Szczególna teoria względności jest niezwykle dziwna. Wśród jej licznych twierdzeń jest to, że poruszające się zegary chodzą wolniej, a poruszające się linijki się kurczą. Aby pojąć fizykę względności, musimy cofnąć się nieco w czasie.
W 1865 roku James Clerk Maxwell odkrył, że to, co nazywamy „światłem”, to fale elektryczności i magnetyzmu. Ale jak wszystkie fale, te fale musiały przez coś wędrować. Fale dźwiękowe poruszają się przez powietrze. Fale oceaniczne poruszają się przez oceany. Więc Maxwell wierzył, że fale świetlne przemieszczają się przez substancję znaną dziś jako „eter świetlny”. Ten „eter” musiał mieć dziwne właściwości. Nie można go było poczuć, dotknąć, powąchać ani w żaden inny sposób wykryć. Musiał być niemal niewidzialny, ale jednocześnie musiał pozwalać światłu na rozchodzenie się, więc musiał istnieć. W końcu XIX wieku toczyło się wiele debat na temat natury eteru, ale okazało się, że wszyscy się mylili.
Dopiero w 1887 roku dwóch naukowców postanowiło zmierzyć nasz ruch przez eter. Albert Michelson i Edward Morley zaprojektowali eksperyment, który dziś znamy jako eksperyment Michelsona-Morleya, aby sprawdzić, czy eter rzeczywiście istnieje. Idea była taka, że jeśli eter istnieje, powinniśmy odczuwać jego obecność jako zmianę prędkości światła. Eksperyment Michelsona-Morleya próbował to zmierzyć i całkowicie zawiódł. Pojawił się problem: światło jest falą i musi się przez coś przemieszczać, ale nie możemy zmierzyć naszego ruchu przez eter.
Krótko po eksperymencie Michelsona-Morleya fizyk Oliver Heaviside zauważył coś dziwnego: kiedy ładunki elektryczne są wprawiane w ruch, ich pola elektryczne nieco się kurczą wzdłuż kierunku ruchu. Następnie Hendrik Lorentz wpadł na wspaniałą myśl: jeśli wszyscy jesteśmy zbudowani z ładunków elektrycznych, a pola kurczą się, gdy się poruszają, to może my również się kurczymy, gdy się poruszamy. Dlatego nie możemy mierzyć zmian prędkości światła z powodu kurczenia się długości — kiedy poruszamy się przez eter, prędkość światła się zmienia, ale nasze urządzenia pomiarowe również się kurczą, co niweluje efekt.
To była dość udana teoria, która wyjaśniała wszystkie dane. Materia kurczy się, gdy się porusza, w wyniku pewnych interakcji fizycznych, a eter jest tam, ale jest niewykrywalny. Potem pojawił się Einstein i zadał bardzo ważne pytanie: jeśli ten eter jest zawsze i na zawsze niewykrywalny, to dlaczego go potrzebujemy? Dlaczego nie pozwolimy, aby rzeczy same się kurczyły — nie po to, aby wyjaśnić wyniki eksperymentów, których nie lubimy, ale jako prosty fakt wszechświata?
To jest wielki wynik Einsteina. Inni ludzie pracowali w kierunku teorii względności, ale nikt nie zrobił takiego skoku jak on. Einstein uznał, że kurczenie się długości to cecha wszechświata, a nie wada. Żadnego eteru, żadnych prób dopasowania elektromagnetycznego kwadratu do okrągłego otworu eteru. Długości kurczą się, gdy się poruszają.
Kurczenie się długości według Einsteina było nieco inne niż według Lorentza. Dla Lorentza było to fizyczne zjawisko, coś się kurczyło. Dla Einsteina była to cecha samej przestrzeni, niezależna od rzeczywistych obiektów. To zrozumienie pozwoliło Einsteinowi na kolejny potężny skok.
Aby wszystko zadziałało, Einstein zdał sobie sprawę, że musi istnieć pewne ustępstwo. Nie można mieć tylko kurczenia się długości — poruszające się linijki się kurczą — samo w sobie. Musi również istnieć dylatacja czasu — poruszające się zegary chodzą wolniej. Te dwa zjawiska zawsze współpracują, aby umożliwić zrozumienie wszystkich obserwacji i perspektyw.
Na przykład weźmy mion, cięższego brata elektronu. Ponieważ mion jest masywny, jego czas życia jest krótki — tylko 2,2 mikrosekundy. Kiedy energetyczne cząstki uderzają w cząsteczki powietrza w górnych warstwach atmosfery, generują miony, które następnie spadają na ziemię. Te miony poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, ale to nadal nie jest wystarczająco szybko, aby dotrzeć do ziemi podczas ich krótkiego życia. Ale teoria względności uczy nas, że poruszające się zegary chodzą wolniej — z naszej perspektywy miony żyją znacznie dłużej, więc mają więcej niż wystarczająco dużo czasu, aby dotrzeć do ziemi.
Ale mion ma inną perspektywę. Z jego punktu widzenia nie doświadcza dylatacji czasu i żyje tylko przez 2,2 mikrosekundy. Jak więc ma wystarczająco dużo czasu, aby dotrzeć do ziemi z jego perspektywy? Odpowiedzią jest kurczenie się długości — z perspektywy mionu odległość do ziemi jest znacznie krótsza, więc nie ma tak daleko do pokonania.
Szczególna teoria względności to matematyczna mechanika, której potrzebujemy, aby zmieniać perspektywy i utrzymywać wszystko w porządku. Wszechświat może być szalony, ale przynajmniej przestrzega zasady, które możemy zrozumieć.
Źródło: Yahoo News
