Albert Einstein to jeden z najbardziej znanych fizyków XX wieku. Jednak oprócz niesamowitych teorii, które opisują wielkoskalowy świat z niesamowitą dokładnością, ujawnił jedno ciekawe zjawisko: im silniejsza grawitacja, tym wolniej płynie czas.
Einstein nazwał swoją pierwszą teorię znaną całemu światu Szczególną teorią względności. Był wyjątkowy, ponieważ radził sobie ze stałymi prędkościami. Aby to pogodzić ze światem rzeczywistym, w którym obiekty stale przyspieszają i zwalniają, musiał zbadać implikacje swojej teorii, jeśli chodzi o przyspieszenie. Ta próba uogólnienia i uwzględnienia wszystkich ogólnych zjawisk doprowadziła do odkrycia związku między czasem a grawitacją. Einstein nazwał swoją nową teorię ogólną teorią względności.
Newton uważał, że upływ czasu jest jak strzała. Porusza się stabilnie tylko w jednym kierunku - do przodu. Einstein zasugerował, że czas zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do prędkości. Ze względu na swoją płynność, podobnie jak przestrzeń, „zasługiwał” na swój własny pomiar. Ponadto Einstein argumentował, że przestrzeń i czas stanowią jedną całość - elastyczną czterowymiarową tkaninę, na której zachodzą wszystkie wydarzenia we Wszechświecie. Tak to nazwał - tkaniną czasoprzestrzeni. Kiedy fizyk opublikował swoją pracę ze wszystkimi jej wnioskami, powitano ją z niedowierzaniem.
Według ogólnej teorii względności materia rozciąga i kurczy strukturę czasoprzestrzeni. Okazuje się, że obiekty nie są w jakiś tajemniczy sposób przyciągane do środka Ziemi, a wręcz przeciwnie, popychane przez zakrzywioną przestrzeń wokół nich. Podobnie jak nachylenie, krzywizna czasoprzestrzeni przyspiesza poruszające się w dół obiekty, chociaż tempo tego przyspieszenia nie zawsze jest takie samo. Siła grawitacji rośnie, gdy zbliżasz się do powierzchni Ziemi, gdzie krzywizna jest bardziej intensywna.
Historia wszechświata na strzale czasu.
Jeśli siła grawitacji wzrośnie, gdy porusza się w dół, obiekt swobodnie spadnie do punktu B na powierzchni szybciej niż do punktu A na większej wysokości. Zgodnie ze Szczególną Teorią Względności, czas dla swobodnie spadającego obiektu w punkcie B powinien przebiegać wolniej w stosunku do obiektu w punkcie A ze względu na fakt, że prędkość obiektu w punkcie B jest większa.
Czym jest czas
Film promocyjny:
Która godzina jest poprawna? Einstein postulował, że nie ma czasu absolutnego. Czas jest względny w zależności od układu sił, którym jest poddany. Formalnie nazywa się to układem odniesienia. Czas, który upływa w twoim systemie, nazywa się twoim własnym czasem. Jeśli prawa ruchu muszą być takie same dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od ich ruchu, to czas musi zwolnić. Oznacza to, że im szybciej się poruszasz, tym wolniej tyka Twój zegar w porównaniu z innymi zegarami. Oto, co bohaterka Anne Hathaway powiedziała Matthew McConaugheyowi bohaterowi filmu „Interstellar” po zejściu na odległą planetę: „Jedna godzina na tej planecie to siedem ziemskich lat”.
Czy zatem obserwowanie spowolnienia czasu jest ograniczeniem naszego pierwotnego układu neurologicznego, czy też naprawdę czas zwalnia? A co właściwie oznacza dylatacja czasu? W końcu to prowadzi nas do pytania: czym jest czas? To nie jest tylko pytanie, które studenci filozofii zadają sobie nawzajem przy kuflu piwa. Pojęcie czasu intrygowało filozofów przyrody i fizyków od niepamiętnych czasów.
Główną funkcją czasu jest śledzenie chronologii wydarzeń. Jednak do ostatnich 400 lat ludzie określali czas w oparciu o założenie, że gwiazdy poruszają się po Ziemi, a nie odwrotnie. Mimo wszystko wszystko działało dość dobrze do pewnego stopnia - ze względu na to, że dni i pory roku powtarzały się w przewidywalny sposób, a gdy masz coś, co się powtarza w przewidywalny sposób, istnieje mechanizm śledzenia czasu.
Galileo wykorzystał rekurencyjną naturę takiego mechanizmu do obliczenia ruchu. Opis ruchu byłby niemożliwy bez określenia czasu. Ale ten czas nigdy nie był absolutny. Nawet kiedy Newton sformułował swoje prawa ruchu, użył pojęcia czasu, w którym dwie pary zegarów tykają synchronicznie nie z absolutnym, niezależnym czasem, ale ze sobą. Synchronizacja jest powodem, dla którego ludzkość zbudowała tak wyrafinowany i dokładny zegar atomowy.
Pojęcie czasu jest zbudowane na równoczesności lub zdecydowanym zbiegu okoliczności dwóch zdarzeń - takich jak nadejście pociągu i wyjątkowa zbieżność wskazówek zegara w tym momencie. Teoria Einsteina stwierdza, że musi na to wpływać ruch. Jeśli dwaj obserwatorzy na peronie i w pociągu nie mogą dojść do porozumienia w tym samym czasie, nie mogą uzgodnić, jak płynie sam czas.
Ruch zniekształca czas
Aby zrozumieć wpływ ruchu na przewidywalność, rozważ prosty mechanizm czasowy. Wyobraź sobie aparat do śledzenia czasu składający się z fotonu, który odbija się między dwoma zwierciadłami oddalonymi od siebie o skończoną odległość. Niech minie jedna sekunda podczas okresu odbicia fotonu. Teraz umieścimy dwa takie urządzenia w punktach A i B nad powierzchnią Ziemi i bezpośrednio na niej (jak w przykładzie opisanym powyżej) i zobaczymy, jak odliczają czas, gdy swobodnie spadający obiekt przeleci obok nich. Z kolei obiekt ten mierzy swój czas za pomocą tego samego zegara. Co oni pokażą?
Obserwowanie odbicia fotonu między dwoma poruszającymi się zwierciadłami jest jak oglądanie piłki tenisowej odbijającej się od jadącego pociągu. Nawet jeśli piłka odbija się prostopadle do kogoś w pociągu, opisuje trójkąty stojącemu obserwatorowi na zewnątrz.
Eksperyment ze spadającym zegarem.
Kiedy aparat porusza się do przodu, wydaje się, że foton, podobnie jak kula, po odbiciu pokonuje większą odległość. Okazuje się, że jeden wynik naszego eksperymentu jest zniekształcony! Co więcej, im szybciej porusza się aparat, tym więcej czasu zajmuje odbijanie się fotonu, co wydłuża czas trwania sekundy. Dlatego upływ czasu w punkcie B okazuje się wolniejszy niż w punkcie A (pamiętaj: ze względu na grawitację obiekt spada w punkcie B szybciej niż w punkcie A).
Oczywiście ta różnica jest znikoma. Różnica między czasem mierzonym przez zegary na szczytach gór a na powierzchni Ziemi to zaledwie kilka nanosekund. Niemniej odkrycie Einsteina było prawdziwym przełomem. Grawitacja naprawdę zakłóca upływ czasu, co oznacza, że im masywniejszy obiekt, tym wolniej czas płynie w jego pobliżu. Niektórzy fizycy zastrzegają nawet, że wszystkie obiekty we Wszechświecie wydają się to wyczuwać i próbują spaść tam, gdzie czas płynie wolniej, z miejsc, w których czas płynie szybciej.
Ziemskie pole grawitacyjne i satelita GPS.
Nogi młodsze od głowy
Dziś grawitacyjne dylatacja czasu to nie tylko dobrze znane zjawisko z dziedziny fizyki teoretycznej, ale także praktyczne narzędzie. Dzięki odkryciu Einsteina i jego równań mamy tak cudowną rzecz jak nawigacja GPS, która nie mogłaby działać tak dokładnie, gdyby nie uwzględniono różnicy między biegiem czasu na powierzchni Ziemi a biegiem czasu na orbicie okołoziemskiej. Grawitacyjne dylatacja czasu pomaga również fizykom teoretycznym i astrofizykom w budowaniu dokładnych teorii na temat tego, co dzieje się w przestrzeni kosmicznej w pobliżu obiektów, do których fizycznie nie możemy się zbliżyć (na przykład czarne dziury i gwiazdy neutronowe). I tak, biorąc pod uwagę to zjawisko, okazuje się, że twoje nogi - choć nieskończenie nieistotne - są młodsze od głowy.
Vladimir Guillen