Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

RcgBy7pCJboMW
Rys. 1. Udane lądowanie sondy na Marsie wzbudza powszechny entuzjazm wśród kontrolerów lotu – ale czy sonda rzeczywiście wylądowała na Czerwonej Planecie równocześnie?

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 odniesieniaukład 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 odniesieniaukład 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 inercjalnychinercjalny układ odniesieniaukładach 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 odniesieniaukład odniesieniaukładzie odniesienia można znaleźć układ, w których te zdarzenia są równoczesne.

Względność równoczesności ilustruje tzw. pociąg Einsteina.

Zakładamy, że mamy dwa inercjalne układy odniesieniainercjalny układ 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.).

R10zpr6umyd5e
Rys. 1. Bieg promieni świetlnych w układzie odniesienia wagonu – promienie mają tę samą drogę do przebycia – wysłane jednocześnie, docierają jednocześnie do ścian wagonu

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.

R6JFxazSuSaDJ
Rys. 2. Bieg promieni świetlnych w układzie Ziemi. Ponieważ porusza się wagon, promień świetlny ma do przebycia krótszą drogę do ściany tylnej niż do przedniej, zatem wcześniej promień dotrze do ściany tylnej

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

Układ odniesienia
Układ odniesienia

(ang.: reference frame) – punkt lub układ punktów w przestrzeni, względem którego określa się położenie lub zmianę położenia (ruch) danego ciała.

Inercjalny układ odniesienia
Inercjalny układ odniesienia

(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.