teorien om spesielle relativitetsteorien forklarer hvordan rom og tid er knyttet til objekter som beveger seg med jevn hastighet i en rett linje. En av de mest kjente aspekter bekymringer objekter som beveger seg i lysets hastighet.
Enkelt sagt, som et objekt tilnærminger lysets hastighet, sin massen blir uendelig, og det er i stand til å gå fortere enn lyset reiser., Dette kosmiske fartsgrensen har vært gjenstand for mye diskusjon i fysikk, og selv i science fiction, som folk tror om hvordan å reise over store avstander.
teorien om spesielle relativitetsteorien ble utviklet av Albert Einstein i 1905, og det utgjør en del av grunnlaget for moderne fysikk. Etter å ha avsluttet sitt arbeid i spesiell relativitetsteori, Einstein brukte et tiår usikker på hva som ville skje hvis en introdusert akselerasjon. Dette dannet grunnlaget for hans generelle relativitetsteori, publisert i 1915.,
Logg på
Før Einstein, astronomer (for det meste) forstått universet i form av tre lover om bevegelse presentert av Isaac Newton i 1686. Disse tre lovene er:
(1) Objekter i bevegelse (eller i ro) forbli i bevegelse (eller i ro), med mindre en ekstern kraft pålegger endre.
(2) Kraft er lik endringen i bevegelsesmengde per endring over tid. For en konstant masse, kraft er lik masse ganger akselerasjon.
(3) For hver handling, det er en lik og motsatt reaksjon.,
Men det var sprekker i teorien for flere tiår før Einsteins ankomst på scenen, ifølge Encyclopedia Britannica. I 1865, Skotske fysikeren James Clerk Maxwell vist at lys er en bølge med både elektriske og magnetiske komponenter, og etablert lysets hastighet (186,000 miles per sekund). Forskere ment at lys måtte være overført gjennom noen medium, som de kalte den eter. (Vi vet nå at ingen overføring medium er nødvendig, og at lyset i rommet beveger seg i et vakuum.,)
Tjue år senere, et uventet resultat kastet dette i tvil. Fysiker A. A. Michelson og kjemiker Edward Morley (både Amerikanere på den tiden) beregnet hvordan Jordens bevegelse gjennom denne «ether» påvirket hvordan lysets hastighet er målt og funnet ut at lysets hastighet er den samme, uansett hva Jordens bevegelse er. Dette førte til ytterligere musings på lys atferd og sine uoverensstemmelser med klassisk mekanikk — av Østerrikske fysikeren Ernst Mach og franske matematikeren Henri Poincare.
Einstein begynte å tenke på lys atferd da han var bare 16 år gammel, i 1895., Han gjorde et tanke-eksperiment, encyclopedia sa, hvor han red på en lys bølge, og så på et annet lys bølge beveger seg parallelt med ham.
Klassisk fysikk burde si at lys bølge Einstein var ute på ville ha en relativ hastighet på null, men dette motsies Maxwell ‘ s ligninger som viste at lyset alltid har samme hastighet: 186,000 km i sekundet., Et annet problem med relative hastigheter er de ville vise at de lover og elektromagnetisme endre avhengig av ståsted, som motsagt klassisk fysikk (noe som sa fysikkens lover var de samme for alle.)
Dette førte til Einsteins eventuell musings på teori for spesielle relativitetsteori, som han brøt ned i den daglige eksempel på en person som står ved siden av en bevegelig tog, sammenligne observasjoner med en person inne i toget. Han forestilte seg toget var på et punkt i sporet likt mellom to trær., Hvis et lyn traff både trær på samme tid, på grunn av bevegelse av toget, person på toget ville se bolt traff ett tre før de andre tre. Men det personen ved siden av sporet ville se samtidige streik.
«Einstein konkluderte med at vil samtidighet er relative; hendelser som er samtidig for en observatør kan ikke være det for en annen,» encyklopedien er oppgitt. «Dette førte ham til counterintuitive ideen om at tiden renner forskjellig i henhold til den tilstand av bevegelse, og til den konklusjon at avstand også i forhold.,»
Berømte ligningen
Einsteins arbeid førte til noen oppsiktsvekkende resultater, som i dag fortsatt virke counterintuitive ved første øyekast, selv om hans fysikk er vanligvis introdusert på videregående skole nivå.
En av de mest kjente formler i matematikk kommer fra spesielle relativitetsteorien., Ligningen E = mc2 — betyr «energi er lik masse ganger lysets hastighet squared.»Det viser at energi (E) og masse (m) er utskiftbare; de er ulike former av samme ting. Hvis massen er noe helt omgjort til energi, det viser også hvor mye energi som ville ligge inne at masse: ganske mye. (Denne ligningen er en av demonstrasjonene for hvorfor en atombombe er så kraftig, når massen er konvertert til en eksplosjon.)
Denne ligningen viser også at masse øker med hastigheten, som effektivt setter en fartsgrense på hvor fort ting kan gå i universet., Enkelt sagt, lysets hastighet (c) er den raskeste hastigheten som et objekt kan reise i et vakuum. Som et objekt beveger seg, massen øker også. Nær lysets hastighet, massen er så høy at det kommer uendelig, og vil kreve uendelig med energi til å flytte den, og dermed begrensninger i hvor raskt et objekt kan flytte. Den eneste grunnen til at lyset beveger seg med hastigheten som det ikke er grunn fotoner, quantum partikler som utgjør lys, har en masse på null.,
En spesiell situasjon i universet av små, kalt «quantum forviklinger,» er forvirrende fordi det synes å innebære quantum partikler i samspill med hverandre med en hastighet som er raskere enn lysets hastighet. Spesielt, måling holderen for en partikkel kan umiddelbart fortelle deg egenskap av en annen partikkel, uansett hvor langt unna de er. Mye har vært skrevet om dette fenomenet, som fortsatt ikke fullt ut forklares i form av Einsteins konklusjoner.
en Annen merkelig konklusjon av Einsteins arbeid kommer i fra den erkjennelse av at tiden beveger seg i forhold til observatøren., Et objekt i bevegelse erfaringer tid dilatasjon, noe som betyr at tiden går saktere når man beveger seg, enn når man står stille. Derfor, en person beveger seg eldes saktere enn en person på resten. Så ja, når astronaut Scott Kelly brukte nesten et år ombord på den Internasjonale romstasjonen i 2015-16, hans twin astronaut bror, Mark Kelly i alderen litt raskere enn Scott.
Dette blir svært tydelig i hastigheter som nærmer seg lysets hastighet. Tenk deg en 15-åringen reiser på 99,5 prosent lysets hastighet i fem år (fra astronaut perspektiv)., Når 15-åringen kommer tilbake til Jorden, ifølge NASA, han ville være bare 20 år gammel. Hans klassekamerater, ville imidlertid være 65 år gammel.
Mens denne gangen dilatasjon høres veldig teoretisk, den har praktiske anvendelser. Hvis du har en Global Satellitt-Posisjonering (GPS) mottakeren i bilen, mottakeren forsøk på å finne signaler fra minst tre satellitter for å koordinere din posisjon. GPS-satellittene sender ut tidsbestemt radio signaler om at mottakeren mottar, triangulere (eller mer riktig å snakke, trilaterating) sin posisjon basert på overføringstiden for signalene., Utfordringen er, atomklokkene på GPS-en er i bevegelse og vil derfor kjøre raskere enn atomklokkene på Jorden, å skape timing-problemer. Så, ingeniører trenger for å lage klokker på en GPS-tick tregere, ifølge Richard Pogge, en astronom ved Ohio State University.
klokker på plass kryss raskere, i henhold til Fysikk Sentral, fordi GPS-satellitter er over bakken og oppleve svakere tyngdekraft., Så selv om GPS-satellitter beveger seg, og oppleve en syv-mikrosekund bremse hver dag på grunn av sin bevegelse, er et resultat av svakere tyngdekraft får klokker til å krysse av på ca 45 mikrosekunder raskere enn en bakkebaserte klokke. Å legge til de to sammen resultatene i GPS-klokken tikker raskere enn en bakkebaserte klokke, med om lag 38 mikrosekunder daglig.
Spesielle relativitetsteorien og kvantemekanikken
mens vår kunnskap om fysikk har avansert, forskere har kjørt inn i flere counterintuitive situasjoner., Man prøver å forene generell relativitetsteori — som beskriver godt hva som skjer med store objekter — med kvantemekanikken, som er best for svært små ting (som for eksempel uran atom forfall). De to feltene, som perfekt beskriver deres individuelle felt, som er inkompatible med hverandre — som frustrert Einstein og generasjoner av forskere etter ham.
«Relativitetsteorien gir usammenhengende svar, når du prøver å skalere det ned til quantum størrelse, og til slutt ned til uendelig verdier i sin beskrivelse av tyngdekraften., Likeledes, quantum mechanics går inn i alvorlig trøbbel når du blåser det opp til kosmiske dimensjoner, en artikkel i The Guardian påpekt i 2015.
«Quantum felt bære en viss mengde energi, selv i tilsynelatende tomt rom, og mengden av energi blir større ettersom feltene blir større. I henhold til Einstein, energi og masse er tilsvarende (som er melding av E=mc2), så hoper seg opp energi er akkurat som hoper seg opp masse. Gå stor nok, og mengden av energi i quantum felt blir så stor at det skaper et sort hull som får universet til å kaste i seg selv. Oops.,»
Det er flere ideer for å overvinne dette (som er utenfor omfanget av denne artikkelen), men en tilnærming er å forestille seg en kvante-teori om gravitasjon som ville ha en massless partikkel (kalt graviton) til å generere kraft. Men som fysiker Dave Goldberg påpekt i io9 i 2013, og det er problemer med det. På den minste skalaer, gravitoner ville ha uendelig energi tetthet, for å skape et ufattelig kraftig tyngdekraften felt. Mer forskning vil være nødvendig for å se om dette er mulig.