Poate timpul să curgă mai încet?
Două ceasuri perfecte, unul în avion și unul pe sol, nu mai arată aceeași oră după zbor. Nu e o defecțiune. E una dintre cele mai ciudate descoperiri ale fizicii, și a fost măsurată.
Lumina are mereu aceeași viteză
Dacă mergi cu 5 kilometri pe oră pe culoarul unui tren care merge cu 100, pentru cineva de pe peron tu mergi cu 105. Vitezele se adună. Pare evident.
Cu lumina nu merge așa. Oricât de repede te-ai mișca, o măsori trecând pe lângă tine cu aceeași viteză: aproape 300.000 de kilometri pe secundă. Asta au arătat experimentele de la sfârșitul anilor 1800.
În 1905, Albert Einstein, pe atunci un tânăr de 26 de ani care lucra la un birou de brevete din Berna, în Elveția, a tras concluzia: dacă viteza luminii nu se schimbă, atunci se schimbă altceva. Timpul. Pentru cineva care se mișcă foarte repede față de tine, ceasul lui merge mai încet decât al tău.
Teoria din 1905 se numește relativitatea restrânsă. Încetinirea timpului se numește dilatarea timpului și crește cu un factor notat γ (gama), care e 1 împărțit la rădăcina pătrată din 1 minus v² supra c², unde v e viteza ta și c viteza luminii.
La vitezele obișnuite, γ e atât de aproape de 1 încât nu se simte nimic. Doar aproape de viteza luminii devine mare. Particulele numite miuoni, născute sus în atmosferă, trăiesc de obicei prea puțin ca să ajungă la sol. Ajung totuși, pentru că se mișcă atât de repede încât timpul lor curge mai încet.
Gemenii și racheta
Un experiment de gândire, adică imaginat, nu făcut: un geamăn pleacă într-o rachetă foarte rapidă și se întoarce, celălalt rămâne acasă. Pe Pământ trec 10 ani. Pentru cel din rachetă trec mai puțini, cu atât mai puțini cu cât racheta a mers mai repede.
Ce am simplificat aici: povestea gemenilor are o capcană, pentru că cel din rachetă întoarce, deci nu stă tot timpul în aceeași mișcare. Fizicienii o explică pe larg. Concluzia rămâne aceeași: cel care a călătorit e mai tânăr.
Nu e doar teorie. În 1971, doi cercetători au pus ceasuri atomice în avioane de linie și le-au dus în jurul lumii. La întoarcere, ceasurile nu mai arătau exact ca cele rămase la sol: diferențe de zeci până la sute de miliardimi de secundă, cam cât prezicea Einstein.
Gravitația încetinește și ea timpul
În 1915, Einstein a publicat relativitatea generală. Ea spune că masa unei planete sau a unei stele curbează spațiul și timpul din jur. Lucrurile care cad sau care se învârt pe orbită urmează această curbură.
Imaginea cu bila grea pusă pe o trambulină, care o adâncește, e o simplificare: ajută să-ți închipui curbura, dar nu arată partea cu timpul, care contează cel mai mult. Aproape de o masă mare, timpul curge mai încet.
Sateliții GPS zboară repede, deci ceasul lor ar trebui să meargă mai încet. Dar stau și departe de Pământ, unde gravitația e mai slabă, deci ceasul ar trebui să meargă mai repede. Pe ansamblu, câștigă cu aproximativ 38 de milionimi de secundă pe zi. Fără corecție, pozițiile calculate s-ar strica repede, cu erori de ordinul kilometrilor pe zi.
În 2010, cercetătorii de la NIST, în Statele Unite, au comparat două ceasuri atomice foarte precise, puse la o diferență de înălțime de doar 33 de centimetri. Cel de sus mergea puțin mai repede, exact cum prezice relativitatea generală.
Tot din relativitatea restrânsă vine și cea mai cunoscută formulă din fizică: E = mc². Ea spune că masa e o formă de energie. Pentru că c, viteza luminii, e un număr uriaș, dintr-o masă mică poate ieși multă energie. Așa strălucește Soarele.
Fapt sau legendă?
„Einstein a picat la matematică în școală.”
„Un ceas pus pe un raft înalt merge puțin mai repede decât unul de pe podea.”
„Dacă ai merge destul de repede, ai putea întineri.”
Experiment: spațiul curbat dintr-un prosop
Nu se știe încă
Relativitatea generală spune că în centrul unei găuri negre materia ar fi strânsă într-un punct cu densitate infinită. Fizicienii cred că asta arată unde teoria nu mai funcționează. Ca să afle ce e acolo, ar trebui unită relativitatea cu fizica cuantică, iar de aproape o sută de ani nimeni n-a reușit.
Testul lui Kokodel
- Hafele J. C., Keating R. E. Around-the-World Atomic Clocks: Observed Relativistic Time Gains. Science 177, 1972.
- Chou C. W. et al. Optical Clocks and Relativity. Science 329, 2010.
- Ashby N. Relativity in the Global Positioning System. Living Reviews in Relativity 6, 2003.
- Event Horizon Telescope Collaboration. First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters 875, 2019.