W tym samym czasie istniała grupa naukowców, których potrzeba głębszego zrozumienia natury Wszechświata nie pozwalała spocząć na laurach. Pojawiło się kilka eksperymentów, których wyniki nie dawały się opisać fizyką, którą dziś nazywamy klasyczną. Odpowiedzią na nowe pytania była mechanika kwantowa, która cząstki pozwalała traktować jak fale a energię przekazywać pewnymi dyskretnymi porcjami - kwantami. W czasie tych wielkich odkryć pojawił się człowiek, którego teorie na zawsze odmieniły nasze spojrzenie na naturę.
Był nim Albert Einstein.
Einstein zainspirowany pracami Riemanna analizował i rozwiał teorie, które nie mieściły się w trójwymiarowym świecie. Próbował znaleźć zależność pomiędzy czasem i przestrzenią. Narodziła się czasoprzestrzeń, czterowymiarowa przestrzeń złożona z dobrze znanych nam 3 kierunków przestrzennych i czwartego, czyli czasu.
W swoich pracach analizował jak czasoprzestrzeń wpływa na propagację fal elektromagnetycznych, a konsekwencją było stworzenie pięknej i zarazem trudnej teorii - szczególnej teorii względności.
Szczególna względność
Szczególna teoria względności przy pierwszym kontakcie wydaje się być zupełnie abstrakcyjna, jednak znalazła na przestrzeni lat wiele niepodważalnych dowodów doświadczalnych. Szczególna teoria względności postulowała, że w każdym inercjalnym układzie prawa fizyki są niezmienne oraz, że prędkość światła jest nieprzekraczalna, tzn. żaden obiekt materialny nie może poruszać się szybciej niż ok. 300 000 km/s. Zastanówmy się jakie wynikają stąd konsekwencje.
Wyobraźmy sobie, że wsiadamy do superszybkiego pociągu, który w ułamku sekundy potrafi rozpędzić się do prędkości światła. Pociąg rusza ze stacji dokładnie o godzinie 12 i w tej samej chwili osiąga maksymalną prędkość. Spoglądamy z pociągu na dworcowy zegar, który wybił godzinę 12. Światło, które odbiło się od jego tarczy cały czas próbuje nas dogonić z prędkością światła, ale porusza się tak samo szybko jak i my, więc cały czas widzimy godzinę 12.
Czy czas stanął w miejscu?
Niezupełnie Spoglądamy na zegarek, który nosimy na ręce. Zegar tyka normalnie, wskazówka sekundowa rusza się co sekundę. W przeciwieństwie do pociągu nie uciekamy od zegarka z prędkością światła, jesteśmy względem niego w bezruchu. Czas wydaje się płynąć inaczej w pociągu i na dworcu! Im szybciej się poruszamy, tym słabiej odczuwamy upływ czasu na zewnątrz, jednak to tylko złudzenie. Dla człowieka na peronie zegar dworcowy odmierza czas tak samo normalnie, jak dla nas ten na naszej ręce. Człowiek z peronu będzie miał wrażenie, że poruszamy się względem pociągu jak mucha w smole (pamiętając, że pociąg pędzi z prędkością światła). Można pomyśleć, że czas w pociągu praktycznie stanął w miejscu.
Paradoks bliźniąt
Bliźnięta, Bolek i Lolek, urodzili się tego samego dnia i prawie o tej samej godzinie. Wspólnie dorastali, razem obchodzili urodziny, ¶wiêta, tego samego dnia poszli pierwszy raz do szkoły. W dniu 25 urodzin Bolek wsiada do rakiety i udaje się w dziesięcioletnią podróż przez kosmos z bardzo dużą prędkością. W czasie podróży Bolek pilnie odlicza godziny, odznacza ziemskie dni w swoim kalendarzu.
Dokładnie po 10 latach jakie spędził w rakiecie ląduje na Ziemi i spotyka swojego brata. Okazuje się, że jego brat bliźniak nie ma 35 lat, tak jak Bolek. Lolek jest już siwiejącym starszym panem. Podobnie jak dla nas w pociągu czas płynął inaczej niż dla człowieka na peronie, podobnie dla Bolka i Lolka, mimo iż ich zegary chodziły prawidłowo, lata mijały wolniej i szybciej. To jest właśnie paradoks bliźniąt. Możemy wyobrazić sobie jeszcze inną sytuację. Młoda kobieta rodzi dziecko. Niedługo potem udaje się w długą podróż z dużą prędkością. Może się zdarzyć, że po powrocie matka będzie młodsza od swojego syna!
Paradoks? Nie, to Szczególna Teoria Względności.
Teoria jest prawdziwa
Szczególna teoria względności wydaje się być czymś bardzo abstrakcyjnym, jednak istnieje wiele dowodów na jej słuszność. Przeprowadzono eksperyment, polegający na synchronizacji bardzo czułych zegarów atomowych. Jeden z zegarów umieszczono na wiele godzin w latającym myśliwcu, drugi pozostał na ziemi. Po lądowaniu okazało się, że odczyty z zegarów różnią się na tyle, że nie można mówić o błędzie. Czas płynął inaczej dla zegara w samolocie niż na ziemi.
To doświadczenie wykorzystano między innymi przy projektowaniu systemu GPS. Satelity GPS wykorzystują zegary atomowe, poruszają się z dużymi prędkościami względem Ziemi i znajdują się w odległości ok. 20 000 km od planety. Gdyby nie poprawka na względność czasu, wynikająca z teorii Einsteina, system GPS byłby bezużyteczny, bo nasze urządzenia nie potrafiłby określić swojego położenia.
Paradoks bliźniąt jest tylko niewielkim przykładem, jak wielkie znaczenie może mieć dla nas ta dziwna teoria. W przyszłości, gdy nauczymy się podróżować z ogromnymi prędkościami, możemy uratować życie na naszej planecie.
Dla przykładu: może zdarzyć się, że uciekniemy przed wielkim kataklizmem, i gdy sami postarzejmy się o dziesięć czy dwadzieścia lat, na Ziemi upłynie dość czasu, aby przyroda ponownie przygotowała nam przyjazne miejsce do życia i rozwoju.
