Αντώνης Κοτσαμπασέρης
Μπορεί να έχει ο καθένας το δικό του χρόνο;
Ο χρόνος αποτελεί ίσως την πιο φευγαλέα και αφηρημένη έννοια στην ιστορία του ανθρώπινου πολιτισμού, απασχολώντας φιλοσόφους και επιστήμονες εδώ και αιώνες. Η σημασία του, αλλά και η ίδια του η ύπαρξη, έχουν υπάρξει αντικείμενα διαλόγου και έρευνας ήδη από την αρχαιότητα.
Συγκεκριμένα, τον 5ο αιώνα π.Χ. στην αρχαία Αθήνα εμφανίστηκε το πρώτο δείγμα αμφισβήτησης της φυσικής του υπόστασης, γεγονός που άνοιξε το δρόμο σε ένα ολόκληρο φιλοσοφικό ρεύμα που αντιλαμβάνεται το χρόνο ως μία αόριστη ιδέα και έναν τρόπο κατανόησης της ακολουθίας των συμβάντων. Αντιθέτως, η πιο ρεαλιστική οδός προτείνει πως ο χρόνος είναι ένα θεμελιώδες συστατικό του σύμπαντος και έχει απόλυτη ύπαρξη, αποτελώντας μία από τις διαστάσεις του φυσικού κόσμου.
Ώσπου ήρθε η επανάσταση! Ξαφνικά, το 1905, δημοσιεύτηκε, από έναν άγνωστο σχετικά φυσικό, μία εργασία που έφερε τα πάνω-κάτω στον τρόπο που βλέπαμε το χώρο και το χρόνο. Καλά μαντέψατε. Ο Albert Einstein, στην εργασία του με τίτλο “Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων σωμάτων”, παρουσιάζει για πρώτη φορά την ειδική θεωρία της σχετικότητας.
Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας
Μία από τις πιο σημαντικές θεωρίες της σύγχρονης θεωρητικής φυσικής, ανατρέπει πλήρως την απόλυτη ύπαρξη του χρόνου, που πρότεινε ο Isaac Newton, και εισαγάγει μία πιο ευέλικτη και ελευθεριακή αντίληψη. Η νέα αυτή θεωρία μας έδωσε έννοιες, οι οποίες, αν και έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά, στην εποχή τους έμοιαζαν περισσότερο με επιστημονική φαντασία. Διαστολή του χρόνου, συστολή του μήκους, ισοδυναμία της μάζας με την ενέργεια και φυσικά την πιο διάσημη εξίσωση της φυσικής, E = mc2.
Σήμερα θα μας απασχολήσει η έννοιατης διαστολής του χρόνου και η χρήση της ώστε να ταξιδέψουμε στο χρόνο, και, συγκεκριμένα, στο μέλλον. Σύμφωνα με τη μία από τις δύο βασικές αρχές της ειδικής σχετικότητας, η ταχύτητα του φωτός παραμένει πάντοτε σταθερή και αποτελεί την ανώτατη επιτρεπτή ταχύτητα με την οποία μπορεί να κινηθεί η ύλη στο χώρο. Η ταχύτητα αυτή είναι περίπου 300 χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Επιπλέον, όσο πιο κοντά φτάνουμε σε αυτή την ταχύτητα, κάτι πολύ παράξενο συμβαίνει στην φυσική κατάσταση του χρόνου. Όταν η ταχύτητα μας γίνεται συγκρίσιμη με την ταχύτητα του φωτός, ο χρόνος μας αρχίζει να κυλάει πιο αργά!
Ο χρόνος μας; Μπορεί να έχει ο καθένας το δικό του χρόνο; Αυτό ακριβώς! Αυτή ίσως είναι η πιο επαναστατική ανακάλυψη της ειδικής σχετικότητας. Ο χρόνος δεν είναι ένα κοσμικό ρολόι που κυλάει με τον ίδιο ρυθμό για όλους, αλλά ο καθένας μας έχει το δικό του ατομικό ρολόι. Έτσι, λοιπόν, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή την ιδιότητα του χρόνου και να ταξιδέψουμε στο μέλλον!
Διαστολή του χρόνου
Ο καλύτερος τρόπος κατανόησης της διαστολής του χρόνου είναι να εξετάσουμε την εξίσωση που την αντιπροσωπεύει. Ας αρχίσουμε από τα βασικά. Υποθέτουμε πως ταξιδεύουμε με μία ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός σε σχέση με έναν ακίνητο παρατηρητή. Έχουμε την ταχύτητα του φωτός, c, και τη δική μας ταχύτητα, v, σε μία φαινομενικά περίπλοκη σχέση στον παρονομαστή. Επιπλέον, έχουμε το χρόνο μας, t0, και το χρόνο του παρατηρητή, t.
Καθώς η ταχύτητα μας πλησιάζει αυτή του φωτός, ο παρονομαστής έρχεται όλο και πιο κοντά στο μηδέν και το κλάσμα γίνεται όλο και μεγαλύτερο. Άρα όσο πιο γρήγορα ταξιδεύουμε στο χώρο, τόσο πιο αργά ταξιδεύουμε στο χρόνο. Αφού όμως ο ακίνητος παρατηρητής δεν ταξιδεύει στο χώρο, ο χρόνος του κυλάει “κανονικά” και δημιουργείται η εντύπωση πως έχουμε ταξιδέψει στο μέλλον.
Το παράδοξο των διδύμων
Ας πάρουμε σαν παράδειγμα το διάσημο πείραμα σκέψης που πρότεινε ο Einstein. Δύο δίδυμα αδέρφια ζουν και μεγαλώνουν στη Γη. Κάποια στιγμή στη ζωή του ο ένας αποφασίζει να γίνει αστροναύτης και έχει την ευκαιρία να ταξιδέψει σε έναν μακρινό πλανήτη, ενώ ο άλλος επιλέγει να μείνει στη Γη και να γίνει επιστήμονας.Ο αστροναύτης-δίδυμος ετοιμάζεται να φύγει για το ταξίδι του και αποχαιρετά τον αδερφό του.
Μπαίνει σε ένα τεχνολογικά εξελιγμένο διαστημόπλοιο, το οποίο μπορεί να ταξιδέψει στο 99.9% της ταχύτητας του φωτός. Τον περιμένει ένα δύσκολο ταξίδι καθώς ο πλανήτης-προορισμός του είναι περίπου ένα έτος φωτός μακριά. (Το έτος φωτός είναι μονάδα μέτρησης της απόστασης και είναι ίσο με την απόσταση που μπορεί να ταξιδέψει το φως σε ένα χρόνο). Μένει εκεί για ένα χρόνο και κάνει σημαντική έρευνα με σπουδαίες ανακαλύψεις. Έπειτα μπαίνει ξανά στο διαστημόπλοιο του και ξεκινάει το μακρύ ταξίδι της επιστροφής.
Συνολικά το ταξίδι του έχει κρατήσει τρία χρόνια. Ένας χρόνος μέχρι να φτάσει στον πλανήτη, ένας χρόνος η έρευνα του και ένας χρόνος η επιστροφή. Προσγειώνεται τελικά στη Γη και ανυπομονεί να συναντήσει το δίδυμο αδερφό του και να ανταλλάξουν ιστορίες από τα τελευταία τρία χρόνια. Τον περιμένει όμως μία δυσάρεστη έκπληξη. Ενώ έλειπε μόλις τρία χρόνια, για το δίδυμο αδερφό του έχουν περάσει 45!
Απορημένος ρωτάει τον αδερφό του τι συνέβη. Όσο εκείνος έλειπε στο μακρινό του ταξίδι, ο αδερφός του είχε γίνει διάσημος θεωρητικός φυσικός και είχε ανακαλύψει την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Έτσι υπολόγισε το εξής: Όσο ο αστροναύτης ταξίδευε, ο χρόνος των ανθρώπων στη Γη κυλούσε πολύ πιο γρήγορα από το δικό του, λόγω της μεγάλης ταχύτητας του διαστημόπλοιου του. Πόσο πιο γρήγορα; Περίπου 22 φορές πιο γρήγορα! Άρα στα δύο χρόνια που ταξίδευε καθώς πήγαινε και επέστρεφε από τον μακρινό πλανήτη, πέρασαν 44 χρόνια στη Γη, ενώ όσο ήταν στον πλανήτη και έκανε έρευνα, ο χρόνος κυλούσε στον ίδιο (σχετικά) ρυθμό και πέρασε και για τους δύο ένας χρόνος.
Είναι ένα πολύ χρήσιμο παράδειγμα για να κατανοήσουμε πως λειτουργεί η διαστολή του χρόνου. Ουσιαστικά, χρησιμοποιήθηκε σαν πείραμα σκέψης από τον Einstein με σκοπό να εξετάσει το εξής παράδοξο: Καθώς ο αστροναύτης-δίδυμος ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα σε σχέση με τον αδερφό του στη Γη, η ειδική θεωρία της σχετικότητας μας επιτρέπει να πάρουμε ένα παράλληλο σύστημα αναφοράς, στο οποίο ο αστροναύτης-δίδυμος θεωρείται ακίνητος ενώ αδερφός του στη Γη είναι αυτός που κινείται. Σε αυτή την περίπτωση θα έπρεπε να δούμε τον αστροναύτη να δέχεται τις επιπτώσεις του χρόνου και να γυρίζει πίσω στη Γη πιο γερασμένος από τον αδερφό του.
Εδώ βλέπουμε τη δεύτερη βασική αρχή της ειδικής σχετικότητας, η οποία λέει πως οι φυσικοί νόμοι έχουν την ίδια επίδραση σε κάθε αδρανειακό σύστημα αναφοράς. Η απλή λύση σε αυτό το παράδοξο είναι πως η επιτάχυνση του διαστημόπλοιου του αστροναύτη-διδύμου κατά την απογείωση και την προσγείωση παραβιάζει αυτή τη βασική αρχή, καθώς η ταχύτητα του παύει να είναι σταθερή σε σχέση με τον αδερφό του.
Το ταξίδι στο μέλλον παραμένει μία από τις πιο εντυπωσιακές εφαρμογές που ανυπομονούμε να γίνουν πραγματικότητα. Τις επόμενες εβδομάδες θα εξετάσουμε περισσότερες αινιγματικές ιδιότητες του χωροχρόνου, καθώς και το πιο πολύπλοκο ταξίδι στο παρελθόν.
N-Hμαρ
Μπορεί να έχει ο καθένας το δικό του χρόνο;
Ο χρόνος αποτελεί ίσως την πιο φευγαλέα και αφηρημένη έννοια στην ιστορία του ανθρώπινου πολιτισμού, απασχολώντας φιλοσόφους και επιστήμονες εδώ και αιώνες. Η σημασία του, αλλά και η ίδια του η ύπαρξη, έχουν υπάρξει αντικείμενα διαλόγου και έρευνας ήδη από την αρχαιότητα.
Συγκεκριμένα, τον 5ο αιώνα π.Χ. στην αρχαία Αθήνα εμφανίστηκε το πρώτο δείγμα αμφισβήτησης της φυσικής του υπόστασης, γεγονός που άνοιξε το δρόμο σε ένα ολόκληρο φιλοσοφικό ρεύμα που αντιλαμβάνεται το χρόνο ως μία αόριστη ιδέα και έναν τρόπο κατανόησης της ακολουθίας των συμβάντων. Αντιθέτως, η πιο ρεαλιστική οδός προτείνει πως ο χρόνος είναι ένα θεμελιώδες συστατικό του σύμπαντος και έχει απόλυτη ύπαρξη, αποτελώντας μία από τις διαστάσεις του φυσικού κόσμου.
Ώσπου ήρθε η επανάσταση! Ξαφνικά, το 1905, δημοσιεύτηκε, από έναν άγνωστο σχετικά φυσικό, μία εργασία που έφερε τα πάνω-κάτω στον τρόπο που βλέπαμε το χώρο και το χρόνο. Καλά μαντέψατε. Ο Albert Einstein, στην εργασία του με τίτλο “Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων σωμάτων”, παρουσιάζει για πρώτη φορά την ειδική θεωρία της σχετικότητας.
Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας
Μία από τις πιο σημαντικές θεωρίες της σύγχρονης θεωρητικής φυσικής, ανατρέπει πλήρως την απόλυτη ύπαρξη του χρόνου, που πρότεινε ο Isaac Newton, και εισαγάγει μία πιο ευέλικτη και ελευθεριακή αντίληψη. Η νέα αυτή θεωρία μας έδωσε έννοιες, οι οποίες, αν και έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά, στην εποχή τους έμοιαζαν περισσότερο με επιστημονική φαντασία. Διαστολή του χρόνου, συστολή του μήκους, ισοδυναμία της μάζας με την ενέργεια και φυσικά την πιο διάσημη εξίσωση της φυσικής, E = mc2.
Σήμερα θα μας απασχολήσει η έννοιατης διαστολής του χρόνου και η χρήση της ώστε να ταξιδέψουμε στο χρόνο, και, συγκεκριμένα, στο μέλλον. Σύμφωνα με τη μία από τις δύο βασικές αρχές της ειδικής σχετικότητας, η ταχύτητα του φωτός παραμένει πάντοτε σταθερή και αποτελεί την ανώτατη επιτρεπτή ταχύτητα με την οποία μπορεί να κινηθεί η ύλη στο χώρο. Η ταχύτητα αυτή είναι περίπου 300 χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Επιπλέον, όσο πιο κοντά φτάνουμε σε αυτή την ταχύτητα, κάτι πολύ παράξενο συμβαίνει στην φυσική κατάσταση του χρόνου. Όταν η ταχύτητα μας γίνεται συγκρίσιμη με την ταχύτητα του φωτός, ο χρόνος μας αρχίζει να κυλάει πιο αργά!
Ο χρόνος μας; Μπορεί να έχει ο καθένας το δικό του χρόνο; Αυτό ακριβώς! Αυτή ίσως είναι η πιο επαναστατική ανακάλυψη της ειδικής σχετικότητας. Ο χρόνος δεν είναι ένα κοσμικό ρολόι που κυλάει με τον ίδιο ρυθμό για όλους, αλλά ο καθένας μας έχει το δικό του ατομικό ρολόι. Έτσι, λοιπόν, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή την ιδιότητα του χρόνου και να ταξιδέψουμε στο μέλλον!
Διαστολή του χρόνου
Ο καλύτερος τρόπος κατανόησης της διαστολής του χρόνου είναι να εξετάσουμε την εξίσωση που την αντιπροσωπεύει. Ας αρχίσουμε από τα βασικά. Υποθέτουμε πως ταξιδεύουμε με μία ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός σε σχέση με έναν ακίνητο παρατηρητή. Έχουμε την ταχύτητα του φωτός, c, και τη δική μας ταχύτητα, v, σε μία φαινομενικά περίπλοκη σχέση στον παρονομαστή. Επιπλέον, έχουμε το χρόνο μας, t0, και το χρόνο του παρατηρητή, t.
Καθώς η ταχύτητα μας πλησιάζει αυτή του φωτός, ο παρονομαστής έρχεται όλο και πιο κοντά στο μηδέν και το κλάσμα γίνεται όλο και μεγαλύτερο. Άρα όσο πιο γρήγορα ταξιδεύουμε στο χώρο, τόσο πιο αργά ταξιδεύουμε στο χρόνο. Αφού όμως ο ακίνητος παρατηρητής δεν ταξιδεύει στο χώρο, ο χρόνος του κυλάει “κανονικά” και δημιουργείται η εντύπωση πως έχουμε ταξιδέψει στο μέλλον.
Το παράδοξο των διδύμων
Ας πάρουμε σαν παράδειγμα το διάσημο πείραμα σκέψης που πρότεινε ο Einstein. Δύο δίδυμα αδέρφια ζουν και μεγαλώνουν στη Γη. Κάποια στιγμή στη ζωή του ο ένας αποφασίζει να γίνει αστροναύτης και έχει την ευκαιρία να ταξιδέψει σε έναν μακρινό πλανήτη, ενώ ο άλλος επιλέγει να μείνει στη Γη και να γίνει επιστήμονας.Ο αστροναύτης-δίδυμος ετοιμάζεται να φύγει για το ταξίδι του και αποχαιρετά τον αδερφό του.
Μπαίνει σε ένα τεχνολογικά εξελιγμένο διαστημόπλοιο, το οποίο μπορεί να ταξιδέψει στο 99.9% της ταχύτητας του φωτός. Τον περιμένει ένα δύσκολο ταξίδι καθώς ο πλανήτης-προορισμός του είναι περίπου ένα έτος φωτός μακριά. (Το έτος φωτός είναι μονάδα μέτρησης της απόστασης και είναι ίσο με την απόσταση που μπορεί να ταξιδέψει το φως σε ένα χρόνο). Μένει εκεί για ένα χρόνο και κάνει σημαντική έρευνα με σπουδαίες ανακαλύψεις. Έπειτα μπαίνει ξανά στο διαστημόπλοιο του και ξεκινάει το μακρύ ταξίδι της επιστροφής.
Συνολικά το ταξίδι του έχει κρατήσει τρία χρόνια. Ένας χρόνος μέχρι να φτάσει στον πλανήτη, ένας χρόνος η έρευνα του και ένας χρόνος η επιστροφή. Προσγειώνεται τελικά στη Γη και ανυπομονεί να συναντήσει το δίδυμο αδερφό του και να ανταλλάξουν ιστορίες από τα τελευταία τρία χρόνια. Τον περιμένει όμως μία δυσάρεστη έκπληξη. Ενώ έλειπε μόλις τρία χρόνια, για το δίδυμο αδερφό του έχουν περάσει 45!
Απορημένος ρωτάει τον αδερφό του τι συνέβη. Όσο εκείνος έλειπε στο μακρινό του ταξίδι, ο αδερφός του είχε γίνει διάσημος θεωρητικός φυσικός και είχε ανακαλύψει την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Έτσι υπολόγισε το εξής: Όσο ο αστροναύτης ταξίδευε, ο χρόνος των ανθρώπων στη Γη κυλούσε πολύ πιο γρήγορα από το δικό του, λόγω της μεγάλης ταχύτητας του διαστημόπλοιου του. Πόσο πιο γρήγορα; Περίπου 22 φορές πιο γρήγορα! Άρα στα δύο χρόνια που ταξίδευε καθώς πήγαινε και επέστρεφε από τον μακρινό πλανήτη, πέρασαν 44 χρόνια στη Γη, ενώ όσο ήταν στον πλανήτη και έκανε έρευνα, ο χρόνος κυλούσε στον ίδιο (σχετικά) ρυθμό και πέρασε και για τους δύο ένας χρόνος.
Είναι ένα πολύ χρήσιμο παράδειγμα για να κατανοήσουμε πως λειτουργεί η διαστολή του χρόνου. Ουσιαστικά, χρησιμοποιήθηκε σαν πείραμα σκέψης από τον Einstein με σκοπό να εξετάσει το εξής παράδοξο: Καθώς ο αστροναύτης-δίδυμος ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα σε σχέση με τον αδερφό του στη Γη, η ειδική θεωρία της σχετικότητας μας επιτρέπει να πάρουμε ένα παράλληλο σύστημα αναφοράς, στο οποίο ο αστροναύτης-δίδυμος θεωρείται ακίνητος ενώ αδερφός του στη Γη είναι αυτός που κινείται. Σε αυτή την περίπτωση θα έπρεπε να δούμε τον αστροναύτη να δέχεται τις επιπτώσεις του χρόνου και να γυρίζει πίσω στη Γη πιο γερασμένος από τον αδερφό του.
Εδώ βλέπουμε τη δεύτερη βασική αρχή της ειδικής σχετικότητας, η οποία λέει πως οι φυσικοί νόμοι έχουν την ίδια επίδραση σε κάθε αδρανειακό σύστημα αναφοράς. Η απλή λύση σε αυτό το παράδοξο είναι πως η επιτάχυνση του διαστημόπλοιου του αστροναύτη-διδύμου κατά την απογείωση και την προσγείωση παραβιάζει αυτή τη βασική αρχή, καθώς η ταχύτητα του παύει να είναι σταθερή σε σχέση με τον αδερφό του.
Το ταξίδι στο μέλλον παραμένει μία από τις πιο εντυπωσιακές εφαρμογές που ανυπομονούμε να γίνουν πραγματικότητα. Τις επόμενες εβδομάδες θα εξετάσουμε περισσότερες αινιγματικές ιδιότητες του χωροχρόνου, καθώς και το πιο πολύπλοκο ταξίδι στο παρελθόν.
N-Hμαρ
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου