Το παράδοξο του Albert Eistein O Einstein Σαν παιδί ήταν αρκετά ήσυχο και μοναχικό. Σαν μαθητής ήταν καλός, ειδικά στα μαθηματικά, χωρίς όμως να ξεχωρίζει ιδιαίτερα. Η κακή του μνήμη και ο αργός τρόπος ομιλίας του, έκαναν τους καθηγητές του να τον θεωρούν ένα μέτριο μαθητή, παρά το γεγονός ότι μέχρι τα δεκαέξι του είχε καλύψει το διαφορικό και ολοκληρωτικό λογισμό. Η απέχθεια του για τον τρόπο που οι καθηγητές αντιμετώπιζαν τους μαθητές, οδηγεί τον δεκαεξάχρονο Αϊνστάιν στην απόφαση να εγκαταλείψει το σχολείο και να φύγει για το Μιλάνο, όπου είχε είδη μετακομίσει η οικογένεια του. Δίνει εισαγωγικές εξετάσεις για το Πολυτεχνείο της Ζυρίχης, αλλά αποτυγχάνει λόγω του ότι οι γνώσεις του στην Βιολογία και στις ξένες γλώσσες δεν ήταν αρκετές, παρόλο που είχε πάρει άριστα στα Μαθηματικά και στη Φυσική. 1
Βιογραφικό Γεννήθηκε στο Ουλμ της Γερμανίας. Τιμήθηκε το 1921 με το βραβείο Νόμπελ «για τη συμβολή του στη θεωρητική φυσική, και για την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου». Του προτάθηκε το 1950 η προεδρία του νεοσύστατου τότε κράτους του Ισραήλ, την οποία αρνήθηκε για διάφορους λόγους. Απεβίωσε στον Πρίνστον του New Jersey στις 18 Απριλίου του 1955. Ο Eistein και το έργο του Ο Εinstein ανέπτυξε μια σειρά από θεωρείες που διακήρυξαν, για πρώτη φορά, την ισοδυναμία της μάζας προς την ενέργεια, ενώ ταυτόχρονα έδωσαν εντελώς νέο περιεχόμενο στις έννοιες του χώρου, του χρόνου και της βαρύτητας. Οι θεωρίες αυτές ήταν κατ ουσίαν μια βαθιά αναθεώρηση της παλαιάς Νευτώνειας Φυσικής και αποτέλεσαν επανάσταση για την επιστημονική αλλά και φιλοσοφική έρευνα. 2
ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Ειδική σχετικότητα Η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια για όλους τους αδρανειακούς παρατηρητές, ανεξάρτητα από τη σχετική τους ταχύτητα. Ο χρόνος είναι κάτι σχετικό και κινείται με διαφορετική ταχύτητα, ανάλογα με τις ειδικές περιστάσεις καθενός ανθρώπου. Ο χρόνος επιβραδύνεται όταν κανείς βρίσκεται πιο κοντά στη Γη, ή όταν κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα. Προβλέπει ένα περίεργο αποτέλεσμα για ρολόγια σε κίνηση- ένα στάσιμο ρολόι θα πάει γρηγορότερα από ένα κινούμενο ρολόι. 3
Αξιώματα 1. Οι νόμοι της φυσικής είναι ίδιοι και αναλλοίωτοι σε όλα τα αδρανειακά συστήματα. ( δε μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα αναφοράς που βρίσκονται εντός βαρυτικού πεδίου ή υφίστανται κάποιου είδους επιτάχυνση) 2. Η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια σε όλα τα αδρανειακά συστήματα ανεξάρτητα από την κίνηση της πηγής και του παρατηρητή. Πειράματα Θεωρητικό πείραμα των διδύμων (Μετά από ένα ταξίδι μετ επιστροφής με ένα διαστημόπλοιο, ο ταξιδιώτης θα επιστρέψει στη Γη για να διαπιστώσει ότι ο δίδυμος αδελφό του είναι πλέον μεγαλύτερος από ότι είναι αυτός, επειδή ο χρόνος περνάει πιο αργά στο διαστημόπλοιο από ότι στη Γη.) Πραγματικό πείραμα 1971 (ο Joseph Hafele και ο Richard Keating πέταξαν με ατομικά ρολόγια γύρω από τη Γη για να τα συγκρίνουν με ρολόγια αναφοράς στη Γη. Αποτέλεσμα : Τα ρολόγια διέφεραν κατά λίγες δεκάδες έως εκατοντάδες νανοδευτερολέπτων.) 4
Συνέπειες Ο χώρος και ο χρόνος έπαψαν να είναι σταθεροί και αμετάβλητοι, αλλά εξαρτώνται από τη σχετική κίνηση του παρατηρητή. Υπάρχει διαστολή του ιδίου χρόνου και συστολή του μήκους. Η απόσταση μεταξύ δύο σημείων και το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο συμβάντων εξαρτώνται από το σύστημα αναφοράς στο οποίο μετρούνται. Δεν υπάρχει η έννοια του απόλυτου μήκους ή του απόλυτου χρόνου. Συμβάντα που συντελούνται ταυτοχρόνως σε διαφορετικές θέσεις σε ένα σύστημα, δεν είναι ταυτόχρονα σε ένα άλλο σύστημα. ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ 5
ΓΕΝΙΚΑ Ο Albert Einstein ξεκίνησε την «επανάσταση» του στη σύγχρονη φυσική με την παρουσίαση της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Στη συνέχεια, σε διάστημα δέκα χρόνων, προχώρησε στην παρουσίαση της Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας και πιο συγκεκριμένα τον Νοέμβριο του 1915, σε μια σειρά διαλέξεων ενώπιον της Πρωσικής Ακαδημίας Επιστημών. Η παρουσίαση του προκάλεσε αναστάτωση στον επιστημονικό κόσμο, καθώς ο Einstein με την πρόταξη αυτής της νέας θεωρίας του, αντικαθιστούσε τον νόμο του Νεύτωνα για τη Βαρύτητα. Επίσης, η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας σηματοδότησε το ξεκίνημα μιας νέας επιστήμης, της Κοσμολογίας. ΓΕΝΙΚΑ Η πρώτη πειραματική επαλήθευση της Γενικής Σχετικότητας έγινε το 1919 και σκοπός της ήταν η μέτρηση της εκτροπής του φωτός των αστεριών καθώς οι ακτίνες περνούν πολύ κοντά από τον Ήλιο. Η πρώτη πειραματική μελέτη με την παρουσία του Einstein πέτυχε αφού μπορούσε να παρατηρηθεί η καμπύλωση του φωτός ενός αστέρα γύρω από τον ήλιο, καθώς έφτανε στον παρατηρητή στη Γη, κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης ηλίου. Σύμφωνα με τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας, η βαρύτητα οφείλεται στις καμπυλώσεις του χωροχρόνου και δεν είναι απλά μία δύναμη, όπως υποστήριζε η κλασσική θεωρία του Νεύτωνα. Ως κύρια αρχή της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας θεωρείται η ισοδυναμία των επιταχυνόμενων συστημάτων αναφοράς με συστήματα που βρίσκονται εντός του βαρυτικού πεδίου. 6
Η Νευτώνεια θεωρία, διατηρήθηκε αναλλοίωτη πριν από τον 20ό αιώνα, και περιέγραφε τη βαρύτητα ως μια δύναμη. Δύο σώματα με μάζα, όπως η γη και ένα μήλο, ασκούν μια έλξη το ένα στο άλλο, ως αποτέλεσμα του νόμου της βαρύτητας. Εάν ένα μήλο ξεκινά από την ηρεμία τότε η βαρύτητα θα το αναγκάσει να κινηθεί προς τη Γη έως ότου συγκρουστεί μαζί της. Ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα μπορούσε να εξηγήσει λεπτομερώς την τροχιά του φεγγαριού γύρω από τη Γη, τις κινήσεις των πλανητών γύρω από τον ήλιο και άλλα πολλά. Η Γενική Σχετικότητα μπορεί επίσης να τα εξηγήσει όλα αυτά, αλλά με έναν πολύ διαφορετικό τρόπο. Στην Γενική Σχετικότητα, ένα σώμα με μάζα όπως ο ήλιος αναγκάζει τον χωρόχρονο γύρω του να καμφθεί, και αυτή η καμπυλότητα έχει επιπτώσεις στην κίνηση των πλανητών, αναγκάζοντάς τους να μπουν σε τροχιά γύρω από τον ήλιο. Ακόμη η βαρύτητα στην Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας περιγράφεται με βάση το ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι δυναμικές ποσότητες που μπορούν να καμφθούν σαν αποτέλεσμα της δράσης της ύλης και μπορούν στη συνέχεια να αλλάξουν τη συμπεριφορά της ύλης. ΧΩΡΟΧΡΟΝΟΣ 7
ΧΩΡΟΧΡΟΝΟΣ Τόσο στην Ειδική Θεωρία Σχετικότητας όσο και στην Γενική Θεωρία Σχετικότητας, ο χρόνος και ο τρισδιάστατος χώρος θεωρούνται ως μία τετραδιάστατη πολλαπλότητα, που λέγεται χωροχρόνος. Η έννοια του χωροχρόνου πρωτοεμφανίστηκε το 1908 σε μια μαθηματική πραγματεία του Μινκόφσκι για τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου όπως αυτή είχε οριστεί στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. ΧΩΡΟΧΡΟΝΟΣ Οι επιστήμονες συνήθως συνιστούν να σκεφτόμαστε το χωρόχρονο σαν ένα τεντωμένο, επίπεδο, ελαστικό φύλλο. Αν δεν υπάρχουν μεγάλες μάζες στην περιοχή, το φύλλο αυτό παραμένει επίπεδο, και κάθε σώμα που τοποθετείται πάνω σ αυτό θα κινείται σε ευθεία γραμμή. Αλλά μια μεγάλη μάζα όπως π.χ ο Ήλιος, δημιουργεί μια λακκούβα στο φύλλο αυτό γιατί στην πραγματικότητα καμπυλώνει τον χωρόχρονο. Κάθε άλλο αντικείμενο με μικρότερη μάζα, όπως π.χ η Γη, που κινείται στο χωρόχρονο κυλάει μέσα στην λακκούβα καθώς κινείται προς την περιοχή του Ήλιου. Κατ αυτόν τον τρόπο μας δίνει την εντύπωση ότι έλκεται από την μεγάλη μάζα του Ήλιου. Αυτό το φαινόμενο της καμπύλωσης του χωροχρόνου είναι που γεννά τη βαρύτητα. 8
Ο χρόνος εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς στο οποίο γίνεται η μέτρηση του κι επομένως δεν είναι απόλυτος. Το ίδιο ισχύει για τον χώρο. Το μήκος ενός αντικειμένου μπορεί να είναι διαφορετικό ανάλογα με το σύστημα αναφοράς της μέτρησης. Μόνο ο χωροχρόνος ως ενοποιημένη έννοια είναι απόλυτος, ενώ οι συνιστώσες του, ο χώρος και ο χρόνος, αποτελούν πλευρές του που εξαρτώνται από τον παρατηρητή (το σύστημα αναφοράς). Η σχέση μεταξύ της μέτρησης χώρου και χρόνου που δίνεται από την παγκόσμια σταθερά c (την ταχύτητα του φωτός στο κενό), επιτρέπει την περιγραφή μιας απόστασης d με μέτρο το χρόνο: d = ct, t όντας ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διασχίσει την απόσταση d. Ο Ήλιος απέχει 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα, δηλαδή 8 λεπτά φωτός από τη Γη. Με τον όρο λεπτά φωτός, γίνεται λόγος για μια μέτρηση του χρόνου που πολλαπλασιάζεται με το c, κι έτσι εξάγεται μια μέτρηση απόστασης, στην περίπτωση αυτή, σε χιλιόμετρα. Μ' άλλα λόγια, χάρη στο c μονάδες χρόνου μετατρέπονται σε μονάδες απόστασης. Χιλιόμετρα και λεπτά φωτός είναι επομένως δυο μονάδες μέτρησης της απόστασης. Αυτό που ενοποιεί χώρο και χρόνο στην ίδια εξίσωση είναι ότι η μέτρηση του χρόνου μπορεί να μετασχηματιστεί σε μέτρηση απόστασης (πολλαπλασιάζοντας το t, που εκφράζεται σε μονάδες χρόνου, με το c), και το t μπορεί έτσι να ταυτιστεί με τις τρεις άλλες συντεταγμένες απόστασης σε μια εξίσωση όπου όλες οι μετρήσεις γίνονται με μονάδες απόστασης. Από αυτήν την άποψη θα μπορούσε κανείς να πει ότι ο χρόνος είναι χώρος! 9
Η καμπύλωση του χωροχρόνου μπορεί να δημιουργήσει μια σκουληκότρυπα που θα συνδέει ένα τμήμα του χωροχρόνου με ένα άλλο, επιτρέποντας έτσι να πάμε μπροστά στο μέλλον ή πίσω στο παρελθόν. ΠΕΙΡΑΜΑ Το πείραμα της Φιλαδέλφειας είναι ένα από τα πιο απίθανα πειράματα, όμως αποδεικνύει τις ιδιότητες του χωροχρόνου. Τον Οκτώβριο του 1943,στις Η.Π.Α., έγινε η τελική δοκιμή του πειράματος. Ένα αντιτορπιλικό πλοίο το UUS Eldridge, φορτωμένο με επιστημονικά όργανα ( γεννήτριες, αναμεταδότες, χιλιάδες ενισχυτικές λυχνίες, μηχανισμοί συγχρονισμού και διαμόρφωσης καθώς και άλλα μυστηριώδη εξαρτήματα) ήταν έτοιμο να πραγματοποιήσει το στόχο του, δηλαδή να γίνει αόρατο στους παρατηρητές του. Οι γεννήτριες ξεκίνησαν, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σχηματιζόταν και το πλοίο άρχισε να εξαφανίζεται. Μια φωτεινή πρασινωπή ομίχλη άρχισε να εμφανίζεται και ξαφνικά το πλοίο χάθηκε από τα μάτια όλων! Μάλλον όχι όλων, γιατί το είδαν.. Αλλά που το είδαν; Ε, λοιπόν το Eldridge εμφανίστηκε στη της Βιργίνια, δεκάδες μίλια μακριά από το ναύσταθμο της Φιλαδέλφειας, όπου πολλοί το είδαν για αρκετά λεπτά. Στη συνέχεια όπως ξαφνικά εμφανίστηκε, το ίδιο ξαφνικά εξαφανίστηκε από την Βιργίνια, για να «επιστρέψει» στη Φιλαδέλφεια! 10
ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ Το πλήρωμά του εμφάνισε σοβαρά συμπτώματα διάφορων ασθενειών. Άλλοι χάθηκαν για πάντα και άλλοι ενσωματώθηκαν στη μεταλλική δομή του πλοίου. Μερικοί (μετά το πείραμα) αυτοαναφλέγονταν. Άλλοι εξαφανίζονταν από τη παρέα τους και τους έβρισκαν αργότερα,χιλιάδες μέτρα μακριά. Όσοι έζησαν απέχτησαν σοβαρά ψυχολογικά προβλήματα. Everything should be as simple as possible, but not simpler. Albert Einstein 11
ΣΑΣ ΕΥΧΑΡΙΣΤΟΥΜΕ! 12