Το πρόβλημα της κίνησης ή μη του αιθέρα, ενός υποθετικού υπέρλεπτου μέσου που δεν μπορούσε να ανιχνευθεί από κανένα επιστημονικό όργανο ήταν ένα από τα βασικά ζητήματα των φυσικών του δεύτερου μισού του 19ου αιώνα. Ο αιθέρας ήταν κατά τη γνώμη των φυσικών της εποχής ένα αναγκαίο μέσο για τη διάδοση του φωτός, δηλαδή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Θεωρώντας τον αιθέρα ακίνητο τότε η ταχύτητα του φωτός κατά την κατεύθυνση της περιστροφής της γης περί τον άξονα της, μετρούμενη αναγκαστικά από ένα παρατηρητή που περιστρέφεται κι αυτός μαζί με τη γη, θα έπρεπε να είναι διαφορετική από την ταχύτητα του φωτός σε κατεύθυνση κάθετη προς την προηγούμενη. Κι όμως τέτοια διαφορά ποτέ δεν επιβεβαιώθηκε από τη σειρά των πειραμάτων των Mickelson - Morley. Και τότε ο Lorenz σκέφτηκε κάτι ανατρεπτικό, ότι ο ακίνητος αιθέρας συνιστά ένα μοναδικό παγκόσμιο σύστημα αναφοράς, όπου τα χωρικά διαστήματα και οι χρονικές διάρκειες των πραγμάτων που κινούνται ως προς αυτό μεταβάλλονται. Πιο συγκεκριμένα τα μήκη των ράβδων μικραίνουν όταν κινούνται σε σχέση με το μήκος τους όταν είναι ακίνητες και οι δείκτες των ρολογιών πάνε πιο αργά στα κινούμενα σε σχέση με τα πανομοιότυπα ακίνητα ρολόγια. Αυτό είναι εξωφρενικό για την ανθρώπινη διαίσθηση, που αντιλαμβάνεται τις διαστάσεις των πραγμάτων και τον ρυθμό που κυλά ο χρόνος σταθερά και ανεξάρτητα από την κίνηση τους.

Οι παρατηρήσεις αυτές του Lorenz ενέπνευσαν τον Einstein, ο οποίος σε συνεργασία με τον Minkowski και τα χωροχρονικά του διαγράμματα, κατέληξε το 1905 στην Ειδική θεωρία της Σχετικότητας, όπου η χωρική θέση και η χρονική στιγμή είναι εξαρτημένες τόσο μεταξύ τους όσο και ως προς ένα συγκεκριμένο σύστημα αναφοράς. Αυτό σημαίνει ότι η θέση και η στιγμή ενός συμβάντος ως προς ένα παρατηρητή παύουν να είναι ίδια για έναν άλλο παρατηρητή. Ένας κινούμενος δηλαδή παρατηρητής βλέπει όχι μόνο σε διαφορετική θέση να συμβαίνει κάτι (π.χ. η έκρηξη ενός ηφαιστείου) σε σχέση με έναν ακίνητο παρατηρητή, καθώς διαφέρουν οι αποστάσεις τους από το συμβάν, αλλά το αντιλαμβάνεται ότι συμβαίνει και σε άλλη χρονική στιγμή. Αυτά τα παράδοξα είναι συνέπειες της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός και της σταθερής τιμής της ταχύτητας αυτής σε οποιοδήποτε σύστημα αναφοράς. Το απόλυτο σύστημα αναφοράς του ακίνητου αιθέρα του Lorenz έχασε τη μοναδικότητά του, οπότε κάθε παρατηρητής μπορούσε πλέον να θεωρήσει τον εαυτό του ως το ακίνητο σύστημα αναφοράς, ως προς το οποίο κινούνται όλα τα υπόλοιπα σώματα. Η συστολή του μήκους (length contraction) και η διαστολή του χρόνου (time dilation) είναι φαινόμενα που παρατηρεί ο κάθε παρατηρητής όσον αφορά τα αντικείμενα που κινούνται σχετικά με αυτόν.

Συστολή μήκους: όπως βλέπετε στο Σχήμα 1, οι κόκκινες ράβδοι είναι μικρότερες από τις γαλάζιες όταν μετρηθούν από τους παρατηρητές που στέκουν ακίνητοι δίπλα στις γαλάζιες ράβδους αλλά και οι γαλάζιες ράβδοι είναι μικρότερες από τις κόκκινες όταν μετρηθούν από τους παρατηρητές που στέκουν ακίνητοι δίπλα στις κόκκινες ράβδους. Και τονίζω το 'είναι' και όχι 'φαίνεται', καθώς το μήκος δεν έχει κάποια απόλυτη οντολογική υπόσταση αλλά πρέπει πάντα να συνοδεύεται από το πλαίσιο αναφοράς ως προς το οποίο γίνεται η μέτρηση.

Σχήμα 1. Οι γαλάζιες ράβδοι είναι ακίνητες στο σύστημα S, ενώ οι κόκκινες ράβδοι είναι ακίνητες στο S’ 

Διαστολή χρόνου: Ο χρόνος τρέχει πιο αργά σε κάθε κινούμενο σύστημα, σε σχέση με έναν ακίνητο παρατηρητή. Το γεγονός αυτό αποδείχθηκε περίτρανα στις διάρκειες ζωής των υποατομικών σωματιδίων, όπως των μιονίων, τα οποία έχουν μια πολύ μικρή διάρκεια ζωής μεταξύ της στιγμής της παραγωγής τους και της στιγμής της εξαΰλωσής τους. Η διάρκεια ζωής των ταχέως κινούμενων μιονίων της κοσμικής ακτινοβολίας με ταχύτητα περίπου 98% της ταχύτητας του φωτός είναι 5πλάσια της διάρκειας ζωής των αργά κινούμενων μιονίων που παράγουμε στο εργαστήριο. Κατά παρόμοιο τρόπο, ισχύει απόλυτα το παράδοξο των διδύμων: Αν ο ένας αδελφός αποχαιρετήσει τον δίδυμο αδελφό του που ξεκινά για ένα υποτίθεται τεχνολογικά εφικτό διαστρικό ταξίδι με ταχύτητα διαστημοπλοίου συγκρίσιμη με την ταχύτητα του φωτός, τότε όταν επιστρέψει ο αστροναύτης μετά από 30 χρόνια δικού του χρόνου ζωής, τότε θα τον περιμένει ο τρισέγγονός του, καθώς ο χρόνος στο κινούμενο σύστημα κυλά πολύ πιο αργά ως προς τους ακίνητους γήινους παρατηρητές, κι έτσι γι’αυτούς δεν μεσολάβησαν 30 αλλά 150 χρόνια.

Σ αυτό το περίεργο σύμπαν που ζούμε, που μας αποκάλυψε ο Einstein, δεν έχει επίσης κανένα νόημα η τόσο κοινή ανθρώπινη αίσθηση περί ταυτόχρονου. Δεν μπορούμε πια να λέμε ότι δυο γεγονότα είναι ταυτόχρονα ανεξάρτητα από τον παρατηρητή. Στο Σχήμα 2, βλέπετε ότι αν θεωρήσουμε ως παρατηρητή τον άνθρωπο που κάθεται στο μέσο του κινούμενου συρμού, ο οποίος ανάβει στιγμιαία το φανό του, τα δυο γεγονότα της άφιξης του φωτός στους δυο τοίχους του βαγονιού είναι ταυτόχρονα, καθώς τα χρονικά διαστήματα μες στα οποία διανύει το φως με την ίδια ταχύτητα ίσες αποστάσεις είναι προφανώς ίδια. Δεν ισχύει όμως το ίδιο αν θέσουμε ως παρατηρητή κάποιον άνθρωπο ακίνητο στην πλατφόρμα του σταθμού (Σχήμα 3). Η απόσταση που διανύει σύμφωνα με αυτόν το φως προς τα αριστερά αντίθετα προς την φορά κίνησης του συρμού μέχρι να συναντήσει τον αριστερό τοίχο είναι μικρότερη (εφόσον φως και συρμός κινούνται ανάποδα) από την απόσταση που διανύει το φως προς τα δεξιά μέχρι να συναντήσει τον δεξιό τοίχο (καθώς ο συρμός έχει ήδη προλάβει να κινηθεί δεξιότερα). Ενώ όμως η αριστερά απόσταση είναι μικρότερη από την δεξιά απόσταση, η ταχύτητα του κινούμενου φωτός που έφυγε από τον φανό είναι ίδια (σύμφωνα με την αρχή της σταθερότητας της ταχύτητας του φωτός σε οποιοδήποτε σύστημα αναφοράς).

c = s/t άρα t = s/c (c η ταχύτητα του φωτός, s η απόσταση, t ο χρόνος)

Σε μικρότερες αποστάσεις αντιστοιχούν και μικρότεροι χρόνοι. Συνεπώς και ο χρόνος που κάνει το φως για να φτάσει τον αριστερό τοίχο είναι μικρότερος από τον χρόνο που κάνει για να φτάσει στον δεξιό τοίχο. Άρα ως προς τον ακίνητο παρατηρητή της πλατφόρμας τα δυο αυτά γεγονότα που ως προς τον κινούμενο παρατηρητή είναι ταυτόχρονα, παύουν γι’ αυτόν να είναι ταυτόχρονα.

Σχήμα 2. Η διάδοση του φωτός από το κέντρο του συρμού προς τους τοίχους, κατά τον κινούμενο παρατηρητή

Σχήμα 3. Η διάδοση του φωτός από το κέντρο του συρμού προς τους τοίχους, κατά τον ακίνητο παρατηρητή

Με την ίδια λογική, αν η έκρηξη του ηφαιστείου της Χαβάης συμβεί την ίδια χρονική στιγμή (ταυτόχρονα) με την έκρηξη του ηφαιστείου της Αίτνας ως προς ένα ακίνητο γήινο παρατηρητή, δεν είναι ταυτόχρονα για ένα παρατηρητή που κάνει ένα αεροπορικό ταξίδι και κινείται ως προς τη γη.

Τέλος, μια άλλη τρομακτική συνέπεια της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός είναι η αδυναμία μας να παρατηρήσουμε το παρόν. Τι συμβαίνει όταν βλέπουμε ένα αντικείμενο; Φως ανακλάται ή εκπέμπεται από το αντικείμενο, διανύει την απόσταση ανάμεσα στο αντικείμενο και το μάτι μας και τέλος φτάνει στο μάτι μας και το διεγείρει. Επειδή όμως πάντα μεσολαβεί ένα κάποιο χρονικό διάστημα (μεγαλύτερο ή μικρότερο) για να φτάσει το φως από το αντικείμενο στο μάτι μας είμαστε καταδικασμένοι να βλέπουμε μόνο το παρελθόν. Όταν βλέπουμε το Άλφα του Κενταύρου, το κοντινότερο αστέρι μας, αυτό που παρατηρούμε στην πραγματικότητα είναι η μορφή του 4 χρόνια πριν. Αν το αστέρι αυτό για οποιοδήποτε λόγο καταστραφεί είναι αδύνατο να το πληροφορηθούμε χωρίς την καθυστέρηση των 4 ετών. Όλη η εικόνα του σύμπαντος που διαθέτουμε κάθε στιγμή δεν αφορά το παρόν, όπως νομίζουμε, αλλά διάφορες λουρίδες του σύμπαντος από διάφορες χρονικές περιόδους, και μάλιστα τόσο αρχαιότερες, όσο μακρύτερα κοιτάζουμε μέσα στο σύμπαν.

Ακόμη και το πρόσωπο μας που αντικρίζουμε στον καθρέφτη είναι αυτό που ήμασταν εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου πιο πριν...