teoria szczególnej teorii względności wyjaśnia, w jaki sposób przestrzeń i czas są połączone dla obiektów, które poruszają się ze stałą prędkością w linii prostej. Jednym z jego najbardziej znanych aspektów są obiekty poruszające się z prędkością światła.
Mówiąc najprościej, gdy obiekt zbliża się do prędkości światła, jego masa staje się nieskończona i nie jest w stanie jechać szybciej niż światło podróżuje., To kosmiczne ograniczenie prędkości było przedmiotem wielu dyskusji w fizyce, a nawet w science fiction, ponieważ ludzie myślą o tym, jak podróżować na duże odległości.
teoria szczególnej teorii względności została opracowana przez Alberta Einsteina w 1905 roku i stanowi część podstaw współczesnej fizyki. Po zakończeniu pracy w szczególnej teorii względności Einstein spędził dekadę zastanawiając się, co by się stało, gdyby wprowadzono przyspieszenie. To stanowiło podstawę jego ogólnej teorii względności, opublikowanej w 1915 roku.,
Historia
zanim Einstein, astronomowie (w większości) rozumieli wszechświat w kategoriach trzech praw ruchu przedstawionych przez Isaaca Newtona w 1686 roku. Te trzy prawa to:
(1) obiekty w ruchu (lub w spoczynku) pozostają w ruchu (lub w spoczynku), chyba że zewnętrzna siła narzuca zmianę.
(2) siła jest równa zmianie pędu na zmianę czasu. Dla stałej masy siła jest równa masie razy przyspieszenie.
(3) dla każdej akcji istnieje reakcja równa i przeciwna.,
ale według Encyclopedia Britannica przez dziesięciolecia istniały pęknięcia w teorii przed pojawieniem się Einsteina na scenie. W 1865 roku szkocki fizyk James Clerk Maxwell udowodnił, że światło jest falą składową zarówno elektryczną, jak i magnetyczną i ustalił prędkość światła (186 000 mil na sekundę). Naukowcy przypuszczali, że światło musi być transmitowane przez jakieś medium, które nazwali eterem. (Teraz wiemy, że nie jest wymagane medium transmisyjne, a światło w przestrzeni porusza się w próżni.,)
dwadzieścia lat później nieoczekiwany wynik postawił to pod znakiem zapytania. Fizyk A. A. Michelson i chemik Edward Morley (obaj Amerykanie w tym czasie) obliczyli, jak ruch Ziemi przez ten „eter” wpłynął na sposób pomiaru prędkości światła i odkryli, że prędkość światła jest taka sama bez względu na ruch Ziemi. Doprowadziło to do dalszych rozważań na temat zachowania światła — i jego niezgodności z mechaniką klasyczną — przez austriackiego fizyka Ernsta Macha i francuskiego matematyka Henriego Poincarégo.
Einstein zaczął myśleć o zachowaniu światła, gdy miał zaledwie 16 lat, w 1895 roku., Zrobił eksperyment myślowy, encyklopedia mówi, gdzie jechał na jednej fali świetlnej i spojrzał na inną falę świetlną poruszającą się równolegle do niego.
fizyka Klasyczna powinna powiedzieć, że fala świetlna, na którą patrzył Einstein, miałaby względną prędkość zerową, ale było to sprzeczne z równaniami Maxwella, które pokazywały, że światło ma zawsze tę samą prędkość: 186 000 mil na sekundę., Innym problemem z prędkościami względnymi jest to, że pokazują one, że prawa elektromagnetyzmu zmieniają się w zależności od punktu widzenia, co również przeczy fizyce klasycznej (która mówi, że prawa fizyki są takie same dla wszystkich.)
doprowadziło to do ewentualnych rozważań Einsteina na temat teorii szczególnej teorii względności, które załamał na codziennym przykładzie osoby stojącej obok poruszającego się pociągu, porównując obserwacje z osobą wewnątrz pociągu. Wyobrażał sobie, że pociąg znajduje się w punkcie toru równo między dwoma drzewami., Jeśli piorun uderzy w oba drzewa w tym samym czasie, z powodu ruchu pociągu, osoba w pociągu zobaczy, że piorun uderzy w jedno drzewo przed drugim drzewem. Ale osoba obok toru zobaczyłaby równoczesne uderzenia.
„Einstein doszedł do wniosku, że symultaniczność jest względna; zdarzenia, które są symultaniczne dla jednego obserwatora, mogą nie być dla innego” – podaje encyklopedia. „Doprowadziło go to do przeciwstawnego poglądu, że czas płynie inaczej w zależności od stanu ruchu, i do wniosku, że odległość jest również względna.,”
słynne równanie
prace Einsteina doprowadziły do zaskakujących wyników, które na pierwszy rzut oka nadal wydają się sprzeczne z intuicją, mimo że jego fizyka jest zwykle wprowadzana na poziomie szkoły średniej.
jeden z najbardziej znanych równań w matematyce pochodzi ze specjalnej teorii względności., Równanie – E = mc2-oznacza ” energia równa się masie razy prędkości światła do kwadratu.”Pokazuje, że energia (E) i masa (m) są wymienne; są to różne formy tego samego czegoś. Jeśli masa jest w jakiś sposób całkowicie przekształcona w energię, pokazuje również, ile energii znajduje się wewnątrz tej masy: całkiem dużo. (Równanie to jest jednym z demonstracji dlaczego bomba atomowa jest tak potężna, kiedy jej masa zostanie zamieniona na eksplozję.)
to równanie pokazuje również, że masa wzrasta wraz z prędkością, co skutecznie stawia ograniczenie prędkości na to, jak szybko rzeczy mogą poruszać się we wszechświecie., Mówiąc najprościej, prędkość światła (c) jest najszybszą prędkością, z jaką obiekt może podróżować w próżni. Gdy obiekt się porusza, jego masa również wzrasta. W pobliżu prędkości światła masa jest tak duża, że osiąga nieskończoność i wymaga nieskończonej energii, aby ją poruszyć, ograniczając tym samym szybkość poruszania się obiektu. Jedynym powodem, dla którego światło porusza się z taką prędkością, jest fakt, że fotony, cząstki kwantowe tworzące światło, mają masę równą zero.,
specjalna sytuacja we wszechświecie małego, zwana „kwantowym splątaniem”, jest myląca, ponieważ wydaje się, że dotyczy cząstek kwantowych oddziałujących ze sobą z prędkością większą niż prędkość światła. W szczególności, pomiar właściwości jednej cząstki może natychmiast powiedzieć właściwość innej cząstki, bez względu na to, jak daleko są. Wiele napisano na temat tego zjawiska, które nadal nie jest w pełni wyjaśnione w kategoriach wniosków Einsteina.
kolejny dziwny wniosek z pracy Einsteina wynika z uświadomienia sobie, że czas porusza się względem obserwatora., Obiekt w ruchu doświadcza dylatacji czasu, co oznacza, że czas porusza się wolniej, gdy ktoś się porusza, niż gdy stoi w miejscu. Dlatego osoba poruszająca się starzeje się wolniej niż osoba w spoczynku. Więc tak, kiedy astronauta Scott Kelly spędził prawie rok na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w latach 2015-16, jego brat bliźniak astronauta Mark Kelly postarzał się nieco szybciej niż Scott.
staje się to niezwykle widoczne przy prędkościach zbliżających się do prędkości światła. Wyobraź sobie, że 15-latek podróżuje z 99,5% prędkością światła przez pięć lat (z perspektywy astronauty)., Kiedy 15-latek wróci na ziemię, według NASA, będzie miał tylko 20 lat. Jego koledzy z klasy mieli jednak 65 lat.
chociaż Dylatacja czasowa brzmi bardzo teoretycznie, ma również praktyczne zastosowania. Jeśli masz Odbiornik GPS (Global Positioning Satellite) w samochodzie, odbiornik próbuje znaleźć sygnały z co najmniej trzech satelitów, aby skoordynować Twoją pozycję. Satelity GPS wysyłają czasowe sygnały radiowe, które odbiornik nasłuchuje, triangulując (lub dokładniej mówiąc, trilaterując) swoją pozycję w oparciu o czas podróży sygnałów., Wyzwanie polega na tym, że zegary atomowe na GPS poruszają się i dlatego działają szybciej niż zegary atomowe na Ziemi, tworząc problemy z czasem. Według Richarda Pogge ' a, astronoma z Ohio State University, inżynierowie muszą zwolnić zegar na GPS.
zegary w kosmosie kleszczą szybciej, według Physics Central, ponieważ satelity GPS znajdują się nad ziemią i doświadczają słabszej grawitacji., Tak więc, mimo że satelity GPS poruszają się i doświadczają siedem mikrosekund spowolnienia każdego dnia z powodu ich ruchu, wynik słabszej grawitacji powoduje, że zegary tykają o 45 mikrosekund szybciej niż zegar naziemny. Dodanie tych dwóch razem powoduje, że zegar satelitarny GPS tyka szybciej niż zegar naziemny, o około 38 mikrosekund dziennie.
specjalna teoria względności i mechanika kwantowa
wraz z rozwojem naszej wiedzy o fizyce, naukowcy napotykają na więcej przeciwstawnych sytuacji., Próbuje się pogodzić ogólną teorię względności-która dobrze opisuje, co dzieje się z dużymi obiektami — z mechaniką kwantową, która jest najlepiej stosowana do bardzo małych rzeczy (takich jak rozpad atomu uranu). Te dwa pola, które doskonale opisują swoje poszczególne pola, są ze sobą niezgodne — co sfrustrowało Einsteina i kolejne pokolenia naukowców.
„teoria względności daje bezsensowne odpowiedzi, gdy próbuje się ją skalować do wielkości kwantowych, ostatecznie malejąc do nieskończonych wartości w swoim opisie grawitacji., Podobnie, mechanika kwantowa wpada w poważne kłopoty, gdy wysadzisz ją do kosmicznych wymiarów”, artykuł w The Guardian wskazał w 2015 roku.
„pola kwantowe przenoszą pewną ilość energii, nawet w pozornie pustej przestrzeni, a ilość energii staje się większa, gdy pola stają się większe. Według Einsteina energia i masa są równoważne (to jest wiadomość E = mc2), więc nagromadzenie energii jest dokładnie takie samo jak nagromadzenie masy. Wystarczająco duży, a ilość energii w polach kwantowych staje się tak wielka, że tworzy czarną dziurę, która powoduje, że wszechświat składa się na siebie. UPS.,”
istnieje kilka pomysłów, aby to przezwyciężyć (które są poza zakresem tego artykułu), ale jednym z nich jest wyobrażenie sobie kwantowej teorii grawitacji, która miałaby bezmasową cząstkę (zwaną grawitonem) do generowania siły. Ale jak zauważył fizyk Dave Goldberg w io9 w 2013 roku, są z tym problemy. W najmniejszych skalach grawitony miałyby nieskończoną gęstość energii, tworząc niewyobrażalnie potężne pole grawitacyjne. Więcej badań będzie wymagane, aby sprawdzić, czy jest to możliwe.