H ιστορία της θεωρίας της Σχετικότητας άρχισε μεν να συνδέεται με τον Γαλιλαίο, αλλά ολοκληρώθηκε κυρίως με τον Albert Einstein, ο τρόπος σκέψης του οποίου σφράγισε τελικά την παγκόσμια ιστορία του 20οΰ αιώνα.
H ιστορία μας ξεκινάει στα τέλη του 19ου αιώνα. H εποχή εκείνη ήταν αρκετά περίεργη γιατί κυριαρχούσε μεν η αντίληψη του Νεύτωνα πάνω στην φυσική, όμως η κυριαρχία της άρχιζε να αμφισβητείται, Γιατί η κυρίαρχη έως τότε θεωρία δεν μπορούσε να εξηγήσει είτε ορισμένα πειράματα, όπως αυτό των Michelson και Morley, είτε τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, όπως τα περιέγραφε η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell...
Οι περισσότεροι φυσικοί όμως εκείνη την εποχή πίστευαν ότι όλα τα πειράματα θα αποδεικνύονταν λανθασμένα και ότι η νευτώνεια φυσική θα θριάμβευε στο τέλος, όπως συνέβαινε επί διακόσια και πλέον χρόνια. O Einstein, από την άλλη, ήταν από τους λίγους που ήθελε να μάθει όσο το δυνατόν περισσότερα για την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell, αλλά και για τα πειράματα της εποχής εκείνης που αμφισβητούσαν την κρατούσα αντίληψη.
Δυστυχώς για το νεαρό Αλβέρτο ο καθηγητής του, ο Heinrich Weber στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης, ανήκε στην πρώτη κατηγορία. Ήταν λογικό ότι η σύγκρουση δασκάλου και μαθητή δε θα αργούσε. Μια σύγκρουση που είχε σαν αποτέλεσμα όχι μόνο την απόρριψη της αίτησης του Einstein για μια θέση βοηθού στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης μετά την αποφοίτηση του, αλλά και τη δυσφήμιση του στην τότε επιστημονική κοινότητα.
Είναι χαρακτηριστικό το γράμμα του πατέρα του Einstein προς τον καθηγητή του Πανεπιστημίου της Λειψίας Ostawald, που ουσιαστικά εκλιπαρεί για μία θέση βοηθού για το γιο του. O Einstein, αφού έμεινε για αρκετό καιρό άνεργος, μια και όλες οι αιτήσεις του για μία θέση βοηθού είχαν απορριφθεί από όλα τα πανεπιστήμια στα οποία τις είχε υποβάλει, κατέληξε στο Γραφείο Ευρεσιτεχνιών στη Βέρνη.
Ίσως βέβαια όλη αυτή η περιπέτεια να του βγήκε σε καλό, αφού στο Γραφείο Ευρεσιτεχνιών είχε όλο τον απαραίτητο χρόνο να σκεφτεί και να διαμορφώσει την αντίληψη του για τον κόσμο. Από αυτό το διάσημο πλέον γραφείο ξεκίνησε η πρώτη επανάσταση στο χώρο της φυσικής του 20ού αιώνα.
Ο Einstein ενώ δημιούργησε τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας σχεδόν από το τίποτα, αυτό δεν ισχύει για την Ειδική Σχετικότητα. Στις αρχές του 20ου αιώνα ΄΄ολα τα κομμάτια του παζλ ήταν ήδη γνωστά. Εκείνο που πέτυχε το μεγαλοφυές μυαλό του ήταν να βάλει αυτά τα κομμάτια στη θέση τους. Και τότε μία καταπληκτική, αν και αναπάντεχη για πολλούς, εικόνα εμφανίστηκε. Μια εικόνα τόσο ανατρεπτική, της οποίας η σύλληψη – μολονότι έχει αποδειχθεί απολύτως σωστή μέχρι σήμερα – δε στάθηκε αρκετή για να τιμηθεί ο Einstein με το βραβείο Νόμπελ. Μάλιστα, στο τηλεγράφημα της Σουηδικής Ακαδημίας που του ανήγγελλε την απονομή του βραβείου Νόμπελ του 1921 τονιζόταν ότι το βραβείο ήταν για την προσφορά του στη φυσική σε τομείς πέραν εκείνου της Σχετικότητας.
Η θεωρία του Νεύτωνα
Οι νόμοι του Νεύτωνα στηρίχθηκαν στην ιδέα της ακαριαίας διάδοσης. Αυτό πολύ απλά σημαίνει ότι, σύμφωνα με τον Νεύτωνα η ταχύτητα διάδοσης των δυνάμεων στη φύση είναι άπειρη.
Τα διακόσια χρόνια που ακολούθησαν ήταν ένας συνεχής θρίαμβος αυτών των νόμων. Όλα τα πειράματα που πραγματοποιούνταν επιβεβαίωναν πανηγυρικά τη νευτώνεια αντίληψη για τον κόσμο. Μέχρι που φθάσαμε στα μέσα του 19ου αιώνα, οπότε ήρθε το πλήρωμα του χρόνου για την σε βάθος μελέτη και του ηλεκτρομαγνητισμού. Και τότε άρχισαν να εμφανίζονται τα προβλήματα, τα οποία πολλαπλασιάζονταν με την πάροδο του χρόνου. Ποιο ήταν το αποτέλεσμα; Στις αρχές του 20ού αιώνα το άλλοτε απόλυτα στέρεο οικοδόμημα του Νεύτωνα έτριζε επικίνδυνα. H φυσική είχε μετατραπεί σε ένα τεράστιο παζλ που απεγνωσμένα ζητούσε λύση.
Τα κομμάτια που συνέθεταν το παζλ ήταν τα εξής:
α) Οι μετασχηματισμοί του Γαλιλαίου, πάνω στους οποίους στηριζόταν όλη η νευτώνεια φυσική. Οι εν λόγω μετασχηματισμοί είναι πάρα πολύ απλοί ως προς τη σύλληψη τους. Πολύ απλά μπορούμε να τους συνοψίσουμε ως εξής: Αν κάποιος βρίσκεται πάνω σε ένα τρένο που κινείται και ο ίδιος κινείται μέσα στο τραίνο, τότε η ταχύτητα του ως προς τη Γη είναι το άθροισμα της ταχύτητας του ως προς το τραίνο και της ταχύτητας του τραίνου ως προς τη Γη. O Γαλιλαίος μάλιστα διατύπωσε πρώτος και το αξίωμα της σχετικότητας, το οποίο διατήρησε αργότερα ο Einstein. Σύμφωνα με την Αρχή της Σχετικότητας του Γαλιλαίου, όλοι οι νόμοι της κίνησης είναι ίδιοι σε όλα τα συστήματα αναφοράς.
β) H ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell. Το 1864 ο James Clerk Maxwell διατύπωσε ένα σύνολο τεσσάρων εξισώσεων, από τις οποίες μπορούσαν να περιγραφούν όλα τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Αν και η θεωρία του Maxwell ήταν πολύ κομψή, είχε ένα πολύ σημαντικό μειονέκτημα, όπως τουλάχιστον το αντιλαμβάνονταν οι φυσικοί εκείνης της εποχής: δεν ήταν συμβατή με τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου. Με την αλλαγή συστήματος αναφοράς άλλαζαν και οι εξισώσεις, κάτι το ιδιαίτερα ενοχλητικό. Το πιο ενοχλητικό όμως ήταν ότι από τις εξισώσεις αποδεικνυόταν ότι η ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είχε μία συγκεκριμένη τιμή. Και η ταχύτητα αυτή ήταν η ταχύτητα μετάδοσης των ηλεκτρικών και των μαγνητικών πεδίων. Συνεπώς, η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell ερχόταν σε κατάφωρη αντίθεση με τη θεωρία της ακαριαίας διάδοσης.
γ) To πείραμα των Michelson και Morley. H αντίληψη του Νεύτωνα για τον κόσμο προϋπέθετε έναν απόλυτο χώρο και έναν απόλυτο χρόνο, εντελώς ανεξάρτητους μεταξύ τους. Στην προσπάθεια τους να βρουν αυτό το απόλυτο σύστημα αναφοράς, οι επιστήμονες του 19ου αιώνα κατέληξαν στην ιδέα του αιθέρα, του υλικού εντός του οποίου κινούνται οι πλανήτες. Το υλικό αυτό είχε αρκετά περίεργες ιδιότητες. Σύμφωνα με την αρχική ιδέα, ήταν ελαστικό, ακίνητο και αβαρές. Το 1881 ένας 28χρονος Αμερικανός, ο Michelson, προσπάθησε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τον αιθέρα. H ιδέα ήταν απλή: δεδομένης της κίνησης της Γης ως προς τον αιθέρα και της ισχύος των μετασχηματισμών του Γαλιλαίου, η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός σε δύο διευθύνσεις, μία παράλληλη με την κίνηση της Γης ως προς τον αιθέρα και μία κάθετη, θα είναι διαφορετική. Τελικά, πραγματοποιήθηκαν δύο πειράματα, ένα από τον Michelson το 1881 και ένα δεύτερο από τους Michelson και Morley το 1887. Και τα δύο πειράματα όμως κατέληξαν στο ίδιο αποτέλεσμα: η ταχύτητα του φωτός είναι ακριβώς η ίδια, σε όποια διεύθυνση και να μετρηθεί. Άρα, κάτι έπρεπε να αλλάξει στην όλη θεώρηση του κόσμου.
H συντριπτική πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας, όπως είπαμε πιο πάνω, δέχθηκε με σκεπτικισμό το αποτέλεσμα των δύο πειραμάτων. Το ίδιο και ο Weber, ο καθηγητής του Einstein στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης, που είχε την ακλόνητη πεποίθηση ότι αυτή ήταν η πραγματικότητα, ότι όλα αυτά θα αποδεικνύονταν λανθασμένα και ότι, τελικά, η νευτώνεια φυσική θα επιβραβευόταν, όπως συνέβαινε κατά τη διάρκεια των τελευταίων δύο αιώνων.
Υπήρχαν όμως και κάποιοι που, μελετώντας τα πειράματα, κατάλαβαν ότι παρά τη δυσκολία τους τα αποτελέσματα τους – αν και μη αναμενόμενα – ήταν σωστά. Συνεπώς, κάτι περίεργο συνέβαινε με την αντίληψη για τον αιθέρα. H πρώτη επανάσταση του 20ού αιώνα στη φυσική είχε αρχίσει.
Οι πρώτες αμφισβητήσεις από τους Lorentz και Fitzgerald
Οι πρώτες προσπάθειες εξήγησης του μηδενικού αποτελέσματος των Michelson-Morley έγιναν από τους Lorentz και Fitzgerald, οι οποίοι υποστήριξαν ότι οι διαστάσεις των σωμάτων αλλάζουν κατά την κίνηση τους μέσα στον αιθέρα. Επρόκειτο για μία επαναστατική πρόταση, διότι για πρώτη φορά κλονιζόταν η ιδέα του αναλλοίωτου των διαστάσεων των σωμάτων. Παράλληλα όμως ήταν ημιτελής, καθώς εξακολουθούσε να δέχεται τη θεωρία του αιθέρα. Επίσης, οι Lorentz και Poincare πρότειναν κάποιους μετασχηματισμούς από ένα σύστημα αναφοράς σε ένα άλλο, οι οποίοι πλέον είναι γνωστοί σαν «μετασχηματισμοί Lorentz». Οι εξισώσεις του Maxwell είναι αναλλοίωτες κάτω από αυτούς τους μετασχηματισμούς.
Τι ακριβώς σημαίνει αυτό; Έστω ένα μαγνητικό πεδίο παρατηρούμενο από κάποιον ακίνητο παρατηρητή. Οι δυναμικές γραμμές του είναι κλειστές (δηλαδή, δεν έχουν αρχή και τέλος). Αυτό συμβαίνει διότι δεν υπάρχουν μαγνητικά φορτία που να δημιουργούν το πεδίο, σε αντίθεση με το ηλεκτρικό πεδίο που οι δυναμικές γραμμές του είναι ανοικτές, λόγω της ύπαρξης ηλεκτρικών φορτίων. Αν ίσχυαν οι μετασχηματισμοί του Γαλιλαίου και το ίδιο μαγνητικό πεδίο το παρατηρούσε ένας κινούμενος παρατηρητής, θα έβλεπε ότι κάποιες μαγνητικές γραμμές θα ήταν κλειστές, ενώ κάποιες άλλες θα ήταν ανοιχτές. Ανοιχτές γραμμές, όπως αναφέρθηκε, σημαίνει παρουσία μαγνητικών φορτίων. Συνεπώς, η κίνηση του παρατηρητή δημιουργεί ή καταστρέφει τα μαγνητικά φορτία. Το γεγονός λοιπόν της κίνησης του παρατηρητή αλλάζει όλη την εικόνα του πεδίου. Γι’ αυτό και έγινε αναφορά στην ασυμβατότητα των εξισώσεων του Maxwell με τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου.
Αντίθετα, οι μετασχηματισμοί του Lorentz δεν παρουσιάζουν τέτοια προβλήματα και διατηρούν την ίδια εικόνα για τα πεδία, ακόμα και αν ο παρατηρητής κινείται. Για να συμβαίνει κάτι τέτοιο, πρέπει εκτός από τη συστολή του μήκους, που πρότεινε ο Fitzgerald, να υπάρχει και διαστολή του χρόνου. Αυτό ακριβώς το σημείο εμπόδισε τον Lorentz και τους συνεργάτες του να διατυπώσουν την πλήρη θεωρία. O χρόνος, σύμφωνα με το Νεύτωνα είναι απόλυτος. Τίποτα δεν μπορεί να αλλάξει το ρυθμό με τον οποίο αυτός κυλά.
Ο χρόνος παύει να είναι απόλυτος
Εδώ λοιπόν εμφανίζεται η ιδιοφυΐα του Einstein. H λύση που πρότεινε το 1905 με την εργασία του «Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων σωμάτων» ήταν επαναστατική: Δεν υπάρχει ούτε απόλυτος χώρος ούτε απόλυτος χρόνος, ενώ δεν έκανε καμιά αναφορά στον αιθέρα ως να μην υπήρχε. Με αυτό τον τρόπο γεννήθηκε η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (ΕΘΣ). H θεωρία αυτή θεμελιώνεται πάνω σε δύο αξιώματα.
Σύμφωνα με το πρώτο αξίωμα, η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια για όλα τα συστήματα αναφοράς που κινούνται με σταθερές μεταξύ τους ταχύτητες (είναι δηλαδή όπως λέμε αδρανειακά συστήματα αναφοράς). Ουσιαστικά, το πρώτο αξίωμα της ΕΘΣ συνίσταται στην αποδοχή του μηδενικού αποτελέσματος του μηδενικού αποτελέσματος του πειράματος των Michelson-Morley.
Άμεσα επακόλουθα αυτής της πρότασης είναι τα εξής:
1. Οι διαστάσεις των κινουμένων σωμάτων αλλάζουν, ακολουθώντας τους μετασχηματισμούς του Lorentz (συστολή του μήκους),
2. Ο χρόνος που μετρά ένας παρατηρητής σε ηρεμία είναι μεγαλύτερος από εκείνον που μετρά ένας κινούμενος παρατηρητής (διαστολή του χρόνου),
3. Η μάζα ενός σώματος (δηλαδή και η αδράνεια του) αυξάνεται, όταν το σώμα επιταχύνεται. Βασικό λοιπόν μέγεθος της ΕΘΣ είναι η μάζα ηρεμίας, όπως χαρακτηριστικά ονομάζεται, και δηλώνει τη μάζα που θα έχει ένα οποιοδήποτε σώμα σε ένα σύστημα αναφοράς στο οποίο είναι ακίνητο. H αύξηση της μάζας δεν είναι γραμμική με την ταχύτητα, αλλά πλησιάζει το άπειρο, όταν η ταχύτητα πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός.
Έχοντας υπόψη το γεγονός ότι η ΕΘΣ ουσιαστικά ένωσε τη μάζα (m) με την ενέργεια (E) με την πασίγνωστη πια σχέση (c η ταχύτητα του φωτός στο κενό): E = mc2 εύκολα μπορούμε να καταλάβουμε το αποτέλεσμα που προαναφέρθηκε.
Όταν λοιπόν προσφέρουμε ενέργεια σε ένα σώμα που ήδη κινείται, τότε μέρος της ενέργειας αυτής εμφανίζεται σαν μάζα και το υπόλοιπο σαν κινητική ενέργεια. Όσο πιο γρήγορα κινείται το σώμα τόσο πιο μεγάλο μέρος της ενέργειας εμφανίζεται σαν αύξηση μάζας και τόσο μικρότερο σαν αύξηση της κινητικής ενέργειας, με αποτέλεσμα, όταν φθάνουμε την ταχύτητα του φωτός, η μάζα του σώματος (άρα, και η αδράνεια του) να απειρίζονται. Άπειρη αδράνεια σημαίνει ότι χρειάζεται άπειρη δύναμη για την περαιτέρω επιτάχυνση του σώματος, κάτι που πρακτικά είναι αδύνατο. Συνεπώς, κανένα σώμα δεν μπορεί να επιταχυνθεί σε ταχύτητες μεγαλύτερες της ταχύτητας του φωτός. Επίσης, άπειρη μάζα σημαίνει άπειρη ενέργεια, κάτι που επίσης είναι αδύνατο.
Άρα, κανένα σώμα με μη μηδενική μάζα ηρεμίας δεν μπορεί να φθάσει την ταχύτητα του φωτός. Τα μόνα σώματα που μπορούν να κινούνται με αυτή την ταχύτητα είναι σωματίδια όπως τα φωτόνια, που έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας.
Σύμφωνα με το δεύτερο αξίωμα της ΕΘΣ, όλοι οι νόμοι της φύσης είναι αναλλοίωτοι σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς (δηλαδή, σε όλα τα συστήματα που κινούνται με σταθερές μεταξύ τους ταχύτητες). Το αξίωμα αυτό είναι ουσιαστικά η γενίκευση της Αρχής της Σχετικότητας του Γαλιλαίου. H συγκεκριμένη πρόταση καταργεί την ιδέα του απόλυτου συστήματος αναφοράς. Δηλώνει ότι δεν υπάρχει πείραμα που να μπορεί να πραγματοποιήσει κάποιος παρατηρητής και από το αποτέλεσμα του να προσδιορίσει ένα σύστημα αναφοράς ως προς το οποίο να κινούνται όλα τα άλλα συστήματα αναφοράς. Κατά συνέπεια, είναι αδύνατη πλέον η αναφορά στον απόλυτο χώρο.
Ενιαίος τετραδιάστατος χωροχρόνος
Αντίθετα με τη θεωρία του Νεύτωνα, στη θεωρία της Σχετικότητας ο χώρος και ο χρόνος ενώνονται σε μία τετραδιάστατη έννοια, το χωροχρόνο. O Einstein, δηλαδή, συνέδεσε την κλασική μηχανική με τον ηλεκτρομαγνητισμό, καταργώντας τον απόλυτο τρισδιάστατο χώρο και μετατρέποντας τον σε τετραδιάστατο χωροχρόνο.
H πλήρης συνειδητοποίηση αυτού του γεγονότος ήρθε το 1908, όταν ο Minkowski, βασισμένος στην ΕΘΣ, παρουσίασε την τετραδιάστατη γεωμετρία του. O Minkowski απέδειξε ότι υπάρχει ένας απόλυτος τετραδιάστατος χωροχρόνος, τον οποίο αντιλαμβάνονται όμοια όλοι οι παρατηρητές σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.
Την ιδέα των πολλών διαστάσεων χρησιμοποιούν και σήμερα οι φυσικοί στις θεωρίες των ενοποιημένων πεδίων, στην προσπάθεια τους δηλαδή να ενώσουν όλες τις γνωστές δυνάμεις στη φύση. Ένα αποτέλεσμα της ΕΘΣ ήταν η κατάργηση της απόλυτης έννοιας του ταυτόχρονου. Όλες οι πληροφορίες ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Συνεπώς, δύο γεγονότα που είναι ταυτόχρονα για έναν παρατηρητή δεν είναι ταυτόχρονα για κάποιον άλλο, κινούμενο ως προς τον πρώτο, παρατηρητή.
Το αποτέλεσμα αυτό, σε μία πρώτη ανάγνωση, φαίνεται εντελώς παράλογο. Αυτό συμβαίνει διότι η εμπειρία μας βασίζεται σε φαινόμενα για τα οποία η ταχύτητα του φωτός μπορεί κάλλιστα να θεωρηθεί άπειρη. Αν σκεφτούμε ότι το φως πραγματοποιεί επτάμισι φορές το γύρο της Γης σε ένα δευτερόλεπτο, γίνεται κατανοητό το γιατί στην καθημερινή ζωή δεν παρατηρούμε τέτοια φαινόμενα.
Το ακόλουθο απλό παράδειγμα θα μας βοηθήσει να συνειδητοποιήσουμε τη σχετικότητα του ταυτόχρονου. Έστω ότι δύο διαστημικοί καουμπόι είναι έτοιμοι να μονομαχήσουν με ακτινοπίστολα. Στο μέσο της απόστασης υπάρχει ένα φανάρι, το οποίο θα δώσει το σήμα για τη μονομαχία. Μόλις το φως ανάψει, πρέπει να πυροβολήσουν. Για τον έναν οπλοφόρο ο δικός του πυροβολισμός και το φωτεινό σύνθημα συμβαίνουν ταυτόχρονα. Για τον δεύτερο οπλοφόρο ο πυροβολισμός του αντιπάλου του καθυστερεί σημαντικά σε σχέση με το φωτεινό σύνθημα έναρξης της μονομαχίας. Και αυτό διότι το κινούμενο με πεπερασμένη ταχύτητα φως χρειάζεται κάποιον χρόνο, προκειμένου να καλύψει την απόσταση από τον αντίπαλο του μέχρι αυτόν. Αντίθετα, για έναν παρατηρητή που βρίσκεται στο φανάρι οι δύο πυροβολισμοί είναι ταυτόχρονοι, καθώς το φως καλύπτει τις ίδιες αποστάσεις και από τους δύο οπλοφόρους, αλλά καθυστερούν σημαντικά σε σχέση με το άναμα του φαναριού.
Ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα της ΕΘΣ είναι το ότι καμία πληροφορία δεν μπορεί να ξεπεράσει την ταχύτητα του φωτός, διότι θα καταστρέψει την αιτιότητα. Θα υπάρχουν, δηλαδή, συστήματα αναφοράς στα οποία το αποτέλεσμα θα προηγείται του αιτίου. Επειδή, δε, η ΕΘΣ είναι μία θεωρία αιτιοκρατική, αυτό είναι απαγορευτικό. Ένα παράδειγμα καταστροφής της αιτιότητας, στην περίπτωση που ένα σώμα ξεπεράσει την ταχύτητα του φωτός, είναι το ακόλουθο. Επιστρέφουμε στο παράδειγμα της προηγούμενης διαστημικής μονομαχίας. Έστω λοιπόν ότι οι μονομάχοι δεν έχουν ακτινοπίστολα, αλλά όπλα που εκτοξεύουν σφαίρες κινούμενες ταχύτερα από το φως. Μόλις ο ένας οπλοφόρος βλέπει το σήμα, πυροβολεί. H σφαίρα κινείται γρηγορότερα από το φως, άρα προηγείται της εικόνας του πυροβολισμού. Κατά συνέπεια, ο δεύτερος οπλοφόρος πρώτα δέχεται τη σφαίρα και μετά βλέπει την εικόνα του πρώτου που πυροβολεί. Στο σύστημα αναφοράς του δευτέρου, λοιπόν, το αποτέλεσμα (τραυματισμός του από τη σφαίρα) προηγείται του αιτίου (πυροβολισμός).
Επίλογος
H ΕΘΣ περιλαμβάνει όλη τη νευτώνεια φυσική. Αν στις εξισώσεις της η ταχύτητα του κινούμενου σώματος είναι πάρα πολύ μικρή σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός, τότε αναπαράγεται όλη η φυσική του Νεύτωνα, κάτι το απόλυτα λογικό. H νέα θεωρία στο όριο των πολύ μικρών ταχυτήτων της καθημερινής ζωής θα έπρεπε να εξηγεί όλα αυτά τα φαινόμενα που εξηγούσε τόσο επιτυχημένα η προηγούμενη θεώρηση.
Όμως, από τη δημιουργία της, η ΕΘΣ είχε μία πολύ σημαντική έλλειψη: αναφερόταν μόνο σε αδρανειακά συστήματα αναφοράς, δεν συμπεριλάμβανε δηλαδή τα επιταχυνόμενα συστήματα και φυσικά ούτε τη βαρύτητα. Αυτό το πρόβλημα ο Einstein το εντόπισε σχεδόν αμέσως. H λύση του όμως χρειάστηκε μια δεκαετία σκληρής δουλειάς. Όταν μάλιστα ανέφερε το πρόβλημα στον Planck, εκείνος προσπάθησε να τον αποτρέψει με τον εξής συλλογισμό: «Ως παλιότερος φίλος πρέπει να σε συμβουλεύσω ενάντια σε αυτό, διότι αρχικά δε θα επιτύχεις, αλλά, και αν ακόμα επιτύχεις, κανένας δε θα σε πιστέψει»! Ευτυχώς όμως ο Einstein δεν άκουσε τη συμβουλή του Planck, με αποτέλεσμα λίγα χρόνια αργότερα να βγει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ).
Όπως γνωρίζουμε μαζί με τους τρεις νόμους της κίνησης ο Νεύτωνας διατύπωσε και μία θεωρία για τη βαρύτητα. Όμως, σύμφωνα με τον Einstein, αυτή η νευτώνεια θεωρία για τη βαρύτητα έπρεπε να είναι λανθασμένη, λόγω του ότι στη νευτώνεια θεώρηση η βαρυτική δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ των δύο σωμάτων. Σύμφωνα όμως με την ΕΘΣ, η απόσταση αλλάζει ανάλογα με το σύστημα αναφοράς. Συνεπώς, έπρεπε να επηρεάζεται και ο νόμος της παγκόσμιας έλξης.
H ιστορία μας ξεκινάει στα τέλη του 19ου αιώνα. H εποχή εκείνη ήταν αρκετά περίεργη γιατί κυριαρχούσε μεν η αντίληψη του Νεύτωνα πάνω στην φυσική, όμως η κυριαρχία της άρχιζε να αμφισβητείται, Γιατί η κυρίαρχη έως τότε θεωρία δεν μπορούσε να εξηγήσει είτε ορισμένα πειράματα, όπως αυτό των Michelson και Morley, είτε τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, όπως τα περιέγραφε η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell...
Οι περισσότεροι φυσικοί όμως εκείνη την εποχή πίστευαν ότι όλα τα πειράματα θα αποδεικνύονταν λανθασμένα και ότι η νευτώνεια φυσική θα θριάμβευε στο τέλος, όπως συνέβαινε επί διακόσια και πλέον χρόνια. O Einstein, από την άλλη, ήταν από τους λίγους που ήθελε να μάθει όσο το δυνατόν περισσότερα για την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell, αλλά και για τα πειράματα της εποχής εκείνης που αμφισβητούσαν την κρατούσα αντίληψη.
Δυστυχώς για το νεαρό Αλβέρτο ο καθηγητής του, ο Heinrich Weber στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης, ανήκε στην πρώτη κατηγορία. Ήταν λογικό ότι η σύγκρουση δασκάλου και μαθητή δε θα αργούσε. Μια σύγκρουση που είχε σαν αποτέλεσμα όχι μόνο την απόρριψη της αίτησης του Einstein για μια θέση βοηθού στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης μετά την αποφοίτηση του, αλλά και τη δυσφήμιση του στην τότε επιστημονική κοινότητα.
Είναι χαρακτηριστικό το γράμμα του πατέρα του Einstein προς τον καθηγητή του Πανεπιστημίου της Λειψίας Ostawald, που ουσιαστικά εκλιπαρεί για μία θέση βοηθού για το γιο του. O Einstein, αφού έμεινε για αρκετό καιρό άνεργος, μια και όλες οι αιτήσεις του για μία θέση βοηθού είχαν απορριφθεί από όλα τα πανεπιστήμια στα οποία τις είχε υποβάλει, κατέληξε στο Γραφείο Ευρεσιτεχνιών στη Βέρνη.
Ίσως βέβαια όλη αυτή η περιπέτεια να του βγήκε σε καλό, αφού στο Γραφείο Ευρεσιτεχνιών είχε όλο τον απαραίτητο χρόνο να σκεφτεί και να διαμορφώσει την αντίληψη του για τον κόσμο. Από αυτό το διάσημο πλέον γραφείο ξεκίνησε η πρώτη επανάσταση στο χώρο της φυσικής του 20ού αιώνα.
Ο Einstein ενώ δημιούργησε τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας σχεδόν από το τίποτα, αυτό δεν ισχύει για την Ειδική Σχετικότητα. Στις αρχές του 20ου αιώνα ΄΄ολα τα κομμάτια του παζλ ήταν ήδη γνωστά. Εκείνο που πέτυχε το μεγαλοφυές μυαλό του ήταν να βάλει αυτά τα κομμάτια στη θέση τους. Και τότε μία καταπληκτική, αν και αναπάντεχη για πολλούς, εικόνα εμφανίστηκε. Μια εικόνα τόσο ανατρεπτική, της οποίας η σύλληψη – μολονότι έχει αποδειχθεί απολύτως σωστή μέχρι σήμερα – δε στάθηκε αρκετή για να τιμηθεί ο Einstein με το βραβείο Νόμπελ. Μάλιστα, στο τηλεγράφημα της Σουηδικής Ακαδημίας που του ανήγγελλε την απονομή του βραβείου Νόμπελ του 1921 τονιζόταν ότι το βραβείο ήταν για την προσφορά του στη φυσική σε τομείς πέραν εκείνου της Σχετικότητας.
Η θεωρία του Νεύτωνα
Οι νόμοι του Νεύτωνα στηρίχθηκαν στην ιδέα της ακαριαίας διάδοσης. Αυτό πολύ απλά σημαίνει ότι, σύμφωνα με τον Νεύτωνα η ταχύτητα διάδοσης των δυνάμεων στη φύση είναι άπειρη.
Τα διακόσια χρόνια που ακολούθησαν ήταν ένας συνεχής θρίαμβος αυτών των νόμων. Όλα τα πειράματα που πραγματοποιούνταν επιβεβαίωναν πανηγυρικά τη νευτώνεια αντίληψη για τον κόσμο. Μέχρι που φθάσαμε στα μέσα του 19ου αιώνα, οπότε ήρθε το πλήρωμα του χρόνου για την σε βάθος μελέτη και του ηλεκτρομαγνητισμού. Και τότε άρχισαν να εμφανίζονται τα προβλήματα, τα οποία πολλαπλασιάζονταν με την πάροδο του χρόνου. Ποιο ήταν το αποτέλεσμα; Στις αρχές του 20ού αιώνα το άλλοτε απόλυτα στέρεο οικοδόμημα του Νεύτωνα έτριζε επικίνδυνα. H φυσική είχε μετατραπεί σε ένα τεράστιο παζλ που απεγνωσμένα ζητούσε λύση.
Τα κομμάτια που συνέθεταν το παζλ ήταν τα εξής:
α) Οι μετασχηματισμοί του Γαλιλαίου, πάνω στους οποίους στηριζόταν όλη η νευτώνεια φυσική. Οι εν λόγω μετασχηματισμοί είναι πάρα πολύ απλοί ως προς τη σύλληψη τους. Πολύ απλά μπορούμε να τους συνοψίσουμε ως εξής: Αν κάποιος βρίσκεται πάνω σε ένα τρένο που κινείται και ο ίδιος κινείται μέσα στο τραίνο, τότε η ταχύτητα του ως προς τη Γη είναι το άθροισμα της ταχύτητας του ως προς το τραίνο και της ταχύτητας του τραίνου ως προς τη Γη. O Γαλιλαίος μάλιστα διατύπωσε πρώτος και το αξίωμα της σχετικότητας, το οποίο διατήρησε αργότερα ο Einstein. Σύμφωνα με την Αρχή της Σχετικότητας του Γαλιλαίου, όλοι οι νόμοι της κίνησης είναι ίδιοι σε όλα τα συστήματα αναφοράς.
β) H ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell. Το 1864 ο James Clerk Maxwell διατύπωσε ένα σύνολο τεσσάρων εξισώσεων, από τις οποίες μπορούσαν να περιγραφούν όλα τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Αν και η θεωρία του Maxwell ήταν πολύ κομψή, είχε ένα πολύ σημαντικό μειονέκτημα, όπως τουλάχιστον το αντιλαμβάνονταν οι φυσικοί εκείνης της εποχής: δεν ήταν συμβατή με τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου. Με την αλλαγή συστήματος αναφοράς άλλαζαν και οι εξισώσεις, κάτι το ιδιαίτερα ενοχλητικό. Το πιο ενοχλητικό όμως ήταν ότι από τις εξισώσεις αποδεικνυόταν ότι η ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είχε μία συγκεκριμένη τιμή. Και η ταχύτητα αυτή ήταν η ταχύτητα μετάδοσης των ηλεκτρικών και των μαγνητικών πεδίων. Συνεπώς, η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell ερχόταν σε κατάφωρη αντίθεση με τη θεωρία της ακαριαίας διάδοσης.
γ) To πείραμα των Michelson και Morley. H αντίληψη του Νεύτωνα για τον κόσμο προϋπέθετε έναν απόλυτο χώρο και έναν απόλυτο χρόνο, εντελώς ανεξάρτητους μεταξύ τους. Στην προσπάθεια τους να βρουν αυτό το απόλυτο σύστημα αναφοράς, οι επιστήμονες του 19ου αιώνα κατέληξαν στην ιδέα του αιθέρα, του υλικού εντός του οποίου κινούνται οι πλανήτες. Το υλικό αυτό είχε αρκετά περίεργες ιδιότητες. Σύμφωνα με την αρχική ιδέα, ήταν ελαστικό, ακίνητο και αβαρές. Το 1881 ένας 28χρονος Αμερικανός, ο Michelson, προσπάθησε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τον αιθέρα. H ιδέα ήταν απλή: δεδομένης της κίνησης της Γης ως προς τον αιθέρα και της ισχύος των μετασχηματισμών του Γαλιλαίου, η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός σε δύο διευθύνσεις, μία παράλληλη με την κίνηση της Γης ως προς τον αιθέρα και μία κάθετη, θα είναι διαφορετική. Τελικά, πραγματοποιήθηκαν δύο πειράματα, ένα από τον Michelson το 1881 και ένα δεύτερο από τους Michelson και Morley το 1887. Και τα δύο πειράματα όμως κατέληξαν στο ίδιο αποτέλεσμα: η ταχύτητα του φωτός είναι ακριβώς η ίδια, σε όποια διεύθυνση και να μετρηθεί. Άρα, κάτι έπρεπε να αλλάξει στην όλη θεώρηση του κόσμου.
H συντριπτική πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας, όπως είπαμε πιο πάνω, δέχθηκε με σκεπτικισμό το αποτέλεσμα των δύο πειραμάτων. Το ίδιο και ο Weber, ο καθηγητής του Einstein στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης, που είχε την ακλόνητη πεποίθηση ότι αυτή ήταν η πραγματικότητα, ότι όλα αυτά θα αποδεικνύονταν λανθασμένα και ότι, τελικά, η νευτώνεια φυσική θα επιβραβευόταν, όπως συνέβαινε κατά τη διάρκεια των τελευταίων δύο αιώνων.
Υπήρχαν όμως και κάποιοι που, μελετώντας τα πειράματα, κατάλαβαν ότι παρά τη δυσκολία τους τα αποτελέσματα τους – αν και μη αναμενόμενα – ήταν σωστά. Συνεπώς, κάτι περίεργο συνέβαινε με την αντίληψη για τον αιθέρα. H πρώτη επανάσταση του 20ού αιώνα στη φυσική είχε αρχίσει.
Οι πρώτες αμφισβητήσεις από τους Lorentz και Fitzgerald
Οι πρώτες προσπάθειες εξήγησης του μηδενικού αποτελέσματος των Michelson-Morley έγιναν από τους Lorentz και Fitzgerald, οι οποίοι υποστήριξαν ότι οι διαστάσεις των σωμάτων αλλάζουν κατά την κίνηση τους μέσα στον αιθέρα. Επρόκειτο για μία επαναστατική πρόταση, διότι για πρώτη φορά κλονιζόταν η ιδέα του αναλλοίωτου των διαστάσεων των σωμάτων. Παράλληλα όμως ήταν ημιτελής, καθώς εξακολουθούσε να δέχεται τη θεωρία του αιθέρα. Επίσης, οι Lorentz και Poincare πρότειναν κάποιους μετασχηματισμούς από ένα σύστημα αναφοράς σε ένα άλλο, οι οποίοι πλέον είναι γνωστοί σαν «μετασχηματισμοί Lorentz». Οι εξισώσεις του Maxwell είναι αναλλοίωτες κάτω από αυτούς τους μετασχηματισμούς.
Τι ακριβώς σημαίνει αυτό; Έστω ένα μαγνητικό πεδίο παρατηρούμενο από κάποιον ακίνητο παρατηρητή. Οι δυναμικές γραμμές του είναι κλειστές (δηλαδή, δεν έχουν αρχή και τέλος). Αυτό συμβαίνει διότι δεν υπάρχουν μαγνητικά φορτία που να δημιουργούν το πεδίο, σε αντίθεση με το ηλεκτρικό πεδίο που οι δυναμικές γραμμές του είναι ανοικτές, λόγω της ύπαρξης ηλεκτρικών φορτίων. Αν ίσχυαν οι μετασχηματισμοί του Γαλιλαίου και το ίδιο μαγνητικό πεδίο το παρατηρούσε ένας κινούμενος παρατηρητής, θα έβλεπε ότι κάποιες μαγνητικές γραμμές θα ήταν κλειστές, ενώ κάποιες άλλες θα ήταν ανοιχτές. Ανοιχτές γραμμές, όπως αναφέρθηκε, σημαίνει παρουσία μαγνητικών φορτίων. Συνεπώς, η κίνηση του παρατηρητή δημιουργεί ή καταστρέφει τα μαγνητικά φορτία. Το γεγονός λοιπόν της κίνησης του παρατηρητή αλλάζει όλη την εικόνα του πεδίου. Γι’ αυτό και έγινε αναφορά στην ασυμβατότητα των εξισώσεων του Maxwell με τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου.
Αντίθετα, οι μετασχηματισμοί του Lorentz δεν παρουσιάζουν τέτοια προβλήματα και διατηρούν την ίδια εικόνα για τα πεδία, ακόμα και αν ο παρατηρητής κινείται. Για να συμβαίνει κάτι τέτοιο, πρέπει εκτός από τη συστολή του μήκους, που πρότεινε ο Fitzgerald, να υπάρχει και διαστολή του χρόνου. Αυτό ακριβώς το σημείο εμπόδισε τον Lorentz και τους συνεργάτες του να διατυπώσουν την πλήρη θεωρία. O χρόνος, σύμφωνα με το Νεύτωνα είναι απόλυτος. Τίποτα δεν μπορεί να αλλάξει το ρυθμό με τον οποίο αυτός κυλά.
Ο χρόνος παύει να είναι απόλυτος
Εδώ λοιπόν εμφανίζεται η ιδιοφυΐα του Einstein. H λύση που πρότεινε το 1905 με την εργασία του «Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων σωμάτων» ήταν επαναστατική: Δεν υπάρχει ούτε απόλυτος χώρος ούτε απόλυτος χρόνος, ενώ δεν έκανε καμιά αναφορά στον αιθέρα ως να μην υπήρχε. Με αυτό τον τρόπο γεννήθηκε η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (ΕΘΣ). H θεωρία αυτή θεμελιώνεται πάνω σε δύο αξιώματα.
Σύμφωνα με το πρώτο αξίωμα, η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια για όλα τα συστήματα αναφοράς που κινούνται με σταθερές μεταξύ τους ταχύτητες (είναι δηλαδή όπως λέμε αδρανειακά συστήματα αναφοράς). Ουσιαστικά, το πρώτο αξίωμα της ΕΘΣ συνίσταται στην αποδοχή του μηδενικού αποτελέσματος του μηδενικού αποτελέσματος του πειράματος των Michelson-Morley.
Άμεσα επακόλουθα αυτής της πρότασης είναι τα εξής:
1. Οι διαστάσεις των κινουμένων σωμάτων αλλάζουν, ακολουθώντας τους μετασχηματισμούς του Lorentz (συστολή του μήκους),
2. Ο χρόνος που μετρά ένας παρατηρητής σε ηρεμία είναι μεγαλύτερος από εκείνον που μετρά ένας κινούμενος παρατηρητής (διαστολή του χρόνου),
3. Η μάζα ενός σώματος (δηλαδή και η αδράνεια του) αυξάνεται, όταν το σώμα επιταχύνεται. Βασικό λοιπόν μέγεθος της ΕΘΣ είναι η μάζα ηρεμίας, όπως χαρακτηριστικά ονομάζεται, και δηλώνει τη μάζα που θα έχει ένα οποιοδήποτε σώμα σε ένα σύστημα αναφοράς στο οποίο είναι ακίνητο. H αύξηση της μάζας δεν είναι γραμμική με την ταχύτητα, αλλά πλησιάζει το άπειρο, όταν η ταχύτητα πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός.
Έχοντας υπόψη το γεγονός ότι η ΕΘΣ ουσιαστικά ένωσε τη μάζα (m) με την ενέργεια (E) με την πασίγνωστη πια σχέση (c η ταχύτητα του φωτός στο κενό): E = mc2 εύκολα μπορούμε να καταλάβουμε το αποτέλεσμα που προαναφέρθηκε.
Όταν λοιπόν προσφέρουμε ενέργεια σε ένα σώμα που ήδη κινείται, τότε μέρος της ενέργειας αυτής εμφανίζεται σαν μάζα και το υπόλοιπο σαν κινητική ενέργεια. Όσο πιο γρήγορα κινείται το σώμα τόσο πιο μεγάλο μέρος της ενέργειας εμφανίζεται σαν αύξηση μάζας και τόσο μικρότερο σαν αύξηση της κινητικής ενέργειας, με αποτέλεσμα, όταν φθάνουμε την ταχύτητα του φωτός, η μάζα του σώματος (άρα, και η αδράνεια του) να απειρίζονται. Άπειρη αδράνεια σημαίνει ότι χρειάζεται άπειρη δύναμη για την περαιτέρω επιτάχυνση του σώματος, κάτι που πρακτικά είναι αδύνατο. Συνεπώς, κανένα σώμα δεν μπορεί να επιταχυνθεί σε ταχύτητες μεγαλύτερες της ταχύτητας του φωτός. Επίσης, άπειρη μάζα σημαίνει άπειρη ενέργεια, κάτι που επίσης είναι αδύνατο.
Άρα, κανένα σώμα με μη μηδενική μάζα ηρεμίας δεν μπορεί να φθάσει την ταχύτητα του φωτός. Τα μόνα σώματα που μπορούν να κινούνται με αυτή την ταχύτητα είναι σωματίδια όπως τα φωτόνια, που έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας.
Σύμφωνα με το δεύτερο αξίωμα της ΕΘΣ, όλοι οι νόμοι της φύσης είναι αναλλοίωτοι σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς (δηλαδή, σε όλα τα συστήματα που κινούνται με σταθερές μεταξύ τους ταχύτητες). Το αξίωμα αυτό είναι ουσιαστικά η γενίκευση της Αρχής της Σχετικότητας του Γαλιλαίου. H συγκεκριμένη πρόταση καταργεί την ιδέα του απόλυτου συστήματος αναφοράς. Δηλώνει ότι δεν υπάρχει πείραμα που να μπορεί να πραγματοποιήσει κάποιος παρατηρητής και από το αποτέλεσμα του να προσδιορίσει ένα σύστημα αναφοράς ως προς το οποίο να κινούνται όλα τα άλλα συστήματα αναφοράς. Κατά συνέπεια, είναι αδύνατη πλέον η αναφορά στον απόλυτο χώρο.
Ενιαίος τετραδιάστατος χωροχρόνος
Αντίθετα με τη θεωρία του Νεύτωνα, στη θεωρία της Σχετικότητας ο χώρος και ο χρόνος ενώνονται σε μία τετραδιάστατη έννοια, το χωροχρόνο. O Einstein, δηλαδή, συνέδεσε την κλασική μηχανική με τον ηλεκτρομαγνητισμό, καταργώντας τον απόλυτο τρισδιάστατο χώρο και μετατρέποντας τον σε τετραδιάστατο χωροχρόνο.
H πλήρης συνειδητοποίηση αυτού του γεγονότος ήρθε το 1908, όταν ο Minkowski, βασισμένος στην ΕΘΣ, παρουσίασε την τετραδιάστατη γεωμετρία του. O Minkowski απέδειξε ότι υπάρχει ένας απόλυτος τετραδιάστατος χωροχρόνος, τον οποίο αντιλαμβάνονται όμοια όλοι οι παρατηρητές σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.
Την ιδέα των πολλών διαστάσεων χρησιμοποιούν και σήμερα οι φυσικοί στις θεωρίες των ενοποιημένων πεδίων, στην προσπάθεια τους δηλαδή να ενώσουν όλες τις γνωστές δυνάμεις στη φύση. Ένα αποτέλεσμα της ΕΘΣ ήταν η κατάργηση της απόλυτης έννοιας του ταυτόχρονου. Όλες οι πληροφορίες ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Συνεπώς, δύο γεγονότα που είναι ταυτόχρονα για έναν παρατηρητή δεν είναι ταυτόχρονα για κάποιον άλλο, κινούμενο ως προς τον πρώτο, παρατηρητή.
Το αποτέλεσμα αυτό, σε μία πρώτη ανάγνωση, φαίνεται εντελώς παράλογο. Αυτό συμβαίνει διότι η εμπειρία μας βασίζεται σε φαινόμενα για τα οποία η ταχύτητα του φωτός μπορεί κάλλιστα να θεωρηθεί άπειρη. Αν σκεφτούμε ότι το φως πραγματοποιεί επτάμισι φορές το γύρο της Γης σε ένα δευτερόλεπτο, γίνεται κατανοητό το γιατί στην καθημερινή ζωή δεν παρατηρούμε τέτοια φαινόμενα.
Το ακόλουθο απλό παράδειγμα θα μας βοηθήσει να συνειδητοποιήσουμε τη σχετικότητα του ταυτόχρονου. Έστω ότι δύο διαστημικοί καουμπόι είναι έτοιμοι να μονομαχήσουν με ακτινοπίστολα. Στο μέσο της απόστασης υπάρχει ένα φανάρι, το οποίο θα δώσει το σήμα για τη μονομαχία. Μόλις το φως ανάψει, πρέπει να πυροβολήσουν. Για τον έναν οπλοφόρο ο δικός του πυροβολισμός και το φωτεινό σύνθημα συμβαίνουν ταυτόχρονα. Για τον δεύτερο οπλοφόρο ο πυροβολισμός του αντιπάλου του καθυστερεί σημαντικά σε σχέση με το φωτεινό σύνθημα έναρξης της μονομαχίας. Και αυτό διότι το κινούμενο με πεπερασμένη ταχύτητα φως χρειάζεται κάποιον χρόνο, προκειμένου να καλύψει την απόσταση από τον αντίπαλο του μέχρι αυτόν. Αντίθετα, για έναν παρατηρητή που βρίσκεται στο φανάρι οι δύο πυροβολισμοί είναι ταυτόχρονοι, καθώς το φως καλύπτει τις ίδιες αποστάσεις και από τους δύο οπλοφόρους, αλλά καθυστερούν σημαντικά σε σχέση με το άναμα του φαναριού.
Ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα της ΕΘΣ είναι το ότι καμία πληροφορία δεν μπορεί να ξεπεράσει την ταχύτητα του φωτός, διότι θα καταστρέψει την αιτιότητα. Θα υπάρχουν, δηλαδή, συστήματα αναφοράς στα οποία το αποτέλεσμα θα προηγείται του αιτίου. Επειδή, δε, η ΕΘΣ είναι μία θεωρία αιτιοκρατική, αυτό είναι απαγορευτικό. Ένα παράδειγμα καταστροφής της αιτιότητας, στην περίπτωση που ένα σώμα ξεπεράσει την ταχύτητα του φωτός, είναι το ακόλουθο. Επιστρέφουμε στο παράδειγμα της προηγούμενης διαστημικής μονομαχίας. Έστω λοιπόν ότι οι μονομάχοι δεν έχουν ακτινοπίστολα, αλλά όπλα που εκτοξεύουν σφαίρες κινούμενες ταχύτερα από το φως. Μόλις ο ένας οπλοφόρος βλέπει το σήμα, πυροβολεί. H σφαίρα κινείται γρηγορότερα από το φως, άρα προηγείται της εικόνας του πυροβολισμού. Κατά συνέπεια, ο δεύτερος οπλοφόρος πρώτα δέχεται τη σφαίρα και μετά βλέπει την εικόνα του πρώτου που πυροβολεί. Στο σύστημα αναφοράς του δευτέρου, λοιπόν, το αποτέλεσμα (τραυματισμός του από τη σφαίρα) προηγείται του αιτίου (πυροβολισμός).
Επίλογος
H ΕΘΣ περιλαμβάνει όλη τη νευτώνεια φυσική. Αν στις εξισώσεις της η ταχύτητα του κινούμενου σώματος είναι πάρα πολύ μικρή σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός, τότε αναπαράγεται όλη η φυσική του Νεύτωνα, κάτι το απόλυτα λογικό. H νέα θεωρία στο όριο των πολύ μικρών ταχυτήτων της καθημερινής ζωής θα έπρεπε να εξηγεί όλα αυτά τα φαινόμενα που εξηγούσε τόσο επιτυχημένα η προηγούμενη θεώρηση.
Όμως, από τη δημιουργία της, η ΕΘΣ είχε μία πολύ σημαντική έλλειψη: αναφερόταν μόνο σε αδρανειακά συστήματα αναφοράς, δεν συμπεριλάμβανε δηλαδή τα επιταχυνόμενα συστήματα και φυσικά ούτε τη βαρύτητα. Αυτό το πρόβλημα ο Einstein το εντόπισε σχεδόν αμέσως. H λύση του όμως χρειάστηκε μια δεκαετία σκληρής δουλειάς. Όταν μάλιστα ανέφερε το πρόβλημα στον Planck, εκείνος προσπάθησε να τον αποτρέψει με τον εξής συλλογισμό: «Ως παλιότερος φίλος πρέπει να σε συμβουλεύσω ενάντια σε αυτό, διότι αρχικά δε θα επιτύχεις, αλλά, και αν ακόμα επιτύχεις, κανένας δε θα σε πιστέψει»! Ευτυχώς όμως ο Einstein δεν άκουσε τη συμβουλή του Planck, με αποτέλεσμα λίγα χρόνια αργότερα να βγει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ).
Όπως γνωρίζουμε μαζί με τους τρεις νόμους της κίνησης ο Νεύτωνας διατύπωσε και μία θεωρία για τη βαρύτητα. Όμως, σύμφωνα με τον Einstein, αυτή η νευτώνεια θεωρία για τη βαρύτητα έπρεπε να είναι λανθασμένη, λόγω του ότι στη νευτώνεια θεώρηση η βαρυτική δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ των δύο σωμάτων. Σύμφωνα όμως με την ΕΘΣ, η απόσταση αλλάζει ανάλογα με το σύστημα αναφοράς. Συνεπώς, έπρεπε να επηρεάζεται και ο νόμος της παγκόσμιας έλξης.
http://logioshermes.blogspot.com/2011/08/h_25.html
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου