Šimtmečius laikas buvo laikomas nuolatine, nepriklausoma jėga, tarsi Visatos progresą valdytų vienas laikrodis. Šis laiko supratimas pasikeitė 1905 m., kai buvo paskelbta Alberto Einšteino ypatingojo reliatyvumo teorija. Nors jau buvo žinoma, kad bėgantis laikas buvo glaudžiai susijęs su erdve, ši monumentali teorija pirmoji sujungė erdvę ir laiką į vieną lauką, kurie skiriasi priklausomai nuo joje esančių objektų santykinio judėjimo ar gravitacijos jėgų.
Laiko santykinumas ir greičio priklausomybė nuo laiko
Iš esmės tai reiškia, kad laikas yra santykinis (realiatyvus). Du tuo pačiu greičiu judančių žmonių atstumo ir laiko matai sutaps. Tačiau keisdamas greitį vienas žmogus matys kito laiko ir atstumo matą, net jei jų pačių išlieka nepakitę. Tai reiškia, kad laikas visai nėra pastovus universalus vienetas. Tai santykinis matavimas, kuris keičiasi, kai objektai juda greičiau ar lėčiau, arba kai jiems tenka daugiau ar mažiau gravitacijos.
Reliatyvumo teorija teigia, jog laikas eina skirtingai priklausomai nuo judėjimo greičio ir nuo gravitacinio lauko. Kuo greičiau juda kūnas, tuo lėčiau jam eina laikas, lyginant su nejudančiu stebėtoju. Greičiu, artimu šviesos, skrendančiame kosminiame laive esantiems keleiviams kelionė iki Kentauro Alfos gali trukti gerokai mažiau, nei ketverius su trupučiu metų, kuriuos iki ten keliauja šviesa. Skrendant erdvėlaivyje, laikas eina lėčiau, todėl po ilgos kosminės kelionės grįžęs astronautas gali rasti savo vienmečius gerokai pasenusius ar net mirusius.
Gravitacijos įtaka laikui ir erdvėlaikio kreivumas
Gravitacija iškreipia erdvę ir laiką: kuo stipresnė gravitacija, tuo labiau erdvėlaikio kreivė iškraipoma ir tuo daugiau laiko sulėtėja. Štai kodėl žmonės, esantys Tarptautinėje kosminėje stotyje, esančioje toliau nuo Žemės gravitacijos, sensta truputį lėčiau, nei tie kurie yra Žemėje. Panašiai erdvės tūris, esantis už juodosios skylės įvykių horizonto taip pat iškreipia laiko perspektyvas.
Savo Visatoje mes turime erdvės laisvę ir galime judėti kaip mums patinka, tačiau esame priversti žengti palei laiko rodyklę linijine kryptimi. Skaičiavimai rodo, kad perėjus per juodosios skylės įvykių horizontą šios laisvės pasikeistų. Taigi mums nebereikėtų laikytis griežtos tiesios laiko rodyklės, tačiau prarastume laisvę judėti erdvėje, įgalindami save keliauti laiku.
Taip pat skaitykite: Reakcijos greitis fotosintezėje
Laiko „sulėtėjimas“ artėjant prie šviesos greičio
Stebėtojui greitėjant link šviesos greičio, vis labiau pastebimi unikalūs laiko matai. Teoriškai, kai dalelė artėja prie šviesos greičio, pamatytume, kaip sulėtėja jos „laikrodis“. Viršijus šviesos greitį, jos „laikrodis“, mūsų požiūriu, teoriškai atrodytų atbulas. Dalelės požiūriu mūsų laikrodis atrodytų taip pat atvirkštinis.
Šviesos greitis kaip informacijos ribojanti konstanta
Vienas iš aiškiausių dėsnių, kurį žmonės žino ir nevengia pakartoti, susidūrę su jo pažeidimais fantastikoje ar pranešimuose apie naujus mokslinius atradimus, yra „niekas negali judėti greičiau už šviesą“. Atrodo, viskas paprasta ir aišku - egzistuoja kosminė greičio riba, kurios peržengti neįmanoma jokiais būdais. Bet iš tiesų taip paprasta nėra. Šviesos greitis tikrai yra riba, ir ji yra svarbi, tačiau dėsnis tiksliau formuluojamas taip: „informacija erdvėje negali būti perduodama greičiau, negu šviesos greitis vakuume“.
Jeigu judėjimas neperduoda informacijos, jo greitis nėra ribojamas. „Informacijos perdavimą“ galima suprasti kaip „kažkokio objekto judėjimą“, tada „informacijos neperduodantis judėjimas“ yra toks judėjimas, kur tik atrodo, kad kažkas juda, bet iš tikro dalykai juda gerokai lėčiau arba išvis stovi vietoje. Vienas pavyzdys būtų banguojantis vandens paviršius. Žiūrint į jį atrodo, kad bangos ketera juda horizontaliai, nors iš tikro vandens paviršius tik kyla ir leidžiasi. Moksliškai bangos keteros judėjimo greitis vadinamas faziniu greičiu, o vandens - grupiniu.
Pastarąjį riboja šviesos greitis ir kiti apribojimai (dažnai - garso greitis medžiagoje), nes tai yra realaus dalyko - šiuo atveju vandens molekulių grupės - judėjimas. Tuo tarpu keteros judėjimas yra tik bangos aukščiausio taško padėties (fazės) pokytis, nesusijęs su realaus dalyko judėjimu. Jei bangos ilgis (atstumas tarp keterų) yra didesnis už svyravimų amplitudę (bangos aukštį), fazinis greitis yra didesnis ir už vandens vertikalaus judėjimo greitį.
Dar vienas judėjimas, kuris neperduoda informacijos, yra šešėlių, atspindžių ar šviesos taškų judėjimas. Jei pašviečiate į sieną lazerine rodykle ir pajudinate rodyklę pirmyn-atgal, jos kuriamas taškelis gali judėti neribotu greičiu. Geriau tą galima suprasti įsivaizduojant hipotetinę rodyklę, kuria šviečiate į Mėnulį (arba, dar geriau, į kokį Jupiterį). Tik nedidelis rodyklės pakreipimas, atliekamas per gerokai mažiau nei sekundę, sukelia švytinčio taško pajudėjimą per visą Mėnulio ar Jupiterio skersmenį ir tikrai gali viršyti šviesos greitį. Bet informacijos pats švytintis taškas neperduoda. Informaciją perduoti gali tik pati rodyklės spinduliuotė, kuri juda šviesos greičiu.
Taip pat skaitykite: Stabdymo kelio veiksniai
Erdvės plėtimosi poveikis greičiui ir FLRW metrika
Jeigu juda pati erdvė arba, kitaip tariant, judėjimas vyksta dėl erdvės savybių kitimo, šviesos greitį viršyti įmanoma. Šviesos greičio riba yra įrašyta matematinėje formulėje, vadinamoje metrika, aprašančioje mus supantį erdvėlaikį. Kai kuriais atvejais metriką galima aprašyti aiškia matematine išraiška, kuri leidžia palyginus nesunkiai apskaičiuoti objektų judėjimą; kitais atvejais ji yra labai sudėtinga ir kažką apskaičiuoti įmanoma tik skaitmeniniais modeliais.
Vienas iš „paprastų“ atvejų yra mūsų Visata - pakankamai dideliais masteliais galime daryti prielaidą, kad ji yra visur ir visomis kryptimis vienoda ir tolygi, o tada jos evoliuciją suskaičiuoti tampa įmanoma. Gaunamas rezultatas, vadinamas Friedmanno-Lemaitre`o-Robertsono-Walkerio (arba trumpiau FLRW) metrika, priklausomybę nuo laiko turi dviejose vietose. Viena priklausomybė, kaip ir daug kur kitur, susieja prabėgusį laiką ir didžiausią per tą laiką erdvėje nueinamą atstumą, kitaip tariant, duoda šviesos greičio ribą.
Apskritai erdvės plėtimąsi prilyginti kažkokiam greičiui nėra visai tikslu; tai yra panašiau į elastingos terpės - pavyzdžiui gumos gabalo - tempimąsi. Kuo toliau vienas nuo kito yra du taškai, tuo greičiau jie ir tolsta. Labai tolimos galaktikos dėl erdvės plėtimosi nuo mūsų tolsta greičiau už šviesą. Jų spinduliuojama šviesa, judanti mūsų link, laikui bėgant gali mus pasiekti net ir iš tokios tolybės.
Šis principas - erdvės plėtimosi sukeliamo virššviesinio judėjimo galimybė - bent teoriškai gali būti išnaudotas ir kosminėms kelionėms. „Star Trek“ seriale naudojamų erdvės iškreiptumo variklių veikimas gali būti paaiškinamas kaip erdvėlaikio burbulo aplink erdvėlaivį sukūrimas ir to burbulo judėjimas aplinkinės erdvės atžvilgiu. Toks bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių sprendinys buvo išvestas 1994 metais ir pagal atradėją vadinamas Alcubierre`o metrika.
Greičiai terpėse, Čerenkovo spinduliuotė ir projekcijos efektai
Kokio nors dalyko judėjimo greitis terpėje (ne vakuume) gali viršyti šviesos greitį toje terpėje. Šviesos greitis vakuume yra konstanta, lygi beveik 300 tūkstančių kilometrų per sekundę. Bet kokioje terpėje elektromagnetinės bangos sklinda lėčiau, nei vakuume, ir jų greitis dar priklauso nuo bangos ilgio. Pavyzdžiui, raudona šviesa stikle ir vandenyje sklinda šiek tiek lėčiau, nei mėlyna, todėl patekusi į šias terpes, balta šviesa skyla į vaivorykštę.
Taip pat skaitykite: Kaip įveikti priklausomybę nuo greičio
Bet šviesos greitis terpėje nėra absoliuti greičio toje terpėje riba. Pavyzdžiui, šaltose tankiose dujose šviesos judėjimo greitis sumažėja, o į jas patekusios dalelės, judėjusios labai artimu 300 tūkstančių km/s greičiu, kurį laiką terpėje juda greičiau, nei greta esantys fotonai. Tokių dalelių lėtėjimas sukuria savitą spinduliuotę, vadinamą Čerenkovo spinduliuote.
Projekcijos greitis gali viršyti šviesos greitį. Praeito amžiaus aštuntajame dešimtmetyje astronomai išmatavo keleto aktyvių galaktikos branduolių čiurkšlių judėjimo greičius ir nustatė, kad jos juda keletą - kartais net dešimt - kartų greičiau už šviesą. Kas tai - mums žinomų fizikos dėsnių sulaužymas ar matavimų klaida? Pasirodo, nei viena, nei kita. Tiesiog čiurkšlės judėjimo kryptis pasitaikė tokia, kad žiūrint į jos projekciją danguje atrodė, kad medžiaga ten juda daug greičiau, nei judėjo iš tikro.
Čiurkšlė artėja mūsų link kryptimi, sudarančia nedidelį kampą su linija tarp mūsų ir aktyvaus branduolio. Jos greitis yra artimas šviesos greičiui, todėl medžiaga nedaug atsilieka nuo fotonų, kuriuos pati išspinduliavo. Taigi laiko tarpas tarp momento, kai mes gauname pirmuosius čiurkšlės išspinduliuotus fotonus, ir momento, kai gauname toliau nuo branduolio esančiame taške išspinduliuotus fotonus, yra mažesnis, nei tiesiog atstumas tarp taškų, padalintas iš šviesos greičio.
Laiko kryptis: termodinaminė entropija ir Boltzmanno įžvalga
Erdvės-laiko modeliai gali apibūdinti laiko ir erdvės matavimus, kurie kinta nuo vieno taško prie kito, tačiau jie nelabai paaiškina, kaip laikas atkakliai laikosi įvykių sekos. Pagal šiuos laiko aprašymus mūsų Visata yra vienas erdvės-laiko blokas. Yra tam tikra pradžia - Didysis sprogimas - prieš kurį negalima pritaikyti geriausio fizikos dėsnių supratimo. Yra tokia pabaiga, kai pokyčiai nebematuojami jokiu reikšmingumu. Bet nė viena laiko dalis fiziškai neišsiskiria kaip „dabar“.
„Tokie žmonės kaip mes, tikintys fizika, žino, kad skirtumas tarp praeities, dabarties ir ateities yra tik atkakli iliuzija“, - kartą rašė A.Einšteinas. Tačiau fizikos srityse, išskyrus kosmologiją, gali būti keletas įžvalgų apie laiko paslaptį. Pavyzdžiui, dar 1870-aisiais austrų fizikas Ludwigas Boltzmannas pasiūlė idėją, kad tarp laiko ir vis didėjančio sutrikimo Visatoje yra ryšys. Susiejęs termodinamikos entropijos principą su laiku, kuris juda tik viena kryptimi, jis užsiminė apie galimą paaiškinimą, kodėl laiko rodyklė nukreipta į priekį: galbūt mūsų Visata pereina nuo žemos entropijos, labai kompaktiškos Visatos į labai netvarkingą, ekspansišką Visatą dreifuojančią į ateitį.
Subjektyvus laiko pojūtis ir informacijos apdorojimas
Neskaitant kelionės į kosmosą ir toli nuo Žemės gravitacijos, yra būdas sulėtinti laiką - bent jau iš jūsų pačių perspektyvos. Tai neturi nieko bendro su paties laiko fizika ir prigimtimi, bet su tuo, kaip greitai ar lėtai jaučiasi gyvenimas kiekvienam iš mūsų. Kai kurie tyrinėtojai teigia, kad iš tikrųjų, norint atskleisti save naujai patirčiai ar aplinkai, laikas gali praeiti lėčiau. Tai gali būti susiję su informacijos kiekiu, kurį mūsų smegenys turi priimti ir apdoroti - kai mes esame jauni ar mokomės kažko naujo, atrodo, kad pasaulis sulėtėja. Pagyvenus ir įsibėgėjus rutinai, dienos ir metai, atrodo, greitėja.
Jei neturite erdvėlaivio, jums nepavyks senėti lėčiau, tačiau žinant, kad laikas yra šiek tiek lankstesnis, nei daugelis iš mūsų mano, tai gali būti priminimas, kad mes turime savo galimybes pakeisti savo suvokimą, kaip greitai praeina dienos.
Mes esame laikas: laiko suvokimas ir žmogaus smegenys
Praktiniai pastebėjimai ir mokslo supaprastinimai
Žinoma, kad iš tikrųjų pamatytume šiuos padarinius, greičio ar gravitacinės traukos pokytis turi būti didžiulis. Nors šie scenarijai padeda mums geriau suprasti laiko prigimtį, tiek šviesos greitis, tiek kelionė į juodąją skylę turi apribojimų, kurie mums neleidžia jų panaudoti kaip praktinių būdų pakeisti laiką.
Šį tekstą norėjau pavadinti „Apie ką jums melavo fizikos pamokose“, bet nusprendžiau, kad visgi tai ne visai atitinka temą, ir šiaip būtų negražu fizikos mokytojų atžvilgiu. Tai, kad mokykloje fizika aiškinama gana supaprastintai, nėra savaime kažkas blogo - apie visas detales tikrai neįmanoma papasakoti. Bet toks aiškinimas nulemia, kad mokiniai įgyja kai kuriuos negerus supratimus, o vėliau jie plinta visuomenėje ir populiariojoje kultūroje.
Santrauka techninei daliai (lentelė)
| Fenomenas | Ar gali viršyti c? | Pastaba |
|---|---|---|
| Informacijos perdavimas vakuume | Ne | Šviesos greitis yra ribojantis faktorius |
| Fazinis greitis (banga) | Taip (galima) | Neperduoda informacijos |
| Greičio projekcija (astronomija) | Taip (atrodo) | Projekcijos efektas, medžiaga juda artima c |
| Judėjimas dėl erdvės plėtimosi | Taip | Galaktikos gali tolti greičiau už c dėl metrikos pokyčių |
| Judėjimas terpėje (pvz., šviesa stiklame) | Ne (relatyvu vietinei c) | Dalelės gali viršyti vietinį šviesos greitį - Čerenkovo spinduliuotė |
Vienas iš aiškiausių dėsnių, kurį žmonės žino ir nevengia pakartoti, susidūrę su jo pažeidimais fantastikoje ar pranešimuose apie naujus mokslinius atradimus, yra „niekas negali judėti greičiau už šviesą“. Atrodo, viskas paprasta ir aišku - egzistuoja kosminė greičio riba, kurios peržengti neįmanoma jokiais būdais. Bet iš tiesų taip paprasta nėra. Šviesos greitis tikrai yra riba, ir ji yra svarbi, tačiau dėsnis tiksliau formuluojamas taip: „informacija erdvėje negali būti perduodama greičiau, negu šviesos greitis vakuume“.
tags: #greicio #priklausomybe #nuo #laiko #yra #pusiauapskritimis