Einsteinin vuonna 1905 julkaisema erityinen suhteellisuusteoria, joka on tärkeä yleistys useista aikaisemmista hypoteeseista, on yksi fysiikan kaikuvammista ja käsitellyimmistä.
On todellakin vaikea kuvitella, että kun esine liikkuu lähes valon nopeudella, fysikaaliset prosessit alkavat edetä sille täysin epätavallisella tavalla: sen pituus pienenee, massa kasvaa ja aika hidastuu. Välittömästi julkaisun jälkeen teoriaa alettiin häpäistä, mikä jatkuu tänään, vaikka yli sata vuotta on kulunut. Tämä ei ole yllättävää, sillä kysymys siitä, mitä aika on, on huolestuttanut ihmiskuntaa pitkään ja kiinnittänyt kaikkien huomion.
Mitä on relativismi
Relativistisen mekaniikan (se on myös erityinen suhteellisuusteoria, jäljempänä SRT) olemus ja sen ero klassiseen mekaniikkaan ilmaistaan elävästi sen nimen suoralla käännöksellä: latinaksi relativus tarkoittaa "suhteellista". SRT olettaa aikalaajentumisen väistämättömyyttä objektille sen liikkuessa suhteessa tarkkailijaan.
EroTämän Albert Einsteinin esittämän teorian Newtonin mekaniikasta ja se perustuu siihen tosiasiaan, että kaikkia käynnissä olevia prosesseja voidaan tarkastella vain suhteessa toisiinsa tai johonkin ulkopuoliseen tarkkailijaan. Ennen kuin kuvataan mitä relativistinen aikadilataatio on, on syytä syventyä hieman teorian muodostumisen kysymykseen ja selvittää, miksi sen muotoilusta tuli ylipäänsä mahdollinen ja jopa pakollinen.
Suhteellisuusteorian alkuperä
1800-luvun lopulla tiedemiehet ymmärsivät, että jotkut kokeelliset tiedot eivät sovi klassiseen mekaniikkaan perustuvaan maailmakuvaan.
Perusristiriidat johtivat yrityksiin yhdistää Newtonin mekaniikka Maxwellin yhtälöihin, jotka kuvaavat sähkömagneettisten a altojen liikettä tyhjiössä ja jatkuvassa väliaineessa. Se, että valo on juuri sellainen a alto, tiedettiin jo ennestään, ja sitä pitäisi harkita sähködynamiikan puitteissa, mutta oli äärimmäisen ongelmallista väittää visuaalisen ja ennen kaikkea ajan testatun mekaniikan kanssa.
Ristiriita oli kuitenkin ilmeinen. Oletetaan, että liikkuvan junan eteen on kiinnitetty lyhty, joka loistaa eteenpäin. Newtonin mukaan junan nopeuksien ja lyhdistä tulevan valon on laskettava yhteen. Maxwellin yhtälöt tässä hypoteettisessa tilanteessa yksinkertaisesti "rikki". Tarvittiin täysin uusi lähestymistapa.
Erikoissuhteellisuusteoria
Olisi väärin uskoa, että Einstein keksi suhteellisuusteorian. Itse asiassa hän kääntyi ennen häntä työskennelleiden tutkijoiden töihin ja hypoteeseihin. Kirjoittaja kuitenkin lähestyikysymys toisa alta ja Newtonin mekaniikka tunnusti Maxwellin yhtälöt "a priori oikeiksi".
Kuuluisan suhteellisuusperiaatteen lisäksi (itse asiassa Galileo kuitenkin muotoili sen klassisen mekaniikan puitteissa) tämä lähestymistapa johti Einsteinin mielenkiintoiseen lausuntoon: valon nopeus on vakio kaikissa viite. Ja juuri tämä johtopäätös antaa meille mahdollisuuden puhua mahdollisuudesta muuttaa aikastandardeja objektin liikkuessa.
Valonnopeuden pysyvyys
Näyttää siltä, että väite "valon nopeus on vakio" ei ole yllättävää. Mutta yritä kuvitella, että seisot paikallaan ja katsot valon siirtyvän pois sinusta kiinteällä nopeudella. Seuraat sädettä, mutta se jatkaa liikkumista poispäin sinusta täsmälleen samalla nopeudella. Lisäksi, kun käännyt ympäri ja lennät vastakkaiseen suuntaan säteestä, et muuta etäisyydenne nopeutta toisiisi millään tavalla!
Miten tämä on mahdollista? Tästä alkaa keskustelu aikalaajentumisen relativistisesta vaikutuksesta. Mielenkiintoista? Lue sitten!
Relativistinen aikadilataatio Einsteinin mukaan
Kun kohteen nopeus lähestyy valon nopeutta, kohteen sisäisen ajan lasketaan hidastuvan. Jos oletetaan, että ihminen liikkuu samansuuntaisesti auringonsäteen kanssa samalla nopeudella, hänen aikansa lakkaa juoksemasta ollenkaan. Relativistiselle aikadilataatiolle on olemassa kaava, joka kuvastaa sen suhdetta kohteen nopeuteen.
Tätä asiaa tutkiessa on kuitenkin muistettava, että mikään massainen kappale ei voi edes teoreettisesti saavuttaa valonnopeutta.
Teoriaan liittyviä paradokseja
Erikoissuhteellisuusteoria on tieteellinen työ, eikä sitä ole helppo ymmärtää. Yleisön kiinnostus kysymykseen siitä, mitä aika on säännöllisesti, herättää kuitenkin ajatuksia, jotka arkitasolla vaikuttavat ratkaisemattomilta paradokseista. Esimerkiksi seuraava esimerkki hämmentää useimpia ihmisiä, jotka tutustuvat SRT:hen ilman fysiikkaa.
On olemassa kaksi konetta, joista toinen lentää suoraan ja toinen nousee lentoon ja, kuvattuaan kaaren nopeudella, joka on lähellä valonnopeutta, saavuttaa ensimmäisen. Odotetusti käy ilmi, että toisen laitteen (joka lensi lähes valonopeudella) aika kului hitaammin kuin ensimmäisen. SRT-postulaatin mukaan molempien lentokoneiden viitekehykset ovat kuitenkin samat. Tämä tarkoittaa, että aika voi kulua hitaammin sekä toisella että toisella laitteella. Vaikuttaa siltä, että tämä on umpikuja. Mutta…
Paradoksien ratkaiseminen
Itse asiassa tällaisten paradoksien lähde on teorian mekanismin väärinymmärrys. Tämä ristiriita voidaan ratkaista käyttämällä hyvin tunnettua spekulatiivista kokeilua.
Meillä on aita, jossa on kaksi ovea, jotka muodostavat läpikäytävän, ja tanko, joka on hieman pidempi kuin vajan pituus. Jos venytämme tangon ovelta ovelle, ne eivät voi sulkeutua tai ne yksinkertaisesti rikkovat pylvään. Jos sauva lensi navettaan,jonka nopeus on lähellä valonnopeutta, sen pituus pienenee (muista: valonnopeudella liikkuvan esineen pituus on nolla), ja sillä hetkellä se on navetan sisällä, voimme sulkea ja avata ovet rikkomatta rekvisiittaamme.
Toisa alta, kuten tasoa koskevassa esimerkissä, navetan pitäisi pienentyä suhteessa napaan. Paradoksi toistetaan, ja näyttää siltä, että ulospääsyä ei ole - molempien esineiden pituus pienenee synkronisesti. Muista kuitenkin, että kaikki on suhteellista, ja ratkaise ongelma muuttamalla aikaa.
Samanaikaisuuden suhteellisuus
Kun pylvään etureuna on sisällä, etuoven edessä, voimme sulkea ja avata sen, ja sillä hetkellä kun tanko lentää kokonaan aitaan, teemme samoin takaosan kanssa ovi. Vaikuttaa siltä, että emme tee sitä samaan aikaan, ja kokeilu epäonnistui, mutta tässä selviää pääasia: erityisen suhteellisuusteorian mukaisesti molempien ovien sulkeutumishetket sijaitsevat samassa kohdassa. aika-akseli.
Tämä tapahtuu, koska tapahtumat, jotka tapahtuvat samanaikaisesti yhdessä vertailukehyksessä, eivät ole samanaikaisia toisessa. Relativistinen aikadilataatio ilmenee esineiden suhteissa, ja palataan Einsteinin teorian aivan jokapäiväiseen yleistykseen: kaikki on suhteellista.
Yksi yksityiskohta vielä: referenssijärjestelmien yhtäläisyys on relevanttia SRT:ssä, kun molemmat objektit liikkuvat tasaisesti ja suoraviivaisesti. Heti kun jokin kappaleista alkaa kiihtyä tai hidastua, sen vertailukehys muuttuu ainutlaatuiseksimahdollista.
Kaksosparadoksi
Kuuluisin paradoksi, joka selittää relativistisen aikadilatation "yksinkertaisella tavalla", on ajatuskoe kahden kaksoisveljen kanssa. Toinen heistä lentää pois avaruusaluksessa lähellä valonnopeutta, kun taas toinen jää maahan. Palattuaan astronauttiveli huomaa olevansa itse ikääntynyt 10 vuotta ja hänen kotiin jäänyt veljensä jopa 20 vuotta.
Kokonaiskuvan pitäisi olla lukijalle selvä jo aiemmista selityksistä: avaruusaluksen veljelle aika hidastuu, koska hänen nopeus on lähellä valon nopeutta; emme voi hyväksyä viitekehystä suhteessa veljekseen maassa, koska se osoittautuu ei-inertiaksi (vain yksi veli kokee ylikuormituksia).
Haluaisin vielä huomauttaa: riippumatta siitä, minkä asteen vastustajat kiistassa saavuttavat, tosiasia on: aika absoluuttisessa arvossaan pysyy vakiona. Riippumatta siitä, kuinka monta vuotta veli lentää avaruusaluksella, hän jatkaa ikääntymistä täsmälleen samalla nopeudella, kun aika kuluu hänen vertailukehyksessään, ja toinen veli ikääntyy täsmälleen samalla nopeudella - ero paljastuu vasta, kun he tapaavat, eivätkä missään muussa tapauksessa.
Painovoiman aikadilataatio
Lopuksi on huomattava, että on olemassa toinenkin aikadilataatiotyyppi, joka liittyy jo yleiseen suhteellisuusteoriaan.
Jo 1700-luvulla Mitchell ennusti punaisen olemassaolonsiirtymä, mikä tarkoittaa, että kun esine liikkuu alueiden välillä, joilla on voimakas ja heikko painovoima, sen aika muuttuu. Huolimatta Laplacen ja Zoldnerin yrityksistä tutkia asiaa, vain Einstein esitti tästä aiheesta täysimittaisen työn vuonna 1911.
Tämä vaikutus ei ole yhtä mielenkiintoinen kuin relativistinen aikadilataatio, mutta se vaatii erillisen tutkimuksen. Ja se, kuten sanotaan, on täysin eri tarina.
