Teoria specială a relativității, publicată în 1905 de Einstein și o generalizare importantă a unui număr de ipoteze anterioare, este una dintre cele mai rezonante și discutate în fizică.
Într-adevăr, este greu de imaginat că atunci când un obiect se mișcă cu o viteză apropiată de lumina, procesele fizice încep să se desfășoare pentru el într-un mod complet neobișnuit: lungimea lui scade, masa îi crește și timpul încetinește. Imediat după publicare, au început încercările de discreditare a teoriei, care continuă și astăzi, deși au trecut mai bine de o sută de ani. Acest lucru nu este surprinzător, deoarece întrebarea ce este ceasul a îngrijorat de mult omenirea și a atras atenția tuturor.
Ce este relativismul
Esența mecanicii relativiste (este și teoria relativității speciale, denumită în continuare SRT) și diferența sa față de mecanica clasică este exprimată în mod viu prin traducerea directă a numelui său: latină relativus înseamnă „rudă”. SRT postulează inevitabilitatea dilatării timpului pentru un obiect pe măsură ce se mișcă în raport cu un observator.
Diferentaa acestei teorii, propusă de Albert Einstein, din mecanica newtoniană și constă în faptul că toate procesele aflate în desfășurare pot fi considerate doar relativ unele la altele sau la un observator din afară. Înainte de a descrie ce este dilatarea relativistă a timpului, este necesar să ne aprofundăm puțin în problema formării teoriei și să stabilim de ce formularea acesteia a devenit posibilă și chiar obligatorie.
Originile relativității
Spre sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au ajuns să înțeleagă că unele date experimentale nu se potrivesc în imaginea lumii bazată pe mecanica clasică.
Contradițiile fundamentale au dus la încercări de a combina mecanica lui Newton cu ecuațiile lui Maxwell care descriu mișcarea undelor electromagnetice în vid și medii continue. Se știa deja că lumina este doar o astfel de undă și ar trebui luată în considerare în cadrul electrodinamicii, dar a fost extrem de problematic să discutăm cu mecanica vizuală și, cel mai important, cu mecanica testată în timp.
Condicția, totuși, era evidentă. Să presupunem că un felinar este fixat în fața unui tren în mișcare, care strălucește înainte. Potrivit lui Newton, vitezele trenului și lumina care vine de la lanternă trebuie să se adună. Ecuațiile lui Maxwell în această situație ipotetică pur și simplu s-au „rupt”. Era nevoie de o abordare complet nouă.
Relativitate specială
Ar fi incorect să credem că Einstein a inventat teoria relativității. De fapt, a apelat la lucrările și ipotezele oamenilor de știință care au lucrat înaintea lui. Totuși, autorul s-a apropiatîntrebarea pe de altă parte și, în loc de mecanica lui Newton, a recunoscut ecuațiile lui Maxwell ca fiind „corecte a priori”.
Pe lângă celebrul principiu al relativității (de fapt, formulat de Galileo, totuși, în cadrul mecanicii clasice), această abordare l-a condus pe Einstein la o afirmație interesantă: viteza luminii este constantă în toate cadrele de referinţă. Și tocmai această concluzie ne permite să vorbim despre posibilitatea de a schimba standardele de timp atunci când obiectul se mișcă.
Constanța vitezei luminii
S-ar părea că afirmația „viteza luminii este constantă” nu este surprinzătoare. Dar încearcă să-ți imaginezi că stai nemișcat și vezi cum se îndepărtează lumina de tine cu o viteză fixă. Urmăriți fasciculul, dar acesta continuă să se îndepărteze de tine exact cu aceeași viteză. În plus, întorcându-vă și zburând în direcția opusă fasciculului, nu vă veți schimba în niciun fel viteza distanței unul față de celăl alt!
Cum este posibil acest lucru? Aici începe conversația despre efectul relativist al dilatării timpului. Interesant? Atunci citește mai departe!
Dilatarea relativistică a timpului conform lui Einstein
Când viteza unui obiect se apropie de viteza luminii, timpul intern al obiectului este calculat pentru a încetini. Dacă presupunem că o persoană se mișcă paralel cu raza de soare cu o viteză similară, timpul pentru el se va opri deloc. Există o formulă pentru dilatarea relativistă a timpului, care reflectă relația sa cu viteza unui obiect.
Cu toate acestea, atunci când studiem această problemă, trebuie amintit că niciun corp cu masă nu poate atinge teoretic viteza luminii.
Paradoxuri legate de teorie
Relativitatea specială este o lucrare științifică și nu este ușor de înțeles. Cu toate acestea, interesul public față de întrebarea ce este timpul dă naștere în mod regulat la idei care la nivel de zi cu zi par a fi paradoxuri insolubile. De exemplu, următorul exemplu îi derutează pe majoritatea oamenilor care sunt familiarizați cu SRT fără cunoștințe de fizică.
Există două avioane, dintre care unul zboară drept, iar al doilea decolează și, după ce a descris un arc cu o viteză apropiată de viteza luminii, îl ajunge din urmă pe primul. În mod previzibil, se dovedește că timpul pentru cel de-al doilea aparat (care a zburat cu viteza aproape de lumină) a trecut mai lent decât pentru primul. Cu toate acestea, în conformitate cu postulatul SRT, cadrele de referință pentru ambele aeronave sunt egale. Aceasta înseamnă că timpul poate trece mai încet atât pentru unul cât și pentru celăl alt dispozitiv. S-ar părea că acesta este o fundătură. Dar…
Rezolvarea paradoxurilor
De fapt, sursa acestui tip de paradoxuri este o neînțelegere a mecanismului teoriei. Această contradicție poate fi rezolvată folosind un experiment speculativ binecunoscut.
Avem un șopron cu două uși care formează un pasaj de trecere și un stâlp puțin mai lung decât lungimea șopronului. Dacă întindem stâlpul din uşă în uşă, ei nu se vor putea închide sau pur şi simplu ne vor rupe stâlpul. Dacă stâlpul, zburând în hambar,va avea o viteză apropiată de viteza luminii, lungimea acesteia va scădea (rețineți: un obiect care se mișcă cu viteza luminii va avea o lungime de zero), iar în momentul în care se află în interiorul hambarului, putem închide și deschide ușile fără a ne sparge recuzita.
Pe de altă parte, ca în exemplul cu avionul, hambarul ar trebui să scadă în raport cu stâlp. Paradoxul se repetă și, s-ar părea, nu există nicio ieșire - ambele obiecte sunt reduse sincron în lungime. Totuși, rețineți că totul este relativ și rezolvați problema schimbând ora.
Relativitatea simultaneității
Când marginea din față a stâlpului este înăuntru, în fața ușii din față, o putem închide și deschide, iar în momentul în care stâlpul zboară complet în șopron, vom face același lucru cu spatele uşă. S-ar părea că nu o facem în același timp, iar experimentul a eșuat, dar aici se dovedește principalul lucru: în conformitate cu teoria relativității speciale, momentele de închidere ale ambelor uși sunt situate în același punct pe axa timpului.
Acest lucru se întâmplă deoarece evenimentele care au loc simultan într-un cadru de referință nu vor fi simultane în altul. Dilatarea relativistă a timpului se manifestă în relația dintre obiecte și revenim la generalizarea absolut cotidiană a teoriei lui Einstein: totul este relativ.
Mai este un detaliu: egalitatea sistemelor de referință este relevantă în SRT, când ambele obiecte se mișcă uniform și rectiliniu. De îndată ce unul dintre corpuri începe să accelereze sau să decelereze, cadrul său de referință devine unicposibil.
Paradoxul gemenilor
Cel mai faimos paradox care explică dilatarea relativistă a timpului „într-un mod simplu” este un experiment de gândire cu doi frați gemeni. Unul dintre ei zboară într-o navă spațială cu o viteză apropiată de viteza luminii, în timp ce celăl alt rămâne la sol. La întoarcere, fratele astronaut descoperă că el însuși a îmbătrânit 10 ani, iar fratele său, care a rămas acasă, a îmbătrânit până la 20 de ani.
Tabloul de ansamblu ar trebui să fie deja clar pentru cititor din explicațiile anterioare: pentru fratele de pe nava spațială, timpul încetinește deoarece viteza lui este aproape de viteza luminii; nu putem accepta cadrul de referință relativ la fratele pe teren, deoarece se va dovedi a fi non-inerțial (doar un frate suferă supraîncărcări).
Aș dori să mai notez ceva: indiferent de gradul în care adversarii ajung în dispută, adevărul rămâne: timpul în valoare absolută rămâne constant. Indiferent de câți ani zboară un frate pe o navă spațială, el va continua să îmbătrânească exact în același ritm pe măsură ce trece timpul în cadrul său de referință, iar al doilea frate va îmbătrâni exact în același ritm - diferența va fi dezvăluită numai atunci când se întâlnesc și nu în niciun alt caz.
Dilatarea timpului gravitațional
În concluzie, trebuie remarcat faptul că există un al doilea tip de dilatare a timpului, deja asociat cu teoria generală a relativității.
Chiar și în secolul al XVIII-lea, Mitchell a prezis existența roșiideplasare, ceea ce înseamnă că atunci când un obiect se mișcă între zone cu gravitație puternică și slabă, timpul pentru acesta se va schimba. În ciuda încercărilor de a studia problema lui Laplace și Zoldner, doar Einstein a prezentat o lucrare cu drepturi depline pe această temă în 1911.
Acest efect nu este mai puțin interesant decât dilatarea relativistă a timpului, dar necesită un studiu separat. Și asta, după cum se spune, este o cu totul altă poveste.
