Pociąg Einsteina: względność równoczesności

Pędzi wagon, a w chwili gdy jego środek mija obserwatora na peronie, dwa pioruny uderzają jednocześnie w oba jego końce — przynajmniej tak widzi to człowiek na peronie. Pasażer siedzący w środku wagonu upiera się jednak, że przód dostał pierwszy. Kto się myli? Nikt. Einstein pokazał, że „równocześnie" nie jest pojęciem absolutnym.

Czym w ogóle jest „równocześnie"?

Żeby stwierdzić, że dwa odległe zdarzenia zaszły naraz, trzeba je jakoś porównać — a jedynym posłańcem, jaki łączy je z obserwatorem, jest światło. Umawiamy się więc: zdarzenia są równoczesne, jeśli światło z obu dociera do obserwatora stojącego dokładnie pośrodku w tej samej chwili. To rozsądna definicja — ale, jak się okaże, jej wynik zależy od tego, kto ją stosuje.

Peron: oba pioruny razem

Obserwator na peronie stoi w połowie drogi między miejscami, w które strzeliły pioruny. Światło z obu biegnie ku niemu z tą samą prędkością i pokonuje tę samą drogę — więc dociera równocześnie. Dla peronu wniosek jest jednoznaczny: pioruny uderzyły w tej samej chwili.

Pociąg: przód pierwszy

Pasażer siedzi w środku wagonu — ale wagon jedzie. Zanim światło zdąży pokonać drogę do środka, pasażer przesunął się już w stronę przodu, a od tyłu ucieka. Dlatego światło przedniego pioruna spotyka go wcześniej niż tylnego. A ponieważ w jego wagonie oba końce są równo oddalone, a światło biegnie jednakowo szybko, wniosek może być tylko jeden: przedni piorun uderzył wcześniej. Przełącznik w animacji pokazuje dokładnie tę samą historię z obu punktów widzenia.

To nie złudzenie ani „opóźnienie sygnału". Nawet gdy pasażer uczciwie odejmie czas potrzebny światłu na dotarcie, i tak wyjdzie mu, że przód uderzył pierwszy. Dwa zdarzenia równoczesne dla jednego obserwatora są przesunięte w czasie dla drugiego — i nie ma tu żadnego „prawdziwego" porządku. Oba układy są równie dobre.

Dlaczego? Bo zegary się rozjeżdżają

Włącz w animacji „zegary pasażera". Rozstaw wzdłuż wagonu rząd zegarów i zsynchronizuj je — dla pasażera wszystkie pokazują tę samą godzinę. Teraz przełącz układ na peron: te same zegary są rozsynchronizowane, a przednie „spóźnione". Zegary zsynchronizowane w jednym układzie nie są zsynchronizowane w drugim — i właśnie dlatego „ta sama godzina", a więc i „równocześnie", znaczy co innego dla każdego. U korzenia leży jedno założenie: światło biegnie z tą samą prędkością c dla obojga.

„Teraz" nie obejmuje całego wszechświata — każdy ruch ma swoje własne.

To uproszczenieDla czytelności rysujemy wagon w obu układach tak samo długi i pomijamy skrócenie długości. W codziennym życiu efekt jest znikomy: przy 100 km/h i wagonie długości 100 m przód „wyprzedza" tył o około 10⁻¹⁴ sekundy. Dopiero prędkości bliskie prędkości światła czynią go zauważalnym.