Ајнштајнова теорија релативности

Аинстеинова теорија релативитета је позната теорија, али мало је разумјена. Теорија релативности односи се на два различита елемента исте теорије: општу релативност и посебну релативност. Прво је уведена теорија посебне релативности, а касније се сматрало да је посебан случај свеобухватније теорије опште релативности.

Општа релативност је теорија гравитације коју је Алберт Еинстеин развио између 1907. и 1915. године, уз доприносе многих других после 1915. године.

Еинстеинова теорија релативности укључује међусобно повезивање више различитих концепата, који укључују:

• Ајнштајнова теорија посебне релативности - локализовано понашање објеката у инерцијалним референтним оквирима, углавном релевантним само при брзинама врло близу брзине светлости
• Лорентз Трансформације - једначине трансформације које се користе за израчунавање промјена координата под посебном релативношћу
• Ајнштајнова теорија опште релативности - свеобухватнија теорија, која гравитацију третира као геометријски феномен закривљеног системског координатног система, који такође укључује неинерцијалне (тј. убрзавајуће) референтне оквире
  instagram viewer
• Основна начела релативности

Класична релативност (почетно дефинисана са Галилео Галилеи и оплеменио Сир Исак Њутн) укључује једноставну трансформацију између покретног објекта и посматрача у другом инерцијалном референтном оквиру. Ако ходате возом који се креће, а неко прибор на земљи посматра, ваша брзина у односу на посматрач ће бити збир ваше брзине у односу на воз и брзине влака у односу на посматрач. Налазите се у једном инерцијалном референтном оквиру, сам воз (и свако ко сједи на њему) је у другом, а посматрач у другом.

Проблем са тим је што се веровало да се светлост, у већини 1800-их, ширила као талас кроз универзал супстанца позната као етер, која би се рачунала као посебан референтни оквир (слично ономе у горњем тексту пример). Познати Мицхелсон-Морлеи експеримент, међутим, није успео да открије кретање Земље у односу на етар и нико није могао да објасни зашто. Нешто није било у реду с класичном интерпретацијом релативности док се примењивала на светлост... и тако је поље сазрело за нову интерпретацију када је дошао Ајнштајн.

1905 Алберт Ајнштајн објавио је (између осталог) и рад под називом "О електродинамици кретања" у часопису Аннален дер Пхисик. У раду је представљена теорија посебне релативности заснована на два постулата:

Принцип релативности (први постулат): Закони физике су исти за све инерцијалне референтне оквире.

Принцип постојаности брзине светлости (други постулат): Светлост се увек шири кроз вакуум (тј. Празан простор или "слободан простор") са одређеном брзином, ц, која је независна од стања кретања тела које емитује.

У ствари, рад представља формалнију, математичку формулацију постулата. Фразирање постулата мало се разликује од уџбеника до уџбеника због проблема превођења, од математичког немачког до разумљивог енглеског.

Други постулат је често погрешно написан тако да укључује брзину светлости у вакууму ц у свим референтним оквирима Ово је заправо изведени резултат два постулата, а не део самог другог постулата.

Први постулат је прилично здрав разум. Други постулат, међутим, била је револуција. Ајнштајн је то већ представио фотонска теорија светлости у свом раду о фотоелектрични ефекат (због чега је етер непотребан). Други постулат, дакле, био је последица масовних фотона који се крећу брзином ц у вакууму. Етер више није имао посебну улогу као "апсолутни" инерцијални референтни оквир, тако да није био само непотребан већ и квалитативно бескористан у специјалној релативности.

Што се тиче самог рада, циљ је био помирити Маквелл-ове једнаџбе за електрицитет и магнетизам са кретањем електрона у близини брзине светлости. Резултат Еинстеиновог рада био је увођење нових трансформација координата, названих Лорентзове трансформације, између инерцијалних референтних оквира. При малим брзинама, ове трансформације су у суштини идентичне класичном моделу, али при великим брзинама, близу брзине светлости, дале су радикално различите резултате.

Специјална релативност производи неколико последица примене Лорентзових трансформација на великим брзинама (близу брзине светлости). Међу њима су:

• Временска дилатација (укључујући популарни „близанци парадокс“)
• Контракција дужине
• Трансформација брзине
• Додатак релативистичке брзине
• Релативистички доплер ефекат
• Симултаност и синхронизација са сатом
• Релативистички замах
• Релативистичка кинетичка енергија
• Релативистичка маса
• Релативистичка тотална енергија

Поред тога, једноставне алгебарске манипулације горе наведених концепата дају два значајна резултата која заслужују појединачно спомињање.

Ајнштајн је могао да покаже да су маса и енергија повезани, кроз чувену формулу Е=мц2. Овај однос се најдраматичније показао свету када су нуклеарне бомбе на крају Другог светског рата ослобађале енергију масе у Хирошими и Нагасакију.

Ниједан предмет са масом не може убрзати до тачно брзине светлости. Објект без масе, попут фотона, може се кретати брзином светлости. (Ипак, фотон заправо не убрзава увек креће се тачно у брзина светлости.)

Али за физички објект брзина светлости је ограничење. Тхе кинетичке енергије брзином светлости иде у бесконачност, тако да то никада не може достићи убрзањем.

Неки су истакли да би се предмет у теорији могао кретати већом од брзине светлости, све док се није убрзао да би достигао ту брзину. За сада, физички субјекти никада нису приказали ту имовину.

1908, Мак Планцк применио је термин „теорија релативности“ како би описао ове концепте, због кључне улоге која је релативност играла у њима. Тада се, наравно, тај термин односио само на посебну релативност, јер још увек није постојала општа релативност.

Ајнштајнови релативност нису одмах прихватили физичари као целина јер је изгледала тако теоријски и контраинтуитивно. Када је добио Нобелову награду за 1921. годину, то је било посебно за његово решење фотоелектрични ефекат и за његов "допринос теоријској физици". Релативност је и даље била превише контроверзна да би се на њу могла посебно позивати.

Међутим, временом су се показала да су предвиђања посебне релативности тачна. На пример, показало се да сатови широм света успоравају током предвиђеног теорије.

Алберт Еинстеин није створио трансформације координата потребне за посебну релативност. То није морао, јер Лорентзове трансформације које су му биле потребне већ су постојале. Ајнштајн је био мајстор у узимању претходног посла и прилагођавању га новим ситуацијама, а то је учинио и са њим Лорентзове трансформације баш као што је употријебио Планцково рјешење из 1900. године за ултраљубичасту катастрофу ин зрачење црног тела да осмисли његово решење за фотоелектрични ефекати на тај начин развијају фотонска теорија светлости.

Трансформације је заправо први пут објавио Јосепх Лармор 1897. године. Нешто другачију верзију објавио је Волдемар Воигт деценију раније, али његова верзија је имала квадрат у једначини дилатације времена. Ипак, показало се да су обе верзије једначине инвариантне под Маквеловом једначином.

Математичар и физичар Хендрик Антоон Лорентз предложио је идеју „локалног времена“ како би објаснио релативну симултаност у 1895. иако је и почео самостално радити на сличним трансформацијама како би објаснио нултат резултат у Мицхелсон-Морлеи-у експеримент. Објавио је своје трансформације координата 1899. године, очигледно још увек није свестан Ларморове објаве, а 1904.

Године 1905. Хенри Поинцаре модификовао је алгебарске формулације и доделио их Лорентзу под називом „Лорентзове трансформације“, мењајући тако Ларморове шансе за бесмртност у овом погледу. Поинцареова формулација трансформације била је, у суштини, идентична оној коју би користио Еинстеин.

Трансформације примењене на четверодимензионални координатни систем, са три просторне координате (Икс, и, & з) и једнократна координата (т). Нове координате су означене апострофом, који је изговаран као "приме", такав Икс'изговара се Икс-главни. У доњем примеру брзина је у кк'смер, са брзином у:

Икс' = ( Икс - ут ) / скрт (1 - у2 / ц2 )
и' = и

з' = з

т' = { т - ( у / ц2 ) Икс } / скрт (1 - у2 / ц2 )

Трансформације се пружају првенствено у демонстративне сврхе. Специфичне апликације о њима ће се бавити засебно. Израз 1 / скрт (1 - у2/ц2) се у релативности тако често појављује да је означен грчким симболом гама у неким представкама.

Треба напоменути да у случајевима када у << ц, називник се срушава у основи скрт (1), што је само 1. Гамма у овим случајевима постаје само 1. Слично томе у/ц2 појам такође постаје врло мали. Стога, и дилатација простора и времена не постоји ни на једном значајном нивоу при брзинама много спорим од брзине светлости у вакууму.

Специјална релативност производи неколико последица примене Лорентзових трансформација на великим брзинама (близу брзине светлости). Међу њима су:

• Време дилатације (укључујући популарно „Твин Парадок")
• Контракција дужине
• Трансформација брзине
• Додатак релативистичке брзине
• Релативистички доплер ефекат
• Симултаност и синхронизација са сатом
• Релативистички замах
• Релативистичка кинетичка енергија
• Релативистичка маса
• Релативистичка тотална енергија

Неки истичу да је највећи део стварног посла за специјалну релативност већ обављен у време када га је Еинстеин представио. Концепти дилатације и симултаности за покретна тела већ су постојали, а математику су већ развили Лорентз и Поинцаре. Неки иду толико далеко да Еинстеина називају плагијатором.

Постоји одређена ваљаност ових трошкова. Свакако, "револуција" Ајнштајна изграђена је на плећима многих других дела, а Еинстеин је добио много више заслуга за своју улогу од оних који су радили грунт.

Истовремено, мора се узети у обзир да је Ајнштајн преузео те основне појмове и монтирао их на теоретски оквир који је направио они нису само математички трикови за спас теорије умирућег (тј. етера), већ и фундаментални аспекти природе. јел тако. Нејасно је да су Лармор, Лорентз или Поинцаре намеравали тако храбар потез, а историја је Еинстеина наградила за овај увид и смелост.

У теорији Алберта Еинстеина из 1905. (специјална релативност), он је показао да међу инерцијалним референтним оквирима нема „преферираног“ оквира. Развој опште релативности делимично је настао као покушај да се покаже да је тачно и међу не-инерцијалним (тј. Убрзавајућим) референтним оквирима.

1907. године Ајнштајн је објавио свој први чланак о гравитационим ефектима на светлост под посебном релативношћу. Аинстеин је у овом раду изнио свој "принцип еквиваленције", који је изјавио да је посматрање експеримента на Земљи (са гравитационим убрзањем г) било би идентично посматрању експеримента у ракетном броду који се кретао брзином г. Принцип еквиваленције може се формулисати као:

претпостављамо потпуну физичку еквивалентност гравитационог поља и одговарајуће убрзање референтног система.

као што је рекао Ајнштајн или наизменично као један Савремена физика књига га представља:

Не постоји локални експеримент који би могао да се направи како би се разликовали ефекти равномерне гравитације поље у инерцијалном оквиру који не убрзава и ефекти једнообразно убрзавајуће (неинерцијалне) референце Рам.

Други чланак о тој теми појавио се 1911. године, а до 1912. Ајнштајн је активно радио на замисли генерала теорија релативитета која би објаснила специјалну релативност, али би такође објаснила гравитацију као геометријску појава.

1915. Ајнштајн је објавио сет диференцијалних једначина познатих као Ајнштајнова једначења. Аинстеинова општа релативност приказала је универзум као геометријски систем три просторне и једне временске димензије. Присуство масе, енергије и замаха (колективно квантификовано као густина масе-енергије или стрес-енергија) резултирало савијањем овог координатног система простор-време. Гравитација се, дакле, кретала „најједноставнијом“ или најмање енергичном стазом дуж овог закривљеног простора-времена.

Најједноставнијим речима, и одузимајући сложену математику, Ајнштајн је пронашао следећи однос између закривљености простора-времена и густине масе-енергије:

(закривљеност простора-времена) = (густина масе-енергије) * 8 пи Г / ц4

Једнаџба показује директан, константан однос. Гравитациона константа, Г, долази из Невтонов закон гравитације, док зависност од брзине светлости, ц, очекује се од теорије посебне релативности. У случају нулте (или близу нуле) густине масе-енергије (тј. Празан простор), простор-време је равно. Класична гравитација је посебан случај манифестације гравитације у релативно слабом гравитационом пољу, где је ц4 термина (врло велики називник) и Г (врло мали бројач) чини корекцију закривљености малом.

Опет, Ајнштајн није ово повукао из капе. Јако се бавио риечанском геометријом (не-еуклидска геометрија коју је годинама развио математичар Бернхард Риеманн раније), премда је резултирајући простор био 4-димензионални Лорентзијев многоструки, а не строго римски геометрија. Ипак, Риеманнов рад био је од пресудне важности за довршење Еинстеинових једнаџби на терену.

За аналогију са опћом релативношћу, узмите у обзир да сте испружили постељину или комад еластичног стана, чврсто причврстивши углове на неке осигуране положаје. Сада започињете стављање ствари разних тежина на листу. Тамо где ставите нешто веома лагано, плоча ће се мало савити под тежином. Ако ставите нешто тешко, закривљеност би била још већа.

Претпоставимо да на листу стоји тежак предмет и ставите други, лакши, предмет на лист. Закривљеност коју је створио тежи предмет узроковаће да се лакши предмет „склизне“ дуж кривуље према њему, покушавајући да достигне тачку равнотеже где се више не помера. (У овом случају, наравно, постоје и друга разматрања - лопта ће се котрљати даље него што би коцка клизнула, због ефеката трења и слично.)

То је слично начину на који општа релативност објашњава гравитацију. Закривљеност светлосног објекта не утиче много на тешки предмет, али закривљеност коју ствара тешки предмет је оно што нас спречава да не плутамо у свемир. Закривљеност коју је створила Земља држи Месец у орбити, али истовремено, закривљеност коју је створио Месец је довољна да утиче на плиму.

Сви налази посебне релативности такође подржавају општу релативност, јер су теорије доследне. Општа релативност такође објашњава све појаве класичне механике, јер су и оне конзистентне. Поред тога, неколико налаза подржава јединствена предвиђања опште релативности:

• Прецесија перихелиона Меркура
• Гравитациони одбој звездане светлости
• Универзално ширење (у облику космолошке константе)
• Кашњење радарског одјека
• Хокингово зрачење из црних рупа

• Општи принцип релативности: Закони физике морају бити идентични за све посматраче, без обзира да ли су убрзани или не.
• Принцип опште коваријанције: Закони физике морају имати исти облик у свим координатним системима.
• Инерцијално кретање је геодезијско кретање: Светске линије честица које нису утицале на силе (тј. Инерцијално кретање) временске су или нулте геодезије просторног времена. (То значи да је тангента вектор или негативан или је нула.)
• Локална Лорентз Инварианце: Правила посебне релативности важе локално за све инерцијалне посматраче.
• Простор временске закривљености: Као што су описане Еинстеиновим једначинама поља, закривљеност простора у времену као одговор на масу, енергију и замах резултира да се гравитациони утицаји посматрају као облик инерцијалног кретања.

Принцип еквиваленције, који је Алберт Еинстеин користио као полазиште за општу релативност, показало се да је последица ових принципа.

Научници су 1922. открили да је примена Ајнштајнових поља једначина на космологију резултирала ширењем свемира. Ајнштајн је, верујући у статички универзум (и самим тим мислећи да су његове једначине у грешци), додао једна космолошка константа пољским једначинама, што је омогућило статичка решења.

Едвин Хубблеоткрили су 1929. године црвени помак од удаљених звезда, што је подразумевало да се крећу у односу на Земљу. Свемир се, чини се, проширио. Ајнштајн је уклањао космолошку константу из својих једначина, називајући је највећом грешком у каријери.

У деведесетима се за космолошку константу вратило интересовање у облику тамна енергија. Решења теорија квантног поља резултирала су огромном количином енергије у квантном вакууму простора, што је резултирало убрзаним ширењем свемира.

Када физичари покушају да примене теорију квантног поља на гравитационо поље, ствари постају веома збркане. Математички гледано, физичке величине укључују диверзију или резултат бесконачност. Гравитациона поља под опћом релативношћу захтевају бесконачан број корекција или "ренормализације" константи да би их прилагодили решеним једначинама.

Покушаји да се реши овај „проблем ренормализације“ леже у средишту теорија квантна гравитација. Теорије квантне гравитације обично раде уназад, предвиђајући теорију, а затим је тестирају, а не заправо покушавају одредити потребне бесконачне константе. То је стари трик у физици, али до сада ниједна теорија није адекватно доказана.

Главни проблем опште релативности, који је и иначе био веома успешан, је његова укупна неспојивост са квантном механиком. Велики део теоријске физике посвећен је покушају усклађивања два концепта: оног који предвиђа макроскопске појаве широм простора и оне које предвиђају микроскопске појаве, често унутар простора мањих од ан атом.

Поред тога, постоји одређена забринутост због Аинстеинове представе о просторном времену. Шта је просторно време? Да ли физички постоји? Неки су предвидјели "квантну пену" која се шири по свемиру. Недавни покушаји у Теорија струна (и његове подружнице) користе овај или други квантни приказ простора-времена. Недавни чланак у часопису Нев Сциентист предвиђа да би простор могао бити квантни сувишни флуид и да се цео универзум може ротирати на некој осе.

Неки људи су истакли да ако просторно време постоји као физичка супстанца, оно би деловало као универзални референтни оквир, баш као што је имао и етер. Антирелативисти су одушевљени овом перспективом, док други то виде као научни покушај дискредитације Ајнштајна васкрсавањем вековно мртвог концепта.

Извесни проблеми са карактеристикама црних рупа, где се закривљеност простора приближава бесконачности, такође су поставили сумњу у то да ли општа релативност тачно приказује универзум. Међутим, тешко је са сигурношћу знати од тада Црне рупе тренутно се може проучавати само издалека.

Као што то сада стоји, општа релативност је толико успешна да је тешко замислити да ће им она много наштетити недоследности и контроверзе док се не појави појава која је заправо у супротности са самим предвиђањима теорија.