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 zmieniała się, gdy Ziemia obracała się wokół Słońca.

Ten wynik był zaskakujący dla fizyków, ponieważ prędkość większości innych rzeczy zależy od kierunku, w którym porusza się obserwator. Jeśli prowadzisz samochód wzdłuż torów kolejowych, pociąg zbliżający się do ciebie będzie wydawał się 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 podróżuje 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 wyda 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 pojedzie w pędzącym statku kosmicznym do jakiejś odległej gwiazdy, a potem wróci, 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 a prędkością jest często wyrażany jako związek między masą a 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 poprzez włączenie przyspieszenia i odkrył, że to zniekształciło kształt czasu i przestrzeni.

By trzymać się powyższego przykładu: wyobraźmy sobie, że statek kosmiczny przyspiesza poprzez odpalenie swoich silników odrzutowych. 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 ram czasoprzestrzeni wokół obracających się ciał
• osłabienie światła wymykającego się przyciąganiu grawitacyjnemu (redshift grawitacyjny)
• fale grawitacyjne (falowanie w tkance czasoprzestrzennej) wywołane przez kosmiczne fale grawitacyjne (falowanie w tkance czasoprzestrzennej).tkanina czasoprzestrzenna) spowodowane przez kosmiczne rozbicia
• istnienie czarnych dziur, które zatrzymują wszystko, łącznie ze światłem

Wypaczenie 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.

Na szczęście dla niej to wszystko skończyłoby się w ciągu kilku sekund.