piątek, 4 października 2013

Zawiłości teorii względności

Zanim w XX-wiecznej fizyce pojawiły się mechanika kwantowa i teoria strun zrewolucjonizował ją  Albert Einstein. Jego teoria względności sprawiła, że już nigdy nie patrzyliśmy na rzeczywistość w ten sam sposób i zyskaliśmy, poza trzema wymiarami przestrzennymi dodatkowy – czas.


Albert Einstein

Teoria względności to w istocie dwie teorie – szczególna teoria względności i ogólna teoria względności. Ta pierwsza odnosi się do przedmiotów pozostających w ruchu i ich relacji wobec czasu. Według niej czas nie jest obiektywnym zjawiskiem, nie płynie zawsze „tak samo”, ale jest względny. Zależy bezpośrednio od tego, z jaką prędkością się poruszamy i naszego położenia w przestrzeni. Można to wyobrazić sobie na przykładzie dwóch mijających się pojazdów – dla obserwatora w tym, który jest mijany, mijający porusza się wolniej niż wynosi jego prędkość bezwzględna.

Co szczególnie ważne w ustaleniach Einsteina to natura światła. Według niego stanowi ono strumień cząstek – fotonów, a nie jest falą, jak wcześniej sądzono. Fotony nie mają masy i przez to mogą przemieszczać się z największą znaną fizyce i nieprzekraczalną prędkością – 300 000 km/s. Masa każdego obiektu, który poruszał by się z tą prędkością stała by się nieskończenie wielka, podobnie nieskończenie wielka musiała by być siła, aby obiekt rozpędzić. Z punktu widzenia obserwatora pędzący coś pędzącego z prędkością bliską prędkości światła uległoby też skróceniu (na przykład przy 90% tej prędkości o połowę) Jednocześnie na pokładzie takiego hipotetycznego pojazdu czas płynąłby o połowę wolniej od czasu obserwatora. Gdyby było możliwe, że pojazd osiągnąłby prędkość światła (a zatem stał się nieskończenie masywny), czas dla niego zatrzymałby się.

Odkrycie skończonej prędkości światła ma też podstawowe znaczenie dla astronomii. Dzięki temu, iż wiemy, że fotony mkną 300 000 km/s, nie szybciej, zdajemy sobie sprawę z faktu, że obserwując gwiazdy czy galaktyki widzimy w istocie ich przeszłość. Gwiazdę odległą o sto lat świetlnych od Ziemi, widzimy przez nasze teleskopy taką, jaka była wiek temu, a nie taką, jaka jest obecnie.

Oprócz szczególnej teorii względności nie mniej doniosłym osiągnięciem Einsteina była ogólna teoria względności dotycząca grawitacji. Podstawowym pojęciem dla niej jest wprowadzone już w szczególnej teorii względności pojęcie czasoprzestrzeni. Dzięki niej można określić położenie obiektu także w czasie. Rewolucyjnym stwierdzeniem teorii jest jednak wniosek, że grawitacja jest siłą zakrzywiającą czasoprzestrzeń. Można to sobie wyobrazić, jako tworzenie się wgłębień w pozornie płaskiej powierzchni. Wniosek, że grawitacja nie jest siłą przyciągającą materię a zakrzywiającą czasoprzestrzeń został potwierdzony, gdy zaobserwowano zwielokrotniony obraz kwazaru. Jeden obiekt widoczny jest jako cztery ponieważ jego światło uległo zakrzywieniu przez odległą galaktykę. Dlaczego to takie istotne? Gdyby grawitacja przyciągała masę, nie mogłaby zakrzywiać toru światła, które jest strumieniem nieposiadających masy fotonów. Liczne dowody na prawdziwość teorii Einsteina znajdowano też podczas obserwacji pulsarów czy badań czarnych dziur. Przeprowadzono także eksperyment polegający na porównaniu upływu czasu na wysłanym w przestrzeń kosmiczną zegarze atomowym, a bliźniaczym zegarem pozostającym na Ziemi. Efekty próby potwierdziły hipotezy Einsteina.

Potwierdzona licznymi badaniami teoria względności Einsteina stoi u podstaw współczesnej fizyki, która obecnie koncentruje się na próbach połączenia efektów prac genialnego fizyka z nowszymi teoriami – na przykład mechaniką kwantową. Dzięki Einsteinowi i jego następcom wiemy jednak, że żyjemy w niezwykłym świecie czasoprzestrzeni.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz