Hva er lengdekontraksjon?

Lengdekontraksjon refererer til et fenomen der et objekt oppfattes som kortere langs dimensjonen av bevegelsen av en observatør når objektet er i bevegelse i forhold til den observatøren. Det kalles også Lorentz-sammentrekning eller Lorentz – Fitzgerald sammentrekning, etter fysikerne Hendrik Lorentz og George Fitzgerald. Jo raskere et objekt beveger seg i forhold til observatøren, jo mer vil det trekke seg sammen fra observatørens perspektiv. Denne effekten er så liten at den er ubetydelig i hastigheter som mennesker sannsynligvis vil møte i dagliglivet, men i gjenstander som beveger seg med en betydelig brøkdel av lysets hastighet, blir den mer merkbar.

Fenomenet lengdekontraksjon er en konsekvens av spesiell relativitet. I følge relativitetsteorien er lysets hastighet i et vakuum (omtrent 300 000 kilometer, eller 186 000 miles per sekund), eller c, alltid konstant for alle observatører. Motsatt forblir dette tilfelle for lys som sendes ut fra en kilde som beveger seg fra en observatørs perspektiv.

Anta at en gjenstand blir lansert i kjøreretning fra et romskip som beveger seg med 5 kilometer per sekund (KPS) i forhold til jorden, og driver det bort fra skipet på 1 KPS. En observatør i skipet vil oppfatte det som å bevege seg bort ved 1 KPS, mens en observatør på jorden vil oppfatte at det beveger seg ved 6 KPS. Hvis et eksternt lys på skipet er slått på, vil observatøren i skipet oppdage lyset som beveger seg bort fra skipet ved c, men observatøren på jorden vil også oppfatte lyset som beveger seg ved c, ikke c pluss hastigheten til skipet .

Resultatet er at det nøyaktige øyeblikket hvor skipets lys når et gitt sted, vil variere for forskjellige observatører, avhengig av hastigheten i forhold til romskipet. Følgelig vil de være uenige om hva andre hendelser som skjedde i samme øyeblikk. Dette kalles relativitet av samtidighet.

Hvordan dette forholder seg til et objekts detekterte lengde, blir ofte forklart i det følgende tankeeksperimentet. Se for deg en rad med synkroniserte klokker, der hver klokke kan måle når venstre og høyre ende av et bevegelig objekt passerer foran den. Etter at et objekt beveger seg forbi raden med klokker, kan en observatør bestemme lengden ved å beregne avstanden to klokker må være fra hverandre for den høyre enden av objektet for å nå en klokke i samme øyeblikk den venstre enden når den andre klokke.

To observatører som deler en referanseramme vil bli enige om lengden. Ettersom målingen er basert på hvilke hendelser som skjer samtidig, vil observatører i bevegelse i forhold til hverandre imidlertid ikke være enige om lengden. Jo større observatørs hastighet i forhold til klokkene, jo mer vil målingene deres avvike fra observatørens hvile i forhold til dem.

Effekten av lengdekontraksjon vokser med høyere hastigheter. En gjenstand som beveger seg 0,05c (5 prosent av lysets hastighet), omtrent 14 990 kilometer (9314 miles) per sekund, ser ut til å være veldig forkortet til en stasjonær observatør - omtrent 99,87 prosent av lengden i hvile hvis den er parallelt orientert til bevegelseslinjen. Lengden sett av observatøren trekker seg til 97,79 prosent av lengden i hvile på 0,2c, 91,65 prosent ved 0,4c og 71,41 prosent på 0,7c. Ved 0,9c reduseres objektets oppdagede lengde til 43,58 prosent, og ved 0,999c trekker den seg sammen til bare 4,47 prosent. Nærmere til c-sammentrekningen blir enda mer ekstrem, selv om lengden aldri trekker seg til null.

Hvis det er en observatør som reiser med objektet, oppfatter denne observatøren ikke objektet som sammentrekning fordi objektets relative hastighet fra hans eller hennes perspektiv er null. I den observatørens referanseramme er objektet stasjonært mens resten av universet er i bevegelse i forhold til observatøren, og så fra den observatørs perspektiv er det resten av universet som trekker seg sammen.

Endringen i den målte lengden på et objekt som gjennomgår lengdekontraksjon avviker fra hvordan objektet faktisk vil vises visuelt, sett av det menneskelige øyet eller et kamera, fordi et objekt som beveger seg raskt nok til å produsere en merkbar lengdekontraksjon beveger seg med en betydelig prosentandel av hastigheten til sitt eget lys. I slike hastigheter vil fotoner som sendes ut fra forskjellige deler av objektet samtidig nå observatøren på betydelig forskjellige tidspunkter, og forvrenge objektets visuelle utseende. Dermed vil et objekt som beveger seg mot en observatør med høy hastighet bli forvrengt, slik at det faktisk vil se lengre ut til visuell inspeksjon til tross for lengdekontraksjon. Et objekt som beveger seg bort fra observatøren vil se kortere ut på grunn av den samme tidsforsinkelseseffekten, på toppen av den faktiske lengdekontraksjonen, og et objekt som går forbi observatøren ser ut til å være skjev eller rotert.