Το είπε ο Αϊνστάιν: Ο χρόνος κυλά πιο αργά όταν το ρολόι κινείται με μεγάλη ταχύτητα
Μια
βασική πρόβλεψη της Ειδικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, σύμφωνα με την
οποία ο χρόνος κυλά πιο αργά στα αντικείμενα που κινούνται με μεγάλη
ταχύτητα, έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά αρκετές φορές στο παρελθόν.
Τώρα, διεθνής ομάδα ερευνητών αναφέρει ότι επιβεβαίωσε το αλλόκοτο
φαινόμενο με ακρίβεια 50 έως 100 φορές μεγαλύτερη.
Το κύριο συμπέρασμα της Ειδικής Σχετικότητας, την οποία διατύπωσε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905, είναι ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πάντα ίδια για όλους τους παρατηρητές (σε αντίθεση με ό,τι συμβαίνει στην καθημερινή ζωή, όπου η ταχύτητα ενός αντικειμένου, για παράδειγμα ενός αυτοκινήτου, είναι σχετική και εξαρτάται από την ταχύτητα του παρατηρητή).
Απόρροια της θεωρίας είναι ότι ο χρόνος διαστέλλεται, δηλαδή τρέχει πιο αργά, για αντικείμενα που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα. Σε ένα κλασικό θεωρητικό πείραμα, ένας αστροναύτης που ταξιδεύει στο Διάστημα με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός επιστρέφει στη Γη και βρίσκει τον δίδυμο αδελφό του πολύ πιο γερασμένο.
Πολλά από τα προηγούμενα πειράματα για την επιβεβαίωση αυτού του φαινομένου βασίζονταν στη σύγκριση ατομικών ρολογιών, από τα οποία το ένα παρέμενε στη Γη και το άλλο κινούνταν σε τροχιά.
Έπειτα από 15 χρόνια προσπαθειών, διεθνής ομάδα ερευνητών, στην οποία συμμετείχε και ο νομπελίστας γερμανός φυσικός Τίοντορ Χενς, παρουσιάζει τώρα ένα πείραμα που αυξάνει την ακρίβεια της μέτρησης κατά 50 με 100 φορές, όπως τουλάχιστον υποστηρίζουν οι ίδιοι.
Όπως εξηγεί το Nature.com, οι ερευνητές συνέκριναν άτομα λιθίου, ορισμένα από τα οποία παρέμειναν ακίνητα ενώ τα υπόλοιπα είχαν επιταχυνθεί στο ένα τρίτο της ταχύτητας του φωτός. Στη διάρκεια του πειράματος οι επιστήμονες μέτρησαν στις δύο ομάδες ατόμων τη συχνότητα με την οποία τα ηλεκτρόνια των ατόμων μεταπίπτουν σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας -η συχνότητα αυτή αποτέλεσε το «ρολόι» με το οποίο μετρήθηκε ο ρυθμός του χρόνου.
Πράγματι, η συχνότητα μετάπτωσης ήταν μικρότερη στα κινούμενα άτομα λόγω της διαστολής του χρόνου. Και το τελικό αποτέλεσμα συμφωνεί απόλυτα με τις προβλέψεις της Ειδικής Σχετικότητας, αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση Physical Review Letters.
Επισημαίνουν μάλιστα ότι η χρήση κινούμενων ατόμων επιτρέπει τη μέτρηση της διαστολής του χρόνου με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι τα πειράματα με ρολόγια που κινούνται σε τροχιά.
Σε κάθε περίπτωση, τα πειράματα αυτού του είδους δεν έχουν μόνο θεωρητικό ενδιαφέρον αλλά και σημαντικές πρακτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, οι δορυφόροι του συστήματος GPS διαθέτουν ατομικά ρολόγια, στα οποία όμως ο χρόνος τρέχει λίγο πιο αργά από ό,τι στα ατομικά ρολόγια στη Γη.
Αν το σύστημα δεν λάμβανε υπόψη αυτό το σχετικιστικό φαινόμενο, το στίγμα που δίνει το GPS θα παρουσίασε ολοένα και μεγαλύτερη απόκλιση. Σε διάστημα λίγων ημερών, η απόκλιση θα έφτανε τα δεκάδες χιλιόμετρα και το GPS θα ήταν πια ουσιαστικά άχρηστο.
Εκτός όμως από τη διαστολή του χρόνου λόγω υψηλής ταχύτητας, ο Αϊνστάιν προέβλεψε και ένα δεύτερο, παραπλήσιο φαινόμενο: τη διαστολή του χρόνου λόγω της βαρύτητας. Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, η οποία διατυπώθηκε το 1916 και αντικατέστησε τη θεωρία του Νεύτωνα για τη βαρύτητα, ο χρόνος τρέχει πιο αργά όταν η δύναμη της βαρύτητας αυξάνεται.
Αυτό σημαίνει ότι ένα ρολόι στην επιφάνεια της Γης τρέχει πιο αργά από ό,τι ένα ίδιο ρολόι στην κορυφή του Έβερεστ, το οποίο βρίσκεται πιο μακριά από τον πυρήνα της Γης και δέχεται έτσι ασθενέστερη βαρυτική δύναμη.
Και σε αυτή την περίπτωση, ο Αϊνστάιν έχει επιβεβαιωθεί με μεγάλη ακρίβεια. Το 2010, οι φυσικοί μέτρησαν τη διαστολή του χρόνου ανάμεσα σε δύο ρολόγια με κατακόρυφη απόσταση μόλις 33 εκατοστών.
Το κύριο συμπέρασμα της Ειδικής Σχετικότητας, την οποία διατύπωσε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905, είναι ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πάντα ίδια για όλους τους παρατηρητές (σε αντίθεση με ό,τι συμβαίνει στην καθημερινή ζωή, όπου η ταχύτητα ενός αντικειμένου, για παράδειγμα ενός αυτοκινήτου, είναι σχετική και εξαρτάται από την ταχύτητα του παρατηρητή).
Απόρροια της θεωρίας είναι ότι ο χρόνος διαστέλλεται, δηλαδή τρέχει πιο αργά, για αντικείμενα που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα. Σε ένα κλασικό θεωρητικό πείραμα, ένας αστροναύτης που ταξιδεύει στο Διάστημα με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός επιστρέφει στη Γη και βρίσκει τον δίδυμο αδελφό του πολύ πιο γερασμένο.
Πολλά από τα προηγούμενα πειράματα για την επιβεβαίωση αυτού του φαινομένου βασίζονταν στη σύγκριση ατομικών ρολογιών, από τα οποία το ένα παρέμενε στη Γη και το άλλο κινούνταν σε τροχιά.
Έπειτα από 15 χρόνια προσπαθειών, διεθνής ομάδα ερευνητών, στην οποία συμμετείχε και ο νομπελίστας γερμανός φυσικός Τίοντορ Χενς, παρουσιάζει τώρα ένα πείραμα που αυξάνει την ακρίβεια της μέτρησης κατά 50 με 100 φορές, όπως τουλάχιστον υποστηρίζουν οι ίδιοι.
Όπως εξηγεί το Nature.com, οι ερευνητές συνέκριναν άτομα λιθίου, ορισμένα από τα οποία παρέμειναν ακίνητα ενώ τα υπόλοιπα είχαν επιταχυνθεί στο ένα τρίτο της ταχύτητας του φωτός. Στη διάρκεια του πειράματος οι επιστήμονες μέτρησαν στις δύο ομάδες ατόμων τη συχνότητα με την οποία τα ηλεκτρόνια των ατόμων μεταπίπτουν σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας -η συχνότητα αυτή αποτέλεσε το «ρολόι» με το οποίο μετρήθηκε ο ρυθμός του χρόνου.
Πράγματι, η συχνότητα μετάπτωσης ήταν μικρότερη στα κινούμενα άτομα λόγω της διαστολής του χρόνου. Και το τελικό αποτέλεσμα συμφωνεί απόλυτα με τις προβλέψεις της Ειδικής Σχετικότητας, αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση Physical Review Letters.
Επισημαίνουν μάλιστα ότι η χρήση κινούμενων ατόμων επιτρέπει τη μέτρηση της διαστολής του χρόνου με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι τα πειράματα με ρολόγια που κινούνται σε τροχιά.
Σε κάθε περίπτωση, τα πειράματα αυτού του είδους δεν έχουν μόνο θεωρητικό ενδιαφέρον αλλά και σημαντικές πρακτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, οι δορυφόροι του συστήματος GPS διαθέτουν ατομικά ρολόγια, στα οποία όμως ο χρόνος τρέχει λίγο πιο αργά από ό,τι στα ατομικά ρολόγια στη Γη.
Αν το σύστημα δεν λάμβανε υπόψη αυτό το σχετικιστικό φαινόμενο, το στίγμα που δίνει το GPS θα παρουσίασε ολοένα και μεγαλύτερη απόκλιση. Σε διάστημα λίγων ημερών, η απόκλιση θα έφτανε τα δεκάδες χιλιόμετρα και το GPS θα ήταν πια ουσιαστικά άχρηστο.
Εκτός όμως από τη διαστολή του χρόνου λόγω υψηλής ταχύτητας, ο Αϊνστάιν προέβλεψε και ένα δεύτερο, παραπλήσιο φαινόμενο: τη διαστολή του χρόνου λόγω της βαρύτητας. Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, η οποία διατυπώθηκε το 1916 και αντικατέστησε τη θεωρία του Νεύτωνα για τη βαρύτητα, ο χρόνος τρέχει πιο αργά όταν η δύναμη της βαρύτητας αυξάνεται.
Αυτό σημαίνει ότι ένα ρολόι στην επιφάνεια της Γης τρέχει πιο αργά από ό,τι ένα ίδιο ρολόι στην κορυφή του Έβερεστ, το οποίο βρίσκεται πιο μακριά από τον πυρήνα της Γης και δέχεται έτσι ασθενέστερη βαρυτική δύναμη.
Και σε αυτή την περίπτωση, ο Αϊνστάιν έχει επιβεβαιωθεί με μεγάλη ακρίβεια. Το 2010, οι φυσικοί μέτρησαν τη διαστολή του χρόνου ανάμεσα σε δύο ρολόγια με κατακόρυφη απόσταση μόλις 33 εκατοστών.
