special suhteellisuusteoria kertoo, miten tila ja aika ovat sidoksissa esineitä, jotka liikkuvat tasaisella nopeudella suorassa linjassa. Yksi sen tunnetuimmista puolista koskee valon nopeudella liikkuvia esineitä.
Yksinkertaisesti sanottuna, objektina lähestyy valonnopeutta, sen massa on ääretön ja se ei voi mennä enää nopeammin kuin valo liikkuu., Tämä kosminen nopeusrajoitus on herättänyt paljon keskustelua fysiikassa ja jopa tieteisfiktiossa, kun ihmiset miettivät, miten matkustaa valtavien etäisyyksien yli.
special suhteellisuusteoria on kehittänyt Albert Einstein vuonna 1905, ja se on osa perusta modernin fysiikan. Lopetettuaan työnsä erityisen suhteellisuusteorian parissa Einstein mietti vuosikymmenen ajan, mitä tapahtuisi, jos joku ottaisi käyttöön kiihdytyksen. Tämä muodosti perustan hänen vuonna 1915 julkaistulle yleiselle suhteellisuusteorialle.,
Historia
Ennen kuin Einstein, tähtitieteilijät (suurimmaksi osaksi) ymmärtää maailmankaikkeuden kannalta kolme lakia liikkeen esittämä Isaac Newton vuonna 1686. Nämä kolme lakia ovat:
(1) Esineitä liikkeessä (tai levossa) pysyvät liikkeessä (tai levätä), ellei jokin ulkoinen voima aiheuttaa muutoksen.
(2) Voima on yhtä suuri kuin muutos vauhtia kohti muutoksen aikaa. Jatkuvaa massa, voima on yhtä kuin massa kertaa kiihtyvyys.
(3) jokaisella toiminnolla on yhtäläinen ja vastakkainen reaktio.,
mutta teoriassa oli säröjä vuosikymmeniä ennen Einsteinin saapumista paikalle, kertoo Encyclopedia Britannica. Vuonna 1865, Skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell osoitti, että valo on aalto, jossa on sekä sähkö-ja magneettikentän komponentit, ja perustivat valon nopeus (186,000 mailia sekunnissa). Tutkijat olettivat, että valo oli välitettävä jonkin väliaineen kautta, jota he kutsuivat eetteriksi. (Tiedämme nyt, että siirtovälinettä ei tarvita, ja että valo avaruudessa liikkuu tyhjiössä.,)
kaksikymmentä vuotta myöhemmin odottamaton tulos kyseenalaisti tämän. Fyysikko A. A. Michelson ja kemisti Edward Morley (sekä Amerikkalaiset tuolloin) lasketaan, kuinka Maapallon liikkeen kautta ”eetteri” vaikuttaa, miten valon nopeus on mitattu, ja havaitsi, että valon nopeus on sama riippumatta siitä, mitä Maapallon liike on. Tämä johti edelleen ajatukset valon käyttäytymistä ja sen incongruence, jossa klassinen mekaniikka — by Itävallan fyysikko Ernst Mach ja ranskalainen matemaatikko Henri Poincare.
Einstein alkoi ajatella valon käyttäytymistä ollessaan vasta 16-vuotias, vuonna 1895., Hän teki ajatus kokeilu, encyclopedia sanoi, jossa hän ratsasti yksi valo aalto ja katsoi toinen valo aalto liikkuu yhdensuuntaisesti häntä.
Klassisen fysiikan pitäisi sanoa, että valo aalto Einstein katsoi olisi suhteellinen nopeus on nolla, mutta tämä on ristiriidassa Maxwellin yhtälöt osoitti, että valo on aina sama nopeus: 186,000 mailia sekunnissa., Toinen ongelma suhteellinen nopeudet on ne osoittavat, että lakien sähkömagnetismi muuttaa riippuen näkökulmasta, jotka ovat ristiriidassa klassisen fysiikan sekä (joka sanoi, että fysiikan lait olisivat samat kaikille.)
Tämä johti Einsteinin lopulta ajatukset teorian erityinen suhteellisuusteoria, jonka hän hajosi osaksi jokapäiväistä esimerkiksi henkilö seisoo vieressä liikkuvaan junaan, vertaamalla havaintoja henkilön kanssa sisälle junaan. Hän kuvitteli junan olevan raiteella tasan kahden puun välissä., Jos salama iski molemmat puut samaan aikaan, koska liike-juna -, henkilö junassa näkisi pultti osui yksi puu ennen kuin muu puu. Radan vieressä istuva näkisi kuitenkin samanaikaisia lakkoja.
”Einstein päätteli, että samanaikaisuus on suhteellista; tapahtumat, jotka ovat samanaikaisia yksi tarkkailija voi olla toinen,” tietosanakirja todettu. ”Tämä johti hänet counterintuitive ajatus, että aika virtaa eri tavalla sen mukaan, valtion liikkeen, ja siihen tulokseen, että etäisyys on myös suhteellista.,”
Kuuluisa yhtälö
Einsteinin työ johti joitakin hätkähdyttäviä tuloksia, jotka vielä tällä hetkellä tuntua counterintuitive ensi silmäyksellä, vaikka hänen fysiikka on yleensä käyttöön klo lukio tasolla.
Yksi kuuluisimmista yhtälöitä matematiikan tulee erityinen suhteellisuusteoria., Yhtälö – E = mc2-tarkoittaa ” energia vastaa massakertaa valon nopeuden neliöksi.”Se osoittaa, että energia (e) ja massa (m) ovat keskenään vaihdettavissa; ne ovat saman asian eri muotoja. Jos massa muuttuu jotenkin täysin energiaksi, se osoittaa myös, kuinka paljon energiaa sen massan sisällä olisi: aika paljon. (Tämä yhtälö on yksi mielenosoituksia, miksi atomipommi on niin voimakas, kun sen massa muunnetaan räjähdys.)
Tämä yhtälö osoittaa myös, että massa kasvaa nopeuden, joka tehokkaasti asettaa nopeusrajoitus, kuinka nopeasti asiat voivat liikkua maailmankaikkeudessa., Yksinkertaisesti sanottuna valon nopeus (c) on nopein nopeus, jolla esine voi kulkea tyhjiössä. Kappaleen liikkuessa myös sen massa kasvaa. Lähellä valon nopeus, massa on niin suuri, että se saavuttaa ääretön, ja vaatisi äärettömän energian liikkua, jolloin rajaaminen, kuinka nopeasti esine voi liikkua. Valo liikkuu sillä nopeudella vain siksi, että fotonien eli valoa muodostavien kvanttihiukkasten massa on nolla.,
erityinen tilanne maailmankaikkeudessa pieni, nimeltään ”quantum entanglement,” on hämmentävä, koska se tuntuu saada quantum hiukkasia vuorovaikutuksessa keskenään nopeuksilla nopeammin kuin valon nopeus. Erityisesti, mittaus-omaisuutta yksi hiukkanen voi heti kertoa, omaisuutta toisen hiukkasen, ei väliä kuinka kaukana ne ovat. Ilmiöstä on kirjoitettu paljon, mitä Einsteinin johtopäätöksissä ei vielä täysin selitetä.
Toinen outo johtopäätös Einsteinin työ tulee oivallus, että aika liikkuu suhteessa tarkkailija., Liikkeessä oleva esine kokee ajan laajenemisen, eli aika liikkuu hitaammin liikkuessaan kuin seisoessaan paikallaan. Siksi ihminen ikääntyy hitaammin kuin ihminen levossa. Niinpä, kun astronautti Scott Kelly vietti lähes vuoden Kansainvälisellä avaruusasemalla vuosina 2015-16, hänen kaksoisastronauttiveljensä Mark Kelly ikääntyi hieman Scottia nopeammin.
tämä käy erittäin ilmeiseksi valonnopeutta lähestyvillä nopeuksilla. Kuvittele 15-vuotias, joka matkustaa 99,5 prosentin valonnopeudella viisi vuotta (astronautin näkökulmasta)., Kun 15-vuotias pääsee takaisin Maahan, hän olisi Nasan mukaan vasta 20-vuotias. Hänen luokkatoverinsa olisivat kuitenkin 65-vuotiaita.
vaikka tällä kertaa laajeneminen kuulostaa hyvin teoreettiselta, sillä on myös käytännön sovelluksia. Jos autossasi on Global Positioning Satellite (GPS) – vastaanotin, vastaanotin yrittää löytää signaaleja ainakin kolmesta satelliitista koordinoidakseen sijaintiasi. GPS-satelliitit lähettävät ajastettuja radiosignaaleja, joita vastaanotin kuuntelee, kolmiomittaamalla (tai oikeammin puhuen, trilateroimalla) sijaintinsa signaalien matka-ajan perusteella., Haasteena on, että atomikellojen, GPS-liikkuvat ja olisi siten ajaa nopeammin kuin atomi kellot Maan päällä, luoden ajoitus. Joten, insinöörit täytyy tehdä kellot GPS-rasti hitaammin, mukaan Richard Pogge, tähtitieteilijä Ohio State University.
avaruudessa olevat kellot tikittävät nopeammin Physics Centralin mukaan, koska GPS-satelliitit ovat maan yläpuolella ja kokevat heikomman painovoiman., Joten vaikka GPS-satelliitit liikkuvat ja kokemus seitsemän mikrosekunnin hidastaa joka päivä, koska niiden liike, tulos heikompi painovoima aiheuttaa kellot rasti noin 45 mikrosekuntia nopeammin kuin maa-pohjainen kellon. Kun nämä kaksi lasketaan yhteen, GPS – satelliittikello tikittää nopeammin kuin maanpäällinen kello, noin 38 mikrosekuntia päivässä.
Erityinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka
Koska meidän tietämys fysiikka on kehittynyt, tutkijat ovat törmätä enemmän counterintuitive tilanteissa., Yksi on yrittää sovittaa yhteen yleinen suhteellisuusteoria — joka kuvaa hyvin, mitä on tekeillä suuria esineitä — kanssa kvanttimekaniikka, joka on parasta käyttää hyvin pieniä asioita (kuten uraani-atomin hajoaminen). Nämä kaksi kenttää, jotka kuvaavat erinomaisesti niiden yksittäisiä kenttiä, ovat yhteensopimattomia keskenään-mikä turhautti Einsteinin ja sukupolvet tiedemiehiä hänen jälkeensä.
”Suhteellisuusteoria antaa järjettömiä vastauksia, kun yrität mittakaavassa se alas quantum kokoa, lopulta laskeutuu ääretön arvot sen kuvaus painovoima., Samoin kvanttimekaniikka ajautuu vakaviin vaikeuksiin, kun sen räjäyttää kosmisiin ulottuvuuksiin”, The Guardianin artikkelissa huomautettiin vuonna 2015.
” Kvanttikentät kantavat tietyn määrän energiaa, jopa näennäisesti tyhjässä tilassa, ja energiamäärä kasvaa kenttien kasvaessa. Mukaan Einsteinin, energia ja massa ovat vastaava (se on viesti, E=mc2), joten kasaantuu energia on täsmälleen kuten kasaantuu massa. Mene tarpeeksi iso, ja energian määrä quantum kentät tulee niin suuri, että se luo mustan aukon, joka aiheuttaa maailmankaikkeuden taipumaan. Hupsista.,”
On olemassa useita ideoita ratkaista tämä (jotka eivät kuulu tämän artikkelin), mutta yksi tapa on kuvitella, quantum theory ja painovoima, että olisi massattoman hiukkasen (kutsutaan gravitonin) tuottaa voimaa. Mutta kuten fyysikko Dave Goldberg totesi io9: ssä vuonna 2013, siinä on ongelmia. Pienimmissä asteikoissa gravitoneilla olisi ääretön energiatiheys, jolloin syntyisi käsittämättömän voimakas painovoimakenttä. Lisää tutkimuksia tarvitaan, jotta nähdään, onko tämä mahdollista.