POZNAĆ WSZECHŚWIAT
- CZAS NA EINSTEINA
Kiedy ktoś mówi
"Einstein z Ciebie..." wiemy, że chodzi o pochwałę za jakiś dobry pomysł.
Einstein stał się symbolem geniusza, wszedł z tym na dobre do naszego języka i
nawet dziecko z młodszych klas podstawówki zrozumie powyżej przytoczone
powiedzenie. Ale co wiemy tak na prawdę o tym Einsteinie? Z pewnością
najczęstszą odpowiedzią będzie: To geniusz który dokonał jakiś wielkich rzeczy w
fizyce... teoria względności, E=mc^2... Ot i to w zasadzie wszystko.
Oczywiście, wiele z was wie na ten temat znacznie więcej, ale z
pewnością znaczna część osób oprócz tego powyżej powie nie wiele więcej. I
wcale to nie oznacza, że jest to jakiś poważny ubytek naszej wiedzy. Po
prostu rzeczy które wymyślił, a właściwie które odkrył Einstein są dość trudne.
Żeby dokładnie zrozumieć teorie względności z wyliczeniami matematycznymi,
trzeba być naprawdę dobrym w te klocki. Ja nie jestem tak dobry nawet w małej
części, albo nawet znacznie mniej. Ale to co wiem i to co rozumie postaram się
wam przedstawić w tym artykule. Postaram się wyjaśnić, co takiego odkrył
Einstein, a jest to nie zwykle ważne dla poznania naszego
wszechświata.
Albert Einstein
wcale nie zapowiadał się na takiego geniusza. Jak był mały dość wolno uczył się
mówić. W szkole raczej nie był lubiany, a i on przez to nie lubił szkoły.
Zrezygnował z nauki w szkole średniej, przez co nie miał matury.
Aby pójść na wyższą uczelnię musiał zdawać specjalne
egzaminy, na studia dostał się dopiero za drugim razem. Skończył studia z
fizyki, lecz nie mógł znaleźć pracy. W końcu po znajomości dostał posadę
niższego urzędnika w szwajcarskim urzędzie patentowym w Bernie. I to tu w
wolnych chwilach rozmyślał nad naturą Wszechświata, co zaowocowało wspaniałymi
odkryciami.
W 1905 roku,
w wieku 26 lat Einstein sformułował zasadę szczególnej teorii względności,
która jest jednym z największych osiągnięć ludzkości. A o co w niej chodzi?
Einstein zastanawiał się nad właściwością światła. Próbował wyobrazić sobie
światło: czym ono jest i czy można je dogonić? Gdyby tak dogonić promień
świetlny i poruszać się obok niego z tą samą prędkością, z naszego punktu
widzenia powinniśmy widzieć je, jakby się zatrzymało. To tak, jak jadąc
samochodem i wyprzedzając inny samochód zrównalibyśmy się prędkością jadąc obok
siebie. Wówczas widzielibyśmy ten samochód dokładnie tak samo, jak w
momencie kiedy stałby obok nas na parkingu. To czy ze światłem było by podobnie?
Kierując się intuicją uznamy, że teoretycznie potrafimy dogonić fale świetlne i
światło wyda nam się stacjonarne. Z teorii Maxwella i rozmaitych
przeprowadzonych obserwacji wynika jednak, że światło nigdy nie stoi w miejscu,
a więc nie można doprowadzić do sytuacji, gdzie światło wyda nam się
stacjonarne. Nad tym problemem zmagali się najwybitniejsi fizycy na całym
świecie, lecz Einstein nie znając dróg innych, które i tak były nie
właściwe sam doszedł do rozwiązania: Prędkość światła jest taka sama we
wszystkich poruszających się układach. Co to znaczy i dlaczego?? Otóż gdybyśmy
starali się dogonić światło (nawet gdybyśmy pędzili z prędkością bliską
prędkości światła), ono zawsze będzie nam umykać ze stałą prędkością - ok. 300
000 km/s (aby nie utrudniać sprawy będziemy przyjmować prędkość światła w
próżni). To brzmi całkiem nie dorzecznie! Przecież to było by podobnie tak, jak
byśmy starali się dogonić samochód, który jedzie z prędkością 100 km/h. My
jechalibyśmy 98 km/h, to tamten samochód powinien oddalać się od nas o 2
km/h. Tymczasem w przypadku światła tak by nie było i samochód ten wciąż
oddalałby się od nas o 100 km/h. Dlaczego tak jest w przypadku światła?? Różnica
polega na tym, że 300 000 km/s to ogromna prędkość, gdyby promień świetlny miał
okrążyć Ziemię, to w jednej sekundzie okrążyłby ją 7,5 razy! Prędkość tego
rzędu niesie ze sobą pewne konsekwencje. Proszę sobie wyobrazić, że będąc w
ruchu, np. jadąc samochodem, pociągiem, czy lecąc samolotem, czas płynie u nas
wolniej względem ludzi stojących przy drodze, czekających na peronie, czy na
lotnisku. Jednak jest to tak mała różnica, że w ogóle niedostrzegalna. Dopiero
przy potężnych prędkościach, sięgających prędkości światła różnica ta będzie
dość pokaźna. Czas w poruszającym się tak szybko obiekcie zwolni na tyle, że
pomiar, jaki w nim zostanie dokonany będzie z tego powodu wciąż podawał
niezmieniającą się prędkość uciekającego nam promienia świetlnego. Jakby tego
mało było obserwator, który przypatruje się temu (gdyby posiadał superszybką
migawkę w swoim aparacie wzrokowym) zauważy, że obiekt ów uległ spłaszczeniu w
kierunku ruchu. Czas i przestrzeń płatają figle! Ale przy tak dużej prędkości
tak właśnie jest. Wszystkie eksperymenty jakie uczeni przeprowadzili w ostatnim
stuleciu potwierdzają zasadę, że prędkość światła jest zawsze równa c,
niezależnie od tego jak szybko się poruszamy. Dzieje się tak dlatego, że im
szybciej się poruszamy, tym wolniej tykają nasze zegarki i tym krótsze są nasze
linijki (jak to ujął M. Kaku). Zegarki zwalniają, a linijki ulegają
skróceniu w taki sposób, że kiedykolwiek zmierzymy prędkość światła, zawsze
dostaniemy ten sam wynik. Wynika też z tego, że istnieje ścisły związek
prędkości z pojęciami przestrzeni i czasu. Przestrzeń i czas ulęgają zmianie,
nie są pojęciami uniwersalnymi jak do tego na co dzień jesteśmy przyzwyczajeni.
Potrafimy osiągnąć prędkość o dość skromniutkim ułamku prędkości światła,
dlatego efekty powyżej przytoczone są niezauważalne, chociaż występują przy
każdej prędkości względem jakiegoś obserwatora. Kiedy prędkości są
większe, te zadziwiające efekty szczególnej teorii względności są bardziej
widoczne.
Gdyby jakiś człowiek
podróżował statkiem kosmicznym z prędkością 95,5 % c przez 10 lat (według
swojego zegarka) i po tej podróży wróciłby na Ziemie, to na Ziemi minęłoby 10
razy więcej czasu, czyli 100 lat.Gdyby tak ktoś jeszcze dokonał pomiaru długości
pędzącego z ową prędkością statku tego kolesia zauważyłby, że jest on o ok.
80 % krótszy, niż gdy był wcześniej zmierzony na Ziemi. Jednak
podróżujący niczego takiego by nie zauważył.
Tak więc przez
stwierdzenie, że prędkość światła jest stała doprowadzono do zastąpienia
tradycyjnych pojęć przestrzeni i czasu - traktowane jako sztywne, obiektywne
wyznaczane wielkości - nową koncepcją, zgodnie z którą wielkości te ściśle
zależą od względnego ruchu obserwatora i obserwowanego.
Prędkość światła
jest dla nas granicą wszelkiej prędkości, nic i nigdzie w całym naszym
Wszechświecie nie porusza się szybciej od c. Wraz z prędkością zwalnia tempo
upływającego czasu, dla obiektów poruszających się z prędkością światła czas
stoi w miejscu. Foton, który pojawił się w Wielkim Wybuchu jest dokładnie
tego samego wieku, co wtedy. W "Poznać Wszechświat - Wstęp" napisałem, że wraz z
prędkością rośnie masa (jeśli cos posiada masę) i dążąc do c masa dąży do
nieskończoności. Wynika to m.in. ze wzoru Einsteina E = mc^2. Einstein uznał, że
masa i energia jakiegoś obiektu, to pojęcia zależne od siebie, da się wyznaczyć
energię, znając masę, lub masę znając energię. Energia (E) i masa (m) są
jakby wymienialne według pewnej stałej c, czyli prędkości światła i to
podniesionej do kwadratu. Przekształcając wzór wychodzi, że
m=E/c^2. Wiadomo jest, iż im szybciej się coś porusza, tym więcej ma
energii. Z równania Einsteina wynika, że im więcej ma coś energii, tym
większą zyskuje masę. A im bardziej masywniejszy jest obiekt, tym trudniej go
przyśpieszyć i więcej energii trzeba w to włożyć. W sumie można przyśpieszyć
jakąś cząstkę (np. w akceleratorze) do sporej części prędkości świetlnej, ale
nigdy nie można uzyskać prędkości światła. Przykładowo - cząsteczka mionu
poruszająca się z prędkością 99,9 % prędkości światła (c) jest 22 razy
cięższa, niż mion stacjonarny. Przy prędkości 99,999% c jest już 224 razy
cięższy, przy 9,99999999% c jest aż o ponad 70 tys. razy cięższy. Masa
mionu rośnie nieograniczenie, gdy jego prędkość zbliża się do c.
Szczególna teoria
względności odkryła rzeczywistą naturę przestrzeni i czasu, była to
rewolucja myśli ludzkiej, porównywalna z dokonaniem Kopernika. Już po tym
czynie Einstein zasłużył na miano jednego z największych geniuszy naszych
czasów, ale to nie było wszystko. Po jakimś czasie Albert Einstein jeszcze
raz zrewolucjonizował nasze poglądy na przestrzeń i czas tworząc ogólną teorię
względności. Wykazał, że czas i przestrzeń zakrzywiają się i odkształcają,
przenosząc siłę grawitacji. Ale o tym w innej części "Poznać
Wszechświat".
POPRAWKA do artykułu
"Poznać Wszechświat - Narodziny":
- W końcowej części tekstu jest: "Temperatura wynosi ok.
10^-14 stopni kelvina. ", a powinno być "Temperatura wynosi ok. 10^14
stopni kelvina." - tylko jedna kreska, a temperaturę obniżyła o 100 bilionów
razy :). Obecna średnia temperatura Wszechświata wynosi około 3 stopnie
kelvina.
JakBym