Νοητικά πειράματα του Αϊνστάιν που άλλαξαν τη φυσική
Ο ίδιος αποκαλούσε αυτά τα σενάρια Gedankenexperiments, ένας όρος που στα γερμανικά σημαίνει νοητικά πειράματα, και τους απέδιδε σημαντικό ρόλο στη διατύπωση της Ειδικής και της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Μάλιστα, μερικά από αυτά τα νοητικά πειράματα χρησιμοποιούνται ακόμη και σήμερα, για να περιγράψουν μερικές από τις πιο εντυπωσιακές ανακαλύψεις του γερμανοεβραϊκής καταγωγής φυσικού.
Σε πρόσφατο άρθρο του στο σάιτ Business Insider, ο δημοσιογράφος Ali Sundermier συνοψίζει μερικά από αυτά τα σενάρια, τα οποία έφεραν επανάσταση στην επιστήμη.
Φανταστείτε ότι «κυνηγάτε» μία δέσμη φωτός
Ήταν μία απορία που ο Αϊνστάιν άρχισε να σκέφτεται όταν ήταν 16 χρονών: το θα συνέβαινε αν προσπαθούσε κανείς να κινηθεί παράλληλα με μία δέσμη φωτός, καθώς αυτή διαδίδεται στον χώρο;
Αν μπορούσε να αναπτύξει ίση ταχύτητα με τη δέσμη, σκεφτόταν ο φυσικός, τότε το φως θα «πάγωνε» για τον συγκεκριμένο παρατηρητή. Κάτι που θα σημαίνει πως θα έπαυε να είναι… φως.
Τελικά, συνειδητοποίησε πως το φως δεν μπορεί να επιβραδύνει για οποιονδήποτε κινούμενο παρατηρητή, αλλά αντίθετα θα πρέπει να διατηρεί σε κάθε περίπτωση σταθερή την ταχύτητά του. Η ιδέα αυτή αποτέλεσε τη βάση πάνω στην οποία θεμελίωσε τη Γενική Σχετικότητα.
Φανταστείτε ότι ταξιδεύετε με ένα τρένο.
Ας υποθέσουμε πως, μία ημέρα με καταιγίδα, επιβαίνετε σε ένα τρένο που περνά με ταχύτητα από κάποιον σταθμό, στον οποίο βρίσκεται ένας ακίνητος παρατηρητής. Καποια στιγμή, ο παρατηρητής βλέπει δύο κεραυνούς να χτυπούν το τρένο, πέφτοντας ταυτόχρονα στο μπροστινό και το πίσω μέρος τους.
Καθώς εσείς κινείστε με το τρένο, μετακινείστε προς τον κεραυνό που πέφτει στο μπροστινό μέρος. Επομένως, θα τον δείτε νωρίτερα, καθώς έχει να διανύσει μικρότερη απόσταση.
Αυτό το φανταστικό σενάριο δείχνει πως ο χρόνος «κυλά» διαφορετικά για έναν ακίνητο παρατηρητή, και διαφορετικά για κάποιον που κινείται. Μία συνέπεια που έκανε τον Αϊνστάιν να διαπιστώσει πως ο χρόνος και ο χώρος είναι σχετικοί και δεν υπάρχει συγχρονικότητα. Δύο ιδέες που απορρέουν από τη Γενική Σχετικότητα.
Φανταστείτε πως ο δίδυμος αδερφός σας ταξιδεύει στο διάστημα.
Γνωστό ως «παράδοξο των διδύμων», στην αρχική του εκδοχή το νοητικό αυτό πείραμα διατυπώθηκε από τον Αϊνστάιν με «πρωταγωνιστές» δύο ρολόγια, και όχι δύο δίδυμους αδερφούς. Επίσης, όταν το περιέγραψε ο γερμανοεβραίος φυσικός, αναφέρθηκε σε μία πτήση με πολύ μεγάλη ταχύτητα, και όχι για ένα «ταξίδι» στο διάστημα, αφού οι πρώτες διαστημικές αποστολές έγιναν δεκαετίες αργότερα.
Ας φανταστούμε πάντως ότι έχετε έναν δίδυμο αδερφό ο οποίος κάποια στιγμή μπαίνει σε ένα διαστημόπλοιο και βάζει «πλώρη» για κάποιον μακρινό προορισμό, ταξιδεύοντας με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Σύμφωνα με την Ειδική Σχετικότητα, ο χρόνος «κυλά» για τους δυο σας με διαφορετικό ρυθμό, επομένως δεν θα γεράσετε ταυτόχρονα.
Πιο συγκεκριμένα, καθώς ο χρόνος διαστέλλεται για ένα κινούμενο σώμα, ο δίδυμος αδερφός σας θα γεράσει αργότερα. Μάλιστα, με δεδομένο ότι αυτός κινείται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, η ηλιακή σας διαφορά θα είναι μεγάλη. Για παράδειγμα, όταν επιστρέψει στη Γη, εσείς μπορεί να είστε υπερήλικας, ενώ εκείνος να μην είναι πάνω από 40 ετών.
Φανταστείτε πως βρίσκεστε σε ένα ασανσέρ.
Φανταστείτε πως έχετε μπει σε ένα ασανσέρ, χωρίς να μπορείτε να δείτε ούτε καν τον τοίχο του φρεατίου ή τις πόρτες των ορόφων. Ξαφνικά, νιώθετε μία δύναμη να σας «τραβά» προς τα κάτω, με συνέπεια να πέσετε στο πάτωμα. Τι συνέβη; Μήπως για κάποιο μυστήριο λόγο αυξήθηκε η βαρύτητα που ασκεί η Γη ή μήπως ξεκίνησε το ασανσέρ να επιταχύνεται προς τα πάνω;
Στην πραγματικότητα, δεν μπορείτε να απαντήσετε, αφού τα δύο αυτά φαινόμενα προκαλούν το ίδιο αποτέλεσμα. Μία διαπίστωση που οδήγησε τον Αινστάιν στο συμπέρασμα πως δεν υπάρχει διάκριση ανάμεσα στην επιτάχυνση και τη βαρύτητα. Αυτή είναι η αρχή της ισοδυναμίας, «θεμέλιος λίθος» της Γενικής Σχετικότητας.
