speciální teorie relativity vysvětluje, jak prostor a čas jsou propojeny na objekty, které se pohybují se stálou rychlostí v přímém směru. Jeden z jeho nejslavnějších aspektů se týká objektů pohybujících se rychlostí světla.
jednoduše řečeno, když se objekt blíží rychlosti světla, jeho hmotnost se stává nekonečnou a není schopen jít rychleji než světelné cesty., Tento kosmický rychlostní limit byl předmětem mnoha diskusí ve fyzice a dokonce i ve sci-fi, protože lidé přemýšlejí o tom, jak cestovat na velké vzdálenosti.
teorie speciální relativity byla vyvinuta Albertem Einsteinem v roce 1905 a je součástí základu moderní fyziky. Po dokončení své práce ve speciální relativitě strávil Einstein deset let přemýšlením o tom, co by se stalo, kdyby se zavedlo zrychlení. To tvořilo základ jeho obecné relativity, publikované v roce 1915.,
historie
před Einsteinem astronomové (z větší části) pochopili vesmír z hlediska tří pohybových zákonů předložených Isaacem Newtonem v roce 1686. Tyto tři zákony jsou:
(1) Objekty v pohybu (nebo v klidu), zůstávají v pohybu (nebo v klidu), pokud vnější síla působí změnit.
(2) síla se rovná změně hybnosti za změnu času. Pro konstantní hmotnost se síla rovná hmotnostním časům zrychlení.
(3) pro každou akci existuje stejná a opačná reakce.,
ale podle Encyklopedie Britannica se v teorii objevovaly trhliny desítky let před Einsteinovým příchodem na scénu. V roce 1865 skotský fyzik James Clerk Maxwell prokázal, že světlo je vlna s elektrickými i magnetickými součástmi a stanovil rychlost světla (186 000 mil za sekundu). Vědci předpokládali, že světlo musí být přenášeno nějakým médiem, které nazývali éter. (Nyní víme, že není vyžadováno žádné přenosové médium a že světlo ve vesmíru se pohybuje ve vakuu.,)
o dvacet let později to zpochybnil neočekávaný výsledek. Fyzik a. a. Michelson a chemik Edward Morley (oba Američané na čas), vypočítat, jak pohyb Země skrz tento „éter“ vliv jak rychlost světla se měří, a zjistil, že rychlost světla je stejná bez ohledu na to, co Země v pohybu je. To vedlo k dalšímu přemítání na světlo chování — a její rozpor mezi klasickou mechanikou — Rakouský fyzik Ernst Mach a francouzský matematik Henri Poincaré.
Einstein začal myslet na chování světla, když mu bylo pouhých 16 let, v roce 1895., Udělal myšlenkový experiment, encyklopedie řekl, kde jel na jedné světelné vlně a podíval se na další světelnou vlnu pohybující se rovnoběžně s ním.
Klasické fyziky by se říci, že světelné vlny Einstein byl při pohledu na by měl relativní rychlost nulová, ale to bylo v rozporu s Maxwellových rovnic ukázal, že světlo má vždy stejnou rychlost: 186.000 mil za sekundu., Další problém s relativní rychlostí, je, že by se ukázat, že zákony elektromagnetismu změnit v závislosti na vašem úhlu pohledu, který odporuje klasické fyziky (který řekl, že zákony fyziky jsou stejné pro všechny.)
To vedlo k Einsteinova případné úvahy o teorii speciální relativity, který zlomil dolů do každodenního příklad člověka, který stojí vedle jedoucího vlaku, porovnání pozorování s osobou uvnitř vlaku. Představoval si, že vlak je v místě na trati mezi dvěma stromy., Pokud blesk zasáhl oba stromy současně, kvůli pohybu vlaku by osoba ve vlaku viděla, že šroub zasáhl jeden strom před druhým stromem. Ale člověk vedle trati by viděl simultánní stávky.
„Einstein dospěl k závěru, že současnost je relativní; události, které jsou současné pro jednoho pozorovatele, nemusí být pro jiného,“ encyklopedie uvedl. „To ho vedlo k protiintuitivní myšlence, že čas plyne odlišně podle stavu pohybu a k závěru, že vzdálenost je také relativní.,“
Slavná rovnice
Einsteinova práce vedla k některé překvapující výsledky, které se dnes stále zdát neintuitivní na první pohled, i když jeho fyzika je obvykle zavedena na úrovni střední školy.
Jeden z nejslavnějších rovnic v matematice pochází ze speciální teorie relativity., Rovnice-E = mc2-znamená “ energie se rovná hmotnosti krát rychlost světla na druhou.“Ukazuje, že energie (E) a hmotnost (m) jsou zaměnitelné; jsou to různé formy stejné věci. Pokud je hmota nějak zcela přeměněna na energii, také ukazuje, kolik energie by se nacházelo uvnitř této hmoty: docela hodně. (Tato rovnice je jednou z demonstrací, proč je atomová bomba tak silná, jakmile je její hmotnost přeměněna na výbuch.)
tato rovnice také ukazuje, že hmotnost se zvyšuje s rychlostí, což účinně omezuje rychlost na to, jak rychle se věci mohou pohybovat ve vesmíru., Jednoduše řečeno, rychlost světla (c) je nejrychlejší rychlost, při které může objekt cestovat ve vakuu. Jak se objekt pohybuje, jeho hmotnost se také zvyšuje. V blízkosti rychlosti světla je hmotnost tak vysoká, že dosáhne nekonečna a bude vyžadovat nekonečnou energii k jejímu pohybu, čímž se omezí, jak rychle se objekt může pohybovat. Jediným důvodem, proč se světlo pohybuje rychlostí, kterou dělá, je to, že fotony, kvantové částice, které tvoří světlo, mají hmotnost nuly.,
zvláštní situaci ve vesmíru z malých, tzv. „kvantové zapletení,“ je matoucí, protože se zdá, zapojit kvantové částice interagují s navzájem v rychlosti rychleji, než je rychlost světla. Konkrétně měření vlastnosti jedné částice vám může okamžitě říct vlastnost jiné částice, bez ohledu na to, jak daleko jsou. O tomto jevu bylo napsáno mnoho, což stále není plně vysvětleno z hlediska Einsteinových závěrů.
další podivný závěr Einsteinovy práce pochází z poznání, že čas se pohybuje vzhledem k pozorovateli., Objekt v pohybu zažívá dilataci času, což znamená, že čas se pohybuje pomaleji, když se člověk pohybuje, než když stojí. Proto se člověk pohybuje pomaleji než člověk v klidu. Takže ano, když astronaut Scott Kelly strávil téměř rok na palubě Mezinárodní Vesmírné Stanice v 2015-16, jeho dvojče astronaut bratr Mark Kelly ve věku o něco rychleji, než Scott.
to je velmi patrné při rychlostech blížících se rychlosti světla. Představte si 15letého cestujícího rychlostí 99,5 procenta světla po dobu pěti let (z pohledu Astronauta)., Když se 15letý člověk vrátí na zemi, podle NASA by mu bylo pouhých 20 let. Jeho spolužákům by však bylo 65 let.
zatímco tentokrát dilatace zní velmi teoreticky, má také praktické aplikace. Pokud máte v autě přijímač Global Positioning Satellite (GPS), přijímač se pokusí najít signály z nejméně tří satelitů, aby koordinoval vaši pozici. GPS satelity vyslat časově rádiové signály, které přijímač poslouchá, triangulace (nebo přesněji řečeno, trilaterating) jeho postoj, založený na cestování v čase signály., Problémem je, atomové hodiny na GPS se pohybují, a proto by běžet rychleji než atomové hodiny na Zemi, vytváří problémy časování. Podle Richarda Poggeho, astronoma na Ohio State University, musí tedy inženýři zpomalit hodiny na GPS klíště.
hodiny ve vesmíru tikají rychleji, podle Physics Central, protože satelity GPS jsou nad zemí a zažívají slabší gravitaci., Takže i přesto, že GPS satelity pohybují a zkušenosti sedm mikrosekund zpomaluje každý den, protože jejich pohyb, výsledek slabší gravitace způsobí, že se hodiny tikat asi 45 mikrosekundy rychleji, než pozemní hodiny. Přidání dvou dohromady vede k tomu, že satelitní hodiny GPS tikají rychleji než pozemní hodiny, asi o 38 mikrosekund denně.
Speciální teorie relativity a kvantové mechaniky
stejně Jako naše znalosti z fyziky pokročilé, vědci narazit na více neintuitivní situacích., Jeden se snaží sladit obecné teorie relativity — což dobře popisuje, co se děje s velkými objekty — s kvantovou mechanikou, která je nejvhodnější pro velmi malé věci (jako je uran rozpadu atomu). Obě pole, která výborně popisují svá jednotlivá pole, jsou vzájemně neslučitelná — což Einsteina a generace vědců po něm frustrovalo.
„relativita dává nesmyslné odpovědi, když se ji pokusíte zmenšit na kvantovou velikost, nakonec sestupně na nekonečné hodnoty v popisu gravitace., Stejně tak se kvantová mechanika dostává do vážných problémů, když ji vyhodíte do vzduchu do kosmických rozměrů,“ upozornil v roce 2015 článek v The Guardian.
„kvantová pole nesou určité množství energie, a to i ve zdánlivě prázdném prostoru, a množství energie se zvětšuje, když se pole zvětšují. Podle Einsteina jsou energie a hmotnost ekvivalentní (to je poselství E=mc2), takže hromadění energie je přesně jako hromadění hmoty. Jděte dostatečně velký a množství energie v kvantových polích se stává tak velkým, že vytváří černou díru, která způsobuje, že se vesmír skládá na sebe. Jejda.,“
Existuje několik nápadů, jak překonat tento (které jsou nad rámec tohoto článku), ale jednou z možností je představit si, že kvantová teorie gravitace, které by měly nehmotné částice (tzv. gravitační) pro generování síly. Ale jak zdůraznil fyzik Dave Goldberg v io9 v roce 2013, existují s tím problémy. V nejmenších měřítcích by gravitony měly nekonečnou hustotu energie a vytvořily nepředstavitelně silné gravitační pole. Bude zapotřebí další studie, aby se zjistilo, zda je to možné.