Mūsdienu dzīves ritums ir kļuvis ļoti straujš. Šajā tehnikas laikmetā mēs spējam ļoti īsā laikā pieveikt lielus attālumus, nokļūstot no vienas vietas citā ar mašīnu, vilcienu vai, piemēram, lidmašīnu. Vismaz mums liekas, ka tas ir ātri, tomēr, ja šos pārvietošanās ātrumus salīdzina ar dažādiem ātrumiem kosmosā, tad rodas pirmais secinājums, ka mēs tomēr tik ātri neesam: pasažieru lidmašīna var sasniegt ātrumu līdz 300 m/s, bet izšauta lode var sasniegt 1 500 m/s (1. att.). Izejot kosmiskajā telpā, kosmiskais aparāts Voyager I ceļo ar ātrumu 17 000 m/s, bet, piemēram, Zeme ap Sauli riņķo ar ātrumu 29 800 m/s (1. att.). Ievadjautājumā jau tika minēts, ka kosmiskā zonde Helios 2 sasniegusi fantastisku ātrumu 70 220 m/s. Tomēr arī šie ātrumi nobāl brīdi, kad salīdzinām tos ar gaismas ātrumu 300 000 000 m/s (1. att.).
1.att. Dažādas ātruma vērtības
Gaismas ātruma vērtība nav vienīgais fakts, kas padara to tik īpašu. Ja blakus brauc divi skeitbordisti un viņu kustību vēro cilvēki no malas (2. att. a), tad uz vietas esošie cilvēki redz skeitbordistus kustībā. Taču ja blakus esošie skeitbordisti paskatās viens uz otru, tad viņi viens pret otru nekustas, tātad viens skeitbordists attiecībā pret otru stāv uz vietas. Tas nozīmē, ka skeitbordista ātrums ir atkarīgs no atskaites sistēmas, kurā mēs to apskatām (Fiztēma par atskaites sistēmām). Vienā gadījumā atskaites sistēma ir mierā esošs skatītājs, otrā gadījumā kustībā esošs skeitbordists. Gaisma ir īpaša ar to, ka tās ātrums jebkurā atskaites sistēma ir viens un tas pats, vienalga, vai atskaites sistēma kustas līdzi gaismai vai stāv uz vietas, gaismas ātrums paliek tāds, kāds tas ir. Piemēram, ja gaismas ātrumu mērīs cilvēks, kas atrodas uz Zemes vai cilvēks, kurš lielā ātrumā traucas ar raķeti (2. att. b), abos gadījumos izmērītais gaismas ātrums būs vienāds.
2.att. Objektu ātrumi dažadās atskaites sistēmās
Šīs īpašības dēļ, ja objekts tuvojas gaismas ātrumam, sāk notikt pavisam dīvainas lietas. Piemēram, ja ātrums kļūst salīdzināms ar gaismas ātrumu, tad kustības virzienā ķermeņa lineārie izmēri samazinās (3. att. a). Papildus lineāro izmēru samazinājumam laiks uz ķermeņa rit lēnāk jeb tas lēnāk noveco (3. att. b). Lai gan gaismas ātrums ir nemainīgs, var mainīties gaismas viļņa garums, tādēļ, ja no ķermeņa, kas kustas ar gaismas ātrumu, skatītos uz kādu gaismas avotu, tad Doplera efekta dēļ izstarotajiem gaismas viļņiem būtu citāds viļņa garums un mēs tos redzētu citā krāsā (3. att. c). Jo lielāks ir ātrums, jo izteiktāks Doplera efekts un krāsu maiņa. Tomēr gaismas ātrumu ne tikai nav iespējams pārsniegt, bet arī sasniegt to ir grūti. Tas ir tādēļ, ka, pieaugot ķermeņa ātrumam, pieaug tā masa, un, tuvojoties gaismas ātrumam, šis pieaugums kļūst ļoti straujš, tādējādi apgrūtinot iespēju paātrināt ķermeņa kustību.
3.att. Efekti, tuvojoties gaismas ātrumam
Ja ir zināmi ķermeņa parametri un ātrums, ar kādu tas pārvietojas, ir iespējams aprēķināt ķermeņa garuma, masas un kustības laika izmaiņas, izmantojot 4. attēlā redzamās izteiksmes.
Apskaties, kāda ir spēlīte, kurā var izbaudīt efektus, kas parādās, tuvojoties gaismas ātrumam!
Par šo tēmu var izlasīt arī DZM materiālā.
4.att. Fizikālo lielumu maiņa kustībā esošam ķermenim
Tuvojoties gaismas ātrumam, samazinās objekta lineārie izmēri kustības virzienā, objekts saplacinās (1. att.). Iepriekšējā solī tika minēts, ka ātrākais cilvēka veidotais aparāts var sasniegt 0,023 % no gaismas ātruma, taču pie šāda ātruma saplacinājums ir tik niecīgs, ka ar aci nebūtu novērojams, jo pat 60 % no gaismas ātruma efekts vēl nav tik izteikts, bet, sasniedzot 99 %, lineārie izmēri ir pamainījušies jau ļoti izteikti (1. att.).
1.att. Tuvojoties gaismas ātrumam, samazinās objekta lineārie izmēri
Vēl viena nozīmīga īpašība ir tā, ka kustībā esošiem objektiem laiks rit lēnāk. Ikdienā mēs to nemanām, jo ātrumi ir par mazu, bet, ja kustības ātrums kļūst salīdzināms ar gaismas ātrumu, tad efekts kļūst pamanāms vai pat ļoti noteicošs. Piemēram, pirms došanās kosmosa ceļojumā ar ātru raķeti dvīņu vecums ir vienāds (2. att. a), taču, atgriežotes atpakaļ, uz Zemes palikušais dvīnis ir vecāks, jo kosmosa ceļotājs ir pārvietojies ar lielu ātrumu (2. att. b). Protams, attēlā situācija ir ļoti pārspīlēta, vecumu starpība ar mūsdienu tehnoloģijām un ceļošanas ilgumiem varētu būt mērāma sekundēs vai pat tās daļās.
2.att. Tuvojoties gaismas ātrumam, laiks rit lēnāk
Gaisma pakļaujas arī Doplera efektam. Skaņai Doplera efekts izpaudās kā skaņas augstuma maiņa atkarībā no tā, vai objekts kustējās klausītāja virzienā vai prom no tā (3. att. a). Doplera efekts gaismai izpaužas kā gaismas krāsas maiņa. Ja, piemēram, mēs traucamies ar 44 % no gaismas ātruma un redzam priekšā zaļu gaismu (3. att. b), tad, palielinot ātrumu līdz 89 % no gaismas ātruma, zaļā krāsa būs pārbīdījusies uz violeto un zilo spektra daļu (3. att. c).
3.att. Tuvojoties gaismas ātrumam, mainās gaismas viļņu garums
Ātrums ietekmē arī objekta masu. 4. att. a gadījumā redzams, cik reizes pieaug objekta masa, ja ātrums tiek paaugstināts līdz pat gaismas ātrumam. Redzams, ka sākotnēji masas izmaiņa ir niecīga, tādēļ arī šo efektu ikdienā novērot nevar, tomēr brīdī, kad ātrums sasniedz aptuveni pusi no gaismas ātruma, efekts sāk kļūt izteikts (4. att. a). Ja ķermenim miera stāvoklī masa ir 10 kg (4. att. b), tad, palielinot ātrumu līdz 99,5 % no gaismas ātruma, masa jau būs pieaugusi līdz 100 kg (4. att. c). Masas pieaugums ir iemesls, kādēļ ķermeņiem ar masu ir praktiski neiespējami sasniegt gaismas ātrumu, jo tam būtu nepieciešams bezgalīgi daudz enerģijas, bet nav tāda bezgalīgas enerģijas avota.
4.att. Tuvojoties gaismas ātrumam, krasi pieaug ķermeņa masa
Ar masas izmaiņām liela ātruma ietekmē ir jārēķinās fiziķiem, eksperimentējot daļiņu paātrinātājos. Piemēram, Šveices un Francijas teritorijā esošajā paātrinātājā LHC (Large Hadron Collider) (5. att.) viens otram pretī tiek sūtīti paātrināti protonu kūļi, kuros esošie protoni ir paātrināti līdz 99,9999991 % no gaismas ātruma. Varētu domāt, cik gan tur vajag, lai sasniegtu pilnu gaismas ātrumu, tomēr pie šāda ātruma katra vissīkākā procenta daļa prasa milzīgu enerģijas ieguldījumu.
5.att. LHC
Apskatīsim, kā iepriekš aprakstītie efekti izpaustos reālā ceļojujumā ar kosmosa kuģi. Pirmkārt, jāņem vērā vēl viens būtisks efekts, kas izpaustos, ceļojot ar lielu ātrumu. Ja, stāvot kosmosa kuģim uz vietas, tas saņemtu gaismu no divpadsmit dažādos virzienos esošām zvaigznēm (1.att. a(, tad, palielinot ātrumu, samazinātos redzes lauks jeb leņķis, kurā šīs zvaigznes būtu redzamas. Sasniedzot 50% no gaismas ātruma, izmaiņa vēl nav būtiska (1.att. b), bet, kad ātrums ir 99% no gaismas ātruma, zvaigznes ir redzamas ļoti šaurā leņķī )1att. c).
1.att. Redzes lauka izmaiņas
Realitātē tas varētu izskatīties tā, kā redzams 2. attēlā. Ceļojot uz Oriona zvaigznāju, sākotnēji ir redzams tikai šis zvaigznājs, bet, pakāpeniski pieaudzējot ātrumu, priekšpusē redzams ar arvien vairāk zvaigžņu un zvaigznāju.
2.att. Ceļojums uz Oriona zvaigznāju
Doplera efekts gaismai, kas nāk no Oriona zvaigznāja, varētu izpausties tā, kā redzams 3. attēlā. Redzams, ka zvaigznes, kuras spīd brūnganā krāsā, pie liela ātruma jau ir kļuvušas zilganas, bet zilganās zvaigznes ir kļuvušas vārgākas vai nodzisušas. Tas ir tādēļ, ka šo zvaigžņu gaisma jau ir iespīdējusi UV diapazonā, kas cilvēka acij nav saskatāms.
3.att. Doplera efekta izpausme pie liela kustības ātruma
Ja apvieno visus iepriekšminētos ātruma efektus kopā, tad iznāk 4. attēlā redzamā aina. Ir gan sašaurinājies redzes leņķis, gan mainījusies zvaigžņu krāsa.
4.att. Dažāda ātruma efektu apvienojums