Die Theorie der speziellen Relativitätstheorie erklärt, wie Raum und Zeit für Objekte verknüpft sind, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer geraden Linie bewegen. Einer der bekanntesten Aspekte betrifft Objekte, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Einfach ausgedrückt, wenn sich ein Objekt der Lichtgeschwindigkeit nähert, wird seine Masse unendlich und es kann nicht schneller gehen, als sich Licht bewegt., Dieses kosmische Geschwindigkeitslimit wurde in der Physik und sogar in der Science-Fiction viel diskutiert, da die Menschen darüber nachdenken, wie sie über weite Entfernungen reisen können.
Die Theorie der speziellen Relativitätstheorie wurde 1905 von Albert Einstein entwickelt und ist Teil der Grundlage der modernen Physik. Nachdem Einstein seine Arbeit in der speziellen Relativitätstheorie beendet hatte, überlegte er sich ein Jahrzehnt lang, was passieren würde, wenn man die Beschleunigung einführen würde. Dies bildete die Grundlage seiner allgemeinen Relativitätstheorie, die 1915 veröffentlicht wurde.,
Geschichte
Vor Einstein verstanden Astronomen (größtenteils) das Universum in Bezug auf drei Bewegungsgesetze, die Isaac Newton 1686 vorstellte. Diese drei Gesetze sind:
(1) Objekte in Bewegung (oder in Ruhe) bleiben in Bewegung (oder in Ruhe), es sei denn, eine äußere Kraft bewirkt eine Änderung.
(2) Die Kraft ist gleich der Änderung des Impulses pro Zeitänderung. Für eine konstante Masse entspricht Kraft Masse mal Beschleunigung.
(3) Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.,
Aber es gab Risse in der Theorie seit Jahrzehnten vor Einsteins Ankunft auf der Szene, nach Encyclopedia Britannica. Im Jahr 1865 demonstrierte der schottische Physiker James Clerk Maxwell, dass Licht eine Welle mit elektrischen und magnetischen Komponenten ist, und stellte die Lichtgeschwindigkeit (186.000 Meilen pro Sekunde) fest. Wissenschaftler nahmen an, dass das Licht durch ein Medium übertragen werden musste, das sie Äther nannten. (Wir wissen jetzt, dass kein Übertragungsmedium erforderlich ist und dass sich Licht im Raum im Vakuum bewegt.,)
Zwanzig Jahre später stellte ein unerwartetes Ergebnis dies in Frage. Der Physiker A. A. Michelson und der Chemiker Edward Morley (beide Amerikaner zu der Zeit) berechneten, wie die Bewegung der Erde durch diesen „Äther“ die Messung der Lichtgeschwindigkeit beeinflusste, und stellten fest, dass die Lichtgeschwindigkeit gleich ist, egal was die Bewegung der Erde ist. Dies führte zu weiteren Überlegungen zum Verhalten des Lichts — und seiner Inkongruenz mit der klassischen Mechanik-des österreichischen Physikers Ernst Mach und des französischen Mathematikers Henri Poincare.
Einstein begann 1895, als er gerade 16 Jahre alt war, an das Verhalten von Licht zu denken., Er machte ein Gedankenexperiment, sagte die Enzyklopädie, wo er auf einer Lichtwelle ritt und auf eine andere Lichtwelle schaute, die sich parallel zu ihm bewegte.
Die klassische Physik sollte sagen, dass die von Einstein betrachtete Lichtwelle eine relative Geschwindigkeit von Null haben würde, aber dies widersprach Maxwells Gleichungen, die zeigten, dass Licht immer die gleiche Geschwindigkeit hat: 186.000 Meilen pro Sekunde., Ein weiteres Problem mit relativen Geschwindigkeiten ist, dass sie zeigen würden, dass sich die Gesetze des Elektromagnetismus in Abhängigkeit von Ihrem Standpunkt ändern, was auch der klassischen Physik widersprach (was besagte, dass die Gesetze der Physik für alle gleich waren.)
Dies führte zu Einsteins Überlegungen zur Theorie der besonderen Relativitätstheorie, die er in das alltägliche Beispiel einer Person zerlegte, die neben einem sich bewegenden Zug stand und Beobachtungen mit einer Person im Zug verglich. Er stellte sich vor, dass sich der Zug an einer Stelle auf der Strecke gleichmäßig zwischen zwei Bäumen befand., Wenn ein Blitzschlag beide Bäume gleichzeitig traf, würde die Person im Zug aufgrund der Bewegung des Zuges sehen, dass der Bolzen einen Baum vor dem anderen Baum traf. Aber die Person neben der Strecke würde gleichzeitige Streiks sehen.
„Einstein kam zu dem Schluss, dass Gleichzeitigkeit relativ ist; Ereignisse, die für einen Beobachter gleichzeitig sind, sind möglicherweise nicht für einen anderen“, heißt es in der Enzyklopädie. „Dies führte ihn zu der kontraintuitiven Vorstellung, dass die Zeit je nach Bewegungszustand unterschiedlich fließt, und zu dem Schluss, dass die Entfernung auch relativ ist.,“
Berühmte Gleichung
Einsteins Arbeit führte zu einigen verblüffenden Ergebnissen, die heute auf den ersten Blick immer noch nicht intuitiv erscheinen, obwohl seine Physik normalerweise auf der Highschool-Ebene eingeführt wird.
Eine der bekanntesten Gleichungen in der Mathematik stammt aus der speziellen Relativitätstheorie., Die Gleichung-E = mc2-bedeutet “ Energie entspricht Masse mal der Lichtgeschwindigkeit im Quadrat.“Es zeigt, dass Energie (E) und Masse (m) austauschbar sind; Sie sind verschiedene Formen derselben Sache. Wenn Masse irgendwie vollständig in Energie umgewandelt wird, zeigt es auch, wie viel Energie in dieser Masse liegen würde: ziemlich viel. (Diese Gleichung ist eine der Demonstrationen dafür, warum eine Atombombe so mächtig ist, sobald ihre Masse in eine Explosion umgewandelt wird.)
Diese Gleichung zeigt auch, dass die Masse mit der Geschwindigkeit zunimmt, was effektiv eine Geschwindigkeitsbegrenzung dafür setzt, wie schnell sich die Dinge im Universum bewegen können., Einfach ausgedrückt ist die Lichtgeschwindigkeit (c) die schnellste Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt im Vakuum bewegen kann. Wenn sich ein Objekt bewegt, nimmt auch seine Masse zu. In der Nähe der Lichtgeschwindigkeit ist die Masse so hoch, dass sie unendlich erreicht, und würde unendliche Energie erfordern, um sie zu bewegen, wodurch begrenzt wird, wie schnell sich ein Objekt bewegen kann. Der einzige Grund, warum sich Licht mit der Geschwindigkeit bewegt, die es tut, ist, dass Photonen, die Quantenteilchen, aus denen Licht besteht, eine Masse von Null haben.,
Eine besondere Situation im Universum der Kleinen, die als „Quantenverschränkung“ bezeichnet wird, ist verwirrend, da Quantenteilchen mit einer Geschwindigkeit interagieren, die schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit. Wenn Sie die Eigenschaft eines Partikels messen, können Sie sofort die Eigenschaft eines anderen Partikels erkennen, unabhängig davon, wie weit sie entfernt sind. Es wurde viel über dieses Phänomen geschrieben, das in Bezug auf Einsteins Schlussfolgerungen immer noch nicht vollständig erklärt ist.
Eine weitere seltsame Schlussfolgerung von Einsteins Arbeit ergibt sich aus der Erkenntnis, dass sich die Zeit relativ zum Beobachter bewegt., Ein Objekt in Bewegung erfährt eine Zeitdilatation, was bedeutet, dass sich die Zeit langsamer bewegt, wenn man sich bewegt, als wenn man still steht. Daher altert eine sich bewegende Person langsamer als eine ruhende Person. Also ja, als der Astronaut Scott Kelly 2015-16 fast ein Jahr an Bord der Internationalen Raumstation verbrachte, alterte sein Zwillingsastronautenbruder Mark Kelly etwas schneller als Scott.
Dies wird bei Geschwindigkeiten, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, äußerst deutlich. Stellen Sie sich einen 15-Jährigen vor, der fünf Jahre lang mit 99,5 Prozent Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist (aus Sicht des Astronauten)., Wenn der 15-Jährige nach Angaben der NASA zur Erde zurückkehrt, wäre er erst 20 Jahre alt. Seine Klassenkameraden wären jedoch 65 Jahre alt.
Während diese Zeitdilatation sehr theoretisch klingt, hat sie auch praktische Anwendungen. Wenn Sie einen GPS-Empfänger (Global Positioning Satellite) in Ihrem Auto haben, versucht der Empfänger, Signale von mindestens drei Satelliten zu finden, um Ihre Position zu koordinieren. Die GPS-Satelliten senden zeitgesteuerte Funksignale aus, auf die der Empfänger hört, und triangulieren (oder genauer gesagt, Trilaterieren) seine Position basierend auf der Reisezeit der Signale., Die Herausforderung besteht darin, dass sich die Atomuhren auf dem GPS bewegen und daher schneller laufen als die Atomuhren auf der Erde, was zu Timing-Problemen führt. Laut Richard Pogge, Astronom an der Ohio State University, müssen Ingenieure die Uhren auf einem GPS langsamer ticken lassen.
Die Uhren im Weltraum ticken laut Physics Central schneller, da sich die GPS-Satelliten über der Erde befinden und eine schwächere Schwerkraft erfahren., Obwohl sich die GPS-Satelliten bewegen und aufgrund ihrer Bewegung jeden Tag eine Verlangsamung von sieben Mikrosekunden erfahren, führt das Ergebnis der schwächeren Schwerkraft dazu, dass die Uhren etwa 45 Mikrosekunden schneller ticken als eine bodengestützte Uhr. Das Addieren der beiden zusammen führt dazu, dass die GPS-Satellitenuhr um etwa 38 Mikrosekunden täglich schneller tickt als eine bodengestützte Uhr.
Spezielle Relativitätstheorie und Quantenmechanik
Mit fortschreitender Kenntnis der Physik sind Wissenschaftler auf mehr eingängige Situationen gestoßen., Man versucht, die allgemeine Relativitätstheorie — die gut beschreibt, was mit großen Objekten vor sich geht — mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen, die am besten für sehr kleine Dinge (wie den Zerfall von Uranatomen) verwendet wird. Die beiden Felder, die ihre einzelnen Felder hervorragend beschreiben, sind unvereinbar — was Einstein und Generationen von Wissenschaftlern nach ihm frustrierte.
“ Die Relativität gibt unsinnige Antworten, wenn Sie versuchen, sie auf die Quantengröße zu skalieren und schließlich in ihrer Beschreibung der Schwerkraft auf unendliche Werte abzusteigen., Ebenso gerät die Quantenmechanik in ernsthafte Schwierigkeiten, wenn Sie sie in die kosmischen Dimensionen sprengen“, wies ein Artikel im Guardian im Jahr 2015 darauf hin.
“ Quantenfelder tragen eine bestimmte Menge an Energie, auch in scheinbar leeren Raum, und die Menge an Energie wird größer, wie die Felder größer werden. Nach Einstein sind Energie und Masse äquivalent (das ist die Botschaft von E=mc2), also ist das Aufstapeln von Energie genau wie das Aufstapeln von Masse. Gehen Sie groß genug und die Energiemenge in den Quantenfeldern wird so groß, dass ein Schwarzes Loch entsteht, durch das sich das Universum auf sich selbst zusammenfaltet. Hoppla.,“
Es gibt mehrere Ideen, um dies zu überwinden (die über den Rahmen dieses Artikels hinausgehen), aber ein Ansatz besteht darin, sich eine Quantentheorie der Schwerkraft vorzustellen, die ein massenloses Teilchen (Graviton genannt) hätte, um die Kraft zu erzeugen. Aber wie der Physiker Dave Goldberg 2013 in io9 betonte, gibt es Probleme damit. Auf den kleinsten Skalen hätten Gravitonen eine unendliche Energiedichte, wodurch ein unvorstellbar starkes Gravitationsfeld entsteht. Weitere Studien werden erforderlich sein, um zu sehen, ob dies möglich ist.