Question

LEK (na nudę), czyli Letni Edukacyjny Konkurs.

Napisz w formie referatu co widzisz na nocnym niebie jesienią. Czy gwiazdy widziane przez nas istnieją w czasie rzeczywistym? Uzasadnij swoja odpowiedź.

Poziom: liceum/technikum

======================================

Ilość punktów za rozwiązanie jest niewielka (aby nie kusić spamerów i trolli), ale informuję, że najlepsza odpowiedź, którą wybierze Kapituła LEKu otrzyma dodatkową ilość punktów.

Answer 1

Swoją odpowiedź zacznę od samego pojęcia czasu. Od zarania rodzaju ludzkiego człowiek podporządkowuję swoje życie temu właśnie zjawisku. Począwszy od najprostszych regulacji czasu poprzez pory dnia i roku rodzaj ludzki próbował uporządkować swoje życie według jego upływu.
Uważany za ojca współczesnej fizyki Isaac Newton zdefiniował czas jako uniwersalną wielkość fizyczną płynącą od zarania dziejów do jego końca. Jednocześnie uważał on, że dla trójwymiarowego świata(w jakim uważał żyjemy) czas jest taki sam bez względu na położenie. Takie przeświadczenie utrwalało się przez długi okres. Ludzie próbowali więc zatem ujednolicić czas. Było to bardzo kluczowe zwłaszcza dla podróży koleją i to dla niej konstruowano co rusz to nowe urządzenia próbujące zsynchronizować czasy podróży pociągów. Należy powiem nadmienić fakt iż dawniej odjazd pociągu był podawany zgodnie z czasem obowiązującym w mieście rozpoczynającym podróż. Jeżeli pociąg jeździł tylko od jednego do drugiego miasta, wówczas sprawa była stosunkowo prosta, problem pojawiał się w miarę rozwijania linii kolejowych i powstawania stacji pośrednich.

Taka kolej rzeczy trwała do początku XX w.. Wówczas to do urzędu patentowego w Bernie został przyjęty młody absolwent Politechniki Zuryskiej. Albert Einstein bo o nim mowa, dzięki swojej pracy, miał dostęp do przeróżnych wynalazków, jednych działających innych już nie. Najbardziej lubił jednak zajmować się wspomnianymi wcześniej patentami dotyczącymi synchronizacji rozkładów jazdy kolei. Einstein tak bardzo fascynował się tymi wynalazkami, że zaczął rozumieć jedno, nie można ujednolicić czasu bo i ten płynie inaczej dla każdego z nas. Jak sam później powiedział, siedzącemu za rozżarzonym węglu sekunda wyda się godziną, komu innemu w ramionach ukochanej osoby godzina wyda się sekundą.

W trzecim roku swojej pracy, wówczs mało znany fizyk Niemiecki wydał swoją pracę naukową pt. "O elektrodynamice ciał w ruchu" nazwaną później Szczególną Teorią Względności.
W swojej pracy Albert Einstein nie tylko zmienił podejście do czasu ale również podejście do całego otaczającego nas świata. Uwiadomił on sobie, że świat jaki znamy nie składa się tylko z trzech wymiarów, a czterech. Tym samym uznał czas za czwarty wymiar, a otaczający nas świat za siatkę czasoprzestrzenną. Einstein twierdził, że przestrzeń i czas są ze sobą nierozwiązalnie powiązane, im więcej mamy czasu tym mniej przestrzeni, z kolei im więcej przestrzeni tym mniej czasu. Stąd też bierze się fakt, że wraz ze wzrostem prędkości powstaje zjawisko dylatacji czasu. Na ziemi co prawda zjawisko to jest niezauważalne z racji względnie niskich prędkości jakie osiągamy.

Następnie przyszedł czas na Ogólną Teorię Względności, którą fizyk ogłosił już jako Dyrektor Instytutu Fizyki im. Cesarza Wilhelma na Uniwersytecie Berlińskim. W swojej pracy zajął się głównie grawitacją, o której jak się wówczas wydawało wiemy już wszystko. Einstein ponownie podważył teorię Isaacka Newtona jakoby była ona związana z masą. W rzeczywistości jest ona związana z energią która to może być różna dla dwóch obiektach o takich samych masach. Einstein twierdził, że każdy materialny punktu będący źródłem pola grawitacyjnego zakrzywia przedstawioną przez niego wcześniej siatkę czasoprzestrzeni w efekcie czego nawet światło ulega zakrzywieniu w pobliżu wielkich skupisk pola grawitacyjnego którym są np. gwiazdy takie jak Słońce.

Będąc przy świetle zostawmy na chwile odkrycia niemieckiego fizyka i skupmy się na samej jego podstawowej naturze. Już powiem w XVIII w. za sprawą angielskiego astronoma Jamesa Bradley'a wiedziano, że prędkość światła w przestrzeni kosmicznej jest ogromna. Sam anglik na podstawie obserwacji gwiazd oszacował ją na ok. 301 tys. km/s co biorąc pod uwagę rzeczywistą prędkość światła w próżni, jaka panuję w kosmosie( niespełna 300 tys. km/s), jest bardzo dokładnym oszacowaniem jak na tamte czasy. Co prawda wówczas nie rozumiano jeszcze samego mechanizmu światła i uważano je za fale niosącą się przez eter. Nie ma to jednak tutaj większego znaczenia, gdyż sama wartość tej prędkości wydawała się być czymś abstrakcyjnym i tak naprawdę do połowy XX w. uważano ją za abstrakcyjną prędkość którą mało kto umie tak naprawdę sobie wyobrazić.
Chociaż dla warunków ziemski światło( które nadmienię jest pasmem fal elektromagnetycznych) osiąga niewyobrażanie wysoką prędkość, to dla ogromu wszechświata już tak wielką wartością nie jest. Można wręcz powiedzieć że w przestrzeni kosmicznej światło wlecze się niczym żółw na ziemi. Pierwsze tego typu rzeczywiste wyobrażenia miały miejsce podczas pierwszego lądowania człowieka na Księżycu. Sygnał wysłany z Ziemi do astronautów potrzebował aż 2,6s aby dotrzeć na Księżyc i tyle samo czasu aby ich odpowiedź mogła wrócić na ziemię. Księżyc znajduję się jednak bardzo blisko naszej planety, a pomimo tego fali elektromagnetycznej zajęło tyle czasu pokonanie tak względnie małej odległości. Mało tego dotarcie światła ze Słońca na naszą planetę zajmuję ok. 8 min. Zatem gdyby Słońce nagle zaszło, przez 8 minut nie zauważylibyśmy żadnej zmiany.

Tutaj wreszcie dochodzimy do gwiazd widzianych na niebie. Najbliższa gwiazda, Proxima Centauri, oddalona jest ok. 40 bilionów kilometrów od naszego Słońca. Jest to niewyobrażalnie duża odległość w związku z tym fizycy i astronomowie zaczęli używać nowej jednostki do opisywania tak dalekich odległościach. Jednostką tą jest rok świetlny czyli odległość jaką światło pokonuję w ciągu roku ziemskiego, wówczas odległość pomiędzy dwiema najbliższymi gwiazdami Ziemi, Słońcem a Proxima Centauri wynosi 4,22 roku świetlnego. Biorąc pod uwagę tylko samą prędkość światła potrzebowało by ono aż 4,22 roku aby dotrzeć do Ziemii. Patrząc zatem w kierunku najbliższej gwiazdy poza naszym układem słonecznym i nie uwzględniając twierdzeń Einsteina można by rzec, że widzimy obraz gwiazdy z przed ponad 4 lat.

Tutaj jednak dochodzimy w końcu do konkluzji moich wcześniejszych dywagacji na temat czasu. Bowiem od momentu wydania prac Einsteina nie możemy traktować czasu jak wcześniej, a jednocześnie jak robimy to na co dzień. Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość stały się odtąd tylko iluzją, miejscami w czasoprzestrzeni otaczającej cały wszechświat. Biorąc pod uwagę teorie Einsteina jeżeli zniwelujemy czas jaki światło potrzebuje na dotarcie od punktu obserwowanego w przestrzeni, do obserwatora możemy zaobserwować ciekawe rzeczy. Załóżmy, że punkt obserwowany w przestrzeni jest nieruchomy względem obserwatora, wówczas znajdują się oni w takim samym punkcie czasu i zarówno dla obserwatora jak i obiektu(punkt obserwowany) będzie trwała ta sama urojona chwila. Jeżeli natomiast obserwator zacznie się poruszać z dużą prędkością zobaczy wydarzenia z przeszłości obiektu. Z kolei poruszając się w stronę obserwowanego punktu będzie on widział wydarzenia z jego przyszłości które dla niego jeszcze nie nastąpiły.

Dodatkowo dochodzi jeszcze aspekt zakrzywiania się czasoprzestrzeni. W efekcie twierdzeń z OTW, możemy zaobserwować dwie gwiazdy blisko siebie na gwiazdozbiorze, lecz w rzeczywistości mogą one znajdować się w zupełnie innych położeniach np. względem obserwatora jedna za drugą. Obserwator będzie widział zakrzywione przez inną gwiazdę światło wysłane przez źródło.

Pozdrawiam, Adam