Erityinen suhteellisuusteoria, joka viimeisen vuosisadan alussa kumosi yleisesti hyväksytyt ideat maailmasta, herättää edelleen ihmisten mieliä ja sydäntä. Yritämme tänään selvittää yhdessä, mikä se on.
Vuonna 1905 Albert Einstein julkaisi erityisen suhteellisuusteorian (SRT), joka selitti kuinka tulkita liikettä eri inertiaalisten viitekehysten välillä - yksinkertaisesti sanottuna, esineitä, jotka liikkuvat vakionopeudella toisiinsa nähden.
Einstein selitti, että kun kaksi objektia liikkuu vakionopeudella, tulisi harkita niiden liikettä toisiinsa nähden sen sijaan, että hyväksytään yksi niistä absoluuttisena viitekehyksenä.
Joten jos kaksi astronauttia, sinä ja esimerkiksi Herman, lentävät kahdella avaruusaluksella ja haluat vertailla havaintoitasi, sinun on tiedettävä vain nopeutesi suhteessa toisiinsa.
Erityissuhteellisuustehtävissä otetaan huomioon vain yksi erikoistapaus (tästä seuraa nimi), kun liike on suoraviivainen ja tasainen. Jos materiaalirunko kiihtyy tai kääntyy sivuun, SRT-lait eivät enää toimi. Sitten tulee voimaan yleinen suhteellisuusteoria (GTR), joka selittää aineellisten kappaleiden liikkeet yleensä.
Einsteinin teoria perustuu kahteen perusperiaatteeseen:
1. Suhteellisuusperiaate: fysikaaliset lait säilytetään jopa kehoille, jotka ovat inertiaalisia viitekehyksiä, toisin sanoen liikkuvat vakiona nopeudella toisiinsa nähden.
2. Valon nopeuden periaate: Valon nopeus pysyy muuttumattomana kaikille tarkkailijoille riippumatta heidän nopeudesta suhteessa valonlähteeseen. (Fyysikot kuvaavat valon nopeutta kirjaimella c).
Mainosvideo:
Yksi syy Albert Einsteinin menestykseen on, että hän asetti kokeelliset tiedot teoreettisten yläpuolelle. Kun joukko kokeita paljasti tulokset, jotka olivat ristiriidassa yleisesti hyväksytyn teorian kanssa, monet fyysikot päättivät, että nämä kokeet olivat vääriä.
Albert Einstein oli yksi ensimmäisistä, joka päätti rakentaa uuden teorian, joka perustuu uuteen kokeelliseen tietoon.
Yhdeksännentoista vuosisadan lopulla fyysikot etsivät salaperäistä eetteriä - väliainetta, jossa yleisesti hyväksyttyjen oletusten mukaan valon aaltojen tulisi leviää, kuten akustisten aaltojen, joiden leviämiseen tarvitaan ilmaa, tai muun väliaineen - kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen. Usko eetterin olemassaoloon on johtanut siihen, että valon nopeuden on muututtava tarkkailijan nopeudesta eetteriin nähden.
Albert Einstein luopui eetterin käsitteestä ja ehdotti, että kaikki fyysiset lait, mukaan lukien valon nopeus, pysyvät muuttumattomina tarkkailijan nopeudesta riippumatta - kuten kokeet ovat osoittaneet.
Avaruuden ja ajan homogeenisuus
Einsteinin SRT postulelee perustavanlaatuista suhdetta tilan ja ajan välillä. Aineellisella maailmankaikkeudella, kuten tiedätte, on kolme alueellista ulottuvuutta: ylöspäin alas, oikealle vasemmalle ja eteenpäin taaksepäin. Siihen lisätään vielä yksi ulottuvuus - väliaikainen. Yhdessä nämä neljä ulottuvuutta muodostavat avaruus-ajan jatkuvuuden.
Jos liikut suurella nopeudella, havainnot suhteessa tilaan ja aikaan eroavat muiden ihmisten havainnoista, jotka liikkuvat hitaammalla nopeudella.
Alla olevassa kuvassa on ajatuskokeilu, jonka avulla voit ymmärtää tätä ideaa. Kuvittele, että olet avaruusaluksella ja pidät laseria kädessäsi, jonka avulla lähetät valonsäteet kattoon, johon peili on kiinnitetty. Heijastunut valo putoaa ilmaisimeen, joka rekisteröi ne.
Yllä - lähetit valonsäteen kattoon, se heijastui ja putosi pystysuoraan ilmaisimeen. Alla - Hermanin osalta valonsädesi siirtyy diagonaalisesti kattoa kohti ja sitten diagonaalisesti tunnistinta kohti.
Yllä - lähetit valonsäteen kattoon, se heijastui ja putosi pystysuoraan ilmaisimeen. Alla - Hermanin osalta valonsädesi siirtyy diagonaalisesti kattoa kohti ja sitten diagonaalisesti tunnistinta kohti.
Oletetaan, että alussi liikkuu vakionopeudella, joka on yhtä suuri kuin puolet valon nopeudesta (0.5c). Einsteinin SRT: n mukaan sillä ei ole väliä sinulle, et edes huomaa liikettäsi.
Herman, joka tarkkailee sinua lepoaallosta, näkee kuitenkin aivan toisen kuvan. Hänen mielestään valonsäde kulkee diagonaalisesti katon peiliin, heijastuu siitä ja putoaa diagonaalisesti ilmaisimeen.
Toisin sanoen valonsäteen kulku näyttää erilaiselta sinulle ja Hermanille ja sen pituus on erilainen. Siksi ajanjakso, joka kuluu lasersäteen kuljettamiseen etäisyyteen peilistä ja ilmaisimeen, näyttää sinulle erilaiselta.
Tätä ilmiötä kutsutaan ajan dilaatioksi: Maalla olevan tarkkailijan kannalta suurella nopeudella liikkuvalla tähtilaivalla aika virtaa paljon hitaammin.
Tämä esimerkki, kuten monet muutkin, osoittaa selkeästi ruumiin ja ajan välisen erottamattoman yhteyden. Tämä yhteys ilmenee tarkkailijalle selvästi vain suurilla nopeuksilla, lähellä valonopeutta.
Sen jälkeen kun Einstein julkaisi suuren teoriansa, kokeet ovat vahvistaneet, että tila ja aika havaitaan tosiasiassa eri tavalla objektien liikkumisen nopeudesta riippuen.
Yhdistämällä massa ja energia
Vuonna 1905 julkaistussa kuuluisassa artikkelissaan Einstein yhdisti massan ja energian yksinkertaisessa kaavassa, joka on jokaiselle opiskelijalle tiedossa siitä lähtien: E = mc².
Suuren fyysikon teorian mukaan, kun aineellisen kappaleen nopeus kasvaa lähestyessä valon nopeutta, myös sen massa kasvaa. Nuo. mitä nopeammin esine liikkuu, sitä raskaammaksi siitä tulee. Jos saavutetaan valon nopeus, kehon massasta ja sen energiasta tulee ääretön. Mitä raskaampi vartalo, sitä vaikeampaa on lisätä sen nopeutta; kehon kiihdyttämiseen, jonka massa on ääretön, tarvitaan ääretön määrä energiaa, joten aineellisten esineiden on mahdotonta saavuttaa valon nopeutta.
Ennen Einsteiniä fysiikan massan ja energian käsitteitä tarkasteltiin erikseen. Loistava tiedemies osoitti, että massan säilyttämislaki, kuten energian säilyttämislaki, ovat osa massaenergian yleistä lakia.
Näiden kahden käsitteen välisen periaateyhteyden ansiosta aine voidaan muuttaa energiaksi ja päinvastoin - energia aineeksi.