Den specielle relativitetsteori, udgivet i 1905 af Einstein og en vigtig generalisering af en række tidligere hypoteser, er en af de mest resonante og diskuterede i fysikken.
Det er faktisk svært at forestille sig, at når et objekt bevæger sig med en nærlyshastighed, begynder fysiske processer at forløbe for det på en helt usædvanlig måde: dens længde aftager, dens masse øges, og tiden går langsommere. Umiddelbart efter udgivelsen begyndte forsøg på at miskreditere teorien, som fortsætter i dag, selvom der er gået mere end hundrede år. Dette er ikke overraskende, for spørgsmålet om, hvad klokken er, har længe bekymret menneskeheden og tiltrukket alles opmærksomhed.
Hvad er relativisme
Essensen af relativistisk mekanik (det er også den særlige relativitetsteori, i det følgende benævnt SRT) og dens forskel fra klassisk mekanik er levende udtrykt ved den direkte oversættelse af dens navn: Latin relativus betyder "relativ". SRT postulerer uundgåeligheden af tidsudvidelse for et objekt, når det bevæger sig i forhold til en observatør.
Forskellenaf denne teori, foreslået af Albert Einstein, fra Newtonsk mekanik og ligger i, at alle igangværende processer kun kan betragtes i forhold til hinanden eller til en ekstern iagttager. Før man beskriver, hvad relativistisk tidsdilatation er, er det nødvendigt at dykke lidt ned i spørgsmålet om teoriens dannelse og fastslå, hvorfor dens formulering overhovedet blev mulig og endda obligatorisk.
The Origins of Relativity
I slutningen af det 19. århundrede forstod videnskabsmænd, at nogle eksperimentelle data ikke passer ind i verdensbilledet baseret på klassisk mekanik.
Fundamentelle modsætninger resulterede i forsøg på at kombinere Newtons mekanik med Maxwells ligninger, der beskriver bevægelsen af elektromagnetiske bølger i vakuum og kontinuerlige medier. Det var allerede kendt, at lys netop er sådan en bølge, og det bør betragtes inden for rammerne af elektrodynamikken, men det var ekstremt problematisk at argumentere med visuel og, vigtigst af alt, tidstestet mekanik.
Modsigelsen var dog indlysende. Antag, at en lanterne er fastgjort foran et tog i bevægelse, som lyser fremad. Ifølge Newton skal togets hastigheder og lyset, der kommer fra lanternen, stige. Maxwells ligninger i denne hypotetiske situation "brød". Der var brug for en helt ny tilgang.
Special Relativity
Det ville være forkert at tro, at Einstein opfandt relativitetsteorien. Faktisk vendte han sig til værker og hypoteser fra videnskabsmænd, der arbejdede før ham. Forfatteren henvendte sig dogspørgsmål på den anden side og i stedet for Newtons mekanik anerkendte Maxwells ligninger som "a priori korrekte".
Ud over det berømte relativitetsprincip (faktisk formuleret af Galileo, dog inden for rammerne af klassisk mekanik), førte denne tilgang Einstein til et interessant udsagn: lysets hastighed er konstant i alle rammer af reference. Og det er denne konklusion, der giver os mulighed for at tale om muligheden for at ændre tidsstandarderne, når objektet bevæger sig.
Konstant af lysets hastighed
Det ser ud til, at udsagnet "lysets hastighed er konstant" ikke er overraskende. Men prøv at forestille dig, at du står stille og ser lyset bevæge sig væk fra dig med en fast hastighed. Du følger strålen, men den fortsætter med at bevæge sig væk fra dig med nøjagtig samme hastighed. Hvis du desuden vender dig om og flyver i den modsatte retning fra strålen, vil du på ingen måde ændre hastigheden på din afstand fra hinanden!
Hvordan er det muligt? Her begynder samtalen om den relativistiske effekt af tidsudvidelse. Interessant? Så læs videre!
Relativistisk tidsudvidelse ifølge Einstein
Når et objekts hastighed nærmer sig lysets hastighed, beregnes objektets interne tid til at sænke farten. Hvis vi antager, at en person bevæger sig parallelt med solstrålen med en lignende hastighed, vil tiden for ham overhovedet stoppe med at løbe. Der er en formel for relativistisk tidsudvidelse, der afspejler dets forhold til et objekts hastighed.
Når man studerer dette emne, skal man dog huske på, at ingen krop med masse teoretisk kan nå lysets hastighed.
Paradokser relateret til teori
Særlig relativitetsteori er et videnskabeligt arbejde og ikke let at forstå. Men offentlighedens interesse for spørgsmålet om, hvad klokken er, giver jævnligt anledning til ideer, der på hverdagsniveau synes at være uløselige paradokser. For eksempel forvirrer det følgende eksempel de fleste mennesker, der bliver introduceret til SRT uden nogen viden om fysik.
Der er to fly, hvoraf det ene flyver ligeud, og det andet letter og, efter at have beskrevet en bue med en hastighed tæt på lysets hastighed, indhenter det første. Forudsigeligt viser det sig, at tiden for det andet apparat (som fløj med næsten lys hastighed) gik langsommere end for det første. Men i overensstemmelse med SRT-postulatet er referencerammerne for begge fly ens. Det betyder, at tiden kan gå langsommere for både den ene og den anden enhed. Det ser ud til, at dette er en blindgyde. Men…
Løsning af paradokser
Faktisk er kilden til denne slags paradokser en misforståelse af teoriens mekanisme. Denne modsigelse kan løses ved hjælp af et velkendt spekulativt eksperiment.
Vi har et skur med to døre, der danner en gennemgående passage og en pæl lidt længere end skurets længde. Hvis vi strækker stangen fra dør til dør, vil de ikke kunne lukke, eller de knækker simpelthen vores stang. Hvis stangen, der flyver ind i laden,vil have en hastighed tæt på lysets hastighed, dens længde vil falde (husk: et objekt, der bevæger sig med lysets hastighed, vil have en længde på nul), og i det øjeblik det er inde i stalden, kan vi lukke og åbne døre uden at bryde vores rekvisitter.
På den anden side, som i eksemplet med flyet, er det ladet, der skal falde i forhold til stangen. Paradokset gentages, og det ser ud til, at der ikke er nogen vej udenom - begge objekter er synkront reduceret i længden. Husk dog, at alt er relativt, og løs problemet ved at ændre tiden.
Relativity of Simultaneity
Når stangens forkant er inde, foran hoveddøren, kan vi lukke og åbne den, og i det øjeblik stangen flyver helt ind i skuret, vil vi gøre det samme med bagsiden dør. Det ser ud til, at vi ikke gør det på samme tid, og eksperimentet mislykkedes, men her viser det vigtigste: i overensstemmelse med den særlige relativitetsteori er lukkemomenterne for begge døre placeret på samme punkt på tidsakse.
Dette sker, fordi begivenheder, der forekommer samtidigt i én referenceramme, ikke vil være samtidige i en anden. Relativistisk tidsudvidelse manifesteres i forholdet mellem objekter, og vi vender tilbage til den absolut dagligdags generalisering af Einsteins teori: alt er relativt.
Der er en detalje mere: ligheden af referencesystemer er relevant i SRT, når begge objekter bevæger sig ensartet og retlinet. Så snart en af kroppene begynder at accelerere eller decelerere, bliver dens referenceramme unikmuligt.
Tvillingparadoks
Det mest berømte paradoks, der forklarer relativistisk tidsudvidelse "på en enkel måde", er et tankeeksperiment med to tvillingebrødre. En af dem flyver væk i et rumskib med en hastighed tæt på lysets hastighed, mens den anden bliver på jorden. Ved hjemkomsten opdager astronautbroderen, at han selv er blevet 10 år, og hans bror, som blev hjemme, er blevet hele 20 år gammel.
Det overordnede billede burde allerede være klart for læseren fra de tidligere forklaringer: for broderen på rumskibet går tiden langsommere, fordi hans hastighed er tæt på lysets hastighed; vi kan ikke acceptere referencerammen i forhold til broder-på-jorden, da den vil vise sig at være ikke-inertiel (kun én bror oplever overbelastning).
Jeg vil gerne bemærke noget andet: uanset hvilken grad modstanderne når i tvisten, er faktum: tiden i sin absolutte værdi forbliver konstant. Uanset hvor mange år en bror flyver på et rumskib, vil han fortsætte med at ældes nøjagtigt i samme hastighed, som tiden går i hans referenceramme, og den anden bror vil ældes med nøjagtig samme hastighed - forskellen vil først blive afsløret, når de mødes, og ikke i andre tilfælde.
Gravity-tidsudvidelse
Afslutningsvis skal det bemærkes, at der er en anden type tidsudvidelse, som allerede er forbundet med den generelle relativitetsteori.
Selv i det 18. århundrede forudsagde Mitchell eksistensen af den rødeforskydning, hvilket betyder, at når et objekt bevæger sig mellem områder med stærk og svag tyngdekraft, vil tidspunktet for det ændre sig. På trods af forsøg på at studere spørgsmålet af Laplace og Zoldner, var det kun Einstein, der præsenterede et fuldgyldigt værk om dette emne i 1911.
Denne effekt er ikke mindre interessant end den relativistiske tidsudvidelse, men den kræver en separat undersøgelse. Og det er, som de siger, en helt anden historie.
