Ég ákvað að senda inn ritgerð sem ég skrifaði fyrir einn eðlisfræði áfanga fyrr í haus. Hún er um tímann í Afstæðiskenningunni. Öll gagnrýni er auðvitað vel þegin :)



Inngangur

Afstæðiskenning Einsteins er skipt í tvo hluta. Annarsvegar almenna afstæðiskenningin og hinsvegar sú takmarkaða. Hér á eftir verður fjallað um tímann í afstæðiskenningunni, hvernig hann virkar, hvernig hann er breytilegur eftir hraða og þyngdarkrafti og hvort kenningin, og rannsóknir sem gerðar hafa verið með hana að leiðarljósi, styðji ferðalög um tímann. Í fyrri hluta ritgerðarinnar er farið í almenna hluta afstæðiskenningarinnar og í seinni hlutann er örlítið farið í takmarkaða hlutann. Ekki er gerður greinamunur á milli þeirra tveggja heldur verður einungis talað um afstæðiskenninguna í heild sinni.




Meginmál

Í sígildri eðlisfræði er hreyfingu hluta lýst með þrívíðu evklíðsku rúmi í tíma. Tíminn tifar jafnt og þétt hvað sem á gengur og þyngdarkraftar verka milli hluta. Í almennu afstæðiskenningu Einsteins er hreyfing hluta hinsvegar lýst með öðrum hætti. Þar er rúmi og tíma fléttað saman í fjögurra hnita kerfi sem kallast tímarúm. Í þessum fjórum hnitum er um að ræða þrjú rúmhnit og eitt tímahnit. Jöfnur Einsteins lýsa því hvernig orkan sem fólgin er í efninu hefur áhrif á tímarúmið og er þyngdaráhrifum lýst út frá rúmfræðilegum eiginleikum tíma og rúms.

Tímarúmið (þrjú rúmhnit, eitt tímahnit) má líta á sem safn allra hugsanlegra atburða. Einhvers staðar í tímarúminu, á einhverjum tíma, gerist eitthvað ákveðið atvik, og til að finna það þarf staðsetningu þess í rúmhnitum og tímahniti. Við getum tekið jörðina sem dæmi. Ef ég vil finna toppinn á Esjunni, þá þarf ég lengdar-, breyddar-, og hæðarhnit. Ef ég vil finna atvik sem átti sér stað uppi á Esjunni, þann 03/03/2010, þá bæti ég við tímahniti. Tímahnitið gæti verið fjöldi sekúnda frá upphafi okkar tímatals. Allir ljósgeislar og öll efni ferðast um tímarúmið, þ.á.m. við sjálf. Því má líta á tímarúmið sem fjórvítt kúluyfirborð, þótt það virðist á litlum vegalengdum innan sólkerfisins vera flatt, en heildar lögun þess er ekki þekkt enn sem komið er.

Það virðist auðvelt að reikna út skemmstu leið milli tveggja punkta á flötu yfirborði, rétt eins og yfirborð jarðar virðist okkur vera. Leið milli þriggja punkta, sem mynda þríhyrning, myndum við reikna út sem 180°. Ef litið er á stærri svæði er leiðin flóknari. Jörðin er ekki flöt, þó óþarft sé að taka það fram, og því eru leiðir milli tveggja punkta mun flóknari en þeir virðast í fyrstu. Ef teiknaðar eru línur milli þriggja punkta á kúlulaga yfirborði, eins og jörðinni, þá mynda línurnar ævinlega meira en 180° þríhyrning.

“Ljósið fer ævinlega stystu leið í gegnum tímarúmið og þessi braut ákvarðast af því hvaða þungir hlutir eru til staðar” – Albert Einstein.

Sannreynt hefur verið, með mikilli nákvæmni, að ljós ferðast ekki eftir beinum línum þegar það kemur nálægt þungum hlutum, heldur sveigir það af leið. Nú er ljósið massalaust en það felur í sér orku. Orka er jafngild massa og er það ástæðan fyrir því að ljósið fellur í þyngdarsviði.

Svarthol eru framandi fyrirbæri úti í geimnum sem soga allt efni til sín. Rannsóknir sem gerðar hafa verið á svartholum í geimnum byggjast á afstæðiskenningu Einsteins. Tímarúmið sveigist í átt að massamiklum hlutum. Talið er að fyrir miðju svarthols sé óendanlega þétt efni sem hefur þann gríðarlega massa að það dregur allt til sín. Ekki einusinni ljós sleppur í burtu frá svartholinu.

Miðað við afstæðiskenningu Einsteins og þær rannsóknir sem unnar hafa verið útfrá henni, má ætla að hægt sé að ferðast fram í tímann, eins og við þekkjum hann hér á jörðinni.

Ef maður yrði sendur á geimskipi inn í svarthol, yrði hægt að fjalla um atburðinn frá tveimur mismunandi sjónarhornum; þess sem sogast inn í það og þess sem verður vitni af atvikinu. Úrið á handlegg mannsinns sem fer inn í svartholið myndi halda áfram að ganga, fyrir honum, eins og eðlilegt væri þangað til það myndi eyðileggjast og sundrast í frumeindir, vegna þessa gríðarlega þyngdarkrafts sem verkaði á það (og maðurinn myndi auðvitað tætast í sundur). Frumeindirnar myndu jafvel sundrast líka. Frá sjónarhorni þess sem horfði á atvikið, lægi það töluvert öðruvísi við. Fyrir honum myndi geimskipið hægja á sér, rétt eins og allar klukkur í geimskipinu, því fyrir áhorfandann liði tíminn mun hægar heldur en hjá geimfaranum, vegna þyngdarkraftsins sem verkar á geimfarann.

Það yrði ekki einungis hægt að fara fram í tímann með því að fara nálægt massamiklum hlut, heldur einnig með því að ferðast um á miklum hraða. Ein af niðurstöðum rannsókna á ljóshraða sýna fram á að klukkur á ferð, tifi hægar en klukkur í kyrrstöðu. Því má ætla að því hraðar sem einstaklingur ferðast, því hægar líður tíminn hjá honum, miðað við einstakling sem er í kyrrstöðu. Best væri ef einstaklingurinn ferðaðist um á ljóshraða og eru þá miklar líkur á að hann kæmi aftur til jarðar nokkrum árum síðar, en sjálfur jafn gamall og í upphafi ferðarinnar. Hinsvegar er því haldið fram að hlutir með massa geti ekki náð ljóshraða og því er slíkt ferðalag líklega ómögulegt, en þó er hugsanlega mögulegt að koma einstaklingnum nálægt ljóshraða einn góðan veðurdag.

Hinsvegar yrði erfiðara að ferðast aftur í tímann. Raunhæfasti möguleikinn á ferðalögum aftur í tímann eru einhverns konar gögn milli staða í geimnum. Slík gögn eru oft kölluð ormagöng og í stuttu máli mynda þau leið milli tveggja punkta frá A til B sem er styttri en leið ljósgeislans sem fer frá A til B. Ekki er vitað að til séu slík göng og miðað við okkar nútíma tækni, er ekki ennþá möguleiki fyrir okkur að hanna þau. Menn hafa velt því fyrir sér hvernig ferðalögum aftur í tímann yrði háttað og telja sumir eðlisfræðingar að slík ferðalög séu ómöguleg.




Lokaorð

Tíminn er fyrirbæri sem okkur flestum finnst ósköp eðlilegt. Hér á jörðinni gengur hann sinn vana gang, 60 sekúntur þýðir ein mínúta, 60 mínútur þýðir klukkutími, 365 dagar þýðir eitt ár (nema hlaupár)… o.s.frv. Skekkja á tímanum eins og við þekkjum hann, er svo framandi og jafnframt forvitnilegt fyrirbæri að óhætt er að segja að afstæðiskenningin sé lýginni líkust. Svartholin sem myndast í risavaxna himingeimnum og sleppa engu frá sér, ekki einusinni ljósinu, tengjast afstæðiskenningunni á undraverðan hátt. Það er í raun hægt að segja að tímarúmið í afstæðiskenningunni sýni okkur hve magnaður alheimurinn er og hvernig hlutir allt í kringum okkur geta virkað á óskiljanlega undraverðan hátt.




Heimildir
Höfundur óþekktur; umfjöllun um afstæðiskenninguna; http://is.wikipedia.org/wiki/Afstæðiskenningin

Þórður Jónsson; svar við spurningunni “hvað er átt við með sveigðu tímarúmi og hvernig tengist það aðdráttarafli?”; http://www.why.is/svar.asp?id=157

Tryggvi Þorgeirsson og Þorsteinn Vilhjálmsson; svar við spurningunni “hvað er svarthol?”; http://www.why.is/svar.asp?id=445

JGÞ; svar við spurningunni “Hvað mundi gerast ef ég færi inn í svarthol?”; http://visindavefur.hi.is/svar.php?id=51504

Gunnar Þór Magnússon; svar við spurningunni “er hægt að ferðast fram í tímann?”; http://visindavefur.hi.is/svar.php?id=49574

Gunnar Þór Magnússon; svar við spurningunni “er hægt að ferðast aftur í tímann?”; http://visindavefur.hi.is/svar.php?id=26999