Albert Einstein is een van de beroemdste natuurkundigen van de 20e eeuw. Naast verbazingwekkende theorieën die de grootschalige wereld met ongelooflijke nauwkeurigheid beschrijven, onthulde hij echter een merkwaardig fenomeen: hoe sterker de zwaartekracht, hoe langzamer de tijd verstrijkt.
Einstein noemde zijn eerste theorie die de hele wereld kent de speciale relativiteitstheorie. Het was bijzonder omdat het met constante snelheden omging. Om het te verzoenen met de echte wereld, waarin objecten constant versnellen en vertragen, moest hij de implicaties van zijn theorie onderzoeken als het ging om versnelling. Deze poging om alle algemene verschijnselen te generaliseren en er rekening mee te houden, leidde tot de ontdekking van de relatie tussen tijd en zwaartekracht. Einstein noemde zijn nieuwe theorie de algemene relativiteitstheorie.
Newton geloofde dat de stroom van tijd als een pijl is. Het beweegt gestaag maar in één richting - vooruit. Einstein suggereerde dat de tijd omgekeerd evenredig met de snelheid verandert. En vanwege zijn vloeibaarheid, zoals ruimte, "verdiende" het zijn eigen meting. Bovendien stelde Einstein dat ruimte en tijd één geheel zijn - een flexibel vierdimensionaal weefsel waarop alle gebeurtenissen in het universum plaatsvinden. Zo noemde hij het - het weefsel van ruimte-tijd. Toen de natuurkundige zijn werk met al zijn conclusies publiceerde, werd ze met ongeloof begroet.
Volgens de algemene relativiteitstheorie rekt materie het weefsel van de ruimtetijd uit en trekt het samen. Het blijkt dat objecten niet op een mysterieuze manier naar het centrum van de aarde worden aangetrokken, maar juist worden geduwd door de gekromde ruimte eromheen. Net als een helling versnelt de kromming van de ruimtetijd neerwaarts bewegende objecten, hoewel de snelheid van deze versnelling niet altijd hetzelfde is. De zwaartekracht neemt toe naarmate je het aardoppervlak nadert, waar de kromming intenser is.
De geschiedenis van het universum op de pijl van de tijd.
Als de zwaartekracht toeneemt naarmate het naar beneden beweegt, zal het object sneller naar punt B op het oppervlak vallen dan naar punt A op een grotere hoogte. Volgens de speciale relativiteitstheorie zou de tijd voor een vrij vallend object op punt B langzamer moeten gaan ten opzichte van het object op punt A vanwege het feit dat de snelheid van het object op punt B hoger is.
Wat is tijd
Promotie video:
Hoe laat is correct? Einstein stelde dat er geen absolute tijd is. Tijd is relatief afhankelijk van het systeem van krachten waaraan het is onderworpen. Dit wordt formeel een referentiekader genoemd. De tijd die binnen uw systeem verstrijkt, wordt uw eigen tijd genoemd. Als de bewegingswetten voor alle waarnemers hetzelfde moeten zijn, ongeacht hun beweging, dan moet de tijd vertragen. Dat wil zeggen, hoe sneller u beweegt, hoe langzamer uw klok tikt ten opzichte van andere klokken. Dit is wat de heldin Anne Hathaway het personage Matthew McConaughey vertelde in "Interstellar" na de afdaling naar een verre planeet: "Een uur op deze planeet is gelijk aan zeven aardse jaren."
Is het observeren van vertraagde tijd dus een beperking van onze primitieve neurologische aard, of vertraagt de tijd echt? En wat betekent tijddilatatie eigenlijk? Dit brengt ons uiteindelijk bij de vraag: wat is tijd? Dit is niet alleen een vraag die filosofiestudenten elkaar stellen bij een glas bier. Het begrip tijd heeft de natuurfilosofen en natuurkundigen sinds mensenheugenis in verwarring gebracht.
De belangrijkste functie van tijd is het bijhouden van de chronologie van gebeurtenissen. Tot de laatste 400 jaar hebben mensen echter de tijd bepaald op basis van de aanname dat sterren rond de aarde bewegen, en niet andersom. Hoe dan ook, alles werkte redelijk goed - omdat de dagen en seizoenen voorspelbaar herhaald werden, en als je iets hebt dat voorspelbaar herhaalt, dan is er een mechanisme om de tijd bij te houden.
Galileo gebruikte de recursieve aard van een dergelijk mechanisme om beweging te berekenen. De beschrijving van de beweging zou onmogelijk zijn zonder een aanduiding van de tijd. Maar deze tijd is nooit absoluut geweest. Zelfs toen Newton zijn bewegingswetten formuleerde, gebruikte hij het concept van tijd, waarin twee paar klokken synchroon tikken, niet met de absolute, onafhankelijke tijd, maar met elkaar. Synchronisatie is de reden waarom de mensheid zo'n geavanceerde en nauwkeurige atoomklok heeft gebouwd.
Het concept van tijd is gebaseerd op de gelijktijdigheid of het beslissende samenvallen van twee gebeurtenissen - zoals de aankomst van een trein en het unieke samenvallen van de wijzers op dat moment. Einsteins theorie stelt dat dit moet worden beïnvloed door beweging. Als de twee waarnemers op het perron en de trein het niet eens kunnen worden over wat er tegelijkertijd is, kunnen ze het niet eens worden over hoe de tijd zelf stroomt.
Beweging vervormt de tijd
Overweeg een eenvoudig timingmechanisme om het effect van beweging op de voorspelbaarheid te begrijpen. Stel je een tijdregistratie-apparaat voor dat bestaat uit een foton dat terugkaatst tussen twee spiegels op een eindige afstand van elkaar. Laat een seconde passeren tijdens de reflectieperiode van het foton. Nu zullen we twee van dergelijke apparaten op de punten A en B boven het aardoppervlak en direct daarop plaatsen (zoals in het hierboven beschreven voorbeeld) en kijken hoe ze de tijd tellen waarop een vrij vallend object er langs komt. Dit object meet op zijn beurt zijn eigen tijd met dezelfde klok. Wat zullen ze laten zien?
Kijken naar de weerkaatsing van een foton tussen twee bewegende spiegels is als kijken naar een tennisbal die op een rijdende trein stuitert. Zelfs als de bal loodrecht naar iemand in de trein stuitert, beschrijft hij driehoeken voor een stationaire waarnemer buiten.
Een experiment met een vallende klok.
Wanneer het apparaat naar voren beweegt, lijkt het alsof het foton, net als een bal, een grotere afstand aflegt nadat het is gereflecteerd. Het blijkt dat een resultaat van ons experiment vertekend is! Bovendien, hoe sneller het apparaat beweegt, hoe meer tijd het duurt voordat het foton weerkaatst, waardoor de duur van een seconde wordt verlengd. Daarom blijkt het tijdsverloop op punt B langzamer te zijn dan op punt A (onthoud: door de zwaartekracht valt het object op punt B sneller dan op punt A).
Dit verschil is natuurlijk te verwaarlozen. Het verschil tussen de tijd gemeten door klokken op de toppen van de bergen en op het aardoppervlak is slechts enkele nanoseconden. Desalniettemin was de ontdekking van Einstein een echte doorbraak. De zwaartekracht verstoort echt het verstrijken van de tijd, wat betekent dat hoe zwaarder een object is, hoe langzamer de tijd er dichtbij stroomt. Sommige natuurkundigen maken zelfs een voorbehoud dat alle objecten in het heelal het lijken te voelen en proberen te vallen waar de tijd langzamer gaat, van plaatsen waar de tijd sneller gaat.
Het zwaartekrachtveld van de aarde en de gps-satelliet.
Benen jonger dan het hoofd
Tegenwoordig is gravitationele tijddilatatie niet alleen een bekend fenomeen uit de theoretische fysica, maar ook een praktisch hulpmiddel. Dankzij de ontdekking van Einstein en zijn vergelijkingen hebben we zoiets wonderbaarlijks als gps-navigatie, dat niet zo nauwkeurig zou kunnen werken als er geen rekening zou worden gehouden met het verschil tussen het tijdsverloop op het aardoppervlak en het tijdsverloop in een baan om de aarde. Gravitationele tijddilatatie helpt theoretisch natuurkundigen en astrofysici ook om nauwkeurige theorieën op te bouwen over wat er in de verre ruimte gebeurt nabij objecten waar we fysiek niet dichtbij kunnen komen (bijvoorbeeld zwarte gaten en neutronensterren). En ja, gezien dit fenomeen, blijkt dat je benen - zij het oneindig onbeduidend - jonger zijn dan je hoofd.
Vladimir Guillen
