Albert Einstein słynął z wielu rzeczy, ale jego największym pomysłem jest teoria względności. To na zawsze zmieniło nasze rozumienie przestrzeni i czasu.
Co to jest teoria względności? Krótko mówiąc, jest to pogląd, że prawa fizyki są wszędzie takie same. My tutaj na Ziemi przestrzegamy tych samych praw światła i grawitacji, co ktoś w odległym zakątku wszechświata.
Uniwersalność fizyki oznacza, że historia jest prowincjonalna. Różni widzowie inaczej zobaczą czas i odstępy między wydarzeniami. To, co dla nas ma milion lat, może być mgnieniu oka dla kogoś, kto lata w szybkiej rakiecie lub wpada w czarną dziurę.
Wszystko jest względne.
Szczególna teoria względności
Teoria Einsteina dzieli się na teorię względności szczególnej i ogólnej.
Na pierwszym miejscu była szczególna teoria względności, która opiera się na stałej prędkości światła dla wszystkich. To może wydawać się dość proste, ale ma daleko idące konsekwencje.
Einstein doszedł do tego wniosku w 1905 r., Gdy dowody eksperymentalne wykazały, że prędkość światła nie zmieniła 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 jadący do ciebie wydaje się poruszać znacznie szybciej niż gdybyś się odwrócił i podążał za nim w tym samym kierunku.
Einstein powiedział, że wszyscy obserwatorzy zmierzą prędkość światła wynoszącą 186 000 mil na sekundę, bez względu na to, jak szybko i w jakim kierunku się poruszają.
Ta maksyma skłoniła komika Stephena Wrighta do pytania: „Jeśli jesteś w statku kosmicznym, który podróżuje z prędkością światła i włączasz reflektory, czy coś się dzieje?”
Odpowiedzią jest, że 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 leci z tą samą prędkością statku kosmicznego.
Te sprzeczne wersje powstają, ponieważ władcy 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, czas i przestrzeń nie mogą być absolutne; muszą być subiektywne.
Na przykład statek kosmiczny o długości 100 stóp, poruszający się z prędkością 99,99% prędkości światła, u stacjonarnego obserwatora pojawi się na długości jednej stopy, ale pozostanie na normalnej długości dla tych na pokładzie.
Być może nawet bardziej dziwne, czas płynie wolniej, im szybciej. Jeśli bliźniak przejedzie pędzącym statkiem kosmicznym do jakiejś odległej gwiazdy, a następnie wróci, będzie młodsza niż jej siostra, która pozostała na Ziemi.
Również masa zależy od prędkości. Im szybciej obiekt się porusza, tym bardziej staje się on masywny. W rzeczywistości żaden statek kosmiczny nigdy nie osiągnie 100% prędkości światła, ponieważ jego masa wzrośnie do nieskończoności.
Ta zależność między masą a prędkością jest często wyrażana jako zależność między masą a energią: E = mc ^ 2, gdzie E jest energią, m jest masą, a c jest prędkością światła.
Ogólna teoria względności
Einstein nie skończył zakłócać naszego rozumienia czasu i przestrzeni. Następnie zaczął uogólniać swoją teorię poprzez uwzględnienie przyspieszenia i stwierdził, że zniekształcało to kształt czasu i przestrzeni.
Trzymając się powyższego przykładu: wyobraź sobie, że statek kosmiczny przyspiesza, odpalając pędniki. Ci na pokładzie przykleją się do ziemi tak, jakby byli na Ziemi. Einstein twierdził, że siła, którą nazywamy grawitacją, jest nie do odróżnienia od bycia na przyspieszającym statku.
To samo w sobie nie było tak rewolucyjne, ale kiedy Einstein opracował złożoną matematykę (zajęło mu to 10 lat), odkrył, że przestrzeń i czas są zakrzywione w pobliżu masywnego obiektu, a tę krzywiznę odczuwamy jako siłę grawitacji.
Trudno jest wyobrazić sobie zakrzywioną geometrię ogólnej teorii względności, ale jeśli ktoś myśli o czasoprzestrzeni jako rodzaju tkaninie, wówczas masywny przedmiot rozciąga otaczającą tkaninę w taki sposób, że wszystko, co przechodzi w pobliżu, nie podąża już po linii prostej.
Równania ogólnej teorii względności przewidują szereg zjawisk, z których wiele zostało potwierdzonych:
- zginanie światła wokół masywnych obiektów (soczewkowanie grawitacyjne)
- powolna ewolucja na orbicie planety Merkury (precesja peryhelium)
- przeciąganie ramek czasoprzestrzeni wokół obracających się ciał
- osłabienie światła uciekającego przed grawitacją (grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni)
- fale grawitacyjne (zmarszczki w materiale czasoprzestrzennym) spowodowane kosmicznymi rozbiciami
- istnienie czarnych dziur, które wychwytują wszystko, w tym światło
Wypaczanie czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury jest bardziej intensywne niż gdziekolwiek indziej. Gdyby kosmiczny bliźniak wpadł do czarnej dziury, rozciągałaby się jak spaghetti.
Na szczęście dla niej wszystko skończy się za kilka sekund. Ale jej siostra na Ziemi nigdy nie zobaczyłaby końca - patrzyła, jak jej biedna siostra stopniowo zbliża się do czarnej dziury w epoce wszechświata.
Ten artykuł został zaktualizowany 2 lipca 2019 r. Przez autora Live Science, Tim Childers.
