Στη Νευτώνεια φυσική, ο χώρος και ο χρόνος είχαν τις ανεξάρτητες ταυτότητές τους και κανείς δεν τις μπέρδευε ποτέ. Με τη θεωρία της σχετικότητας, που εισήγαγε ο Αινστάιν στις αρχές του 20ού αιώνα, η συζήτηση για το χωροχρόνο έγινε σχεδόν αναπόφευκτη. Στη σχετικότητα, δεν ισχύει πλέον ότι ο χώρος και ο χρόνος έχουν ξεχωριστές, αντικειμενικές έννοιες. Αυτό που πραγματικά υπάρχει είναι ο χωροχρόνος, και ο διαχωρισμός του σε χώρο και χρόνο είναι απλώς μια χρήσιμη ανθρώπινη σύμβαση.
Ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους η σχετικότητα έχει τη φήμη ότι είναι δύσκολο να κατανοηθεί είναι ότι η διαίσθησή μας, μάς εκπαιδεύει να θεωρούμε τον χώρο και τον χρόνο ως ξεχωριστά πράγματα. Βιώνουμε τα αντικείμενα ως αντικείμενα που έχουν έκταση στο "χώρο", και αυτό φαίνεται να είναι ένα αρκετά αντικειμενικό γεγονός. Τελικά μας αρκεί, επειδή γενικά ταξιδεύουμε στο διάστημα με ταχύτητες πολύ μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός, οπότε η προ-σχετικιστική φυσική λειτουργεί.
Αλλά αυτή η αναντιστοιχία μεταξύ διαίσθησης και θεωρίας κάνει το άλμα προς την προοπτική του χωροχρόνου κάπως εκφοβιστικό. Το χειρότερο είναι ότι οι παρουσιάσεις της σχετικότητας συχνά ακολουθούν μια προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω - ξεκινούν από τις καθημερινές μας αντιλήψεις για το χώρο και το χρόνο και τις μεταβάλλουν στο νέο πλαίσιο της σχετικότητας.
Η διαδρομή μας προς την ειδική σχετικότητα μπορεί να θεωρηθεί ως από πάνω προς τα κάτω, λαμβάνοντας σοβαρά υπόψη την ιδέα ενός ενοποιημένου χωροχρόνου από την αρχή και βλέποντας τι σημαίνει αυτό. Θα πρέπει να τεντώσουμε λίγο το μυαλό μας, αλλά το αποτέλεσμα θα είναι μια πολύ βαθύτερη κατανόηση της σχετικιστικής προοπτικής για το σύμπαν μας.
Η ανάπτυξη της σχετικότητας αποδίδεται συνήθως στον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος όμως έθεσε τον ακρογωνιαίο λίθο σε ένα θεωρητικό οικοδόμημα που βρισκόταν υπό κατασκευή από τότε που ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ ενοποίησε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό σε μια ενιαία θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού τη δεκαετία του 1860. Η θεωρία του Μάξγουελ εξηγούσε τι είναι το φως - ένα ταλαντευόμενο κύμα σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία - και φαινόταν να αποδίδει ιδιαίτερη σημασία στην ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει το φως. Η ιδέα ενός πεδίου που υπάρχει από μόνο του δεν ήταν εντελώς διαισθητική για τους επιστήμονες εκείνη την εποχή και ήταν φυσικό να αναρωτιούνται τι ακριβώς "κυμάτιζε" σε ένα κύμα φωτός.
Διάφοροι φυσικοί διερεύνησαν την πιθανότητα το φως να διαδίδεται μέσω ενός μέσου που ονόμασαν φωτεινό αιθέρα. Κανείς όμως δεν μπορούσε να βρει στοιχεία για έναν τέτοιο αιθέρα, οπότε αναγκάστηκαν να εφεύρουν ολοένα και πιο περίπλοκους λόγους για τους οποίους η ουσία αυτή θα έπρεπε να είναι μη ανιχνεύσιμη. Η συμβολή του Αϊνστάιν το 1905 ήταν να επισημάνει ότι ο αιθέρας είχε καταστεί εντελώς περιττός και ότι θα μπορούσαμε να κατανοήσουμε καλύτερα τους νόμους της φυσικής χωρίς αυτόν. Το μόνο που έπρεπε να κάνουμε ήταν να αποδεχτούμε μια εντελώς νέα αντίληψη του χώρου και του χρόνου.
Η θεωρία του Αϊνστάιν έγινε γνωστή ως ειδική θεωρία της σχετικότητας ή απλώς ειδική σχετικότητα. Στο θεμελιώδες άρθρο του, "On the Electrodynamics of Moving Bodies", υποστήριξε νέους τρόπους σκέψης για το μήκος και τη διάρκεια. Εξήγησε τον ιδιαίτερο ρόλο της ταχύτητας του φωτός θεωρώντας ότι υπάρχει ένα απόλυτο όριο ταχύτητας στο σύμπαν - μια ταχύτητα με την οποία το φως τυχαίνει να ταξιδεύει όταν κινείται μέσα στον κενό χώρο - και ότι όλοι θα μετρούσαν την ταχύτητα αυτή ως την ίδια, ανεξάρτητα από το πώς κινούνται. Για να το πετύχει αυτό, έπρεπε να αλλάξει τις συμβατικές μας αντιλήψεις για το χώρο και το χρόνο.
Αλλά δεν έφτασε τόσο μακριά ώστε να υποστηρίξει την ένωση του χώρου και του χρόνου σε έναν ενιαίο χωροχρόνο. Αυτό το βήμα αφέθηκε στον πρώην καθηγητή του στο πανεπιστήμιο, τον Χέρμαν Μινκόφσκι, στις αρχές του 20ού αιώνα. Ο χώρος της ειδικής σχετικότητας είναι σήμερα γνωστός ως χωροχρόνος Μινκόφσκι.
Μόλις αποκτήσετε την ιδέα να σκέφτεστε τον χωροχρόνο ως ένα ενοποιημένο τετραδιάστατο συνεχές, μπορείτε να αρχίσετε να κάνετε ερωτήσεις σχετικά με το σχήμα του. Είναι ο χωροχρόνος επίπεδος ή καμπυλωτός, στατικός ή δυναμικός, πεπερασμένος ή άπειρος; Ο χωροχρόνος Μινκόφσκι είναι επίπεδος, στατικός και άπειρος.
Ο Αϊνστάιν εργάστηκε επί μια δεκαετία για να καταλάβει πώς η δύναμη της βαρύτητας θα μπορούσε να ενσωματωθεί στη θεωρία του. Η τελική του ανακάλυψη ήταν να συνειδητοποιήσει ότι ο χωροχρόνος μπορεί να είναι δυναμικός και καμπυλωτός και ότι τα αποτελέσματα αυτής της καμπυλότητας είναι αυτό που όλοι βιώνουμε ως "βαρύτητα". Οι καρποί αυτής της έμπνευσης είναι αυτό που σήμερα ονομάζουμε γενική σχετικότητα.
Έτσι, η ειδική σχετικότητα είναι η θεωρία ενός σταθερού, επίπεδου χωροχρόνου, χωρίς βαρύτητα- η γενική σχετικότητα είναι η θεωρία του δυναμικού χωροχρόνου, στον οποίο η καμπυλότητα δημιουργεί τη βαρύτητα. Και οι δύο θεωρούνται "κλασικές" θεωρίες, παρόλο που αντικαθιστούν ορισμένες από τις αρχές της Νευτώνειας μηχανικής. Για τους φυσικούς, κλασική δεν σημαίνει "μη σχετικιστική", σημαίνει "μη κβαντική". Όλες οι αρχές της κλασικής φυσικής παραμένουν πλήρως ανέπαφες στο σχετικιστικό πλαίσιο.
Θα πρέπει να είμαστε πρόθυμοι να αφήσουμε την προ-σχετικιστική μας προτίμηση για τη διαφοροποίηση του χώρου και του χρόνου και να τους επιτρέψουμε να διαλυθούν στην ενοποιημένη αρένα του χωροχρόνου. Ο καλύτερος τρόπος για να φτάσουμε εκεί είναι να σκεφτούμε ακόμη πιο προσεκτικά τι εννοούμε με τον όρο "χρόνος" και ο καλύτερος τρόπος για να το κάνουμε αυτό είναι να ανατρέξουμε, για άλλη μια φορά, στον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε για το διάστημα.
Σκεφτείτε δύο τοποθεσίες στο χώρο, όπως το σπίτι σας και το αγαπημένο σας εστιατόριο. Ποια είναι η απόσταση μεταξύ τους; Αυτό εξαρτάται, σκέφτεστε αμέσως. Υπάρχει η απόσταση «καθώς πετάει το κοράκι», αν μπορούσαμε να φανταστούμε ότι θα ακολουθούσαμε μια απόλυτα ευθεία διαδρομή μεταξύ των δύο σημείων. Υπάρχει όμως και η απόσταση που θα διανύατε σε ένα ταξίδι στον πραγματικό κόσμο, όπου ίσως περιορίζεστε να χρησιμοποιείτε δημόσιους δρόμους και πεζοδρόμια, αποφεύγοντας κτίρια και άλλα εμπόδια στη διαδρομή. Η διαδρομή που θα ακολουθήσετε θα είναι πάντοτε μεγαλύτερη από την απόσταση κατά μήκος του δρόμου, καθώς η ευθεία γραμμή είναι η μικρότερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων.
Τώρα θεωρήστε δύο γεγονότα στο χωροχρόνο. Στην τεχνική ορολογία της θεωρίας της σχετικότητας, ένα "γεγονός" είναι απλώς ένα σημείο του σύμπαντος, το οποίο προσδιορίζεται από θέσεις στο χώρο και στο χρόνο. Ένα γεγονός, ονομάστε το Α, μπορεί να είναι "στο σπίτι στις 6 μ. μ. " και το γεγονός Β μπορεί να είναι "στο εστιατόριο στις 7 μ. μ. " Κρατήστε αυτά τα δύο γεγονότα σταθερά στο μυαλό σας και σκεφτείτε ένα ταξίδι μεταξύ του Α και του Β. Δεν μπορείτε να βιαστείτε για να φτάσετε στο Β νωρίτερα- αν φτάσετε στο εστιατόριο στις 6:45, θα πρέπει να καθίσετε και να περιμένετε μέχρι τις 7 μ. μ. για να φτάσετε στο γεγονός στο χωροχρόνο που έχουμε ονομάσει Β.
Τώρα μπορούμε να αναρωτηθούμε, όπως ακριβώς κάναμε για τη χωρική απόσταση μεταξύ σπιτιού και εστιατορίου, πόσος χρόνος μεσολαβεί μεταξύ αυτών των δύο γεγονότων. Μπορεί να νομίζετε ότι αυτή είναι μια ερώτηση παγίδα. Αν η μία εκδήλωση είναι στις 6 μ. μ. και η άλλη στις 7 μ. μ. , μεσολαβεί μία ώρα, σωστά;
Όχι τόσο γρήγορα, λέει ο Αϊνστάιν. Σε μια απαρχαιωμένη, νευτώνεια αντίληψη του κόσμου, σίγουρα. Ο χρόνος είναι απόλυτος και καθολικός, και αν ο χρόνος μεταξύ δύο γεγονότων είναι μία ώρα, αυτό είναι το μόνο που μπορεί να ειπωθεί.
Η σχετικότητα λέει μια διαφορετική ιστορία. Υπάρχουν δύο διαφορετικές έννοιες για το τι σημαίνει "χρόνος". Μια έννοια του χρόνου είναι ως συντεταγμένη στο χωροχρόνο. Ο χωροχρόνος είναι ένα τετραδιάστατο συνεχές, και αν θέλουμε να προσδιορίσουμε θέσεις μέσα σε αυτόν, είναι βολικό να αποδίδουμε έναν αριθμό που ονομάζεται "χρόνος" σε κάθε σημείο του. Αυτό έχουμε γενικά στο μυαλό μας όταν σκεφτόμαστε "6 μ. μ. " και "7 μ. μ. " Αυτές είναι τιμές μιας συντεταγμένης στο χωροχρόνο, ετικέτες που μας βοηθούν να εντοπίσουμε τα γεγονότα. Υποτίθεται ότι όλοι πρέπει να καταλαβαίνουν τι εννοούμε όταν λέμε "συναντηθείτε στο εστιατόριο στις 7 μ. μ. "
Όμως, λέει η σχετικότητα, όπως η απόσταση “καθώς πετάει το κοράκι” είναι γενικά διαφορετική από την απόσταση που πραγματικά διανύουμε μεταξύ δύο σημείων στο χώρο, έτσι και η διάρκεια του χρόνου που βιώνουμε γενικά δεν θα είναι η ίδια με τον παγκόσμιο χρόνο συντεταγμένων. Βιώνετε ένα χρονικό διάστημα που μπορεί να μετρηθεί με ένα ρολόι που έχετε μαζί σας στο ταξίδι. Αυτή είναι η κατάλληλη στιγμή κατά μήκος της διαδρομής. Και η διάρκεια που μετράται από ένα ρολόι, όπως ακριβώς και η απόσταση που διανύσατε, όπως μετράται από το χιλιομετρητή του αυτοκινήτου σας, εξαρτάται από τη διαδρομή που ακολουθείτε.
Αυτή είναι μια πτυχή του τι σημαίνει να λέμε ότι "ο χρόνος είναι σχετικός". Μπορούμε να σκεφτούμε τόσο για έναν κοινό χρόνο με όρους συντεταγμένων στο χωροχρόνο όσο και για έναν προσωπικό χρόνο που βιώνουμε ατομικά κατά μήκος της πορείας μας. Και ο χρόνος είναι όπως ο χώρος - αυτές οι δύο έννοιες δεν χρειάζεται να συμπίπτουν. Όπως άλλωστε έχει επισημάνει ο ιστορικός Peter Galison, δεν είναι τυχαίο ότι ο Αϊνστάιν εργάστηκε σε ένα ελβετικό γραφείο ευρεσιτεχνιών σε μια εποχή που τα γρήγορα σιδηροδρομικά ταξίδια ανάγκαζαν τους Ευρωπαίους να σκέφτονται τι ώρα ήταν σε άλλες πόλεις της ηπείρου, έτσι ώστε η κατασκευή καλύτερων ρολογιών να αποτελέσει ένα σημαντικό τεχνολογικό όριο.
Παρόλα αυτά, πρέπει να υπάρχει κάποιος τρόπος με τον οποίο ο χρόνος δεν μοιάζει με τον χώρο, αλλιώς θα μιλούσαμε απλώς για τετραδιάστατο χώρο, αντί να ξεχωρίζουμε τον χρόνο ως κάτι που αξίζει τη δική του ετικέτα. Και δεν σκεφτόμαστε το βέλος του χρόνου εδώ - προς το παρόν, βρισκόμαστε σε έναν απλό κόσμο με λίγα κινούμενα μέρη, όπου η εντροπία και η μη αναστρεψιμότητα δεν είναι πράγματα για τα οποία πρέπει να ανησυχούμε.
Η διαφορά είναι η εξής: Στο χώρο, μια ευθεία γραμμή περιγράφει τη συντομότερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων. Στον χωροχρόνο, αντίθετα, μια ευθεία διαδρομή δίνει τον μεγαλύτερο χρόνο που μεσολαβεί μεταξύ δύο γεγονότων. Αυτή η μεταστροφή από τη μικρότερη απόσταση στο μεγαλύτερο χρόνο είναι που διακρίνει το χρόνο από το διάστημα.
Με τον όρο "ευθεία διαδρομή" στο χωροχρόνο, εννοούμε τόσο μια ευθεία γραμμή στο χώρο όσο και μια σταθερή ταχύτητα ταξιδιού. Με άλλα λόγια, μια αδρανειακή τροχιά, μια τροχιά χωρίς επιτάχυνση. Καθορίστε δύο γεγονότα στο χωροχρόνο - δύο θέσεις στο χώρο και αντίστοιχες χρονικές στιγμές. Ένας ταξιδιώτης θα μπορούσε να κάνει το ταξίδι μεταξύ τους σε μια ευθεία γραμμή με σταθερή ταχύτητα (όποια και αν είναι αυτή η ταχύτητα για να φτάσει τη σωστή στιγμή), ή θα μπορούσε να πηγαινοέρχεται σε μια μη αδρανειακή διαδρομή. Η διαδρομή μπρος-πίσω θα περιλαμβάνει πάντα μεγαλύτερη χωρική απόσταση, αλλά λιγότερο χρόνο από την ευθεία εκδοχή.
Γιατί είναι έτσι; Επειδή το λέει η φυσική. Ή, αν προτιμάτε, επειδή έτσι είναι το σύμπαν. Ίσως τελικά ανακαλύψουμε κάποιον βαθύτερο λόγο για τον οποίο έπρεπε να γίνει έτσι, αλλά στην τρέχουσα κατάσταση της γνώσης μας είναι μια από τις βασικές παραδοχές πάνω στις οποίες χτίζουμε τη φυσική, όχι ένα συμπέρασμα που προκύπτει από βαθύτερες αρχές. Οι ευθείες γραμμές στο χώρο είναι η μικρότερη δυνατή απόσταση- οι ευθείες διαδρομές στο χωροχρόνο είναι ο μεγαλύτερος δυνατός χρόνος.
Μπορεί να φαίνεται αντιφατικό ότι οι διαδρομές μεγαλύτερης απόστασης χρειάζονται λιγότερο χρόνο. Δεν πειράζει. Αν ήταν διαισθητικό, δεν θα χρειαζόταν να είσαι ο Αϊνστάιν για να σου έρθει η ιδέα.