Алберт Айнщайн беше известен с много неща, но най-голямото му дете е теорията на относителността. Това завинаги промени нашето разбиране за пространство и време.
Какво е относителността? Накратко казано, идеята е, че законите на физиката са еднакви навсякъде. Ние тук на Земята се подчиняваме на същите закони на светлината и гравитацията като някой в далечен ъгъл на Вселената.
Универсалността на физиката означава, че историята е провинциална. Различните зрители ще виждат времето и разстоянието на събитията по различен начин. Това, което за нас е милион години, може да е просто миг на око за някой, който лети във високоскоростна ракета или попада в черна дупка.
Всичко е относително.
Специална относителност
Теорията на Айнщайн е разделена на специална и обща относителност.
Специалната относителност е на първо място и се основава на скоростта на светлината да е постоянна за всички. Това може да изглежда достатъчно просто, но има далечни последици.
Айнщайн стига до това заключение през 1905 г., след като експерименталните доказателства показват, че скоростта на светлината не се променя, тъй като Земята се завърта около слънцето.
Този резултат беше изненадващ за физиците, защото скоростта на повечето други неща зависи от това в каква посока се движи наблюдателят. Ако карате колата си покрай железопътна линия, влакът, който идва към вас, изглежда ще се движи много по-бързо, отколкото ако се обърнете и го последвате в същата посока.
Айнщайн каза, че всички наблюдатели ще измерват скоростта на светлината да бъде 186 000 мили в секунда, без значение колко бърза и в каква посока се движат.
Тази максима подтикна комика Стивън Райт да попита: „Ако сте в космически кораб, който пътува със светлинна скорост, и включите фаровете, случва ли се нещо?“
Отговорът е фаровете да се включват нормално, но само от гледна точка на някой вътре в космическия кораб. За някой, който стои навън и гледа как корабът лети, фаровете не изглежда да се включват: светлината изгасва, но пътува със същата скорост на космическия кораб.
Тези противоречиви версии възникват, защото владетелите и часовниците - нещата, които бележат времето и пространството - не са еднакви за различните наблюдатели. Ако скоростта на светлината трябва да се поддържа постоянна, както е казал Айнщайн, тогава времето и пространството не могат да бъдат абсолютни; те трябва да са субективни.
Например космическият кораб с дължина 100 фута, пътуващ със 99,99% скоростта на светлината, ще изглежда дълъг един крак пред стационарен наблюдател, но той ще остане нормалната си дължина за тези на борда.
Може би дори по-странно, времето минава по-бавно, колкото по-бързо върви. Ако близнак се вози в скоростния космически кораб до някоя далечна звезда и след това се върне, тя ще бъде по-млада от сестра си, останала на Земята.
Масата също зависи от скоростта. Колкото по-бързо се движи един обект, толкова по-масивен става. Всъщност никой космически кораб никога не може да достигне 100% от скоростта на светлината, защото масата му би нараснала до безкрайност.
Тази връзка между маса и скорост често се изразява като връзка между маса и енергия: E = mc ^ 2, където E е енергия, m е маса и c е скоростта на светлината.
Обща относителност
Айнщайн не беше разстроен от разбирането ни за времето и пространството. Той продължи да обобщава теорията си, като включва ускорение и установява, че това изкривява формата на времето и пространството.
За да се придържаме към горния пример: представете си, как скоростите на космическия кораб се ускоряват, като изстрелвате неговите изстрелвачи. Тези на борда ще се придържат към земята, сякаш са на Земята. Айнщайн твърдеше, че силата, която наричаме гравитация, е неразличима от това да се намира в ускоряващ се кораб.
Това само по себе си не беше толкова революционно, но когато Айнщайн разработи сложната математика (отнеха му 10 години), той откри, че пространството и времето са извити близо до масивен обект и тази кривина е това, което преживяваме като силата на гравитацията.
Трудно е да се изобрази извитата геометрия на общата относителност, но ако човек мисли за пространството-времето като вид тъкан, тогава масивен предмет опъва заобикалящата тъкан, така че всичко, минаващо наблизо, вече не следва права линия.
Уравненията на общата относителност предсказват редица явления, много от които са потвърдени:
- огъване на светлина около масивни предмети (гравитационно обективиране)
- бавна еволюция в орбитата на планетата Меркурий (перихелионен прецесия)
- плъзгане на рамка на пространство-време около въртящи се тела
- отслабване на светлината, избягваща гравитацията (гравитационно червено изместване)
- гравитационни вълни (пулсации в тъкано-времевата тъкан), причинени от космически разбивания
- съществуването на черни дупки, които улавят всичко, включително светлината
Изкривяването на пространството и времето около черна дупка е по-интензивно отвсякъде. Ако близнакът-близнак попадна в черна дупка, тя щеше да се опъне като спагети.
За щастие за нея всичко ще свърши за няколко секунди. Но нейната сестра на Земята никога нямаше да го свърши - гледаше как бедната й сестра се накланя постепенно към черната дупка през епохата на Вселената.
Тази статия е актуализирана на 2 юли 2019 г. от научния сътрудник на живо Тим Чайлдърс.
