Det sies at epifanien kom til Albert Einstein på et øyeblikk. Forskeren skulle angivelig ri på en trikk i Bern (Sveits), så på gateklokken og innså plutselig at hvis trikken nå akselererte til lysets hastighet, så i hans oppfatning, ville denne klokken stoppe - og det ville ikke være noen tid rundt. Dette førte til at han formulerte et av de sentrale relativitetene - at forskjellige observatører oppfatter virkeligheten annerledes, inkludert slike grunnleggende mengder som avstand og tid.
Vitenskapelig sett innså Einstein den dagen at beskrivelsen av enhver fysisk hendelse eller fenomen avhenger av referanserammen som observatøren befinner seg i (se Coriolis-effekten). Hvis en passasjer på en trikk for eksempel slipper briller, vil de for henne falle loddrett nedover, og for en fotgjenger som står på gaten, vil briller falle i en parabola, når trikken beveger seg mens glassene faller. Hver har sin egen referanseramme.
Men selv om beskrivelsene av hendelser endres under overgangen fra en referanseramme til en annen, er det også universelle ting som forblir uendret. Hvis vi i stedet for å beskrive glassfallet stiller et spørsmål om naturloven som får dem til å falle, vil svaret på det være det samme for en observatør i et fast koordinatsystem, og for en observatør i et bevegelig koordinatsystem. Loven for distribuert trafikk er like gyldig på gaten og i trikken. Med andre ord, mens beskrivelsen av hendelser avhenger av observatøren, avhenger ikke naturlovene av ham, det vil si, som de sier på vitenskapelig språk, de er ufravikelige. Dette er relativitetsprinsippet.
Som enhver hypotese, måtte relativitetsprinsippet testes ved å korrelere det med virkelige naturfenomener. Fra relativitetsprinsippet avledet Einstein to separate (riktignok beslektede) teorier. Den spesielle, eller spesielle, relativitetsteorien går ut fra antagelsen om at naturlovene er de samme for alle referanserammer som beveger seg med konstant hastighet. Generell relativitet utvider dette prinsippet til alle referanserammer, inkludert de som beveger seg med akselerasjon. Den spesielle relativitetsteorien ble publisert i 1905, og jo mer komplisert fra synspunktet om det matematiske apparatet, ble den generelle relativitetsteorien fullført av Einstein i 1916.
Spesiell relativitetsteori
De fleste av de paradoksale og motstridende intuitive ideene om effektene av verden som oppstår når du beveger deg med en hastighet nær lysets hastighet, blir spådd av den spesielle relativitetsteorien. Den mest kjente av dem er effekten av å bremse klokken, eller effekten av å bremse tiden. En klokke som beveger seg i forhold til observatøren løper saktere for ham enn nøyaktig den samme klokken i hendene.
Tid i et koordinatsystem som beveger seg med hastigheter nær lysets hastighet blir strukket i forhold til observatøren, mens den romlige utstrekningen (lengden) av objekter langs aksen i bevegelsesretningen, tvert imot, er komprimert. Denne effekten, kjent som Lorentz-Fitzgerald-sammentrekningen, ble beskrevet i 1889 av den irske fysikeren George Fitzgerald (1851-1901) og fullført i 1892 av nederlenderen Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgerald-forkortelsen forklarer hvorfor Michelson-Morley-eksperimentet for å bestemme jordens hastighet i det ytre rom ved å måle "etervinden" ga et negativt resultat. Senere inkluderte Einstein disse ligningene i spesiell relativitet og supplerte dem med en lignende transformasjonsformel for masse,hvorved massen på kroppen også øker når hastigheten på kroppen nærmer seg lysets hastighet. Så med en hastighet på 260 000 km / s (87% av lysets hastighet), vil massen til en gjenstand fra synspunktet til en observatør i den hvilende referanserammen fordobles.
Salgsfremmende video:
Siden Einsteins tid, finner alle disse spådommene, uansett hvor i strid med sunn fornuft de kan virke, fullstendig og direkte eksperimentell bekreftelse. I et av de mest avslørende eksperimentene satte forskere ved University of Michigan en ultra-presis atomklokke ombord på et flyselskap som foretok regelmessige transatlantiske flyreiser, og etter hver flytur tilbake til hjem flyplassen, sjekket de avlesningene sine mot kontrollklokken. Det viste seg at klokken på flyet gradvis henger etter kontrollene mer og mer (så å si når det gjelder brøkdeler av et sekund). I løpet av det siste halve århundret har forskere forsket på elementære partikler i enorme maskinvarekomplekser som kalles akseleratorer. I dem akselereres bjelker av ladede subatomiske partikler (for eksempel protoner og elektroner) til hastigheter nær lysets hastighet,så blir de avfyrt mot forskjellige atommål. I slike eksperimenter med akseleratorer er det nødvendig å ta hensyn til økningen i massen til de akselererte partiklene - ellers vil resultatene av eksperimentet rett og slett ikke gi seg til en rimelig tolkning. Og i denne forstand har den spesielle relativitetsteorien lenge gått fra kategorien hypotetiske teorier til feltet verktøy for anvendt prosjektering, der den brukes på nivå med Newtons mekanikklover.
Når jeg kommer tilbake til Newtons lover, vil jeg spesielt merke at den spesielle relativitetsteorien, selv om den utover er i strid med lovene i klassisk Newtonsk mekanikk, faktisk, gjengir praktisk talt nøyaktig alle de vanlige likningene av Newtons lover, hvis de brukes for å beskrive organer som beveger seg med en hastighet betydelig mindre enn lysets hastighet. Det vil si at den spesielle relativitetsteorien ikke kansellerer Newtonsk fysikk, men utvider og kompletterer den (denne ideen blir diskutert mer detaljert i introduksjonen).
Relativitetsprinsippet hjelper også til å forstå hvorfor lysets hastighet, og ikke noen annen, spiller en så viktig rolle i denne modellen for verdensstruktur - dette spørsmålet blir stilt av mange av de som først møtte relativitetsteorien. Lysets hastighet skiller seg ut og spiller en spesiell rolle som en universell konstant, fordi den bestemmes av en naturvitenskapelig lov (se Maxwells ligninger). I kraft av relativitetsprinsippet er lysets hastighet i et vakuum, c, den samme i enhver referanseramme. Dette tilsynelatende motsier sunn fornuft, siden det viser seg at lys fra en bevegelig kilde (uansett hvor raskt den beveger seg) og fra en stasjonær kilde når observatøren samtidig. Dette er imidlertid slik.
På grunn av sin spesielle rolle i naturlovene, er lysets hastighet sentralt i den generelle relativiteten.
Generell relativitetsteori
Den generelle relativitetsteorien er allerede brukt på alle referanserammer (og ikke bare for dem som beveger seg med konstant hastighet i forhold til hverandre) og ser matematisk mye mer komplisert ut enn den spesielle (som forklarer det elleve år lange gapet mellom publiseringen deres). Den inkluderer, som et spesielt tilfelle, den spesielle relativitetsteorien (og derfor Newtons lover). Dessuten går den generelle relativitetsteorien mye lenger enn alle forgjengerne. Spesielt gir det en ny tolkning av tyngdekraften.
Generell relativitet gjør verden firedimensjonal: tid legges til de tre romlige dimensjonene. Alle de fire dimensjonene er uatskillelige, så vi snakker ikke lenger om den romlige avstanden mellom to objekter, som tilfellet er i den tredimensjonale verden, men om rom-tidsintervallene mellom hendelser som forener deres avstand fra hverandre - både i tid og rom … Det vil si at rom og tid betraktes som et firedimensjonalt rom-tid kontinuum eller, ganske enkelt, rom-tid. I dette kontinuumet kan observatører som beveger seg i forhold til hverandre, til og med være uenige om to hendelser skjedde samtidig - eller den ene gikk foran den andre. Heldigvis for våre dårlige sinn, kommer ikke saken til brudd på årsak-og-virkning-forhold - det vil si eksistensen av koordinatsystemer,der to hendelser ikke oppstår samtidig og i en annen sekvens, tillater selv ikke den generelle relativitetsteorien.
Newtons tyngdelov forteller oss at det er en styrke av gjensidig tiltrekning mellom to legemer i universet. Fra dette synspunktet kretser jorden rundt sola, siden kreftene av gjensidig tiltrekning virker mellom dem. Generell relativitet tvinger oss imidlertid til å se på dette fenomenet på en annen måte. I henhold til denne teorien er tyngdekraften en konsekvens av deformasjonen ("krumning") av romtidselastiske vev under påvirkning av masse (i dette tilfellet, jo tyngre et legeme, for eksempel sola, jo mer rom-tid "bøyer" seg under den, og følgelig, jo sterkere dens tyngdekraft felt). Se for deg et lerret strukket tett (en slags trampoline) med en massiv ball på. Banen deformeres under vekten av ballen, og det dannes en traktformet depresjon rundt den. I henhold til generell relativitet,Jorden kretser rundt solen som en liten ball satt til å rulle rundt kjeglen til en trakt som er dannet som et resultat av å "tvinge" rom-tid av en tung ball - solen. Og det som ser ut til å være tyngdekraften, er faktisk en rent ytre manifestasjon av romtidens krumning, og slett ikke en styrke i Newtonsk forståelse. Til dags dato er det ikke funnet noen bedre forklaring på tyngdekraften enn den generelle relativitetsteorien. Til dags dato er det ikke funnet noen bedre forklaring på tyngdekraften enn den generelle relativitetsteorien. Til dags dato er det ikke funnet noen bedre forklaring på tyngdekraften enn den generelle relativitetsteorien.
Det er vanskelig å teste den generelle relativitetsteorien, siden resultatene i vanlige laboratorieforhold nesten fullstendig sammenfaller med hva Newtons universelle gravitasjonslov forutsier. Likevel har flere viktige eksperimenter blitt utført, og resultatene deres gjør at teorien kan anses som bekreftet. I tillegg hjelper generell relativitet til å forklare fenomenene vi observerer i rommet - for eksempel mindre avvik fra Merkur fra en stasjonær bane, som er uforklarlige fra synspunktet om klassisk Newtonsk mekanikk, eller krumningen av elektromagnetisk stråling fra fjerne stjerner når den passerer nær solen.
Faktisk avviker resultatene som er forutsagt av generell relativitet, markant fra resultatene som er forutsagt av Newtons lover bare i nærvær av overvektige tyngdefelt. Dette betyr at for en fullverdig test av den generelle relativitetsteorien, er det nødvendig med ultra-presise målinger av veldig massive gjenstander eller sorte hull, som ingen av de vanlige intuitive ideene våre har anvendelse på. Så utvikling av nye eksperimentelle metoder for å teste relativitetsteorien er fortsatt en av de viktigste oppgavene til eksperimentell fysikk.
