Specjalna teoria względności, opublikowana w 1905 roku przez Einsteina i będąca ważnym uogólnieniem szeregu wcześniejszych hipotez, jest jedną z najbardziej rezonansowych i dyskutowanych w fizyce.
Rzeczywiście, trudno sobie wyobrazić, że kiedy obiekt porusza się z prędkością bliską światłu, procesy fizyczne zaczynają dla niego przebiegać w zupełnie nietypowy sposób: zmniejsza się jego długość, wzrasta jego masa, a czas zwalnia. Zaraz po publikacji zaczęły się próby dyskredytowania teorii, które trwają do dziś, choć minęło już ponad sto lat. Nie jest to zaskakujące, ponieważ pytanie, która godzina od dawna niepokoi ludzkość i przyciąga uwagę wszystkich.
Co to jest relatywizm
Istotę mechaniki relatywistycznej (jest to również szczególna teoria względności, zwana dalej SRT) i jej odmienność od mechaniki klasycznej wyraża się w bezpośrednim tłumaczeniu jej nazwy: łac. relativus oznacza „względny”. SRT postuluje nieuchronność dylatacji czasu dla obiektu, gdy porusza się on względem obserwatora.
Różnicatej teorii, zaproponowanej przez Alberta Einsteina, z mechaniki Newtona i polega na tym, że wszystkie zachodzące procesy można rozpatrywać tylko względem siebie lub jakiegoś zewnętrznego obserwatora. Zanim opiszemy, czym jest relatywistyczna dylatacja czasu, trzeba trochę zagłębić się w kwestię powstania teorii i ustalić, dlaczego jej sformułowanie stało się możliwe, a nawet obowiązkowe.
Początki teorii względności
Pod koniec XIX wieku naukowcy zrozumieli, że niektóre dane eksperymentalne nie pasują do obrazu świata opartego na mechanice klasycznej.
Podstawowe sprzeczności zaowocowały próbami połączenia mechaniki Newtona z równaniami Maxwella opisującymi ruch fal elektromagnetycznych w próżni i ośrodkach ciągłych. Wiadomo było już, że światło jest właśnie taką falą i powinno być rozpatrywane w ramach elektrodynamiki, ale niezmiernie problematyczna była dyskusja z wizualną i, co najważniejsze, sprawdzoną w czasie mechaniką.
Sprzeczność była jednak oczywista. Załóżmy, że latarnia jest zamocowana przed jadącym pociągiem, który świeci do przodu. Według Newtona, prędkość pociągu i światło pochodzące z latarni muszą się sumować. Równania Maxwella w tej hipotetycznej sytuacji po prostu „pękły”. Potrzebne było całkowicie nowe podejście.
Specjalna teoria względności
Błędnym byłoby sądzić, że Einstein wynalazł teorię względności. W rzeczywistości zwrócił się do prac i hipotez naukowców, którzy pracowali przed nim. Jednak autor zbliżył siępytanie z drugiej strony i zamiast mechaniki Newtona uznał równania Maxwella za "a priori poprawne".
Oprócz słynnej zasady względności (w rzeczywistości sformułowanej przez Galileusza, jednak w ramach mechaniki klasycznej), podejście to doprowadziło Einsteina do interesującego stwierdzenia: prędkość światła jest stała we wszystkich układach odniesienie. I to właśnie ten wniosek pozwala nam mówić o możliwości zmiany standardów czasowych, gdy obiekt się porusza.
Stałość prędkości światła
Wydawać by się mogło, że stwierdzenie „prędkość światła jest stała” nie jest zaskakujące. Ale spróbuj wyobrazić sobie, że stoisz nieruchomo i patrzysz, jak światło oddala się od ciebie ze stałą prędkością. Podążasz za belką, ale ona nadal oddala się od ciebie z dokładnie taką samą prędkością. Co więcej, obracając się i lecąc w kierunku przeciwnym do promienia, w żaden sposób nie zmienisz prędkości swojej odległości od siebie!
Jak to możliwe? Tu zaczyna się rozmowa o relatywistycznym efekcie dylatacji czasu. Ciekawe? Następnie czytaj dalej!
relatywistyczna dylatacja czasu według Einsteina
Gdy prędkość obiektu zbliża się do prędkości światła, obliczany jest czas wewnętrzny obiektu, który zwalnia. Jeśli przyjmiemy, że człowiek porusza się równolegle do promienia słonecznego z podobną prędkością, czas dla niego w ogóle przestanie biec. Istnieje wzór na relatywistyczną dylatację czasu, odzwierciedlającą jej związek z prędkością obiektu.
Jednak badając to zagadnienie należy pamiętać, że żadne ciało o masie nie może nawet teoretycznie osiągnąć prędkości światła.
Paradoksy związane z teorią
Szczególna teoria względności jest pracą naukową i niełatwą do zrozumienia. Jednak zainteresowanie opinii publicznej pytaniem o to, jaka jest godzina, regularnie rodzi idee, które na co dzień wydają się nierozwiązywalnymi paradoksami. Na przykład poniższy przykład wprawia w zakłopotanie większość osób, które są wprowadzane do SRT bez żadnej wiedzy z zakresu fizyki.
Są dwa samoloty, z których jeden leci prosto, a drugi startuje i po opisaniu łuku z prędkością bliską prędkości światła dogania pierwszy. Jak można było przewidzieć, okazuje się, że czas dla drugiego aparatu (który leciał z prędkością bliską światłu) minął wolniej niż dla pierwszego. Jednak zgodnie z postulatem SRT układy odniesienia dla obu samolotów są sobie równe. Oznacza to, że czas może płynąć wolniej zarówno dla jednego, jak i drugiego urządzenia. Wydawałoby się, że to ślepy zaułek. Ale…
Rozwiązywanie paradoksów
W rzeczywistości źródłem tego rodzaju paradoksów jest niezrozumienie mechanizmu teorii. Tę sprzeczność można rozwiązać za pomocą dobrze znanego eksperymentu spekulacyjnego.
Mamy szopę z dwojgiem drzwi tworzących przejście i słupem nieco dłuższym niż długość szopy. Jeśli rozciągniemy drążek od drzwi do drzwi, nie będą mogli się zamknąć lub po prostu złamią nasz drążek. Jeśli Polak leci do stodoły,będzie miał prędkość zbliżoną do prędkości światła, jego długość zmniejszy się (pamiętaj: obiekt poruszający się z prędkością światła będzie miał długość zerową), a w momencie, gdy znajduje się wewnątrz obory, możemy zamknąć i otworzyć drzwi bez łamania naszych rekwizytów.
Z drugiej strony, tak jak w przykładzie z samolotem, to stodoła powinna się zmniejszać względem słupa. Paradoks się powtarza i wydaje się, że nie ma wyjścia – oba obiekty są synchronicznie skrócone. Pamiętaj jednak, że wszystko jest względne i rozwiąż problem, zmieniając czas.
Względność równoczesności
Kiedy przednia krawędź masztu znajduje się w środku, przed drzwiami wejściowymi, możemy je zamknąć i otworzyć, a w momencie, gdy maszt całkowicie wleci do szopy, zrobimy to samo z tylnymi drzwi. Wydawałoby się, że nie robimy tego w tym samym czasie, a eksperyment się nie powiódł, ale tutaj okazuje się najważniejsza rzecz: zgodnie ze szczególną teorią względności momenty zamykające obu drzwi znajdują się w tym samym punkcie na oś czasu.
Dzieje się tak, ponieważ zdarzenia zachodzące jednocześnie w jednym układzie odniesienia nie będą jednocześnie w innym. Relatywistyczna dylatacja czasu przejawia się w relacji obiektów i wracamy do absolutnie codziennego uogólnienia teorii Einsteina: wszystko jest względne.
Jest jeszcze jeden szczegół: równość systemów odniesienia jest istotna w SRT, gdy oba obiekty poruszają się jednostajnie i prostoliniowo. Gdy tylko jedno z ciał zaczyna przyspieszać lub zwalniać, jego układ odniesienia staje się wyjątkowymożliwe.
Podwójny paradoks
Najsłynniejszym paradoksem wyjaśniającym relatywistyczną dylatację czasu „w prosty sposób” jest eksperyment myślowy z dwoma braćmi bliźniakami. Jeden z nich odlatuje statkiem kosmicznym z prędkością bliską prędkości światła, podczas gdy drugi pozostaje na ziemi. Po powrocie brat astronauta odkrywa, że on sam postarzał się o 10 lat, a jego brat, który pozostał w domu, miał aż 20 lat.
Ogólny obraz powinien być już jasny dla czytelnika z poprzednich wyjaśnień: dla brata na statku kosmicznym czas zwalnia, ponieważ jego prędkość jest zbliżona do prędkości światła; nie możemy zaakceptować układu odniesienia względem brata na ziemi, ponieważ okaże się on nieinercyjny (tylko jeden brat doświadcza przeciążeń).
Chciałbym zwrócić uwagę na coś innego: bez względu na to, do jakiego stopnia przeciwnicy sięgną w sporze, fakt pozostaje faktem: czas w swojej wartości bezwzględnej pozostaje stały. Bez względu na to, ile lat brat lata na statku kosmicznym, będzie się starzał dokładnie w tym samym tempie, w jakim upływa czas w jego układzie odniesienia, a drugi brat będzie się starzał dokładnie w tym samym tempie - różnica zostanie ujawniona dopiero, gdy spotykają się, a nie w żadnym innym przypadku.
Dylatacja czasu grawitacyjnego
Na zakończenie należy zauważyć, że istnieje drugi rodzaj dylatacji czasu, już powiązany z ogólną teorią względności.
Nawet w XVIII wieku Mitchell przewidział istnienie czerwonegoprzemieszczenie, co oznacza, że gdy obiekt porusza się pomiędzy obszarami o silnej i słabej grawitacji, czas na to ulegnie zmianie. Pomimo prób zbadania tego zagadnienia przez Laplace'a i Zoldnera, tylko Einstein przedstawił w 1911 roku pełnoprawną pracę na ten temat.
Ten efekt jest nie mniej interesujący niż relatywistyczna dylatacja czasu, ale wymaga osobnego badania. A to, jak mówią, to zupełnie inna historia.
