Tiden for rumskib nær lyshastighed? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Tiden for rumskib nær ...

07. november 2012

Tiden for rumskib nær lyshastighed?

Hej Spørg om Fysik
Hvis et rumskib nærmer sig lyshastigheden går tiden langsommere. Det skulle være bevist med atomure i overlydsfly. Mit spørgsmål er, om det gælder for alle materialer?

Tiden skal visuelt registreres, f.eks. på et ur, og det kan tilbagesende både som reflekteret og refrakteret lys, afhængig af, om det er lavet af glas eller hvidt mat metal. Rejser atomerne i f.eks glas og hvidt metal lige langt ind i fremtiden ved hastigheder nær lyset?

Med venlig hilsen
R.J.

Relativitetsteorien kommer frem ved, at man går fra et koordinatsystem vi er i (som bevæger sig efter en ret linje med konstant hastighed, inertialsystemer) til et andet system, der bevæger sig med en anden konstant hastighed.

Oprindeligt kendes tilsvarende ”transformationer” fra klassiske fysik, og blev kaldt Galilei transformationerne (Galileo Galilei  (I, 1564 –  1642)), f.eks. overførslen af bevægelse, set fra kanal bredden i forhold til noget der foregår på en båd, der sejler med konstant fart på en retlinet kanal. Her er der samme tid begge steder, så det er tre ligninger - en for hver koordinat (x, y, z). 

Galilei transformation imellem to koordinatsystemer.

Den specielle relativitetsteori

Albert Einstein NP (D, 1879 – 1955) indså, at dette ikke gjaldt, når man nærmede sig lyshastigheden, og opstillede den specielle relativitets-teori. Hans udgangspunkt er, at de fysiske love skal være ens i de forskellige koordinatsystemer, og at lyshastigheden i vakuum er ens i alle koordinatsystemer (inertialsystemer) uafhængig af deres fart.

Der kommer så 4 ligninger, en for hver koordinat, og en for tiden. Det bevægede system bevæger sig med sin x-akse langs det stillestående systems x-akse med farten v,  og vi kalder tiden i det faste system t. I det bevægede system kaldes kaldes tiden t’, lyshastigheden kaldes c (i begge systemer, lyshastigheden er jo ens i begge koordinatsystemer) viste Einstein, at man kan udlede en ligning, som viser hvordan tiden forlænges ved store hastigheder, som siger:

Δt’ = Δt/(1 – v2/c2)½

Hvor Δt’ er et tidsrum for en begivenhed i det bevægede system, og Δt den tilsvarende tid i det faste system. Det betyder, at der i det bevægede system er et tidsforløb, som er anderledes end i det faste. Denne tidsændring gælder for alle fænomeners fysiske, biologiske osv. Radioaktive henfald sker altså langsommere i det bevægede system, når vi kikker på dem fra det faste system.

Albert Einstein.

Hvis man tænker sig, at man sender et par mennesker af sted med nær lyshastighed i en raket med konstant hastighed, (og at de overlever det), vil de i raketten have helt den sædvanlige tidsfornemmelse, som de plejer, og alle målinger de kan foretage inde i raketten vil være helt normale. Hvis vi derimod iagttager dem fra vores system, som er i hvile, ser vi, at alle fænomener går meget langsommere, og at tiden går i et tempo, svarende til ligningen ovenfor.

Proxima Centauri, den stjerne som ligger nærmest
vores egen sol, er en såkaldt rød dværg. Den er
ikke synlig med det blotte øje, og befinder sig 4,24
lysår væk væk fra vores solsystem.

24 år bliver til 400 år

En rejse til alfa Centauris (lidt over 4 lysår væk, de nærmeste stjerner) kan i raketten, efter personerne i rakettens opfattelse, gøres på måske 12 år nær lyshastigheden, eksemplet er i praksis 99,8 % af lyshastigheden, det giver 24 år retur i raketten. På Jorden vil vi se raketten komme retur efter ca. 400 år (så det er småt med nær familie ved tilbagekomsten).

Altså alle tænkelige normale fysiske eksperimenter i raketten forløber efter passagerernes opfattelse, helt som de plejer. Man kan ikke inde i raketten lave simple forsøg, som fortæller hvor hurtigt man bevæger sig. Kikker man fra jorden ind i raketten, så går det hele lidt mere end 16 gange langsommere - radioaktive henfald er langsommere osv. Det eneste man er enige om, de to steder, er hvor stor lyshastigheden er.

Der er en række paradokser i dette eksempel, som jeg er gået let hen over. Det er klart, at raketten skal accelereres og bremses, vendes og retur, og at det ændrer forholdene - men ikke principielt, men det vil blive for omfattende at beskrive her.

De fysiske love gælder alle materialer

Svaret er altså, at tidsforlængelsen gælder alle materialer, biologi, kemi og fysiske love. Det ligger i virkeligheden fast i Einsteins tese om, at de fysiske love skal være ens alle steder. Der findes utrolige mængder af eksperimentelle bekræftelser på, at relativitetsteorien gælder, og hermed i øvrigt også, at lyshastigheden i vakuum (c = 2,99792458 * 108 m/s, den er i dag defineret så meteren bestemmes ud fra lyshastigheden og sekundet) er den højeste hastighed, man kan overføre information med.

Med venlig hilsen
Malte Olsen