Beth yw Perthnasedd Amser
Yn aml, rydym yn meddwl am amser fel amser absoliwt: mae un eiliad yn Jakarta yr un fath ag un eiliad yn Llundain, a bydd unrhyw gloc yn "rhedeg" yr un ffordd ym mhobman. Fodd bynnag, mae ffiseg fodern yn dangos nad yw'r dybiaeth hon yn hollol wir. O dan rai amodau, gall amser "redeg" yn arafach neu'n gyflymach yn dibynnu ar gyflymder a disgyrchiant. Gelwir y syniad hwn yn berthnasedd amser—cysyniad allweddol yn theori perthnasedd Albert Einstein a newidiodd y ffordd y mae bodau dynol yn deall y bydysawd.
Amser: Absoliwt neu Gymharol?
Cyn Einstein, y farn ddominyddol mewn ffiseg (yn enwedig ffiseg Newton) oedd bod amser yn gyffredinol ac yr un fath i bob arsylwr. Roedd hyn yn golygu, pe bai dau berson yn arsylwi'r un digwyddiad, y byddent yn cytuno ar ba mor hir y byddai'n ei gymryd.
Gwrthdroodd Einstein y dybiaeth hon. Dangosodd fod mesur amser yn dibynnu ar amgylchiadau'r arsylwr—yn benodol, cyflymder cymharol yr arsylwr a'r maes disgyrchiant y mae'r arsylwr wedi'i leoli ynddo. Mewn geiriau eraill, nid oes "cloc cosmig" sy'n berthnasol yn unffurf i'r bydysawd cyfan. Yr hyn sy'n bodoli yw amser fel y'i mesurir gan gloc pob arsylwr, a elwir yn aml yn amser priodol.
Perthnasedd Arbennig: Mae Amser yn Arafu Oherwydd Cyflymder
Esboniwyd perthnasedd amser yn systematig gyntaf yn y Ddamcaniaeth Arbennig Perthnasedd (1905). Mae'r ddamcaniaeth hon yn berthnasol pan ystyriwn arsylwyr yn symud ar gyflymder cyson (heb gyflymu) ac nid yw'n cynnwys disgyrchiant yn uniongyrchol.
Dechreuodd Einstein gyda dau dybiaeth bwysig:
1. Mae deddfau ffiseg yr un fath i bob arsylwr sy'n symud mewn llinell syth ar gyflymder cyson.
2. Mae cyflymder golau mewn gwactod bob amser yn gyson (tua 299.792.458 m/s) i bob arsylwr, ni waeth pa mor gyflym y mae'r ffynhonnell golau neu'r arsylwr yn symud.
Mae'r ddau dybiaeth hyn yn arwain at ganlyniad annisgwyl: os oes rhaid i gyflymder golau aros yr un fath i bawb, yna mae'n rhaid i ddimensiynau gofod ac amser "addasu." Un o'r effeithiau mwyaf adnabyddus yw ymlediad amser, lle mae amser fel y'i mesurir gan arsylwr symudol yn ymddangos yn mynd heibio'n arafach nag amser fel y'i mesurir gan arsylwr llonydd.
Yn syml, os yw person yn symud yn gyflym iawn, gan agosáu at gyflymder golau, bydd ei oriawr yn tician yn arafach nag oriawr gan berson llonydd. Mae'r effaith hon yn fach iawn ym mywyd bob dydd oherwydd bod ein cyflymder ymhell o gyflymder golau, ond mae'n dod yn arwyddocaol ar gyflymderau uchel iawn.
Enghraifft Greddfol: Y Paradocs Gefell
Un ffordd boblogaidd o ddeall perthnasedd amser yw paradocs yr efeilliaid. Dychmygwch ddau efeilliaid. Mae un yn aros ar y Ddaear, tra bod y llall yn mynd ar long ofod sy'n teithio ger cyflymder golau ac yn dychwelyd i'r Ddaear. Yn ôl perthnasedd arbennig, byddai'r efeilliaid a deithiodd yn profi llai o amser—sy'n golygu, ar ôl dychwelyd, y byddai ef neu hi'n iau na'r un a arhosodd ar y Ddaear.
Fe'i gelwir yn "baradocs" oherwydd ei fod yn ymddangos yn groes i'r disgwyl: onid ddylai pob un ystyried ei hun yn gorffwys a'r llall yn symud? Mae'r ateb yn cynnwys y ffaith bod yr efeilliaid sy'n teithio yn profi cyflymiad wrth wrthdroi cyfeiriad, felly nid yw eu fframwaith cyfeirio bob amser yn anadweithiol (ddim bob amser yn symud mewn llinell syth ar gyflymder cyson). Y canlyniad terfynol: mae'r gwahaniaeth oedran yn bodoli.
Perthnasedd Cyffredinol: Mae Disgyrchiant Hefyd yn Effeithio ar Amser
Deng mlynedd ar ôl perthnasedd arbennig, ehangodd Einstein ei ddamcaniaeth i'r Ddamcaniaeth Gyffredinol Perthnasedd (1915). Mae'r ddamcaniaeth hon yn egluro disgyrchiant nid fel grym fel yn Newton, ond fel canlyniad crymedd gofod-amser gan fàs ac egni.
Yn y berthynasedd cyffredinol, mae amser hefyd yn gymharol—ond y tro hwn oherwydd disgyrchiant. Po gryfaf yw'r maes disgyrchiant (er enghraifft, y mwyaf agos ydych chi at wrthrych enfawr fel planed, seren, neu dwll du), yr arafach y mae amser yn mynd heibio o'i gymharu â lleoedd â disgyrchiant gwannach.
Gelwir y ffenomen hon yn ymlediad amser disgyrchiant. Mae'r goblygiadau'n ddiddorol: bydd rhywun ar wyneb y Ddaear (disgyrchiant cryfach) yn profi amser ychydig yn arafach na rhywun mewn orbit uwch (disgyrchiant gwannach). Mae'r gwahaniaeth hwn yn fach, ond gellir ei fesur gyda chlociau atomig manwl iawn.
Tystiolaeth Go Iawn: GPS a Chlociau Atomig
Nid dim ond damcaniaeth haniaethol yw perthnasedd amser. Un o'r enghreifftiau mwyaf ymarferol yw'r System Lleoli Byd-eang (GPS). Mae lloerennau GPS yn cylchdroi'r Ddaear ar uchder o tua 20.000 km ar gyflymder uchel ac maent mewn maes disgyrchiant gwannach nag wyneb y Ddaear. Mae dau effaith yn digwydd ar yr un pryd:
– Gan fod y lloeren yn symud yn gyflym, mae perthnasedd arbennig yn gwneud i gloc y lloeren redeg yn arafach.
– Gan fod y lloeren mewn disgyrchiant gwannach, mae perthnasedd cyffredinol yn gwneud i gloc y lloeren redeg yn gyflymach.
Os na chânt eu cywiro, bydd y gwahaniaethau amser bach hyn yn cronni ac yn achosi gwallau safle GPS a all gyrraedd sawl cilomedr y dydd. Mewn gwirionedd, mae systemau GPS yn ymgorffori cywiriadau perthynol i gynnal llywio cywir. Mae hwn yn enghraifft bwerus o'r rôl y mae perthynoledd yn ei chwarae mewn technoleg fodern.
A yw hyn yn golygu bod "Teithio Amser" yn bosibl?
Pan fydd pobl yn clywed y gall amser lifo'n wahanol, y cwestiwn sy'n codi'n aml yw teithio amser. I ryw raddau, mae "teithio i'r dyfodol" yn bosibl yn gorfforol: os ydych chi'n symud yn gyflym iawn neu'n agos at faes disgyrchiant eithafol, gallwch chi brofi llai o amser na rhywun arall, ac yna dychwelyd i ddarganfod eu bod nhw ymhellach ymlaen yn y dyfodol.
Fodd bynnag, mae teithio amser yn llawer mwy cymhleth ac yn parhau i fod yn faes dyfalu. Mae rhai atebion mathemategol mewn perthnasedd cyffredinol yn caniatáu strwythurau gofod-amser "rhyfedd" (megis rhai tyllau mwydod), ond mae'n parhau i fod yn aneglur a ydynt yn bosibl yn eu natur, yn sefydlog, ac nad ydynt yn torri egwyddorion ffisegol eraill. Felly, er bod perthnasedd amser yn agor y drws i drafodaethau am deithio amser, nid yw'n awgrymu'n awtomatig y posibilrwydd o beiriant amser fel y rhai mewn ffuglen wyddonol.
Pam Mae Perthnasedd Amser yn Digwydd?
Hanfod perthnasedd amser yw nad yw gofod ac amser yn gamau statig. Maent yn ffurfio un endid: gofod-amser. Pan fyddwch chi'n symud yn gyflym, rydych chi'n "archwilio" gofod-amser mewn ffordd wahanol. Pan fyddwch chi mewn disgyrchiant cryf, mae ffabrig gofod-amser yn ystumio, gan newid cyfradd amser.
Yn symlach, mae'r bydysawd yn cynnal cysondeb deddfau ffiseg (e.e., cyflymder cyson golau) trwy "gyfnewid" sut mae gofod ac amser yn cael eu mesur gan wahanol arsylwyr. Mae'r effaith yn ymddangos yn rhyfedd oherwydd bod ein greddf wedi datblygu ar gyflymderau isel a disgyrchiant cymedrol, nid ar raddfeydd cosmig.
Cau
Perthnasedd amser yw'r syniad nad yw amser bob amser yn ticio'r un fath i bawb. Mae'n dibynnu ar gyflymder a disgyrchiant. Mae'r cysyniad hwn yn deillio o theorïau arbennig a chyffredinol Einstein o berthnasedd, ac mae wedi'i ddangos trwy arbrofion a chymwysiadau technolegol fel GPS. Mae perthnasedd amser yn ein hatgoffa bod realiti ffisegol yn aml yn fwy rhyfedd nag y gallem ei ddisgwyl - ac y gall dealltwriaeth wyddonol newid y peth mwyaf sylfaenol a ganfyddwn: llif amser ei hun.
Os dymunwch, gallaf hefyd wneud fersiwn fwy poblogaidd (arddull achlysurol) o'r erthygl hon neu fersiwn fwy gwyddonol ynghyd â fformwlâu ymlediad amser ac enghreifftiau cyfrifo.
