thumb|Albert Einstein i Hendrik Lorentz w 1921 r. w Lejdzie
Szczególna teoria względności (STW) – teoria fizyczna stworzona przez Alberta Einsteina w 1905 rokuSpekulowano o tym, że współautorką STW mogła być pierwsza żona Alberta Einsteina – Mileva Marić – jednak te hipotezy zostały odrzucone. Oprócz tego za współtwórcę STW podaje się czasami francuskiego matematyka Henriego Poincarégo. Rozwinął on teorię eteru Lorentza i wprowadził wiele elementów późniejszej STW. Mógł mieć wpływ na prace Einsteina, jednak ostatecznie ich nie zaakceptował.. Zmieniła ona sposób pojmowania czasu, przestrzeni i ruchu opisanych wcześniej w newtonowskiej mechanice, nazwanej potem nierelatywistyczną. Jednocześnie – zgodnie z zasadą korespondencji – mechanika Newtona pozostaje przybliżeniem (przypadkiem granicznym) tej Einsteina, a STW używa się głównie do opisu dużych prędkości, np. w fizyce cząstek elementarnych. Teoria Einsteina pozwoliła usunąć trudności interpretacyjne i sprzeczności pojawiające się na styku mechaniki, optyki i elektromagnetyzmu opracowanego przez Maxwella.
Najpóźniej od lat 30. XX w. STW jest teorią powszechnie zaakceptowaną i silnie potwierdzoną eksperymentalnie. Wyjaśniła wiele wcześniejszych doświadczeń, jak aberracja światła, eksperyment Fizeau i doświadczenie Michelsona-Morleya. Została też potwierdzona przez badania późniejsze, jak doświadczenie Kennedy’ego-Thorndike’a, doświadczenie Ivesa-Stillwella i inne. Przewidywane przez nią efekty, jak np. dylatacja czasu, są wykorzystywane m.in. w technologii GPS. STW opiera się m.in. na postulacie, że prędkość światła w próżni jest niezmienna. Jest to fakt poświadczony z precyzją tak dużą, że w 1983 roku Generalna Konferencja Miar przyjęła prędkość światła w próżni za podstawę definicji metra. Potwierdzeniem STW są też sukcesy opartych na niej teorii grawitacji i cząstek elementarnych. W ten sposób STW zastąpiła wcześniejsze teorie eteru, m.in. podobną do niej teorię eteru Lorentza. Teoria Einsteina wyeliminowała też konkurencyjne teorie emisyjne.
Szczególna teoria względności wywarła również wpływ na popkulturę. Przewidywany przez nią wzór stał się jednym z najbardziej znanych na świecie. Nawiązują do niego m.in. tytuły filmów fabularnych i albumów muzycznych (także polskich). Oprócz tego w twórczości science fiction – m.in. w powieści Powrót z gwiazd Stanisława Lema – pojawia się opisywana przez STW dylatacja czasu i powiązany paradoks bliźniąt, będące formą podróży w przyszłość.
Nazewnictwo Termin teoria względności został wprowadzony przez Plancka i Bucherera, a nazwa szczególna teoria względności pojawiła się później, kiedy Einstein pracował nad teorią ogólną. Wskazywano na niefortunność i potencjalną mylność tego terminu, zwł. w innych językach (niem. Relativitätstheorie, ang. theory of relativity). STW nie ma nic wspólnego z relatywizmem filozoficznym. Stojąca u jej podstaw zasada względności oznacza, że prawa fizyki są niezmiennicze i bezwzględne. Podobnie niezmiennicza jest prędkość światła w próżni, o czym mówi II postulat STW, a także interwał czasoprzestrzenny wprowadzony w geometrycznym formalizmie Minkowskiego.
Przesłanki powstania teorii
thumb|Aberracja światła odkryta przez Bradleya w 1728 r. W 1810 r. Arago odkrył, że aberracja, a przez to prędkość światła, jest taka sama dla różnych gwiazd i w różnych porach roku. To historycznie pierwsza przesłanka, że prędkość światła w próżni jest niezależna od ruchu obserwatora i źródła.
Przed XIX wiekiem W XVI w. Galileusz i inni zakwestionowali poglądy starożytnych, zwłaszcza Arystotelesa, wierzących w układ preferowany, w którym środek Wszechświata i położona w nim Ziemia spoczywają. Galileusz doszedł do wniosku, że prędkość i położenie ciała są względne. Z każdym przedmiotem można powiązać inny układ odniesienia. Obserwator nieruchomy względem takiego układu odnosi wrażenie, że on jest w spoczynku, podczas kiedy całe otoczenie porusza się, a jednocześnie osoba nieruchoma względem innego układu (np. stojąca na ziemi) dojdzie do zupełnie przeciwnych wniosków. Matematycznym zapisem względności położenia i prędkości jest transformacja Galileusza.
Galileusz był też prekursorem pierwszej zasady dynamiki Newtona. Wierzył – inaczej niż Arystoteles – że ciała swobodne poruszają się ruchem jednostajnym, a nie opóźnionym. Układy odniesienia, w których to zachodzi, nazwano potem układami inercjalnymi. Zgodnie z transformacjami Galileusza, istnienie jednego układu inercjalnego pociąga za sobą istnienie nieskończenie wielu, poruszających się względem niego i siebie nawzajem ze stałą prędkością.
Wśród tych nieskończenie wielu układów odniesienia żaden nie jest wyróżniony – prawa fizyki, np. mechaniki Newtona, przyjmują w nich identyczną postać. Przez to żaden eksperyment nie jest w stanie wskazać, w którym układzie inercjalnym jest obserwator. Ten ostatni fakt nazwano galileuszowską zasadą względności.
XIX i XX wiek Przesłanki optyczne thumb|Hipotetyczny wiatr eteru powodowany przez ruch Ziemi, Układu Słonecznego i całej Drogi Mlecznej względem eteru. Poszukiwanego wiatru nie znaleziono, co tłumaczono przez modyfikacje teorii eteru i przez teorie emisyjne. thumb|Równania Maxwella w pełnej postaci, z prądem przesunięcia w prawie Ampère’a (IV równanie). Nie spełniają one symetrii Galileusza, lecz symetrię Lorentza. W XIX wieku nowe badania ujawniły niedoskonałość mechaniki klasycznej. Zgodnie z transformacjami Galileusza oraz długo uznawaną korpuskularną teorią światła Newtona prędkość światła powinna zależeć od wzajemnego ruchu obserwatora i źródła. Obserwacje aberracji gwiazdowej przez François Arago w 1810 nie znalazły żadnych rozbieżnościWhat a drag: Arago’s Experiment (1810), dostęp 2017-11-11..
Obserwacje te wyjaśnił w 1818 roku Augustin Jean Fresnel w ramach falowej teorii światła, która m.in. z tego powodu stała się nowym paradygmatem w optyce. Jednak falowa teoria światła również miała problemy z mechaniką klasyczną. Wprowadzała układ preferowany – eter. W modelu Fresnela niemożliwe było wykrycie go przez aberrację światła i inne doświadczenia pierwszego rzędu – takie, których wyniki zależały od tylko pierwszej potęgi Ruch względem eteru miał być niemożliwy do wykrycia metodami mechanicznymi i optycznymi I rzędu, ale potencjalnie możliwy metodami optycznymi wyższych rzędów – łamiąc zasadę względności Galileusza. Oprócz tego Fresnelowskie wzory na transformację prędkości światła w ośrodku rozbiegały się z transformacjami Galileusza. Eksperyment Fizeau wydawał się potwierdzać model Fresnela (tzw. częściowe wleczenie eteru), naruszając zasadę względności i transformacje Galileusza.
Aby wykryć „wiatr eteru”, wykonano wiele doświadczeń II rzędu, które dały wynik negatywny, z których najbardziej znanym było doświadczenie Michelsona-Morleya z 1887. Okazało się, że – wbrew przewidywaniom fizyki klasycznej – światło biegnie w próżni z taką samą prędkością względem obserwatora niezależnie od układu odniesienia, także w II rzędzie.
Przesłanki elektrodynamiczne Nie tylko optyka, ale i elektrodynamika wydawała się łamać zasadę względności. Równania Maxwella opisują pole elektromagnetyczne i w swojej pełnej postaci zawierają w prawie Ampère’a człon opisujący prąd przesunięcia. Gwarantuje on zachowanie ładunku i przewiduje fale elektromagnetyczne. Prąd przesunięcia zniszczył symetrię Galileuszowską – transformacje Galileusza zawodziły w tym przypadku. Równania Maxwella wydawały się obowiązywać w tylko jednym układzie odniesienia, który utożsamiono z eterem.
Odpowiedzi teoretyczne Aby wyjaśnić doświadczenie Michelsona-Morleya, Fitzgerald w 1889 i niezależnie Lorentz w 1891 zaproponowali hipotezę kontrakcji – przyrządy pomiarowe na skutek ruchu względem eteru miały się skracać, co prowadzi do uzyskania zawsze tej samej wartości prędkości światła w próżni. Lorentz rozwinął tę hipotezę, proponując transformacje Lorentza i całą teorię eteru, wyjaśniającą wszystkie dotychczasowe doświadczenia. Oprócz tego te transformacje okazały się symetriami równań Maxwella – potencjalnie ratując zasadę względności w elektrodynamice.
Młody wówczas Albert Einstein prawdopodobnie wiedział o doświadczeniu Michelsona-MorleyaEinstein w latach 20., na wykładzie w Kioto, miał wspomnieć, że przy rozwijaniu STW wiedział o doświadczeniu Michelsona-Morleya. Później, w latach 50., udzielał wywiadu Shanklandowi, pytającemu m.in. o genezę STW. Einstein nie potrafił sobie przypomnieć, czy wtedy wiedział o tym doświadczeniu – sugerując, że nie. Ta druga opinia, sprzeczna z pierwszą, doprowadziła do licznych nieporozumień i badań nad genezą STW. Jednocześnie wskazała, że wyjaśnienie doświadczenia Michelsona-Morleya nie było główną motywacją Einsteina., pracach Lorentza i Poincarégo. Starał się pogodzić elektrodynamikę Maxwella z zasadą względności Galileusza. Próbował zmodyfikować elektrodynamikę, tak by prowadziła do emisyjnej teorii światła. Kiedy to się nie udało, Einstein postanowił zrewidować podstawy mechanikiJohn D. Norton, How Einstein did not discover, s. 254..
Postulaty szczególnej teorii względności Albert Einstein oparł swoje rozumowanie na dwóch postulatach: Zasadzie względności We wszystkich układach inercjalnych prawa fizyki są jednakowe – zarówno mechaniki, jak i elektrodynamiki. Niezmienniczość prędkości światła w próżni Dla wszystkich obserwatorów inercjalnych prędkość światła w próżni jest taka sama – we wszystkich kierunkach i nie zależy od prędkości źródła światła.
Alternatywne założenia szczególnej teorii względności, interesujące szczególnie z teoretycznego punktu widzenia, są oparte na następujących, prostszych założeniach: Zasada względności: „Wszystkie układy odniesienia poruszające się względem siebie ze stałą prędkością są równoważne”, założenie, że transformacja pomiędzy tak określonymi układami jest transformacją afiniczną (liniową).
Powyższe założenia pozwalają wyprowadzić ogólną postać transformacji pomiędzy układami inercjalnymi. Te transformacje okazują się mieć matematyczną postać transformacji Lorentza. Zawierają one w szczególności jeden parametr – stałą o wymiarze odwrotności prędkości. Należy ją interpretować jako odwrotność prędkości granicznej: maksymalnej prędkości, z jaką mogą poruszać się obserwatorzy, stałej we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Zerowa wartość tego parametru oznacza nieskończoną prędkość graniczną (brak prędkości granicznej) i prowadzi do transformacji Galileusza. Jeśli zamiast tego skorzysta się z równań Maxwella, to prędkość graniczna musi być równa prędkości światła w próżni.
Najważniejsze konsekwencje thumb|Rozchodzenie się światła w wagonie jadącego pociągu, w układzie odniesienia pasażera. Jeśli światło zostało wyemitowane pośrodku wagonu, to doleci do jego obydwu końców jednocześnie. thumb|Rozchodzenie się światła w wagonie jadącego pociągu, w układzie odniesienia torów lub stacji. Mimo że światło zostało wyemitowane pośrodku wagonu, to nie doleci do jego końców jednocześnie. Dwa postulaty Einsteina jednoznacznie prowadzą do transformacji Lorentza, a one – do dalszych przewidywań. Jeśli prędkości względne są porównywalne do prędkości światła w próżni to fizyczne wnioski z STW są różne od tych z mechaniki Newtona. Prędkość jest nieporównywalnie większa niż te, z którymi ludzie się spotkają na co dzień. Dlatego też niektóre konsekwencje szczególnej teorii względności są początkowo sprzeczne z intuicją: Względność jednoczesności – dwa zdarzenia określone przez jednego obserwatora jako jednoczesne, mogą nie być jednoczesne dla innego obserwatora.