Vad är längdkontraktion?
Längdkontraktion avser ett fenomen där ett objekt uppfattas som kortare längs dimensionen av dess rörelse av en observatör när objektet är i rörelse relativt den observatören. Det kallas också Lorentz-kontraktion eller Lorentz – Fitzgerald-kontraktion, efter fysikerna Hendrik Lorentz och George Fitzgerald. Ju snabbare ett objekt rör sig relativt observatören, desto mer kommer det att dra sig ur observatörens perspektiv. Denna effekt är så liten att den är försumbar vid hastigheter som människor sannolikt kommer att möta i det dagliga livet, men i föremål som rör sig med en märkbar bråkdel av ljusets hastighet blir den mer synlig.
Fenomenet med längdkontraktion är en följd av speciell relativitet. Enligt relativitetsteorin är ljusets hastighet i ett vakuum (cirka 300 000 kilometer, eller 186 000 miles per sekund), eller c, alltid konstant för alla observatörer. Motsvarande förblir detta fallet för ljus som släpps ut från en källa som rör sig från en observatørs perspektiv.
Anta att ett objekt lanseras i riktning från resan från ett rymdskepp som rör sig 5 kilometer per sekund (KPS) i förhållande till jorden, och driver det bort från fartyget på 1 KPS. En observatör i fartyget kommer att uppfatta det som att flytta sig vid 1 KPS, medan en observatör på jorden kommer att uppleva att det rör sig vid 6 KPS. Om ett externt ljus på fartyget slås på, kommer observatören i fartyget att upptäcka ljuset som rör sig bort från fartyget vid c, men observatören på jorden kommer också att uppfatta ljuset som rör sig vid c, inte c plus fartygets hastighet .
Resultatet är att det exakta ögonblicket då fartygets ljus når en given plats kommer att variera för olika observatörer beroende på deras hastighet relativt rymdskeppet. Följaktligen kommer de inte att hålla med om vilka andra händelser som inträffade i samma ögonblick. Detta kallas samtidighetens relativitet.
Hur detta hänför sig till ett objekts upptäckta längd förklaras vanligtvis i följande tankeexperiment. Föreställ dig en rad synkroniserade klockor, där varje klocka kan mäta när vänster och höger ände av ett rörligt objekt passerar framför det. Efter att ett objekt rör sig förbi klockraden kan en observatör bestämma dess längd genom att beräkna avståndet som två klockor måste vara från varandra för att objektets högra ände ska nå en klocka i samma ögonblick den vänstra änden når den andra klocka.
Två observatörer som delar en referensram kommer överens om längden. Eftersom mätningen baseras på vilka händelser som inträffar samtidigt, kommer observatörer i rörelse relativt varandra emellertid inte att enas om längden. Ju större observatörers hastighet relativt klockorna, desto mer kommer deras mätningar att skilja sig från observatörernas vila i förhållande till dem.
Effekten av längdkontraktion växer med högre hastigheter. Ett objekt som rör sig 0,05c (5 procent av ljusets hastighet), cirka 14 990 kilometer (9314 miles) per sekund, verkar vara mycket förkortat till en stationär observatör - cirka 99,87 procent av dess längd i vila om det är orienterat parallellt till linjen för dess rörelse. Den längd som observatören ser är kontrakterad till 97,79 procent av sin längd i vila på 0,2c, 91,65 procent vid 0,4c och 71,41 procent vid 0,7c. Vid 0,9c reduceras objektets upptäckta längd till 43,58 procent och vid 0,999c drar det sig till endast 4,47 procent. Närmare c-sammandragning växer ännu mer extremt, även om längden aldrig dras till noll.
Om det finns en iakttagare som reser med objektet, uppfattar denna observatör inte objektet som sammandragande eftersom, från hans eller hennes perspektiv, är objektets relativa hastighet noll. I den observatörens referensram är objektet stationärt medan resten av universum är i rörelse relativt observatören, och så från observatörens perspektiv är det resten av universum som sammandras.
Förändringen i den uppmätta längden på ett objekt som genomgår längdkontraktion skiljer sig från hur objektet faktiskt skulle framträda visuellt, sett av det mänskliga ögat eller en kamera, eftersom ett objekt som rör sig tillräckligt snabbt för att producera en märkbar längdkontraktion rör sig med en betydande procentandel av hastigheten för sitt eget ljus. Vid sådana hastigheter kommer fotoner som släpps ut från olika delar av objektet samtidigt att nå observatören vid märkbart olika tidpunkter och förvränga objektets visuella utseende. Således skulle ett objekt som rör sig mot en iakttagare med hög hastighet förvrängas så att det verkligen verkar längre för visuell inspektion trots längdkontraktion. Ett objekt som rör sig bort från observatören skulle se kortare ut på grund av samma tidsfördröjningseffekt, ovanpå den faktiska längdkontraktionen, och ett objekt som går förbi observatören verkar vara snett eller roterat.