Kiedy teoria względności pojawiła się na początku 1900 roku, wywróciła do góry nogami wieki nauki i dała fizykom nowe zrozumienie przestrzeni i czasu. Isaac Newton postrzegał przestrzeń i czas jako stałe, ale w nowym obrazie dostarczonym przez szczególną względność i ogólną względność były one płynne i plastyczne.
Kto wymyślił teorię względności?
Albert Einstein. Pierwszą część swojej teorii – szczególną teorię względności – opublikował w niemieckim czasopiśmie fizycznym Annalen der Physik w 1905 roku, a teorię ogólnej teorii względności ukończył dopiero po kolejnej dekadzie ciężkiej pracy. Tę ostatnią teorię przedstawił w serii wykładów w Berlinie pod koniec 1915 roku, a opublikował w Annalen w 1916 roku.
Czym jest szczególna względność?
Teoria ta opiera się na dwóch kluczowych koncepcjach.
- Po pierwsze, świat przyrody nie dopuszcza żadnych „uprzywilejowanych” ram odniesienia. Tak długo, jak obiekt porusza się w linii prostej ze stałą prędkością (czyli bez przyspieszenia), prawa fizyki są takie same dla wszystkich. To trochę tak jak wtedy, gdy wyglądasz przez okno pociągu i widzisz, że sąsiedni pociąg wydaje się poruszać – ale czy to on się porusza, czy ty? Może być trudno to stwierdzić. Einstein uznał, że jeśli ruch jest idealnie równomierny, to dosłownie nie da się tego stwierdzić – i określił to jako główną zasadę fizyki.
- Po drugie, światło podróżuje z niezmienną prędkością 186 000 mil na sekundę. Bez względu na to, jak szybko porusza się obserwator lub jak szybko porusza się obiekt emitujący światło, pomiar prędkości światła zawsze daje ten sam wynik.
Począwszy od tych dwóch postulatów, Einstein pokazał, że przestrzeń i czas są ze sobą powiązane w sposób, z którego naukowcy nigdy wcześniej nie zdawali sobie sprawy. Poprzez serię eksperymentów myślowych, Einstein wykazał, że konsekwencje szczególnej względności są często sprzeczne z intuicją – nawet zaskakujące.
Jeśli na przykład zbliżasz się w rakiecie i mijasz przyjaciela w identycznej, ale wolniej poruszającej się rakiecie, zobaczysz, że zegarek twojego przyjaciela tyka wolniej niż twój (fizycy nazywają to „dylatacją czasu”).
Co więcej, rakieta twojego przyjaciela będzie wydawać się krótsza niż twoja. Jeśli twoja rakieta przyspiesza, zwiększa się masa twoja i rakiety. Im szybciej idziesz, tym cięższe stają się rzeczy i tym bardziej twoja rakieta będzie opierać się twoim wysiłkom, aby uczynić ją szybszą. Einstein pokazał, że nic, co ma masę, nie może nigdy osiągnąć prędkości światła.
Inną konsekwencją szczególnej względności jest to, że materia i energia są wymienne poprzez słynne równanie E = mc² (w którym E oznacza energię, m – masę, a c² – prędkość światła pomnożoną przez siebie). Ponieważ prędkość światła jest tak wielką liczbą, nawet niewielka ilość masy jest równoważna – i może być przekształcona – w bardzo dużą ilość energii. To dlatego bomby atomowe i wodorowe są tak potężne.
Co to jest ogólna teoria względności?
Podstawowo jest to teoria grawitacji. Podstawowym założeniem jest to, że grawitacja zamiast być niewidzialną siłą przyciągającą obiekty do siebie, jest zakrzywieniem lub wypaczeniem przestrzeni. Im bardziej masywny obiekt, tym bardziej wypacza przestrzeń wokół niego.
Na przykład, Słońce jest wystarczająco masywne, aby wypaczać przestrzeń w całym naszym Układzie Słonecznym – trochę tak, jak ciężka piłka spoczywająca na gumowym prześcieradle wypacza je. W rezultacie Ziemia i inne planety poruszają się po zakrzywionych ścieżkach (orbitach) wokół niego.
To wypaczenie wpływa również na pomiar czasu. Mamy tendencję do myślenia o czasie jako o upływającym w stałym tempie. Ale tak jak grawitacja może rozciągać lub wypaczać przestrzeń, może również wydłużać czas. Jeśli twój przyjaciel wspina się na szczyt góry, zobaczysz, że jego zegar tyka szybciej niż twój; inny przyjaciel, na dnie doliny, będzie miał wolniej tykający zegar, z powodu różnicy w sile grawitacji w każdym miejscu. Późniejsze eksperymenty dowiodły, że rzeczywiście tak się dzieje.
Jak wygląda względność 'pod maską'
Specjalna względność to ostatecznie zestaw równań, które odnoszą sposób, w jaki rzeczy wyglądają w jednym układzie odniesienia do tego, jak wyglądają w innym – rozciąganie czasu i przestrzeni oraz wzrost masy. Równania te nie wymagają niczego bardziej skomplikowanego niż matematyka w szkole średniej.
Ogólna względność jest bardziej skomplikowana. Jej „równania pola” opisują związek między masą a zakrzywieniem przestrzeni i dylatacją czasu, i są zwykle wykładane na uniwersyteckich kursach fizyki na poziomie absolwenta.
Testy szczególnej i ogólnej teorii względności
W ciągu ostatniego stulecia wiele eksperymentów potwierdziło słuszność zarówno szczególnej, jak i ogólnej teorii względności. W pierwszym poważnym teście ogólnej teorii względności astronomowie w 1919 roku zmierzyli odchylenie światła odległych gwiazd, gdy światło gwiazd przechodziło obok naszego Słońca, udowadniając, że grawitacja w rzeczywistości zniekształca lub zakrzywia przestrzeń.
W 1971 roku naukowcy przetestowali obie części teorii Einsteina, umieszczając precyzyjnie zsynchronizowane zegary atomowe w samolotach pasażerskich i oblatując je dookoła świata. Kontrola zegarów po wylądowaniu samolotów wykazała, że zegary na pokładzie samolotów działały nieco wolniej (mniej niż jedna milionowa sekundy) niż zegary na ziemi.
Różnica ta wynikała z prędkości samolotów (szczególny efekt względności) i ich większej odległości od centrum ziemskiego pola grawitacyjnego (ogólny efekt względności).
W 2016 roku odkrycie fal grawitacyjnych – subtelnych tętnień w czasoprzestrzeni – było kolejnym potwierdzeniem ogólnej teorii względności.
Względność w praktyce
Chociaż idee stojące za względnością wydają się ezoteryczne, teoria ta miała ogromny wpływ na współczesny świat.
Na przykład elektrownie jądrowe i broń jądrowa byłyby niemożliwe bez wiedzy, że materia może być przekształcana w energię. A nasza sieć satelitów GPS (globalnego systemu pozycjonowania) musi uwzględniać subtelne efekty szczególnej i ogólnej teorii względności; gdyby tego nie robiła, podawałaby wyniki odległe o kilka mil.
FOLLOW NBC NEWS MACH ON TWITTER, FACEBOOK, AND INSTAGRAM.
