Τι Είναι η Σχετικότης

Αν ήσθε σ’ ένα πύραυλο που ταξίδευε μέσα στον διαστημικό χώρο, πώς θα καθωρίζατε την ταχύτητά σας και τη διεύθυνσι;

Στη γη, δεν θα υπήρχε καθόλου πρόβλημα. Αν ένα αυτοκίνητο ταξιδεύη με εξήντα μίλια από ένα τόπο σ’ έναν άλλο σε μια ώρα, ταξιδεύει με ταχύτητα εξήντα μιλίων την ώρα. Μπορούμε μάλιστα να μετρήσωμε αυτήν την απόστασι αν επρόκειτο να την αποδείξωμε. Έτσι υπάρχει κάτι οριστικό στο οποίο μπορεί κανείς να στηριχθή, το έδαφος πάνω στο οποίο ταξιδεύομε. Επίσης, η περιστροφή των τροχών του αυτοκινήτου καθιστά δυνατή τη λειτουργία ενός μετρητού ταχύτητος ο οποίος δείχνει την ταχύτητα σε οποιανδήποτε δοθείσα στιγμή.

Τα αεροπλάνα, εκτός από τη δυνατότητα να παρατηρούν τη γη επάνω από την οποία περνούν, μπορούν να χρησιμοποιούν τους δείκτας ταχύτητος αέρος για να μετρούν την ταχύτητά τους. Αυτοί βασίζονται στην πίεσι του αέρος και μετρούν την ταχύτητα ταξιδιού μέσω του αέρος σε οποιονδήποτε ιδιαίτερο χρόνο. Και οι αστροναύτες που ταξιδεύουν στη σελήνη μπορούν να μετρούν την ταχύτητά των σχετικά με τη γη, επειδή γνωρίζουν την απόστασι προς τη σελήνη και πόσος χρόνος τούς χρειάζεται να φθάσουν εκεί. Έτσι, εφόσον υπάρχει κάποιο γνωστό σώμα εν όψει, η διεύθυνσις και η ταχύτης μπορούν να μετρηθούν.

Στο Εξωτερικό Διάστημα

Αλλά έξω, πέρα από τη θέα της γης, της σελήνης, των πλανητών και του ήλιου, τι κάνομε; Ακόμη και ένας δείκτης ταχύτητος αέρος δεν θ’ ανταπεκρίνετο στις συνθήκες, επειδή δεν υπάρχει καθόλου αέρας στο εξωτερικό διάστημα!

Ας πούμε λοιπόν ότι ενώ βρίσκεσθε στον πύραυλό σας βαθειά μέσα στο διάστημα, βλέπετε έναν μετεωρίτη να περνά κοντά από το παράθυρό σας. Θα σήμαινε αυτό ότι ο μετεωρίτης ταξίδευε γρηγορότερα από σας; Θα μπορούσατε γρήγορα να συμπεράνετε, Ναι. Αλλά περιμένετε! Αντί τούτου, θα μπορούσε να συμβαίνη ότι εσείς έχετε σταματήσει και αυτός να σας ξεπέρασε; Ή ο μετεωρίτης ήταν εκείνος που είχε σταματήσει και σεις στην πραγματικότητα πηγαίνατε προς τα πίσω; Ή πηγαίνατε και οι δύο προς τα πίσω, αλλά η δική σας προς τα πίσω πορεία ήταν ταχύτερη από εκείνη του μετεωρίτη; Αλήθεια, πώς θα ξέρατε πραγματικά ποια είναι η προς τα πίσω ή προς τα εμπρός πορεία στο εξωτερικό διάστημα;

Μπορείτε να διακρίνετε τις περιπλοκές της προσπαθείας όπως προσδιορίσετε την κίνησι στο διάστημα. Πρέπει να υπάρχη κάποιο γνωστό σώμα με το οποίον ένα αντικείμενο που ταξιδεύει να μπορή να συσχετισθή. Επομένως, κάθε κίνησις στο διάστημα είναι σχετική, δηλαδή, ταχύτερη, βραδύτερη, προς τα εμπρός, προς τα πίσω εν συγκρίσει με κάτι άλλο. Αυτή είναι η βάσις της θεωρίας της σχετικότητος.

Θεωρία της Ειδικής Σχετικότητος

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, το 1905, ήταν ο πρώτος που διετύπωσε αυτή τη θεωρία κατά ένα τρόπο που μπορούσε να μελετηθή με μαθηματικό υπολογισμό και πειράματα. Η θεωρία του περιελάμβανε τις κύριες ιδέες, (1) ότι κάθε κίνησις είναι σχετική, πράγμα που σημαίνει ότι η ταχύτης και η διεύθυνσις οποιουδήποτε αντικειμένου μπορεί να μετρηθή μόνον εν σχέσει προς ένα άλλο αντικείμενο και (2) ότι η ταχύτης του φωτός σ’ ένα κενόν είναι απόλυτος αξία, δηλαδή, το φως ταξιδεύει με 186.000 περίπου μίλια το δευτερόλεπτο και είναι ανεξάρτητο από την κίνησι της πηγής του φωτός.

Ας εξηγήσωμε τώρα αυτά τα δυο σημεία. Αν είσθε επιβάτης σ’ ένα τραίνο που τρέχει με 50 μίλια την ώρα, και ρίχνατε μια μπάλλα προς τα εμπρός μέσα στον διάδρομο της αιθούσης με ταχύτητα 20 μιλίων την ώρα, πόσο γρήγορα θα ταξίδευε η μπάλλα; Εν σχέσει με σας και τους επιβάτες κατά μήκος του διαδρόμου, η μπάλλα πηγαίνει με 20 μίλια την ώρα.

Αλλ’ ας πούμε ότι υπάρχει κάποιος που στέκεται έξω από τις σιδηροδρομικές γραμμές και αυτός μπορεί να παρατηρή μέσα από τα παράθυρα του τραίνου τη μπάλλα όταν ρίχνεται. Πόσο γρήγορα η μπάλλα θα ταξίδευε, εν σχέσει με αυτόν; Θα έτρεχε με 70 μίλια την ώρα, αφού θα περιελαμβάνετο επίσης και η ταχύτης ταξιδιού του τραίνου. Έτσι, η ταχύτης της μπάλλας είναι σχετική και εξαρτάται από εκείνον που την παρατηρεί.

Εν τούτοις, με το φως το ζήτημα είναι πολύ διαφορετικό. Αν μπορούσατε ν’ αυξήσετε την ταχύτητα του τραίνου σας σε 100.000 μίλια το δευτερόλεπτο και κατόπιν ρίχνατε μια ακτίνα φωτός προς τα εμπρός μέσ’ από τον διάδρομο, πόσο γρήγορα νομίζετε ότι θα ταξίδευε το φως; Για σας στο τραίνο, θα λέγατε ότι ταξίδευε με 186.000 μίλια το δευτερόλεπτο, αφού αυτή είναι η ταχύτης του φωτός. Αλλά πόσο γρήγορα θα έτρεχε σχετικά με τον παρατηρητή που στέκεται κατά μήκος των γραμμών; Καθώς στην περίπτωσι της μπάλλας που ρίχθηκε, θα μπορούσατε να σκεφθήτε ότι και εδώ, επίσης, για τον παρατηρητή που είναι έξω, θα έπρεπε να προσθέσετε την ταχύτητα του τραίνου (100.000 μίλια κατά δευτερόλεπτο σ’ αυτή την περίπτωσι) στην ταχύτητα του φωτός (186.000 μίλια κατά δευτερόλεπτον), και να έχετε μια ολική ταχύτητα 286.000 μίλια το δευτερόλεπτο.

Αλλ’ αυτό δεν αληθεύει σχετικά με το φως! Είναι ένα καταπληκτικό φαινόμενον· αδιάφορο πόσο γρήγορα ταξιδεύει το τραίνο σας, σεις δεν θα μπορούσατε ν’ αυξήσετε καθόλου την ταχύτητα εκείνης της ακτίνος του φωτός! Αυτή θα ταξιδεύη περνώντας από τον παριστάμενον παρατηρητήν που είναι έξω από τις γραμμές με 186.000 μίλια το δευτερόλεπτο, αφού η ακτίς δεν επηρεάζεται από την ταχύτητα της πηγής της. Η ταχύτης αυτή του φωτός αντιπροσωπεύει την τελική ταχύτητα οποιουδήποτε πράγματος που οι επιστήμονες παρετήρησαν στο σύμπαν, μολονότι θα μπορούσαν να υπάρξουν μεγαλύτερες ταχύτητες άγνωστες σ’ αυτούς.

Αυτές οι δυο ιδέες, ότι κάθε κίνησις είναι σχετική και ότι η ταχύτης του φωτός είναι ανεξάρτητη από την ταχύτητα της πηγής του, είναι βασικές για εκείνο που είναι γνωστό ως η θεωρία της Ειδικής Σχετικότητος.

Φυσικά, η θεωρία της Ειδικής Σχετικότητος είναι πολύ πιο περίπλοκη από ό,τι η συζήτησις αυτή μπορεί να δείχνη, επειδή προσδιορίζει τη σχέσι μεταξύ φωτός, ενεργείας και ύλης. Έκαμε δυνατούς τους υπολογισμούς που είχαν ως αποτέλεσμα την περίφημη εξίσωσι Ε=me², η οποία υπήρξε βάσις για την κατασκευή της ατομικής βόμβας. Η έκρηξις της βόμβας άφηκε μικρή αμφιβολία ως προς τη γενική ορθότητα της ειδικής θεωρίας της σχετικότητος του Αϊνστάιν.

Θεωρία της Γενικής Σχετικότητος

Αλλά τι συμβαίνει όταν υπάρχουν μεταβολές σε ταχύτητα και διεύθυνσι; Πώς επηρεάζεται η κίνησις των ουρανίων σωμάτων από τα πεδία βαρύτητος άλλων σωμάτων; Πώς επηρεάζεται το φως όταν περνά από έναν αστέρα ή πλανήτη που έχει ισχυρό πεδίον βαρύτητος;

Το 1916 ο Αϊνστάιν διετύπωσε τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητος. Σ’ αυτήν περιέλαβε τις δυνατότητες για μεταβολές ταχύτητος και διευθύνσεως, ιδιαίτερα όταν αυτές οφείλωνται στις λεπτές επιδράσεις της βαρύτητος.

Το να εκφράση ένας αυτή τη θεωρία στη γλώσσα των μαθηματικών αποκαλύπτει τη φαντασιώδη περιπλοκότητά της. Το βιβλίο Νέα Μέτωπα της Φυσικής (στην Αγγλική) λέγει ότι αυτό θ’ απαιτούσε «μια σειρά δέκα ταυτοχρόνων διαφορετικών εξισώσεων, που η κάθε μια έχει τόσο φοβερή και θαυμάσια συγκρότησι ώστε απαιτείται μια πάρα πολύ συμπαγής και ασυνήθης παράστασις για να την κάνη κατάλληλη.» Αν βρίσκετε λοιπόν τη σχετικότητα δύσκολο θέμα, μη εκπλήττεσθε! Και οι επιστήμονες εκπλήσσονται επίσης!

Σύμφωνα με τη θεωρία του, ο Αϊνστάιν μπόρεσε να προείπη μερικά άλλα ενδιαφέροντα πράγματα. Ένα ήταν το αποτέλεσμα που έχει η βαρύτης στις αντιδράσεις του φυσικού χρόνου.

Η Βαρύτης Επιβραδύνει τις Διενέργειες

Όταν μιλούμε για διενέργειες του φυσικού χρόνου, εννοούμε ιδιαίτερα τα ατομικά «ωρολόγια,» τα ρυθμικά και δονούμενα άτομα που εκπέμπουν ακτινοβολία σε σταθερή ταχύτητα που μπορεί να μετρηθή. Αυτά τα ατομικά ωρολόγια είναι πολύ πιο ακριβή από τα μηχανικά ωρολόγια μας.

Με τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας προελέχθη ότι όλες οι διενέργειες του φυσικού χρόνου, όπως είναι οι ρυθμικές ακτινοβολίες των ατόμων, θα ήταν βραδύτερες σ’ ένα μεγαλύτερο, «βαρύτερο,» σώμα. Παραδείγματος χάριν, ένα άτομο θ’ ακτινοβολούσε βραδύτερα στον ήλιο παρά στη γη, αφού ο ήλιος έχει μεγαλύτερη μάζα, ή «βάρος.»

Ενώ η απόδειξις μιας τέτοιας θέσεως είναι δύσκολη, οι μετρήσεις μεταβολών στην ταχύτητα της ατομικής ακτινοβολίας από πυκνά σώματα έδωκαν κάποια ένδειξι ότι το συμπέρασμα του Αϊνστάιν ήταν γενικώς ορθό. Τέτοιες διενέργειες σ’ έναν πλανήτη ή αστέρα με μεγαλύτερη μάζα ή «βάρος» εμφανίζονται ότι είναι βραδύτερες παρά στη γη, και αυτό οφείλεται στη μεγαλύτερη δύναμι βαρύτητος στα άλλα σώματα.

Ένα άλλο ενδιαφέρον συμπέρασμα που ελήφθη από αυτή τη θεωρία ήταν ότι η βαρύτης μπορούσε να ελκύση, ή να κάμψη, μια ακτίνα φωτός.

Κάμψις μιας Ακτίνος Φωτός

Ο Αϊνστάιν υπελόγισε ότι μια ακτίς φωτός θα παρεξέκλινε, ή θα εκάμπτετο, από ένα ισχυρό πεδίον βαρύτητος με τον ίδιο τρόπο που ένα μόριο ύλης ελκύεται από τη βαρύτητα.

Για ν’ αποκτηθή πειραματική απόδειξις γι’ αυτό, ήταν αναγκαία μια μεγαλύτερη επιχείρησις. Δυο Βρεττανικές αστρονομικές αποστολές φωτογράφησαν τη θέσι ενός επιλεγέντος εκ των προτέρων αστέρος, ο καθένας από μια διαφορετική θέσι στη γη. Έπειτα, από τις ίδιες δυο θέσεις, άλλοι φωτογράφοι φωτογράφησαν τον αστέρα όταν ο ήλιος ήλθε μεταξύ του αστέρος και της γης. Αν το φως από τον αστέρα εκάμπτετο όταν διήρχετο από τον ήλιο, αυτό θα έπρεπε να δειχθή από μια μεταβολή της θέσεως στις διάφορες φωτογραφίες.

Μαθηματικώς, ο Αϊνστάιν υπελόγισε την κάμψι σε 1.751 περίπου δεύτερα τόξου σύμφωνα με τη θεωρία του. Οι δυο ομάδες μέτρησαν τις μετακινήσεις στις φωτογραφίες. Στη μια περίπτωσι ήταν 1.98 δεύτερα τόξου. Οι μετρήσεις της άλλης ομάδος έφθασαν σε 1.6 δεύτερα. Αυτό ήταν σε αξιοσημείωτο βαθμό κοντά στην πρόρρησι, αρκετά κοντά ώστε να επαληθεύση τη βασική του υπόθεσι.

Εφόσον η βαρύτης μπορούσε να επηρεάση μια ακτίνα φωτός, αυτό έθεσε μια ενδιαφέρουσα δυνατότητα. Στο βιβλίο Η Σχετικότης για τον μη Ειδικό, ο συγγραφεύς Ι. Κόλεμαν εδήλωσε: «Είναι ενδιαφέρον να διαλογίζεται κανείς πόσο συμπαγής θα έπρεπε να είναι ένας αστήρ ώστε η έλξις του λόγω της βαρύτητος να είναι τόσο ισχυρή ώστε να εμποδίζη οποιοδήποτε φως του αστέρος να φύγη από τον αστέρα. Μπορεί να δειχθή ότι για έναν αστέρα της ιδίας ακτίνος με τον ήλιο αυτό θα συνέβαινε αν η μάζα του ήταν κατά προσέγγισι 400.000 φορές πολλαπλάσια της μάζης του ηλίου. Αν υπήρχαν τέτοιοι αστέρες, ποτέ δεν θα μπορούσαμε να τους δούμε, αδιάφορο πόσο κοντά των θα είμεθα και πόσο λαμπρά θα έλαμπαν!»

Και άλλες ενδιαφέρουσες δυνατότητες έχουν προκύψει από τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας. Αυτή έχυσε φως σε διάφορα φαινόμενα που επηρεάζουν τον κόσμο μέσα στον οποίον ζούμε. Αλλ’ ενώ οι επιστήμονες εξακολουθούν να χρησιμοποιούν τους μαθηματικούς τύπους της θεωρίας, αυτό δεν γίνεται χωρίς την κριτική τους. Αυτές οι επικρίσεις ηγέρθησαν κυρίως ως αποτέλεσμα του γεγονότος ότι οι τύποι ανεπτύχθησαν για να προσαρμόζωνται στα γεγονότα που βρέθηκαν μάλλον, παρά ότι οι τύποι εξήχθησαν από βασικές αρχές. Ποιες περαιτέρω τελειοποιήσεις θα γίνουν στην έκφρασι των νόμων του σύμπαντος απομένει να ιδούμε.

Εν τούτοις, καθόσον οι θεωρίες δοκιμάζονται, αποδεικνύονται, μεταβάλλονται ή απορρίπτονται, ένα βασικό γεγονός εξακολουθεί να έρχεται στο προσκήνιον. Αυτό είναι η μεγάλη αρμονία του σύμπαντος. Το ίδιο το σχόλιο του Αϊνστάιν ήταν: «Η νεώτερη φυσική είναι, απλούστερη από την αρχαία φυσική. . . Όσο απλούστερη είναι η εικών μας του εξωτερικού κόσμου και όσο περισσότερα γεγονότα περιλαμβάνει, τόσο ισχυρότερα αντανακλά στις διάνοιές μας την αρμονία του σύμπαντος.»

Πράγματι, στα τελευταία χρόνια της ζωής του ο Αϊνστάιν διετύπωσε την θεωρία περί του Ενοποιημένου Πεδίου. Η θεωρία αυτή εξεφράσθη από μια μόνη σειρά φυσικών νόμων που περιελάμβαναν τι λαμβάνει χώραν εσωτερικώς του ατόμου καθώς επίσης τι λαμβάνει χώραν στο εξωτερικό διάστημα. Δείχνει ότι οι βασικές δυνάμεις στο σύμπαν δεν είναι ανεξάρτητες η μια από την άλλη, αλλά πραγματικά είναι αχώριστες. Το σύμπαν και όλα τα μέρη του βλέπονται ως μια ενότης. Γι’ αυτή τη Θεωρία του Ενοποιημένου Πεδίου, ο Λίνκολν Μπάρνετ εδήλωσε στο βιβλίο Το σύμπαν και ο Δρ Αϊνστάιν (στην Αγγλική) : «Έτσι μια βαθειά απλότης αντικαθιστά το επιφανειακό περίπλοκον της φύσεως. . .. Έτσι όλες οι αντιλήψεις του ανθρώπου περί του κόσμου και όλες του οι αφηρημένες προαισθήσεις της πραγματικότητας αναδύονται τελικά μέσα σε μια, και η βαθειά υποκείμενη ενότης του σύμπαντος τίθεται γυμνή.»

Το αληθινά σοφό και ταπεινό άτομο αναγνωρίζει από πού προήλθε όλο αυτό το μεγαλείο και η αρμονία. Έπρεπε να υπάρχη ένας Σχεδιαστής και Δημιουργός, αφού τίποτε το ωργανωμένο δεν ήλθε σε ύπαρξι τυχαίως. Ο αρχαίος ψαλμωδός ανεγνώρισε την πηγή όταν είπε: «Οι ουρανοί διηγούνται την δόξαν του Θεού.» Και ο απόστολος Παύλος επίσης το έκαμε αυτό όταν εδήλωσε: «Πας οίκος κατασκευάζεται υπό τίνος· ο δε κατασκευάσας τα πάντα, είναι ο Θεός.»—Ψαλμ. 19:1· Εβρ. 3:4.