Што е релативноста на времето
Честопати го сметаме времето за апсолутно: една секунда во Џакарта е иста како една секунда во Лондон, а секој часовник ќе „работи“ на ист начин насекаде. Сепак, модерната физика покажува дека оваа претпоставка не е сосема точна. Под одредени услови, времето може да „тече“ побавно или побрзо во зависност од брзината и гравитацијата. Оваа идеја е позната како релативност на времето - клучен концепт во теоријата на релативност на Алберт Ајнштајн што го промени начинот на кој луѓето го разбираат универзумот.
Време: Апсолутно или Релативно?
Пред Ајнштајн, доминантното гледиште во физиката (особено Њутновата физика) тврдеше дека времето е универзално и исто за сите набљудувачи. Ова значеше дека ако двајца луѓе го набљудуваат истиот настан, тие би се согласиле за тоа колку време траело.
Ајнштајн ја поништил оваа претпоставка. Тој покажал дека мерењето на времето зависи од околностите на набљудувачот - поточно, релативната брзина на набљудувачот и гравитационото поле во кое се наоѓа набљудувачот. Со други зборови, не постои „космички часовник“ што се применува рамномерно на целиот универзум. Она што постои е времето мерено од часовникот на секој набљудувач, честопати наречено соодветно време.
Специјална релативност: Времето се забавува поради брзината
Релативноста на времето за прв пат е систематски објаснета во Специјалната теорија на релативноста (1905). Оваа теорија се применува кога разгледуваме набљудувачи кои се движат со константна брзина (не забрзуваат) и не ја вклучува директно гравитацијата.
Ајнштајн започнал со два важни постулати:
1. Законите на физиката се исти за сите набљудувачи што се движат праволиниски со константна брзина.
2. Брзината на светлината во вакуум е секогаш константна (приближно 299.792.458 m/s) за сите набљудувачи, без разлика колку брзо се движи изворот на светлина или набљудувачот.
Овие два постулати водат до изненадувачка последица: ако брзината на светлината мора да остане иста за сите, тогаш димензиите на просторот и времето мора да се „прилагодат“. Еден од најпознатите ефекти е временската дилатација, каде што времето мерено од набљудувач во движење изгледа дека поминува побавно од времето мерено од неподвижен набљудувач.
Едноставно кажано, ако некое лице се движи многу брзо, приближувајќи се до брзината на светлината, неговиот часовник ќе отчукува побавно од часовник од неподвижна личност. Овој ефект е многу мал во секојдневниот живот бидејќи нашата брзина е далеку од брзината на светлината, но станува значаен при многу големи брзини.
Интуитивен пример: Парадоксот на близнаците
Еден популарен начин да се разбере релативноста на времето е парадоксот на близнаците. Замислете два близнаци. Едниот останува на Земјата, додека другиот се качува на вселенски брод што патува со брзина блиска до брзината на светлината и се враќа на Земјата. Според специјалната релативност, близнакот што патувал би поминал помалку време - што значи дека по враќањето, тој или таа би бил помлад од оној што останал на Земјата.
Се нарекува „парадокс“ бидејќи изгледа контраинтуитивно: не треба ли секој да се смета себеси за мирување, а другиот за движење? Решението го вклучува фактот дека близнакот што патува доживува забрзување при промена на насоката, па затоа нивниот референтен систем не е секогаш инерцијален (не секогаш се движи праволиниски со константна брзина). Крајниот резултат: разликата во возраста постои.
Општа релативност: Гравитацијата влијае и на времето
Десет години по специјалната релативност, Ајнштајн ја проширил својата теорија во Општата теорија на релативноста (1915). Оваа теорија ја објаснува гравитацијата не како сила како кај Њутн, туку како резултат на закривувањето на време-просторот според масата и енергијата.
Во општата релативност, времето е исто така релативно - но овој пат поради гравитацијата. Колку е посилно гравитационото поле (на пример, колку сте поблиску до масивен објект како планета, ѕвезда или црна дупка), толку побавно поминува времето во споредба со местата со послаба гравитација.
Овој феномен се нарекува гравитациска временска дилатација. Импликациите се интригантни: некој на површината на Земјата (посилна гравитација) ќе го доживее времето малку побавно од некој во повисока орбита (послаба гравитација). Оваа разлика е мала, но може да се измери со многу прецизни атомски часовници.
Вистински докази: GPS и атомски часовници
Релативитетот на времето не е само апстрактна теорија. Еден од најпрактичните примери е Глобалниот систем за позиционирање (GPS). GPS сателитите орбитираат околу Земјата на надморска височина од околу 20.000 км со големи брзини и се наоѓаат во послабо гравитационо поле од површината на Земјата. Два ефекта се случуваат истовремено:
– Бидејќи сателитот се движи брзо, специјалната релативност го забавува часовникот на сателитот.
– Бидејќи сателитот е во послаба гравитација, општата релативност го забрзува часовникот на сателитот.
Доколку не се корегираат, овие мали временски разлики ќе се акумулираат и ќе предизвикаат грешки во GPS позицијата што можат да достигнат неколку километри на ден. Всушност, GPS системите вклучуваат релативистички корекции за да одржат точна навигација. Ова е моќен пример за улогата што ја игра релативноста во модерната технологија.
Дали ова значи дека „патувањето низ времето“ е можно?
Кога луѓето слушаат дека времето може да тече различно, прашањето што често се поставува е за патување низ времето. До одреден степен, „патувањето во иднината“ е физички можно: ако се движите многу брзо или сте во близина на екстремно гравитационо поле, можете да доживеете помалку време од некој друг, а потоа да се вратите и да откриете дека се подалеку во иднината.
Сепак, патувањето низ времето е многу посложено и останува шпекулативна област. Некои математички решенија во општата релативност дозволуваат „чудни“ просторно-временски структури (како што се одредени црви дупки), но дали тие се можни по природа, стабилни и не ги нарушуваат другите физички принципи останува нејасно. Така, иако релативноста на времето отвора врата за дискусии за патување низ времето, таа не подразбира автоматски можност за временска машина како оние во научната фантастика.
Зошто се јавува релативноста на времето?
Суштината на релативноста на времето е дека просторот и времето не се статични фази. Тие формираат еден единствен ентитет: простор-време. Кога се движите брзо, го „истражувате“ простор-времето на поинаков начин. Кога сте во силна гравитација, ткаенината на простор-времето се искривува, менувајќи ја брзината на времето.
Поедноставно кажано, универзумот ја одржува конзистентноста на законите на физиката (на пр., константната брзина на светлината) со „замена“ на начинот на кој просторот и времето се мерат од различни набљудувачи. Ефектот изгледа чуден бидејќи нашата интуиција се развила при мали брзини и умерена гравитација, а не на космички размери.
Затворање
Релативитетот на времето е идејата дека времето не секогаш отчукува исто за секого. Тоа зависи од брзината и гравитацијата. Овој концепт произлегува од специјалните и општите теории за релативност на Ајнштајн и е демонстриран преку експерименти и технолошки апликации како што е GPS. Релативитетот на времето нè потсетува дека физичката реалност е честопати почудна отколку што би можеле да очекуваме - и дека научното разбирање може да го промени најфундаменталното нешто што го перцепираме: самото течење на времето.
Доколку сакате, можам да направам и попопуларна (во лежерен стил) верзија на овој напис или понаучна верзија со формули за временска дилатација и примери за пресметка.
