Alberts Einšteins bija slavens ar daudzām lietām, bet viņa lielākais prāta bērns ir relativitātes teorija. Tas uz visiem laikiem mainīja mūsu izpratni par telpu un laiku.
Kas ir relativitāte? Īsumā sakot, tas ir priekšstats, ka fizikas likumi visur ir vienādi. Mēs šeit, uz Zemes, pakļaujamies tiem pašiem gaismas un gravitācijas likumiem, kā kādam citam tālu no Visuma stūra.
Fizikas universālums nozīmē, ka vēsture ir provinciāla. Dažādi skatītāji atšķirīgi redzēs notikumu laiku un atstarpi. Tas, kas mums ir miljons gadu, var vienkārši mirkšķināt kādu, kas peld ar ātrgaitas raķeti vai iekrīt melnajā caurumā.
Tas viss ir relatīvi.
Īpašā relativitāte
Einšteina teorija ir sadalīta speciālajā un vispārējā relativitātē.
Īpašā relativitāte bija pirmā, un tās pamatā ir tas, ka gaismas ātrums ir nemainīgs visiem. Tas var šķist pietiekami vienkāršs, taču tam ir tālejošas sekas.
Einšteins nonāca pie šāda secinājuma 1905. gadā pēc tam, kad eksperimentālie pierādījumi parādīja, ka gaismas ātrums nav mainījies, Zemei virzoties ap sauli.
Šis rezultāts bija pārsteidzošs fizikiem, jo vairuma citu lietu ātrums ir atkarīgs no tā, kādā virzienā novērotājs virzās. Ja jūs vadāt savu automašīnu blakus dzelzceļa sliedēm, vilciens, kas tuvojas jums, šķitīs, ka pārvietojas daudz ātrāk nekā tad, ja jūs pagrieztos un sekotu tam tajā pašā virzienā.
Einšteins sacīja, ka visi novērotāji mērīs gaismas ātrumu 186 000 jūdzes sekundē neatkarīgi no tā, cik ātri un kādā virzienā viņi virzās.
Šis maksimums pamudināja komiķi Stefanu Wright jautāt: "Ja jūs atrodaties kosmosa kuģī, kas pārvietojas gaismas ātrumā, un jūs ieslēdzat priekšējos lukturus, vai kaut kas notiek?"
Atbilde ir, ka priekšējie lukturi ieslēdzas parasti, bet tikai no kāda cilvēka viedokļa kosmosa kuģī. Kādam, kas stāv ārpusē, vērojot, kā kuģis lido garām, priekšējie lukturi neieslēdzas: deg gaisma, bet tā pārvietojas ar tādu pašu ātrumu kā kosmosa kuģis.
Šīs pretrunīgās versijas rodas tāpēc, ka valdnieki un pulksteņi - lietas, kas apzīmē laiku un telpu - dažādiem novērotājiem nav vienādi. Ja gaismas ātrums jāsaglabā nemainīgs, kā teica Einšteins, tad laiks un telpa nevar būt absolūti; viņiem jābūt subjektīviem.
Piemēram, 100 pēdas garš kosmosa kuģis, kas pārvietojas ar 99,99% gaismas ātrumu, nekustīgam novērotājam parādīsies vienas pēdas garumā, bet tas paliks parastais garums tiem, kas atrodas uz kuģa.
Varbūt pat dīvaināks, jo laiks iet lēnāk, jo ātrāk iet. Ja dvīnīte ātruma pārsniegšanas kosmosa kuģī nobrauc pie kādas tālas zvaigznes un tad atgriezīsies, viņa būs jaunāka par savu māsu, kura palika uz Zemes.
Arī masa ir atkarīga no ātruma. Jo ātrāk objekts pārvietojas, jo masīvāks tas kļūst. Faktiski neviens kosmosa kuģis nekad nevar sasniegt 100% gaismas ātruma, jo tā masa pieaugs līdz bezgalībai.
Šīs attiecības starp masu un ātrumu bieži izsaka kā attiecības starp masu un enerģiju: E = mc ^ 2, kur E ir enerģija, m ir masa un c ir gaismas ātrums.
Vispārējā relativitāte
Einšteins netika darīts, lai izjauktu mūsu izpratni par laiku un telpu. Viņš turpināja vispārināt savu teoriju, iekļaujot paātrinājumu un secināja, ka tas izkropļo laika un telpas formu.
Pieturēties pie iepriekšminētā piemēra: iedomājieties, ka kosmosa kuģis paātrinās, izšaujot tā virzuļus. Tie, kas atrodas uz kuģa, pielips pie zemes tāpat kā tad, ja atrastos uz Zemes. Einšteins apgalvoja, ka spēks, kuru mēs saucam par gravitāciju, nav atšķirams no tā, ka tas atrodas paātrinošā kuģī.
Tas pats par sevi nebija tik revolucionārs, bet, kad Einšteins izstrādāja sarežģīto matemātiku (tas viņam prasīja 10 gadus), viņš atklāja, ka telpa un laiks ir izliektas masīva objekta tuvumā, un šo izliekumu mēs piedzīvojam kā gravitācijas spēku.
Ir grūti attēlot vispārējās relativitātes izliekto ģeometriju, bet, ja domā par telpas laiku kā sava veida audumu, tad masīvs priekšmets stiepj apkārtējo audumu tā, ka viss, kas iet tuvumā, vairs neseko taisnai līnijai.
Vispārējās relativitātes vienādojumi paredz vairākas parādības, no kurām daudzas ir apstiprinātas:
- gaismas liekšana ap masīviem objektiem (gravitācijas izkliedēšana)
- lēna evolūcija planētas Mercury orbītā (periēlija precesija)
- laika rāmja vilkšana ap rotējošiem ķermeņiem
- gaismas pavājināšanās, kas izbēg no gravitācijas spēka (gravitācijas sarkanā nobīde)
- gravitācijas viļņi (viļņi telpas-laika audumā), ko izraisa kosmiskās satricinājumi
- melno caurumu esamība, kas piesaista visu, ieskaitot gaismu
Kosmosa laika deformācija ap melno caurumu ir intensīvāka nekā jebkur citur. Ja kosmosā izplatītais dvīnis iekristu melnajā caurumā, viņa būtu izstiepta kā spageti.
Viņas laimei tas viss būtu beidzies pēc dažām sekundēm. Bet viņas māsa uz Zemes nekad neredzētu tās beigas - vērojot savu nabadzīgo māsu, pakāpeniski virzoties uz melno caurumu, kas pārsniedz Visuma vecumu.
Šo rakstu 2019. gada 2. jūlijā atjaunināja Live Science līdzautors Tims Childers.
