Den speciella relativitetsteorin, publicerad 1905 av Einstein och en viktig generalisering av ett antal tidigare hypoteser, är en av de mest resonanta och diskuterade inom fysiken.
Det är faktiskt svårt att föreställa sig att när ett föremål rör sig med en nästan ljushastighet börjar fysiska processer fortgå för det på ett helt ovanligt sätt: dess längd minskar, dess massa ökar och tiden saktar ner. Omedelbart efter publiceringen började försök att misskreditera teorin, som fortsätter idag, även om mer än hundra år har gått. Detta är inte förvånande, för frågan om vad klockan är har länge oroat mänskligheten och tilldragit allas uppmärksamhet.
Vad är relativism
Kärnan i den relativistiska mekaniken (det är också den speciella relativitetsteorin, hädanefter kallad SRT) och dess skillnad från klassisk mekanik uttrycks levande genom den direkta översättningen av dess namn: Latin relativus betyder "släkting". SRT postulerar oundvikligheten av tidsdilatation för ett objekt när det rör sig i förhållande till en observatör.
Skillnadenav denna teori, föreslagen av Albert Einstein, från Newtons mekanik och ligger i det faktum att alla pågående processer endast kan betraktas i förhållande till varandra eller till någon utomstående observatör. Innan man beskriver vad relativistisk tidsdilatation är, är det nödvändigt att fördjupa sig lite i frågan om teorins bildning och fastställa varför dess formulering överhuvudtaget blev möjlig och till och med obligatorisk.
The Origins of Relativity
I slutet av 1800-talet insåg forskare att vissa experimentella data inte passar in i världsbilden baserad på klassisk mekanik.
Fundamentala motsägelser resulterade i försök att kombinera Newtons mekanik med Maxwells ekvationer som beskriver rörelsen av elektromagnetiska vågor i vakuum och kontinuerliga medier. Det var redan känt att ljus är just en sådan våg, och det borde ses inom ramen för elektrodynamiken, men det var extremt problematiskt att argumentera med visuell och, viktigast av allt, beprövad mekanik.
Mossättningen var dock uppenbar. Antag att en lykta är fixerad framför ett tåg i rörelse, som lyser framåt. Enligt Newton måste tågets hastigheter och ljuset som kommer från lyktan gå ihop. Maxwells ekvationer i denna hypotetiska situation "bröts helt enkelt". Ett helt nytt tillvägagångssätt behövdes.
Special Relativity
Det skulle vara felaktigt att tro att Einstein uppfann relativitetsteorin. I själva verket vände han sig till verk och hypoteser från forskare som arbetade före honom. Men författaren närmade sigfråga å andra sidan och istället för Newtons mekanik erkände Maxwells ekvationer som "a priori korrekta".
Förutom den berömda relativitetsprincipen (i själva verket formulerad av Galileo, dock inom ramen för klassisk mekanik), ledde detta tillvägagångssätt Einstein till ett intressant uttalande: ljusets hastighet är konstant i alla ramar av referens. Och det är denna slutsats som gör att vi kan prata om möjligheten att ändra tidsstandarderna när objektet rör sig.
Ljushastighetens konstanthet
Det verkar som om påståendet "ljushastigheten är konstant" inte är förvånande. Men försök föreställa dig att du står stilla och ser ljuset röra sig bort från dig med en fast hastighet. Du följer strålen, men den fortsätter att röra sig bort från dig i exakt samma hastighet. Om du dessutom vänder dig om och flyger i motsatt riktning från strålen, kommer ni inte att ändra hastigheten på era avstånd från varandra på något sätt!
Hur är detta möjligt? Här börjar samtalet om den relativistiska effekten av tidsutvidgning. Intressant? Läs sedan vidare!
Relativistisk tidsutvidgning enligt Einstein
När ett objekts hastighet närmar sig ljusets hastighet, beräknas objektets interna tid sakta ner. Om vi antar att en person rör sig parallellt med solstrålen med en liknande hastighet, kommer tiden för honom att sluta springa alls. Det finns en formel för relativistisk tidsdilatation, som återspeglar dess förhållande till ett objekts hastighet.
När man studerar denna fråga bör man dock komma ihåg att ingen kropp med massa ens teoretiskt kan nå ljusets hastighet.
paradoxer relaterade till teori
Special relativitetsteori är ett vetenskapligt arbete och inte lätt att förstå. Allmänhetens intresse för frågan om vad klockan är ger dock regelbundet upphov till idéer som på det vardagliga planet verkar vara olösliga paradoxer. Följande exempel förbryllar till exempel de flesta som introduceras till SRT utan några kunskaper i fysik.
Det finns två plan, varav det ena flyger rakt och det andra lyfter och, efter att ha beskrivit en båge med en hastighet nära ljusets hastighet, kommer det ifatt det första. Förutsägbart visar det sig att tiden för den andra apparaten (som flög i nästan ljushastighet) gick långsammare än för den första. I enlighet med SRT-postulatet är emellertid referensramarna för båda flygplanen lika. Det gör att tiden kan gå långsammare för både den ena och den andra enheten. Det verkar som att detta är en återvändsgränd. Men…
Lösa paradoxer
Faktum är att källan till denna typ av paradoxer är ett missförstånd av teorins mekanism. Denna motsägelse kan lösas med ett välkänt spekulativt experiment.
Vi har ett skjul med två dörrar som bildar en genomgång och en stolpe något längre än skjulets längd. Om vi sträcker ut stolpen från dörr till dörr kommer de inte att kunna stängas eller så kommer de helt enkelt att bryta vår stolpe. Om stolpen flyger in i ladan,kommer att ha en hastighet nära ljusets hastighet, dess längd kommer att minska (kom ihåg: ett föremål som rör sig med ljusets hastighet kommer att ha en längd på noll), och i det ögonblick det är inne i ladan kan vi stänga och öppna dörrar utan att bryta våra rekvisita.
Å andra sidan, som i exemplet med planet, är det ladan som ska minska i förhållande till stolpen. Paradoxen upprepas, och det verkar inte finnas någon utväg - båda objekten reduceras synkront i längd. Kom dock ihåg att allt är relativt och lös problemet genom att ändra tiden.
Relativity of Simultaneity
När framkanten av stolpen är inne, framför ytterdörren, kan vi stänga och öppna den, och i det ögonblick då stolpen flyger in i skjulet helt, kommer vi att göra samma sak med baksidan dörr. Det verkar som att vi inte gör det samtidigt, och experimentet misslyckades, men här visar sig det viktigaste: i enlighet med den speciella relativitetsteorin är stängningsögonblicken för båda dörrarna belägna på samma punkt på tidsaxel.
Detta händer eftersom händelser som inträffar samtidigt i en referensram inte kommer att vara samtidigt i en annan. Relativistisk tidsutvidgning manifesteras i förhållandet mellan objekt, och vi återvänder till den absolut vardagliga generaliseringen av Einsteins teori: allt är relativt.
Det finns en detalj till: likheten mellan referenssystem är relevant i SRT, när båda objekten rör sig enhetligt och rätlinjigt. Så fort en av kropparna börjar accelerera eller bromsa blir dess referensram unikmöjligt.
Tvillingparadox
Den mest kända paradoxen som förklarar relativistisk tidsutvidgning "på ett enkelt sätt" är ett tankeexperiment med två tvillingbröder. En av dem flyger iväg i ett rymdskepp med en hastighet nära ljusets hastighet, medan den andra ligger kvar på marken. När astronautbrodern återvänder upptäcker han att han själv har åldrats 10 år, och att hans bror, som stannade hemma, har åldrats så mycket som 20.
Den övergripande bilden borde redan vara tydlig för läsaren från de tidigare förklaringarna: för brodern på rymdskeppet saktar tiden ner eftersom hans hastighet är nära ljusets hastighet; vi kan inte acceptera referensramen i förhållande till brodern-på-marken, eftersom den kommer att visa sig vara icke-trög (endast en bror upplever överbelastning).
Jag skulle vilja notera något annat: oavsett vilken grad motståndarna når i tvisten, kvarstår faktum: tiden i dess absoluta värde förblir konstant. Oavsett hur många år en bror flyger på ett rymdskepp, kommer han att fortsätta åldras exakt i samma takt som tiden går i hans referensram, och den andra brodern kommer att åldras i exakt samma takt - skillnaden kommer att avslöjas först när de träffas, och inte i något annat fall.
Gravity-tidsdilatation
Sammanfattningsvis bör det noteras att det finns en andra typ av tidsdilatation, som redan är förknippad med den allmänna relativitetsteorin.
Även på 1700-talet förutspådde Mitchell förekomsten av det rödaförskjutning, vilket innebär att när ett föremål rör sig mellan områden med stark och svag gravitation kommer tiden för det att ändras. Trots försök att studera frågan av Laplace och Zoldner var det bara Einstein som presenterade ett fullfjädrat arbete om detta ämne 1911.
Denna effekt är inte mindre intressant än den relativistiska tidsdilatationen, men den kräver en separat studie. Och det är, som de säger, en helt annan historia.
