Det sägs att epifaniet kom till Albert Einstein på ett ögonblick. Forskaren körde påstås köra med en spårvagn i Bern (Schweiz), såg på gatuklockan och insåg plötsligt att om spårvagnen nu accelererade till ljusets hastighet, så skulle hans klocka stanna - och det skulle inte vara någon tid runt. Detta ledde till att han formulerade en av relativitetens centrala postulater - att olika observatörer uppfattar verkligheten annorlunda, inklusive sådana grundläggande mängder som avstånd och tid.
Vetenskapligt sett insåg Einstein att beskrivningen av någon fysisk händelse eller fenomen beror på den referensram där observatören är belägen (se Coriolis-effekten). Om en passagerare på en spårvagn till exempel tappar glasögon, kommer de för henne att falla vertikalt nedåt, och för en fotgängare som står på gatan, kommer glasögon att falla i en parabola, eftersom spårvagnen rör sig medan glasögonen faller. Var och en har sin egen referensram.
Men även om beskrivningarna av händelser förändras under övergången från en referensram till en annan, finns det också universella saker som förblir oförändrade. Om vi istället för att beskriva fallet på glasögon ställer en fråga om naturlagen som får dem att falla, kommer svaret på det att vara detsamma för en iakttagare i ett fast koordinatsystem och för en iakttagare i ett rörligt koordinatsystem. Lagen för distribuerad trafik är lika giltig på gatan och i spårvagnen. Med andra ord, även om beskrivningen av händelser beror på iakttagaren, beror naturlagarna inte på honom, det vill säga, som de säger på vetenskapligt språk, de är invariant. Detta är relativitetsprincipen.
Liksom alla hypoteser måste relativitetsprincipen testas genom att korrelera den med verkliga naturfenomen. Från relativitetsprincipen härledde Einstein två separata (om än relaterade) teorier. Den speciella, eller speciella, relativitetsteorin bygger på antagandet att naturlagarna är desamma för alla referensramar som rör sig med konstant hastighet. Allmän relativitet utvidgar denna princip till alla referensramar, inklusive de som rör sig med acceleration. Den speciella relativitetsteorin publicerades 1905, och desto mer komplex ur den matematiska apparatens synvinkel fullbordades den generella relativitetsteorin av Einstein 1916.
Special relativitetsteori
De flesta av de paradoxala och motsägelsefulla intuitiva idéerna om effekternas värld som uppstår när man rör sig med en hastighet nära ljusets hastighet förutses av den relativa relativitetsteorin. Den mest kända av dem är effekten av att bromsa klockan eller effekten av att bromsa tiden. En klocka som rör sig relativt observatören går långsammare för honom än exakt samma klocka i händerna.
Tiden i ett koordinatsystem som rör sig med hastigheter nära ljusets hastighet sträcks relativt observatören, medan den rumsliga utsträckningen (längden) av objekt längs rörelsens axel, tvärtom, är komprimerad. Denna effekt, känd som Lorentz-Fitzgerald-kontraktionen, beskrevs 1889 av den irländska fysikern George Fitzgerald (1851-1901) och slutfördes 1892 av holländaren Hendrick Lorentz (1853-1928). Lorentz-Fitzgerald förkortningen förklarar varför Michelson-Morley-experimentet för att bestämma hastigheten på jordens rörelse i yttre rymden genom att mäta "etervinden" gav ett negativt resultat. Senare inkluderade Einstein dessa ekvationer i speciell relativitet och kompletterade dem med en liknande transformationsformel för massa,enligt vilken kroppens massa också ökar när kroppens hastighet närmar sig ljusets hastighet. Så med en hastighet på 260 000 km / s (87% av ljusets hastighet) kommer massan hos ett föremål från en observatørs synvinkel i vila referensramen fördubblas.
Kampanjvideo:
Sedan Einsteins tid hittar alla dessa förutsägelser, oavsett hur strider mot sunt förnuft de kan verka, fullständig och direkt experimentell bekräftelse. I ett av de mest avslöjande experimenten satte forskare vid University of Michigan en ultraexakt atomklocka ombord på en flygplan som genomförde regelbundna transatlantiska flygningar, och efter varje flygning tillbaka till hemflygplatsen kontrollerade de sina avläsningar mot kontrollklockan. Det visade sig att klockan på planet gradvis höll sig efter kontrollerna mer och mer (så att säga, när det gäller bråkdelar av en sekund). Under det senaste halva seklet har forskare forskat på elementära partiklar i enorma hårdvarukomplex som kallas acceleratorer. I dem accelereras strålar av laddade subatomära partiklar (som protoner och elektroner) till hastigheter nära ljusets hastighet,sedan avfyras de mot olika kärnkraftsmål. I sådana experiment på acceleratorer är det nödvändigt att ta hänsyn till ökningen i massan hos de accelererade partiklarna - annars kommer resultaten från experimentet helt enkelt inte att ge sig en rimlig tolkning. Och i detta avseende har den speciella relativitetsteorin länge gått från kategorin hypotetiska teorier till fältet verktyg för tillämpad teknik, där den används i nivå med Newtons mekaniklagar.
När jag återvänder till Newtons lagar vill jag särskilt notera att den speciella relativitetsteorin, även om den yttre motsätter sig lagarna i klassisk Newtonsk mekanik, faktiskt exakt återger alla de vanliga ekvationerna i Newtons lagar, om de tillämpas för att beskriva kroppar som rör sig med en hastighet mindre än ljusets hastighet. Det vill säga, den relativa relativitetsteorin avbryter inte den newtonska fysiken utan utvidgar och kompletterar den (denna idé diskuteras mer detaljerat i introduktionen).
Relativitetsprincipen hjälper också till att förstå varför ljusets hastighet, och inte någon annan, spelar en så viktig roll i denna modell av världens struktur - denna fråga ställs av många av dem som först mötte relativitetsteorin. Ljushastigheten sticker ut och spelar en speciell roll som en universalkonstant, eftersom den bestäms av en naturvetenskaplig lag (se Maxwells ekvationer). På grund av relativitetsprincipen är ljusets hastighet i ett vakuum, c, densamma i alla referensramar. Detta verkar motsäga sunt förnuft, eftersom det visar sig att ljus från en rörlig källa (oavsett hur snabbt det rör sig) och från en stationär källa når observatören samtidigt. Men det är så.
På grund av dess speciella roll i naturlagarna är ljusets hastighet central för den allmänna relativiteten.
Allmän relativitetsteori
Den allmänna relativitetsteorin tillämpas redan på alla referensramar (och inte bara för dem som rör sig med en konstant hastighet relativt varandra) och ser matematiskt mycket mer komplicerat ut än den speciella (som förklarar klyftan på elva år mellan deras publicering). Den innehåller som ett speciellt fall den speciella relativitetsteorin (och därför Newtons lagar). Dessutom går den allmänna relativitetsteorin mycket längre än alla dess föregångare. I synnerhet ger det en ny tolkning av gravitationen.
Allmän relativitet gör världen fyrdimensionell: tid läggs till de tre rumsliga dimensionerna. Alla fyra dimensioner är oskiljbara, så vi talar inte längre om det rumsliga avståndet mellan två objekt, som är fallet i den tredimensionella världen, utan om rymd-tidsintervallen mellan händelser som förenar deras avstånd från varandra - både i tid och i rymden … Det vill säga rymd och tid betraktas som en fyra-dimensionell rymd-tid kontinuum eller, helt enkelt, rymd-tid. I detta kontinuum kan observatörer som rör sig relativt varandra till och med vara oeniga om två händelser inträffade samtidigt - eller en föregick den andra. Lyckligtvis för våra fattiga sinnen kommer saker och ting inte att bryta mot orsak-och-effekt-relationer - det vill säga förekomsten av koordinatsystem,där två händelser inte inträffar samtidigt och i en annan sekvens tillåter inte ens den allmänna relativitetsteorin.
Newtons tyngdelag säger att det finns en kraft av ömsesidig attraktion mellan två kroppar i universum. Från denna synvinkel kretsar jorden kring solen, eftersom krafterna för ömsesidig attraktion verkar mellan dem. Allmän relativitet tvingar oss dock att titta på detta fenomen annorlunda. Enligt denna teori är tyngdkraften en följd av deformationen ("krökningen") av den elastiska vävnaden i rumstiden under påverkan av massan (i detta fall, desto tyngre en kropp, till exempel solen, desto mer rymden "böjer" sig under den och följaktligen, desto starkare är dess tyngdkraft fält). Föreställ dig en duk sträckt tätt (en slags trampolin) med en massiv boll på. Banan deformeras under kulans vikt och en trattformad fördjupning bildas runt den. Enligt allmän relativitet,Jorden kretsar runt solen som en liten boll som är inställd på att rulla runt konen i en tratt bildad som ett resultat av att "tvinga" rymdtid av en tung boll - solen. Och vad vi verkar vara tyngdkraften i själva verket är i själva verket en rent yttre manifestation av rymdtidens krökning, och inte alls en kraft i Newtons förståelse. Hittills har det inte hittats någon bättre förklaring av gravitationens natur än den allmänna relativitetsteorin. Hittills har det inte hittats någon bättre förklaring av gravitationens natur än den allmänna relativitetsteorin. Hittills har det inte hittats någon bättre förklaring av gravitationens natur än den allmänna relativitetsteorin.
Det är svårt att testa den allmänna relativitetsteorin, eftersom resultaten i vanliga laboratorieförhållanden nästan fullständigt sammanfaller med vad Newtons universella gravitationslag förutsäger. Ändå har flera viktiga experiment genomförts, och deras resultat gör det möjligt att betrakta teorin som bekräftad. Dessutom hjälper generell relativitet till att förklara de fenomen som vi observerar i rymden - till exempel mindre avvikelser från Merkurius från en stationär bana, som är oförklarliga med tanke på klassisk Newtonian mekanik, eller krökningen av elektromagnetisk strålning från avlägsna stjärnor när den passerar nära solen.
Faktum är att de resultat som förutses av den allmänna relativiteten skiljer sig markant från de resultat som förutses av Newtons lagar endast i närvaro av superstrong gravitationella fält. Detta innebär att för ett fullständigt test av den allmänna relativitetsteorin behövs antingen ultraexakta mätningar av mycket massiva föremål eller svarta hål, på vilka ingen av våra vanliga intuitiva idéer är tillämpliga. Så utvecklingen av nya experimentella metoder för att testa relativitetsteorin är fortfarande en av de viktigaste uppgifterna för experimentell fysik.