Light: it's the fastest thing in the universe, but we can still measure its speed if we slow down the animation, we can analyze light's motion using a space-time diagram, which takes a flipbook of animation panels, and turns them on their side. In this lesson, we'll add the single experimental fact that whenever anyone measures just how fast light moves, they get the same answer: 299,792,458 meters every second, which means that when we draw light on our space-time diagram, it's world line always has to appear at the same angle. But we saw previously that speed, or equivalently world line angles, change when we look at things from other people's perspective. To explore this contradiction, let's see what happens if I start moving while I stand still and shine the laser at Tom. First, we'll need to construct the space-time diagram. Yes, that means taking all of the different panels showing the different moments in time and stacking them up. From the side, we see the world line of the laser light at its correct fixed angle, just as before. So far, so good. But that space-time diagram represents Andrew's perspective. What does it look like to me? In the last lesson, we showed how to get Tom's perspective moving all the panels along a bit until his world line is completely vertical. But look carefully at the light world line. The rearrangement of the panels means it's now tilted over too far. I'd measure light traveling faster than Andrew would. But every experiment we've ever done, and we've tried very hard, says that everyone measures light to have a fixed speed. So let's start again. In the 1900s, a clever chap named Albert Einstein worked out how to see things properly, from Tom's point of view, while still getting the speed of light right. First, we need to glue together the separate panels into one solid block. This gives us our space-time, turning space and time into one smooth, continuous material. And now, here is the trick. What you do is stretch your block of space-time along the light world line, then squash it by the same amount, but at right angles to the light world line, and abracadabra! Tom's world line has gone vertical, so this does represent the world from his point of view, but most importantly, the light world line has never changed its angle, and so light will be measured by Tom going at the correct speed. This superb trick is known as a Lorentz transformation. Yeah, more than a trick. Slice up the space-time into new panels and you have the physically correct animation. I'm stationary in the car, everything else is coming past me and the speed of light works out to be that same fixed value that we know everyone measures. On the other hand, something strange has happened. The fence posts aren't spaced a meter apart anymore, and my mom will be worried that I look a bit thin. But that's not fair. Why don't I get to look thin? I thought physics was supposed to be the same for everyone. Yes, no, it is, and you do. All that stretching and squashing of space-time has just muddled together what we used to think of separately as space and time. This particular squashing effect is known as Lorentz contraction. Okay, but I still don't look thin. No, yes, you do. Now that we know better about space-time, we should redraw what the scene looked like to me. To you, I appear Lorentz contracted. Oh but to you, I appear Lorentz contracted. Yes. Uh, well, at least it's fair. And speaking of fairness, just as space gets muddled with time, time also gets muddled with space, in an effect known as time dilation. No, at everyday speeds, such as Tom's car reaches, actually all the effects are much, much smaller than we've illustrated them. Oh, yet, careful experiments, for instance watching the behavior of tiny particles whizzing around the Large Hadron Collider confirmed that the effects are real. And now that space-time is an experimentally confirmed part of reality, we can get a bit more ambitious. What if we were to start playing with the material of space-time itself? We'll find out all about that in the next animation.
Işık: evrendeki en hızlı şey ama yine de hızını ölçebiliyoruz. Eğer animasyonu yavaşlatırsak yüzleri üst üste dizilmiş birkaç animasyon panelinden yararlanıp bir uzay-zaman grafiği oluşturarak ışığın hareketini inceleyebiliriz. Bu derste, şu deneysel gerçeği hatırlatacağız: ne zaman biri ışık hızını ölçmeye kalksa aynı şu sonucu buluyor: saniyede 299,792,458 metre, bu da demek oluyor ki, ışığı uzay-zaman grafiğimizde gösterdiğimizde, dünya çizgisi her zaman aynı açıda olmak zorunda. Ama yakın zamanda gördük ki, hız ya da dünya çizgisi açısı, maddelere başka insanların açısından bakıldığında farklı gözüküyor. Bu karşıtlığı incelemek için, ben sabit dururken hareket edip Tom'a lazer tutarsam ne olacak inceleyelim. Öncelikle, uzay-zaman çizelgesini oluşturmamız gerek. Evet, bu zamandaki farklı hareketleri gösteren farklı panelleri ele alıp hepsini harmanlamak demek oluyor. Bu taraftan lazer ışığının dünya çizgisini doğru olan kendi sabit açısında görüyoruz, tıpkı az önceki gibi. Şu ana kadar güzel. Ama bu uzay-zaman çizgisi Andrew'in bakış açısını yansıtıyor. Bana nasıl görünüyor? Son dersimizde, tüm panelleri, Tom'un dünya çizgisi tamamen düşey olana kadar beraberce birazcık oynatıp onun bakış açısını nasıl elde edebileceğimizi gösterdik. Ama ışığın dünya çizgisine dikkat edin. Panellerin düzenlenişi şimdi de çok fazla eğildiği anlamına geliyor. Ben, ışığın hızını Andrew'den daha yüksek ölçerdim. Ama yaptığımız her deney - ki her deneyde çok çalıştık - herkesin ışığı, sabit bir hızda giderken ölçeceğini söylemişti. O zaman, tekrar başlayalım. 1900'lerde, Albert Einstein isimli akıllı bir genç adam ışık hızını hâlâ nasıl doğru buluyorken, Tom'un bakış açısından her şeyi doğru görebileceğimizi buldu. İlk olarak, tüm bu ayrı panelleri tek bir sağlam bloka tutkallamalıyız. Bu, bize "uzay-zaman"ımızı veriyor. Uzayı ve zamanı tek ve sürekli bir maddeye dönüştürüyor. İşte işin sırrı burada. Şimdi, uzay-zaman blokumuzu ışığın dünya çizgisi boyunca esnetiyoruz, sonra da eşit ölçüde ama ışık dünya çizgisiyle doğru açıda sıkıştırıyoruz ve hokus pokus! Tom'un dünya çizgisi düşey hale geldi, yani bu, dünyayı onun bakış açısından yansıtıyor ama en önemlisi, ışığın dünya çizgisi, açısını korudu, yani ışık, Tom tarafından doğru hızda ölçülecek. Bu şahane numara, bir Lorentz dönüşümü olarak bilinir. Evet ama bu bir numaradan fazlası. Uzay-zamanı, yeni panellerde temize çekelim ki böylece, fiziksel olarak doğru animasyonu elde edelim. Ben arabada sabitim, diğer her şey yanımdan geçiyor ve ışık hızı, herkesin ortak şekilde ölçtüğü o sabit değerde sorunsuz işliyor. Öte yandan, garip bir şeyler oldu. Çit direkleri artık birer metre aralıklı değil ve annem beni süzülmüş görünce oldukça endişelenecek. Bu adil değil. Ben neden zayıf görünmüyorum? Fiziğin herkes için geçerli olduğunu düşünmüştüm. Evet, hayır, öyle ve öylesin. Tüm bu uzay-zamanı esnetme ve bükme önceden uzay ve zaman olarak ayrı ayrı düşündüğümüz şeyleri bir lapa haline getirdi. Bu karmaşık etki, Lorentz daralması olarak bilinir. Peki ama hâlâ zayıf görünmüyorum. Hayır, görünüyorsun. Şimdi uzay-zaman hakkında bilgi sahibi olduğumuza göre sahnenin görünüşünü bana göre çizebiliriz. Sana göre, ben Lorentz daralmasına uğramış görünüyorum. Ama sana göre, ben Lorentz daralmasına uğramış görünüyorum. Evet öyle. En azından adil. Adaletten bahsetmişken, nasıl uzay ile zaman karışıyorsa zaman da uzay ile karışıyor ve zaman genişlemesi adıyla bilinen etki ortaya çıkıyor. Tom'un arabasının ulaştığı gibi günlük hayattaki hızlarda tüm bu etkiler aslında bizim gösterdiğimizden çok, çok daha küçük. Evet, ama dikkatli deneyler - tıpkı Büyük Hadron Çarpıştırıcısında dolaşan ufak parçacıkların hareketlerinin incelenmesi gibi - bu etkilerin doğruluğunu ispatladı. Uzay-zaman, gerçekliğin deneyle kanıtlanmış bir parçası olduğuna göre biraz daha hırslı olabiliriz. Ya bu sefer de uzay-zamanın kendisiyle oynamaya başlarsak? Bunun hakkındaki her şeyi sonraki animasyonumuzda öğreneceğiz.