ΑΛΜΠΕΡΤ ΑΪΝΣΤΑΙΝ: ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ

στις

Ο διάσημος φυσικός και θεμελιωτής της ειδικής και γενικής θεωρίας της σχετικότητας γεννήθηκε στην πόλη Ουλμ, που βρίσκεται στη νότια Γερμανία το μακρινό 1879. Ήταν γερμανοεβραϊκής καταγωγής και ακολούθησε μια ζωή με πολλά επιτεύγματα που εξέλιξαν τη φυσική, αλλάζοντας μια για πάντα τον τρόπο που βλέπουμε και αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο. Βραβεύθηκε πολλές φορές με κορυφαία διάκριση το Νόμπελ για την προσφορά του στη φυσική το 1921.

Στα πρώτα 15 χρόνια του 20ού αιώνα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ανέπτυξε μια σειρά από θεωρίες 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.

Η επίδραση των ανακαλύψεων του Αϊνστάιν εξακολουθεί να είναι καίρια και μόνιμο αντικείμενο έρευνας για τη φυσική, την κοσμολογία, τα μαθηματικά και την αστροφυσική.

Ας ξετυλίξουμε το κουβάρι απ’ την αρχή:

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Αρκετός κόσμος έχει τη λανθασμένη εντύπωση ότι ο Αϊνστάιν έλαβε το βραβείο Νόμπελ για την διατύπωση της διάσημης θεωρίας της σχετικότητας. Το Νόμπελ απονεμήθηκε στον σπουδαίο φυσικό για την καινοτόμο εξήγηση που έδωσε για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Το 1905 ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τέσσερα άρθρα του στο γνωστό γερμανικό επιστημονικό περιοδικό Annalen der Physik (Τα χρονικά της Φυσικής). Στο πρώτο απ’ τα άρθρα έκανε την αναφορά στο εν λόγω φαινόμενο.

Μια απλουστευμένη εξήγηση του φαινομένου είναι ότι: το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια κβαντική διεργασία, όπου τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται απ’ την επιφάνεια ενός αγωγού όταν αυτός δεχθεί υψηλή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνότητας. Η ακτινοβολία αυτή πρέπει να τέτοια ώστε τα ηλεκτρόνια να καταφέρουν να υπερπηδήσουν το φράγμα της δυναμικής ενέργειας που τα συγκρατεί στον αγωγό.

Η κλασική φυσική της εποχής αδυνατούσε να εξηγήσει το φαινόμενο, αφού υποστήριζε ότι ένα σώμα απορροφά ή εκπέμπει ενέργεια κατά τρόπο συνεχή. Η ακαριαία απελευθέρωση των ηλεκτρονίων έκανε τους επιστήμονες να τα χάσουν αφού θεωρούσαν αδύνατο να συμβαίνει χωρίς πρώτα να φωτίσουν για κάποιο χρόνο το μέταλλο. Επίσης η αδυναμία εξήγησης της επιστήμης του τότε, έγκειται στο γεγονός ότι πίστευαν ακράδαντα ότι η μέγιστη ταχύτητα των ηλεκτρονίων θα έπρεπε να είναι ανάλογη της έντασης της ακτινοβολίας που δέχεται το μέταλλο και όχι ανάλογη της συχνότητας που συνέβαινε στα αλήθεια.

Και κάπου εκεί μπήκε στο κάδρο ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, που για να ερμηνεύσει το φαινόμενο υπέθεσε ότι η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια δεν μεταφέρεται ίσα κατανεμημένη αλλά σε διακριτές ποσότητες που ονομάζονται φωτόνια. Η εξήγηση αυτή σε συνδυασμό με την ερμηνεία της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος του Μαξ Πλανκ και την παρατήρηση του φαινομένου Κόμπτον (σκέδαση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από φορτισμένα σωματίδια) αποτέλεσε τον θεμέλιο λίθο για την ανάπτυξη της πρώιμης Κβαντικής Μηχανικής.

Με άλλα λόγια ο Αϊνστάιν απέδειξε ότι το φως εκτός από ενέργεια είναι και σώμα (φωτόνιο) και για όλα αυτά βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1921

Ειδική θεωρία της σχετικότητας

Ο διάσημος φυσικός το 1905 διατύπωσε τη συγκεκριμένη θεωρία, η οποία συμπληρώνει τους νόμους της Νευτώνειας μηχανικής έτσι ώστε οι κινήσεις να ισχύουν και σε ταχύτητες συγκρίσιμες με αυτή του φωτός.

Η διάσημη θεωρία της ειδικής σχετικότητας, την οποία ο Αϊνστάιν θέσπισε σε ηλικία μόλις 26 ετών, είναι ουσιαστικά εμπνευσμένη απ’ τα έργα του Γαλιλαίου Γαλιλέι. Ο Γαλιλαίος το 1633 ήρθε αντιμέτωπος με την Ιερά Εξέταση, η οποία τον καταδίκασε σε ισόβιο εγκλεισμό στην οικία του με την κατηγορία της αθέτησης του Διατάγματος του Καταλόγου των Απαγορευμένων που θεσπίστηκε στις 6 Μαρτίου του 1616. Του είχε απαγορευθεί ρητά να υποστηρίξει δημόσια την ακινησία του Ήλιου και της περιστροφικής κίνησης της Γης γύρω απ’ αυτόν. Ο Γαλιλαίος είχε υποσχεθεί να υπακούσει. Μέχρι τότε, είχε δώσει μεγάλο αγώνα, ώστε να πείσει για την εγκυρότητα του Kοπερνίκιου δόγματος (του ότι ο Ήλιος στέκει ακίνητος, έχοντας την Γη να περιστρέφεται γύρω του εκτελώντας διπλή κίνηση). Το αμέλημα λοιπόν που έφερε στο προσκήνιο το Διάταγμα του 1616 ήταν η δημοσίευση του Διαλόγου περί των δύο Μεγίστων Συστημάτων του Κόσμου το 1632, το οποίο σύμφωνα με τους αρμόδιους του Ιεροδικείου παραβαίνει ρητά την παραπάνω εντολή (Διάταγμα του 1616). Ο Γαλιλαίος κλήθηκε στο Ιεροδικείο στη Ρώμη το 1633, φυλακίστηκε τυπικά, και αφού αρνήθηκε πως μέσα από τον Διάλογο κηρύσσει το δόγμα του Κοπέρνικου ως αστρονομική αλήθεια, κάτι το οποίο δεν γίνεται δεκτό από τους δικαστές, τελικά αποκηρύσσει τις ιδέες του όσον αφορά την κίνηση της Γης. Αυτουργός της απόφασης των δικαστών φαίνεται να είναι ο τότε πάπας Ουρβανός Η’, ο οποίος ενοχλήθηκε που, κατά τη γνώμη του, ο Διάλογος δεν αναδείκνυε τη θεία παντοδυναμία έναντι της επιστημονικής – φυσικής αλήθειας, όπως ο ίδιος είχε συμφωνήσει με τον Γαλιλαίο.(4)

Σύμφωνα με τον μύθο, ο Γαλιλαίος φεύγοντας από την Ιερά Εξέταση επέμεινε στην άποψη του αναφωνώντας “Και όμως γυρίζει”.

Πριν από τον Γαλιλαίο οι άνθρωποι πίστευαν ότι για κάθε αντικείμενο πχ μια βάρκα υπήρχε μόνο μια κατάσταση: Η στάση! Η κίνηση θεωρείται μια διαφορετική, μη φυσική κατάσταση.

Ο Γαλιλαίος το αμφισβήτησε! Είχε παρατηρήσει ότι αν ο επιβάτης μια βάρκας δεν έχει κάποιο σημείο αναφοράς πχ ένα ορόσημο δεν ξέρει ότι η βάρκα του κινείται.

Ας υποθέσουμε ότι ο επιβάτης ρίχνει μια μπάλα. Αν η βάρκα είναι ακίνητη η μπάλα φαίνεται να πέφτει σε ευθεία γραμμή. Όταν η βάρκα κινείται με μία σταθερή ταχύτητα συμβαίνει ακριβώς το ίδιο με πριν: Για τον επιβάτη η μπάλα φαίνεται να πέφτει και πάλι κάθετα.

Για τον Γαλιλαίο η εξήγηση του φαινομένου ήταν απλή: Οι φυσικοί νόμοι που διέπουν την κίνηση των αντικειμένων είναι οι ίδιοι, είτε εμείς είμαστε σε κίνηση είτε είμαστε στατικοί. Δηλαδή η κίνηση και η ακινησία δεν είναι απόλυτες καταστάσεις αλλά σχετικές.

Όταν ήρθε ο Αϊνστάιν στο προσκήνιο στης αρχές του 20ου αιώνα όλα τα υλικά αντικείμενα φαίνονται να εκ πληρούν τη θεωρία της σχετικότητας. (5)

Μέσα σε όλα αυτά όμως και υπάρχει και μία εξαίρεση: Η κίνηση του φωτός. Την εποχή του Αϊνστάιν είχε εδραιωθεί η θεωρία ότι τα κύματα του φωτός κινούνται πάντα με την ίδια ταχύτητα άσχετα από ποιο σημείο παρατηρούνται. Όμως ο Αϊνστάιν ένιωθε ότι αυτό ερχόταν σε αντιπαράθεση με την θεωρία που είχε θεσπίσει.

Ας φανταστούμε ένα τρένο που κινείται με 100 χλμ την ώρα. Ένας επιβάτης σηκώνεται απ’ τη θέση του στο πίσω βαγόνι και προχωρά με σταθερή ταχύτητα 5χλμ την ώρα προς το μπροστινό βαγόνι. Για έναν ακίνητο παρατηρητή που βρίσκεται έξω απ’ το τρένο, ο επιβάτης θα φαίνεται ότι κινείται με 105 χλμ την ώρα και όχι με 5! Αυτό το απλό πείραμα επιβεβαιώνει την αρχή της σχετικότητας, δηλαδή ότι η ταχύτητα του επιβάτη είναι σχετική με την ταχύτητα του τρένου.

Βέβαια όμως αυτός ο απλός κανόνας πρόσθεσης δεν ισχύει και στην περίπτωση του φωτός. Αυτή τη φορά ο επιβάτης μας που βρίσκεται στο τελευταίο βαγόνι στέλνει μια δέσμη φωτός με ένα φακό στο μπροστινό μέρος του τρένου. Σε σχέση με τον επιβάτη το φως θα κινηθεί με την φυσιολογική ταχύτητά του, δηλαδή 300.000 χλμ το δευτερόλεπτο.

Το φως φαίνεται να κινείται πάντα με την ίδια ταχύτητα άσχετα με το ποιος το παρατηρεί.

Για να βρει λύση σε αυτή την παράξενη αντίθεση ο Αϊνστάιν σκέφτηκε μια εξίσου παράξενη ιδέα. Ισχυρίστηκε ότι αν η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή, ο χρόνος είναι ελαστικός. Με άλλα λόγια ο χρόνος δεν κινείται με την ίδια ταχύτητα για έναν σταθερό παρατηρητή και έναν κινούμενο.

Αυτό το είδος πειράματος που ο Αϊνστάιν το ονόμασε ιδεατό αποδεικνύει ότι ο χρόνος δεν είναι απόλυτος όπως πίστευαν, άλλα σχετικός και η κίνηση του εξαρτάται από την κίνηση του ατόμου που τη μετράει. Τα αποτελέσματα της σχετικότητας παρατηρούνται μόνο σε ταχύτητες κοντινές σε αυτή του φωτός.

Πχ ο Αϊνστάιν προέβλεψε ότι σε ένα διαστημόπλοιο που ταξιδεύει με τέτοιες ταχύτητες ο χρόνος θα κυλάει πιο αργά από ότι στη Γη.

Αυτό το πολύ ενδιαφέρον αποτέλεσμα της διαστολής του χρόνου είναι το παράδοξο των διδύμων.

Σκάναρε και προχώρησε την έρευνα:

Έρευνα, Κωστας Καμπάκης

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *