5 νοητικά πειράματα του Albert Einstein που τον βοήθησαν να καταλήξει στις πιο επαναστατικές επιστημονικές του ιδέες

Ο Albert Einstein , ένα από τα μεγαλύτερα μυαλά του 20ού αιώνα, άλλαξε για πάντα το τοπίο της επιστήμης εισάγοντας επαναστατικές έννοιες που συγκλόνισαν την κατανόηση μας για τον κόσμο. Μία από τις πιο καθοριστικές ιδιότητες του Αϊνστάιν ήταν η αξιοθαύμαστη ικανότητά του να αντιλαμβάνεται πολύπλοκες επιστημονικές ιδέες φανταζόμενος σενάρια της πραγματικής ζωής. Κι αυτά τα σενάρια τα ονόμασε Gedankenexperiments ή νοητικά πειράματα.

Ο Albert Einstein , ένα από τα μεγαλύτερα μυαλά του 20ού αιώνα, άλλαξε για πάντα το τοπίο της επιστήμης εισάγοντας επαναστατικές έννοιες που συγκλόνισαν την κατανόηση μας για τον κόσμο. Μία από τις πιο καθοριστικές ιδιότητες του Αϊνστάιν ήταν η αξιοθαύμαστη ικανότητά του να αντιλαμβάνεται πολύπλοκες επιστημονικές ιδέες φανταζόμενος σενάρια της πραγματικής ζωής. Κι αυτά τα σενάρια τα ονόμασε Gedankenexperiments ή νοητικά πειράματα.

Εδώ είναι μερικά από αυτά που δείχνουν μερικές από τις πιο πρωτοποριακές ανακαλύψεις του Αϊνστάιν, την ειδική και γενική σχετικότητα.

Φανταστείτε ότι «κυνηγάτε» μία δέσμη φωτός

Ήταν μία απορία που ο Αϊνστάιν το 1895 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.

Εδώ είναι το φως, σαν μια κυματομορφή που κινείται με ταχύτητα  c:

Αν ο νεαρός Αϊνστάιν κυνηγούσε το φως με ταχύτητα c, θα φαινόταν το φως ακίνητο, σαν ένα παγωμένο φως.

Η αδυναμία αυτής της υπόθεσης (αφού το φως έχει σταθερή ταχύτητα) τον οδήγησε στην πτώση του μεγάλου επιτεύγματος της φυσικής του 19ου αιώνα, δηλαδή του αιθέρα, που στη συνέχεια παρείχε τη βάση για όλες τις ηλεκτρομαγνητικές θεωρίες.

Ο Αϊνστάιν έγραψε τότε : «… Θα πρέπει να παρατηρήσω μια τέτοια ακτίνα φωτός σαν ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε ηρεμία, το οποίο όμως χωρικά ταλαντεύεται, αλλά δεν φαίνεται να υπάρχει κάτι τέτοιο …»

Τελικά, συνειδητοποίησε πως το φως δεν μπορεί να φαίνεται ότι ταξιδεύει με μικρότερη ταχύτητα από την σταθερή ταχύτητα 300.000 km/sec, για οποιονδήποτε κινούμενο παρατηρητή όπως δεχόταν η κλασσική θεωρία, αλλά αντίθετα θα πρέπει να διατηρεί σε κάθε περίπτωση σταθερή την ταχύτητά του. Η ιδέα αυτή αποτέλεσε τη βάση πάνω στην οποία θεμελίωσε την Ειδική Σχετικότητα.

Φανταστείτε ότι βρίσκεστε σε ένα τρένο

Φανταστείτε ότι βρίσκεστε σε ένα τρένο, ενώ ο φίλος σας στέκεται έξω από το τρένο, παρακολουθώντας το πέρασμα του. Εάν 2 αστραπές χτυπήσουν ταυτόχρονα στα δύο άκρα της αμαξοστοιχίας, ο φίλος σας θα τις έβλεπε να πέφτουν ταυτόχρονα και στα 2 άκρα.

Αλλά καθώς κινείται το τρένο, άρα και εσείς, μετακινείστε προς τον κεραυνό που πέφτει στο μπροστινό μέρος. Άρα βρίσκεστε πιο κοντά σε αυτή την αστραπή. Έτσι, βλέπετε πρώτα αυτή την αστραπή επειδή το φως έχει μικρότερη απόσταση για να ταξιδέψει. Ενώ η άλλη αστραπή θα σας φανεί ότι πέφτει λίγο αργότερα από την πρώτη, στο πίσω μέρος του τραίνου.

Αυτό το φανταστικό σενάριο του 1904 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 χρόνος είναι σχετικός και δεν υπάρχει συγχρονικότητα. Αυτός είναι ο ακρογωνιαίος λίθος της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

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 Einstein, 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 Αϊνστάιν στο συμπέρασμα πως δεν υπάρχει διάκριση ανάμεσα στην επιτάχυνση και τη βαρύτητα

Τώρα θεωρήστε τον προηγούμενο ισχυρισμό του Αϊνστάιν ότι ο χρόνος και ο χώρος δεν είναι απόλυτοι. Εάν η κίνηση μπορεί να επηρεάσει το χρόνο και το χώρο, και η βαρύτητα και η επιτάχυνση είναι το ίδιο πράγμα, αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα μπορεί πραγματικά να επηρεάσει το χρόνο και το χώρο.

Η ικανότητα της βαρύτητας να διαστρεβλώνει το χωροχρόνο είναι ένα τεράστιο μέρος της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Πηγή:http://physics4u.gr/blog