Zvitica pomlad 2016 - Rok Šikonja: Einstein 102

Zadnjič smo začeli debato o posebni teoriji relativnosti in jo postopoma gradili na nizu kratkih preudarnih razmislekov. To pot bomo nadaljevali in si odprli povsem nove poglede, ki pa bodo drugačni. Svet kar naenkrat ne bo čisto takšen, kot si ga zamišljamo, temveč se v njem skriva veliko več, kot je prvotno mišljeno. Tako bo svet postal lepši in hkrati bolj zanimiv ter čuden. Na koncu pa boste nanj gledali z drugimi očmi – to pa je tudi moj namen.

Preden začnemo, se spomnimo glavne ugotovitve od prejšnjič, ki vpelje idejo o superiorni hitrosti – svetlobni hitrosti. Ta je enaka za vse in je del zarote, ki prikrije naše gibanje v vlaku. Poglejmo, kaj ta pomeni za svet okoli nas, če že sploh kaj.

Zamislimo si, da Žak stoji na sredini vlaka in razmišlja, kako bi sočasno sprožil obe bombi, eno na koncu in eno na čelu vlaka. Ker hoče biti čim bolj natančen, se odloči, da to stori z laserjem, tako da v istem trenutku pošlje prvi žarek proti koncu in drugi proti čelu vlaka, ki nato ustvarita iskri in aktivirata bombi.

Poskus je uspešen, oba žarka v istem trenutku dosežeta bombi, ki hkrati eksplodirata. Njegov brat Mak medtem stoji na peronu, mimo katerega pelje vlak in opazuje. Kaj vidi? Oba žarka zanj z enako hitrostjo potujeta proti koncema, vendar se zadnji del vlaka še giblje proti prvemu žarku, medtem ko prednji beži od drugega. Zanj se eksploziji ne zgodita v istem trenutku, bombo na zadnjem koncu raznese prej. Kar pomeni, da dogodka A in B, ki sta sočasna za Žaka, nista sočasna za Maka. Še več, zanj se dogodek A zgodi pred B, vendar lahko najdemo še tretjega brata Paka, za katerega se dogodek B zgodi pred A. Kot Einstein smo ugotovili, da je sočasnost relativen pojem. Občutek sreče ob novem spoznanju nas mine, kakor hitro se zavemo njegovega pomena. Poglejmo, zakaj.

Opazujmo dva dogodka, rojstvo sina in rojstvo njegovega očeta. Za nekega opazovalca se oče rodi pred sinom. Ampak glede na zgoraj povedano, lahko najdemo drugega opazovalca, za katerega se sin rodi pred očetom. Ali to pomeni, da bo ob rojstvu medicinska sestra vprašala: »Kako je ime dečku?« Mama pa bo odgovorila: »Ne vem, njegov oče še ni rojen.« Seveda bi bilo to nesmiselno. Izkaže se, da za dogodka A in B, pri čemer je A vzrok B, je zaporedje dogodkov enako za vse opazovalce.

Dobljena slika sveta je drugačna, kot smo je vajeni, vendar se v njej skriva še več. Poglejmo, kaj. Vzemimo hipotetična dvojčka Paka in Maka, vsak je za rojstni dan dobil enako svetlobno uro. Svetlobna ura je ura, ki je sestavljena iz dveh zrcal in ujetega svetlobnega žarka, ki se odbija med njima. Vsakokrat, ko žarek zadene spodnje zrcalo, senzor naredi klik.

Spet se z razmislekom vrnimo na železniško postajo. Pak se je pravkar vkrcal na vlak, medtem ko Mak stoji na peronu. Ko vlak zapelje mimo, imata oba usklajeni uri. Oba najprej pogledata vsak svojo uro in opazita, da žarek v uri potuje gor–dol. Nato Mak pogleda proti Pakovi uri. Zanj žarek v njej ne potuje le gor–dol, ampak opisuje cik-cak lomljeno črto, saj se vlak skupaj s Pakom giblje. Ker je hitrost svetlobe enaka za oba in mora žarek v Pakovi uri za Maka prepotovati daljšo pot, mora biti čas med klikoma, ki ga izmeri Mak, daljši, kot ga izmeri Paka.

Mak trdi, da je Pakova ura pokvarjena, saj teče počasneje kot njegova. Na drugi strani Pak vidi žarek v Makovi uri kot cik-cak črto in trdi, da ni njegova pokvarjena, temveč je pokvarjena Makova in teče počasneje. Čigava ura je torej pokvarjena? Kdo od njiju ima prav? Izkaže se, da imata oba. Pakova gibajoča ura za Maka teče počasneje kot njegova in obratno. Nov pogled na svet torej dopušča možnost, da Makova sekunda ni nujno enaka sekundi Paka, čemur pravimo relativnost časa.

Ob nadaljnjem razmisleku v tej smeri slej ali prej naletimo na problem dvojčkov, ki ga moramo razvozlati. Pomagajmo si z dvojčki od prej. Naj bo Pak starejši dvojček na primer za pet minut. Takoj po rojstvu damo Paka v raketo in jo na hitro pospešimo do 80 % svetlobne hitrosti, Mak pa ostane na Zemlji. Raketa potuje do nam najbližje zvezde, se tam hitro obrne in se vrne nazaj na Zemljo. Vsi na Zemlji so se medtem postarali za 10 let, vključno z Makom. Koliko pa je star Pak? Pakova ura je za Maka tekla počasneje, zato se nazaj vrne mlajši kot Mak, in sicer star 6 let. Problem nastopi, ko se Pak zamisli in reče: »Zakaj si se ti postaral? Saj nisem šel nikamor, ti si se skupaj z Zemljo gibal stran in nazaj. Zame je tvoja ura tekla počasneje. Ali gibanje konec koncev ni relativno? Kje se je simetrija relativnosti porušila?«

Preden obupamo nad vsem, česar smo se naučili, omenimo, da gibanje še vedno ostaja relativno. Do anomalije je namreč prišlo pri pospeševanju Paka. Kot smo spoznali v prejšnjem prispevku, Pak ne more trditi, da je Mak tisti, ki je pospeševal. Ob reševanju problema dvojčkov smo odprli novo možnost potovanja, potovanje skozi čas, v prihodnost. Konec koncev potovanje v prihodnost ni tako nemogoče, kot se zdi, potrebna je le zelo hitra raketa.

Zdaj se vprašamo, ali zgoraj govorimo o istem svetu, v katerem živimo? Seveda, ampak so spremembe, ki jih vpelje teorija relativnosti zanemarljive, njene posledice pridejo do izraza šele, ko so hitrosti, o katerih govorimo, primerljive s svetlobno.

Celotna ideja relativnosti je v tem, da nobena stvar, niti hitrost svetlobe, ne izda konstantne hitrosti vlaka, v katerem sedimo. Posledično se spremenijo pojmi sočasnosti, časa in tudi dolžine. Vendar njeni rezultati segajo še dlje, in sicer tudi do najbolj znane enačbe na svetu E=mc2. Pojavi, o katerih smo razpravljali tvorijo osrednji in težji del teorije, slovita enačba pa zgolj eno ugotovitev.

Tukaj se konča naša debata o Einsteinovi posebni teoriji relativnosti. Kljub vsemu, kar se dogaja okoli nas, svet ostaja lep in poln zanimivih stvari, postane še celo lepši, le če ga boljše pogledamo in razumemo.