Hvað er afstæðiskenning tímans
Við hugsum oft um tíma sem algildan tíma: ein sekúnda í Jakarta er sú sama og ein sekúnda í London, og hvaða klukka sem er mun „ganga“ á sama hátt alls staðar. Hins vegar sýnir nútíma eðlisfræði að þessi forsenda er ekki alveg sönn. Við ákveðnar aðstæður getur tíminn „gangið“ hægar eða hraðar eftir hraða og þyngdarafli. Þessi hugmynd er þekkt sem afstæðiskenning tímans — lykilhugtak í afstæðiskenningu Alberts Einsteins sem breytti því hvernig menn skilja alheiminn.
Tími: Algjör eða afstæður?
Fyrir tíma Einsteins var ríkjandi skoðun í eðlisfræði (sérstaklega Newtons eðlisfræði) sú að tíminn væri alheims og sá sami fyrir alla áhorfendur. Þetta þýddi að ef tveir einstaklingar fylgdust með sama atburði, þá væru þeir sammála um hversu langan tíma það tæki.
Einstein kollvarpaði þessari forsendu. Hann sýndi fram á að mæling tímans er háð aðstæðum áhorfandans — sérstaklega hlutfallslegum hraða áhorfandans og þyngdarsviðinu sem hann er staðsettur í. Með öðrum orðum, það er engin „heimsklukka“ sem gildir einsleitt um allan alheiminn. Það sem er til er tími eins og hann er mældur með klukku hvers áhorfanda, oft kallaður eigintími.
Sérstök afstæðiskenning: Tíminn hægir á sér vegna hraða
Afstæðiskenning tímans var fyrst útskýrð kerfisbundið í Sérkennslukenningunni um afstæði (1905). Þessi kenning á við þegar við skoðum athugendur sem hreyfast með föstum hraða (ekki með hröðun) og tekur ekki beint tillit til þyngdaraflsins.
Einstein byrjaði með tvær mikilvægar forsendur:
1. Eðlisfræðilögmálin eru þau sömu fyrir alla athugandi sem hreyfast í beinni línu með föstum hraða.
2. Ljóshraði í lofttæmi er alltaf fastur (um það bil 299.792.458 m/s) fyrir alla áhorfendur, óháð því hversu hratt ljósgjafinn eða áhorfandinn hreyfist.
Þessar tvær forsendur leiða til óvæntrar afleiðingar: ef ljóshraði verður að vera sá sami fyrir alla, þá verða víddir tíma og rúms að „aðlagast“. Ein þekktasta áhrifin eru tímavíkkun, þar sem tíminn, eins og hann er mældur af áhorfanda á hreyfingu, virðist líða hægar en tíminn eins og hann er mældur af kyrrstæðum áhorfanda.
Einfaldlega sagt, ef einstaklingur hreyfist mjög hratt, nálgast ljóshraða, þá mun úrið hans tikka hægar en úr frá kyrrstæðum einstaklingi. Þessi áhrif eru mjög lítil í daglegu lífi þar sem hraði okkar er langt frá ljóshraða, en þau verða veruleg við mjög mikinn hraða.
Innsæislegt dæmi: Tvíburaþversögnin
Ein vinsæl leið til að skilja afstæðiskenninguna tímans er tvíburaþversögnin. Ímyndaðu þér tvo tvíbura. Annar þeirra verður áfram á jörðinni en hinn fer um borð í geimskip sem ferðast á nærri ljóshraða og snýr aftur til jarðar. Samkvæmt afstæðiskenningunni myndi tvíburinn sem ferðaðist upplifa styttri tíma - sem þýðir að við heimkomu væri hann eða hún yngri en sá sem varð áfram á jörðinni.
Þetta er kallað „þversögn“ vegna þess að það virðist óskynsamlegt: ætti ekki hvort tveggja að líta á sig sem kyrrstæðan en hitt á hreyfingu? Lausnin felst í því að tvíburinn sem ferðast upplifir hröðun þegar hann snýr við stefnu, þannig að viðmiðunarrammi þeirra er ekki alltaf tregðubundinn (ekki alltaf í beinni línu á föstum hraða ). Endanleg niðurstaða: aldursmunurinn er til staðar.
Almenna afstæðiskenningin: Þyngdarafl hefur einnig áhrif á tíma
Tíu árum eftir sérstaka afstæðiskenninguna útvíkkaði Einstein kenningu sína í almennu afstæðiskenninguna (1915). Þessi kenning útskýrir þyngdarafl ekki sem kraft eins og Newton gerði, heldur sem afleiðingu af sveigju tímarúmsins með massa og orku.
Í almennu afstæðiskenningunni er tími einnig afstæður — en að þessu sinni vegna þyngdaraflsins. Því sterkara sem þyngdarsviðið er (til dæmis, því nær sem þú ert massamiklu fyrirbæri eins og reikistjörnu, stjörnu eða svartholi), því hægar líður tíminn samanborið við staði með veikari þyngdarafl.
Þetta fyrirbæri kallast þyngdarafliðun. Afleiðingarnar eru áhugaverðar: einhver á yfirborði jarðar (sterkari þyngdarafl) mun upplifa tímann örlítið hægari en einhver á hærri braut um jörðu (veikari þyngdarafl). Þessi munur er lítill en hægt er að mæla hann með mjög nákvæmum atómklukkum.
Raunveruleg sönnunargögn: GPS og atómklukkur
Afstæðiskenning tímans er ekki bara óhlutbundin kenning. Eitt af hagnýtustu dæmunum er GPS (Global Positioning System). GPS gervihnettir eru á braut um jörðina í um 20.000 km hæð á miklum hraða og eru í veikara þyngdarsviði en yfirborð jarðar. Tvær afleiðingar eiga sér stað samtímis:
– Þar sem gervihnötturinn ferðast hratt veldur sérstaka afstæðiskenningin því að klukka hans hægir á sér.
– Þar sem gervihnötturinn er í veikari þyngdarafl veldur almenna afstæðiskenningin því að klukka hans gengur hraðar.
Ef þetta er ekki leiðrétt munu þessir litlu tímamismunir safnast upp og valda GPS staðsetningarvillum sem geta náð nokkrum kílómetrum á dag. Í raun og veru fella GPS kerfi inn afstæðisleiðréttingar til að viðhalda nákvæmri leiðsögn. Þetta er öflugt dæmi um það hlutverk sem afstæðiskenningin gegnir í nútímatækni.
Þýðir þetta að „tímaferðalög“ séu möguleg?
Þegar fólk heyrir að tíminn geti liðið á annan hátt, þá vaknar oft spurningin um tímaferðalög. Að einhverju leyti er „ferðalag til framtíðar“ líkamlega mögulegt: ef þú ferð mjög hratt eða ert nálægt öfgafullu þyngdarsviði geturðu upplifað minni tíma en einhver annar og síðan komið aftur til að komast að því að viðkomandi er lengra kominn í framtíðinni.
Tímaferðalög eru þó mun flóknari og enn á röngum nótum. Sumar stærðfræðilegar lausnir í almennu afstæðiskenningunni leyfa „undarlegar“ tímarúmbyggingar (eins og ákveðnar ormagöt ), en hvort þær séu mögulegar í náttúrunni, stöðugar og brjóti ekki í bága við aðrar eðlisfræðilegar meginreglur er enn óljóst. Þó að afstæðiskenningin um tíma opni dyr að umræðum um tímaferðalög, þá felur hún ekki sjálfkrafa í sér möguleikann á tímavél eins og þeim sem finnast í vísindaskáldskap.
Hvers vegna kemur afstæðiskenningin um tíma fram?
Kjarni afstæðiskenningarinnar um tíma er sá að rúm og tími eru ekki kyrrstæð stig. Þau mynda eina heild: rúm-tíma. Þegar þú hreyfist hratt „kannar“ þú rúm-tíma á annan hátt. Þegar þú ert í sterku þyngdarafli, þá aflagast vefur rúm-tíma og breytir hraða tímans.
Einfaldara sagt, alheimurinn viðheldur samræmi eðlisfræðilögmálanna (t.d. fasta ljóshraðans) með því að „skipta um“ hvernig mismunandi áhorfendur mæla rúm og tími. Áhrifin virðast undarleg vegna þess að innsæi okkar þróaðist við lágan hraða og með miðlungs þyngdarafl, ekki á geimskala.
Lokun
Afstæðiskenning tímans er sú hugmynd að tíminn gangi ekki alltaf eins fyrir alla. Hann er háður hraða og þyngdarafli. Þessi hugmynd á rætur að rekja til sérstakra og almennra afstæðiskenninga Einsteins og hefur verið sýnd fram á með tilraunum og tæknilegum notkunum eins og GPS. Afstæðiskenning tímans minnir okkur á að efnislegur veruleiki er oft undarlegri en við gætum búist við - og að vísindaleg skilningur getur breytt því grundvallaratriði sem við skynjum: flæði tímans sjálfs.
Ef þú vilt get ég líka búið til vinsælli (afslappaðari) útgáfu af þessari grein eða vísindalegri útgáfu með formúlum fyrir tímavíkkun og dæmum um útreikninga.
