Czym jest względność?

Czym jest względność?

Albert Einstein był znany z wielu rzeczy, ale jego największym dziełem jest teoria względności. Na zawsze zmieniła ona nasze rozumienie przestrzeni i czasu.

Co to jest względność? Krótko mówiąc, jest to koncepcja, że prawa fizyki są wszędzie takie same. My tu na Ziemi przestrzegamy tych samych praw światła i grawitacji, co ktoś w odległym zakątku wszechświata.

Wszechstronność fizyki oznacza, że historia jest prowincjonalna. Różni widzowie będą widzieć czas i odstępy między wydarzeniami inaczej. To, co dla nas jest milionem lat, może być tylko mgnieniem oka dla kogoś lecącego w szybkiej rakiecie lub wpadającego do czarnej dziury.

To wszystko jest względne.

Szczególna względność

Teoria Einsteina dzieli się na szczególną i ogólną względność.

Specjalna względność pojawiła się jako pierwsza i opiera się na tym, że prędkość światła jest stała dla wszystkich. To może wydawać się dość proste, ale ma daleko idące konsekwencje.

Einstein doszedł do tego wniosku w 1905 roku po tym, jak eksperymentalne dowody pokazały, że prędkość światła nie zmienia się, gdy Ziemia obraca się wokół Słońca.

Ten wynik był zaskakujący dla fizyków, ponieważ prędkość większości innych rzeczy zależy od kierunku, w którym porusza się obserwator. Jeśli jedziesz samochodem wzdłuż torów kolejowych, pociąg jadący na ciebie będzie się wydawał poruszać znacznie szybciej, niż gdybyś się odwrócił i podążał za nim w tym samym kierunku.

Einstein powiedział, że wszyscy obserwatorzy zmierzą prędkość światła jako 186 000 mil na sekundę, bez względu na to, jak szybko i w jakim kierunku się poruszają.

Ta maksyma skłoniła komika Stephena Wrighta do zadania pytania: „Jeśli jesteś w statku kosmicznym, który podróżuje z prędkością światła i włączysz reflektory, czy coś się stanie?”

Odpowiedź brzmi: reflektory włączają się normalnie, ale tylko z perspektywy kogoś wewnątrz statku kosmicznego. Dla kogoś stojącego na zewnątrz i obserwującego przelatujący statek, reflektory nie wydają się włączać: światło wychodzi, ale porusza się z tą samą prędkością co statek kosmiczny.

Te sprzeczne wersje powstają, ponieważ linijki i zegary – rzeczy, które wyznaczają czas i przestrzeń – nie są takie same dla różnych obserwatorów. Jeśli prędkość światła ma być utrzymywana na stałym poziomie, jak powiedział Einstein, to czas i przestrzeń nie mogą być absolutne; muszą być subiektywne.

Na przykład, statek kosmiczny o długości 100 stóp podróżujący z prędkością 99,99% prędkości światła będzie wydawał się długi na jedną stopę dla nieruchomego obserwatora, ale pozostanie normalnej długości dla tych, którzy są na pokładzie.

Może nawet dziwniejsze jest to, że czas płynie wolniej, im szybciej się jedzie. Jeśli bliźniaczka jedzie w pędzącym statku kosmicznym do jakiejś odległej gwiazdy, a potem wraca, będzie młodsza niż jej siostra, która została na Ziemi.

Masa również zależy od prędkości. Im szybciej obiekt się porusza, tym bardziej masywny się staje. W rzeczywistości żaden statek kosmiczny nie może nigdy osiągnąć 100% prędkości światła, ponieważ jego masa wzrastałaby do nieskończoności.

Ten związek między masą i prędkością jest często wyrażany jako związek między masą i energią: E=mc^2, gdzie E to energia, m to masa, a c to prędkość światła.

Ogólna względność

Einstein nie skończył zaburzać naszego rozumienia czasu i przestrzeni. Poszedł dalej, aby uogólnić swoją teorię, włączając do niej przyspieszenie i odkrył, że to zniekształca kształt czasu i przestrzeni.

By trzymać się powyższego przykładu: wyobraźmy sobie, że statek kosmiczny przyspiesza, odpalając swoje silniki odrzutowe. Osoby znajdujące się na pokładzie będą przylegać do ziemi tak samo, jak gdyby znajdowały się na Ziemi. Einstein twierdził, że siła, którą nazywamy grawitacją jest nie do odróżnienia od przebywania w przyspieszającym statku.

To samo w sobie nie było tak rewolucyjne, ale kiedy Einstein rozpracował skomplikowaną matematykę (zajęło mu to 10 lat), odkrył, że przestrzeń i czas są zakrzywione w pobliżu masywnego obiektu, a ta krzywizna jest tym, czego doświadczamy jako siły grawitacji.

Trudno jest wyobrazić sobie zakrzywioną geometrię ogólnej teorii względności, ale jeśli pomyślimy o czasoprzestrzeni jako rodzaju tkaniny, to masywny obiekt rozciąga otaczającą go tkaninę tak, że wszystko, co przechodzi w pobliżu, nie podąża już po linii prostej.

Równania ogólnej teorii względności przewidują szereg zjawisk, z których wiele zostało potwierdzonych:

• uginanie się światła wokół masywnych obiektów (soczewkowanie grawitacyjne)
• powolna ewolucja orbity planety Merkury (precesja peryhelium)
• wleczenie ramowe czasoprzestrzeni wokół obracających się ciał
• osłabienie światła uciekającego przed przyciąganiem grawitacyjnym (redshift grawitacyjny)
• fale grawitacyjne (falowanie w tkaninie czasoprzestrzennej) wywołane przez kosmiczne fale grawitacyjne (falowanie w czasoprzestrzeni).czasoprzestrzeni) spowodowane przez kosmiczne rozbicia
• istnienie czarnych dziur, które zatrzymują wszystko, łącznie ze światłem

Zakrzywienie czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury jest bardziej intensywne niż gdziekolwiek indziej. Gdyby kosmiczna bliźniaczka wpadła do czarnej dziury, zostałaby rozciągnięta jak spaghetti.

Na szczęście dla niej, wszystko skończyłoby się w ciągu kilku sekund. Ale jej siostra na Ziemi nigdy nie zobaczyłaby końca – obserwując, jak jej biedna siostra stopniowo zbliża się do czarnej dziury w ciągu wieku wszechświata.

Dodatkowe zasoby:

• Zobacz ten film wyjaśniający, na czym polega względność, z Fermilab.
• Zapoznaj się z ogólną teorią względności Einsteina, ze Space.com.
• Znajdź więcej informacji o życiu i odkryciach naukowych Alberta Einsteina, z The Nobel Foundation.

Ten artykuł został zaktualizowany 2 lipca 2019 r., przez Live Science Contributor Tim Childers.

.