Ο Albert Einstein ήταν διάσημος για πολλά πράγματα, αλλά το μεγαλύτερο πνεύμα του είναι η θεωρία της σχετικότητας. Έχει αλλάξει για πάντα την κατανόηση του χώρου και του χρόνου.
Τι είναι η σχετικότητα; Πλεονεκτικά, είναι η ιδέα ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι παντού. Εμείς εδώ στη Γη υπακούμε στους ίδιους νόμους του φωτός και της βαρύτητας όπως κάποιος σε μια μακρινή γωνιά του σύμπαντος.
Η καθολικότητα της φυσικής σημαίνει ότι η ιστορία είναι επαρχιακή. Οι διαφορετικοί θεατές θα δουν διαφορετικά το χρονισμό και την απόσταση των γεγονότων. Αυτό που για εμάς είναι ένα εκατομμύριο χρόνια μπορεί να είναι μόνο μια αναλαμπή ενός ματιού για κάποιον που πετάει σε έναν πυραύλο υψηλής ταχύτητας ή που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα.
Είναι όλα σχετικά.
Ειδική σχετικότητα
Η θεωρία του Αϊνστάιν χωρίζεται σε ειδική και γενική σχετικότητα.
Η ειδική σχετικότητα πρωτοεμφανίστηκε και βασίζεται στην ταχύτητα του φωτός που είναι σταθερή για όλους. Αυτό μπορεί να φανεί αρκετά απλό, αλλά έχει σοβαρές συνέπειες.
Ο Αϊνστάιν κατέληξε σε αυτό το συμπέρασμα το 1905, όταν τα πειραματικά στοιχεία έδειξαν ότι η ταχύτητα του φωτός δεν άλλαζε καθώς η Γη έτρεξε γύρω από τον ήλιο.
Αυτό το αποτέλεσμα ήταν εκπληκτικό για τους φυσικούς επειδή η ταχύτητα των περισσότερων άλλων εξαρτάται από την κατεύθυνση που ο παρατηρητής κινείται. Εάν οδηγείτε το αυτοκίνητό σας δίπλα σε μια σιδηροδρομική γραμμή, ένα τρένο που έρχεται σε σας φαίνεται να κινείται πολύ πιο γρήγορα από ό, τι αν γυρίσετε και ακολουθήσατε την προς την ίδια κατεύθυνση.
Ο Αϊνστάιν ανέφερε ότι όλοι οι παρατηρητές θα μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός σε 186.000 μίλια ανά δευτερόλεπτο, ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα και σε ποια κατεύθυνση κινούνται.
Αυτό το μέγιστο ώθησε τον κωμικός Stephen Wright να ρωτήσει: "Αν βρίσκεστε σε ένα διαστημόπλοιο που ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός και ενεργοποιείτε τους προβολείς, συμβαίνει τίποτα;"
Η απάντηση είναι ότι οι προβολείς ανάβουν κανονικά, αλλά μόνο από την οπτική γωνία ενός ατόμου μέσα στο διαστημόπλοιο. Για κάποιον που στέκεται έξω από το να παρακολουθεί το πλοίο πετάει, οι προβολείς δεν φαίνεται να ανάβουν: το φως βγαίνει αλλά ταξιδεύει με την ίδια ταχύτητα του διαστημοπλοίου.
Αυτές οι αντιφατικές εκδοχές προκύπτουν επειδή οι ηγέτες και τα ρολόγια - τα πράγματα που επισημαίνουν το χρόνο και το διάστημα - δεν είναι τα ίδια για τους διαφορετικούς παρατηρητές. Αν η ταχύτητα του φωτός πρέπει να διατηρηθεί σταθερή όπως είπε ο Αϊνστάιν, τότε ο χρόνος και ο χώρος δεν μπορούν να είναι απόλυτοι. πρέπει να είναι υποκειμενικοί.
Για παράδειγμα, ένα διαστημόπλοιο μήκους 100 ποδιών που ταξιδεύει με ταχύτητα 99,99%, η ταχύτητα του φωτός θα εμφανιστεί σε ένα σταθερό παρατηρητή, αλλά θα παραμείνει το κανονικό του μήκος για όσους βρίσκονται στο πλοίο.
Ίσως ακόμα πιο περίεργο, ο χρόνος περνάει πιο αργά όσο πιο γρήγορα γίνεται. Εάν ένα δίδυμο βόλτα στο ταχύπλοο διαστημόπλοιο σε κάποιο απομακρυσμένο αστέρι και μετά έρθει πίσω, θα είναι νεότερος από την αδελφή της που έμεινε στη Γη.
Η μάζα επίσης εξαρτάται από την ταχύτητα. Όσο ταχύτερα ένα αντικείμενο κινείται, τόσο πιο μαζική γίνεται. Στην πραγματικότητα, κανένα διαστημικό σκάφος δεν μπορεί ποτέ να φτάσει το 100% της ταχύτητας του φωτός επειδή η μάζα του θα φτάσει στο άπειρο.
Αυτή η σχέση μεταξύ μάζας και ταχύτητας εκφράζεται συχνά ως σχέση μεταξύ μάζας και ενέργειας: E = mc ^ 2, όπου E είναι ενέργεια, m είναι μάζα και c είναι η ταχύτητα του φωτός.
Γενική σχετικότητα
Ο Αϊνστάιν δεν έγινε ανατρέποντας την κατανόηση του χρόνου και του χώρου. Συνέχισε να γενικεύει τη θεωρία του συμπεριλαμβάνοντας επιτάχυνση και διαπίστωσε ότι αυτό παραμόρφωσε το σχήμα του χρόνου και του χώρου.
Για να κολλήσετε με το παραπάνω παράδειγμα: Φανταστείτε ότι το διαστημόπλοιο επιταχύνει επάνω πυροβολώντας τους προωθητήρες. Αυτοί που βρίσκονται στο πλοίο θα κολλήσουν στο έδαφος σαν να ήταν στη Γη. Ο Αϊνστάιν ισχυρίστηκε ότι η δύναμη που ονομάζουμε βαρύτητα δεν διακρίνεται από το γεγονός ότι βρίσκεται σε επιταχυνόμενο πλοίο.
Αυτό από μόνο του δεν ήταν τόσο επαναστατικό, αλλά όταν ο Αϊνστάιν επεξεργάστηκε το πολύπλοκο μαθηματικό (που του πήρε 10 χρόνια), ανακάλυψε ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι καμπυλωμένοι κοντά σε ένα μαζικό αντικείμενο και αυτή η καμπυλότητα είναι αυτή που βιώνουμε ως δύναμη της βαρύτητας.
Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς την καμπύλη γεωμετρία της γενικής σχετικότητας, αλλά αν κάποιος σκέφτεται το διάστημα-χρονικό ως ένα είδος υφάσματος, τότε ένα τεράστιο αντικείμενο εκτείνεται στο περιβάλλον ύφασμα έτσι ώστε οτιδήποτε περνάει γύρω από το ξενοδοχείο να μην ακολουθεί πλέον μια ευθεία γραμμή.
Οι εξισώσεις γενικής σχετικότητας προβλέπουν μια σειρά από φαινόμενα, πολλά από τα οποία έχουν επιβεβαιωθεί:
- κάμψη φωτός γύρω από τεράστια αντικείμενα (βαρυτικός φακός)
- μια αργή εξέλιξη στην τροχιά του πλανήτη Ο υδράργυρος (perihelion precession)
- μετακίνηση πλαισίου του χώρου-χρόνου γύρω από τα περιστρεφόμενα σώματα
- εξασθένηση του φωτός που διαφεύγει από την έλξη της βαρύτητας (βαρυτική ερυθρή μετατόπιση)
- βαρυτικά κύματα (διακυμάνσεις στο ιστό διαστημικού χρόνου) που προκαλούνται από τα κοσμικά διαλείμματα
- την ύπαρξη μαύρων τρυπών που παγιδεύουν τα πάντα, συμπεριλαμβανομένου του φωτός
Η στρέβλωση του χωροχρόνου γύρω από μια μαύρη τρύπα είναι πιο έντονη από οπουδήποτε αλλού. Εάν ο δίδυμος χωρικός έπεσε σε μια μαύρη τρύπα, θα ήταν απλωμένος σαν σπαγγέτι.
Ευτυχώς γι 'αυτήν, όλα θα τελειώσουν σε λίγα δευτερόλεπτα. Αλλά η αδερφή της στη Γη δεν θα τη βλέπει ποτέ να τελειώνει - βλέποντας την κακή της αδελφή να μπαίνει σταδιακά προς τη μαύρη τρύπα από την εποχή του σύμπαντος.
Αυτό το άρθρο ενημερώθηκε στις 2 Ιουλίου 2019, από τον ζωγράφο καθηγητή Tim Childers.
