Η ειδική θεωρία της σχετικότητας, που δημοσιεύτηκε το 1905 από τον Αϊνστάιν και μια σημαντική γενίκευση ορισμένων προηγούμενων υποθέσεων, είναι μία από τις πιο συναρπαστικές και συζητημένες στη φυσική.
Πράγματι, είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι όταν ένα αντικείμενο κινείται με ταχύτητα σχεδόν φωτός, οι φυσικές διεργασίες αρχίζουν να προχωρούν γι' αυτό με έναν εντελώς ασυνήθιστο τρόπο: το μήκος του μειώνεται, η μάζα του αυξάνεται και ο χρόνος επιβραδύνεται. Αμέσως μετά τη δημοσίευση, άρχισαν προσπάθειες απαξίωσης της θεωρίας, οι οποίες συνεχίζονται και σήμερα, αν και έχουν περάσει περισσότερα από εκατό χρόνια. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, γιατί το ερώτημα για το τι είναι η ώρα ανησυχούσε για πολύ καιρό την ανθρωπότητα και τραβούσε την προσοχή όλων.
Τι είναι σχετικισμός
Η ουσία της σχετικιστικής μηχανικής (είναι επίσης η ειδική θεωρία της σχετικότητας, εφεξής SRT) και η διαφορά της από την κλασική μηχανική εκφράζεται έντονα με την άμεση μετάφραση του ονόματός της: λατινικό relativus σημαίνει "συγγενής". Το SRT υποστηρίζει το αναπόφευκτο της διαστολής του χρόνου για ένα αντικείμενο καθώς κινείται σε σχέση με έναν παρατηρητή.
Η διαφοράαυτής της θεωρίας, που προτάθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, από τη Νευτώνεια μηχανική και έγκειται στο γεγονός ότι όλες οι συνεχιζόμενες διεργασίες μπορούν να θεωρηθούν μόνο σχετικές μεταξύ τους ή με κάποιον εξωτερικό παρατηρητή. Πριν περιγράψουμε τι είναι η σχετικιστική χρονική διαστολή, είναι απαραίτητο να εμβαθύνουμε λίγο στο ζήτημα του σχηματισμού της θεωρίας και να προσδιορίσουμε γιατί η διατύπωσή της έγινε δυνατή και μάλιστα υποχρεωτική.
Η προέλευση της σχετικότητας
Στα τέλη του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες κατάλαβαν ότι ορισμένα πειραματικά δεδομένα δεν ταιριάζουν στην εικόνα του κόσμου με βάση την κλασική μηχανική.
Οι θεμελιώδεις αντιφάσεις οδήγησαν σε προσπάθειες συνδυασμού της μηχανικής του Νεύτωνα με τις εξισώσεις του Maxwell που περιγράφουν την κίνηση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο κενό και τα συνεχή μέσα. Ήταν ήδη γνωστό ότι το φως είναι ακριβώς ένα τέτοιο κύμα, και θα έπρεπε να ληφθεί υπόψη στο πλαίσιο της ηλεκτροδυναμικής, αλλά ήταν εξαιρετικά προβληματικό να διαφωνήσουμε με την οπτική και, το πιο σημαντικό, τη μηχανική δοκιμασμένη στο χρόνο.
Η αντίφαση, ωστόσο, ήταν προφανής. Ας υποθέσουμε ότι ένα φανάρι είναι στερεωμένο μπροστά από ένα κινούμενο τρένο, το οποίο λάμπει προς τα εμπρός. Σύμφωνα με τον Newton, οι ταχύτητες του τρένου και το φως που προέρχεται από το φανάρι πρέπει να αθροίζονται. Οι εξισώσεις του Maxwell σε αυτή την υποθετική κατάσταση απλώς «έσπασαν». Χρειαζόταν μια εντελώς νέα προσέγγιση.
Ειδική Σχετικότητα
Θα ήταν λάθος να πιστεύουμε ότι ο Αϊνστάιν επινόησε τη θεωρία της σχετικότητας. Μάλιστα, στράφηκε στα έργα και τις υποθέσεις επιστημόνων που εργάστηκαν πριν από αυτόν. Ωστόσο, ο συγγραφέας πλησίασεερώτηση από την άλλη και αντί για τη μηχανική του Νεύτωνα αναγνώρισε τις εξισώσεις του Maxwell ως "a priori σωστές".
Εκτός από τη διάσημη αρχή της σχετικότητας (στην πραγματικότητα, που διατυπώθηκε από τον Γαλιλαίο, ωστόσο, στο πλαίσιο της κλασικής μηχανικής), αυτή η προσέγγιση οδήγησε τον Αϊνστάιν σε μια ενδιαφέρουσα δήλωση: η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή σε όλα τα πλαίσια αναφορά. Και είναι αυτό το συμπέρασμα που μας επιτρέπει να μιλήσουμε για τη δυνατότητα αλλαγής των προτύπων χρόνου όταν το αντικείμενο κινείται.
Σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός
Φαίνεται ότι η δήλωση "η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή" δεν προκαλεί έκπληξη. Προσπαθήστε όμως να φανταστείτε ότι στέκεστε ακίνητοι και παρακολουθείτε το φως να απομακρύνεται από εσάς με σταθερή ταχύτητα. Ακολουθείτε τη δέσμη, αλλά αυτή συνεχίζει να απομακρύνεται από εσάς με την ίδια ακριβώς ταχύτητα. Επιπλέον, γυρίζοντας και πετώντας προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη δέσμη, δεν θα αλλάξετε την ταχύτητα της απόστασης μεταξύ σας!
Πώς είναι δυνατόν αυτό; Εδώ ξεκινά η συζήτηση για τη σχετικιστική επίδραση της διαστολής του χρόνου. Ενδιαφέρων? Τότε διαβάστε!
Σχετικιστική χρονική διαστολή σύμφωνα με τον Αϊνστάιν
Όταν η ταχύτητα ενός αντικειμένου πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός, ο εσωτερικός χρόνος του αντικειμένου υπολογίζεται ότι επιβραδύνεται. Αν υποθέσουμε ότι ένα άτομο κινείται παράλληλα με την ηλιαχτίδα με παρόμοια ταχύτητα, ο χρόνος για αυτόν θα σταματήσει να τρέχει καθόλου. Υπάρχει ένας τύπος για τη σχετικιστική χρονική διαστολή, που αντικατοπτρίζει τη σχέση του με την ταχύτητα ενός αντικειμένου.
Ωστόσο, κατά τη μελέτη αυτού του ζητήματος, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι κανένα σώμα με μάζα δεν μπορεί να φτάσει ακόμη και θεωρητικά την ταχύτητα του φωτός.
Παράδοξα που σχετίζονται με τη θεωρία
Η ειδική σχετικότητα είναι ένα επιστημονικό έργο και δεν είναι εύκολο να κατανοηθεί. Ωστόσο, το ενδιαφέρον του κοινού για το ζήτημα του τι είναι η ώρα γεννά τακτικά ιδέες που σε καθημερινό επίπεδο φαίνονται άλυτα παράδοξα. Για παράδειγμα, το ακόλουθο παράδειγμα μπερδεύει τους περισσότερους ανθρώπους που εισάγονται στο SRT χωρίς καμία γνώση φυσικής.
Υπάρχουν δύο αεροπλάνα, το ένα από τα οποία πετά ευθεία και το δεύτερο απογειώνεται και, έχοντας περιγράψει ένα τόξο με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, φτάνει στο πρώτο. Αναμενόμενα, αποδεικνύεται ότι ο χρόνος για τη δεύτερη συσκευή (η οποία πετούσε με ταχύτητα σχεδόν φωτός) πέρασε πιο αργά από ό,τι για την πρώτη. Ωστόσο, σύμφωνα με το αξίωμα του SRT, τα πλαίσια αναφοράς και για τα δύο αεροσκάφη είναι ίσα. Αυτό σημαίνει ότι ο χρόνος μπορεί να περάσει πιο αργά τόσο για τη μία όσο και για την άλλη συσκευή. Φαίνεται ότι πρόκειται για αδιέξοδο. Αλλά…
Επίλυση παραδόξων
Στην πραγματικότητα, η πηγή αυτού του είδους των παραδόξων είναι η παρανόηση του μηχανισμού της θεωρίας. Αυτή η αντίφαση μπορεί να επιλυθεί χρησιμοποιώντας ένα γνωστό εικαστικό πείραμα.
Έχουμε ένα υπόστεγο με δύο πόρτες που σχηματίζουν μια διαμπερή δίοδο και ένα κοντάρι λίγο μεγαλύτερο από το μήκος του υπόστεγου. Αν τεντώσουμε το κοντάρι από πόρτα σε πόρτα, δεν θα μπορούν να κλείσουν ή απλά θα μας σπάσουν το κοντάρι. Αν το κοντάρι, πετώντας στον αχυρώνα,θα έχει ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, το μήκος του θα μειωθεί (θυμηθείτε: ένα αντικείμενο που κινείται με την ταχύτητα του φωτός θα έχει μήκος μηδέν) και τη στιγμή που βρίσκεται μέσα στον αχυρώνα, μπορούμε να κλείσουμε και να ανοίξουμε το πόρτες χωρίς να σπάσουν τα στηρίγματα μας.
Από την άλλη, όπως στο παράδειγμα με το αεροπλάνο, είναι ο αχυρώνας που πρέπει να μειωθεί σε σχέση με τον πόλο. Το παράδοξο επαναλαμβάνεται και, όπως φαίνεται, δεν υπάρχει διέξοδος - και τα δύο αντικείμενα μειώνονται ταυτόχρονα σε μήκος. Ωστόσο, να θυμάστε ότι όλα είναι σχετικά και λύστε το πρόβλημα αλλάζοντας την ώρα.
Σχετικότητα της ταυτότητος
Όταν το μπροστινό άκρο του στύλου είναι μέσα, μπροστά από την μπροστινή πόρτα, μπορούμε να το κλείσουμε και να το ανοίξουμε, και τη στιγμή που το κοντάρι πετάξει εντελώς στο υπόστεγο, θα κάνουμε το ίδιο με το πίσω μέρος πόρτα. Φαίνεται ότι δεν το κάνουμε ταυτόχρονα και το πείραμα απέτυχε, αλλά εδώ αποδεικνύεται το κύριο πράγμα: σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, οι ροπές κλεισίματος και των δύο θυρών βρίσκονται στο ίδιο σημείο στο άξονας χρόνου.
Αυτό συμβαίνει επειδή συμβάντα που συμβαίνουν ταυτόχρονα σε ένα πλαίσιο αναφοράς δεν θα είναι ταυτόχρονα σε ένα άλλο. Η σχετικιστική χρονική διαστολή εκδηλώνεται στη σχέση των αντικειμένων και επιστρέφουμε στην απολύτως καθημερινή γενίκευση της θεωρίας του Αϊνστάιν: όλα είναι σχετικά.
Υπάρχει μια ακόμη λεπτομέρεια: η ισότητα των συστημάτων αναφοράς είναι σχετική στο SRT, όταν και τα δύο αντικείμενα κινούνται ομοιόμορφα και ευθύγραμμα. Μόλις ένα από τα σώματα αρχίσει να επιταχύνει ή να επιβραδύνει, το πλαίσιο αναφοράς του γίνεται μοναδικόδυνατό.
Twin Paradox
Το πιο διάσημο παράδοξο που εξηγεί τη σχετικιστική διαστολή του χρόνου «με απλό τρόπο» είναι ένα πείραμα σκέψης με δύο δίδυμα αδέρφια. Ένας από αυτούς πετάει μακριά με ένα διαστημόπλοιο με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, ενώ ο άλλος παραμένει στο έδαφος. Επιστρέφοντας, ο αδελφός αστροναύτης ανακαλύπτει ότι ο ίδιος έχει γεράσει 10 ετών και ο αδερφός του, που παρέμεινε στο σπίτι, έχει γεράσει έως και 20.
Η συνολική εικόνα θα πρέπει να είναι ήδη ξεκάθαρη στον αναγνώστη από τις προηγούμενες εξηγήσεις: για τον αδελφό στο διαστημόπλοιο, ο χρόνος επιβραδύνεται επειδή η ταχύτητά του είναι κοντά στην ταχύτητα του φωτός. δεν μπορούμε να δεχτούμε το πλαίσιο αναφοράς σε σχέση με το αδερφάκι στο έδαφος, καθώς θα αποδειχθεί μη αδρανειακό (μόνο ένας αδελφός αντιμετωπίζει υπερφόρτωση).
Θα ήθελα να σημειώσω κάτι άλλο: ανεξάρτητα από το βαθμό που φθάνουν οι αντίπαλοι στη διαμάχη, το γεγονός παραμένει: ο χρόνος στην απόλυτη τιμή του παραμένει σταθερός. Όσα χρόνια κι αν πετάει ένας αδερφός σε ένα διαστημόπλοιο, θα συνεχίσει να γερνάει ακριβώς με τον ίδιο ρυθμό που περνάει ο χρόνος στο πλαίσιο αναφοράς του, και ο δεύτερος αδερφός θα γεράσει με τον ίδιο ακριβώς ρυθμό - η διαφορά θα αποκαλυφθεί μόνο όταν συναντιούνται, και όχι σε καμία άλλη περίπτωση.
Διαστολή χρόνου βαρύτητας
Συμπερασματικά, πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχει ένας δεύτερος τύπος χρονικής διαστολής, που ήδη σχετίζεται με τη γενική θεωρία της σχετικότητας.
Ακόμη και τον 18ο αιώνα, ο Μίτσελ προέβλεψε την ύπαρξη του κόκκινουμετατόπιση, που σημαίνει ότι όταν ένα αντικείμενο κινείται μεταξύ περιοχών με ισχυρή και ασθενή βαρύτητα, ο χρόνος για αυτό θα αλλάξει. Παρά τις προσπάθειες μελέτης του θέματος από τους Laplace και Zoldner, μόνο ο Αϊνστάιν παρουσίασε μια ολοκληρωμένη εργασία για αυτό το θέμα το 1911.
Αυτό το φαινόμενο δεν είναι λιγότερο ενδιαφέρον από τη σχετικιστική χρονική διαστολή, αλλά απαιτεί ξεχωριστή μελέτη. Και αυτό, όπως λένε, είναι μια εντελώς διαφορετική ιστορία.
