Βασικές ιδέες της θεωρίας της σχετικότητας του Α. Αϊνστάιν

Ο επαναστάτης φυσικός χρησιμοποίησε τη φαντασία του και όχι πολύπλοκα μαθηματικά για να καταλήξει στην πιο διάσημη και κομψή εξίσωσή του. Ο Αϊνστάιν είναι γνωστός για την πρόβλεψη περίεργων αλλά αληθινών φαινομένων, όπως οι αστροναύτες στο διάστημα που γερνούν πιο αργά από τους ανθρώπους στη Γη και τα σχήματα των στερεών αντικειμένων που αλλάζουν με υψηλές ταχύτητες.

Αλλά αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι ότι εάν σηκώσετε ένα αντίγραφο της αρχικής εργασίας του Αϊνστάιν του 1905 σχετικά με τη σχετικότητα, είναι αρκετά εύκολο να αποκρυπτογραφηθεί. Το κείμενο είναι απλό και σαφές και οι εξισώσεις είναι κυρίως αλγεβρικές - κάθε μαθητής γυμνασίου μπορεί να τις καταλάβει.

Αυτό συμβαίνει γιατί τα πολύπλοκα μαθηματικά δεν ήταν ποτέ το δυνατό σημείο του Αϊνστάιν. Του άρεσε να σκέφτεται οπτικά, να κάνει πειράματα με τη φαντασία του και να τα σκέφτεται μέχρι να γίνουν πεντακάθαρες οι φυσικές ιδέες και αρχές.

Εδώ ξεκίνησαν τα πειράματα σκέψης του Αϊνστάιν όταν ήταν μόλις 16 ετών και πώς τον οδήγησαν τελικά στην πιο επαναστατική εξίσωση της σύγχρονης φυσικής.

Σε αυτό το σημείο της ζωής του Αϊνστάιν, η κακώς κρυμμένη περιφρόνηση του για τις γερμανικές ρίζες του και τις αυταρχικές μεθόδους διδασκαλίας της Γερμανίας είχε ήδη κάνει το φόρουμ του, και είχε αποβληθεί από το γυμνάσιο, έτσι μετακόμισε στη Ζυρίχη με την ελπίδα να φοιτήσει στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογία (ETH).

Αλλά πρώτα, ο Αϊνστάιν αποφάσισε να περάσει ένα χρόνο προετοιμασίας σε ένα σχολείο στη γειτονική πόλη Aarau. Σε αυτό το σημείο, σύντομα βρέθηκε να αναρωτιέται πώς θα ήταν να τρέχεις δίπλα σε μια δέσμη φωτός.

Ο Αϊνστάιν είχε ήδη μάθει στο μάθημα της φυσικής τι είναι μια δέσμη φωτός: ένα σύνολο ταλαντευόμενων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που κινούνται με 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, τη μετρούμενη ταχύτητα του φωτός. Αν έτρεχε κοντά με την ίδια ταχύτητα, συνειδητοποίησε ο Αϊνστάιν, θα μπορούσε να δει πολλά ταλαντευόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία δίπλα του, σαν να ήταν παγωμένα στο διάστημα.

Αυτό όμως ήταν αδύνατο. Πρώτον, τα ακίνητα πεδία θα παραβίαζαν τις εξισώσεις του Maxwell, τους μαθηματικούς νόμους που κρύβουν όλα όσα γνώριζαν οι φυσικοί για τον ηλεκτρισμό, τον μαγνητισμό και το φως. Αυτοί οι νόμοι ήταν (και εξακολουθούν να είναι) αρκετά αυστηροί: οποιαδήποτε κύματα σε αυτά τα πεδία πρέπει να ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός και δεν μπορούν να σταθούν ακίνητα, χωρίς εξαιρέσεις.

Ακόμη χειρότερα, τα ακίνητα πεδία δεν ταίριαζαν με την αρχή της σχετικότητας, η οποία ήταν γνωστή στους φυσικούς από την εποχή του Γαλιλαίου και του Νεύτωνα τον 17ο αιώνα. Ουσιαστικά, η αρχή της σχετικότητας λέει ότι οι νόμοι της φυσικής δεν μπορούν να εξαρτώνται από το πόσο γρήγορα κινείστε: μπορείτε να μετρήσετε μόνο την ταχύτητα ενός αντικειμένου σε σχέση με ένα άλλο.

Αλλά όταν ο Αϊνστάιν εφάρμοσε αυτή την αρχή στο πείραμα σκέψης του, προέκυψε μια αντίφαση: η σχετικότητα υπαγόρευσε ότι οτιδήποτε μπορούσε να δει όταν κινείται κοντά σε μια δέσμη φωτός, συμπεριλαμβανομένων των σταθερών πεδίων, πρέπει να είναι κάτι κοσμικό που οι φυσικοί θα μπορούσαν να δημιουργήσουν στο εργαστήριο. Αλλά κανείς δεν το έχει παρατηρήσει ποτέ αυτό.

Αυτό το πρόβλημα θα στοίχειωνε τον Αϊνστάιν για άλλα 10 χρόνια, καθώς σπούδασε και εργάστηκε στο ETH και μετακόμισε στην ελβετική πρωτεύουσα της Βέρνης, όπου θα γινόταν εξεταστής στο ελβετικό γραφείο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας. Εκεί θα λύσει το παράδοξο μια για πάντα.

1904: Μέτρηση φωτός από κινούμενο τρένο

Δεν ήταν εύκολο. Ο Αϊνστάιν δοκίμασε κάθε λύση που μπορούσε να σκεφτεί, αλλά τίποτα δεν πέτυχε. Σχεδόν σε απόγνωση, άρχισε να σκέφτεται μια απλή, αλλά ριζική λύση. Ίσως οι εξισώσεις του Μάξγουελ να λειτουργούσαν για τα πάντα, σκέφτηκε, αλλά η ταχύτητα του φωτός ήταν πάντα σταθερή.

Με άλλα λόγια, όταν βλέπεις μια δέσμη φωτός να πετάει, δεν έχει σημασία αν η πηγή της κινείται προς το μέρος σου, μακριά σου, μακριά σου ή οπουδήποτε αλλού, και δεν έχει σημασία πόσο γρήγορη είναι η πηγή της. κίνηση. Η ταχύτητα του φωτός που μετράτε θα είναι πάντα 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Μεταξύ άλλων, αυτό σήμαινε ότι ο Αϊνστάιν δεν θα έβλεπε ποτέ ακίνητα ταλαντευόμενα πεδία, αφού ποτέ δεν θα μπορούσε να πιάσει μια δέσμη φωτός.

Αυτός ήταν ο μόνος τρόπος που είδε ο Αϊνστάιν για να συμβιβάσει τις εξισώσεις του Μάξγουελ με την αρχή της σχετικότητας. Με την πρώτη ματιά, όμως, αυτή η λύση είχε το δικό της μοιραίο ελάττωμα. Αργότερα το εξήγησε με ένα άλλο πείραμα σκέψης: φανταστείτε μια δέσμη που εκτοξεύεται κατά μήκος ενός σιδηροδρομικού αναχώματος ενώ ένα τρένο περνά προς την ίδια κατεύθυνση με, ας πούμε, 3000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Κάποιος που στεκόταν κοντά στο ανάχωμα θα έπρεπε να μετρήσει την ταχύτητα της δέσμης φωτός και να πάρει τον τυπικό αριθμό των 300.000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο. Αλλά κάποιος σε ένα τρένο θα δει φως να κινείται με 297.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Εάν η ταχύτητα του φωτός δεν είναι σταθερή, η εξίσωση του Μάξγουελ μέσα στο φορείο θα έπρεπε να φαίνεται διαφορετική, κατέληξε ο Αϊνστάιν, και τότε η αρχή της σχετικότητας θα παραβιαζόταν.

Αυτή η φαινομενική αντίφαση έδωσε στον Αϊνστάιν παύση για σχεδόν ένα χρόνο. Αλλά τότε, ένα ωραίο πρωί του Μαΐου του 1905, πήγαινε στη δουλειά του με τον καλύτερό του φίλο Μισέλ Μπεσό, έναν μηχανικό που γνώριζε από τα φοιτητικά του χρόνια στη Ζυρίχη. Οι δύο άνδρες μίλησαν για το δίλημμα του Αϊνστάιν, όπως έκαναν πάντα. Και ξαφνικά ο Αϊνστάιν είδε τη λύση. Το δούλεψε όλο το βράδυ και όταν συναντήθηκαν το επόμενο πρωί, ο Αϊνστάιν είπε στον Μπέσο: «Ευχαριστώ. Έλυσα πλήρως το πρόβλημα».

Μάιος 1905: Κεραυνός χτυπά τρένο που κινείται

Η αποκάλυψη του Αϊνστάιν ήταν ότι οι παρατηρητές σε σχετική κίνηση αντιλαμβάνονται τον χρόνο διαφορετικά: είναι πολύ πιθανό δύο γεγονότα να συμβαίνουν ταυτόχρονα από την οπτική γωνία ενός παρατηρητή, αλλά σε διαφορετικούς χρόνους από την οπτική γωνία ενός άλλου. Και οι δύο παρατηρητές θα έχουν δίκιο.

Ο Αϊνστάιν επεξηγεί αργότερα την άποψη του με ένα άλλο πείραμα σκέψης. Φανταστείτε ότι ένας παρατηρητής στέκεται πάλι δίπλα στο σιδηρόδρομο και ένα τρένο περνά ορμητικά δίπλα του. Τη στιγμή που το κεντρικό σημείο του τρένου περνά από τον παρατηρητή, κεραυνός χτυπά κάθε άκρο του τρένου. Εφόσον οι κεραυνοί χτυπούν στην ίδια απόσταση από τον παρατηρητή, το φως τους εισέρχεται στα μάτια του ταυτόχρονα. Θα ήταν δίκαιο να πούμε ότι ο κεραυνός χτυπά ταυτόχρονα.

Εν τω μεταξύ, ένας άλλος παρατηρητής κάθεται ακριβώς στο κέντρο του τρένου. Από την άποψή του, το φως από δύο κεραυνούς διανύει την ίδια απόσταση και η ταχύτητα του φωτός θα είναι ίδια προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Επειδή όμως το τρένο κινείται, το φως που προέρχεται από τον πίσω κεραυνό πρέπει να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση, επομένως φτάνει στον παρατηρητή λίγες στιγμές αργότερα από το φως από την αρχή. Δεδομένου ότι οι παλμοί φωτός φτάνουν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι οι κεραυνοί δεν είναι ταυτόχρονοι - το ένα συμβαίνει πιο γρήγορα.

Ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι ακριβώς αυτή η ταυτόχρονη είναι σχετική. Και μόλις το αποδεχτείτε, τα περίεργα φαινόμενα που συνδέουμε τώρα με τη σχετικότητα επιλύονται χρησιμοποιώντας απλή άλγεβρα.

Ο Αϊνστάιν κατέγραψε πυρετωδώς τις σκέψεις του και υπέβαλε το έργο του για δημοσίευση. Ο τίτλος ήταν «On the Electrodynamics of Moving Bodies» και αντικατόπτριζε την προσπάθεια του Einstein να συνδέσει τις εξισώσεις του Maxwell με την αρχή της σχετικότητας. Ο Μπέσο έλαβε ιδιαίτερες ευχαριστίες.

Σεπτέμβριος 1905: μάζα και ενέργεια

Αυτό το πρώτο έργο όμως δεν ήταν το τελευταίο. Ο Αϊνστάιν είχε εμμονή με τη σχετικότητα μέχρι το καλοκαίρι του 1905 και τον Σεπτέμβριο υπέβαλε μια δεύτερη εργασία προς δημοσίευση, αυτή τη φορά εκ των υστέρων.

Βασίστηκε σε ένα άλλο πείραμα σκέψης. Φανταστείτε ένα αντικείμενο σε ηρεμία, είπε. Τώρα φανταστείτε ότι εκπέμπει ταυτόχρονα δύο πανομοιότυπους παλμούς φωτός σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το αντικείμενο θα παραμείνει στη θέση του, αλλά εφόσον κάθε παλμός μεταφέρει ένα ορισμένο ποσό ενέργειας, η ενέργεια που περιέχεται στο αντικείμενο θα μειωθεί.

Τώρα, έγραψε ο Αϊνστάιν, πώς θα έμοιαζε αυτή η διαδικασία σε έναν κινούμενο παρατηρητή; Από την άποψή του, το αντικείμενο απλώς θα συνεχίσει να κινείται σε ευθεία γραμμή ενώ οι δύο παλμοί πετούν μακριά. Αλλά ακόμα κι αν η ταχύτητα των δύο παλμών παραμένει ίδια - η ταχύτητα του φωτός - οι ενέργειές τους θα είναι διαφορετικές. Μια ώθηση που κινείται προς τα εμπρός προς την κατεύθυνση του ταξιδιού θα έχει μεγαλύτερη ενέργεια από αυτή που κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Προσθέτοντας λίγη άλγεβρα, ο Αϊνστάιν έδειξε ότι για να είναι συνεπής αυτό, το αντικείμενο δεν πρέπει μόνο να χάνει ενέργεια όταν στέλνει παλμούς φωτός, αλλά και μάζα. Ή μάζα και ενέργεια θα πρέπει να είναι εναλλάξιμα. Ο Αϊνστάιν έγραψε μια εξίσωση που τους συνδέει. Και έγινε η πιο διάσημη εξίσωση στην ιστορία της επιστήμης: E = mc 2.

Ένα από τα μαργαριτάρια της επιστημονικής σκέψης στην τιάρα της ανθρώπινης γνώσης με την οποία μπήκαμε στον 21ο αιώνα είναι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (εφεξής GTR). Αυτή η θεωρία έχει επιβεβαιωθεί από αμέτρητα πειράματα, θα πω περισσότερα, δεν υπάρχει ούτε ένα πείραμα όπου οι παρατηρήσεις μας θα διέφεραν έστω και λίγο, έστω και λίγο, από τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Εντός των ορίων της εφαρμογής του, φυσικά.

Σήμερα θέλω να σας πω τι είδους θηρίο είναι αυτή η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Γιατί είναι τόσο δύσκολο και γιατί στην πραγματικότηταείναι τόσο απλή. Όπως ήδη καταλαβαίνετε, η εξήγηση θα πάει στα δάχτυλά σας™, λοιπόν, σας ζητώ να μην κρίνετε πολύ αυστηρά για πολύ ελεύθερες ερμηνείες και όχι εντελώς σωστές αλληγορίες. Θέλω να διαβάσει κάποιος αυτήν την εξήγηση φιλάνθρωπος, χωρίς καμία γνώση του διαφορικού λογισμού και της επιφανειακής ολοκλήρωσης, ήταν σε θέση να κατανοήσει τα βασικά της γενικής σχετικότητας. Εξάλλου, ιστορικά, αυτή είναι μια από τις πρώτες επιστημονικές θεωρίες που αρχίζουν να απομακρύνονται από τη συνηθισμένη καθημερινή ανθρώπινη εμπειρία. Με τη Νευτώνεια μηχανική όλα είναι απλά τρία δάχτυλα για να το εξηγήσουν - εδώ είναι η δύναμη, εδώ είναι η μάζα, εδώ είναι η επιτάχυνση. Εδώ είναι ένα μήλο που πέφτει στο κεφάλι σου (έχουν δει όλοι πώς πέφτουν τα μήλα;), εδώ είναι η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης του, εδώ είναι οι δυνάμεις που δρουν πάνω του.

Με τη γενική σχετικότητα, δεν είναι όλα τόσο απλά - καμπυλότητα του χώρου, διαστολή βαρυτικού χρόνου, μαύρες τρύπες - όλα αυτά θα πρέπει να προκαλούν (και προκαλούν!) πολλές ασαφείς υποψίες σε έναν απροετοίμαστο άνθρωπο - μπλέκεις με τα αυτιά μου, φίλε; Ποιες είναι οι καμπυλότητες του χώρου; Ποιος είδε αυτές τις στρεβλώσεις, από πού προέρχονται, πώς μπορεί να φανταστεί κανείς κάτι τέτοιο;

Ας προσπαθήσουμε να το καταλάβουμε.

Όπως γίνεται κατανοητό από το όνομα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, η ουσία της είναι αυτή γενικά, όλα στον κόσμο είναι σχετικά.Αστείο. Όχι πραγματικά όμως.

Η ταχύτητα του φωτός είναι η ποσότητα σε σχέση με την οποία όλα τα άλλα πράγματα στον κόσμο είναι σχετικά. Οποιαδήποτε πλαίσια αναφοράς είναι ίσα, ανεξάρτητα από το πού κινούνται, ό,τι κι αν κάνουν, ακόμη και να περιστρέφονται στη θέση τους, ακόμη και να κινούνται με επιτάχυνση (που είναι σοβαρό πλήγμα για τα σπλάχνα του Νεύτωνα και του Γαλιλαίου, που νόμιζαν ότι μόνο ομοιόμορφα και ευθύγραμμα κινούμενα πλαίσια η αναφορά μπορεί να είναι σχετική και ίση, και ακόμη και τότε, μόνο στο πλαίσιο της στοιχειώδους μηχανικής) - παρόλα αυτά, μπορείτε πάντα να βρείτε έξυπνο κόλπο(επιστημονικά αυτό λέγεται μετασχηματισμός συντεταγμένων), με τη βοήθεια του οποίου θα είναι δυνατή η ανώδυνη μετάβαση από το ένα πλαίσιο αναφοράς στο άλλο, πρακτικά χωρίς να χάνεται τίποτα στην πορεία.

Ένα αξίωμα βοήθησε τον Αϊνστάιν να φτάσει σε ένα τέτοιο συμπέρασμα (επιτρέψτε μου να σας υπενθυμίσω - μια λογική δήλωση που λαμβάνεται για την πίστη χωρίς απόδειξη λόγω του προφανούς της) «για την ισότητα της βαρύτητας και της επιτάχυνσης». (προσοχή, υπάρχει μια έντονη απλοποίηση των διατυπώσεων εδώ, αλλά σε γενικές γραμμές όλα είναι σωστά - η ισοδυναμία των επιπτώσεων της ομοιόμορφα επιταχυνόμενης κίνησης και της βαρύτητας βρίσκεται στην καρδιά της Γενικής Σχετικότητας).

Αποδείξτε αυτό το αξίωμα, ή τουλάχιστον διανοητικά να δοκιμάσωαρκετά απλό. Καλώς ήρθατε στο Einstein Elevator.

Η ιδέα αυτού του πειράματος σκέψης είναι ότι αν είσαστε κλειδωμένοι σε ένα ασανσέρ χωρίς παράθυρα και πόρτες, τότε δεν υπάρχει ο παραμικρός, απολύτως ούτε ένας τρόπος να μάθετε σε ποια κατάσταση βρίσκεστε: είτε το ασανσέρ συνεχίζει να στέκεται όπως είναι στάθηκε στο επίπεδο του ισογείου, και εσείς (και όλα τα άλλα περιεχόμενα του ανελκυστήρα) ενεργείτε η συνήθης δύναμη έλξης, δηλ. η δύναμη της βαρύτητας της Γης ή ολόκληρος ο πλανήτης Γη αφαιρέθηκε από κάτω από τα πόδια σας και ο ανελκυστήρας άρχισε να ανεβαίνει προς τα πάνω, με επιτάχυνση ίση με την επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης σολ=9,8m/s 2 .

Ό,τι κι αν κάνετε, ανεξάρτητα από τα πειράματα που πραγματοποιείτε, όποιες μετρήσεις και αν κάνετε γύρω από αντικείμενα και φαινόμενα, είναι αδύνατο να γίνει διάκριση μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων και στην πρώτη και στη δεύτερη περίπτωση, όλες οι διαδικασίες στο ασανσέρ θα γίνονται ακριβώς το ίδιο.

Ο αναγνώστης με έναν αστερίσκο (*) πιθανότατα γνωρίζει έναν δύσκολο τρόπο να ξεφύγει από αυτή τη δυσκολία. Παλιρροϊκές δυνάμεις. Εάν ο ανελκυστήρας είναι πολύ (πολύ, πολύ) μεγάλος, πλάτος 300 χιλιομέτρων, είναι θεωρητικά δυνατό να διακρίνουμε τη βαρύτητα από την επιτάχυνση μετρώντας τη δύναμη της βαρύτητας (ή το μέγεθος της επιτάχυνσης, δεν ξέρουμε ακόμα ποια είναι ποια) σε διαφορετικές άκρα του ανελκυστήρα. Ένας τέτοιος τεράστιος ανελκυστήρας θα συμπιεστεί ελαφρά από τις παλιρροϊκές δυνάμεις στη διατομή και θα τεντωθεί ελαφρά από αυτές στο διαμήκη επίπεδο. Αλλά αυτά είναι ήδη κόλπα. Εάν ο ανελκυστήρας είναι αρκετά μικρός, δεν θα μπορείτε να ανιχνεύσετε τυχόν παλιρροϊκές δυνάμεις. Ας μην μιλάμε λοιπόν για θλιβερά πράγματα.

Συνολικά, σε ένα αρκετά μικρό ασανσέρ μπορούμε να το υποθέσουμε η βαρυτητα και η επιταχυνση ειναι το ιδιο πραγμα. Φαίνεται ότι η ιδέα είναι προφανής, και μάλιστα ασήμαντη. Τι είναι τόσο νέο ή περίπλοκο εδώ, λέτε, αυτό πρέπει να είναι ξεκάθαρο σε ένα παιδί! Ναι, κατ 'αρχήν, τίποτα περίπλοκο. Δεν ήταν ο Αϊνστάιν που το εφηύρε αυτό.

Ο Αϊνστάιν αποφάσισε να μάθει πώς θα συμπεριφερόταν μια δέσμη φωτός σε ένα τέτοιο ασανσέρ. Αλλά αυτή η ιδέα είχε πολύ εκτεταμένες συνέπειες, τις οποίες κανείς δεν σκέφτηκε σοβαρά μέχρι το 1907. Θέλω να πω, για να είμαι ειλικρινής, πολλοί το σκέφτηκαν, αλλά μόνο ένας αποφάσισε να εμπλακεί τόσο βαθιά.

Ας φανταστούμε ότι φωτίζουμε έναν φακό στον Αϊνστάιν στο νοητικό μας ασανσέρ. Μια ακτίνα φωτός πέταξε έξω από τον ένα τοίχο του ανελκυστήρα, από το σημείο 0) και πέταξε παράλληλα με το πάτωμα προς τον απέναντι τοίχο. Ενώ ο ανελκυστήρας είναι ακίνητος, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι η φωτεινή δέσμη θα χτυπήσει στον απέναντι τοίχο ακριβώς απέναντι από το σημείο εκκίνησης 0), δηλ. θα φτάσει στο σημείο 1). Οι ακτίνες του φωτός ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή, όλοι πήγαν σχολείο, όλοι το έμαθαν αυτό στο σχολείο, το ίδιο και ο νεαρός Albertik.

Είναι εύκολο να μαντέψει κανείς ότι αν το ασανσέρ ανέβαινε, τότε κατά τη διάρκεια του χρόνου που η δοκός πετούσε στην καμπίνα, θα είχε χρόνο να κινηθεί λίγο προς τα πάνω.
Και αν ο ανελκυστήρας κινείται με ομοιόμορφη επιτάχυνση, τότε η δέσμη θα χτυπήσει στον τοίχο στο σημείο 2), δηλαδή όταν το βλέπει κανείς από το πλάιθα φανεί ότι το φως κινήθηκε σαν σε παραβολή.

Λοιπόν, είναι ξεκάθαρο αυτό στην πραγματικότηταδεν υπάρχει παραβολή. Το δοκάρι πέταξε ευθεία και εξακολουθεί να πετάγεται. Απλώς ενώ πετούσε στην ευθεία του, το ασανσέρ κατάφερε να ανέβει λίγο, οπότε εδώ είμαστε Φαίνεταιότι η δέσμη κινήθηκε σε παραβολή.

Όλα είναι υπερβολικά και υπερβολικά φυσικά. Ένα πείραμα σκέψης, γιατί το φως μας πετά αργά και οι ανελκυστήρες κινούνται γρήγορα. Δεν υπάρχει τίποτα ιδιαίτερα δροσερό εδώ, όλα αυτά πρέπει επίσης να είναι κατανοητά σε κάθε μαθητή. Μπορείτε να κάνετε ένα παρόμοιο πείραμα στο σπίτι. Απλά πρέπει να βρείτε «πολύ αργές δέσμες» και καλούς, γρήγορους ανελκυστήρες.

Αλλά ο Αϊνστάιν ήταν πραγματικά μια ιδιοφυΐα. Σήμερα πολλοί άνθρωποι τον μαλώνουν, σαν να είναι κανείς και τίποτα απολύτως, κάθισε στο γραφείο ευρεσιτεχνιών του, ύφαινε τις εβραϊκές του συνωμοσίες και έκλεψε ιδέες από πραγματικούς φυσικούς. Οι περισσότεροι από αυτούς που το λένε αυτό δεν καταλαβαίνουν καθόλου ποιος είναι ο Αϊνστάιν και τι έκανε για την επιστήμη και την ανθρωπότητα.

Ο Αϊνστάιν είπε - αφού «η βαρύτητα και η επιτάχυνση είναι ισοδύναμες» (το επαναλαμβάνω για άλλη μια φορά, δεν είπε ακριβώς αυτό, σκόπιμα υπερβάλλω και απλοποιώ), σημαίνει ότι με την παρουσία ενός βαρυτικού πεδίου (για παράδειγμα, κοντά στο πλανήτης Γη), το φως θα πετάξει επίσης όχι σε ευθεία γραμμή, αλλά κατά μήκος μιας καμπύλης. Η βαρύτητα θα κάμψει τη δέσμη φωτός.

Που από μόνο του ήταν απόλυτη αίρεση για εκείνη την εποχή. Οποιοσδήποτε αγρότης πρέπει να γνωρίζει ότι τα φωτόνια είναι σωματίδια χωρίς μάζα. Αυτό σημαίνει ότι το φως «δεν ζυγίζει» τίποτα. Ως εκ τούτου, το φως δεν πρέπει να ενδιαφέρεται για τη βαρύτητα δεν πρέπει να «έλκεται» από τη Γη, καθώς έλκονται πέτρες, μπάλες και βουνά. Αν κάποιος θυμάται τον τύπο του Νεύτωνα, η βαρύτητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των σωμάτων και ευθέως ανάλογη με τις μάζες τους. Εάν μια ακτίνα φωτός δεν έχει μάζα (και το φως πραγματικά δεν έχει), τότε δεν πρέπει να υπάρχει έλξη! Εδώ οι σύγχρονοι άρχισαν να κοιτάζουν στραβά τον Αϊνστάιν με καχυποψία.

Και αυτός, η μόλυνση, πήγε ακόμα πιο μακριά. Λέει ότι δεν θα σπάσουμε τα κεφάλια των αγροτών. Ας πιστέψουμε τους αρχαίους Έλληνες (γεια σας, αρχαίοι Έλληνες!), αφήστε το φως να απλωθεί όπως πριν αυστηρά σε ευθεία γραμμή. Ας υποθέσουμε καλύτερα ότι ο ίδιος ο χώρος γύρω από τη Γη (και κάθε σώμα με μάζα) κάμπτεται. Και όχι μόνο τρισδιάστατος χώρος, αλλά τετραδιάστατος χωροχρόνος.

Εκείνοι. Το φως πετούσε σε ευθεία γραμμή και εξακολουθεί να πετάει. Μόνο που αυτή η ευθεία γραμμή δεν σχεδιάζεται τώρα σε ένα αεροπλάνο, αλλά βρίσκεται σε ένα είδος τσαλακωμένης πετσέτας. Και σε 3D επίσης. Και είναι η στενή παρουσία της μάζας που τσαλακώνει αυτή την πετσέτα. Λοιπόν, πιο συγκεκριμένα η παρουσία ενέργειας-ορμής, για να είμαστε απόλυτα ακριβείς.

Όλα σε αυτόν - «Άλμπερτικ, οδηγείς, σταμάτα με το όπιο το συντομότερο δυνατό, γιατί το LSD δεν έχει εφευρεθεί ακόμα, και σίγουρα δεν θα έβγαζες κάτι τέτοιο στο κεφάλι σου! Για τι πράγμα μιλάς;"

Και ο Αϊνστάιν είπε: «Θα σου δείξω ξανά!»

Κλειδωθείτε στον λευκό σας πύργο (στο γραφείο ευρεσιτεχνιών, δηλαδή) και ας προσαρμόσουμε τα μαθηματικά στις ιδέες. Πίεσα για 10 χρόνια μέχρι να γεννήσω αυτό:

Πιο συγκεκριμένα, αυτή είναι η πεμπτουσία αυτού που γέννησε. Στην πιο λεπτομερή έκδοση υπάρχουν 10 ανεξάρτητοι τύποι, και στην πλήρη έκδοση υπάρχουν δύο σελίδες μαθηματικών συμβόλων σε μικρά γράμματα.

Εάν αποφασίσετε να παρακολουθήσετε ένα πραγματικό μάθημα στη Γενική Σχετικότητα, το εισαγωγικό μέρος τελειώνει εδώ και στη συνέχεια πρέπει να ακολουθήσουν δύο εξάμηνα μελέτης της σκληρής γλώσσας. Και για να προετοιμαστείτε να μελετήσετε αυτά τα μαθηματικά, χρειάζεστε τουλάχιστον άλλα τρία χρόνια ανώτερων μαθηματικών, δεδομένου ότι έχετε αποφοιτήσει από το γυμνάσιο και είστε ήδη εξοικειωμένοι με τον διαφορικό και ολοκληρωτικό λογισμό.

Χέρι στην καρδιά, το ματάν εκεί δεν είναι τόσο περίπλοκο όσο κουραστικό. Ο λογισμός τανυστών στον ψευδο-Ριμαννιακό χώρο δεν είναι ένα πολύ συγκεχυμένο θέμα για κατανόηση. Δεν πρόκειται για κβαντική χρωμοδυναμική ή, Θεός φυλάξοι, όχι για θεωρία χορδών. Όλα είναι ξεκάθαρα εδώ, όλα είναι λογικά. Εδώ είναι ένα διάστημα Riemann, εδώ είναι μια πολλαπλότητα χωρίς σπασίματα ή πτυχώσεις, εδώ είναι ένας μετρικός τανυστής, εδώ είναι ένας μη εκφυλισμένος πίνακας, γράψτε τύπους για τον εαυτό σας και εξισορροπήστε τους δείκτες, βεβαιωθείτε ότι οι συμμεταβλητές και οι αντίθετες αναπαραστάσεις των διανυσμάτων και στις δύο πλευρές του η εξίσωση αντιστοιχούν μεταξύ τους. Δεν είναι δύσκολο. Είναι μακρύ και κουραστικό.

Αλλά ας μην πάμε σε τέτοια μήκη και ας επιστρέψουμε στα δάχτυλά μας™. Κατά τη γνώμη μας, με απλό τρόπο, ο τύπος του Αϊνστάιν σημαίνει περίπου το εξής. Αριστερά από το πρόσημο ίσου στον τύπο είναι ο τανυστής του Αϊνστάιν συν ο συμμεταβλητός μετρικός τανυστής και η κοσμολογική σταθερά (Λ). Αυτό το λάμδα είναι ουσιαστικά σκοτεινή ενέργειαπου έχουμε ακόμα και σήμερα δεν ξέρουμε τίποτα, αλλά αγαπάμε και σεβόμαστε. Και ο Αϊνστάιν δεν το γνωρίζει ακόμα. Έχει τη δική του ενδιαφέρουσα ιστορία, που αξίζει μια ολόκληρη ξεχωριστή ανάρτηση.

Με λίγα λόγια, όλα στα αριστερά του ίσου δείχνουν πώς αλλάζει η γεωμετρία του χώρου, δηλ. πώς λυγίζει και στρίβει υπό την επίδραση της βαρύτητας.

Και στα δεξιά, εκτός από τις συνήθεις σταθερές όπως π , ταχύτητα του φωτός ντο και σταθερά βαρύτητας σολ υπάρχει μια επιστολή Τ- τανυστής ενέργειας-ορμής. Με όρους Lammer, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι αυτή είναι η διαμόρφωση του τρόπου με τον οποίο η μάζα κατανέμεται στο διάστημα (ακριβέστερα, ενέργεια, επειδή ποια μάζα ή ενέργεια είναι η ίδια πλατεία εμτσέ) για να δημιουργήσουμε τη βαρύτητα και να κάμψουμε το χώρο με αυτήν ώστε να αντιστοιχεί στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης.

Αυτή, καταρχήν, είναι ολόκληρη η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας στα δάχτυλά σας™.

Πριν από εκατό χρόνια, το 1915, ένας νεαρός Ελβετός επιστήμονας, ο οποίος εκείνη την εποχή είχε ήδη κάνει επαναστατικές ανακαλύψεις στη φυσική, πρότεινε μια θεμελιωδώς νέα κατανόηση της βαρύτητας.

Το 1915, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η οποία χαρακτηρίζει τη βαρύτητα ως θεμελιώδη ιδιότητα του χωροχρόνου. Παρουσίασε μια σειρά εξισώσεων που περιέγραψαν την επίδραση της καμπυλότητας του χωροχρόνου στην ενέργεια και την κίνηση της ύλης και της ακτινοβολίας που υπάρχει σε αυτόν.

Εκατό χρόνια αργότερα, η γενική θεωρία της σχετικότητας (GTR) έγινε η βάση για την κατασκευή της σύγχρονης επιστήμης, άντεξε όλες τις δοκιμασίες με τις οποίες οι επιστήμονες της επιτέθηκαν.

Αλλά μέχρι πρόσφατα ήταν αδύνατο να γίνουν πειράματα κάτω από ακραίες συνθήκες για να δοκιμαστεί η σταθερότητα της θεωρίας.

Είναι εκπληκτικό πόσο ισχυρή έχει αποδειχθεί η θεωρία της σχετικότητας σε 100 χρόνια. Εξακολουθούμε να χρησιμοποιούμε αυτό που έγραψε ο Αϊνστάιν!

Clifford Will, θεωρητικός φυσικός, Πανεπιστήμιο της Φλόριντα

Οι επιστήμονες έχουν τώρα την τεχνολογία για να αναζητήσουν τη φυσική πέρα ​​από τη γενική σχετικότητα.

Μια νέα ματιά στη βαρύτητα

Η γενική θεωρία της σχετικότητας περιγράφει τη βαρύτητα όχι ως δύναμη (όπως εμφανίζεται στη νευτώνεια φυσική), αλλά ως καμπυλότητα του χωροχρόνου λόγω της μάζας των αντικειμένων. Η Γη περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο όχι επειδή το αστέρι τον έλκει, αλλά επειδή ο Ήλιος παραμορφώνει τον χωροχρόνο. Εάν βάλετε μια βαριά μπάλα μπόουλινγκ σε μια τεντωμένη κουβέρτα, η κουβέρτα θα αλλάξει σχήμα - η βαρύτητα επηρεάζει το χώρο με τον ίδιο σχεδόν τρόπο.

Η θεωρία του Αϊνστάιν προέβλεψε μερικές τρελές ανακαλύψεις. Για παράδειγμα, η πιθανότητα ύπαρξης μαύρων οπών, που λυγίζουν τον χωροχρόνο σε τέτοιο βαθμό που τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει από μέσα, ούτε καν το φως. Με βάση τη θεωρία, βρέθηκαν στοιχεία για τη γενικά αποδεκτή άποψη σήμερα ότι το Σύμπαν διαστέλλεται και επιταχύνεται.

Η γενική σχετικότητα έχει επιβεβαιωθεί από πολυάριθμες παρατηρήσεις. Ο ίδιος ο Αϊνστάιν χρησιμοποίησε τη γενική σχετικότητα για να υπολογίσει την τροχιά του Ερμή, η κίνηση του οποίου δεν μπορεί να περιγραφεί από τους νόμους του Νεύτωνα. Ο Αϊνστάιν προέβλεψε την ύπαρξη αντικειμένων τόσο ογκωδών που κάμπτουν το φως. Αυτό είναι ένα φαινόμενο βαρυτικού φακού που συναντούν συχνά οι αστρονόμοι. Για παράδειγμα, η αναζήτηση για εξωπλανήτες βασίζεται στην επίδραση λεπτών αλλαγών στην ακτινοβολία που κάμπτεται από το βαρυτικό πεδίο του άστρου γύρω από το οποίο περιφέρεται ο πλανήτης.

Δοκιμή της θεωρίας του Αϊνστάιν

Η γενική σχετικότητα λειτουργεί καλά για τη συνηθισμένη βαρύτητα, όπως φαίνεται από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στη Γη και τις παρατηρήσεις των πλανητών του ηλιακού συστήματος. Αλλά ποτέ δεν έχει δοκιμαστεί υπό συνθήκες εξαιρετικά ισχυρών πεδίων σε χώρους που βρίσκονται στα όρια της φυσικής.

Ο πιο πολλά υποσχόμενος τρόπος για να δοκιμαστεί η θεωρία υπό τέτοιες συνθήκες είναι η παρατήρηση των αλλαγών στο χωροχρόνο που ονομάζονται βαρυτικά κύματα. Εμφανίζονται ως αποτέλεσμα μεγάλων γεγονότων, της συγχώνευσης δύο ογκωδών σωμάτων, όπως οι μαύρες τρύπες, ή ιδιαίτερα πυκνά αντικείμενα - αστέρια νετρονίων.

Μια κοσμική επίδειξη πυροτεχνημάτων αυτού του μεγέθους θα αντανακλά μόνο τους μικρότερους κυματισμούς στον χωροχρόνο. Για παράδειγμα, αν δύο μαύρες τρύπες συγκρούονταν και συγχωνεύονταν κάπου στον Γαλαξία μας, τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να τεντωθούν και να συμπιέσουν την απόσταση μεταξύ των αντικειμένων που βρίσκονται σε απόσταση ενός μέτρου στη Γη κατά το ένα χιλιοστό της διαμέτρου ενός ατομικού πυρήνα.

Έχουν εμφανιστεί πειράματα που μπορούν να καταγράψουν αλλαγές στο χωροχρόνο λόγω τέτοιων γεγονότων.

Υπάρχει μια καλή πιθανότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων τα επόμενα δύο χρόνια.

Κλίφορντ Γουίλ

Το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO), με παρατηρητήρια κοντά στο Ρίτλαντ, στην Ουάσιγκτον και στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα, χρησιμοποιεί ένα λέιζερ για να ανιχνεύει μικρές παραμορφώσεις σε διπλούς ανιχνευτές σε σχήμα L. Καθώς οι κυματισμοί του χωροχρόνου περνούν μέσα από τους ανιχνευτές, τεντώνουν και συμπιέζουν το χώρο, με αποτέλεσμα ο ανιχνευτής να αλλάξει διαστάσεις. Και το LIGO μπορεί να τα μετρήσει.

Το LIGO ξεκίνησε μια σειρά εκτοξεύσεων το 2002, αλλά δεν κατάφερε να επιτύχει αποτελέσματα. Το 2010 έγιναν βελτιώσεις και ο διάδοχος του οργανισμού, το Advanced LIGO, θα πρέπει να λειτουργήσει ξανά φέτος. Πολλά από τα προγραμματισμένα πειράματα στοχεύουν στην αναζήτηση βαρυτικών κυμάτων.

Ένας άλλος τρόπος για να ελέγξουμε τη θεωρία της σχετικότητας είναι να εξετάσουμε τις ιδιότητες των βαρυτικών κυμάτων. Για παράδειγμα, μπορούν να είναι πολωμένα, όπως το φως που περνά μέσα από πολωμένα γυαλιά. Η θεωρία της σχετικότητας προβλέπει τα χαρακτηριστικά ενός τέτοιου αποτελέσματος και οποιεσδήποτε αποκλίσεις από τους υπολογισμούς μπορεί να γίνουν αιτία αμφιβολίας για τη θεωρία.

Ενιαία θεωρία

Ο Κλίφορντ Γουίλ πιστεύει ότι η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων θα ενισχύσει μόνο τη θεωρία του Αϊνστάιν:

Νομίζω ότι πρέπει να συνεχίσουμε να ψάχνουμε για στοιχεία της γενικής σχετικότητας για να είμαστε σίγουροι ότι είναι σωστά.

Γιατί χρειάζονται καθόλου αυτά τα πειράματα;

Ένα από τα πιο σημαντικά και άπιαστα καθήκοντα της σύγχρονης φυσικής είναι η αναζήτηση μιας θεωρίας που θα συνδέσει την έρευνα του Αϊνστάιν, δηλαδή την επιστήμη του μακρόκοσμου και την κβαντική μηχανική, την πραγματικότητα των μικρότερων αντικειμένων.

Η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα, την κβαντική βαρύτητα, μπορεί να απαιτήσει αλλαγές στη γενική σχετικότητα. Είναι πιθανό ότι τα πειράματα κβαντικής βαρύτητας θα απαιτούσαν τόση πολλή ενέργεια που θα ήταν αδύνατο να πραγματοποιηθούν. «Αλλά ποιος ξέρει», λέει ο Γουίλ, «ίσως υπάρχει μια επίδραση στο κβαντικό σύμπαν που είναι ασήμαντη, αλλά αναζητήσιμη».

Η γενική θεωρία της σχετικότητας, μαζί με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, είναι το λαμπρό έργο του Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος στις αρχές του 20ού αιώνα άλλαξε τον τρόπο που οι φυσικοί έβλεπαν τον κόσμο. Εκατό χρόνια αργότερα, η Γενική Σχετικότητα είναι η θεμελιώδης και πιο σημαντική θεωρία της φυσικής στον κόσμο, και μαζί με την κβαντική μηχανική ισχυρίζεται ότι είναι ένας από τους δύο ακρογωνιαίους λίθους της «θεωρίας των πάντων». Η γενική θεωρία της σχετικότητας περιγράφει τη βαρύτητα ως συνέπεια της καμπυλότητας του χωροχρόνου (ενωμένος στη γενική σχετικότητα σε ένα σύνολο) υπό την επίδραση της μάζας. Χάρη στη γενική σχετικότητα, οι επιστήμονες έχουν εξαγάγει πολλές σταθερές, έχουν δοκιμάσει ένα σωρό ανεξήγητα φαινόμενα και έχουν βρει πράγματα όπως οι μαύρες τρύπες, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, η διαστολή του Σύμπαντος, η Μεγάλη Έκρηξη και πολλά άλλα. Το GTR άσκησε επίσης βέτο στην υπέρβαση της ταχύτητας του φωτός, παγιδεύοντάς μας κυριολεκτικά στο περιβάλλον μας (το Ηλιακό Σύστημα), αλλά άφησε ένα κενό με τη μορφή σκουληκότρυπας - σύντομα πιθανά μονοπάτια μέσα στον χωροχρόνο.

Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν μου φαινόταν πάντα αφηρημένη και ακατανόητη. Ας προσπαθήσουμε να περιγράψουμε τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν με απλά λόγια. Φανταστείτε να βρίσκεστε έξω σε δυνατή βροχή με τον άνεμο να φυσάει στην πλάτη σας. Αν αρχίσετε να τρέχετε γρήγορα, οι σταγόνες βροχής δεν θα πέσουν στην πλάτη σας. Οι σταγόνες θα είναι πιο αργές ή δεν θα φτάνουν καθόλου στην πλάτη σας, αυτό είναι ένα επιστημονικά αποδεδειγμένο γεγονός και μπορείτε να το ελέγξετε μόνοι σας σε μια καταιγίδα. Τώρα φανταστείτε αν γυρίζατε και τρέχατε κόντρα στον άνεμο με βροχή, οι σταγόνες θα χτυπούσαν τα ρούχα και το πρόσωπό σας πιο δυνατά από ό,τι αν απλώς στεκόσαστε.

Οι επιστήμονες πίστευαν προηγουμένως ότι το φως λειτουργούσε σαν βροχή σε καιρό με άνεμο. Σκέφτηκαν ότι αν η Γη κινούνταν γύρω από τον Ήλιο και ο Ήλιος γύρω από τον γαλαξία, τότε θα ήταν δυνατό να μετρηθεί η ταχύτητα της κίνησής τους στο διάστημα. Κατά τη γνώμη τους, το μόνο που έχουν να κάνουν είναι να μετρήσουν την ταχύτητα του φωτός και πώς αλλάζει σε σχέση με δύο σώματα.

Οι επιστήμονες το έκαναν και βρήκε κάτι πολύ περίεργο. Η ταχύτητα του φωτός ήταν ίδια, ό,τι κι αν γινόταν, ανεξάρτητα από το πώς κινούνταν τα σώματα και όποια κατεύθυνση κι αν έγιναν οι μετρήσεις.

Ήταν πολύ περίεργο. Αν πάρουμε την κατάσταση με μια καταιγίδα, τότε υπό κανονικές συνθήκες οι σταγόνες της βροχής θα σας επηρεάσουν περισσότερο ή λιγότερο ανάλογα με τις κινήσεις σας. Συμφωνώ, θα ήταν πολύ περίεργο αν μια καταιγίδα φυσούσε στην πλάτη σου με την ίδια δύναμη, τόσο όταν τρέχεις όσο και όταν σταματάς.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το φως δεν έχει τις ίδιες ιδιότητες με τις σταγόνες της βροχής ή οτιδήποτε άλλο στο σύμπαν. Ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα κινείστε, και ανεξάρτητα από την κατεύθυνση που κατευθύνεστε, η ταχύτητα του φωτός θα είναι πάντα η ίδια. Αυτό είναι πολύ μπερδεμένο και μόνο ο Άλμπερτ Αϊνστάιν μπόρεσε να ρίξει φως σε αυτή την αδικία.

Ο Αϊνστάιν και ένας άλλος επιστήμονας, ο Χέντρικ Λόρεντς, κατάλαβαν ότι υπήρχε μόνο ένας τρόπος να εξηγήσουν πώς θα μπορούσαν να είναι όλα αυτά. Αυτό είναι δυνατό μόνο εάν ο χρόνος επιβραδύνει.

Φανταστείτε τι θα συνέβαινε αν ο χρόνος επιβραδύνθηκε για εσάς και δεν ξέρατε ότι κινείστε πιο αργά. Θα νιώσετε ότι όλα τα άλλα γίνονται πιο γρήγορα., τα πάντα γύρω σας θα κινούνται, όπως σε ταινία στο fast forward.

Λοιπόν, τώρα ας φανταστούμε ότι βρίσκεστε ξανά σε μια νεροποντή. Πώς είναι δυνατόν η βροχή να σας επηρεάσει το ίδιο ακόμα κι αν τρέχετε; Αποδεικνύεται ότι αν προσπαθούσατε να ξεφύγετε από τη βροχή, τότε ο χρόνος σας θα επιβραδύνθηκε και η βροχή θα επιταχυνόταν. Οι σταγόνες βροχής θα χτυπούσαν την πλάτη σου με την ίδια ταχύτητα. Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτό το χρόνο διαστολή. Όσο γρήγορα κι αν κινείστε, ο χρόνος σας επιβραδύνεται, τουλάχιστον για την ταχύτητα του φωτός αυτή η έκφραση είναι αληθινή.

Δυαδικότητα διαστάσεων

Ένα άλλο πράγμα που κατάλαβαν ο Αϊνστάιν και ο Λόρεντς ήταν ότι δύο άνθρωποι κάτω από διαφορετικές συνθήκες μπορούν να λάβουν διαφορετικές υπολογισμένες τιμές και το πιο περίεργο είναι ότι και οι δύο θα έχουν δίκιο. Αυτή είναι μια άλλη παρενέργεια του φωτός που κινείται πάντα με την ίδια ταχύτητα.

Ας κάνουμε ένα πείραμα σκέψης

Φανταστείτε ότι στέκεστε στο κέντρο του δωματίου σας και έχετε εγκαταστήσει μια λάμπα ακριβώς στη μέση του δωματίου. Τώρα φανταστείτε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ αργή και μπορείτε να δείτε πώς ταξιδεύει, φανταστείτε ότι ανάβετε μια λάμπα.

Μόλις ανάψετε τη λάμπα, το φως θα αρχίσει να απλώνεται και να ανάβει. Δεδομένου ότι και οι δύο τοίχοι βρίσκονται στην ίδια απόσταση, το φως θα φτάσει και στους δύο τοίχους ταυτόχρονα.

Τώρα φανταστείτε ότι υπάρχει ένα μεγάλο παράθυρο στο δωμάτιό σας και ένας φίλος σας περνάει. Θα δει κάτι άλλο. Για αυτόν, θα φαίνεται ότι το δωμάτιό σας κινείται προς τα δεξιά και όταν ανάψετε τη λάμπα, θα δει τον αριστερό τοίχο να κινείται προς το φως. και ο δεξιός τοίχος απομακρύνεται από το φως. Θα δει ότι το φως χτύπησε πρώτα στον αριστερό τοίχο και μετά στον δεξιό. Θα του φανεί ότι το φως δεν φώτισε και τους δύο τοίχους ταυτόχρονα.

Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, και οι δύο απόψεις θα είναι σωστές. Από την άποψή σας, το φως χτυπά και τους δύο τοίχους ταυτόχρονα. Από τη σκοπιά του φίλου σου, δεν είναι έτσι. Δεν υπάρχει τίποτα κακό.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες λένε ότι «ο ταυτόχρονος είναι σχετικός». Εάν μετρήσετε δύο πράγματα που υποτίθεται ότι συμβαίνουν ταυτόχρονα, τότε κάποιος που κινείται με διαφορετική ταχύτητα ή προς διαφορετική κατεύθυνση δεν θα μπορεί να τα μετρήσει με τον ίδιο τρόπο όπως εσείς.

Αυτό μας φαίνεται πολύ περίεργο, γιατί η ταχύτητα του φωτός είναι στιγμιαία για εμάς και κινούμαστε πολύ αργά σε σύγκριση. Δεδομένου ότι η ταχύτητα του φωτός είναι τόσο υψηλή, δεν παρατηρούμε την ταχύτητα του φωτός μέχρι να πραγματοποιήσουμε ειδικά πειράματα.

Όσο πιο γρήγορα κινείται ένα αντικείμενο, τόσο πιο κοντό και μικρότερο είναι

Μια άλλη πολύ περίεργη παρενέργειαότι η ταχύτητα του φωτός δεν αλλάζει. Με την ταχύτητα του φωτός, τα κινούμενα πράγματα γίνονται πιο σύντομα.

Και πάλι, ας φανταστούμε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ αργή. Φανταστείτε ότι ταξιδεύετε σε ένα τρένο και έχετε εγκαταστήσει μια λάμπα στη μέση του βαγονιού. Τώρα φανταστείτε ότι ανάβετε μια λάμπα, όπως σε ένα δωμάτιο.

Το φως θα εξαπλωθεί και ταυτόχρονα θα φτάσει στους τοίχους μπροστά και πίσω από το αυτοκίνητο. Με αυτόν τον τρόπο μπορείτε ακόμη και να μετρήσετε το μήκος του φορείου μετρώντας πόσο χρόνο χρειάστηκε το φως για να φτάσει και στις δύο πλευρές.

Ας κάνουμε τους υπολογισμούς:

Ας φανταστούμε ότι χρειάζεται 1 δευτερόλεπτο για να διανύσει κανείς 10 μέτρα και χρειάζεται 1 δευτερόλεπτο για να εξαπλωθεί το φως από τη λάμπα στον τοίχο της άμαξας. Αυτό σημαίνει ότι η λάμπα βρίσκεται 10 μέτρα και από τις δύο πλευρές του αυτοκινήτου. Δεδομένου ότι 10 + 10 = 20, αυτό σημαίνει ότι το μήκος του αυτοκινήτου είναι 20 μέτρα.

Τώρα ας φανταστούμε ότι ο φίλος σας είναι στο δρόμο και βλέπει ένα τρένο να περνάει. Να θυμάστε ότι βλέπει τα πράγματα διαφορετικά. Το πίσω τοίχωμα του φορείου κινείται προς τη λάμπα και το μπροστινό τοίχωμα απομακρύνεται από αυτό. Έτσι, το φως δεν θα αγγίζει ταυτόχρονα το μπροστινό και το πίσω μέρος του τοίχου του αυτοκινήτου. Το φως θα φτάσει πρώτα στο πίσω μέρος και μετά στο μπροστινό μέρος.

Έτσι, εάν εσείς και ο φίλος σας μετρήσετε την ταχύτητα διάδοσης του φωτός από τη λάμπα στους τοίχους, θα λάβετε διαφορετικές τιμές, αλλά από επιστημονική άποψη και οι δύο υπολογισμοί θα είναι σωστοί. Μόνο για εσάς, σύμφωνα με τις μετρήσεις, το μήκος της άμαξας θα είναι το ίδιο μέγεθος, αλλά για έναν φίλο, το μήκος της άμαξας θα είναι μικρότερο.

Θυμηθείτε, όλα έχουν να κάνουν με το πώς και υπό ποιες συνθήκες λαμβάνετε μετρήσεις. Αν βρισκόσασταν μέσα σε έναν πύραυλο που κινείται με την ταχύτητα του φωτός, δεν θα ένιωθες τίποτα ασυνήθιστο, σε αντίθεση με τους ανθρώπους στο έδαφος που μετρούν την κίνησή σου. Δεν θα μπορούσατε να συνειδητοποιήσετε ότι ο χρόνος κυλούσε πιο αργά για εσάς ή ότι το μπροστινό και το πίσω μέρος του πλοίου είχαν ξαφνικά πλησιάσει το ένα το άλλο.

Ταυτόχρονα, αν πετούσατε με πύραυλο, θα σας φαινόταν σαν να περνούσαν όλοι οι πλανήτες και τα αστέρια από δίπλα σας με την ταχύτητα του φωτός. Σε αυτήν την περίπτωση, αν προσπαθήσετε να μετρήσετε το χρόνο και το μέγεθός τους, τότε λογικά για αυτούς ο χρόνος θα πρέπει να επιβραδυνθεί και τα μεγέθη τους να μειωθούν, σωστά;

Όλα αυτά ήταν πολύ περίεργα και ακατανόητα, αλλά Ο Αϊνστάιν πρότεινε μια λύση και συνδύασε όλα αυτά τα φαινόμενα σε μια θεωρία της σχετικότητας.