Albert Einstein on yksi 1900-luvun tunnetuimmista fyysikoista. Hämmästyttävien teorioiden lisäksi, jotka kuvaavat laaja-alaista maailmaa uskomattoman tarkkuudella, hän kuitenkin paljasti yhden uteliaan ilmiön: mitä vahvempi painovoima, sitä hitaampi aika kuluu.
Einstein kutsui ensimmäistä koko maailmaansa tuntemaansa teoriaa suhteellisuusteoriaksi. Se oli erityinen, koska se käsitteli vakionopeuksia. Sovittaakseen sen todelliseen maailmaan, jossa esineet jatkuvasti kiihtyvät ja hidastuvat, hänen piti tutkia teoriansa vaikutuksia kiihtyvyyteen. Tämä yritys yleistää ja ottaa huomioon kaikki yleiset ilmiöt johti ajan ja painovoiman suhteen löytämiseen. Einstein kutsui uutta teoriaansa yleiseksi suhteellisuudeksi.
Newton uskoi, että ajan virtaus on kuin nuolet. Se liikkuu tasaisesti vain yhteen suuntaan - eteenpäin. Einstein ehdotti, että aika muuttuu käänteisessä suhteessa nopeuteen. Ja joustavuudestaan, kuten avaruudesta, se "ansaitsi" oman mittauksensa. Lisäksi Einstein väitti, että tila ja aika ovat yksi kokonaisuus - joustava nelidimensioinen kangas, jolla kaikki maailmankaikkeuden tapahtumat tapahtuvat. Niin hän kutsui sitä - avaruus-ajan kankaana. Kun fyysikko julkaisi työtään kaikilla päätelmillään, häntä tervehtii epäusko.
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aine venyttää ja supistuu avaruuden ajan kankaasta. Osoittautuu, että esineitä ei houkutella maapallon keskipisteelle jollain salaperäisellä tavalla, vaan niitä päinvastoin työntää niiden ympärillä oleva kaareva tila. Kuten kaltevuus, avaruusajan kaarevuus kiihdyttää alaspäin liikkuvia esineitä, vaikkakin tämän kiihtyvyyden nopeus ei aina ole sama. Painovoima kasvaa lähestyessäsi maan pintaa, missä kaarevuus on voimakkaampi.
Universumin historia ajan nuolella.
Jos painovoima kasvaa liikkuessaan alas, esine putoaa vapaasti pisteeseen B pinnalla nopeammin kuin kohtaan A korkeammalla. Erityisen suhteellisuusteorian mukaan pisteen B vapaasti putoavan esineen ajan tulisi hitata suhteessa esineeseen pisteessä A johtuen siitä, että esineen nopeus pisteessä B on suurempi.
Mitä on aika
Mainosvideo:
Mikä aika on oikea? Einstein postuloi, ettei ole absoluuttista aikaa. Aika on suhteellinen riippuen voimien järjestelmästä, johon se kohdistuu. Tätä kutsutaan muodollisesti viitekehykseksi. Aika, jota järjestelmässäsi kuluu, on oma aika. Jos liikelakien on oltava samat kaikille tarkkailijoille heidän liikkeestään riippumatta, niin ajan on hidastettava. Toisin sanoen mitä nopeammin liikut, sitä hitaammin kello tikkee suhteessa muihin kelloihin. Tätä sankaritar Anne Hathaway kertoi hahmo Matthew McConaugheylle "Interstellarissa" kaukaiselle planeetalle laskeutumisen jälkeen: "Yksi tunti tällä planeetalla on seitsemän maapallon vuotta".
Joten onko hidastuneen ajan havaitseminen primitiivisen neurologisen meikkimme rajoitus, vai hidastuuko aika todella? Ja mitä ajan dilaatio oikeasti tarkoittaa? Lopulta tämä vie meidät kysymykseen: mikä on aika? Tämä ei ole vain kysymys, jonka filosofian opiskelijat kysyvät toisiltaan yli lasillisen olutta. Aikakäsitys on hämmentänyt luonnofilosofeja ja fyysikoita muista ajoista lähtien.
Ajan päätehtävä on seurata tapahtumien kronologiaa. Viimeiseen 400 vuoteen saakka ihmiset ovat kuitenkin määrittäneet ajan olettaen, että tähdet liikkuvat maapallon ympäri eikä päinvastoin. Siitä huolimatta kaikki toimi kohtuullisen hyvin - koska päivät ja vuodenajat toistuvat ennustettavasti, ja kun sinulla on jotain, joka toistuu ennustettavasti, niin on olemassa mekanismi ajan seurannalle.
Galileo käytti tällaisen mekanismin rekursiivista luonnetta liikkeen laskemiseen. Liikkeen kuvaaminen olisi mahdotonta ilman jonkinlaista ajan määrittämistä. Mutta tämä aika ei ole koskaan ollut ehdoton. Jopa Newton muotoileessaan liikelakejaan, hän käytti ajan käsitettä, jossa kaksi kelloparia osoittavat synkronisesti ei absoluuttisen, itsenäisen ajan, vaan keskenään. Synkronointi on syy siihen, miksi ihmiskunta on rakentanut hienostuneen ja tarkan atomikello.
Aikakonsepti rakentuu kahden tapahtuman samanaikaisuudelle tai ratkaisevalle sattumalle - kuten junan saapumiselle ja kellon käsien ainutlaatuiselle sattumalle tuolloin. Einsteinin teorian mukaan liikkeen on vaikutettava tähän. Jos laiturilla ja junassa olevat kaksi tarkkailijaa eivät pääse sopimukseen siitä, mikä on samanaikaista, he eivät voi sopia siitä, kuinka aika virtaa.
Liike vääristää aikaa
Ymmärtääksesi liikkeen vaikutuksen ennustettavuuteen harkitse yksinkertaista ajoitusmekanismia. Kuvittele aikaseurantalaite, joka koostuu fotonista, joka pomppii kahden peilin välillä, jotka ovat etäisyyden päässä toisistaan. Anna yhden sekunnin kulkea fotonin heijastusjakson aikana. Nyt sijoitamme kaksi tällaista laitetta pisteisiin A ja B maanpinnan yläpuolelle ja suoraan sen päälle (kuten yllä kuvatussa esimerkissä) ja näemme kuinka ne laskevat ajan, kun vapaasti putoava esine lakaistaan niiden ohi. Tämä objekti mitataan puolestaan omaa aikaa käyttämällä samaa kelloa. Mitä he näyttävät?
Fotonin heijastuksen katseleminen kahden liikkuvan peilin välillä on kuin katsomassa liikkuvalla junassa pomppivan tennispalloa. Vaikka pallo pomppii kohtisuoraan junassa olevan henkilön kanssa, se kuvaa kolmiota paikallaan olevalle tarkkailijalle ulkopuolella.
Koe putoavan kellon kanssa.
Laitteen liikkuessa eteenpäin näyttää siltä, että fotoni, kuten pallo, kulkee suuremman etäisyyden heijastuessaan. Osoittautuu, että yksi kokeilun tulos on vääristynyt! Lisäksi mitä nopeammin laite liikkuu, sitä enemmän aikaa fotonin heijastamiseen vie, mikä pidentää sekunnin kestoa. Siksi ajan kuluminen pisteessä B osoittautuu hitaammaksi kuin pisteessä A (muista: painovoiman vuoksi esine putoaa pisteeseen B nopeammin kuin pisteessä A).
Tämä ero on tietysti vähäinen. Vuoristojen yläosassa ja maan pinnalla kellon mittaaman ajan välinen ero on vain muutama nanosekuntia. Siitä huolimatta Einsteinin löytö oli todellinen läpimurto. Painovoima todella häiritsee ajan kulumista, mikä tarkoittaa, että mitä massiivisempi esine, sitä hitaampi aika virtaa sen lähellä. Jotkut fyysikot jopa tekevät varauksen, että kaikki maailmankaikkeuden esineet näyttävät tuntevan sen ja yrittävät pudota sinne, missä aika hidastuu, paikoista, joissa aika menee nopeammin.
Maan painovoimakenttä ja GPS-satelliitti.
Jalat päätä nuoremmat
Nykyään gravitaatioaika-dilaatio ei ole vain tunnettu ilmiö teoreettisen fysiikan alalta, vaan myös käytännöllinen työkalu. Einsteinin ja hänen yhtälöiden löytämisen ansiosta meillä on niin upea asia kuin GPS-navigointi, joka ei voinut toimia yhtä tarkasti, jos maapallon pinnan ajan kulkua maan läheisellä kiertoradalla ei otettaisi huomioon. Painovoima-ajan dilaatio auttaa myös teoreettisia fyysikkoja ja astrofysiikkoja rakentamaan tarkkoja teorioita siitä, mitä tapahtuu kaukana avaruudessa lähellä kohteita, joihin emme fyysisesti pääse lähelle (esimerkiksi mustat aukot ja neutronitähdet). Ja kyllä, ottaen huomioon tämä ilmiö, käy ilmi, että jalat - vaikkakin äärettömän merkityksettömästi - ovat nuorempia kuin pääsi.
Vladimir Guillen