Przeczytaj
Warto przeczytać
Zjawiska fizyczne opisuje się określając miejsce i czas zajścia. Według zasad mechaniki klasycznej sformułowanych przez Izaaka Newtona czas był absolutny, niezależny od materii i zjawisk fizycznych. Upływał jednakowo we wszystkich układach odniesieniaukładach odniesienia. W szczególności czas trwania zjawisk nie zależał od wyboru układu odniesienia. Zgodnie z koncepcją Newtona, można było bez problemu zsynchronizować wszystkie zegary we Wszechświecie tak, aby pokazywały ten sam czas absolutny bez względu na ruch układu odniesieniaukładu odniesienia, w którym znajdował się zegar. Ze względu na istnienie jednego, absolutnego czasu, zdarzenia równoczesne w jednym układzie będą równoczesne w każdym innym.
Według teorii Newtona jednoczesne były zatem te zdarzenia, które zachodziły w tej samej chwili czasu absolutnego. Jednoczesność, zgodnie z tą koncepcją, była absolutna – zdarzenia jednoczesne dla jednego obserwatora były jedoczesne dla każdego innego. Teoria Newtona dopuszczała możliwość nieskończonej szybkości rozchodzenia się informacji i sygnał pochodzący od zjawiska mógł być jednocześnie odbierany przez wszystkich obserwatorów. Oczywiście sygnały, które miały skończoną prędkość (np. dźwięki), od zjawisk zachodzących jednocześnie w różnych odległościach od obserwatora nie dochodziły do niego jednocześnie.
Podstawowym założeniem Szczególnej Teorii Względności (STW) nie jest absolutność czasu, ale absolutność prędkości światła w próżni. Teoria ta zakładała, że we wszystkich układach inercjalnychukładach inercjalnych prędkość światła w próżni jest taka sama we wszystkich kierunkach i nie zależy od prędkości źródła.
Założenie to prowadzi do szeregu konsekwencji sprzecznych z naszą intuicją. Między innymi:
prędkość światła w próżni jest maksymalną prędkością, jaką mogą osiągnąć obiekty, a także wszelkiego typu sygnały w przyrodzie;
czas trwania zjawiska i długość obiektu zależy od układu odniesienia, względem którego jest mierzony.
Także względna jest równoczesność zdarzeń.
Zgodnie ze szczególną teorią względności, podobnie jak w mechanice klasycznej, dwa zdarzenia są równoczesne w pewnym układzie odniesienia, gdy mają w tym układzie tę samą współrzędną czasową.
Ponieważ maksymalna prędkość informacji to duża, ale jednak skończona prędkość światła, zmiana układu inercjalnego – poruszającego się z niezerową prędkością względem wybranego – powoduje, że zdarzenia jednoczesne w jednym układzie odniesienia nie muszą być jednoczesne w innym. Jedno z tych zdarzeń jest obserwowane jako wcześniejsze.
Dla niektórych zdarzeń niejednoczesnych w danym układzie odniesieniaukładzie odniesienia można znaleźć układ, w których te zdarzenia są równoczesne.
Względność równoczesności ilustruje tzw. pociąg Einsteina.
Zakładamy, że mamy dwa inercjalne układy odniesieniainercjalne układy odniesienia:
A – związany z wagonem pociągu poruszającego się z bardzo dużą prędkością;
B – związany z Ziemią.
Każdy układ ma swój własny czas mierzony przez zsynchronizowane ze sobą zegary (pokazujące ten sam czas). Zegary te mogą być w każdym punkcie danego układu.
Rozważmy bieg promieni świetlnych wysłanych jednocześnie ze środka wagonu w kierunku przeciwległych ścian. Promienie wysyłane są z jednego punku, dlatego w obu układach ich start będzie jednoczesny.
Rozważmy zjawiska – promienie docierają do ścian wagonu, zjawiska te mogą być np. rejestrowane przez detektory światła umieszczane na ścianach wagonu.
W układzie A, związanym z wagonem, światło do obu ścian ma taką samą drogę do przebycia. Zatem czas jej przebycia będzie jednakowy- zegary związane z wagonem wskażą ten sam czas, po którym promienie docierają do ścian wagonu (Rys. 1.).
W układzie B, związanym z Ziemią, porusza się również wagon (Rys. 2.), a światło, zgodnie z założeniami STW, ma taką samą prędkość w obu kierunkach, jak w układzie wagonu, równą prędkości światła w próżni. Ponieważ po wysłaniu błysków porusza się wagon, promienie świetlne będą mieć różne drogi do przebycia: krótszą – promień biegnący przeciwnie do zwrotu prędkości wagonu, dłuższą - promień biegnący zgodnie ze zwrotem prędkości wagonu. Z tego powodu promienie dotrą do obu ścian niejednocześnie – zegary związane z Ziemią wskażą inne czasy dotarcia do nich promienia, ponieważ oba promienie będą miały inne drogi do przebycia.
Jak widać z powyższej analizy zdarzenia: promienie światła docierają do przeciwległych ścian wagonów, jednoczesne w układzie wagonu nie są jednoczesne w układzie odniesienia Ziemi.
Słowniczek
(ang.: reference frame) – punkt lub układ punktów w przestrzeni, względem którego określa się położenie lub zmianę położenia (ruch) danego ciała.
(ang.: inertial reference frame) – układ odniesienia, w którym każde ciało, niepodlegające zewnętrznemu oddziaływaniu z innymi ciałami, porusza się bez przyspieszenia (tzn. ruchem jednostajnym prostoliniowym) lub pozostaje w spoczynku.