Szczególna teoria względności, która na początku ubiegłego wieku wywróciła ogólnie przyjęte wyobrażenia o świecie, wciąż ekscytuje umysły i serca ludzi. Dzisiaj spróbujemy wspólnie dowiedzieć się, co to jest.
W 1905 roku Albert Einstein opublikował Specjalną Teorię Względności (SRT), która wyjaśniła, jak interpretować ruch między różnymi układami inercjalnymi - po prostu obiektami poruszającymi się ze stałą prędkością względem siebie.
Einstein wyjaśnił, że kiedy dwa obiekty poruszają się ze stałą prędkością, należy rozważyć ich ruch względem siebie, zamiast przyjmować jeden z nich jako absolutny układ odniesienia.
Jeśli więc dwóch astronautów, ty i, powiedzmy, Herman, lecicie w dwóch statkach kosmicznych i chcecie porównać swoje obserwacje, jedyne, co musicie wiedzieć, to wasze prędkości względem siebie.
Szczególna teoria względności rozważa tylko jeden przypadek specjalny (stąd nazwa), kiedy ruch jest prostoliniowy i jednostajny. Jeśli materialne ciało przyspiesza lub odwraca się na bok, prawa SRT przestają działać. Wtedy wchodzi w życie ogólna teoria względności (GTR), która wyjaśnia ruchy ciał materialnych w ogólnym przypadku.
Teoria Einsteina opiera się na dwóch podstawowych zasadach:
1. Zasada względności: prawa fizyczne są zachowane nawet dla ciał, które są inercjalnymi układami odniesienia, to znaczy poruszają się ze stałą prędkością względem siebie.
2. Zasada prędkości światła: prędkość światła pozostaje niezmienna dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od ich prędkości w stosunku do źródła światła. (Fizycy oznaczają prędkość światła literą c).
Film promocyjny:
Jednym z powodów sukcesu Alberta Einsteina jest to, że przedkładał dane eksperymentalne nad teoretyczne. Kiedy seria eksperymentów ujawniła wyniki, które były sprzeczne z ogólnie przyjętą teorią, wielu fizyków uznało, że eksperymenty te były błędne.
Albert Einstein był jednym z pierwszych, którzy zdecydowali się zbudować nową teorię w oparciu o nowe dane eksperymentalne.
Pod koniec IX wieku fizycy poszukiwali tajemniczego eteru - ośrodka, w którym zgodnie z ogólnie przyjętymi założeniami miały się rozchodzić fale świetlne, podobnie jak fale akustyczne, dla których potrzebne jest powietrze, lub innego ośrodka - stałego, ciekłego lub gazowego. Wiara w istnienie eteru doprowadziła do przekonania, że prędkość światła musi się zmieniać w zależności od prędkości obserwatora w stosunku do eteru.
Albert Einstein porzucił pojęcie eteru i zasugerował, że wszystkie prawa fizyczne, w tym prędkość światła, pozostają niezmienione niezależnie od prędkości obserwatora - jak wykazały eksperymenty.
Jednorodność przestrzeni i czasu
Einstein's SRT postuluje fundamentalny związek między przestrzenią a czasem. Jak wiecie, Wszechświat Materialny ma trzy wymiary przestrzenne: góra-dół, prawo-lewo i przód-tył. Dodaje się do niego jeszcze jeden wymiar - tymczasowy. Razem te cztery wymiary tworzą kontinuum czasoprzestrzenne.
Jeśli poruszasz się z dużą prędkością, twoje obserwacje w odniesieniu do przestrzeni i czasu będą się różnić od tych innych osób poruszających się z mniejszą prędkością.
Poniższy rysunek przedstawia eksperyment myślowy, który pomoże ci zrozumieć ten pomysł. Wyobraź sobie, że jesteś na statku kosmicznym, trzymając w dłoniach laser, za pomocą którego wysyłasz promienie światła na sufit, na którym zamocowane jest lustro. Światło odbite pada na detektor, który je rejestruje.
Powyżej - wysłałeś wiązkę światła w sufit, która została odbita i padła pionowo na detektor. Poniżej - w przypadku Hermana wiązka światła porusza się ukośnie w kierunku sufitu, a następnie po przekątnej w kierunku detektora.
Powyżej - wysłałeś wiązkę światła w sufit, która została odbita i padła pionowo na detektor. Poniżej - w przypadku Hermana wiązka światła porusza się ukośnie w kierunku sufitu, a następnie po przekątnej w kierunku detektora.
Powiedzmy, że twój statek porusza się ze stałą prędkością równą połowie prędkości światła (0,5c). Według SRT Einsteina nie ma to dla ciebie znaczenia, nawet nie zauważasz swojego ruchu.
Jednak Herman, obserwując cię z odpoczywającego statku kosmicznego, zobaczy zupełnie inny obraz. Z jego punktu widzenia wiązka światła będzie wędrować ukośnie do lustra na suficie, odbijać się od niego i padać ukośnie na detektor.
Innymi słowy, trajektoria wiązki światła będzie wyglądała inaczej dla ciebie i dla Hermana, a jej długość będzie inna. W związku z tym czas, w jakim promień lasera pokonuje odległość do lustra i do detektora, będzie wydawał się inny.
Zjawisko to nazywa się dylatacją czasu: czas na statku kosmicznym poruszającym się z dużą prędkością, z punktu widzenia obserwatora na Ziemi, płynie znacznie wolniej.
Ten przykład, podobnie jak wiele innych, jasno pokazuje nierozerwalny związek między przestrzenią a czasem. To powiązanie jest wyraźnie widoczne dla obserwatora tylko przy dużych prędkościach, bliskich prędkości światła.
Eksperymenty od czasu opublikowania przez Einsteina swojej wielkiej teorii potwierdziły, że przestrzeń i czas są w rzeczywistości postrzegane inaczej w zależności od prędkości ruchu obiektów.
Połączenie masy i energii
W swoim słynnym artykule opublikowanym w 1905 roku Einstein połączył masę i energię w prostym wzorze, znanym od tamtej pory każdemu uczniowi: E = mc².
Zgodnie z teorią wielkiego fizyka, gdy prędkość ciała materialnego rośnie, zbliżając się do prędkości światła, zwiększa się również jego masa. Te. im szybciej obiekt się porusza, tym cięższy się staje. W przypadku osiągnięcia prędkości światła masa ciała, jak również jego energia, stają się nieskończone. Im cięższe ciało, tym trudniej jest zwiększyć jego prędkość; potrzeba nieskończonej ilości energii, aby przyspieszyć ciało o nieskończonej masie, więc przedmioty materialne nie mogą osiągnąć prędkości światła.
Przed Einsteinem pojęcia masy i energii w fizyce były rozpatrywane osobno. Genialny naukowiec udowodnił, że prawo zachowania masy, podobnie jak prawo zachowania energii, jest częścią bardziej ogólnego prawa energii-masy.
Ze względu na fundamentalny związek między tymi dwoma koncepcjami, materię można zamienić w energię i odwrotnie - energię w materię.