Īpašā relativitātes teorija, ko Einšteins publicēja 1905. gadā un ir nozīmīgs vairāku agrāko hipotēžu vispārinājums, ir viena no vissenīgākajām un apspriestākajām fizikā.
Patiesi, ir grūti iedomāties, ka, objektam kustoties gandrīz gaismas ātrumā, fiziskie procesi tam sāk noritēt pavisam neparastā veidā: tā garums samazinās, masa palielinās un laiks palēninās. Tūlīt pēc publikācijas sākās mēģinājumi diskreditēt teoriju, kas turpinās arī šodien, lai gan ir pagājuši vairāk nekā simts gadi. Tas nav pārsteidzoši, jo jautājums par to, kas ir laiks, jau sen ir satraucis cilvēci un piesaistījis ikviena uzmanību.
Kas ir relatīvisms
Relativistiskās mehānikas (tā ir arī speciālā relativitātes teorija, turpmāk tekstā SRT) būtību un atšķirību no klasiskās mehānikas spilgti izsaka tās nosaukuma tiešais tulkojums: latīņu relativus nozīmē "relatīvs". SRT postulē laika dilatācijas neizbēgamību objektam, kad tas pārvietojas attiecībā pret novērotāju.
Atšķirībašīs Alberta Einšteina piedāvātās teorijas no Ņūtona mehānikas un slēpjas faktā, ka visus notiekošos procesus var uzskatīt tikai attiecībā pret otru vai kādu ārēju novērotāju. Pirms aprakstīt, kas ir relativistiskā laika dilatācija, ir nedaudz jāiedziļinās teorijas veidošanās jautājumā un jānosaka, kāpēc tās formulēšana vispār kļuva iespējama un pat obligāta.
Relativitātes izcelsme
Līdz 19. gadsimta beigām zinātnieki saprata, ka daži eksperimentālie dati neatbilst klasiskajā mehānikā balstītajam pasaules attēlam.
Fundamentālas pretrunas izraisīja mēģinājumus apvienot Ņūtona mehāniku ar Maksvela vienādojumiem, kas apraksta elektromagnētisko viļņu kustību vakuumā un nepārtrauktā vidē. Jau iepriekš bija zināms, ka gaisma ir tikai tāds vilnis, un tas būtu jāskata elektrodinamikas ietvaros, taču bija ārkārtīgi problemātiski strīdēties ar vizuālo un, galvenais, laika pārbaudīto mehāniku.
Tomēr pretruna bija acīmredzama. Pieņemsim, ka braucoša vilciena priekšā ir piestiprināta laterna, kas spīd uz priekšu. Pēc Ņūtona domām, vilciena ātrumiem un gaismai, kas nāk no laternas, ir jāsaskaita. Maksvela vienādojumi šajā hipotētiskajā situācijā vienkārši "izlūza". Bija nepieciešama pilnīgi jauna pieeja.
Īpašā relativitāte
Būtu nepareizi uzskatīt, ka Einšteins izgudroja relativitātes teoriju. Patiesībā viņš pievērsās to zinātnieku darbiem un hipotēzēm, kuri strādāja pirms viņa. Tomēr autors tuvojāsno otras puses, un Ņūtona mehānika vietā Maksvela vienādojumus atzina par "a priori pareiziem".
Papildus slavenajam relativitātes principam (patiesībā Galileo formulēts klasiskās mehānikas ietvaros) šī pieeja noveda Einšteinu pie interesanta apgalvojuma: gaismas ātrums ir nemainīgs visos kadros atsauce. Un tieši šis secinājums ļauj runāt par iespēju mainīt laika standartus objektam kustoties.
Gaismas ātruma noturība
Šķiet, ka apgalvojums "gaismas ātrums ir nemainīgs" nepārsteidz. Bet mēģiniet iedomāties, ka jūs stāvat uz vietas un skatāties, kā gaisma ar noteiktu ātrumu attālinās no jums. Jūs sekojat staram, bet tas turpina attālināties no jums tieši tādā pašā ātrumā. Turklāt, apgriežoties un lidojot pretējā virzienā no stara, jūs nekādā veidā nemainīsit attāluma ātrumu viens no otra!
Kā tas ir iespējams? Šeit sākas saruna par laika dilatācijas relatīvo efektu. Interesanti? Pēc tam lasiet tālāk!
Relativistiskā laika dilatācija saskaņā ar Einšteinu
Kad objekta ātrums tuvojas gaismas ātrumam, tiek aprēķināts, ka objekta iekšējais laiks palēninās. Ja pieņemsim, ka cilvēks pārvietojas paralēli saules staram ar līdzīgu ātrumu, laiks viņam vispār pārstās skriet. Pastāv relativistiskās laika dilatācijas formula, kas atspoguļo tās saistību ar objekta ātrumu.
Tomēr, pētot šo jautājumu, jāatceras, ka neviens ķermenis ar masu pat teorētiski nevar sasniegt gaismas ātrumu.
Ar teoriju saistīti paradoksi
Speciālā relativitāte ir zinātnisks darbs, un to nav viegli saprast. Taču sabiedrības interese par jautājumu, kas ir laiks regulāri, rada idejas, kas ikdienas līmenī šķiet neatrisināmi paradoksi. Piemēram, šis piemērs mulsina lielāko daļu cilvēku, kuri ir iepazīstināti ar SRT bez fizikas zināšanām.
Ir divas lidmašīnas, no kurām viena lido taisni, otrā paceļas un, aprakstījusi loku ar ātrumu tuvu gaismas ātrumam, panāk pirmo. Paredzams, ka otrajam aparātam (kas lidoja gandrīz gaismas ātrumā) laiks pagāja lēnāk nekā pirmajam. Tomēr saskaņā ar SRT postulātu abu gaisa kuģu atskaites sistēmas ir vienādas. Tas nozīmē, ka gan vienai, gan otrai ierīcei laiks var paiet lēnāk. Šķiet, ka tas ir strupceļš. Bet…
Paradoksu atrisināšana
Patiesībā šāda veida paradoksu avots ir teorijas mehānisma pārpratums. Šo pretrunu var atrisināt, izmantojot labi zināmu spekulatīvu eksperimentu.
Mums ir nojume ar divām durvīm, kas veido caureju un stabu, kas ir nedaudz garāks par nojumes garumu. Ja stiepsim stabu no durvīm līdz durvīm, tās nespēs aizvērt vai vienkārši nolauzīs mūsu stabu. Ja stabs, ielidojot šķūnī,būs ātrums, kas tuvs gaismas ātrumam, tā garums samazināsies (atcerieties: objektam, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu, garums būs nulle), un šobrīd tas atrodas šķūņa iekšpusē, mēs varam aizvērt un atvērt durvis, nesalaužot mūsu rekvizītus.
No otras puses, tāpat kā piemērā ar plakni, tieši šķūnim vajadzētu samazināties attiecībā pret stabu. Paradokss atkārtojas, un, šķiet, izejas nav - abi objekti tiek sinhroni samazināti garumā. Tomēr atcerieties, ka viss ir relatīvs, un atrisiniet problēmu, mainot laiku.
Vienlaicības relativitāte
Kad staba priekšējā mala ir iekšā, ārdurvju priekšā, varam tās aizvērt un atvērt, un brīdī, kad stabs pilnībā ielidos šķūnī, darīsim to pašu ar aizmuguri durvis. Šķiet, ka mēs to nedarām vienlaikus, un eksperiments neizdevās, bet šeit izrādās galvenais: saskaņā ar speciālo relativitātes teoriju abu durvju aizvēršanās momenti atrodas vienā un tajā pašā vietā laika ass.
Tas notiek tāpēc, ka notikumi, kas notiek vienlaicīgi vienā atskaites sistēmā, nebūs vienlaicīgi citā. Relativistiskā laika dilatācija izpaužas objektu attiecībās, un mēs atgriežamies pie absolūti ikdienas Einšteina teorijas vispārinājuma: viss ir relatīvs.
Ir vēl viena detaļa: atsauces sistēmu vienlīdzība ir svarīga SRT, kad abi objekti pārvietojas vienmērīgi un taisni. Tiklīdz kāds no ķermeņiem sāk paātrināties vai samazināt ātrumu, tā atskaites sistēma kļūst unikālaiespējams.
Dvīņu paradokss
Slavenākais paradokss, kas "vienkāršā veidā" izskaidro relatīvistisko laika dilatāciju, ir domu eksperiments ar diviem dvīņu brāļiem. Viens no tiem kosmosa kuģī aizlido ar ātrumu tuvu gaismas ātrumam, bet otrs paliek uz zemes. Atgriežoties astronauta brālis atklāj, ka viņš pats ir novecojis 10 gadus, bet brālis, kurš palika mājās, ir sasniedzis 20 gadu vecumu.
Kopējai ainai jau vajadzētu būt skaidrai lasītājam no iepriekšējiem skaidrojumiem: brālim uz kosmosa kuģa laiks palēninās, jo viņa ātrums ir tuvu gaismas ātrumam; mēs nevaram pieņemt atskaites sistēmu attiecībā uz brāli uz zemes, jo tas izrādīsies neinerciāls (tikai viens brālis piedzīvo pārslodzi).
Gribu atzīmēt vēl ko: lai kādu pakāpi strīdā sasniegtu pretinieki, fakts paliek fakts: laiks savā absolūtajā vērtībā paliek nemainīgs. Neatkarīgi no tā, cik gadus brālis lido ar kosmosa kuģi, viņš turpinās novecot tieši tādā pašā ātrumā, kā laiks ritēs viņa atskaites sistēmā, un otrs brālis novecos tieši tādā pašā ātrumā - atšķirība atklāsies tikai tad, kad viņi satiekas, un ne jebkurā citā gadījumā.
Gravitācijas laika dilatācija
Nobeigumā jāatzīmē, ka pastāv otrs laika dilatācijas veids, kas jau ir saistīts ar vispārējo relativitātes teoriju.
Pat 18. gadsimtā Mičels paredzēja sarkanās krāsas esamībupārvietojums, kas nozīmē, ka, objektam pārvietojoties starp zonām ar spēcīgu un vāju gravitāciju, laiks mainīsies. Neskatoties uz Laplasa un Zoldnera mēģinājumiem izpētīt šo jautājumu, tikai Einšteins 1911. gadā prezentēja pilnvērtīgu darbu par šo tēmu.
Šis efekts ir ne mazāk interesants kā relativistiskā laika dilatācija, taču tam nepieciešams atsevišķs pētījums. Un tas, kā saka, ir pavisam cits stāsts.
