Co to jest skurcz długości?
Skurcz długości odnosi się do zjawiska, w którym obiekt jest postrzegany przez obserwatora jako krótszy wzdłuż wymiaru swojego ruchu, gdy obiekt jest w ruchu w stosunku do tego obserwatora. Nazywa się to również skurczem Lorentza lub skurczem Lorentza – Fitzgeralda, po fizykach Hendrik Lorentz i George Fitzgerald. Im szybciej obiekt porusza się względem obserwatora, tym bardziej będzie się kurczył z perspektywy obserwatora. Efekt ten jest tak niewielki, że jest nieistotny przy prędkościach, które ludzie mogą napotkać w życiu codziennym, ale w obiektach poruszających się z istotną częścią prędkości światła staje się bardziej zauważalny.
Zjawisko skurczu długości jest konsekwencją szczególnej teorii względności. Zgodnie z teorią względności prędkość światła w próżni (około 300 000 kilometrów lub 186 000 mil na sekundę) lub c jest zawsze stała dla wszystkich obserwatorów. Wbrew intuicji pozostaje tak w przypadku światła emitowanego ze źródła, które porusza się z perspektywy obserwatora.
Załóżmy, że obiekt wystrzeliwuje w kierunku podróży ze statku kosmicznego poruszającego się z prędkością 5 kilometrów na sekundę (KPS) w stosunku do Ziemi, odsuwając go od statku z prędkością 1 KPS. Obserwator na statku postrzega go jako oddalającego się o 1 KPS, podczas gdy obserwator na Ziemi dostrzeże, że porusza się z prędkością 6 KPS. Jeśli światło zewnętrzne na statku jest włączone, obserwator na statku wykryje światło oddalające się od statku w punkcie c, ale obserwator na Ziemi będzie również widział światło poruszające się w punkcie c, a nie c plus prędkość statku .
Rezultat jest taki, że dokładny moment, w którym światło statku dociera do danego miejsca, będzie różny dla różnych obserwatorów w zależności od ich prędkości względem statku kosmicznego. W związku z tym nie będą się zgadzać co do tego, jakie inne zdarzenia miały miejsce w tym samym momencie. Nazywa się to względnością równoczesności.
Sposób, w jaki odnosi się to do wykrytej długości obiektu, jest często wyjaśniany w następującym eksperymencie myślowym. Wyobraź sobie rząd zsynchronizowanych zegarów, w którym każdy zegar może mierzyć, kiedy lewy i prawy koniec poruszającego się obiektu przechodzi przed nim. Po przejściu obiektu przez rząd zegarów obserwator może określić jego długość, obliczając odległość, jaką dwa zegary musiałyby być od siebie, aby prawy koniec obiektu osiągnął jeden zegar w tym samym momencie, gdy lewy koniec osiągnie drugi zegar.
Dwóch obserwatorów dzielących układ odniesienia uzgodni długość. Ponieważ pomiar opiera się na tym, które zdarzenia zachodzą jednocześnie, obserwatorzy w ruchu względem siebie nie uzgodnią długości. Im większa prędkość obserwatora względem zegarów, tym bardziej ich pomiary będą różnić się od pomiarów obserwatora w spoczynku względem nich.
Efekt skurczu długości rośnie przy wyższych prędkościach. Obiekt poruszający się w odległości 0,05 cala (5 procent prędkości światła), z prędkością około 14 990 kilometrów (9 314 mil) na sekundę, wydaje się być bardzo nieznacznie skrócony do obserwatora stacjonarnego - około 99,87 procent jego długości w spoczynku, jeśli jest ustawiony równolegle do linii jego ruchu. Długość obserwowana przez obserwatora zmniejsza się do 97,79 procent jego długości w spoczynku przy 0,2 c, 91,65 procent przy 0,4 c oraz 71,41 procent przy 0,7 c. Przy 0,9 c wykryta długość obiektu jest zmniejszona do 43,58 procent, a przy 0,999 c skurczy się tylko do 4,47 procent. Skurcz bliższy c staje się jeszcze bardziej ekstremalny, chociaż długość nigdy nie kurczy się do zera.
Jeśli z obiektem podróżuje obserwator, ten obserwator nie postrzega obiektu jako kurczącego się, ponieważ z jego perspektywy względna prędkość obiektu wynosi zero. W ramce odniesienia tego obserwatora obiekt jest nieruchomy, podczas gdy reszta wszechświata porusza się względem obserwatora, a zatem z perspektywy tego obserwatora skurczy się reszta wszechświata.
Zmiana zmierzonej długości obiektu podlegającego skurczowi długości różni się od tego, jak faktycznie wyglądałby on wizualnie, jak widzi to ludzkie oko lub kamera, ponieważ obiekt poruszający się wystarczająco szybko, aby wytworzyć zauważalny skurcz, porusza się ze znacznym procentem prędkość własnego światła. Przy takich prędkościach fotony emitowane jednocześnie z różnych części obiektu docierają do obserwatora w znacznie różnych momentach, zniekształcając wygląd obiektu. Zatem obiekt poruszający się w kierunku obserwatora z dużą prędkością byłby zniekształcony, tak że faktycznie wyglądałby dłużej na oględziny pomimo skurczu na długości. Obiekt odsuwający się od obserwatora wyglądałby na krótszy z powodu tego samego efektu opóźnienia czasowego, ponad faktycznym skurczem długości, a obiekt przechodzący obok obserwatora wydawałby się krzywy lub obrócony.