teorin om speciell relativitetsteori förklarar hur utrymme och tid är kopplade till objekt som rör sig i en jämn hastighet i en rak linje. En av dess mest kända aspekter gäller föremål som rör sig med ljusets hastighet.
enkelt uttryckt, eftersom ett objekt närmar sig ljusets hastighet, blir dess massa oändlig och det går inte att gå snabbare än ljusresor., Denna kosmiska hastighetsgräns har varit föremål för mycket diskussion inom fysiken, och även i science fiction, som människor tänker på hur man reser över stora avstånd.
teorin om speciell relativitet utvecklades av Albert Einstein 1905, och den utgör en del av grunden för modern fysik. Efter att ha avslutat sitt arbete i speciell relativitet spenderade Einstein ett decennium med att fundera över vad som skulle hända om man introducerade acceleration. Detta utgjorde grunden för hans allmänna relativitet, publicerad 1915.,
historia
innan Einstein förstod astronomer (för det mesta) universum i form av tre rörelselagar som presenterades av Isaac Newton 1686. Dessa tre lagar är:
(1) föremål i rörelse (eller i vila) förblir i rörelse (eller i vila) om inte en yttre kraft medför förändring.
(2) kraften är lika med förändringen i momentum per förändring av tiden. För en konstant massa är kraften lika med mass gånger acceleration.
(3) för varje åtgärd finns en jämn och motsatt reaktion.,
men det fanns sprickor i teorin i årtionden före Einsteins ankomst på scenen, enligt Encyclopedia Britannica. 1865 visade den skotske fysikern James Clerk Maxwell att ljus är en våg med både elektriska och magnetiska komponenter och fastställde ljusets hastighet (186,000 miles per sekund). Forskare trodde att ljuset måste överföras genom något medium, som de kallade etern. (Vi vet nu att inget överföringsmedium krävs, och att ljuset i rymden rör sig i vakuum.,)
tjugo år senare ifrågasatte ett oväntat resultat detta. Fysikern A. A. Michelson och kemisten Edward Morley (båda amerikanerna vid den tiden) beräknade hur jordens rörelse genom denna ”eter” påverkade hur ljusets hastighet mäts och fann att ljusets hastighet är densamma oavsett vad jordens rörelse är. Detta ledde till ytterligare funderingar på ljusets beteende – och dess inkongruens med klassisk mekanik-av österrikisk fysiker Ernst Mach och fransk matematiker Henri Poincare.
Einstein började tänka på ljusets beteende när han bara var 16 år gammal, 1895., Han gjorde ett tankeexperiment, encyklopedin sa, där han red på en ljusvåg och tittade på en annan ljusvåg som rörde sig parallellt med honom.
klassisk fysik bör säga att ljusvågen Einstein tittade på skulle ha en relativ hastighet på noll, men detta motsade Maxwells ekvationer som visade ljus har alltid samma hastighet: 186,000 miles per sekund., Ett annat problem med relativa hastigheter är att de skulle visa att elektromagnetismens lagar förändras beroende på din utsiktspunkt, vilket också motsatte sig klassisk fysik (vilket sa att fysikens lagar var desamma för alla.)
detta ledde till Einsteins eventuella musings på teorin om speciell relativitet, som han bröt ner i det dagliga exemplet på en person som står bredvid ett rörligt tåg och jämförde observationer med en person inuti tåget. Han föreställde sig att tåget var på en punkt i spåret lika mellan två träd., Om en blixt träffar båda träden samtidigt, på grund av tågets rörelse, skulle personen på tåget se bulten slå ett träd före det andra trädet. Men personen bredvid banan skulle se samtidiga strejker.
”Einstein drog slutsatsen att samtidighet är relativ; händelser som är samtidiga för en observatör kanske inte är för en annan,” uppslagsverket anges. ”Detta ledde honom till den kontraintuitiva idén att tiden flyter annorlunda enligt rörelsetillståndet och till slutsatsen att Avståndet också är relativt.,”
berömda ekvation
Einsteins arbete ledde till några häpnadsväckande resultat, som idag fortfarande verkar kontraintuitiva vid första anblicken trots att hans fysik vanligtvis introduceras på gymnasienivå.
en av de mest kända ekvationerna i matematik kommer från speciell relativitet., Ekvationen – E = mc2-betyder ” energi är lika med massa gånger ljusets hastighet kvadrat.”Det visar att energi (E) och massa (m) är utbytbara; de är olika former av samma sak. Om massan på något sätt helt omvandlas till energi, det visar också hur mycket energi skulle bo inuti den massan: en hel del. (Denna ekvation är en av demonstrationerna för varför en atombomb är så kraftfull, när dess massa omvandlas till en explosion.)
denna ekvation visar också att massan ökar med hastighet, vilket effektivt sätter en hastighetsgräns på hur snabba saker kan röra sig i universum., Enkelt uttryckt är ljusets hastighet (c) den snabbaste hastigheten vid vilken ett objekt kan resa i vakuum. När ett objekt rör sig ökar dess massa också. Nära ljusets hastighet är massan så hög att den når oändligheten och skulle kräva oändlig energi för att flytta den, vilket begränsar hur snabbt ett objekt kan röra sig. Den enda anledningen till att ljuset rör sig med den hastighet det gör är att fotoner, kvantpartiklarna som utgör ljus, har en massa på noll.,
en speciell situation i universum av de små, som kallas ”quantum entanglement”, är förvirrande eftersom det verkar innebära kvantpartiklar som interagerar med varandra vid hastigheter snabbare än ljusets hastighet. Specifikt kan mätning av egenskapen hos en partikel omedelbart berätta egenskapen hos en annan partikel, oavsett hur långt bort de är. Mycket har skrivits om detta fenomen, vilket fortfarande inte förklaras fullt ut när det gäller Einsteins slutsatser.
en annan konstig slutsats av Einsteins arbete kommer från insikten att tiden rör sig i förhållande till observatören., Ett objekt i rörelse upplever tidsutvidgning, vilket innebär att tiden rör sig långsammare när man rör sig, än när man står stilla. Därför flyttar en person långsammare än en person i vila. Så ja, när astronaut Scott Kelly tillbringade nästan ett år ombord på den internationella rymdstationen i 2015-16, hans tvilling astronaut bror Mark Kelly åldrade lite snabbare än Scott.
detta blir extremt uppenbart vid hastigheter som närmar sig ljusets hastighet. Föreställ dig en 15-årig resa på 99,5 procent ljusets hastighet i fem år (ur astronautens perspektiv)., När den 15-årige kommer tillbaka till Jorden, enligt NASA, skulle han bara vara 20 år gammal. Hans klasskamrater skulle dock vara 65 år gammal.
även om denna tidsutvidgning låter mycket teoretisk, har den också praktiska tillämpningar. Om du har en GPS-mottagare (Global Positioning Satellite) i bilen försöker mottagaren hitta signaler från minst tre satelliter för att samordna din position. GPS-satelliterna skickar ut tidsinställda radiosignaler som mottagaren lyssnar på, triangulerar (eller mer korrekt talande, trilaterating) sin position baserat på signalernas restid., Utmaningen är att atomklockorna på GPS rör sig och skulle därför springa snabbare än atomklockor på jorden, vilket skapar timingproblem. Så, ingenjörer måste göra klockorna på en GPS tick långsammare, enligt Richard Pogge, en astronom vid Ohio State University.
klockorna i rymden kryssar snabbare, enligt fysikens centrala, eftersom GPS-satelliterna ligger över jorden och upplever svagare gravitation., Så även om GPS-satelliterna rör sig och upplever en sju-mikrosekund som saktar varje dag på grund av deras rörelse, orsakar resultatet av den svagare gravitationen klockorna att kryssa om 45 mikrosekunder snabbare än en markbaserad klocka. Att lägga till de två tillsammans resulterar i GPS – satelliten klockan tickar snabbare än en markbaserad klocka, med cirka 38 mikrosekunder dagligen.
speciell relativitet och kvantmekanik
eftersom vår kunskap om fysik har avancerat har forskare stött på mer kontraintuitiva situationer., Man försöker förena allmän relativitet – som beskriver väl vad som händer med stora föremål-med kvantmekanik, som bäst används för mycket små saker (som uranatomförfall). De två fälten, som utmärkt beskriver sina enskilda fält, är oförenliga med varandra — vilket frustrerade Einstein och generationer av forskare efter honom.
”relativitet ger meningslösa svar när du försöker skala ner det till kvantstorlek, så småningom fallande till oändliga värden i sin beskrivning av gravitationen., På samma sätt går kvantmekaniken i allvarliga problem när du spränger upp det till kosmiska dimensioner”, påpekade en artikel i Guardian 2015.
”kvantfält bär en viss mängd energi, även i till synes tomt utrymme, och mängden energi blir större när fälten blir större. Enligt Einstein är energi och massa ekvivalenta (det är meddelandet om E=mc2), så att stapla upp energi är precis som att stapla upp massa. Gå tillräckligt stor, och mängden energi i kvantfälten blir så stor att det skapar ett svart hål som får universum att vika in sig själv. Oj.,”
det finns flera idéer för att övervinna detta (som ligger utanför denna artikel), men ett tillvägagångssätt är att föreställa sig en kvant gravitationsteori som skulle ha en masslös partikel (kallad graviton) för att generera kraften. Men som fysikern Dave Goldberg påpekade i io9 i 2013 finns det problem med det. Vid de minsta skalorna skulle gravitons ha oändlig energitäthet, vilket skapar ett ofattbart kraftfullt gravitationsfält. Mer studie kommer att krävas för att se om detta är möjligt.