Det siges, at epifanien kom til Albert Einstein på et øjeblik. Forskeren angiveligt kørte på en sporvogn i Bern (Schweiz), kiggede på gadeuret og pludselig indså, at hvis trikken nu accelererede til lysets hastighed, så ville hans ur i hans opfattelse stoppe - og der ville ikke være nogen tid rundt. Dette førte til, at han formulerede en af relativitetens centrale postulater - at forskellige observatører opfatter virkeligheden forskelligt, herunder grundlæggende mængder som afstand og tid.
Videnskabeligt set, indså Einstein den dag, at beskrivelsen af enhver fysisk begivenhed eller fænomen afhænger af den referenceramme, som observatøren befinder sig i (se Coriolis-effekten). Hvis en passager på en sporvogn fx fælder briller, falder de for hende lodret nedad for hende, og for en fodgænger, der står på gaden, falder briller i en parabol, når trikken bevæger sig, mens brillerne falder. Hver har sin egen referenceramme.
Men selvom beskrivelserne af begivenheder ændres under overgangen fra en referenceramme til en anden, er der også universelle ting, der forbliver uændrede. Hvis vi i stedet for at beskrive faldet af briller stiller et spørgsmål om naturloven, der får dem til at falde, vil svaret på det være det samme for en observatør i et fast koordinatsystem og for en observatør i et bevægende koordinatsystem. Loven om distribueret trafik er lige så gyldig på gaden og i trikken. Med andre ord, selvom beskrivelsen af begivenheder afhænger af observatøren, afhænger naturlovene ikke af ham, det vil sige, som de siger på videnskabeligt sprog, de er ufravigelige. Dette er relativitetsprincippet.
Som enhver hypotese måtte relativitetsprincippet testes ved at korrelere det med ægte naturfænomener. Fra relativitetsprincippet afledt Einstein to separate (omend relaterede) teorier. Den specielle, eller specielle, relativitetsteori går ud fra den holdning, at naturlovene er de samme for alle referencerammer, der bevæger sig med en konstant hastighed. Generel relativitet udvider dette princip til enhver referenceramme, inklusive dem, der bevæger sig med acceleration. Den specielle relativitetsteori blev offentliggjort i 1905, og jo mere kompliceret set ud fra det matematiske apparats synspunkt, blev den generelle relativitetsteori afsluttet af Einstein i 1916.
Speciel relativitetsteori
De fleste af de paradoksale og modstridende intuitive ideer om den verden af effekter, der opstår, når man bevæger sig med en hastighed tæt på lysets hastighed, forudsiges af den specielle relativitetsteori. Den mest berømte af dem er effekten af at bremse uret eller effekten af at bremse tiden. Et ur, der bevæger sig i forhold til observatøren, løber langsommere for ham end nøjagtigt det samme ur i hans hænder.
Tid i et koordinatsystem, der bevæger sig med hastigheder tæt på lysets hastighed, strækkes i forhold til iagttageren, mens den rumlige udstrækning (længde) af genstande langs aksen i bevægelsesretningen tværtimod komprimeres. Denne virkning, kendt som Lorentz-Fitzgerald-sammentrækningen, blev beskrevet i 1889 af den irske fysiker George Fitzgerald (1851-1901) og afsluttet i 1892 af hollænderen Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgerald-forkortelsen forklarer, hvorfor Michelson-Morley-eksperimentet til at bestemme jordens hastighed i det ydre rum ved at måle "ethervinden" gav et negativt resultat. Senere inkluderede Einstein disse ligninger i særlig relativitet og supplerede dem med en lignende transformationsformel for masse,ifølge hvilken massen af kroppen også øges, når kroppens hastighed nærmer sig lysets hastighed. Så med en hastighed på 260.000 km / s (87% af lysets hastighed) vil massen af et objekt fra en observatørs synspunkt fordoble sig i den hvilende referenceramme.
Salgsfremmende video:
Siden Einsteins tid finder alle disse forudsigelser, uanset hvor i modsætning til sund fornuft de kan synes, komplet og direkte eksperimentel bekræftelse. I en af de mest afslørende eksperimenter satte videnskabsmænd ved University of Michigan et ultra-præcist atomur ombord på et fly, der foretog regelmæssige transatlantiske flyvninger, og efter hver flyvning tilbage til hjemlufthavnen kontrollerede de deres målinger mod kontroluret. Det viste sig, at uret i flyet gradvist halter bagved kontrolpanelerne mere og mere (så at sige når det kommer til brøkdele af et sekund). I det sidste halve århundrede har forskere undersøgt elementære partikler i enorme hardwarekomplekser kaldet acceleratorer. I dem accelereres stråler af ladede subatomære partikler (såsom protoner og elektroner) til hastigheder tæt på lysets hastighed,derefter fyres de mod forskellige nukleare mål. I sådanne eksperimenter med acceleratorer er det nødvendigt at tage hensyn til stigningen i massen af de accelererede partikler - ellers vil de eksperimentelle resultater simpelthen ikke give sig til en rimelig fortolkning. Og i denne forstand er den specielle relativitetsteori længe gået fra kategorien af hypotetiske teorier til området med værktøjer til anvendt teknik, hvor den bruges sammen med Newtons mekaniklover.
Når jeg vender tilbage til Newtons love, vil jeg gerne understrege, at den specielle relativitetsteori, selvom den udvendigt er i modstrid med lovene i klassisk Newtonsk mekanik, faktisk faktisk gengiver nøjagtigt alle de sædvanlige ligninger af Newtons love, hvis de anvendes til at beskrive organer, der bevæger sig med en hastighed markant mindre end lysets hastighed. Det vil sige, den specielle relativitetsteori annullerer ikke den newtonske fysik, men udvider den og supplerer den (denne idé diskuteres mere detaljeret i introduktionen).
Relativitetsprincippet hjælper også med at forstå, hvorfor lysets hastighed, og ikke nogen anden, spiller en så vigtig rolle i denne model for verdensstruktur - dette spørgsmål stilles af mange af dem, der først stødte på relativitetsteorien. Lysets hastighed skiller sig ud og spiller en særlig rolle som en universel konstant, fordi den bestemmes af en naturvidenskabelig lov (se Maxwells ligninger). I kraft af relativitetsprincippet er lysets hastighed i et vakuum, c, den samme i enhver referenceramme. Dette synes at være i modstrid med sund fornuft, da det viser sig, at lys fra en bevægelig kilde (uanset hvor hurtigt den bevæger sig) og fra en stationær kilde når observatøren samtidig. Dette er dog sådan.
På grund af sin specielle rolle i naturlovene er lyshastigheden central for den generelle relativitet.
Generel relativitetsteori
Den generelle relativitetsteori er allerede anvendt på alle referencerammer (og ikke kun for dem, der bevæger sig med en konstant hastighed i forhold til hinanden) og ser matematisk meget mere kompliceret ud end den specielle (som forklarer det elleve-årige hul mellem deres offentliggørelse). Det inkluderer som et særligt tilfælde den specielle relativitetsteori (og derfor Newtons love). Desuden går den generelle relativitetsteori meget længere end alle dens forgængere. Især giver det en ny tolkning af tyngdekraften.
Den generelle relativitet gør verden fire-dimensionel: tid føjes til de tre rumlige dimensioner. Alle fire dimensioner er uadskillelige, så vi taler ikke længere om den rumlige afstand mellem to objekter, som det er tilfældet i den tredimensionelle verden, men om rum-tidsintervaller mellem begivenheder, der forener deres afstand fra hinanden - både i tid og rum … Det vil sige, rum og tid betragtes som et fire-dimensionelt rum-tid kontinuum eller simpelthen rum-tid. I dette kontinuum kan observatører, der bevæger sig i forhold til hinanden, endda være uenige i, om to begivenheder skete samtidig - eller den ene foregik den anden. Heldigvis for vores dårlige sind kommer sagen ikke til en krænkelse af årsag-og-virkning-forhold - dvs. eksistensen af koordinatsystemer,hvor to begivenheder ikke forekommer samtidigt og i en anden sekvens, tillader endda ikke den generelle relativitetsteori.
Newtons tyngdelov fortæller os, at der er en kraft af gensidig tiltrækning mellem to legemer i universet. Fra dette synspunkt drejer Jorden sig om Solen, da kræfterne af gensidig tiltrækning handler mellem dem. Generel relativitet tvinger os imidlertid til at se anderledes på dette fænomen. I henhold til denne teori er tyngdekraften en konsekvens af deformationen ("krumning") af det tidsmæssige elastiske væv under påvirkning af masse (i dette tilfælde, jo tungere et legeme, for eksempel solen, desto mere er rumtiden "bøjet" under det og følgelig, jo stærkere er dens tyngdekraft Mark). Forestil dig et lærred stramt (en slags trampolin) med en massiv kugle på. Banen deformeres under kuglens vægt, og der formes en tragtformet depression omkring den. I henhold til generel relativitet,Jorden drejer rundt om solen som en lille kugle, der er indstillet til at rulle rundt om en tragt, der er dannet som et resultat af at "tvinge" rumtid med en tung kugle - Solen. Og hvad der for os synes at være tyngdekraften er faktisk en rent ydre manifestation af rumtidens krumning og slet ikke en styrke i Newtonsk forståelse. Indtil videre er der ikke fundet nogen bedre forklaring af tyngdekraften, end den generelle relativitet giver os. Indtil videre er der ikke fundet nogen bedre forklaring af tyngdekraften end den generelle relativitetsteori. Indtil videre er der ikke fundet nogen bedre forklaring af tyngdekraften end den generelle relativitetsteori.
Det er vanskeligt at teste den generelle relativitetsteori, da dens resultater i almindelige laboratorieforhold næsten fuldstændigt falder sammen med, hvad Newtons lov om universalgravitation forudsiger. Ikke desto mindre er der udført adskillige vigtige eksperimenter, og deres resultater gør det muligt at betragte teorien som bekræftet. Derudover hjælper den generelle relativitet med at forklare de fænomener, vi observerer i rummet - for eksempel lette afvigelser af kvikksølv fra en stationær bane, som er uforklarlige set fra synspunktet om klassisk Newtonsk mekanik, eller krumningen af elektromagnetisk stråling fra fjerne stjerner, når det passerer tæt på Solen.
Faktisk adskiller de resultater, der er forudsagt af den generelle relativitet, markant fra de resultater, der er forudsagt af Newtons love, kun i nærvær af overordnede tyngdefelter. Dette betyder, at for en fuldt udprøvet test af den generelle relativitetsteori er enten ultrapræcise målinger af meget massive genstande eller sorte huller nødvendige, som ingen af vores sædvanlige intuitive ideer er anvendelige til. Så udviklingen af nye eksperimentelle metoder til test af relativitetsteorien er fortsat en af de vigtigste opgaver inden for eksperimentel fysik.