Ο "χρόνος" του Αϊνστάιν

                   Από τον απόλυτο χρόνο του Νεύτωνα 

                                                         στη σχετικότητα του χρόνου του Αϊνστάιν

Λέγεται ότι κάποτε ρώτησαν τον Albert Einstein  "Τι είναι χρόνος;" Αυτός απάντησε: "Ότι μετράνε τα ρολόγια μας". Ακόμα και με αυτή την απλοϊκή απάντηση ήθελε να δείξει ότι ο χρόνος εξαρτάται από τον τρόπο που τον μετράμε.

Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο Γερμανικής καταγωγής  Albert Einstein  (1879-1955) έφερε επανάσταση στην επιστημονική σκέψη.  Αρχικά με τη διατύπωση της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας  (ΕΘΣ) άλλαξε ριζικά τις αντιλήψεις  για το χώρο, το χρόνο και τη μάζα, ενώ λίγα χρόνια αργότερα στην πιο ολοκληρωμένη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας διαμόρφωσε εκ νέου την έννοια του χρόνου εισάγοντας τα ζητήματα της βαρύτητας.

Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας γεννήθηκε το 1905  με την δημοσίευση της εργασίας του  Einstein  με τίτλο "Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων σωμάτων" στο γερμανικό περιοδικό φυσικής "Annalen  der Physik"

Η θεωρία  θεμελιώνεται πάνω  σε δύο αξιώματα:

Αξίωμα 1: Οι νόμοι της Φυσικής πρέπει να παραμείνουν οι ίδιοι για όλους τους ελεύθερα κινούμενους παρατηρητές ανεξάρτητα από την ταχύτητά τους.

Αξίωμα  2: Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή και ίδια σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς. ( δηλαδή είναι ανεξάρτητη της σχετικής κίνησης των παρατηρητών ή της κίνησης της φωτεινής πηγής).

Η θεωρία είναι "Ειδική" γιατί περιορίζεται στην ειδική περίπτωση των αντικειμένων που κινούνται με σταθερή ταχύτητα.

Άμεσα επακόλουθα είναι τα εξής:

α. Η θεμελιώδης εξίσωση ισοδυναμίας μάζας - ενέργειας.

όπου

Ε = Ενέργεια

m = μάζα

c = ταχύτητα του φωτός

        Μάζα και Ενέργεια οι  2  όψεις  ενός νομίσματος

Σύμφωνα με αυτή την εξίσωση, η ενέργεια που αποκτά ένα αντικείμενο λόγω της κίνησής του, "προστίθεται" στη μάζα του. Με αυτό τον τρόπο γίνεται δυσκολότερο να αυξηθεί και άλλο η ταχύτητά του. Όσο ένα αντικείμενο προσεγγίζει την ταχύτητα του φωτός, η μάζα του μεγαλώνει και έτσι χρειάζεται όλο και περισσότερη ενέργεια για να αυξηθεί και άλλο η ταχύτητά του. Στην πραγματικότητα ένα αντικείμενο δεν θα μπορούσε ποτέ να φτάσει την ταχύτητα του φωτός γιατί μέχρι τότε η μάζα του θα είχε γίνει άπειρη, ενώ θα χρειαζότανε και άπειρο ποσό ενέργειας ... Για το λόγο αυτό όλα τα αντικείμενα είναι περιορισμένα να κινούνται με ταχύτητες μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός. Τα μόνα σώματα που μπορούν να κινούνται με την ταχύτητα  του φωτός είναι σωματίδια όπως τα φωτόνια, που έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας.

 β. Ενιαίος τετραδιάστατος χωροχρόνος

Ο χρόνος δεν είναι εντελώς διαχωρισμένος και ανεξάρτητος από το χώρο (όπως είναι με τη θεωρία του Νεύτωνα), αλλά ενωμένος με αυτόν στο "ΧΩΡΟΧΡΟΝΟ".

Ένα γεγονός είναι κάτι που συμβαίνει σε συγκεκριμένο σημείο στο χώρο και σε συγκεκριμένη στιγμή στο χρόνο. Μπορεί να προσδιοριστεί με 4 αριθμούς (συντεταγμένες) σ' ένα τετραδιάστατο χώρο που ονομάζεται  χωροχρόνος. Ο χωροχρόνος περιγράφεται με τη Γεωμετρία του Riemann.

γ. Διαστολή του χρόνου

Ο χρόνος δεν είναι  απόλυτος. Η θεωρία της σχετικότητας απαλλάσσεται από τον απόλυτο χρόνο. Ο χρόνος που μετρά ένας παρατηρητής σε ηρεμία είναι μεγαλύτερος από εκείνον που μετρά ένας κινούμενος παρατηρητής.

Ο κάθε παρατηρητής έχει το δικό του χρόνο, όπως τον καταγράφει το δικό του ρολόι. Έτσι τα ρολόγια δυο παρατηρητών που κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες "γυρνάνε" με διαφορετικό ρυθμό.

δ. Συστολή του μήκους

 Οι διαστάσεις των κινουμένων σωμάτων αλλάζουν, ακολουθώντας τους μετασχηματισμούς του Lorentz . Τα μήκη που μετρούν δυο παρατηρητές που κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες είναι διαφορετικά. Για τον ταχύτερο παρατηρητή τα μήκη είναι μικρότερα.

ε. Σχετικότητα της ταυτοχρονικότητας

Δύο γεγονότα που φαίνονται να συμβαίνουν ταυτόχρονα σε έναν παρατηρητή Α, δε θα συμβαίνουν ταυτόχρονα για έναν παρατηρητή Β, εάν ο Β κινείται σε σχέση με τον Α.

Για έναν ακίνητο παρατηρητή, ο χρόνος ενός γεγονότος είναι αυτός που καταγράφεται από ένα ακίνητο ρολόι αν αυτό τοποθετηθεί στο σημείο του γεγονότος. Για έναν όμως παρατηρητή που κινείται, η έννοια του "ταυτόχρονου" από απόλυτη γίνεται σχετική.

ζ. Το παράδοξο των διδύμων

"...Ας εξετάσουμε την περίπτωση των δίδυμων αδελφών, που ο ένας πάει να ζήσει στην κορυφή ενός βουνού ενώ ο άλλος μένει στο επίπεδο της θάλασσας. Ο πρώτος αδελφός θα γερνάει γρηγορότερα από τον δεύτερο. Έτσι, αν ξανασυναντηθούν ο ένας θα είναι νεώτερος από τον άλλον. Στην περίπτωση αυτή η διαφορά στις ηλικίες θα είναι πολύ μικρή. Θα ήταν όμως πολύ πιο μεγάλη αν ο ένας δίδυμος πήγαινε ένα μακρινό ταξίδι με ένα διαστημόπλοιο κινούμενο με ταχύτητα λίγο μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός. Στην επιστροφή του θα ήταν πολύ νεώτερος από τον αδελφό του που θα είχε μείνει στη Γη. Αυτό είναι γνωστό ως το παράδοξο των διδύμων. Είναι όμως παράδοξο μόνο αν κάποιος έχει στο μυαλό του την ιδέα του απόλυτου χρόνου. Αλλά στη θεωρία της Σχετικότητας δεν υπάρχει κανένας μοναδικός, απόλυτος χρόνος. Αντίθετα ο καθένας έχει το δικό του προσωπικό μέτρο χρόνου, που εξαρτάται από το που βρίσκεται και πως κινείται..."

 Απόσπασμα από το βιβλίο του Stephen Hawking "Το χρονικό του χρόνου"

Το Νοέμβριο του 1915, ο Einstein παρουσιάζει στην Πρωσική Ακαδημία Επιστημών σε μία σειρά διαλέξεων το νέο, μνημειώδες έργο του "The field equations of gravitation" που περιλαμβάνει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Για να καταλήξει στη νέα θεωρία του χρησιμοποίησε γεωμετρικά στοιχεία από τα μαθηματικά των καμπύλων χώρων  και καμπύλωσε τον επίπεδο χωροχρόνο της ειδικής θεωρίας. Σύμφωνα με την καινούρια θεωρία η μάζα και η ενέργεια παραμορφώνουν το χώρο και το χρόνο. Η γενική θεωρία της σχετικότητας άλλαξε εντελώς τον τρόπο με τον οποίο οι φυσικοί αντιλαμβάνονταν την Βαρύτητα.

Η Βαρύτητα δεν είναι δυνατόν πλέον να αντιμετωπίζεται ως μια δύναμη που περιγράφεται από το Νόμο της Παγκόσμιας Έλξης, αλλά ως ένα δυναμικό φαινόμενο που οφείλεται στην καμπύλωση του Χωροχρόνου που προκαλεί η παρουσία της ύλης. Ο ήλιος δεν συγκρατεί πλέον τους πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος στις τροχιές τους ασκώντας τους ελκτική δύναμη. Οι πλανήτες απλά κινούνται σε έναν χώρο που έχει παραμορφωθεί (καμπυλωθεί) από τη μάζα του ήλιου.

Τα βασικά σημεία της νέας θεωρίας είναι:

Η Βαρύτητα τίθεται κάτω από ένα εξ' ολοκλήρου διαφορετικό πρίσμα θεώρησης.

Το Βαρυτικό Πεδίο ισοδυναμεί με ένα επιταχυνόμενο Σύστημα Αναφοράς.

Η Βαρύτητα επιβραδύνει το Χρόνο.

Η παρουσία ύλης καμπυλώνει το Χωρόχρονο.

Η καμπύλωση του Χωρόχρονου προκαλεί επιτάχυνση.

Ο χώρος και ο χώρος και επηρεάζουν και επηρεάζονται από οτιδήποτε συμβαίνει στο Σύμπαν. Ο χωροχρόνος λέει στην ύλη πως να κινηθεί και η ύλη λέει στον χωροχρόνο πως να καμπυλωθεί.

Τα κινούμενα σώματα μεγάλης μάζας προκαλούν εκπομπή "ρυτιδώσεων" στη καμπυλότητα του χωροχρόνου (βαρυτικά κύματα) που διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός.

Πηγές: 

Parsons Paul "3-λεπτα Αϊνστάιν", 2014, εκδόσεις Κλειδάρυθμος

Stephen Hawking " Το χρονικό του χρόνου", αναθεωρημένη έκδοση 1997, εκδόσεις Κάτοπτρο

el.wikipedia.org › wiki › Σχετικότητα

εικόνες:https://gr.pinterest.com/

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Energia_template.svg

https://pixabay.com/photos/physicist-energy-einstein-genius-4276720/

https://www.wondersofphysics.com/2019/12/einsteins-twin-paradox-explained.html

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spacetime_curvature_-_Cropped.png