Κυριακή, 4 Σεπτεμβρίου 2011

~ * Χωροχρόνος * ~



Το χωροχρονικό συνεχές περιλαμβάνει τέσσερις διαστάσεις: τρεις διαστάσεις για το χώρο και μια για το χρόνο. Ένα σημείο στον χωρόχρονο ονομάζεται γεγονός. Το κάθε γεγονός καθορίζεται από τέσσερις συντεταγμένες, (ct, x, y, z), η φυσική σημασία των οποίων εξαρτάται από το ποιο σύστημα συντεταγμένων χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε τον χωρόχρονο. Παραδείγματα τέτοιων γεγονότων είναι η έκρηξη ενός αστέρα ή το χτύπημα ενός τύμπανου.




Ιστορία


Τόσο στην Ειδική Θεωρία Σχετικότητας όσο και στην Γενική Θεωρία Σχετικότητας, ο χρόνος και ο τρισδιάστατος χώρος θεωρούνται ως μία τετραδιάστατη πολλαπλότητα (manifold), που λέγεται χωροχρόνος. Η έννοια του χωροχρόνου πρωτοεμφανίστηκε το 1908 σε μια μαθηματική πραγματεία του Μινκόφσκι για τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου όπως αυτή είχε οριστεί στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν είχε δημοσιεύσει το 1905 ένα άρθρο που σχετιζόταν με τους θεμελιώδεις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού και ονομαζόταν Περί της ηλεκτροδυναμικής των εν κινήσει σωμάτων. Αυτή η θεωρία προκάλεσε στις αρχές του 20ού αιώνα μια από τις μεγαλύτερες ανατροπές δεδομένων στον κόσμο της φυσικής.


Ιδιότητες του χωροχρόνου


Ο χωρόχρονος είναι ανεξάρτητος του παρατηρητή. Παρ’ όλα αυτά, για την περιγραφή των φυσικών φαινομένων ο κάθε παρατηρητής επιλέγει ένα κατάλληλο σύστημα συντεταγμένων. Τα γεγονότα καθορίζονται από τέσσερις πραγματικούς αριθμούς σε κάθε σύστημα συντεταγμένων.
Είναι πολύ δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι ο χρόνος δεν είναι ο ίδιος ανάλογα με το σύστημα αναφοράς στο οποίο γίνεται η μέτρηση του. Αυτό ωστόσο έχει σε μεγάλο βαθμό αποδειχθεί πειραματικά, ειδικότερα στους επιταχυντές σωματιδίων του CERN.
Ο χρόνος εξαρτάται από το σύστημα αναφοράς στο οποίο γίνεται η μέτρηση του κι επομένως δεν είναι απόλυτος. Το ίδιο ισχύει για τον χώρο. Το μήκος ενός αντικειμένου μπορεί να είναι διαφορετικό ανάλογα με το σύστημα αναφοράς της μέτρησης.
Μόνο ο χωροχρόνος ως ενοποιημένη έννοια, που είναι μαθηματικά χώρος του Μινκόφσκι, είναι απόλυτος, ενώ οι συνιστώσες του, ο χώρος και ο χρόνος, αποτελούν πλευρές του που εξαρτώνται από τον παρατηρητή (το σύστημα αναφοράς).
Η σχέση μεταξύ της μέτρησης χώρου και χρόνου που δίνεται από την παγκόσμια σταθερά c (την ταχύτητα του φωτός στο κενό), επιτρέπει την περιγραφή μιας απόστασης d με μέτρο το χρόνο: d = ct, t όντας ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διασχίσει την απόσταση d. Ο Ήλιος απέχει 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα, δηλαδή 8 λεπτά φωτός από τη Γη. Με τον όρο λεπτά φωτός, γίνεται λόγος για μια μέτρηση του χρόνου που πολλαπλασιάζεται με το c, κι έτσι εξάγεται μια μέτρηση απόστασης, στην περίπτωση αυτή, σε χιλιόμετρα. Μ' άλλα λόγια, χάρη στο c μονάδες χρόνου μετατρέπονται σε μονάδες απόστασης. Χιλιόμετρα και λεπτά φωτός είναι επομένως δυο μονάδες μέτρησης της απόστασης.
Αυτό που ενοποιεί χώρο και χρόνο στην ίδια εξίσωση είναι ότι η μέτρηση του χρόνου μπορεί να μετασχηματιστεί σε μέτρηση απόστασης (πολλαπλασιάζοντας το t, που εκφράζεται σε μονάδες χρόνου, με το c), και το t μπορεί έτσι να ταυτιστεί με τις τρεις άλλες συντεταγμένες απόστασης σε μια εξίσωση όπου όλες οι μετρήσεις γίνονται με μονάδες απόστασης. Από αυτήν την άποψη θα μπορούσε κανείς να πει ότι ο χρόνος είναι χώρος!


Καμπύλωση του χωροχρόνου


Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας η βαρύτητα (που προκαλείται από τη βαρυτική μάζα) ισοδυναμεί με επιτάχυσνη. Με άλλα λόγια το σώμα που σύμφωνα με την κλασσική μηχανική δέχεται βαρυτική δύναμη από ένα άλλο σώμα σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας δε δέχεται καμία δύναμη, αλλά επιταχύνεται ως προς το άλλο σώμα. Αυτο το φαινόμενο προκειμένουν να εξηγηθεί χρειάζεται να δεχθούμε την καμπύλωση του χωροχρόνου, δηλαδή το σύμπαν κοντά σε σώματα, που σύμφωνα με την κλασσική μηχανική δημιουργούν βαρυτικό πεδίο, δεν ισχύει η ευκλείδεια γεωμετρία, αλλά μη ευκλείδειες γεωμετρίες. Αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα μπορεί να επηρεάσει το φως.






Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου