Daugumą mūsų stebimų sąveikų galima aprašyti Niutono dėsniais ir tai daugeliu atvejų bus labai praktiška aproksimacija. Kodėl aproksimacija? Nes dabar žinome, kad nors Visatoje dėsniai veikia visur vienodai, Niutono mechanika šiuos dėsnius aprašo gerai tik esant mažiems greičiams.
Daugumą mūsų stebimų sąveikų galima aprašyti Niutono dėsniais ir tai daugeliu atvejų bus labai praktiška aproksimacija. Kodėl aproksimacija? Nes dabar žinome, kad nors Visatoje dėsniai veikia visur vienodai, Niutono mechanika šiuos dėsnius aprašo gerai tik esant mažiems greičiams.
Asociatyvi „Pixabay“ nuotr.
Vienas pirmųjų ženklų, kad Niutono dėsniai gali būti neteisingi, kilo, matuojant šviesos greitį priklausomai nuo Žemės sukimosi. Juk jeigu vienu metu pamatuosime šviesos greitį ryte ir vakare, vienu atveju mes artėsime link Saulės, kitu tolsime, ir jei Niutono dėsniai teisingi, šviesos greitis skirtųsi.
Einšteino teorija sako, kad visų pirma nėra universalaus atskaitos taško. T.y., net ir kalbant apie laiką nėra tokio laikrodžio, kuris jį galėtų objektyviai išmatuoti. Visi objektai greičiau ar lėčiau juda vienas kito atžvilgiu, ir nuo to priklauso, kaip mes įvertinsime vienas kito judėjimo ir laiko savybes. Visų antra, vienintelis universalus dydis (judėjimo prasme) yra šviesos greitis, nepriklausomai nuo to, kas jį matuoja ir kaip jie juda šviesos atžvilgiu (ne vakuume šviesos greitis gali skirtis, priklausomai nuo aplinkos savybių). Trečia – erdvėje niekas nejuda greičiau už šviesą.
Iš čia ir atsiranda gana paprasta, bet neintuityvi logika, kad jei vienas laiko matuotojas nejudės, o kitas judės greičiu, artimu šviesos greičiui, nejudančio stebėtojo atžvilgiu šviesa nueis fiksuotą atstumą per vieną laiko dydį, o judančio stebėtojo atveju jo atskaitos sistemoje taip pat per tiek pat laiko, bet kito stebėtojo atžvilgiu – greičiau. Kadangi „greičiau“ abiem atvejais yra šviesos greitis, vienintelis dydis, kuris gali keistis – laiko trukmė, ir nejudančio stebėtojo sistemoje laiko sparta skirsis nuo judančio. Atstumas nuo šviesos greičio nepriklauso, tad laikas yra vienintelis dydis, kuris gali kisti teorijos rėmuose šiuo atveju.
Svarbu pažymėti, kad pastarasis teiginys nėra visiškai teisingas. Atstumai gali keistis veikiant masei. Atitinkamai papildyta reliatyvumo teorija yra vadinama bendrąja, o pirminė išraiška postuluota Einšteino 1905 m. specialiąja. Masės vaidmuo čia yra erdvės iškreipimas ją veikiant gravitacija, dėl ko pasireiškia ir laiko iškreipimas. Esant didelei gravitacijai, laikas (reliatyviai) eina lėčiau. Tai nėra savaime suprantama: ši išvada kyla iš to, kad gravitacijos poveikio – laisvojo kritimo pagreičio – neįmanoma atskirti nuo objekto judėjimo pagreičio dėl reliatyvumo principo. Atitinkamai, net ir šviesos greičiu nejudantis kūnas veikiamas pakankamai didelio gravitacinio lauko jaus reliatyvumo skirtumus nuo Niutono mechanikos supaprastinimų – visų pirma laiko reliatyvų sulėtėjimą.
Laiko sulėtėjimas nėra vienintelė reliatyvumo teorijos pasekmė laužanti paprastą įsivaizdavimą apie pasaulį. Lygiai taip pat paprastai stebėtojo atžvilgiu keičiasi ir objekto ilgis. Tai galima nesunkiai įsivaizduoti apkeitus prieš tai aprašytame mintiniame eksperimente fiksuotą atstumą fiksuotu laiko tarpu kiekvieno stebėtojo atžvilgiu. Vėlgi, stacionaraus stebėtojo atžvilgiu šviesa nueis trumpesnį atstumą, todėl jam objektas judantis artimu šviesai greičiu atrodys susiplojęs savo skriejimo kryptimi.
Trečia „paprasta“ reliatyvumo teorijos pasekmė yra žymioji E=mc². Tokia atrodytų keista išvada atsiranda, kai abu mūsų stebėtojai domisi ar reliatyvumo teorija kitaip veikia masę, nei Niutono mechanikoje. Supaprastindami formulės išvedimą, mes darome, kad reliatyvumo teorijoje energija neatsiranda iš niekur, t.y. galioja tvermės dėsniai. Atitinkamai, abu stebėtojai išsviedžia tą patį kūną su tuo judesio kiekiu ir apskaičiuoja jo greitį per laiko ir atstumo matavimus. Pastarieji abu yra reliatyvūs. Kadangi jėga išmetusi kūnus yra ta pati, greičiai išmatuoti ir skiriasi, vadinasi ir masė yra reliatyvi. Kalbant apie E=mc² svarbu nepamiršti konteksto: formulė tik nusako, koks yra energijos ir masės sąryšis judant šviesos greičiu. Šviesos greičiu judantis tam tikros energijos fotonas turi masę ir sąveikauja kaip dalelė, bet sustabdytas fotonas rimties masės neturėtų.
Tad reliatyvumo teorija faktiškai keičia laiką, ilgį ir masę, objektams judant vienas kito atžvilgiu greičiu, sudarančiu didelę šviesos greičio dalį, arba neįprastai stipriame gravitaciniame lauke. Atrodytų, kad tai yra visiškai nišiniai atvejai, bet taip nėra. Reliatyvumo teorijos praktiniu egzistavimu galima įsitikinti, nagrinėjant elektros variklio veikimą. Judantis elektronas be savo elektrinio lauko, kuria ir magnetinį. Bet magnetinis laukas neveikia elektrono. Tad, jei variklį suktume pasitelkdami elektros (elektronų) srovę, variklio sukimas neturėtų indukuoti srovės. Taip nėra, nes elektronai visgi juda magnetinio lauko atžvilgiu, nes vienas kito atžvilgiu judėjimas yra reliatyvus.
Taip pat reliatyvumo teorija leidžia paaiškinti ir ne vieną astronominį reiškinį. Pats Einšteinas pasiūlė tris testus reliatyvumo teorijai: paaiškinti Merkurijaus orbitos specifiką, kuri skiriasi nuo Niutono mechanikos prognozių (dėl Saulės gravitacinio lauko ir Merkurijaus artumo jam), šviesos sklaidymą (užlinkimą lyginant su tiesia kryptimi) dėl Saulės gravitacinio poveikio, ir gravitacinį bangos ilgio raudonąjį poslinkį, kuris atsirastų dėl šviesos dažnio (taigi ir laiko) pokyčių tarp fotoną išspinduliavusios aplinkos ir aplinkos, kur jis registruotas. Planetų orbitų kitų žvaigždžių sistemose kol kas nematuojame taip tiksliai, kad reiktų įskaityti reliatyvumo efektus. Šviesos sklaidymas yra savaime įdomus ir naudingas, nes gali būti registruojamas aplink labai masyvius objektus ir leisti išmatuoti jų masę pagal efekto stiprumą. Taip pat šviesos sklaidymas gravitaciškai leistų aptikti ir kitaip nematomus nešviečiančius objektus, ir buvo vienas pirmųjų eksperimentų leidusių atmesti dalį juodosios medžiagos teorijų. Gravitacinis raudonasis poslinkis gali būti naudingas įvertinti tolimiausių masyvių galaktikų superstruktūrų sistemų masę, taip pat jis gali virsti ir mėlynuoju poslinkiu, jei fotonas stebimas didesniame gravitaciniame lauke, nei fotonas buvo išspinduliuotas. Pats „reliatyviausias“ astronominis kūnas yra juodoji skylė. Teoriškai toks objektas net negalėtų būti stebimas, nes jo masė tam tikru, vadinamu Edingtono, spinduliu sulaikytų net fotonus. Daugeliu atvejų apie juodosios skylės egzistavimą galima spręsti pagal jos gravitacinį poveikį aplinkiniams objektams, tačiau palyginus neseniai juodąsias skyles jau galėjome išskirti ir tiesiogiai, dar šiemet mūsų Galaktikos centre.
© NOAA
Jeigu reliatyvumo teorija yra teisinga, ir laikas reliatyvus, ar tada išvis įmanoma keliauti laiku? Atsakymas yra vienareikšmiškai taip, jei keliaujame laiku į priekį. Mes jau keliaujame GPS palydovų atžvilgiu. „Interstellar“ mokslinės fantastikos filme parodoma, kaip trumpa stotelė juodosios skylės gravitaciniame lauke prailgs Žemės atžvilgiu. Ar galima keliauti laiku atgal? Teoriškai tam tikros matematinės teorijos leistų kelionių laiku galimybę. Praktiškai tai yra tik skaitmeninė galimybė, ir neturi įrodymų, kad atitinka realų pasaulį. Pats laiko reliatyvumas jau komplikuoja, kieno atžvilgiu būtų keliaujama. Per priežastingumo ryšius teoriškai būtų galima priežastį sukurti vėliau, nei pasekmę, jei būtų viršijamas šviesos greitis. Visgi, tai yra vienas teorijos pagrindų ir kol kas laikytinas fundamentaliu dėsniu. Be to trūksta ir daug paprastesnių kelionių laiku įrodymų – keliautojų laiku atgal. Kad ir kaip idealogizuotume tokius keliautojus laiku, pakaktų vos keliems išsiduoti bet kuriuo istorijos momentu, kad kelionės laiku būtų dalis mūsų pasaulio suvokimo.
Vis dėlto, jeigu Niutono dėsniai atrodo tokie paprasti ir kasdieniški, bet yra neteisingi, galbūt ir moderni reliatyvumo teorijos forma nėra pakankamai tiksli ir galbūt kelionės laiku, bent jau kažkokia forma, gali būti įmanomos.
