a speciális relativitáselmélet elmagyarázza, hogy a tér és az idő hogyan kapcsolódik olyan tárgyakhoz, amelyek egyenes vonalban állandó sebességgel mozognak. Az egyik leghíresebb szempontja a fénysebességgel mozgó tárgyakra vonatkozik.
egyszerűen fogalmazva, mivel egy objektum megközelíti a fénysebességet, tömege végtelen lesz, és nem tud gyorsabban menni, mint a fény., Ez a kozmikus sebességkorlátozás sok vita tárgyát képezte a fizikában, sőt a sci-fiben is, mivel az emberek gondolkodnak arról, hogyan kell hatalmas távolságokat utazni.
a speciális relativitáselméletet Albert Einstein fejlesztette ki 1905-ben, amely a modern fizika alapját képezi. Miután befejezte munkáját a speciális relativitáselméletben, Einstein egy évtizedet töltött azon töprengve, hogy mi történne, ha bevezetnék a gyorsulást. Ez képezte az 1915-ben megjelent általános relativitáselmélet alapját.,
történelem
Einstein előtt a csillagászok (nagyrészt) megértették az univerzumot az Isaac Newton által 1686-ban bemutatott három mozgási törvény szempontjából. Ez a három törvény:
(1) A mozgásban lévő (vagy nyugalomban lévő) tárgyak mozgásban maradnak (vagy nyugalomban), kivéve, ha egy külső erő változást okoz.
(2) az erő megegyezik az időváltozásonkénti lendület változásával. Egy állandó tömeg esetén az erő egyenlő a tömegidők gyorsulásával.
(3)minden cselekvés esetében egyenlő és ellentétes reakció van.,
de az Encyclopedia Britannica szerint évtizedek óta repedések voltak az elméletben, mielőtt Einstein megérkezett a helyszínre. 1865-ben James Clerk Maxwell skót fizikus kimutatta, hogy a fény egy hullám, amely mind elektromos, mind mágneses komponensekkel rendelkezik, és létrehozta a fénysebességet (186 000 mérföld / másodperc). A tudósok azt feltételezték, hogy a fényt valamilyen médiumon keresztül kell továbbítani, amelyet éternek hívtak. (Most már tudjuk, hogy nincs szükség átviteli közegre, és az űrben lévő fény vákuumban mozog.,)
húsz évvel később egy váratlan eredmény megkérdőjelezte ezt. A. A. Michelson fizikus és Edward Morley kémikus (akkoriban mindkét Amerikai) kiszámították, hogy a Föld mozgása ezen az “éteren” keresztül hogyan befolyásolja a fénysebesség mérését, és megállapították, hogy a fénysebesség ugyanaz, függetlenül attól, hogy mi a Föld mozgása. Ez vezetett ahhoz, hogy Ernst Mach osztrák fizikus és Henri Poincare francia matematikus tovább tanulmányozta a fény viselkedését — és a klasszikus mechanikával való összeegyeztethetetlenségét.
Einstein csak 16 éves korában, 1895-ben kezdett gondolkodni a fény viselkedéséről., Egy gondolatkísérletet végzett, mondta az enciklopédia, ahol egy fényhullámon lovagolt, és egy másik vele párhuzamosan mozgó fényhullámot nézett.
a Klasszikus fizika kell mondanom, hogy a fény hullám Einstein néztem volna egy relatív sebessége nulla, de ez ellentmond Maxwell egyenletek azt mutatta, hogy a fény mindig ugyanaz sebesség: 186,000 mérföldre egy második., A relatív sebesség másik problémája az, hogy megmutatják, hogy az elektromágnesesség törvényei az Ön nézőpontjától függően változnak, ami ellentmond a klasszikus fizikának is (amely szerint a fizika törvényei mindenki számára azonosak voltak.)
Ez vezetett Einstein esetleges musings az elmélet a speciális relativitáselmélet, amely lerobbant a mindennapi példa egy személy mellett álló mozgó vonat, összehasonlítva megfigyelések egy személy a vonaton belül. Elképzelte, hogy a vonat egy ponton van a pályán, egyenlően két fa között., Ha egy villámcsapás egyszerre mindkét fát eltalálja, a vonat mozgása miatt, a vonaton lévő személy látja, hogy a csavar az egyik fának ütközik a másik fa előtt. De a pálya melletti személy egyidejű sztrájkokat látna.
“Einstein arra a következtetésre jutott, hogy az egyidejűség relatív; az egyik megfigyelő számára egyidejű események nem lehetnek a másik számára” – jelentette ki az enciklopédia. “Ez oda vezetett, hogy az ellentmondásos gondolat, hogy az idő folyik másként szerint az állam a mozgás, valamint a következtetésre jutott, hogy a távolság is relatív.,”
híres egyenlet
Einstein munkája megdöbbentő eredményekhez vezetett, amelyek ma még első pillantásra ellentmondásosnak tűnnek, annak ellenére, hogy fizikáját általában középiskolai szinten vezetik be.
a matematika egyik leghíresebb egyenlete a speciális relativitásból származik., Az egyenlet-E = mc2-azt jelenti ,hogy ” az energia egyenlő a négyzet alakú fénysebesség tömegével.”Ez azt mutatja, hogy az energia (E) és a tömeg (m) egymással felcserélhető; ugyanazon dolog különböző formái. Ha a tömeg valahogy teljesen átalakul energiává, azt is megmutatja, hogy mennyi energia tartózkodna a tömegben: elég sok. (Ez az egyenlet az egyik demonstráció arra, hogy miért olyan erős az atombomba, miután tömegét robbanássá alakítják.)
Ez az egyenlet azt is mutatja, hogy a tömeg növekszik a sebességgel, ami hatékonyan korlátozza a sebességkorlátozást, hogy a dolgok milyen gyorsan mozoghatnak az univerzumban., Egyszerűen fogalmazva, a fénysebesség (C) a leggyorsabb sebesség, amellyel egy tárgy vákuumban utazhat. Ahogy egy tárgy mozog, a tömege is növekszik. A fénysebesség közelében a tömeg olyan magas, hogy eléri a végtelenséget, és végtelen energiára lenne szüksége ahhoz, hogy mozgassa, így korlátozva, hogy egy tárgy milyen gyorsan mozoghat. Az egyetlen ok, amiért a fény olyan sebességgel mozog, hogy a fotonok, a kvantumrészecskék, amelyek fényt alkotnak, nulla tömegűek.,
a kicsi, úgynevezett “kvantum-összefonódás” univerzumának különleges helyzete zavaró, mert úgy tűnik, hogy a kvantumrészecskék gyorsabban kölcsönhatásba lépnek egymással, mint a fénysebesség. Pontosabban, az egyik részecske tulajdonságainak mérése azonnal meg tudja mondani egy másik részecske tulajdonságát, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak. Sokat írtak erről a jelenségről, amelyet még mindig nem teljesen magyaráznak Einstein következtetései.
Einstein munkájának egy másik furcsa következtetése abból a felismerésből származik, hogy az idő a megfigyelőhöz képest mozog., A mozgásban lévő objektum időtágulást tapasztal, ami azt jelenti, hogy az idő lassabban mozog, amikor az ember mozog, mint amikor az ember áll. Ezért egy mozgó személy lassabban öregszik, mint egy nyugalmi személy. Tehát igen, amikor Scott Kelly űrhajós közel egy évet töltött a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén 2015-16-ban, iker űrhajós testvére, Mark Kelly kissé gyorsabban öregedett, mint Scott.
Ez rendkívül nyilvánvalóvá válik a fénysebességhez közeledő sebességnél. Képzeljünk el egy 15 éves utazó 99,5 százalékkal a fénysebesség öt évig (az űrhajós szemszögéből)., Amikor a 15 éves visszatér a földre, a NASA szerint csak 20 éves lenne. Osztálytársai azonban 65 évesek lennének.
bár ez az idő tágulása nagyon elméleti, gyakorlati alkalmazásokkal is rendelkezik. Ha van egy globális helymeghatározó műhold (GPS) vevő az autóban, a vevő megpróbálja megtalálni a jeleket legalább három műhold koordinálja a pozícióját. A GPS-műholdak időzített rádiójeleket küldenek, amelyeket a vevő hallgat ,háromszögeli (vagy pontosabban beszél, trilaterálja) helyzetét a jelek utazási ideje alapján., A kihívás az, hogy a GPS-en lévő atomórák mozognak, ezért gyorsabban futnak, mint a földön lévő atomórák, időzítési problémákat okozva. Richard Pogge, az Ohio Állami Egyetem csillagásza szerint tehát a mérnököknek lassabban kell készíteniük az órákat egy GPS-kullancson.
az űrben lévő órák gyorsabban ketyegnek a Physics Central szerint, mert a GPS-műholdak a föld felett vannak, és gyengébb gravitációt tapasztalnak., Tehát annak ellenére, hogy a GPS-műholdak mozognak, és mozgásuk miatt minden nap hét mikroszekundumos lassulást tapasztalnak, a gyengébb gravitáció eredménye miatt az órák körülbelül 45 mikroszekundummal gyorsabbak, mint egy földi óra. A kettő együttes hozzáadásával a GPS műholdas óra gyorsabban ketyeg, mint egy földi óra, körülbelül 38 mikroszekundum naponta.
speciális relativitáselmélet és kvantummechanika
ahogy a fizika ismereteink előrehaladtak, a tudósok több ellentétes helyzetbe kerültek., Az egyik megpróbálja összeegyeztetni az Általános relativitást — amely jól leírja, mi történik a nagy tárgyakkal-kvantummechanikával, amelyet leginkább nagyon kis dolgokra használnak (például urán atom bomlás). A két mező, amelyek kiválóan leírják az egyes mezőket, összeegyeztethetetlenek egymással — ami csalódást okozott Einsteinnek és a tudósok nemzedékeinek utána.
“a relativitáselmélet értelmetlen válaszokat ad, amikor kvantumméretre próbálja méretezni, végül a gravitáció leírásában végtelen értékekre csökken., Hasonlóképpen, a kvantummechanika komoly bajba kerül, amikor kozmikus méretekre robbantja fel ” – mutatott rá a The Guardian egyik cikke 2015-ben.
“A Kvantummezők bizonyos mennyiségű energiát hordoznak, még a látszólag üres térben is, és az energia mennyisége nagyobb lesz, ahogy a mezők nagyobbak lesznek. Einstein szerint az energia és a tömeg egyenértékűek (ez az E=mc2 üzenete), tehát az energia felhalmozása pontosan olyan, mint a tömeg halmozódása. Elég nagy lesz, és a kvantummezőkben lévő energia mennyisége olyan nagy lesz, hogy létrehoz egy fekete lyukat, amely az univerzumot önmagában összehajtja. Hoppá.,”
számos ötlet létezik ennek leküzdésére (amelyek túlmutatnak e cikk hatályán), de az egyik megközelítés egy olyan gravitációs kvantumelmélet elképzelése, amelynek tömeg nélküli részecskéje (úgynevezett graviton) lenne az erő előállításához. De ahogy Dave Goldberg fizikus rámutatott az io9-ben 2013-ban, vannak problémák ezzel. A legkisebb skálákon a gravitonok végtelen energiasűrűséggel rendelkeznének, ami elképzelhetetlenül erős gravitációs mezőt hozna létre. További tanulmányokra lesz szükség annak megtekintéséhez, hogy ez lehetséges-e.