De ce este timpul relativ?

Acum 100 de ani, Albert Einstein bulversa lumea științifică cu o teorie înțeleasă de foarte puțini savanți ai vremii, teoria relativității. E=mc² este ecuația imediat identificată cu Einstein și cu fizicianul genial, dar puțini înțeleg că ecuația asta spune că materia și energia sunt același lucru, doar în forme diferite.

După ce am devenit pasionat de cosmos și planete, am aflat din benzi desenate și reviste SF de dilatarea timpului, de paradoxul bunicului sau al gemenilor și alte chestii pe care nu le înțelegeam dar care păreau foarte interesante. Ce înseamnă toate astea? Ce e teoria relativității? Înseamnă că totul e relativ? Asta ne dăm seama și singuri, pentru că fiecare percepe lucrurile diferit. Unii care sunt nerăbdători simt că 5 minute trec ca o jumătate de oră, alții percep 5 minute ca pe câteva clipe. Într-un fel așa e și teoria relativității, ea spune că totul depinde de cel care observă lucrurile, raportat la ce observă. Dacă eu merg cu trenul am impresia că stau, iar trenul alăturat merge, când defapt e invers. Dar teoria relativității nu se referă la niște iluzii de genul acesta, ci la fenomene independente de percepția omului. Toate fenomenele fizice decurg la fel în orice situație, dar sunt percepute diferit de instrumente din sisteme de referință diferite. Adică legile fizicii sunt aceleași peste tot, indiferent de context. O deducție foarte importantă a fost deasemenea, că viteza luminii e o constantă determinată tot de niște legi ale fizicii, și mai mult, că e e limita maximă de viteză în modelul nostru de univers. Sincer, eu nu am înțeles exact de ce se dilată timpul, dar cel mai clar exemplu este al ceasurilor atomice sincronizate la femtosecunda (0.000000000000001 secunde sau 10 la puterea -15) puse fiecare în avioane care se deplasează la viteze diferite. În avionul care zboară mai repede, ceasul rămâne în urmă față de celălalt, deci timpul “se dilată”.

De aici vine paradoxul gemenilor — un geamăn devine astronaut și pleacă în cosmos cu o navetă care zboară aproape de viteza luminii pentru cateva minute. La întoarcere, astronautul revine neschimbat după cele câteva minute de zbor cosmic, dar plin de mirare își găsește fratele bătrân și lumea schimbată, pentru că în timp ce la el în navă trecea un minut, pe Pământ treceau ani.
Partea interesantă e că omul sau instrumentele nu pot percepe dilatarea timpului, numai raportându-se la alte repere din afara sistemului lor. Deci cosmonautul nostru relativist, nu ar simți că totul se întâmplă în slow motion, el nu ar simți nimic deosebit. E confuz, e bizar, e interesant.

În principiu, am înțeles cum, dar nu am înțeles de ce timpul se dilată, deși am căutat foarte mult un răspuns.

15 thoughts on “De ce este timpul relativ?

  1. ma intereseaza subiectul asta dar din pacate sunt niste notiune atat de abstracte incat le iau pur si simplu cum sunt. pe langa astea am alte nelamuriri: cat de infinit e universul, unde se termina? cum arata alte forme de viata? vom ajunge si pe alte planete? se pot folosi gaurile negre ca portale de calatorie?
    alta chestie fascinanta mi se pare asta: ce imagini din colturile universului vedem noi s`au intamplat de fapt in trecut si acuma probabil nu mai exista, au alta forma, etc.

  2. Whoa, credeam ca-s singurul care se pierde ore-ntregi pe wikipedia 🙂

    Cred ca raspunsul la “de ce timpul se dilata” este “pentru ca accelerezi”.
    Avionul care zboara mai repede “consuma” mai multa energie pentru ca accelereaza mai mult. Pun ghilimele la “consuma” pentru ca nimic nu se consuma, ci totul se transforma. Ei, energia folosita de avionul mai rapid la acceleratie, eu cred ca afecteaza continuumul spatio-temporal tocmai in directia data de teoria relativitatii, si anume alterand timpul relativ.

    Accelerand, avionul mai rapid “aluneca” intr-un alt punct de echilibru spatio-temporal, unul in care timpul (privit din punctul de vedere al avionului lent) este mai lent. Apoi, decelerand, aluneca inapoi, dar deja ceasul atomic e incetinit cu o femtosecunda. Asta e esenta descoperirii lui Einstein: cand te misti in spatiu (si implicit consumi energie ca sa poti accelera), automat te misti si in timp, in sensul viteza spatiala este legata de viteza temporala.

    OK, daca am reusit sa-ti explic inteligibil chestia de mai sus, urmeaza un lucru si mai interesant: faptul ca simultaneitatea nu exista 🙂
    Dar asta sper sa-ti explic la o bere, la urmatorul blogmeet.

  3. @Flo — asta stiam si eu, dar e o explicatie mai de graba de tip “cum”, nu “de ce”. Stim ca acceleratia se datoreaza unui surplus de energie, care se poate echivala cu un castig de masa si astfel devi “mai greu”, fapt ce in teoria generalizata curbeaza spatio-timpul, dar eu nu vroiam sa ajung asa departe, la teoria relativitatii generalizate.
    Si ca observatie, dilatarea nu se produce doar pe timpul accelerarii.

    Ai sa vezi ca raspunsul la intrebarile de tip de ce sunt mult mai dificile, uneori foarte grele sau imposibile.
    Trebuie sa definesti ce intelegi prin acel punct de echilibru spatio-temporal, pentru ca suna ambiguu.

    @maddy — nu se stie daca universul e finit sau infinit, exista teorii pentru ambele situatii, dar in orice caz, daca universul s-a nascut prin big bang, deci o explozie, atunci el are forma unei mingi, cu precizarea ca universul in care traim noi este membrana mingii, iar interiorul si exteriorul nu exista dpdv fizic. Astfel, capatul universului este acelasi cu capatul unei mingi — el nu exista 🙂 dar mingea e finita (desi e in expansiune).

    Gaura neagra este improbabil sa poata fi folosita intr-un fel, deoarece ele sunt puncte din univers unde materia ajunge la densitate infinita, iar timpul este oprit sau anulat, datorita concentrarii de masa. Practic, orice intra nu mai poate iesi, cel putin nu in forma in care a intrat.

  4. Einstein spunea k timpul se dilata.El lua timpul drept ceva miscator ceva ce trece moment cu moment.Sustinea faptul k are o viteza anume destul de mare si care ai putea o ajunge dak te-ai deplasa cu viteza luminii astfel incat tu sa treci mai repede decat el.Dar si tu te-ai deplasa in timp, adik dak am masura timpul parcurs al luminii pana ar ajunge pe pamant ar fi circa 8 min. ar fi ilogic sa crezi k pentru particulele de lumina trec doar cateva secunde sau mult mai putin.Sa nu uitam k timpul nu exista doar pentru oameni ci pentru absolut orice atom din spatiu fie k el este in miscare sau nu.Einstein mai spunea k timpul e influietat si de gravitatie, aceasta actionand k sens contrar lui si incetinindu-i viteza, adik in gaurile negre din univers unde gravitatia e enorma timpul se scurge farte incet.El credea k inainte de Big Bang nu exista timp, ci timpul si spatiul au pornit odata.

    • O fi “ilogic”, dar pentru particulele de lumină (fotoni) timpul chiar este foarte scurt, pentru fotoni timpul tinde spre zero. Cu alte cuvinte, dacă ai fi foton,  percepția ta ar fi că ajungi instantaneu la destinație, în timp ce un observator ar măsura că tu, fotonul, ai străbătut distanța respectivă în câțiva ani.

  5. Daca fotonul chiar ar ajunge instantaneu la destinatie cine ar avea dreptate tu, fotonul,sau cel care te cronometreaza?Un singur lucru a uitat Einstei la care sa se gandeasca k timpul nu curge, el este absolut,de fapt actiunile trec,dak ele nu ar exista nu ai mai avea ce durata  sa masori cu ceasul.ex: ziua trece si vine noaptea fapt datorat miscarii pamantului.Iar experimentul facut cu ceasurile atomice este greseala umana.Dak am impartii secunda la un miliard, ar da o particica foarte mica de timp si dak am continua acest lucru, la-am putea contiua la infinit, adica timpul nu are o viteza anume de curgere.Daca ai calatorii cu o viteza enorma in spatiu, cum ai putea influienta timpul?Daca timpul se scurge el trebuie sa aiba natura, dar el nu are. Ai crede tu faptul k sunt locuri in unives cu gravitatie farte mica acolo timpul se scurge foarte repede, dupa teoria lui Einstein,doar ducandu-te acolo vei imbatranii mai repede.

    • Teoria relativității a lui Einstein a fost dovedită experimental cu deosebită precizie de nenumărate ori de la publicarea ei până în prezent. Exemplul fotonului este cel limită, dar există particule, precum mezonii μ (dacă nu mă înșel) a căror observație se explică exact prin această teorie (dacă vrei voi detalia ulterior, acum nu îmi amintesc exact, se poate să mai fi scris despre asta).

      Nu știu ce pregătire fizică ai, dar timpul nu se poate considera absolut decât în sisteme newtoniene, adică acolo unde nu intervin viteze comparabile cu cea a luminii. În experimentul cu ceasurile nu e nici o eroare umană, eroarea e la tine. Timpul nu are o viteză anume de curgere, timpul se observă întotdeauna indirect, prin numărarea unui eveniment de natură periodică cu durată cunoscută: metronom, clepsidră, ceas cu pendul, cu arc, cu oscilator pe bază de cuarț, sau atomic, etc. Pentru toți observatorii, timpul se scurge la fel de repede, dar când se compară rezultatele ulterior, se constată că în anumite sisteme de observație, avion, navă cosmică, Pământ, vale, munte, duratele de timp măsurate nu coincid pentru fenomene repetabile și identice, cum e principiul ceasului atomic. Deci nu e o eroare umană 🙂

      Și da, dacă ai călători prin spațiu foarte foarte repede, ai influența timpul, în sensul că datorită energiei pe care o depui pentru a-ți deplasa masa prin spațiu, energia ta totală (energia înseamnă masă) crește, iar asta va influența curgerea timpului pentru sistemul tău de referință, ca în cazul unui astru masiv. În cazul acesta, timpul curge mai încet pentru cel din nava cosmică aflată în viteză, dar cei din navă nu vor simți acest lucru. Adică ei nu vor simți că se mișcă cu încetinitorul. În schimb, pentru cei de pe Pământ, nava va parcurge 100 de ani până la Alfa Centauri, dar pentru cei din navă vor trece doar 6 ani, de exemplu. Cei din navă vor îmbătrâni cu 6 ani, iar cei de pe Pământ nu vor mai apuca să vadă nava ajunsă la destinație. Chestia asta se mai numește și paradoxul gemenilor, într-o formă similară.

      Pentru a înțelege teoria relativității, trebuie în permanență să judeci totul folosind două puncte de observație. De aia îi și zice t. relativității. Pentru că un lucru e relativ față de altul. Tu nu vei îmbătrâni mai repede în situația imaginată de tine, dar altcineva, din alt sistem de observație aflat în viteză mai mare decât a ta, sau lângă o masă mai mare (deci gravitație mai puternică), te va vedea îmbătrânind mai repede.

  6. Comform teorie lui Einstei timpul se dilata datorita scurgerii (trecerii) sale avand o viteza anume pe care am putea-o cumva percepe dak am calatorii cu viteza foarte mare, astfel incat sa calatorim o data cu el.De aicea sa deduce faptul dak doua corpuri calatoresc cu aceiasi viteza constanta unul langa celalt, ele sunt in repaus unul fata de altul, la fel ar fi sa tinda dak ai putea percepe cumva timpul.

  7. Daca eu asi fii intr-o nava spatiala care se deplaseaza cu viteza luminii si ma-si deplasa intre doua stele cu distanta aproximativa de 18 milioane de km.Timpul pt a ma deplasa de la o stea la alta ar fii de aprox.1 minut.Deoarece viteza luminii este aprox.300000 km/sec.Atunci daca m-ar cronometra cineva lui cat timp iar lua mai mult sau mai putin?

    • Dacă tu te deplasezi cu viteze relativiste, atunci pentru cei care te observă, de regulă, timpul va curge mai repede decât pentru tine. Cu alte cuvinte, dacă ar fi două ceasuri identice, unul pe nava ta și celălalt pe pământ, la observatorul tău, ceasul de pe navă va înregistra mai puține bătăi decât cel de pe pământ. Totuși, dacă ipotetic te-ai deplasa cu viteza luminii, atunci pentru tine curgerea timpului s-ar anula, atât timp cât menții viteza luminii (pentru observatorii exterior, timpul ar părea că a înghețat pentru tine).

      Trebuie să ți cont că în calculele relativiste, atunci când viteza e peste 30% din c, intervine factorul Lorentz. Nu știu cum ai calculat acel minut 😉

  8. Dar cum poate ceasornicul, care  se afala cu mine in nava, sa ramana in urma, fata de cel de pe pamant, dak au pornit simultan(spun simultan cu toate ca nu exista simultaneitate absoluta intre doua corpuri diferite), iar secundarul este acelasi?Mentionez  k sar folosi ceasuri atomice.

    • Rămâne în urmă din cauza dilatării timpului, un efect relativist. Diferența dintre cele două perioade de timp măsurate de ceasuri este proporțională cu factorul Lorentz, de care ziceam mai sus (notat cu gamma – γ). Acest factor are următorul termen, sub radical: (1 -v2/c2), unde v este viteza navei cosmice, iar c, viteza luminii. Dacă viteza se apropie de cea a luminii, atunci termenul tinde spre zero.

      deci: Δt1 = γΔt2

      de unde reiese dilatarea timpului (delta t1 tinde spre zero, dacă viteza tinde spre cea a luminii)

      Greșeala ta e că consideri timpul absolut, ca pe o constantă sau ceva fix și neinfluențabil. Dar realitatea ne arată contrariul, că timpul este o consecință a materiei (sau a energiei, prin echivalența lor descoperită tot de Einstein).

      Confuzia apare din cauza a două “principii” aparent contradictorii:

      1) Fenomenele fizice decurg identic în toate sistemele de observație

      2) Fenomenele fizice sunt (sau pot fi) percepute diferit de la un sistem de observație la altul (navă / pământ)

      Concluzia e că pe nava ta rapidă un ceas va avea tot o bătaie la o secundă, pentru că mecanismul său se bazează pe niște legi fizice identice peste tot, iar pe pământ același ceas sau copia lui fidelă va bate tot o secundă. Până aici e simplu. Dar, pe navă o secundă durează o 1000 de secunde măsurate cu ceasul de pe pământ, iar pe pământ, o secundă durează o miime de secundă măsurată cu ceasul de pe navă, pentru că nava se deplasează cu o viteză comparabilă cu viteza luminii.

      sper că am fost destul de clar, dacă nu, mai întreabă, dar eu îți recomand să citești despre factorul Lorentz și mai mult despre relativitate.

  9. Pingback: Update ianuarie

  10. Ok.Mersi de expilcatii.Idea e oricum interesanata.Parerea mea de ce timpul se dilata este urmatoarea: Odata cu big bang au pornit timpul si saptiul.Daca spatiul(universul) e in expansiune si timpul este,iar daca un corp este accelerat la viteza mare el tinde sa ajunga timpul din urma.Astfel, cum am mai spus si  inainte, daca corpul atinge viteza de expanisune a timpului, el(corpul) se afala in repaus fata  de timp si timpul de el.Care este parerea ta?

    • Este foarte interesantă ideea ta, dar are o singură problemă. De vreme ce universul e în expansiune și te deplasezi în sensul expansiunii, totul pare OK cu teoria ta. Dar daca te deplasezi în alt sens? Există red-shift și blue-shift deopotrivă, depinde în ce sens te duci.

      Totuși, timpul nu este un corp față de care să te afli în repaus sau mișcare. Timpul este o consecință a mai multor factori, explicați mai sus. Un mare fizician, Carl Lewis Epstein, spune într-o carte genială, pe care am găsit-o doar la bibliotecă (teoria relativității pe înțelesul tuturor) că defapt toți ne mișcăm cu viteza luminii. Chestia asta pare un nonsens, dar el o explică foarte frumos.

      Ideea e că spațiu-timpul se deformează datorită masei/energiei și corpul aflat în zona deformată va urmări acel “drum” deformat. Poate ai văzut la tv cum explică unii oameni de știință conceptul de warp speed din Star Trek. În cazul unei găuri negre, spațiu-timpul este atât de deformat încât e ca o pâlnie din care nu mai iese nimic, nici măcar fotonii. Momentan oamenii de știință nu înțeleg bine ce se întâmplă exact într-o stea neutronică, unde sunt mii de tone pe centimetru cub, dar mai într-un corp ca o gaură neagră.