Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας: Η Ταχύτητα του Φωτός, η Διαστολή του Χρόνου και η Συστολή του Μήκους
Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein μάς εισάγει σε έναν κόσμο όπου ο χρόνος και ο χώρος δεν είναι απόλυτοι, αλλά σχετικοί, με τις επιπτώσεις να γίνονται αισθητές όταν οι ταχύτητες προσεγγίζουν το μέγιστο όριο του σύμπαντος.
Η Σταθερά του Σύμπαντος: Η Ταχύτητα του Φωτός
Η μέγιστη ταχύτητα με την οποία μπορεί να διαδοθεί οποιαδήποτε πληροφορία είναι περίπου 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο στο κενό, γνωστή ως ταχύτητα του φωτός. Ένα από τα πιο παράξενα πράγματα που έχουν ανακαλυφθεί είναι ότι αυτή η ταχύτητα αποτελεί σταθερά του σύμπαντος και φαίνεται πάντα ίδια σε όλους τους παρατηρητές, ανεξάρτητα από το πώς κινούνται οι ίδιοι.
Για να γίνει κατανοητή αυτή η ιδιαιτερότητα, μπορούμε να φανταστούμε ένα παράδειγμα:
Κλασική Κίνηση: Αν βρίσκεστε σε ένα διαστημόπλοιο που ταξιδεύει με 2.000 km/h και εκτοξεύσετε μια σφουγγαρίστρα με 40 km/h, ένας ακίνητος παρατηρητής θα έβλεπε τη σφουγγαρίστρα να κινείται με 2.040 km/h (την ταχύτητα του διαστημοπλοίου συν την ταχύτητα της σφουγγαρίστρας).
Σχετικιστική Κίνηση: Αν, αντί για τη σφουγγαρίστρα, εκτοξεύσετε φωτόνια με έναν φακό, θα περιμέναμε ο ακίνητος παρατηρητής να βλέπει τα φωτόνια να κινούνται με την ταχύτητα του φωτός συν την ταχύτητα του διαστημοπλοίου. Ωστόσο, ο παρατηρητής τα βλέπει τελικά να πηγαίνουν μόνο με την ταχύτητα του φωτός, δηλαδή 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, ανεξάρτητα από τον τρόπο κίνησης του διαστημοπλοίου.
Η μέγιστη ταχύτητα με την οποία μπορεί να διαδοθεί οποιαδήποτε πληροφορία ορίζεται ως η ταχύτητα του φωτός στο κενό.
Σύμφωνα με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein, η μέγιστη αυτή ταχύτητα είναι περίπου 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
Αυτή η ταχύτητα είναι μια σταθερά του σύμπαντος. Ένα από τα πιο παράξενα πράγματα που έχουν ανακαλυφθεί είναι ότι η ταχύτητα του φωτός φαίνεται πάντα ίδια σε όλους τους παρατηρητές, ανεξάρτητα από το πώς κινούνται οι ίδιοι.
Ακόμη και αν χρησιμοποιήσουμε ένα κανονικό ρολόι, η λειτουργία του απαιτεί τη μεταφορά πληροφορίας από το ένα άτομο του δείκτη στο διπλανό του και ούτω καθεξής, ώστε να αρχίσει να στρέφεται ενιαία. Δεδομένου ότι η ταχύτητα μετάδοσης της πληροφορίας είναι πάλι η ταχύτητα του φωτός, έχουμε στην πραγματικότητα πολλά μικροσκοπικά ρολόγια φωτονίων.
Συνοψίζοντας την ιδιαιτερότητα της ταχύτητας του φωτός ως μέγιστης ταχύτητας πληροφορίας:
Εάν ένα διαστημόπλοιο ταξιδεύει με μεγάλη ταχύτητα και εκτοξεύσει φωτόνια με έναν φακό, ένας ακίνητος παρατηρητής θα περίμενε να δει τα φωτόνια να κινούνται με την ταχύτητα του φωτός συν την ταχύτητα του διαστημοπλοίου.
Ωστόσο, ο παρατηρητής βλέπει τελικά τα φωτόνια να πηγαίνουν μόνο με την ταχύτητα του φωτός (300.000 km/sec).
Όπως και αν κινηθεί το διαστημόπλοιο και όπως και αν λάβει τα φωτόνια ο παρατηρητής, αυτά κινούνται πάντα με 300.000 km το δευτερόλεπτο.
Αυτή η ιδιαιτερότητα —το να βλέπουμε πάντα το φως να κινείται ακριβώς με την ίδια ταχύτητα— είναι που δημιουργεί τα παράξενα φαινόμενα της διαστολής του χρόνου και της συστολής του μήκους.
Για τα ίδια τα φωτόνια, τα οποία δεν έχουν μάζα και κινούνται πάντα με την ταχύτητα του φωτός, δεν υπάρχει χρόνος και δεν υπάρχει απόσταση.
Διαστολή του Χρόνου: Ο Χρόνος Επιβραδύνει
Αυτή η ιδιαιτερότητα της φύσης — το να βλέπουμε πάντα το φως να κινείται με ακριβώς την ίδια ταχύτητα — δημιουργεί πολύ παράξενα φαινόμενα, όπως η διαστολή του χρόνου. Όταν ένα σώμα κινείται πολύ γρήγορα, ο χρόνος γι' αυτό κυλάει πιο αργά από ό,τι για τα άλλα σώματα.
Πώς Εξηγείται η Διαστολή του Χρόνου;
Για να κατανοηθεί αυτό, χρησιμοποιείται το υπόθετικό ρολόι φωτονίων, το οποίο αποτελείται από δύο καθρέφτες και ένα φωτόνιο που ανακλάται συνεχώς μεταξύ τους. Κάθε φορά που το φωτόνιο χτυπά στον πάνω καθρέφτη, έχουμε ένα "τικ" του ρολογιού, δηλαδή μια μονάδα χρόνου.
Αν τοποθετήσουμε ένα τέτοιο ρολόι σε ένα ακίνητο διαστημόπλοιο και ένα σε ένα κινούμενο:
Στο ακίνητο διαστημόπλοιο, τα φωτόνια ακολουθούν κατακόρυφη τροχιά.
Στο κινούμενο διαστημόπλοιο, τα φωτόνια ακολουθούν μια μεγαλύτερη και κεκλιμένη τροχιά, καθώς εκτός από την κατακόρυφη κίνηση έχουν και την οριζόντια κίνηση.
Δεδομένου ότι η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια για όλους τους παρατηρητές, για να καλύψει το φωτόνιο μεγαλύτερη απόσταση (στο κινούμενο σκάφος), θα χρειαστεί οπωσδήποτε και περισσότερο χρόνο. Επομένως, ο χρόνος κυλάει πιο αργά μέσα στο κινούμενο διαστημόπλοιο. Για παράδειγμα, εκεί που το ακίνητο ρολόι κάνει δύο "τικ", το κινούμενο μπορεί να κάνει μόνο ένα.
Εμείς, οι εξωτερικοί παρατηρητές, βλέπουμε να συμβαίνει διαστολή του χρόνου στο διαστημόπλοιο. Όταν εκεί περνάει μόνο ένα δευτερόλεπτο, σε εμάς μπορεί να περνούν πολλά περισσότερα.
Η Καθολικότητα της Διαστολής του Χρόνου
Η διαστολή του χρόνου ισχύει για όλα τα σώματα, όχι μόνο για τα υποθετικά ρολόγια φωτονίων. Επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι η μέγιστη ταχύτητα διάδοσης της πληροφορίας, ακόμα και η λειτουργία ενός κανονικού ρολογιού εξαρτάται από τη μεταφορά πληροφορίας από άτομο σε άτομο, λειτουργώντας ουσιαστικά ως πολλά μικροσκοπικά ρολόγια φωτονίων.
Η διαστολή του χρόνου γίνεται εντονότερα αισθητή όσο πλησιάζουμε την ταχύτητα του φωτός.
Εάν ένα σκάφος ταξίδευε για έναν χρόνο (σύμφωνα με το ημερολόγιο του πληρώματος) με το 87% της ταχύτητας του φωτός, στη Γη θα είχαν περάσει 2 χρόνια.
Με το 99,999% της ταχύτητας του φωτός, στη Γη θα είχαν περάσει πάνω από 7.000 χρόνια.
Αυτό το φαινόμενο αποτελεί τη βάση του κλασικού παραδείγματος με τα δίδυμα αδέρφια, όπου ο ταξιδιώτης επιστρέφει στη Γη και βρίσκει τον δίδυμο αδερφό του γερασμένο, έχοντας φτάσει σε μια μελλοντική εκδοχή του πλανήτη.
Συστολή του Μήκους: Οι Αποστάσεις Συμπιέζονται
Η διαστολή του χρόνου οδηγεί σε ένα ακόμα πολύ παράξενο φαινόμενο, τη συστολή του μήκους.
Ας δούμε το παράδειγμα των νετρίνων, σωματιδίων που παράγονται από τις πυρηνικές αντιδράσεις στον Ήλιο. Τα νετρίνα έχουν απειροελάχιστη μάζα και οι ταχύτητές τους είναι ελάχιστα μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός (π.χ., 99,999% της ταχύτητας του φωτός). Για να φτάσουν από τον Ήλιο στη Γη χρειάζονται περίπου 8,3 λεπτά (όσο και το φως).
Ωστόσο, αν υπήρχε ρολόι πάνω στο ίδιο το νετρίνο, αυτό θα έδειχνε ότι το ταξίδι διήρκεσε λιγότερο από ένα δέκατο του χιλιοστού του δευτερολέπτου. Προκύπτει το ερώτημα: Πώς διένυσε το νετρίνο 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα σε τόσο ελάχιστο χρόνο;
Η απάντηση είναι ότι για το νετρίνο η απόσταση που διένυσε ήταν μόνο περίπου 20 χιλιόμετρα. Ολόκληρη η απόσταση μεταξύ Ήλιου και Γης μοιάζει να συμπιέστηκε για το νετρίνο, επιτρέποντάς του να τη διανύσει σε ελάχιστο χρόνο. Αυτό το φαινόμενο είναι η περίφημη συστολή του μήκους.
Ένα πρακτικό και μετρήσιμο παράδειγμα είναι τα μειώνια. Τα μειώνια παράγονται σε ύψος 15 km όταν η κοσμική ακτινοβολία αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα. Κανονικά, ζουν μόνο για 2,2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, και με την ταχύτητά τους θα έπρεπε να διανύουν μόνο μερικές εκατοντάδες μέτρα πριν διασπαστούν. Όμως, χάρη στη διαστολή του χρόνου και τη συστολή του μήκους που συμβαίνει στο σύστημά τους, τα μειώνια βλέπουν μια πολύ μικρότερη απόσταση και καταφέρνουν να φτάσουν στη Γη πριν διασπαστούν, επιτρέποντας την ανίχνευσή τους.
Το Όριο της Ταχύτητας
Κανένα σώμα που έχει μάζα δεν μπορεί να φτάσει την ταχύτητα του φωτός.
Αυτό το όριο της ταχύτητας, σύμφωνα με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, εξηγείται με δύο βασικούς τρόπους, οι οποίοι είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι:
1. Η Απαιτούμενη Άπειρη Ενέργεια
Κατ' αρχάς, αποδεικνύεται μαθηματικά ότι θα χρειαζόταν άπειρη ενέργεια για να φτάσει ένα σώμα που έχει μάζα την ταχύτητα του φωτός.
2. Η Διαστολή του Χρόνου και η Μηδενική Επιτάχυνση
Ο περιορισμός αυτός μπορεί επίσης να ερμηνευθεί μέσω του φαινομένου της διαστολής του χρόνου:
Επιβράδυνση του Χρόνου: Όσο ένα διαστημόπλοιο προσεγγίζει την ταχύτητα του φωτός, ο χρόνος γι' αυτό κυλάει όλο και πιο αργά σε σχέση με τους εξωτερικούς παρατηρητές.
Παύση Λειτουργίας: Για τους εξωτερικούς παρατηρητές, οι κινητήρες του σκάφους λειτουργούν με ολοένα και πιο αργούς ρυθμούς. Οι χημικές αντιδράσεις, η μεταφορά καυσίμου και η ανάπτυξη ώθησης καθυστερούν όλο και περισσότερο, και κοντά στην ταχύτητα του φωτός σχεδόν σταματούν.
Μηδενική Επιτάχυνση: Ως αποτέλεσμα, η επιτάχυνση τείνει στο μηδέν.
Επομένως, το διαστημόπλοιο θα χρειαζόταν θεωρητικά άπειρο χρόνο για να φτάσει στην ταχύτητα του φωτός.
Αντίθετα, τα ίδια τα φωτόνια δεν έχουν μάζα και κινούνται πάντα με την ταχύτητα του φωτός. Για τα φωτόνια, δεν υπάρχει χρόνος και δεν υπάρχει απόσταση.
Κανένα σώμα που έχει μάζα δεν μπορεί να φτάσει την ταχύτητα του φωτός. Μαθηματικά, θα χρειαζόταν άπειρη ενέργεια για να συμβεί κάτι τέτοιο.
Αυτό το όριο μπορεί να ερμηνευθεί και με έναν άλλο τρόπο: Όσο ένα διαστημόπλοιο προσεγγίζει την ταχύτητα του φωτός, ο χρόνος γι' αυτό κυλάει όλο και πιο αργά σε σχέση με τους εξωτερικούς παρατηρητές. Οι κινητήρες, οι χημικές αντιδράσεις, η μεταφορά καυσίμου και η ανάπτυξη ώθησης καθυστερούν όλο και περισσότερο, και κοντά στην ταχύτητα του φωτός σχεδόν σταματούν. Επομένως, η επιτάχυνση τείνει στο μηδέν. Θεωρητικά, το διαστημόπλοιο θα χρειαζόταν άπειρο χρόνο για να φτάσει στην ταχύτητα του φωτός.
Ο Κόσμος των Φωτονίων
Τα ίδια τα φωτόνια δεν έχουν μάζα και κινούνται πάντα με την ταχύτητα του φωτός. Για τα φωτόνια, δεν υπάρχει χρόνος και δεν υπάρχει απόσταση.
Δεν υπάρχει μαθηματικό σύστημα που να μπορεί να τα περιγράψει ως ακίνητα ή να ορίσει την έναρξη της μέτρησης του χρόνου. Για παράδειγμα, αν ένα φωτόνιο ξεκινήσει από τον αστέρα Aldebaran, ο οποίος απέχει 67 έτη φωτός, και φτάσει στα μάτια μας, για εμάς ταξίδεψε 67 χρόνια. Όμως, για τον κόσμο του φωτονίου, η άφιξη στη Γη έγινε ταυτόχρονα με την εκπομπή του από τον Aldebaran, χωρίς να έχει διανυθεί καμία απολύτως απόσταση.
Συνοψίζοντας αυτά τα φαινόμενα, που έχουν επιβεβαιωθεί και μετρηθεί ξανά και ξανά: στη φύση, εάν κινείσαι γρήγορα στον χώρο, κινείσαι αργά στον χρόνο. Και αν κινείσαι γρήγορα στον χρόνο, κινείσαι αργά στον χώρο.
Πόροι Εμβάθυνσης από την Αναζήτηση Google
Εξερευνήστε περισσότερα σχετικά με τις βασικές έννοιες που αναφέρονται στην παρούσα ανάρτηση με επιμελημένες πληροφορίες απευθείας από την Google.
|
|
|
|
0 Σχόλια