teorien om specielle relativitetsteori forklarer, hvordan rum og tid er knyttet til objekter, der bevæger sig med konstant hastighed i en lige linje. Et af dets mest berømte aspekter vedrører genstande, der bevæger sig med lysets hastighed. kort sagt, når et objekt nærmer sig lysets hastighed, bliver dets masse uendelig, og det er ikke i stand til at gå hurtigere end lysrejser., Denne kosmiske hastighedsgrænse har været genstand for meget diskussion i fysik og endda i science fiction, når folk tænker på, hvordan man rejser over store afstande.
teorien om særlig relativitet blev udviklet af Albert Einstein i 1905, og den udgør en del af grundlaget for moderne fysik. Efter at have afsluttet sit arbejde i særlig relativitet tilbragte Einstein et årti med at overveje, hvad der ville ske, hvis man introducerede acceleration. Dette dannede grundlaget for hans generelle relativitet, udgivet i 1915.,
historie
før Einstein forstod astronomer (for det meste) universet i form af tre bevægelseslove præsenteret af Isaac ne .ton i 1686. Disse tre love er:
(1) objekter i bevægelse (eller i hvile) forbliver i bevægelse (eller i hvile), medmindre en ekstern kraft pålægger ændring.
(2) kraft er lig med ændringen i momentum pr. For en konstant masse er kraft lig med masse gange acceleration.
(3) for hver handling er der en lige og modsat reaktion.,
men der var revner i teorien i årtier før Einsteins ankomst på scenen, ifølge Encyclopedia Britannica. I 1865, Skotske fysiker James Clerk Maxwell vist, at lys er en bølge med både elektriske og magnetiske komponenter, og der er etableret lysets hastighed (186,000 km per sekund). Forskere antog, at lyset skulle overføres gennem et medium, som de kaldte æteren. (Vi ved nu, at der ikke kræves noget transmissionsmedium, og at lyset i rummet bevæger sig i et vakuum.,tyve år senere kastede et uventet resultat dette i tvivl. Fysiker A. A. Michelson og kemiker Edward Morley (både Amerikanerne på det tidspunkt) beregnet, hvor Jordens bevægelse gennem denne “ether” påvirket af, hvordan lysets hastighed er målt, og fandt, at lysets hastighed er den samme uanset hvad Jordens bevægelse er. Dette førte til yderligere overvejelser om lysets opførsel — og dens inkongruens med klassisk mekanik — af den østrigske fysiker Ernst Mach og den franske matematiker Henri Poincare.
Einstein begyndte at tænke på lysets opførsel, da han bare var 16 år gammel, i 1895., Han gjorde et tankeeksperiment, sagde encyklopædi, hvor han red på en lysbølge og så på en anden lysbølge, der bevægede sig parallelt med ham.
Klassiske fysik siger, at lys bølge Einstein var kigger på, vil have en relativ hastighed på nul, men dette modsiges Maxwell ‘ s ligninger, der viste, at lyset altid har samme hastighed: 186,000 miles en anden., Et andet problem med relative hastigheder er, at de ville vise, at lovene for elektromagnetismen ændre sig afhængigt af dit udsigtspunkt, hvor modstrid med klassisk fysik, såvel som sagde, at fysikkens love var den samme for alle.)
Dette førte til Einsteins eventuelle overvejelser om teorien om speciel relativitet, som han brød ned i det daglige eksempel på en person, der stod ved siden af et bevægeligt tog, sammenligner observationer med en person inde i toget. Han forestillede sig, at toget var på et punkt i banen lige mellem to træer., Hvis en lyn ramte begge træer på samme tid, på grund af togets bevægelse, ville personen på toget se bolten ramme et træ før det andet træ. Men personen ved siden af banen ville se samtidige strejker.
“Einstein konkluderede, at samtidighed er relativ; begivenheder, der er samtidige for en observatør, er muligvis ikke for en anden,” sagde encyklopædi. “Dette førte ham til den modstridende ID.om, at tiden flyder forskelligt i henhold til bevægelsestilstanden, og til den konklusion, at afstanden også er relativ.,”
berømt ligning
Einsteins arbejde førte til nogle overraskende resultater, som i dag stadig virker modstridende ved første øjekast, selvom hans fysik normalt introduceres på gymnasieniveau.
En af de mest berømte ligninger i matematik kommer fra den specielle relativitetsteori., Ligningen-E = mc2-betyder ” energi er lig med masse gange lysets hastighed kvadreret.”Det viser, at energi (E) og masse (m) er udskiftelige; de er forskellige former for den samme ting. Hvis masse på en eller anden måde omdannes fuldstændigt til energi, viser den også, hvor meget energi der ville opholde sig inde i denne masse: ganske meget. (Denne ligning er en af demonstrationerne for, hvorfor en atombombe er så kraftig, når dens masse er omdannet til en eksplosion.)
denne ligning viser også, at massen stiger med hastighed, hvilket effektivt sætter en hastighedsgrænse for, hvor hurtigt ting kan bevæge sig i universet., Kort sagt er lysets hastighed (c) den hurtigste hastighed, hvormed et objekt kan rejse i et vakuum. Når et objekt bevæger sig, øges dets masse også. I nærheden af lysets hastighed er massen så høj, at den når uendelig, og ville kræve uendelig energi for at bevæge den og dermed afdække, hvor hurtigt et objekt kan bevæge sig. Den eneste grund til, at lyset bevæger sig med den hastighed, det gør, er fordi fotoner, kvantepartiklerne, der udgør lys, har en masse på nul.,
en særlig situation i det lille univers, kaldet “kvanteforvikling”, er forvirrende, fordi det ser ud til at involvere kvantepartikler, der interagerer med hinanden i hastigheder hurtigere end lysets hastighed. Specifikt kan måling af egenskaben af en partikel øjeblikkeligt fortælle dig egenskaben af en anden partikel, uanset hvor langt væk de er. Der er skrevet meget om dette fænomen, som stadig ikke er fuldt ud forklaret med hensyn til Einsteins konklusioner.
en anden mærkelig konklusion af Einsteins arbejde kommer fra erkendelsen af, at tiden bevæger sig i forhold til observatøren., Et objekt i bevægelse oplever tidsudvidelse, hvilket betyder, at tiden bevæger sig langsommere, når man bevæger sig, end når man står stille. Derfor bevæger en person aldre langsommere end en person i ro. Så ja, da astronaut Scott Kelly tilbragte næsten et år ombord på Den Internationale Rumstation i 2015-16, alderen hans tvilling astronaut bror Mark Kelly lidt hurtigere end Scott.
dette bliver ekstremt tydeligt ved hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed. Forestil dig en 15-årig, der rejser med 99, 5 procent lysets hastighed i fem år (fra astronautens perspektiv)., Når 15-åringen kommer tilbage til jorden, ville han ifølge NASA kun være 20 år gammel. Hans klassekammerater ville dog være 65 år gamle.selvom denne tidsudvidelse lyder meget teoretisk, har den også praktiske anvendelser. Hvis du har en GPS-modtager (Global Positioning Satellite) i din bil, forsøger modtageren at finde signaler fra mindst tre satellitter for at koordinere din position. GPS-satellitterne sender tidsindstillede radiosignaler, som modtageren lytter til, triangulerer (eller mere korrekt, trilatererer) sin position baseret på signalernes rejsetid., Udfordringen er, at atomurene på GPS ‘ en bevæger sig og vil derfor køre hurtigere end atomur på jorden, hvilket skaber timingproblemer. Så ingeniører er nødt til at gøre urene på et GPS-kryds langsommere, ifølge Richard pogge, en astronom ved Ohio State University.
urene i rummet krydser hurtigere ifølge Physics Central, fordi GPS-satellitterne er over Jorden og oplever svagere tyngdekraft., Så selvom GPS-satellitterne bevæger sig og oplever en syv-mikrosekund, der bremser hver dag på grund af deres bevægelse, får resultatet af den svagere tyngdekraft urene til at krydse omkring 45 mikrosekunder hurtigere end et jordbaseret ur. Tilføjelse af de to sammen resulterer i, at GPS-satellituret tikker hurtigere end et jordbaseret ur, med omkring 38 mikrosekunder dagligt.
særlig relativitet og kvantemekanik
efterhånden som vores viden om fysik er avanceret, har forskere løbet ind i mere modstridende situationer., Man forsøger at forene generel relativitet — som beskriver godt, hvad der foregår med store genstande-med kvantemekanik, som bedst bruges til meget små ting (såsom uranatomfald). De to felter, der udmærket beskriver deres individuelle felter, er uforenelige med hinanden — hvilket frustrerede Einstein og generationer af forskere efter ham.
“relativitet giver nonsensiske svar, når du forsøger at skalere det ned til kvantestørrelse, til sidst faldende til uendelige værdier i dens beskrivelse af tyngdekraften., Ligeledes løber kvantemekanik i alvorlige problemer, når du sprænger den op til kosmiske dimensioner,” påpegede en artikel i The Guardian i 2015.
“kvantefelter bærer en vis mængde energi, selv i tilsyneladende tomt rum, og mængden af energi bliver større, når felterne bliver større. Ifølge Einstein, energi og masse er ækvivalente (det er budskabet om E=mc2), så hober sig op energi er præcis som hober sig op masse. Gå stort nok, og mængden af energi i kvantefelterne bliver så stor, at den skaber et sort hul, der får universet til at folde sig ind i sig selv. Ups.,”
Der er flere ideer til at overvinde dette (som er uden for rammerne af denne artikel), men en tilgang er at forestille sig en kvanteteori for gravitation, som ville have et tidskrift partikel (kaldet gravitonen) til at generere kraft. Men som fysiker Dave Goldberg påpegede i io9 i 2013, er der problemer med det. På de mindste skalaer ville gravitoner have uendelig energitæthed, hvilket skaber et ufatteligt kraftigt tyngdekraftfelt. Mere undersøgelse vil være påkrævet for at se, om dette er muligt.