ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ

ΟΙ ΣΕΛΙΔΕΣ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΟΥΝ γράφηκαν για πρώτη φορά κατά τις θερινές διακοπές του 2003 με σκοπό την κάλυψη των αναγκών του πρώτου μέρους του μαθήματος ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ I που από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων μου είχε ανατεθεί να διδάξω κατά το ακαδημαϊκό έτος 2003 – 2004 και κυκλοφόρησαν υπό μορφή σημειώσεων με τον τίτλο Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας. Μετά την εφαρμογή του στην πράξη και ιδιαίτερα μετά την αλληλεπίδραση με τους φοιτητές που παρακολούθησαν το μάθημα, το κείμενο τροποποιήθηκε, εμπλουτίστηκε, διορθώθηκαν ορισμένα παροράματα της πρώτης έκδοσης και εμφανίζεται σήμερα ως ένα κατά το δυνατόν ολοκληρωμένο διδακτικό σύγγραμμα σε προπτυχιακό επίπεδο.
Ένα μάθημα Σύγχρονης Φυσικής αρχίζει παραδοσιακά με τη μελέτη της Θεωρίας της Σχετικότητας, δηλαδή του τρόπου με τον οποίο δύο παρατηρητές που κινούνται ο ένας σε σχέση με τον άλλο περιγράφουν τα φυσικά φαινόμενα. Τούτο συμβαίνει για πολλούς λόγους. Κατ’ αρχάς, η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας ήταν ο πρώτος κλάδος της μετά-νευτώνειας εποχής που ολοκληρώθηκε, ουσιαστικά στη μορφή που είναι γνωστή σήμερα. Τα νέα φαινόμενα που ανέδειξε άλλαξαν εκ βάθρων τον τρόπο σκέψης σε πολλούς τομείς της φυσικής και έριξαν νέο φως σε θεμελιώδεις έννοιες, όπως αυτές του χώρου, του χρόνου, της μάζας, της ενέργειας και του ηλεκτρο- μαγνητικού πεδίου. Από την άλλη πλευρά, πολλά από τα αποτελέσματα της Θεωρίας της Σχετικότητας – που συνήθως είναι δυνατόν
Ε ισ α γω γή στη Θ εω ρ ία τη ς Σχετικότητας
να εξαχθούν με μαθηματικές μεθόδους της στοιχειώδους άλγεβρας και του διαφορικού λογισμού – θα χρησιμοποιηθούν στην υπόλοιπη ύλη του μαθήματος που περιλαμβάνει στοιχεία της Κβαντικής Θεωρίας, της Ατομικής Φυσικής, της Πυρηνικής Φυσικής και του μικροκόσμου των Στοιχειωδών Σωματίων. Μια πρώτη ανασκόπηση των βασικών αρχών και αποτελεσμάτων της «θεωρίας των θεωριών», όπως έχει αποκληθεί η Θεωρία της Σχετικότητας, είναι επομένως χρήσιμη.
Η επιλογή της ύλης και των παραδειγμάτων από τους διάφορους κλάδους της φυσικής στις σελίδες που ακολουθούν έγινε με βάση δύο στόχους. Κατ’ αρχάς θέλησα να μεταφέρω στον αναγνώστη τις θεμελιώδεις έννοιες του χώρου, του χρόνου και των συμμετριών που αναδεικνύονται στα πλαίσια της Θεωρίας της Σχετικότητας και που είναι ξένες προς την καθημερινή του εμπειρία – προς αυτό που ονομάζουμε διαίσθηση ή «κοινό νου». Καθ’ όσον ο άνθρωπος είναι ουσιαστικά ένα τρισδιάστατο ον και στην καθημερινή του ζωή απαντά κατά κύριο λόγο σχετικά χαμηλές ταχύτητες, έννοιες όπως το φράγμα της ταχύτητας του φωτός, ο τετραδιάστατος χωροχρόνος, η ενοποίηση της μάζας και της ενέργειας σε ένα γενικότερο φυσικό μέγεθος, είναι εξαιρετικά δύσπεπτες. Η εμπέδωση επομένως των βασικών εννοιών της Θεωρίας της Σχετικότητας απαιτεί μεγάλη επιμονή και υπομονή.
Δεύτερος στόχος μου ήταν η ανάπτυξη των μαθηματικών τεχνικών που απαιτούνται ώστε μετά το τέλος του μαθήματος ο αυριανός επιστήμονας και ερευνητής να είναι σε θέση να πραγματοποιεί υπολογισμούς για την ποσοτική περιγραφή σχετικιστικών φαινομένων. Για το λόγο αυτό ένα μέρος του κειμένου ασχολείται με θέματα που εκ πρώτης όψεως ανήκουν στο χώρο των μαθηματικών.