Azt mondják, hogy az epipánia egy pillanat alatt eljutott Albert Einsteinhez. A tudós állítólag villamossal utazott Bernben (Svájc), ránézett az utcai órára, és hirtelen rájött, hogy ha a villamos most a fénysebességre gyorsul, akkor véleménye szerint ez az óra megáll - és nem lenne ideje. Ez arra késztette őt, hogy megfogalmazza a relativitáselmélet egyik központi posztulátumát - hogy a különböző megfigyelők eltérően érzékelik a valóságot, ideértve az olyan alapvető mennyiségeket, mint a távolság és az idő.
Tudományos szempontból abban a napban Einstein rájött, hogy bármely fizikai esemény vagy jelenség leírása attól a referenciakerettől függ, amelyben a megfigyelő található (lásd Coriolis-effektus). Ha például a villamoson utazó utas szemüveget ejt, akkor neki függőlegesen leesik, és az utcán álló gyalogos számára a szemüveg parabolában esik, amikor a villamos mozog, miközben a szemüveg esik. Mindegyiknek megvan a saját referenciakerete.
De bár az események leírása megváltozik az egyik referenciakeretből a másikba való áttérés során, vannak olyan univerzális dolgok is, amelyek változatlanok maradnak. Ha a szemüveg esésének leírása helyett kérdést teszünk fel a természet törvényével kapcsolatban, amely miatt az üveg esik, akkor a válasz ugyanaz lesz egy rögzített koordinátarendszerbeli megfigyelő, és egy megfigyelő számára egy mozgó koordinátarendszerben. Az elosztott forgalom törvénye egyaránt érvényes az utcán és a villamoson. Más szavakkal, míg az események leírása a megfigyelőtől függ, a természet törvényei nem tőle függnek, vagyis amint azt a tudományos nyelven mondják, változatlanok. Ez a relativitáselmélet.
Mint minden hipotézis, a relativitáselvet is meg kellett vizsgálni, összekapcsolva azt a valódi természeti jelenségekkel. A relativitáselmélet alapján Einstein két különálló (bár rokon) elméletet tárt fel. A speciális, vagyis a relativitáselmélet abból a feltételezésből származik, hogy a természet törvényei megegyeznek minden állandó sebességgel mozgó referenciakerettel. Az általános relativitáselmélet ezt az elvet bármilyen referenciakeretre kiterjeszti, ideértve azokat is, amelyek gyorsulással mozognak. A relativitáselmélet speciális elméletét 1905-ben tették közzé, és a matematikai készülék szempontjából bonyolultabb, az általános relativitáselméletet 1916-ban fejezte be Einstein.
A relativitáselmélet speciális elmélete
A effektus világával kapcsolatos paradox és ellentmondásos intuitív elképzelések nagy részét, amelyek a fénysebességhez közeli sebességgel történő mozgáskor merülnek fel, a speciális relativitáselmélet jósolja. Közülük a leghíresebb az óra lelassulása, vagy az idő lelassulása. A megfigyelőhöz viszonyítva mozgó óra lassabban fut vele, mint pontosan ugyanaz az óra a kezében.
A fénysebességhez közeli sebességgel mozgó koordinátarendszerben az idő meghosszabbodik a megfigyelőhöz viszonyítva, míg a tárgyak térbeli kiterjedése (hossza) a mozgásirány tengelye mentén éppen ellenkezőleg összenyomódik. Ezt a Lorentz-Fitzgerald összehúzódásnak nevezett hatást 1889-ben írta George Fitzgerald ír fizikus (1851-1901), és 1892-ben fejezte be Hendrick Lorentz holland (1853-1928). A Lorentz-Fitzgerald rövidítés magyarázza, hogy miért adott a Michelson-Morley kísérlet a Föld világűrének mozgásának sebességének meghatározására az "éterszél" mérésével negatív eredményt. Később Einstein beépítette ezeket az egyenleteket a speciális relativitáselméletbe, és kiegészítette azokat hasonló tömegátalakítási képlettel,amely szerint a test tömege szintén növekszik, amikor a test sebessége megközelíti a fény sebességét. Tehát 260 000 km / s sebességgel (a fénysebesség 87% -a) egy tárgy tömege megfigyelő szempontjából a pihenő referenciakeretben megduplázódik.
Promóciós videó:
Einstein ideje óta ezek a jóslatok - függetlenül attól, hogy a józan észnek tűnnek - teljes és közvetlen kísérleti megerősítést találnak. Az egyik legleleplezőbb kísérletben a Michigan-i Egyetem tudósai rendkívül pontos atomi órát tettek fel egy repülőgép fedélzetére, amely rendszeresen transzatlanti repüléseket hajtott végre, és minden egyes, a hazai repülőtérre való repülés után ellenőrizték leolvasásaikat a vezérlőórával. Kiderült, hogy a síkban lévő óra fokozatosan egyre inkább elmarad a vezérlőelemektől (úgy mondhatjuk, amikor egy másodperc törtjei vannak). Az elmúlt fél évszázadban a tudósok elemi részecskéket kutattak hatalmas hardveres komplexekben, amelyeket gyorsítóknak hívnak. Ezekben a töltött szubatomi részecskék (mint például protonok és elektronok) sugarai gyorsulnak a fénysebességhez közeli sebességre,akkor különféle nukleáris célokra lőnek. Az ilyen gyorsítókkal végzett kísérletek során figyelembe kell venni a gyorsított részecskék tömegének növekedését - különben a kísérlet eredményei egyszerűen nem képesek megfelelő értelmezésre. És ebben az értelemben a speciális relativitáselmélet már régóta átment a hipotetikus elméletek kategóriájától az alkalmazott mérnöki szerszámok területéig, ahol Newton mechanikai törvényeivel megegyezően alkalmazzák.
Visszatérve Newton törvényeihez, szeretném hangsúlyozni, hogy a speciális relativitáselmélet, bár kifelé ellentmond a klasszikus newtoni mechanika törvényeinek, valójában gyakorlatilag pontosan reprodukálja Newton törvényeinek minden szokásos egyenletét, ha alkalmazzák a jelentős sebességgel mozgó testek leírására. kisebb, mint a fénysebesség. Vagyis a speciális relativitáselmélet nem törli a newtoni fizikát, hanem kibővíti és kiegészíti (ezt az elgondolást részletesebben a Bevezetés tárgyalja).
A relativitáselmélet azt is megérti, hogy a világ sebességének modelljében és miért nem olyan fontos szerepet játszik a világosság sebessége - ezt a kérdést sokan felteszik, akik először találkoztak a relativitáselmélettel. A fénysebesség kiemelkedik és különleges szerepet játszik univerzális állandóként, mivel azt egy természettudományi törvény határozza meg (lásd Maxwell egyenleteit). A relativitáselmélet alapján a fénysebesség vákuumban, c, minden referenciakeretben azonos. Ez látszólag ellentmond a józan észnek, mivel kiderül, hogy a mozgó forrásból (függetlenül attól, hogy milyen gyorsan mozog) és az álló forrásból származó fény egyszerre érkezik a megfigyelőhöz. Ez azonban így van.
A természet törvényeiben betöltött különleges szerepének köszönhetően a fénysebesség központi szerepet játszik az általános relativitáselméletben.
A relativitáselmélet általános elmélete
Az általános relativitáselméletet már alkalmazzák az összes referenciakeretre (és nem csak azokra, amelyek állandó sebességgel mozognak egymáshoz viszonyítva), és matematikailag sokkal bonyolultabbnak tűnik, mint a speciális (amely magyarázza a közzétételük közötti tizenegy éves szakadékot). Különleges esetként magában foglalja a relativitáselmélet speciális elméletét (és ezért Newton törvényeit). Sőt, az általános relativitáselmélet sokkal tovább megy, mint minden elődje. Különösen a gravitáció új értelmezését nyújtja.
Az általános relativitáselmélet négydimenziósvá teszi a világot: az idő hozzáadódik a három térbeli dimenzióhoz. Mind a négy dimenzió elválaszthatatlan, tehát már nem a két tárgy közötti térbeli távolságról beszélünk, mint ahogy ez a háromdimenziós világban van, hanem az egymástól való távolságot - időben és térben egyaránt egyesítő események közötti tér-idő intervallumokról. … Vagyis a tér és az idő négydimenziós tér-idő kontinuumnak, vagy egyszerűen a tér-időnek tekinthető. Ebben a folytonosságban az egymáshoz viszonyítva mozgó megfigyelők akár nem is értenek egyet abban, hogy két esemény történt-e egyszerre - vagy az egyik megelőzte a másikot. Rossz elménk szerencséjeként az ügy nem az ok-okozati összefüggések megsértéséért van szó - azaz a koordinátarendszerek létezéséről,amelyben két esemény nem fordul elő egyszerre és eltérő sorrendben, még az általános relativitáselmélet sem engedi meg.
Newton gravitációs törvénye azt mondja nekünk, hogy az univerzum bármelyik testének kölcsönös vonzása van. Ebből a szempontból a Föld a Nap körül forog, mivel a kölcsönös vonzerő erők hatnak köztük. Az általános relativitáselmélet azonban arra kényszerít bennünket, hogy másképp nézzük ezt a jelenséget. Ezen elmélet szerint a gravitáció a téridő rugalmas szövetének a tömeg hatására bekövetkező deformációjának ("görbülete") következménye (ebben az esetben minél nehezebb egy test, például a Nap, annál inkább a téridő "hajlik" alatta, és ennek megfelelően, annál erősebb a gravitáció) terület). Képzeljen el egy feszesen festett vászonot (egyfajta trambulin) egy hatalmas golyóval rajta. A szövedék deformálódik a labda súlya alatt, és egy tölcsér alakú mélyedés alakul ki körülötte. Az általános relativitáselmélet szerintA Föld úgy fordul a Nap körül, mint egy kis gömb, amely úgy helyezkedik el, hogy egy tölcsér kúpja köré gördüljön, amelyet az űrtartási időnek egy nehéz golyó - a Nap - kényszerítésének eredményeként alakítottak ki. És ami számunkra valószínűleg a gravitációs erő, valójában a tér-idő görbületének pusztán külső megnyilvánulása, és az újtoni megértés során egyáltalán nem jelent erőt. A mai napig nem találtak jobb magyarázatot a gravitáció természetéről, mint amit az általános relativitáselmélet ad nekünk. A mai napig nem találtak jobb magyarázatot a gravitáció természetéről, mint amit az általános relativitáselmélet ad nekünk. A mai napig nem találtak jobb magyarázatot a gravitáció természetéről, mint amit az általános relativitáselmélet ad nekünk.
Nehéz megvizsgálni az általános relativitáselméletet, mivel szokásos laboratóriumi körülmények között annak eredményei szinte teljesen megegyeznek azzal, amit Newton az egyetemes gravitáció törvényében megjósol. Ennek ellenére számos fontos kísérletet elvégeztek, és ezek eredményei lehetővé teszik az elmélet megerősítettnek tartását. Ezenkívül az általános relativitáselmélet segít megmagyarázni az űrben megfigyelt jelenségeket - például a Merkúr kicsi eltéréseit az álló pályáról, amelyek a klasszikus Newtoni mechanika szempontjából megmagyarázhatatlanok, vagy a távoli csillagok elektromágneses sugárzásának görbülete, amikor a Nap közvetlen közelében halad át.
Valójában az általános relativitáselmélet által megjósolt eredmények jelentősen különböznek a Newton törvényei által előre jelzett eredményektől csak a szuperstrongos gravitációs mezők jelenlétében. Ez azt jelenti, hogy az általános relativitáselmélet teljes tesztjéhez vagy nagyon hatalmas tárgyak ultra-pontos mérésére vagy fekete lyukakra van szükség, amelyekre a szokásos intuitív elképzeléseink egyike sem alkalmazható. Tehát az új kísérleti módszerek fejlesztése a relativitáselmélet tesztelésére továbbra is a kísérleti fizika egyik legfontosabb feladata.