης των δύο ακτίνων σε σχέση με την κατεύθυνση της ταχύτητας της Γης στην κίνησή της γύρω από τον Ήλιο. Το πείραμα οδήγησε επομένως στο συμπέρασμα ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό ήταν πάντα η ίδια προς όλες τις κατευθύνσεις, ανεξάρτητα από την κίνηση της Γης. Έτσι βρεθήκαμε μπροστά στο εξής παράδοξο: από το ένα μέρος η ανεξαρτησία της ταχύτητας του φωτός από την κίνηση της πηγής βεβαίωνε ότι ο αιθέρας δεν ελκυόταν από την πηγή, και, από το άλλο, η ανεξαρτησία της ταχύτητας του φωτός από την κίνηση του παρατηρητή συμβιβαζόταν μόνο με την υπόθεση, ελάχιστα πιθανή καθ’ αυτήν, ότι ο αιθέρας ελκυόταν απόλυτα στην κίνησή του από τη Γη. Η υπόθεση της έλξης του κοσμικού αιθέρα οπωσδήποτε αποκλείστηκε, γιατί ήταν ασυμβίβαστη με το φαινόμενο των απλανών αστέρων. Έπειτα από διάφορες απόπειρες (Λόρεντζ), τη λύση του προβλήματος πρότεινε ο Αϊνστάιν με τη διατύπωση μιας θεωρίας στηριζόμενης στην εγκατάλειψη της έννοιας του κοσμικού αιθέρα και την παραδοχή δύο βασικών αξιωμάτων: το πρώτο βεβαιώνει ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή σε όλα τα συστήματα αναφοράς που βρίσκονται σε ομοιόμορφη σχετική κίνηση μεταξύ τους· το δεύτερο βεβαιώνει τη γενική αρχή σχετικότητας για όλα τα φυσικά φαινόμενα, από ταμηχανικά ως τα ηλεκτρομαγνητικά. Οι συνέπειες των αξιωμάτων αυτών αποτελούν τη θεωρία της ειδικής ή περιορισμένης σχετικότητας.