2015-05-10

Teoria względności - czym jest?

Teoria względności Alberta Einsteina (szczególna i ogólna) opisują prawdę na temat upływu czasu i pomiaru odległości w sposób nieco dokładniejszy, niż to co od dawna wiedziała ludzkość.


Sumowanie prędkości

Einstein zastanawiał się jak wygląda świat z perspektywy fotonu i doszedł do wniosków które opisał w szczególnej teorii. Okazuje się, że dla zjawisk związanych z dużymi względnymi prędkościami zwykłe wzory na sumowanie prędkości nie mają zastosowania.
Dwa lecące na przeciw siebie promienie światła mają względem siebie prędkość równą prędkości światła - ponieważ jest to maksymalna możliwa prędkość. Prędkości nie sumują się zatem liniowo - im bliżej granicznej prędkości światła (c), tym wyższy współczynnik korekcji wyniku.

Ekwiwalentność ruchu i grawitacji

Dalej Einstein ustalił, że z punktu widzenia obserwatora wewnątrz rakiety - który nie ma możliwości obserwacji na zewnątrz, przyspieszenie rakiety nie różni się niczym od silnej grawitacji. Ekwiwalentność wpływu ruchu i grawitacji stanowi trzon ogólnej teorii względności.

Czasoprzestrzeń

Pomiary linijką nie sprawdzają się przy masach, prędkościach i odległościach z jakimi mamy do czynienia w Kosmosie. Obserwator będący w szybkim ruchu będzie dokonywał tych samych pomiarów co obserwator w bezruchu - jednak ich porównanie da dwa różne wyniki.

Dwa zegarki wskażą inny końcowy czas eksperymentu, jeśli jeden z nich poruszał się bardzo szybko (dylatacja czasu). Dlatego nie można patrzeć na rzeczywistość oddzielając odległość od czasu. Pomiar czasu zawsze bowiem zależy to od obserwatora i prędkości.

Słynny paradoks bliźniąt polega na tym, że po podróży z bardzo dużą prędkością jednego z bliźniąt, spotkają się i obserwują że podróżnik jest młodszy. Czas i odległości są pomiarami subiektywnymi, względnymi.

Wpływ grawitacji na czas

W filmie Interstellar pokazano wpływ grawitacji na spowolnienie czasu (grawitacyjna dylatacja czasu). Silne pole grawitacyjne wpływa na bliźnięta tak samo jak podróż z dużą prędkością. Zbliżając się do wielkiej masy nie odczuwamy żadnych zmian upływu czasu - jednak po powrocie w miejsce oddalone od tego źródła, spotykamy naszego bliźniaka, który znacznie się postarzał w stosunku do nas.


Einstein nie wyjaśnił dlaczego tak się dzieje i nadal tego nie wiemy. Natomiast zasada ekwiwalentności ruchu i grawitacji właśnie taki efekt przewiduje. I to przewiduje go trafnie - czego dowodzą rozliczne badania.

Międzynarodowa stacja kosmiczna

Dla obiektów wysoko nad Ziemią (z dala od centrum Ziemi czyli "źródła" grawitacji), z naszego (ziemian) punktu widzenia czas płynie szybciej. Dla obiektów poruszających się bardzo szybko w stosunku do nas, statycznych - czas płynie wolniej.

Sumaryczny efekt ten zależy od tego jak silne jest pole grawitacyjne i jak wielka jest prędkość. W przypadku międzynarodowej stacji kosmicznej (ISS), zdecydowanie wygrywa efekt prędkości.

Jednocześnie astronauci którzy na stacji mieszkają, odczuwają upływ czasu zupełnie identycznie jak my na Ziemi. Dwa identyczne zegarki atomowe działają na Ziemi i ISS tak samo. Jednak porównanie wskazań daje różne wyniki. Dokładnie zgodne z ogólną teorią względności.

Soczewka grawitacyjna

Einstein trafnie przewidział, że grawitacja może zaburzyć to co rozumie się przez najkrótszą drogę między dwoma punktami. Fotony zawsze poruszają się najkrótszą drogą, ponieważ poruszają się z maksymalną prędkością. Co ciekawe, gdyby posiadać linijkę o długości setek tysięcy lat świetlnych - leciałyby wzdłuż tej linijki.

Grawitacja ma jednak taki efekt, zwany zakrzywieniem czasoprzestrzeni, że umożliwia fotonom pochodzącym ze źródła światła zasłoniętego przez inny obiekt, dotrzeć do naszych teleskopów. Przestrzeń w pobliżu źródła grawitacji z punktu widzenia odległego obserwatora zmienia swój kształt.

Naiwnie rysuje się, że światło obiega łukiem taką soczewkę, jednak prawda jest taka że grawitacja wpływa na odległości, że soczewka grawitacyjna "rozciąga" obraz zza siebie. Jeden przykład (symulacja) wart tysiąca słów - poto masywny obiekt (czarna dziura) wpływająca na światło docierające z galaktyki "przelatującej" za nią:


Podsumowanie

Mam nadzieję, że nieco przybliżyłem wam teorię względności i odczarowałem ją. Została ona wielokrotnie eksperymentalnie potwierdzona. Niestety nie dotarłem do przystępnego opisu po polsku, więc podaję link do angielskiej wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity.

Warto wiedzieć o teorii względności o wiele więcej niż tu napisałem.

Bardzo proszę o korekty i krytykę w komentarzu lub na facebooku jeśli gdzieś popełniłem błąd - w końcu nie jestem fizykiem.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz