Γράφει ο Νίκος Σεκεριάδης
Μηχανολόγος Μηχανικός – ΕκπαιδευτικόςΗ Θεωρία της Σχετικότητας είναι μια από τις πιο σημαντικές και ανατρεπτικές θεωρίες στη φυσική, και αναπτύχθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στις αρχές του 20ού αιώνα. Υπάρχουν δύο βασικές εκδοχές της: η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (1905) και η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (1915). Και οι δύο αυτές θεωρίες άλλαξαν τον τρόπο που κατανοούμε τον χρόνο, τον χώρο και τη βαρύτητα.
Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας αφορά κυρίως το πώς λειτουργούν ο χρόνος και ο χώρος όταν τα αντικείμενα κινούνται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Είναι μια θεωρία της δομής του χωροχρόνου, την οποία εισήγαγε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905, δημιουργώντας έναν θεμελιώδη σύνδεσμο μεταξύ χώρου και χρόνου. Το σύμπαν μπορεί να θεωρηθεί ότι έχει τρεις διαστάσεις του χώρου –πάνω/κάτω, αριστερά/δεξιά, εμπρός/πίσω– καθώς και μία χρονική διάσταση. Οι τέσσερις διαστάσεις μαζί δημιουργούν τον χωροχρόνο.Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας ανέτρεψε την παγιωμένη Νευτώνεια θεώρηση του απόλυτου χώρου και του απόλυτου χρόνου, εισάγοντας παράλληλα την ισοδυναμία μεταξύ της (αδρανειακής) μάζας ενός σώματος και της ενέργειάς του, μέσα από την διασημότερη ίσως εξίσωση όλων των εποχών: Ε = mc2.
Η εξίσωση του Αϊνστάιν είναι ο μαθηματικός τύπος υπολογισμού τού πόση ενέργεια είναι ισοδύναμη με πόση μάζα, και αντίστροφα.Αν m είναι μια ποσότητα μάζας και Ε είναι η ισότιμη ποσότητα ενέργειας, η εξίσωση λέει ότι μπορείς να υπολογίσεις αυτή την ποσότητα ενέργειας πολλαπλασιάζοντας απλώς τη μάζα επί έναν αριθμό που συμβολίζεται ως c. Ο αριθμός c είναι αδιανόητα μεγάλος — αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του φωτός στο τετράγωνο — άρα μπορείς να πάρεις μια τεράστια ποσότητα ενέργειας από μια μικροσκοπική ποσότητα μάζας.
Στην ουσία, η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας πετυχαίνει το «πάντρεμα» δυο εννοιών, που φαινομενικά δεν έχουν σχέση μεταξύ τους: της ενέργειας και της μάζας. Αυτή η επαναστατική εξίσωση άλλαξε άρδην την αντίληψη της σύγχρονης φυσικής.
Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι δύο ξεχωριστά στοιχεία, αλλά αποτελούν μια ενιαία δομή που ονομάζεται «χωροχρόνος». Αυτός ο χωροχρόνος μπορεί να καμπυλώνεται ή να «στριφογυρίζει» από τη μάζα και την ενέργεια. Για παράδειγμα, η Γη προκαλεί μια καμπυλότητα στον χωροχρόνογύρω της, και αυτή η καμπυλότητα είναι η αιτία για την κίνηση των δορυφόρων γύρω από τη Γη και για την πτώση των αντικειμένων προς το έδαφος.
Καμπύλωση του χωροχρόνου από πλανήτες διαφορετική ςμάζας.
Ο Αϊνστάιν έθεσε δύο βασικές αρχές:
Η πρώτη αρχή λέει ότι οι φυσικοί νόμοι είναι οι ίδιοι για όλους τους παρατηρητές, ανεξάρτητα από το αν αυτοί κινούνται ή όχι.
Η δεύτερη αρχή λέει ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πάντα η ίδια για όλους τους παρατηρητές, ανεξάρτητα από την ταχύτητα με την οποία κινείται ο παρατηρητής. Δηλαδή, ακόμα κι αν εσύ κινείσαι πολύ γρήγορα προς την κατεύθυνση του φωτός, το φως θα ταξιδεύει πάντα με την ίδια ταχύτητα, 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, για όλους τους παρατηρητές.
Αυτό έχει εντυπωσιακές συνέπειες. Για παράδειγμα, όταν ένα αντικείμενο πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός, ο χρόνος για αυτό το αντικείμενο φαίνεται να επιβραδύνεται σε σχέση με έναν παρατηρητή που είναι ακίνητος. Αυτό ονομάζεται «χρονική επιβράδυνση». Επίσης, οι διαστάσεις του αντικειμένου φαίνονται να μειώνονται στην κατεύθυνση της κίνησης, ένα φαινόμενο που ονομάζεται «συστολή μήκους».
Αυτά τα αποτελέσματα μπορεί να φαίνονται παράξενα, αλλά είναι πραγματικά και έχουν αποδειχθεί με πειράματα. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι οι δορυφόροι που κινούνται γύρω από τη Γη και έχουν χρονικές επιβραδύνσεις σε σχέση με τα ρολόγια στη Γη, λόγω της ταχύτητας τους.
Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας είναι μια επέκταση της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας, που εξετάζει τη βαρύτητα και την επίδρασή της στον χρόνο και το χώρο. Η βασική ιδέα είναι ότι η βαρύτητα δεν είναι μια «δύναμη» που ασκείται από αντικείμενα, όπως πίστευαν οι φυσικοί την εποχή του Νεύτωνα. Αντίθετα, η βαρύτητα προκαλείται από την «καμπυλότητα» του χώρου και του χρόνου γύρω από ένα αντικείμενο.
Ο χωροχρόνος είναι σαν μια τεράστια τεντωμένη μεμβράνη. Αν τοποθετήσουμε μία μπάλα πάνω της, αυτή θα προκαλέσει μια καμπυλότητα γύρω της, σαν να βυθίζεται η επιφάνεια της μεμβράνης. Αν βάλουμε μια μικρότερη μπάλα κοντά στην πρώτη, αυτή θα κυλήσει προς τη μεγαλύτερη μπάλα, επειδή η μεμβράνη έχει «καμπυλωθεί» από την πρώτη μπάλα.
Ένα άλλο σημαντικό αποτέλεσμα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας είναι ότι η βαρύτητα επηρεάζει τον χρόνο. Όσο πιο ισχυρή είναι η βαρύτητα, τόσο πιο αργά περνά ο χρόνος. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται «βαρυτική χρονική καθυστέρηση». Για παράδειγμα, τα ρολόγια που βρίσκονται κοντά σε έναν βαρυτικό πεδίο (όπως κοντά στη Γη ή σε ένα αστέρι) κινούνται πιο αργά σε σχέση με τα ρολόγια που βρίσκονται μακριά από τέτοιες βαρυτικές επιδράσεις.
Η βαρύτητα δεν είναι μια δύναμη που ασκείται από τα αντικείμενα (όπως πίστευε ο Νεύτων), αλλά μια καμπυλότητα του χωροχρόνου γύρω από κάθε μάζα. Η μάζα ενός αντικειμένου προκαλεί αυτή την καμπυλότητα και επηρεάζει τα άλλα αντικείμενα γύρω του.
Αυτή η ιδέα εξηγεί την κίνηση των πλανητών γύρω από τον Ήλιο και τον λόγο για τον οποίο τα αντικείμενα πέφτουν προς το έδαφος. Στην πραγματικότητα, ο χρόνος και ο χώρος γύρω από τη Γη είναι πιο «στριμωγμένοι» λόγω της μάζας της, και αυτό είναι που προκαλεί τη «βαρύτητα».
Αυτό το φαινόμενο έχει αποδειχθεί σε πειράματα, όπως οι δορυφόροι GPS(Παγκόσμιο Σύστημα Θέσης), οι οποίοι πρέπει να λαμβάνουν υπόψη αυτή τη διαφορά χρόνου για να είναι ακριβείς.
Οι δορυφόροι GPS που χρησιμοποιούνται για τη ναυσιπλοΐα και τη γεωγραφική τοποθέτηση βασίζονται στην εφαρμογή των θεωριών της σχετικότητας. Οι δορυφόροι που χρησιμοποιούμε για την πλοήγηση κινούνται πολύ γρήγορα και βρίσκονται σε υψηλά υψόμετρα.Χρησιμοποιώντας δορυφόρους που περιστρέφονται γύρω από τη Γη, το GPS μας παρέχει τη δυνατότητα να γνωρίζουμε ακριβώς τη θέση μας.Όμως, αυτή η διαδικασία βασίζεται σε μια ακριβή και συγχρονισμένη μέτρηση του χρόνου.Λόγω της ταχύτητας με την οποία κινούνται οι δορυφόροι και της διαφορετικής βαρυτικής έντασης που επικρατεί στο διάστημα σε σχέση με τη Γη, τα ρολόγια στους δορυφόρους δεν τρέχουν με τον ίδιο ρυθμό όπως τα ρολόγια στη Γη. Για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια των μετρήσεων, πρέπει να γίνονται διορθώσεις που λαμβάνουν υπόψη την Ειδική και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.Χωρίς αυτές τις διορθώσεις, το GPS θα ήταν ανακριβές και η πλοήγηση θα ήταν αδύνατη.
Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας επιβάλλει μία μικρή χρονική καθυστέρηση στα ρολόγια, λόγω της ταχύτητας τους. Από την άλλη, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας προβλέπει ότι τα ρολόγια τους θα «τρέχουν» πιο γρήγορα λόγω του μικρότερου βαρυτικού πεδίου τους στο διάστημα σε σχέση με τη Γη.Αυτές οι διαφορές λαμβάνονται υπόψη έτσι ώστε να εξασφαλίσουν ακριβείς μετρήσεις από το GPS.
Η Θεωρία της Σχετικότητας με τις δύο εκδοχές της, την Ειδική και τη Γενική, ανατρέπουν πολλές από τις παραδοχές που είχαμε για τον κόσμο γύρω μας. Άλλαξαν εντελώς τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τον χρόνο και τον χώρο. Ο χρόνος και ο χώρος δεν είναι σταθερά και η βαρύτητα δεν είναι μια δύναμη που μεταφέρεται μέσω του χώρου, αλλά μια καμπυλότητα του ίδιου του χωροχρόνου. Όταν λέμε ότι το σύμπαν είναι καμπυλωμένο ή ότι ο χρόνος μπορεί να επιβραδυνθεί, αναφερόμαστε σε θεμελιώδεις έννοιες που συνδέονται με τις βαθύτερες αλληλεπιδράσεις της βαρύτητας και της ύλης.
Η θεμελιώδης έννοια του Αϊνστάιν — ότι ο χρόνος και ο χώρος δεν είναι απόλυταμεγέθη αλλά εξαρτώνται από την ταχύτητα και τη μάζα — αποτελεί τη βάση της σύγχρονης φυσικής.
Η Θεωρία της Σχετικότητας, παρόλο που αναπτύχθηκε για να εξηγήσει φαινόμενα που παρατηρούνται στο σύμπαν, έχει βρει σημαντικές εφαρμογές σε τεχνολογίες που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Αν και μπορεί να φαίνεται μακρινή και πολύπλοκη, η πραγματική αξία της είναι εμφανής σε πολλές σύγχρονες καινοτομίες.
Όπως προαναφέρθηκε, το σύστημα GPS (Παγκόσμιο Σύστημα Θέσης) αποτελεί μια από τις πιο εμφανείς εφαρμογές της Σχετικότητας στην καθημερινή ζωή.
Η θεωρία της Σχετικότητας επηρεάζει και τις τηλεπικοινωνίες, καθώς η κίνηση των δορυφόρων και οι διαφορές στον χρόνο λόγω της βαρύτητας επηρεάζουν τις επικοινωνίες μέσω δορυφόρων. Η ακριβής συγχρονισμένη ροή δεδομένων είναι κρίσιμη για την ομαλή λειτουργία των τηλεπικοινωνιακών δικτύων, και για αυτό οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τις θεωρίες του Αϊνστάιν για να εξασφαλίσουν τη σωστή μετάδοση των σημάτων.
Μια άλλη εφαρμογή που προκύπτει από τις αρχές της Σχετικότητας είναι η τεχνολογία των μηχανών ακτίνων Χ, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική για την απεικόνιση εσωτερικών οργάνων και ιστών. Οι ακτίνες Χ βασίζονται στην εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υψηλής ενέργειας, και η κατανόηση των αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων στις υψηλές ταχύτητες και την ενέργεια συνδέεται άμεσα με τη Θεωρία της Σχετικότητας.
Με την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών και τη βελτίωση των υπολογιστικών μηχανών, η Σχετικότητα έχει αποδειχθεί χρήσιμη ακόμα και για την κατανόηση νέων τεχνολογιών που βασίζονται στην υπολογιστική δύναμη. Παρόλο που οι σύγχρονοι υπολογιστές δεν βασίζονται άμεσα στις αρχές της Σχετικότητας, το πεδίο της κβαντικής πληροφορικής και οι προσπάθειες για την ανάπτυξη πιο ισχυρών υπολογιστών περιλαμβάνουν τις θεωρίες του Αϊνστάιν, καθώς η αλληλεπίδραση του χώρου και του χρόνου σε μικροσωματιδιακές κλίμακες μπορεί να οδηγήσει σε νέες προσεγγίσεις στη σχεδίαση υπολογιστικών συστημάτων.
Η Θεωρία της Σχετικότητας έχει εμπνεύσει και έχει επηρεάσει όχι μόνο την επιστήμη, αλλά και τη παγκόσμια κουλτούρα, συμπεριλαμβανομένων της λογοτεχνίας, του κινηματογράφου και της τηλεόρασης. Ο τρόπος που η Θεωρία της Σχετικότητας έχει αποτυπωθεί σε έργα επιστημονικής φαντασίας είναι εντυπωσιακός και επηρεάζει την αντίληψη του κοινού για το σύμπαν, την τεχνολογία και τον χρόνο.
Ένα από τα πιο διάσημα θέματα της επιστημονικής φαντασίας είναι το «ταξίδι στο χρόνο». Οι ιστορίες με χρονοταξιδιώτες και τις αλλαγές του παρελθόντος και του μέλλοντος αντλούν έμπνευση από την έννοια του χρόνου που απορρέει από τη Θεωρία της Σχετικότητας. Στη θεωρία του Αϊνστάιν, ο χρόνος δεν είναι σταθερός και απόλυτος, αλλά μπορεί να επιβραδυνθεί ή να επιταχυνθεί με βάση την ταχύτητα και τη βαρυτική ένταση. Αυτό έχει οδηγήσει σε πολλές φανταστικές απεικονίσεις του «ταξιδιού στο χρόνο» και των επιπτώσεών του στην ιστορία, όπως στις ταινίες «Back to the Future» ή «Doctor Who».
Ένα άλλο δημοφιλές θέμα που συνδέεται με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας είναι οι μαύρες τρύπες. Οι μαύρες τρύπες είναι περιοχές του σύμπαντος όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει από αυτές, ούτε το φως. Η ιδέα ότι το σύμπαν μπορεί να κρύβει «παράξενα» και «παραμορφωμένα» μέρη είναι συχνά θέμα σε ταινίες και βιβλία επιστημονικής φαντασίας, όπως η ταινία «Interstellar», όπου οι πρωταγωνιστές ταξιδεύουν γύρω από μια μαύρη τρύπα.
Η Θεωρία της Σχετικότητας δεν είναι απλώς μία θεωρητική κατασκευή για να εξηγήσει πώς λειτουργεί το σύμπαν. Είναι μια επιστημονική επανάσταση που συνεχίζει να μας προσφέρει βαθιά κατανόηση του κόσμου γύρω μας και των θεμελιωδών νόμων του σύμπαντος. Από την κατανόηση της βαρύτητας έως τη φύση του χρόνου και της ύλης, οι θεωρίες του Αϊνστάιν έχουν αποκαλύψει απρόσμενα και εκπληκτικά φαινόμενα, που φαίνονται να ακροβατούν στα όρια της φαντασίας, αλλά είναι απολύτως αληθινά.
Η κληρονομιά του Αϊνστάιν παραμένει αξεπέραστη. Η θεωρία του είναι θεμελιώδης για την σύγχρονη φυσική, και αποτελεί τη βάση για μια σειρά επιστημονικών και τεχνολογικών προόδων που συνεχίζουν να επηρεάζουν τις ζωές μας.
Η αλήθεια της σχετικότητας μας υπενθυμίζει ότι η επιστήμη δεν είναι μια στατική διαδικασία. Είναι ένα συνεχές ταξίδι ανακάλυψης και εξερεύνησης, όπου κάθε νέο βήμα μας φέρνει πιο κοντά στην κατανόηση του τρόπου που λειτουργεί το σύμπαν σε επίπεδο που οι προηγούμενες γενιές θεωρούσαν αδιανόητο.
Πηγή: https://www.esa.int
