Sanotaan, että lopullisuus tuli Albert Einsteinille hetkessä. Tiedemiehen väitettiin ajavan raitiovaunulla Bernissä (Sveitsi), katsonut kadun kelloa ja ymmärtänyt yhtäkkiä, että jos raitiovaunu kiihtyisi nyt valon nopeuteen, hänen kellonsa mukaan tämä kello pysähtyisi - eikä aikaa olisi ollut. Tämä sai hänet muotoilemaan yhden suhteellisuustehtävän keskeisistä postulaateista - että eri tarkkailijat näkevät todellisuuden eri tavalla, mukaan lukien sellaiset perustavanlaatuiset määrät kuin etäisyys ja aika.
Tieteellisesti ottaen sinä päivänä Einstein tajusi, että minkä tahansa fyysisen tapahtuman tai ilmiön kuvaus riippuu viitekehyksestä, jossa tarkkailija sijaitsee (ks. Coriolis-ilmiö). Jos esimerkiksi raitiovaunussa oleva matkustaja pudottaa lasit, silloin hän putoaa pystysuoraan alaspäin, ja kadulla seisovalle jalankulkijalle lasit putoavat parabolaan, kun raitiovaunu liikkuu lasien laskiessa. Jokaisella on oma viitekehyksensä.
Mutta vaikka tapahtumien kuvaukset muuttuvat siirtyessään yhdestä viitekehyksestä toiseen, on myös yleismaailmallisia asioita, jotka pysyvät ennallaan. Jos lasien putoamisen kuvaamisen sijasta kysymme luonnonlakista, joka aiheuttaa niiden laskun, niin vastaus siihen on sama tarkkailijalle kiinteässä koordinaattijärjestelmässä ja tarkkailijalle liikkuvassa koordinaattijärjestelmässä. Jaetun liikenteen laki pätee yhtä lailla kadulle ja raitiovaunulle. Toisin sanoen, vaikka tapahtumien kuvaus riippuu tarkkailijasta, luonnonlait eivät ole riippuvaisia hänestä, toisin sanoen, kuten sanotaan tieteellisellä kielellä, ne ovat muuttumattomia. Tämä on suhteellisuusteoria.
Kuten kaikki hypoteesit, suhteellisuusteoria tuli testata korreloimalla se todellisiin luonnonilmiöihin. Suhteellisuusperiaatteesta Einstein johdetti kaksi erillistä (tosin liittyvää) teoriaa. Erityinen tai erityinen suhteellisuusteoria perustuu siihen oletukseen, että luonnonlait ovat samat kaikilla vakionopeudella liikkuvilla viitekehyksillä. Yleinen suhteellisuusteoria laajentaa tätä periaatetta mihin tahansa viitekehykseen, mukaan lukien ne, jotka liikkuvat kiihtyvyydellä. Erityinen suhteellisuusteoria julkaistiin vuonna 1905, ja matemaattisen laitteen kannalta monimutkaisempi, yleisen suhteellisuusteorian valmisti Einstein vuoteen 1916 mennessä.
Erityinen suhteellisuusteoria
Suurin osa paradoksaalisista ja ristiriitaisista intuitiivisista ideoista vaikutusten maailmasta, jotka syntyvät liikkuessa nopeudella, joka on lähellä valon nopeutta, ennustetaan suhteellisuusteorialla. Tunnetuin niistä on kellon hidastumisen vaikutus tai ajan hidastumisen vaikutus. Tarkkailijaan nähden liikkuva kello juoksee häntä hitaammin kuin aivan sama kello hänen käsissään.
Aika koordinaattijärjestelmässä, joka liikkuu nopeudella, joka on lähellä valon nopeutta, venytetään suhteessa tarkkailijaan, kun taas kohteiden paikallinen laajuus (pituus) liikesuunnan akselilla päinvastoin on puristettu. Irlantilainen fyysikko George Fitzgerald (1851-1901) kuvasi tämän vaikutuksen, joka tunnetaan nimellä Lorentz-Fitzgerald-supistuminen, ja valmisti sen vuonna 1892 hollantilainen Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgerald-lyhenne selittää, miksi Michelson-Morley-kokeilu maapallon liikkeen nopeuden määrittämiseksi avaruudessa mittaamalla "eetterituuli" antoi negatiivisen tuloksen. Myöhemmin Einstein sisällytti nämä yhtälöt erityissuhteellisuuteen ja täydensi niitä samanlaisella massan muunnoskaavalla,jonka mukaan kehon massa kasvaa myös kehon nopeuden lähestyessä valon nopeutta. Joten nopeudella 260 000 km / s (87% valon nopeudesta) esineen massa kaksinkertaistuu tarkkailijan kannalta lepäävässä viitekehyksessä.
Mainosvideo:
Einsteinin ajoista lähtien kaikki nämä ennusteet löytävät täydellisen ja suoran kokeellisen vahvistuksen, riippumatta siitä, kuinka tervettä järkeä ne vaikuttavat. Yhdessä paljastavimmista kokeista Michiganin yliopiston tutkijat asettivat erittäin tarkan atomikello lentokoneeseen, joka suoritti säännöllisiä transatlanttisia lentoja, ja jokaisen lennon jälkeen kotilentoasemalle he tarkistivat lukemansa ohjauskellon avulla. Kävi ilmi, että lentokoneessa oleva kello oli vähitellen jäljellä yhä enemmän ohjauslaitteista (niin sanottuna sekunnin murto-osissa). Viimeisen puolen vuosisadan ajan tutkijat ovat tutkineet alkuainehiukkasia suurissa laitteistokomplekseissa, joita kutsutaan kiihdyttimiksi. Niissä ladattujen subatomisten hiukkasten (kuten protonien ja elektronien) säteet kiihdytetään nopeuteen, joka on lähellä valon nopeutta,sitten heidät ammutaan useisiin ydinkohteisiin. Tällaisissa kiihdyttimissä tehtävissä kokeissa on tarpeen ottaa huomioon kiihdytettyjen hiukkasten massan kasvu - muuten kokeen tulokset eivät yksinkertaisesti sovellu kohtuulliseen tulkintaan. Ja tässä suhteessa erityinen suhteellisuusteoria on jo kauan siirtynyt hypoteettisten teorioiden luokasta sovellustekniikan työkalujen alalle, missä sitä käytetään Newtonin mekaniikkalakien kanssa.
Palaamalla Newtonin lakiin haluaisin erityisesti huomata, että erityinen suhteellisuusteoria, vaikka se onkin ulkoisesti ristiriidassa klassisen Newtonin mekaniikan lakien kanssa, toistaa käytännössä tarkalleen kaikki Newtonin lakien tavanomaiset yhtälöt, jos niitä käytetään kuvaamaan kehoja, jotka liikkuvat nopeudella merkittävästi vähemmän kuin valon nopeus. Eli suhteellisuusteorian erityisteoria ei poista Newtonin fysiikkaa, vaan laajentaa ja täydentää sitä (tätä ajatusta käsitellään tarkemmin johdannossa).
Relatiivisyyden periaate auttaa myös ymmärtämään, miksi valon nopeudella, ei millään muulla, on niin tärkeä rooli tässä maailman rakennemallissa - tämän kysymyksen esittävät monet niistä, jotka ensin kohtasivat suhteellisuusteorian. Valon nopeus erottuu ja sillä on erityinen rooli universaalivakiona, koska sen määrää luonnontieteellinen laki (katso Maxwellin yhtälöt). Suhteellisuusperiaatteen nojalla valon nopeus tyhjiössä, c, on sama missä tahansa viitekehyksessä. Tämä näennäisesti on ristiriidassa terveen järjen kanssa, koska liikkuvasta lähteestä (riippumatta siitä kuinka nopeasti se liikkuu) ja paikallaan olevasta lähteestä tuleva valo osoittaa tarkkailijalle samanaikaisesti. Tämä on kuitenkin niin.
Erityisen roolinsa vuoksi luonnonlaissa valon nopeus on keskeinen tekijä suhteellisuusteoriassa.
Yleinen suhteellisuusteoria
Yleistä suhteellisuusteoriaa on jo sovellettu kaikkiin viitekehyksiin (eikä vain niihin, jotka liikkuvat vakiona nopeudella toisiinsa nähden), ja se näyttää matemaattisesti paljon monimutkaisemmalta kuin erityinen (joka selittää niiden julkaisun välisen yhdentoista vuoden aukon). Se sisältää erityistapauksena suhteellisuusteorian (ja sen vuoksi Newtonin lait). Lisäksi yleinen suhteellisuusteoria menee paljon enemmän kuin kaikki edeltäjänsä. Erityisesti se tarjoaa uuden tulkinnan painovoimasta.
Yleinen suhteellisuusteoria tekee maailmasta nelidimensioisen: aikaa lisätään kolmeen tilaulottuvuuteen. Kaikki neljä ulottuvuutta ovat erottamattomat, joten emme puhu enää kahden esineen välisestä avaruusetäisyydestä, kuten on kolmiulotteisessa maailmassa, vaan avaruusväleistä tapahtumien välillä, jotka yhdistävät etäisyyden toisistaan - sekä ajassa että tilassa … Toisin sanoen tilaa ja aikaa pidetään nelidimensioisena avaruus-aika-jatkumona tai yksinkertaisesti tilaa-aika. Tässä jatkuvuudessa toisiinsa nähden liikkuvat tarkkailijat saattavat jopa olla eri mieltä siitä, tapahtuivatko kaksi tapahtumaa samanaikaisesti - vai eikö toinen toistaan. Onneksi huonoille mielisillemme asia ei tule rikkomaan syy-seuraussuhdetta - ts. Koordinaattijärjestelmien olemassaoloa,jossa kahta tapahtumaa ei tapahdu samanaikaisesti ja eri järjestyksessä, edes yleinen suhteellisuusteoria ei salli.
Newtonin painolaki kertoo meille, että maailmankaikkeuden kahden kehon välillä on molemminpuolinen vetovoima. Tältä kannalta maapallo pyörii Auringon ympäri, koska keskinäiset vetovoimat toimivat niiden välillä. Yleinen suhteellisuusteoria kuitenkin pakottaa meidät tarkastelemaan tätä ilmiötä toisin. Tämän teorian mukaan painovoima on seurausta avaruus-ajan joustavan kudoksen muodonmuutoksista ("kaarevuudesta") massan vaikutuksesta (tässä tapauksessa mitä raskaampi on kehon, esimerkiksi aurinko, sitä enemmän tila-aika "taipuu" sen alle ja vastaavasti sitä voimakkaampi on sen painovoima ala). Kuvittele tiukasti venytetty kangas (eräänlainen trampoliini), jossa on massiivinen pallo. Raina deformoituu pallon painon alla, ja sen ympärille muodostuu suppilon muotoinen syvennys. Yleisen suhteellisuusteorian mukaanMaapallo pyörii auringon ympäri kuin pieni pallo, joka on asetettu kiertämään suppilon kartion ympärille, joka on muodostettu seurauksena siitä, että avaruusaika "pakottaa" raskaan pallon - auringon - avulla. Ja mikä meille näyttää itse asiassa olevan painovoiman voima, on itse asiassa puhtaasti ulkoinen ilmiö avaruus-ajan kaarevuudesta eikä missään nimessä voimaa newtonilaisessa ymmärryksessä. Tähän päivään mennessä ei ole löydetty parempaa selitystä painovoiman luonteesta kuin yleinen suhteellisuusteoria. Tähän päivään mennessä ei ole löydetty parempaa selitystä painovoiman luonteesta kuin yleinen suhteellisuusteoria. Tähän päivään mennessä ei ole löydetty parempaa selitystä painovoiman luonteesta kuin yleinen suhteellisuusteoria.
Yleistä suhteellisuusteoriaa on vaikea testata, koska tavanomaisissa laboratorio-olosuhteissa sen tulokset vastaavat melkein täysin sitä, mitä Newtonin yleinen painovoimalaki ennustaa. Siitä huolimatta on suoritettu useita tärkeitä kokeita, ja niiden tulosten perusteella teorian voidaan katsoa vahvistuneen. Lisäksi yleinen suhteellisuusteoria auttaa selittämään ilmiöitä, joita havaitsemme avaruudessa - esimerkiksi vähäisiä elohopean poikkeamia paikallaan olevalta kiertoradalta, joita ei voida selittää klassisen newtonilaisen mekaniikan kannalta, tai etäisten tähteiden sähkömagneettisen säteilyn kaarevuutta, kun se kulkee lähellä aurinkoa.
Itse asiassa yleisen relatiivisuuden suhteen ennustetut tulokset eroavat huomattavasti Newtonin lakien ennustamista tuloksista vain ylimääräisten painovoimakenttien läsnä ollessa. Tämä tarkoittaa, että yleisen suhteellisuusteorian täysimääräiseksi testaamiseksi tarvitaan joko erittäin massiivisten esineiden tai mustien reikien erittäin tarkkoja mittauksia, joihin mitään tavanomaista intuitiivista ajatustamme ei voida soveltaa. Joten uusien kokeellisten menetelmien kehittäminen suhteellisuusteorian testaamiseksi on edelleen yksi kokeellisen fysiikan tärkeimmistä tehtävistä.