Άλμπερτ Αϊνστάιν: Τι είναι η ειδική θεωρία της σχετικότητας με απλά λόγια

Σαν σήμερα, στις 27 Σεπτεμβρίου του 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν διατυπώνει, σε μόλις ηλικία 26 ετών, την ειδική θεωρία της σχετικότητας και την περίφημη εξίσωσή του Ε=mc2, σε άρθρο του στο γερμανικό περιοδικό “Χρονικά της Φυσικής”.

Η ειδική σχετικότητα ή ειδική θεωρία της σχετικότητας είναι η θεωρία που διατυπώθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και η οποία συμπληρώνει τους νόμους κίνησης του Νεύτωνα, ώστε να ισχύουν και σε ταχύτητες συγκρίσιμες με την ταχύτητα του φωτός. Η ειδική θεωρία της σχετικότητας προκύπτει από την ικανοποίηση της γενικευμένης αρχής της σχετικότητας και της αρχής του Αϊνστάιν.

Τι είναι η ειδική θεωρία της σχετικότητας με απλά λόγια

Η kathimerinifysiki.gr εξηγεί με απλά λόγια και με καθημερινά παραδείγματα την ειδική θεωρία της σχετικότητας:

Είναι ο καφές που κρατάω στα αριστερά σου ή στα δεξιά μου; Ένα αυτοκίνητο είναι αργό ή γρήγορο; Μεγάλο ή μικρό; Κάποια πράγματα είναι σχετικά κάποια άλλα είναι απόλυτα. Μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα πιστεύαμε πως το μήκος και ο χρόνος ήταν μεγέθη απόλυτα. Η αντίληψη αυτή άλλαξε με την ανάπτυξη της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας από τον Αϊνστάιν το 1905.

Η ειδική σχετικότητα στηρίζεται σε δύο αξιώματα:

1) Οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι για όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.

2) Η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή και ίδια σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.

Σχετική κίνηση

Για να περιγράψουμε την κίνηση ενός σώματος χρησιμοποιούμε κάποιο σύστημα αναφοράς. Λέμε πως ένα αυτοκίνητο κινείται με 50 km/h. Η ταχύτητα όμως, ως σχετικό μέγεθος, μετριέται σε σχέση με κάποιο άλλο. Παραλείπουμε συνήθως να πούμε πως το αυτοκίνητο κινείται σε σχέση με τη Γη. Ο οδηγός του αυτοκινήτου κινείται και αυτός με 50 km/h ως προς τη Γη αλλά είναι ακίνητος σε σχέση με το αυτοκίνητο. H Γη και το αυτοκίνητο είναι δύο διαφορετικά συστήματα αναφοράς.

Γενικά στο σύμπαν δεν υπάρχει κάποιο απόλυτο σύστημα αναφοράς σε σχέση με το οποίο όλα τα υπόλοιπα κινούνται. Το αυτοκίνητο μπορεί να κινείται με 50 km/h ως προς τη Γη, η Γη όμως κινείται με 107.000 km/h ως προς τον Ήλιο, ο Ήλιος κινείται με 792.000 km/h ως προς το κέντρο του Γαλαξία και ο Γαλαξίας ταξιδεύει στο διάστημα με ταχύτητα 2,1 εκατομμύρια km/h. 1

Έστω πως βρίσκεσαι σε ένα τρένο που ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα 50 km/h και το οποίο περνάει έξω απ’ το σπίτι σου. Ως προς το τρένο είσαι ακίνητος, ως προς το σπίτι σου όμως κινείσαι με την ταχύτητα του τρένου. Και τα δύο αυτά συστήματα αναφοράς είναι αδρανειακά γιατί δεν επιταχύνουν. Αυτό που λέει ουσιαστικά το 1ο αξίωμα είναι ότι ένα πείραμα που θα κάνεις πάνω στο τρένο θα έχει ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα με το αν θα το έκανες στο σπίτι σου. Για παράδειγμα αν πετάξεις ένα μπαλάκι προς τα πάνω και στις δύο περιπτώσεις το μπαλάκι θα φτάσει σε κάποιο συγκεκριμένο ύψος, θα σταματήσει στιγμιαία και θα ξαναπέσει στο χέρι σου.

Ας δούμε ένα άλλο παράδειγμα. Έστω πως βρίσκεσαι πάνω σε μια μηχανή που κινείται με 50 km/h και ρίχνεις με ένα όπλο προς τη γενική κατεύθυνση του φίλου σου του Γρηγόρη – για χάρη βέβαια της επιστήμης. Η σφαίρα θα απομακρύνεται από το όπλο και από εσένα με ταχύτητα 3600 km/h αλλά από την άποψη του Γρηγόρη η σφαίρα θα έρχεται κατά πάνω του με ταχύτητα 3650 km/h.

Έστω τώρα πως είναι βράδυ και ανάβεις το φως της μηχανής. Το φως ταξιδεύει ως προς εσένα με ταχύτητα περίπου 1 δισεκατομμύριο km/h. Μπορεί τώρα να σκέφτεσαι πως το φως θα κινείται προς τον Γρηγόρη με ταχύτητα 1 δισεκατομμύριο + 50 km/h. Σύμφωνα με το 2ο αξίωμα όμως η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή και ίδια για όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.

Αν η μηχανή σου με κάποιο τρόπο ταξίδευε με τη μισή ταχύτητα του φωτός, δηλαδή 500 εκατομμύρια km/h, η ταχύτητα του φωτός για όλα τα συστήματα θα ήταν και πάλι η ίδια, 1 δισεκατομμύριο και όχι 1,5 δισεκατομμύριο km/h.

Διαστολή του χρόνου

Επειδή η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή, την εκμεταλλευόμαστε για να εκφράσουμε αποστάσεις. Λέμε πως ο τάδε αστέρας απέχει 10 έτη φωτός από τη Γη, δηλαδή αν ταξίδευες με την ταχύτητα του φωτός θα έκανες 10 χρόνια για να τον φτάσεις. Ο Ήλιος απέχει περίπου 8 λεπτά φωτός από τη Γη και η Σελήνη περίπου 1,3 δευτερόλεπτα.

Ας επιστρέψουμε στο παράδειγμα του τρένου και ας κάνουμε τα πράγματα λίγο πιο αλλόκοτα. Έστω πως βρίσκεσαι μέσα σε ένα βαγόνι που έχει μήκος 1 δευτερόλεπτο φωτός, δηλαδή περίπου 300.000 χιλιόμετρα. Στέκεσαι στη μία άκρη του βαγονιού και στέλνεις ένα παλμό λέιζερ στην άλλη άκρη. Σύμφωνα με τις μετρήσεις σου το φως κάνει 1 δευτερόλεπτο για να διασχίσει το βαγόνι. Λογικό, αφού το φως ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός!

Ο Γρηγόρης όμως που βρίσκεται εκτός του τρένου έχει διαφορετική γνώμη. Σύμφωνα με αυτόν, την ώρα που ταξίδευε η ακτίνα το εμπρός μέρος του τρένου προχώρησε κι άλλο, έτσι το φως χρειάστηκε περισσότερο χρόνο για να φτάσει στην άκρη. Για την ακρίβεια υποστηρίζει πως η ακτίνα χρειάστηκε 1,5 δευτερόλεπτο για να διανύσει το βαγόνι.

Ας το πούμε καθαρά. Εσύ υποστηρίζεις πως μια συγκεκριμένη ακολουθία γεγονότων (ο παλμός ταξιδεύει από τη μία άκρη του βαγονιού στην άλλη) διήρκεσε 1 δευτερόλεπτο. Ο Γρηγόρης λέει πως διήρκεσε 1,5 δευτερόλεπτο. Η ταχύτητα του φωτός είναι ακριβώς η ίδια και για τους δύο σας. Ποιος έχει δίκιο;

Και οι δύο.

Η ταχύτητα ισούται με την απόσταση διά τον χρόνο, γι’ αυτό και τη μετράμε σε km/h. Εφόσον η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή τότε ή ο χρόνος ή η απόσταση πρέπει να μεταβάλλονται κατά τρόπο τέτοιο ώστε να είναι αυτό δυνατό. Στην πραγματικότητα, συμβαίνουν και τα δύο!

Αν ο Γρηγόρης μπορούσε να δει το ρολόι σου θα έβλεπε πως πηγαίνει πιο αργά από το δικό του. Όταν έχει περάσει 1,5 δευτερόλεπτο γι’ αυτόν για ‘σένα έχει περάσει 1 δευτερόλεπτο. Όταν έχουν περάσει 3 δευτερόλεπτα γι’ αυτόν για ‘σένα έχουν περάσει 2! Για οτιδήποτε βρίσκεται μέσα στο τρένο, ο χρόνος κυλάει πιο αργά. Το ρολόι σου, η καρδιά σου, οι σκέψεις σου, όλα πηγαίνουν πιο αργά.

Αυτό ονομάζεται διαστολή του χρόνου και είναι κάτι που ισχύει κατά κανόνα. Το ρολόι του οδηγού ενός αμαξιού που ταξιδεύει με 80 km/s λειτουργεί πιο αργά από κάποιο που είναι ακίνητο. Αν το ταξίδι διαρκούσε ένα χρόνο στο τέλος του ο οδηγός θα είχε γεράσει λιγότερο κατά ένα ολόκληρο δευτερόλεπτο! Επομένως παρ’ όλο που αυτό το φαινόμενο ισχύει πάντα η αλήθεια είναι ότι δεν πρόκειται ποτέ να το παρατηρήσεις στην καθημερινότητά σου.

Συστολή του μήκους

Αλλά δεν είναι μόνο ο χρόνος. Ο χώρος συμπεριφέρεται και αυτός με παρόμοιο τρόπο. Από τη σκοπιά του Γρηγόρη το τρένο φαίνεται να συμπιέζεται κατά την κατεύθυνση της κίνησης. Δηλαδή βλέπει το τρένο να έχει μικρότερο μήκος απ’ ότι θα το έβλεπε αν ήταν ακίνητο! Αυτό το ονομάζουμε συστολή του μήκους.

Για να το ξεκαθαρίσουμε, δεν συστέλλεται το ίδιο το τρένο, αλλά η μέτρησή του από ένα άλλο σύστημα αναφοράς. Είναι ο χώρος που παραμορφώνεται και όχι το τρένο, όπως επίσης είναι ο χρόνος που παραμορφώνεται και όχι τα ρολόγια.

Ταυτοχρονισμός

Ας κάνουμε ένα τελευταίο νοητικό πείραμα. Έστω πως βρίσκεσαι στο κέντρο του βαγονιού και στέλνεις από έναν παλμό λέιζερ σε κάθε άκρη του. Σύμφωνα με τις μετρήσεις σου, οι παλμοί φτάνουν ταυτόχρονα στις άκρες του βαγονιού μετά από μισό δευτερόλεπτο.

Τι έχει να πει ο Γρηγόρης γι’ αυτό; Καθώς βλέπει το βαγόνι να κινείται προς τα δεξιά το αριστερό του άκρο πλησιάζει την αριστερή δέσμη λέιζερ. Άρα γι’ αυτόν η αριστερή δέσμη φτάνει στο ένα άκρο του τρένου νωρίτερα από τη δεξιά. Δύο γεγονότα που για ‘σένα είναι ταυτόχρονα για τον Γρηγόρη δεν είναι.

Αν το πάμε ένα βήμα παραπέρα, κάποιος που ταξιδεύει στην ίδια κατεύθυνση με το τρένο, αλλά με μεγαλύτερη ταχύτητα, θα βλέπει το τρένο να απομακρύνεται προς τα αριστερά και τη δεξιά δέσμη λέιζερ να βρίσκει το δεξί άκρο του βαγονιού πριν από την αριστερή.

Τρεις διαφορετικοί παρατηρητές, τρεις διαφορετικές πραγματικότητες. Και όλες είναι εξίσου σωστές. Ο χρόνος και ο χώρος είναι σχετικοί με την κινητική σου κατάσταση. Δεν πρόκειται για οφθαλμαπάτη, ούτε για επιστημονική φαντασία. Έτσι λειτουργεί το σύμπαν!

Όλα αυτά ακούγονται τρελά γιατί η ζωή τριγύρω κυλάει πολύ, πολύ πιο αργά από το φως. Ακόμη και το πιο γρήγορο όχημα που μπορείς να φανταστείς, δεν κινείται παρά μόνο με ένα μικροσκοπικό κλάσμα της ταχύτητας του φωτός. Η διαστολή του χρόνου και η συστολή του μήκους γίνονται εμφανείς μόνο σε πολύ μεγάλες ταχύτητες, επιτρέποντας μας να ζούμε την καθημερινότητα στην παρήγορη αγκαλιά της κλασικής φυσικής.