Testarea online
material din cartea lui Stephen Hawking și Leonard Mlodinov "Cea mai scurtă istorie a timpului"
Postulatul fundamental al lui Einstein, numit principiul relativității, spune că toate legile fizicii ar trebui să fie aceleași pentru toți observatorii care se mișcă liber, indiferent de viteza lor. Dacă viteza luminii este o valoare constantă, atunci orice observator în mișcare liberă trebuie să fixeze aceeași valoare indiferent de viteza la care el se apropie sau părăsește sursa de lumină.
Cerința ca toți observatorii să fie de acord cu evaluarea vitezei luminii, forțează schimbarea conceptului de timp. Conform teoriei relativității, observatorul care călătorește pe tren și cel de pe platformă se va dispersa în estimarea distanței parcurse de lumină. Și din moment ce viteza este distanța împărțită de timp, singura cale pentru observatori de a ajunge la un acord asupra vitezei luminii este să se disperseze și în estimarea timpului. Cu alte cuvinte, teoria relativității a pus capăt ideii timpului absolut! Sa dovedit că fiecare observator ar trebui să aibă măsura proprie a timpului și că acele ceasuri identice pentru diferiți observatori nu vor apărea neapărat în același timp.
Spunând că spațiul are trei dimensiuni, înțelegem că poziția unui punct în el poate fi transmisă cu ajutorul a trei numere - coordonate. Dacă introducem timpul în descrierea noastră, obținem un spațiu-timp patru-dimensional.
O altă consecință cunoscută a teoriei relativității este echivalența dintre masă și energie, exprimată de ecuația Einstein-ului E = mc 2 (unde E este energia, m este masa corpului și c este viteza luminii). Având în vedere echivalența energiei și a masei, energia cinetică, pe care obiectul material o posedă datorită mișcării sale, mărește masa. Cu alte cuvinte, obiectul devine mai dificil de dispersat.
Acest efect este semnificativ numai pentru corpurile care se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii. De exemplu, la o viteză egală cu 10% din viteza luminii, greutatea corporală va fi cu numai 0,5% mai mare decât în repaus, dar la o viteză de 90% din viteza luminii, masa este mai mare de două ori mai mare decât cea normală. Pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, masa corporală crește mai repede, astfel încât să fie nevoie de mai multă energie pentru ao accelera. Conform teoriei relativității, obiectul nu poate ajunge niciodată la viteza luminii, deoarece în acest caz masa sa va deveni infinită și, în virtutea echivalenței maselor și energiei, ar necesita energie infinită. De aceea, teoria relativității ucide pentru totdeauna orice corp normal pentru a se deplasa cu o viteză mai mică decât viteza luminii. Doar luminile sau alte valuri care nu au propria lor masă se pot deplasa la viteza luminii.
Teoria generală a relativității lui Einstein se bazează pe ipoteza revoluționară că gravitația nu este o forță obișnuită, ci o consecință a faptului că spațiul-timp nu este plat, așa cum era obișnuit să gândim înainte. În teoria generală a relativității, spațiul-timp este curbat sau îndoit de masa și energia plasată în el. Corpurile ca Pământul se mișcă în orbite curbe, nu sub acțiunea unei forțe numite gravitate.
Dat fiind că linia geodezică este linia cea mai scurtă dintre două aeroporturi, navigatorii conduc aeronava exact pe aceste trasee. De exemplu, după indicațiile compasului, puteți zbura 5966 kilometri de la New York la Madrid aproape strict spre est, de-a lungul paralelei geografice. Dar va trebui să acoperiți doar 5.802 kilometri dacă zburați într-un cerc mare, mai întâi la nord-est și apoi trecând treptat spre est și spre sud-est. Vederea acestor două rute pe hartă, unde suprafața pământului este distorsionată (reprezentată de una plată), este înșelătoare. Mutând "drept" spre est de la un punct la altul de pe suprafața globului, de fapt nu vă deplasați într-o linie dreaptă, mai exact nu pe cea mai scurtă linie geodezică.
Dacă traiectoria unei nave spațiale care se mișcă în spațiu într-o linie dreaptă, se proiectează pe suprafața bidimensională a Pământului, se dovedește că este curbată.
Conform teoriei generale a relativității, câmpurile gravitaționale trebuie să distorsioneze lumina. De exemplu, teoria prezice că în apropierea Soarelui razele de lumină ar trebui să se îndoaie ușor în direcția sa sub influența masei luminării. Prin urmare, lumina unei stele îndepărtate, dacă va trece lângă Soare, va devia într-un unghi mic, datorită căruia observatorul de pe Pământ nu va vedea steaua exact unde este.
Reamintim că, în conformitate cu postulatul de bază al teoriei speciale a relativității, toate legile fizice sunt aceleași pentru toți observatorii liberi, indiferent de viteza lor. Aproximativ, principiul echivalenței extinde această regulă la acei observatori care nu se mișcă liber, ci sub influența câmpului gravitațional.
În zonele suficient de mici ale spațiului, este imposibil să apreciați dacă vă aflați în repaus într-un câmp gravitațional sau dacă vă deplasați cu o accelerație constantă în spațiul gol.
Imaginați-vă că vă aflați într-un lift în mijlocul unui spațiu gol. Nu există nici o gravitate, nici o "partea de sus" și "partea de jos". Înoțiți liber. Apoi, ascensorul începe să se miște cu o accelerație constantă. Simți brusc greutatea. Adică, sunteți presați la unul dintre pereții ascensorului, care acum este perceput ca o podea. Dacă luați un măr și eliberați-l, acesta va cădea pe podea. De fapt, acum că vă mișcați cu accelerație, tot ceea ce se află în interiorul ascensorului se va desfășura exact ca și cum ascensorul nu se mișca deloc, ci se va odihni într-un câmp gravitațional uniform. Einstein a dat seama că, la fel ca fiind in masina este de conducere, nu se poate spune că stă în picioare sau se mișcă uniform, și în timp ce stau în interiorul liftului, nu va fi capabil să stabilească dacă se mișcă cu o accelerație constantă sau în uniformă câmpul gravitațional. Rezultatul acestei înțelegeri este principiul echivalenței.
Principiul echivalenței și exemplele de manifestările sale vor fi valabile numai în cazul în care masa inerțială (partea a doua lege a lui Newton, care determină accelerarea ka-ceva conferă corpului atașat la acesta forță) și masa gravitațională (o parte din legea lui Newton a gravitației, care determină magnitudinea atracției gravitaționale) sunt una și aceeași.
Folosind echivalența Einstein a masei gravitaționale și inerțiale la ieșire principiul echivalenței și, în cele din urmă, întreaga relativității generale - un demon-precedent în istoria umană gândit exemplu de concluzii logice persistente și coerente.
O altă prezicere a teoriei generale a relativității este că în apropierea corpurilor masive, cum ar fi Pământul, cursul timpului trebuie să încetinească.
Acum, după ce ne-am familiarizat cu principiul echivalenței, putem urmări cursul raționamentului lui Einstein prin efectuarea unui alt experiment de gândire care arată de ce gravitatea afectează timpul. Imaginați-vă o rachetă care zboară în spațiu. Pentru confort, presupunem că corpul său este atât de mare încât lumina durează o secundă completă pentru a trece de-a lungul acestuia de sus în jos. În cele din urmă, să presupunem că există doi observatori în rachetă: unul la vârf, unul la tavan, celălalt la partea de jos, pe podea și ambele sunt echipate cu același ceas care numără secundele.
Să presupunem că observatorul superior, după ce așteaptă numărătoarea inversă a ceasului său, trimite imediat semnalul de lumină inferioară. La următoarea inversă, trimite un al doilea semnal. Conform condițiilor noastre, este nevoie de o secundă, astfel încât fiecare semnal să atingă observatorul inferior. Deoarece observatorul superior trimite două semnale luminoase cu un interval de o secundă, observatorul inferior le va înregistra cu același interval.
Ce se va schimba dacă în acest experiment, în loc să plutească liber în spațiu, racheta va sta pe Pământ, trăind acțiunea gravitației? Conform teoriei lui Newton, gravitația nu are nici un efect asupra situației: dacă observatorul din partea de sus transmite semnale cu un interval de o secundă, observatorul de mai jos le va primi în același interval. Dar principiul echivalenței prezice o evoluție diferită a evenimentelor. Ce exact, putem înțelege, dacă în conformitate cu principiul echivalenței, înlocuim mental acțiunea gravitației prin accelerație constantă. Acesta este un exemplu al modului în care Einstein a folosit principiul echivalenței pentru a-și crea noua teorie a gravitației.
Deci, să presupunem că racheta noastră accelerează. (Presupunem că este accelerat încet, astfel încât viteza nu este aproape de viteza luminii.) Deoarece racheta corpului merge în sus, primul semnal va trebui să treacă o distanță mai scurtă decât înainte (pentru a accelera de început), și el ajunge la observatorul inferior mai devreme decât în al doilea rând. Dacă racheta s-ar mișca la o viteză constantă, atunci al doilea semnal ar ajunge exact la fel mai devreme, astfel încât intervalul dintre cele două semnale să rămână egal cu o secundă. Dar când cel de-al doilea semnal este expulzat din cauza accelerației, racheta se mișcă mai repede decât în momentul trimiterii primului semnal, astfel încât al doilea semnal să călătorească o distanță mai mică decât prima și să petreacă și mai puțin timp. Observatorul din partea de jos, verificând cu ceasul său, va înregistra că intervalul dintre semnale este mai mic de o secundă și nu va fi de acord cu observatorul superior, care spune că a trimis semnalele într-o secundă.
În cazul unei rachete de accelerare, acest efect probabil nu ar trebui să fie deosebit de surprinzător. În final, tocmai am explicat-o! Dar rețineți: principiul echivalenței spune că același lucru se întâmplă atunci când o rachetă se odihnește într-un câmp gravitațional. Prin urmare, da aceeași dacă racheta nu este accelerată, și, de exemplu, este pe rampa de lansare la suprafața pământului, semnalele transmise de intervalele de observare superior secunde (în funcție de ceasul), va veni la observatorul de jos, cu un interval mai mic (la ceasul) . E chiar uimitor!
Gravitația schimbă fluxul de timp. Așa cum teoria specială a relativității ne spune că timpul merge diferit pentru observatorii care se mișcă relativ unul față de celălalt, teoria generală a relativității declară că evoluția timpului este diferită pentru observatori în diferite câmpuri gravitaționale. Conform teoriei generale a relativității, observatorul inferior înregistrează un interval mai scurt între semnale, deoarece timpul de la suprafața Pământului este mai lent, deoarece gravitația este mai puternică aici. Cu cât este mai puternic câmpul gravitațional, cu atât este mai mare acest efect.
Ceasul nostru biologic răspunde, de asemenea, schimbărilor în timp. Dacă unul dintre gemeni trăiește la vârful muntelui și celălalt la mare, primul va crește mai repede decât cel de-al doilea. În acest caz, diferența de vârste va fi neglijabilă, dar va crește semnificativ dacă unul dintre gemeni merge pe o călătorie lungă într-o navă spațială care accelerează la o viteză apropiată de lumină. Când se întoarce, călătorul va fi mult mai tânăr decât fratele său care a plecat pe Pământ. Acest caz este cunoscut ca paradoxul gemenilor, dar este un paradox doar pentru cei care se agață de ideea de timp absolut. În teoria relativității, nu există un moment absolut absolut - pentru fiecare individ are măsura proprie a timpului, care depinde de locul în care se află și de modul în care se mișcă.
Odată cu apariția sistemelor de navigație ultra-precise care primesc semnale de la sateliți, diferența în cursul ceasului la diferite altitudini a devenit practică. Dacă echipamentul a ignorat predicțiile teoriei generale a relativității, o greșeală în determinarea locației ar putea fi de câțiva kilometri!
Apariția teoriei generale a relativității a schimbat radical situația. Spațiul și timpul au dobândit statutul entităților dinamice. Când corpurile se mișcă sau forțează, ele provoacă o curbura a spațiului și a timpului, iar structura spațiului-timp, la rândul său, afectează mișcarea corpurilor și acțiunea forțelor. Spațiul și timpul nu afectează numai tot ceea ce se întâmplă în univers, însă ei înșiși depind de toate acestea.
Imaginați-vă un astronaut fără teamă care rămâne pe suprafața unei stele în colaps în timpul unei contracții catastrofale. La un moment dat, în conformitate cu ceasul său, spune la ora 11:00, steaua se va micșora la o rază critică, dincolo de care câmpul gravitațional crește atât de mult încât este imposibil să scăpați de el. Să presupunem că, conform instrucțiunilor, astronautul trebuie să trimită un semnal navei sale spațiale, care se află în orbită la o distanță fixă de centrul stelei, în fiecare secundă a ceasului său. Începe să transmită semnale la 10:59:58, adică două secunde înainte de ora 11:00. Ce se va înregistra echipajul la bordul navei spațiale?
Anterior, după ce am făcut un experiment mental cu transmiterea semnalelor luminoase în interiorul rachetei, am fost convinși că gravitația încetinește timpul și cu cât este mai puternic, cu atât este mai mare efectul. Astronautul de pe suprafața stelei se află într-un câmp gravitațional mai puternic decât colegii săi în orbită, astfel încât o secundă a ceasului său va dura mai mult de o secundă de ceasul navei. Ca un astronaut, împreună cu mișcările de suprafață spre centrul stelei, care acționează în domeniul său devine mai puternică și mai puternică, astfel încât intervalele de timp dintre semnalele sale primite la bordul navei spațiale, prelungite în mod continuu. Această prelungire a timpului va fi foarte nesemnificativ la 10:59:59, astfel încât astronauții să orbiteze intervalul dintre semnalele transmise în 10:59:58 și 10:59:59, foarte ușor să depășească al doilea. Dar semnalul trimis la ora 11:00, nava nu va aștepta.
Tot ce se întâmplă pe suprafața stelei între orele 10:59:59 și 11:00 de către ceasul astronauților va fi întins de orele navei spațiale pentru o perioadă infinită de timp. Odată cu apropierea de intervalele de la ora 11:00 între sosirea pe orbită a crestelor succesive și depresiuni ale undelor luminoase emise de stea va deveni tot mai lungă; Același lucru se va întâmpla și cu intervalele dintre semnalele astronauților. Deoarece frecvența radiației este determinată de numărul de crestături (sau depresiuni) care apar într-o secundă, o frecvență tot mai mică a radiației stelei va fi înregistrată pe nava spațială. Lumina stelei va deveni din ce în ce mai roșie și în același timp va dispărea. În final, steaua va deveni atât de plictisitoare încât devine invizibilă observatorilor de pe nava spațială; tot ce rămâne rămâne o gaură neagră în spațiu. Cu toate acestea, gravitatea stelei pe nava va rămâne și va continua să circule pe orbită.
Trimiteți-le prietenilor: