Γιατί δεν μπορούμε να ταξιδέψουμε με ταχύτητα φωτός;

Ένα από τα διασημότερα και πιο σημαντικά επιστημονικά επιτεύγματα του Albert Einstein ήταν η ανάπτυξη των θεωριών της σχετικότητας. Η πρώτη, η ειδική θεωρία της σχετικότητας, ήταν και αυτή που θα άπλωνε τη φήμη του επιστήμονα σε παγκόσμιο επίπεδο, ενώ θα συνέβαλε ταυτόχρονα στην αμφισβήτηση της κλασικής θεωρίας για τη δημιουργία του κόσμου των προηγούμενων ετών. Η ειδική σχετικότητα, ένας τρόπος συσχετισμού της κίνησης αντικειμένων στο σύμπαν, οδήγησε τους επιστήμονες στο να επαναξιολογήσουν τις υποθέσεις τους για πράγματα θεμελιώδη, όπως ο χρόνος και ο χώρος. Και οδήγησε φυσικά σε σημαντικές αποκαλύψεις αναφορικά με τη σχέση μεταξύ της ενέργειας και της ύλης.

Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας κυκλοφόρησε από τον Einstein το 1905, σε μια επιστημονική δημοσίευση με τίτλο «Σχετικά με την ηλεκτροδυναμική των κινούμενων σωμάτων». Ασχολήθηκε με αυτήν αφού παρατήρησε μια σύγκρουση μεταξύ των εξισώσεων σχετικά με τον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό, τις οποίες είχε πρόσφατα αναπτύξει ο φυσικός James Clerk Maxwell, και των πιο εδραιωμένων νόμων κίνησης του Νεύτωνα.

Το φως, σύμφωνα με τον Maxwell, ήταν μια δόνηση στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και ταξίδευε με σταθερή ταχύτητα στο κενό. Πάνω από 100 χρόνια νωρίτερα, ο Νεύτωνας είχε καθορίσει τους νόμους της κίνησης και, μαζί με τις ιδέες του Γαλιλαίου, είχαν αποδείξει πως η ταχύτητα ενός αντικειμένου εξαρτάται από το ποιος τη μετρά και πώς κινείται ο ίδιος σε σχέση με το αντικείμενο. Για παράδειγμα, αν κρατάτε μια μπάλα και βρίσκεστε σε ένα κινούμενο αυτοκίνητο, αυτή θα σας φαίνεται ακίνητη. Αυτή η μπάλα, όμως, φαίνεται πως κινείται για κάποιον που στέκεται στο απέναντι πεζοδρόμιο.

Όμως υπήρχε ένα πρόβλημα στην εφαρμογή των νόμων κίνησης του Νεύτωνα σε σχέση με το φως. Στις εξισώσεις του Maxwell, η ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι μια σταθερά που ορίζεται από τις ιδιότητες του υλικού μέσω του οποίου κινούνται τα κύματα. Εκεί δεν υπάρχει τίποτα που να επιτρέπει την ταχύτητα αυτών των κυμάτων να είναι διαφορετική για διαφορετικούς ανθρώπους, ανάλογα με το πώς κινούνταν ο ένας σε σχέση με τον άλλο. Κάτι που είναι ιδιαίτερα παράξενο.

Φανταστείτε κάποιον που κάθεται σε ένα σταθερό τραίνο, και ρίχνει μια μπάλα από εκεί που κάθεται στον απέναντι τοίχο. Αν εσείς στέκεστε στην πλατφόρμα του σταθμού, μετράτε την ταχύτητα της μπάλας στην ίδια τιμή με το άτομο που βρίσκεται στο τρένο.

Τώρα η αμαξοστοιχία αρχίζει να κινείται (προς την κατεύθυνση της μπάλας) και μετράτε και πάλι την ταχύτητα της μπάλας. Θα την υπολογίσετε ορθώς ως μεγαλύτερη - ως την αρχική ταχύτητα (δηλαδή, όταν η αμαξοστοιχία ήταν σε κατάσταση ηρεμίας) μαζί την ταχύτητα της αμαξοστοιχίας. Στο τρένο, όμως, το άτομο που πετά τη μπάλα δεν θα παρατηρήσει τίποτα διαφορετικό. Οι δύο τιμές για την ταχύτητα της μπάλας θα είναι διαφορετικές. Και θα είναι και οι δύο σωστές ως προς τα πλαίσια αναφοράς του καθενός.

Αν αντικαταστήσουμε όμως την μπάλα με το φως, τότε αυτός ο υπολογισμός διαφοροποιείται. Αν το άτομο στο τραίνο έριχνε φως στον απέναντι τοίχο και μετρούσε την ταχύτητα των σωματιδίων φωτός (φωτόνια), τότε τόσο εσείς, όσο και ο επιβάτης θα διαπιστώνατε ότι τα φωτόνια θα είχαν την ίδια ταχύτητα ανά πάσα στιγμή. Σε όλες τις περιπτώσεις, η ταχύτητα των φωτονίων θα παραμείνει λίγο κάτω από τα 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, σύμφωνα με τις εξισώσεις του Maxwell.

Ο Einstein βασίστηκε σε αυτή την ιδέα - την αμετάβλητη ταχύτητα του φωτός - ως ένα από τα δύο αξιώματά του για την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Ο άλλος ισχυρισμός του ήταν ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι όπου κι αν βρισκόμαστε. Όμως για να διατηρηθεί η ταχύτητα του φωτός σταθερή ανά πάσα στιγμή και για όλους τους παρατηρητές σε ειδική σχετικότητα, ο χώρος και ο χρόνος γίνονται ελαστικοί και μεταβλητοί. Ο χρόνος, για παράδειγμα, δεν είναι απόλυτος. Οι δείκτες σε να μετακινούμενο ρολόι χτυπούν πιο αργά από ένα ακίνητο. Αν μάλιστα ταξιδέψει κανείς με ταχύτητα φωτός, θεωρητικά, το ρολόι θα σταματούσε εντελώς.

Το πόσο διαστέλλεται ο χρόνος μπορεί να υπολογιστεί με τις δύο εικονιζόμενες εξισώσεις στην πάνω φωτογραφία. Στα δεξιά, το Δt είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο γεγονότων, όπως μετράται από το άτομο που επηρεάζουν. (Στο παράδειγμά μας παραπάνω, αυτό θα ήταν το άτομο στην αμαξοστοιχία.) Στα αριστερά, Δt' είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο ίδιων γεγονότων, αλλά μετράται από έναν εξωτερικό παρατηρητή σε ένα ξεχωριστό πλαίσιο αναφοράς (το άτομο στην πλατφόρμα). Αυτές οι δύο χρονικές στιγμές σχετίζονται με τον παράγοντα Lorentz (y), ο οποίος σε αυτό το παράδειγμα είναι ένας όρος που λαμβάνει υπόψη την ταχύτητα (v) της αμαξοστοιχίας σε σχέση με την πλατφόρμα του σταθμού, η οποία βρίσκεται «σε κατάσταση ηρεμίας». Στην έκφραση αυτή, το c είναι μια σταθερά ίση με την ταχύτητα του φωτός σε ένα κενό χώρο.

Το μήκος των κινούμενων αντικειμένων επίσης συρρικνώνεται στην κατεύθυνση στην οποία κινούνται. Αν ταξιδεύαμε με ταχύτητα φωτός (κάτι που δεν είναι πραγματικά εφικτό), το μήκος του αντικειμένου θα συρρικνωνόταν στο 0.

Το συμβατικό μήκος ενός κινούμενου αντικειμένου σε σχέση με ένα ακίνητο μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας το σωστό μήκος με τον συντελεστή Lorentz - αν ήταν εφικτό για ένα αντικείμενο να φτάσει την ταχύτητα του φωτός, το μήκος του θα συρρικνωνόταν στο μηδέν.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αν είστε το πρόσωπο που κινείται γρηγορότερα και ταχύτερα, δεν θα παρατηρήσετε τίποτα: ο χρόνος θα περνά κανονικά για εσάς και δεν θα συρρικνωθείτε. Όμως όποιος σας παρακολουθεί από μια πλατφόρμα σε ουράνιους σταθμούς θα είναι σε θέση να μετρήσει τις διαφορές, όπως υπολογίζεται από τον παράγοντα Lorentz. Ωστόσο, για τα καθημερινά αντικείμενα και τις καθημερινές ταχύτητες, ο συντελεστής Lorentz θα είναι κοντά στο 1 - μόνο στις ταχύτητες κοντά σε εκείνες του φωτός οι σχετικές επιδράσεις χρειάζονται προσοχή.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό που προκύπτει από την ειδική σχετικότητα είναι ότι, καθώς κάτι επιταχύνεται, η μάζα του αυξάνεται σε σχέση με τη μάζα του σε κατάσταση ηρεμίας, με τη μάζα του κινούμενου αντικειμένου να προσδιορίζεται πολλαπλασιάζοντας την μάζα ανάπαυσης του παράγοντα Lorentz. Αυτή η αύξηση της σχετικιστικής μάζας καθιστά κάθε επιπλέον μονάδα ενέργειας που τίθεται στην επιτάχυνση του αντικειμένου λιγότερο αποτελεσματική στο να επιταχύνει την πραγματική κίνηση.

Καθώς η ταχύτητα του αντικειμένου αυξάνεται και αρχίζει να φθάνει σε αξιοσημείωτα κλάσματα της ταχύτητας του φωτός (y), η ποσότητα της ενέργειας που συμβάλει στην αύξηση της μάζας του αντικειμένου γίνεται όλο και μεγαλύτερη.

Αυτό εξηγεί το γιατί κανένα σωματίδιο δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως - στην ίδια ταχύτητα ή έστω κοντά σε αυτή, οποιαδήποτε πρόσθετη ενέργεια σε ένα αντικείμενο δεν το κάνει να κινηθεί γρηγορότερα, αλλά απλώς αυξάνει τη μάζα του. Η μάζα και η ενέργεια είναι το ίδιο πράγμα και αυτό είναι μια ιδιαίτερα σημαντική συνθήκη. Αλλά αυτή είναι μια άλλη ιστορία.

Απόδοση από το Guardian