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.
Ánh sáng là thứ nhanh nhất trong vũ trụ, nhưng ta vẫn đo được vận tốc của nó. Nếu tua chậm lại, ta sẽ phân tích được chuyển động của ánh sáng bằng biểu đồ không gian - thời gian, từ những tấm ảnh lật (flipbook) nhìn từ bên trên. Bài học này, sẽ đưa ra một thực nghiệm rằng bất cứ khi nào đo đạc tốc độ ánh sáng, ta đều nhận được kết quả như nhau: 299,792,458 mét trên giây, điều đó có nghĩa là khi biểu diễn trên biểu đồ đồ thị sẽ cho cùng một độ dốc. Nhưng ta đã biết, tốc độ, hay độ dốc tương đương, thay đổi với những hệ quy chiếu khác nhau. Để lý giải cho mâu thuẫn này, hãy xem điều gì xảy ra khi tôi di chuyển trong khi tôi đứng im và chiếu laser về phía Tom. Đầu tiên, cần xây dựng biểu đồ không gian - thời gian. bằng cách thu thập hình ảnh tại những thời điểm khác nhau rồi chồng chúng lên nhau. Từ phía ngoài, ta thấy đường đi của tia laser tạo thành một góc không đổi y như trước. Vẫn ổn đó chứ . Nhưng biểu đồ này chỉ đúng với hệ quy chiếu của Andrew. Với tôi nó trông thế nào? Trong bài học trước, ta đã chỉ ra cách chuyển sang hệ quy chiếu của Tom bằng cách di chuyển ảnh cùng lúc cho tới khi đường chuyển động của Tom là hoàn toàn thẳng đứng. Chú ý vào đường truyền tia sáng . Việc hình ảnh bị sắp xếp lại cho thấy nó đã bị nghiêng hơi quá Tôi đo được ánh sáng di chuyển nhanh hơn so với những gì Andrew thấy Nhưng mọi thí nghiệm từng làm, dù rất cẩn thận, đều cho thấy tốc độ ánh sáng là không đổi. Bắt đầu lại nhé. Vào những năm 90, chàng trai thông thái Albert Einstein đã nghiên cứu cách quan sát mọi vật đúng đắn từ hệ quy chiếu của Tom, mà vẫn cho ra vận tốc chính xác của ánh sáng Đầu tiên, cần xâu chuỗi những ảnh riêng biệt thành một khối thống nhất. Ta có được không gian - thời gian, chuyển không gian và thời gian thành khối vật chất liên tục và đồng nhất. Và đây là câu trả lời . Bạn chỉ cần kéo khối không gian - thời gian của mình dọc theo hướng chuyển động của ánh sáng. Sau đó, nén theo phương truyền tia sáng với cùng một lượng mức và ô la la! Đường chuyển động của Tom trở thành thẳng đứng và mọi thứ sẽ được quan sát qua hệ quy chiếu của anh ấy, quan trọng nhất là ánh sáng không hề thay đổi độ dốc nghĩa là khi Tom đo lường kết quả đó là chính xác. Kĩ thuật tinh tế này được gọi là phép biển đổi Lorentz. Hơn thế nữa, khi tách khối không gian - thời gian thành các tấm nhỏ chúng vẫn tuân theo các định luật vật lí. Tôi ngồi yên trong ô tô những thứ khác chuyển động ngang qua và tốc độ ánh sáng đo được có cùng giá trị với kết quả từ những người khác. Mặc khác, điều gì đó kỳ lạ đã xảy ra. Mỗi chiếc rào không còn dài 1 mét như trước nữa và mẹ tôi sẽ lo lắng vì tôi trông gầy đi một chút . Thật bất công. Tại sao tôi không gầy hơn? Tôi cho rằng vật lý là như nhau với tất cả mọi người. Đúng . Là như vậy mà Tất cả sự co giãn của không gian - thời gian thứ mà ta từng cho là tách biệt. đều bị trộn lẫn Kĩ thuật co này được gọi là nguyên lý co ngắn Lorentz Thấy không, tôi vẫn thế. Tất nhiên rồi. Khi đã hiểu hơn về không gian - thời gian chúng ta nên vẽ lại khung cảnh từ hệ quy chiếu của tôi Với anh, tôi dường như bị co ngắn theo nguyên lý Lorentz. Ô còn với anh, tôi bị co ngắn theo nguyên lý Lorentz. Chính xác. Ừ, ít ra cũng công bằng Công bằng là bởi không gian hoà trộn với thời gian, nên thời gian cũng hoà vào không gian, đó là hiện tượng giãn nở thời gian. Không, ở vận tốc thông thường như vận tốc ô tô của Tom, các hiện tượng trên xuất hiện rất mờ nhạt so với những gì được mô phỏng ở đây. Tất nhiên. Những thí nghiệm cực kỳ cẩn thận, như quan sát chuyển động siêu nhanh của các vi hạt xung quanh vành va chạm Hadron chứng minh rằng hiệu ứng này là có thật. Khi sự tồn tại của không gian - thời gian, được xác nhận bằng thực nghiệm, ta có thể tham lam thêm một tí. Sẽ ra sao nếu ta có thể chơi đùa với vật chất cấu tạo nên không gian - thời gian ? Vấn đề sẽ được làm rõ trong tập kế tiếp.