Albert Einstein je jedním z nejznámějších fyziků 20. století. Kromě úžasných teorií, které popisují svět ve velkém měřítku s neuvěřitelnou přesností, odhalil také jeden podivný jev: čím silnější je gravitace, tím pomalejší čas plyne.
Einstein nazval svou první teorii známou celému světu zvláštní teorii relativity. Bylo to zvláštní, protože se jednalo o konstantní rychlosti. Aby to sladil se skutečným světem, ve kterém objekty neustále zrychlují a zpomalují, potřeboval prozkoumat důsledky své teorie, když došlo ke zrychlení. Tento pokus zobecnit a vzít v úvahu všechny obecné jevy vedl k objevu vztahu mezi časem a gravitací. Einstein nazval svou novou teorií obecnou relativitu.
Newton věřil, že tok času je jako šipka. Pohybuje se stabilně pouze jedním směrem - vpřed. Einstein navrhl, že čas se mění v nepřímém poměru k rychlosti. A díky své plynulosti, jako je vesmír, si „zasloužil“své vlastní měření. Einstein navíc tvrdil, že prostor a čas jsou jeden celek - flexibilní čtyřrozměrná struktura, na které se odehrávají všechny události ve vesmíru. To je to, čemu říkal - struktura časoprostoru. Když fyzik publikoval jeho dílo se všemi jeho závěry, byla uvítala s nedůvěrou.
Podle General Relativity se hmota protáhne a zkrátí texturu časoprostoru. Ukazuje se, že objekty nejsou přitahovány středem Země nějakým záhadným způsobem, ale naopak jsou tlačeny zakřiveným prostorem kolem nich. Podobně jako sklon zrychluje zakřivení časoprostoru objekty, které se pohybují dolů, ačkoli rychlost tohoto zrychlení není vždy stejná. Gravitační síla se zvyšuje, když se přibližujete k povrchu Země, kde je zakřivení intenzivnější.
Historie vesmíru na šipce času.
Pokud se gravitační síla při pohybu dolů zvyšuje, objekt volně spadne do bodu B na povrchu rychleji než do bodu A ve vyšší nadmořské výšce. Podle Zvláštní teorie relativity by doba pro volně padající objekt v bodě B měla být pomalejší vzhledem k objektu v bodě A kvůli skutečnosti, že rychlost objektu v bodě B je vyšší.
Co je čas
Propagační video:
Kolik času je správné? Einstein usoudil, že není absolutní čas. Čas je relativní v závislosti na systému sil, kterému je vystaven. Toto se formálně nazývá referenční rámec. Čas, který uplyne ve vašem systému, se nazývá váš vlastní čas. Pokud musí být zákony pohybu stejné pro všechny pozorovatele, bez ohledu na jejich pohyb, musí se čas zpomalit. To znamená, že čím rychleji se pohybujete, tím pomalejší jsou hodiny v porovnání s jinými hodinami. To je to, co hrdinka Anne Hathaway řekla postavě Matthewovi McConaugheyovi v „mezihvězdné“po sestupu na vzdálenou planetu: „Jedna hodina na této planetě se rovná sedmi zemským rokům.“
Takže, pozorování zpomaluje čas omezením našeho primitivního neurologického makeupu, nebo se čas opravdu zpomaluje? A co vlastně znamená dilatace času? Nakonec nás to přivádí k otázce: co je čas? Není to jen otázka, kterou si studenti filozofie kladou navzájem nad sklenicí piva. Koncept času zmatil přírodní filozofy a fyziky od nepaměti.
Hlavní funkcí času je sledování chronologie událostí. Až do posledních 400 let však lidé určovali čas na základě předpokladu, že hvězdy se pohybují kolem Země, a ne naopak. Bez ohledu na to všechno fungovalo do určité míry přiměřeně dobře - vzhledem k tomu, že dny a roční období se předvídatelně opakovaly, a když máte něco, co se dá předvídatelně opakovat, existuje mechanismus pro sledování času.
Galileo použil rekurzivní povahu takového mechanismu pro výpočet pohybu. Popis hnutí by byl nemožný bez nějakého určení času. Ale tentokrát nikdy nebyl absolutní. I když Newton formuloval své zákony pohybu, použil koncept času, ve kterém dva páry hodin tikají synchronně ne s absolutním, nezávislým časem, ale mezi sebou. Synchronizace je důvodem, proč si lidstvo vybudovalo tak sofistikované a přesné atomové hodiny.
Koncept času je postaven na simultánnosti nebo rozhodné shodě dvou událostí - jako je příjezd vlaku a jedinečná shoda hodinových rukou v tu chvíli. Einsteinova teorie uvádí, že to musí být ovlivněno pohybem. Pokud se dva pozorovatelé na nástupišti a ve vlaku nemohou dohodnout na tom, co je současně, nemohou se dohodnout na tom, jak čas plyne.
Pohyb zkresluje čas
Chcete-li porozumět účinku pohybu na předvídatelnost, zvažte jednoduchý mechanismus časování. Představte si zařízení pro sledování času skládající se z fotonu, který skáče mezi dvěma zrcadly, rozmístěnými v konečné vzdálenosti od sebe. Nechte projít jednu sekundu během doby odrazu fotonu. Nyní umístíme dvě taková zařízení v bodech A a B nad povrch Země a přímo na ni (jako v příkladu popsaném výše) a uvidíme, jak spočítají čas, kdy kolem nich zametne volně padající objekt. Tento objekt zase měří svůj vlastní čas pomocí stejných hodin. Co ukážou?
Sledování odrazu fotonu mezi dvěma pohyblivými zrcátky je jako sledovat tenisový míč, který skáče na jedoucím vlaku. I když se míč odrazí kolmo k někomu ve vlaku, popisuje trojúhelníky stacionárnímu pozorovateli venku.
Experiment s klesajícími hodinami.
Když se přístroj pohybuje dopředu, zdá se, že foton, stejně jako koule, po odrazení cestuje po větší vzdálenosti. Ukazuje se, že jeden výsledek našeho experimentu je zkreslený! Navíc čím rychleji se zařízení pohybuje, tím více času trvá, než se odrazí foton, čímž se prodlouží doba trvání sekundy. Proto se ukáže, že čas v bodě B je pomalejší než v bodě A (pamatujte: v důsledku gravitace klesá objekt v bodě B rychleji než v bodě A).
Tento rozdíl je samozřejmě zanedbatelný. Rozdíl mezi časem měřeným hodinami na vrcholcích hor a na povrchu Země je jen několik nanosekund. Einsteinův objev však byl skutečným průlomem. Gravitace skutečně zasahuje do plynutí času, což znamená, že čím hmotnější je předmět, tím pomalejší čas se blíží. Někteří fyzici dokonce dělají rezervaci, že se zdá, že to všechny objekty ve vesmíru cítí, a snaží se padat tam, kde čas zpomaluje, z míst, kde čas jde rychleji.
Gravitační pole Země a GPS satelit.
Nohy mladší než hlava
V dnešní době není gravitační dilatace jen dobře známým jevem z oblasti teoretické fyziky, ale také praktickým nástrojem. Díky objevu Einsteina a jeho rovnic máme tak úžasnou věc, jako je GPS navigace, která by nemohla fungovat tak přesně, kdyby nebyl zohledněn rozdíl mezi průběhem času na povrchu Země a časem na oběžné dráze Země. Gravitační časová dilatace také pomáhá teoretickým fyzikům a astrofyzikům vytvářet přesné teorie o tom, co se děje v hlubokém vesmíru v blízkosti objektů, ke kterým se nemůžeme fyzicky přiblížit (například černé díry a neutronové hvězdy). A ano, vzhledem k tomuto jevu se ukazuje, že vaše nohy - i když nekonečně nevýznamně - jsou mladší než vaše hlava.
Vladimir Guillen