Kvantinė fizika: Reliatyvumo teorija

Po ilgokos pertraukos grįžta Xpoint straipsniai. Ne ką mažiau skandalingesnė ir visiems „gerai žinoma“ releatyvumo teorija. Tai dar vienas dalykas gąsdinantis žmones. Tai kas gi ta reliatyvumo teorija, ką sukūrė Enšteinas ir kiek mituose yra tiesos.

Reliatyvumo teorija skirstoma į dvi rūšis: Specialioji ir bendroji reliatyvumo teorija. Specialioji reliatyvumo teorija nagrinėja kūnus judančius ypač dideliais greičiais. Ji taikoma visiem kūnam, bet pastebimi efektai atsiranda tik artėjant prie šviesos greičio (žymimas c). Bendroji reliatyvumo teorija nagrinėja kūnus veikiamus stiprių gravitacinių laukų. Apie pastarąją šiame straipsnyje nešnekėsime (bent jau kol kas).

Pats žodis reliatyvumas pasako, kad žiūrint iš kitos perspektyvos (sistemos) stebėtojų atlikti matavimai gali skirtis. Dabar aprašysiu laiko sutrumpėjimo judant artimu šviesos greičiui greičiu įrodymą:

Pirmiausia turime susitarti, kad laiką matuosime laikrodžiu (gali skambėti keistai, bet toks susitarimas būtinas norint nagrinėti vėlesnius įvykius). Iliustracijoje matome elegantiškai paprastą laikrodžio modelį, vadinamąjį šviesos laikrodį (tarp dviejų tobulai atspindinčių veidrodžių atsimušinėja fotonas kol nuskrieja nuo vieno veidrodžio iki kito praeina viena sekundė (tokius dydžius paimu tik dėl patogumo, nes tarpas tarp veidrodžių būtų gan didelis). Kol laikrodis nejuda horizontaliai fotonas atsimušinėja paprastai (kartas per sekundę), tačiau pradėjus judintį laikrodį į dešinę fotonas turi judėti ne tik aukštyn-žemyn bet ir iš kairės į dešinę taigi jam tenka nuskrieti didesnį atstumą. Čia įsiterpia reliatyvumas žmogui iš šono atrodo, kad fotonas skriedamas greičiu c įveikia didesnį atstumą nei žmogui kuris neša laikrodį (jo atžvilgiu fotonas juda tik aukštyn-žemyn). Taigi pašaliniam stebėtojui atrodo, kad objekto laikas eina lėčiau.

Štai tiksli formulė (daugiklis prie t yra vadinamasis Lorenco faktorius (išvedamas būtent iš šviesos laikrodžio modelio pagal Pitagoro teoremą! Pirmą kartą tai išgirdęs negalėjau patikėti, teoriškai truputį pažangesnis penktokas gali įsirodyti reliatyvumo teoriją!). Įsistatę į Lorenco faktorių objekto judėjimo greitį (v) gauname, kad bet kokiu atveju judančio objekto laikas bus didesnis nei stacionarios sistemos, tačiau objektui judant palyginti mažais greičiais (pvz. 20000 km/s) lorenco faktorius bus beveik lygus 1 (0,995555556) ir pastebėti pokyčio negalėsime. Judant šviesos greičiu kinta ne tik objekto laikas, kinta ir jo ilgis bei masė šie objekto matmenų pokyčiai vadinami Lorenco transformacijomis (nes juos tyrinėjo mokslininkas Lorencas kurio vardu ir pavadintas Lorenco faktorius).

Pastebėkite, kad ši lygčių sistema aprašo ne tik laiko pokytį, bet ir kitus trimatės erdvės matmenis x,y,z. Matome, kad y ir z matmenis nesikeičia, o t ir x keičiasi.

Dabar pakalbėsime apie įžymiąją Enšteino formulę E=mc^2. Ji išvedama iš releatyvistinės mechanikos lygčių. Ši formulė atrodytų elementari tačiau yra vienas iš didžiausių mokslo laimėjimų visoje istorijoje. Ji parodo, kad energija ir masė yra skirtingos to pačio dalyko būsenos (tarsi vanduo ir ledas) ir, kad kiekviename grame medžiagos yra \“įkalinta\“ be galo daug energijos (pagalvokite apie daugiklį c^2 tai 300000000 m/s pakelta kvadratu!) žinoma šis atradimas saudarė galimybes atominių bombų gamybai, bet dėl to jokiu būdu negalime kaltinti Enšteino ar fizikos, tai tas pats kas kaltinti Niutoną dėl lėktuvų avarijų nes jis atrado visuotinės traukos dėsnį.

Kadangi dauguma fundamentaliųjų dalelių juda šviesos greičiu ar artimu jam, nagrinėjant tokias daleles į reliatyvumą atsižvelgti būtina. Tuo paremti dalelių greitintuvai! Įgreitinant daleles iki artimo šviesos greičiui greičio jų masė pasidaro labai didelė (pvz. vienas protonas sveria kaip visa smėlio kruopelė), dalelių susidūrimuose paverčiant jų masę energija išlaisvinami neapssakomi jos kiekiai kurie tuoj pat virsta naujomis dalelėmis (Žr. straipsnį apie Feynman\’o diagramas).

Įrodymai: laiko pokyčiai buvo eksperimentiškai įrodyti. Du tobulai sukalibruoti atominiai laikrodžiai buvo atskirti – vienas liko žemėje, o kitas buvo įdėtas į lėktuvą ilgam skrydžiui. Po nusileidimo keliavęs laikrodis rodė keliom sekundės dalim mažiau nei žemės laikrodis. Dar pastebėti kosminių dalelių gyvavimo trukmės pokyčiai, nors tam tikros dalelės atskrendančios iš kosmoso turėtų išnykti 10 km aukštyje virš žemės (dėl sąlyčio su atmosfera) dauguma pasiekia detektorius žemėje, nes jų laikas eina lėčiau taip prailginant jų gyvavimą.

Straipsnio autorius: Xpoint.