Einsteinnek igaza volt, az idő nem egyformán telik mindenkinél
1905-ben Einstein relativitáselmélete új távlatokat nyitott a világegyetem magyarázatára. Korábban a tudósok egy jelenséget csak négy koordináta használatával tudtak leírni. Ezekben az esetekben a térbeli távolság kérdése dominált. Einstein azonban felismerte, hogy a különböző emberek különböző nézőpontból értelmezik ugyanazt a jelenséget.
1905-ben az Univerzumról alkotott elképzelésünk örökre megváltozott, amikor Einstein előterjesztette speciális relativitáselméletét. Einstein előtt a tudósok az Univerzum minden “pontját” mindössze négy koordináta segítségével tudták leírni: három térbeli pozíciót mindhárom dimenzióhoz, valamint egy időpontot, amely jelzi, hogy melyik pillanatban történt egy adott esemény. Mindez akkor változott meg, amikor Einstein felismerte, hogy az Univerzumban minden egyes megfigyelőnek – mozgásától és helyétől függően – egyedi perspektívája van arra vonatkozóan, hogy hol és mikor történt az Univerzumban egy adott esemény.
Amikor az egyik megfigyelő egy másikhoz képest mozog az Univerzumban, a mozgásban lévő megfigyelő időtágulást tapasztal: az ő órái lassabban járnak a nyugalomban lévő megfigyelőhöz képest. Erre alapozva Einstein azt javasolta, hogy két órát használjunk ennek a tesztelésére. Egyet az Egyenlítőnél, egyet pedig a Föld pólusainál, amely nem mozog, mivel a Föld a tengelye körül forog.
Einstein tesztje először meghiúsult, hiszen mindkét óra pontosan ugyanolyan sebességgel járt egymáshoz képest. 1971-ben azonban sikerült elméletét igazolni. Amikor Einstein először terjesztette elő a speciális relativitáselméletét, hiányzott egy elem: a gravitáció. Fogalma sem volt arról, hogy egy nagy gravitációs tömeg közelsége az idő múlását is megváltoztathatja. A bolygó forgása és a Földet alkotó minden egyes részecske gravitációs ereje miatt bolygónk az Egyenlítőnél kidudorodik, a pólusoknál pedig összenyomódik. Ennek eredményeképpen a Föld gravitációs vonzása a sarkoknál kissé – körülbelül 0,4%-kal – erősebb, mint az Egyenlítőnél. Ha az Északi-vagy a Déli-sarkon vagyunk, akkor az óránk lassabban ketyeg.
Einstein eredeti célja azt volt, hogy a Föld felszínén vagy annak közelében lévő, futó órákkal tesztelje a speciális relativitáselmélet érvényességét. Az 1950-es években két olyan fejlemény történt, amelyek végül a tesztelhetőség határain belülre hozták az elképzelést. Az első fejlesztés, amely lehetővé tette az ilyen tesztelést az atomóra volt, a másik pedig a repülő.
Joseph Hafele fizikus rájött, hogy ha fogunk egy atomórát és felvisszük egy olyan utasszállító repülőgép fedélzetére, amely egyetlen repülés alatt képes teljesen körberepülni a Földet, akkor mind a speciális, mind az általános relativitáselméletnek az időtágulásra gyakorolt hatását ki lehetne deríteni.
Először egy atomórát a földön hagytak, mely néhány tíz nanoszekundumos pontossággal, hetekig tartó időskálán mutatta az időt. Másodszor, két órát vittek egy világkörüli repülőútra, ahol a Föld keleti irányában repültek, ugyanabban az irányban, mint amelyikben a Föld forog. Mivel a repülőgép mozgása és a Föld forgása azonos irányú volt, a sebességek összeadódtak, és így a további, gyorsabb mozgásának azt kellett jelentenie, hogy kevesebb idő telik el, az időtágulás pedig időveszteséget jósol.
Ezeket az órákat aztán egy nyugati irányban mozgó világkörüli útra vitték a Föld forgásával ellentétes irányba. Ezek a repülőgépek lassabban repültek, mint a Föld forgása, így a földön lévő óra valójában gyorsabban mozgott, mint a nyugat felé haladó repülőgép.
A kísérlet befejezésekor az eredményeket feltárták és összehasonlították a várakozásokkal. Az egész idő alatt a földön álló órát “nyugalomban levőnek” tekintették, és minden más eseményt ehhez vonatkoztatva mértek.
A kelet felé haladó repülőgép esetében azt jósolták, hogy a gravitációs időtágulás miatt 144 nanoszekundumot nyer az óra, de a mozgásból eredő időtágulás miatt 184 nanoszekundumot veszít. Mindent egybevetve ez 40 nanoszekundumos veszteséget jelent.
A nyugat felé haladó repülőgép esetében, amely összességében nagyobb magasságban repült, a gravitációs időtágulás miatt 179 nanoszekundumot nyerne. A kisebb térbeli mozgás azonban további 96 nanoszekundumos időnyereséget jelzett előre, így a teljes előre jelzett időnyereség 275 nanoszekundum volt.
Bár ez a kezdeti kísérlet csak körülbelül 10%-os pontossággal igazolta a speciális és az általános relativitáselmélet előrejelzéseit, ez volt az első alkalom, hogy az időtágulást nagy, makroszkopikus objektumok esetében olyan pontos eszközzel vizsgálták, mint egy atomóra. A kísérlet megmutatta, hogy Einstein előrejelzései mind a relativitáselmélet mozgáskomponensére, mind a relativitáselmélet gravitációs komponensére vonatkozóan szükségesek és helyes leírást adnak arról, hogyan kellene az időnek múlnia.
Ma már az időtágulás mozgáskomponensét olyan alacsony sebességek esetén is meg tudjuk erősíteni, mint egy kerékpárosé, és a Föld felszínén a gravitációs mező magasságkülönbségei között akár 0,33 méter is lehetnek. Einstein felfogása az Univerzumról olyan drámaian különbözött mindentől, ami előtte volt, hogy a speciális és az általános relativitáselmélet elképzeléseivel szemben óriási ellenállásba ütközött, és évtizedeken át érte kritika. De végül is a kísérletek és a megfigyelések eredményei az ő szavait igazolták.
