Mis on aja relatiivsus
Me peame aega sageli absoluutseks: üks sekund Jakartas on sama mis üks sekund Londonis ja iga kell "jookseb" kõikjal ühtemoodi. Kaasaegne füüsika näitab aga, et see eeldus ei ole täiesti tõene. Teatud tingimustel võib aeg "jookseda" aeglasemalt või kiiremini, olenevalt kiirusest ja gravitatsioonist. Seda ideed tuntakse aja relatiivsusteooriana – see on Albert Einsteini relatiivsusteooria võtmekontseptsioon, mis muutis inimeste arusaama universumist.
Aeg: absoluutne või suhteline?
Enne Einsteini oli füüsikas (eriti Newtoni füüsikas) domineeriv vaade, et aeg on universaalne ja kõigi vaatlejate jaoks sama. See tähendas, et kui kaks inimest jälgisid sama sündmust, olid nad ühel meelel selle aja osas.
Einstein lükkas selle oletuse ümber. Ta näitas, et aja mõõtmine sõltub vaatleja asjaoludest – täpsemalt vaatleja suhtelisest kiirusest ja gravitatsiooniväljast, milles vaatleja asub. Teisisõnu, pole olemas "kosmilist kella", mis kehtiks ühtlaselt kogu universumile. Olemas on aeg, mida mõõdetakse iga vaatleja kellaga, mida sageli nimetatakse pärisajaks.
Erirelatiivsusteooria: aeg aeglustub kiiruse tõttu
Aja relatiivsust selgitati esmakordselt süstemaatiliselt erirelatiivsusteoorias (1905). See teooria kehtib siis, kui vaatlejad liiguvad konstantse kiirusega (mitte kiirendades) ja ei hõlma otseselt gravitatsiooni.
Einstein alustas kahe olulise postulaadiga:
1. Füüsikaseadused kehtivad kõigile sirgjooneliselt konstantse kiirusega liikuvatele vaatlejatele samad.
2. Valguse kiirus vaakumis on kõigi vaatlejate jaoks alati konstantne (umbes 299 792 458 m/s), olenemata sellest, kui kiiresti valgusallikas või vaatleja liigub.
Need kaks postulaati viivad üllatava tagajärjeni: kui valguse kiirus peab kõigile samaks jääma, siis peavad ruumi ja aja mõõtmed "kohanduma". Üks tuntumaid efekte on aja dilatatsioon, kus liikuva vaatleja poolt mõõdetud aeg näib kulgevat aeglasemalt kui paigalseisva vaatleja poolt mõõdetud aeg.
Lihtsamalt öeldes, kui inimene liigub väga kiiresti, lähenedes valguse kiirusele, tiksub tema kell aeglasemalt kui paigal seisva inimese kell. See efekt on igapäevaelus väga väike, sest meie kiirus on valguse kiirusest kaugel, kuid väga suurtel kiirustel muutub see oluliseks.
Intuitiivne näide: kaksikute paradoks
Üks populaarne viis aja relatiivsusteooria mõistmiseks on kaksikute paradoks. Kujutage ette kahte kaksikut. Üks jääb Maale, samal ajal kui teine astub kosmoselaevale, mis liigub peaaegu valguse kiirusel, ja naaseb Maale. Erirelatiivsusteooria kohaselt kogeb reisinud kaksik vähem aega – see tähendab, et naastes on ta noorem kui see, kes Maale jäi.
Seda nimetatakse "paradoksiks", sest see tundub vastuoluline: kas kumbki ei peaks pidama ennast paigal ja teist liikuvaks? Lahendus seisneb selles, et liikuv kaksik kogeb suuna muutmisel kiirendust, seega ei ole nende taustsüsteem alati inertsiaalne (ei liigu alati sirgjooneliselt konstantse kiirusega). Lõpptulemus: vanusevahe on olemas.
Üldrelatiivsusteooria: gravitatsioon mõjutab ka aega
Kümme aastat pärast erirelatiivsusteooriat laiendas Einstein oma teooriat üldiseks relatiivsusteooriaks (1915). See teooria ei seleta gravitatsiooni mitte jõuna nagu Newton, vaid aegruumi kõveruse tulemusena massi ja energia abil.
Üldrelatiivsusteoorias on aeg samuti suhteline – aga seekord gravitatsiooni tõttu. Mida tugevam on gravitatsiooniväli (näiteks mida lähemal olete massiivsele objektile nagu planeet, täht või must auk), seda aeglasemalt aeg kulgeb võrreldes nõrgema gravitatsiooniga kohtadega.
Seda nähtust nimetatakse gravitatsiooniliseks aja dilatatsiooniks. Selle tagajärjed on intrigeerivad: keegi Maa pinnal (tugevama gravitatsiooniga) kogeb aega veidi aeglasemalt kui keegi kõrgemal orbiidil (nõrgema gravitatsiooniga). See erinevus on väike, kuid seda saab mõõta väga täpsete aatomkelladega.
Tõelised tõendid: GPS ja aatomkellad
Aja relatiivsus ei ole lihtsalt abstraktne teooria. Üks praktilisemaid näiteid on globaalne positsioneerimissüsteem (GPS). GPS-satelliidid tiirlevad ümber Maa umbes 20 000 km kõrgusel suurel kiirusel ja asuvad nõrgemas gravitatsiooniväljas kui Maa pind. Korraga toimuvad kaks efekti:
– Kuna satelliit liigub kiiresti, paneb erirelatiivsusteooria satelliidi kella aeglasemalt käima.
– Kuna satelliit on nõrgema gravitatsiooni mõjul, paneb üldrelatiivsusteooria satelliidi kella kiiremini käima.
Kui neid väikeseid ajaerinevusi ei parandata, siis need kuhjuvad ja põhjustavad GPS-i asukoha vigu, mis võivad ulatuda mitme kilomeetrini päevas. Tegelikkuses sisaldavad GPS-süsteemid täpse navigeerimise säilitamiseks relativistlikke korrektsioone. See on võimas näide relatiivsusteooria rollist tänapäeva tehnoloogias.
Kas see tähendab, et "ajareis" on võimalik?
Kui inimesed kuulevad, et aeg võib kulgeda erinevalt, tekib sageli küsimus ajarännaku kohta. Mingil määral on "tulevikku reisimine" füüsiliselt võimalik: kui liigud väga kiiresti või oled äärmusliku gravitatsioonivälja lähedal, võid kogeda vähem aega kui keegi teine ning seejärel naastes avastada, et oled kaugemal tulevikus.
Ajareis on aga palju keerulisem ja jääb spekulatiivseks valdkonnaks. Mõned üldise relatiivsusteooria matemaatilised lahendused lubavad küll "kummalisi" aegruumi struktuure (näiteks teatud ussiauke), kuid kas need on looduses võimalikud, stabiilsed ja ei riku teisi füüsikaprintsiipe, jääb ebaselgeks. Seega, kuigi aja relatiivsusteooria avab ukse aruteludele ajareiside üle, ei tähenda see automaatselt ulmekirjanduses esinevate ajamasinate sarnaste ajamasinate võimalikkust.
Miks aja relatiivsus tekib?
Aja relatiivsuse olemus seisneb selles, et ruum ja aeg ei ole staatilised staadiumid. Nad moodustavad ühtse terviku: aegruumi. Kiirelt liikudes "uurid" aegruumi teistmoodi. Tugeva gravitatsiooni korral aegruumi kangas moondub, muutes aja kiirust.
Lihtsamalt öeldes säilitab universum füüsikaseaduste järjepidevust (nt konstantset valguse kiirust), "vahetades", kuidas erinevad vaatlejad ruumi ja aega mõõdavad. See efekt tundub kummaline, sest meie intuitsioon arenes välja madalatel kiirustel ja mõõduka gravitatsiooni korral, mitte kosmilistel mastaapides.
Sulgemine
Aja relatiivsusteooria on idee, et aeg ei tiksu kõigi jaoks alati ühtemoodi. See sõltub kiirusest ja gravitatsioonist. See kontseptsioon tuleneb Einsteini eri- ja üldrelatiivsusteooriast ning seda on demonstreeritud katsete ja tehnoloogiliste rakenduste, näiteks GPS-i abil. Aja relatiivsusteooria tuletab meile meelde, et füüsiline reaalsus on sageli kummalisem, kui me arvata oskame – ja et teaduslik arusaam võib muuta kõige fundamentaalsemat asja, mida me tajume: aja voogu ennast.
Soovi korral võin sellest artiklist teha ka populaarsema (vabaaja stiilis) versiooni või teaduslikuma versiooni koos aja dilatatsiooni valemite ja arvutusnäidetega.
