Einstein'ın Görelilik Teorisi

Einstein'ın görelilik teorisi ünlü bir teoridir, ancak çok az anlaşılmıştır. İzafiyet teorisi, aynı teorinin iki farklı unsurunu ifade eder: genel görelilik ve özel görelilik. İlk olarak özel görelilik kuramı getirildi ve daha sonra genel göreliliğin daha kapsamlı teorisinin özel bir durumu olarak kabul edildi.

Genel görelilik, 1907-1915 yılları arasında Albert Einstein'ın 1915'ten sonra başkalarının katkılarıyla geliştirdiği bir çekim teorisidir.

Einstein'ın görelilik teorisi, aşağıdakileri içeren birkaç farklı kavramın birlikte çalışmasını içerir:

• Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi - ataletsel referans çerçevelerindeki nesnelerin yerelleştirilmiş davranışı, genellikle sadece ışık hızına çok yakın hızlarda
• Lorentz Dönüşümleri - özel görelilik altında koordinat değişikliklerini hesaplamak için kullanılan dönüşüm denklemleri
• Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi - yerçekimini kavisli bir uzay-zaman koordinat sisteminin geometrik bir fenomeni olarak ele alan ve aynı zamanda önemsiz olmayan (yani hızlanan) referans çerçevelerini de içeren daha kapsamlı teori
instagram viewer
• Göreliliğin Temel İlkeleri

Klasik görelilik (başlangıçta Galileo Galilei ve Sir tarafından rafine edildi Isaac Newton), başka bir eylemsizlik referans çerçevesinde hareket eden bir nesne ile bir gözlemci arasında basit bir dönüşümü içerir. Hareket eden bir trende yürüyorsanız ve yerdeki bir kırtasiye izliyorsa, hızınız gözlemci trene göre hızınızın ve trene göre hızınızın toplamı olacaktır. gözlemci. Ataletsel bir referans çerçevesindesiniz, trenin kendisi (ve hala üzerinde oturan herkes) diğerinde ve gözlemci hala başka bir konumda.

Buradaki sorun, ışığın 1800'lerin çoğunda evrensel bir dalga olarak yayıldığına inanılıyordu. ayrı bir referans çerçevesi olarak sayılan eter olarak bilinen madde (yukarıdaki trene benzer) misal). Ünlü Michelson-Morley deneyi, ancak, eterin göreceli olarak Dünya'nın hareketini tespit edememişti ve kimse nedenini açıklayamadı. Işığa uyguladığı için klasik görelilik yorumu ile ilgili bir sorun vardı... ve böylece Einstein ortaya çıktığında yeni bir yorum için alan olgunlaştı.

1905'te, Albert Einstein (diğer şeylerin yanı sıra) "Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine" dergide Annalen der Physik. Makale, iki önermeye dayanan özel görelilik teorisini sundu:

Görelilik İlkesi (Birinci Postüla): Fizik yasaları tüm eylemsizlik referans çerçeveleri için aynıdır.

Işık Hızı Sabitliği Prensibi (İkinci Postüla): Işık her zaman bir vakum (yani boş alan veya "boş alan") aracılığıyla, belirli bir hızda yayılır, bu da yayıcı cismin hareket durumundan bağımsızdır.

Aslında, makale postülatların daha resmi, matematiksel bir formülasyonunu sunmaktadır. Postülaların ifadesi, çeviri sorunları, matematiksel Almanca'dan anlaşılır İngilizce'ye kadar ders kitabından ders kitabına biraz farklıdır.

İkinci postüla genellikle bir boşluktaki ışık hızının c tüm referans çerçevelerinde. Bu aslında ikinci postülatın kendisinden ziyade iki postülatın türetilmiş bir sonucudur.

İlk varsayım oldukça sağduyu. Ancak, ikinci varsayım devrimdi. Einstein zaten foton ışık teorisi onun gazetesinde fotoelektrik etki (eteri gereksiz kılar). Bu nedenle ikinci postüla, hızda hareket eden kütlesiz fotonların bir sonucuydu c vakumda. Eter artık "mutlak" ataletsel bir referans çerçevesi olarak özel bir role sahip değildi, bu yüzden sadece gereksiz değil aynı zamanda özel görelilik altında niteliksel olarak yararsızdı.

Kağıdın kendisine gelince, amaç Maxwell'in elektrik ve manyetizma denklemlerini elektronların ışık hızına yakın hareketiyle uzlaştırmaktı. Einstein'ın çalışmasının sonucu, eylemsizlik referans çerçeveleri arasında Lorentz dönüşümleri adı verilen yeni koordinat dönüşümlerini tanıtmaktı. Yavaş hızlarda, bu dönüşümler esasen klasik modelle özdeşti, ancak yüksek hızlarda, ışık hızına yakın, radikal olarak farklı sonuçlar ürettiler.

Özel görelilik, Lorentz dönüşümlerini yüksek hızlarda (ışık hızına yakın) uygulamaktan birkaç sonuç verir. Aralarında:

• Zaman uzaması (popüler "ikiz paradoks" dahil)
• Uzunluk daralması
• Hız dönüşümü
• Göreceli hız ilavesi
• Göreceli doppler etkisi
• Eşzamanlılık ve saat senkronizasyonu
• Göreli momentum
• Relativistik kinetik enerji
• Göreli kütle
• Göreceli toplam enerji

Ek olarak, yukarıdaki kavramların basit cebirsel manipülasyonları, bireysel olarak bahsedilmeyi hak eden iki önemli sonuç verir.

Einstein, ünlü formülle kütle ve enerjinin ilişkili olduğunu gösterebildi. E=mc2. Bu ilişki, II.Dünya Savaşı'nın sonunda Hiroşima ve Nagazaki'deki nükleer bombaların serbest bırakılmasıyla dünya için en çarpıcı şekilde kanıtlanmıştır.

Kütleli hiçbir nesne ışığın hızını tam olarak hızlandıramaz. Bir foton gibi kütlesiz bir nesne ışık hızında hareket edebilir. (Bir foton aslında hızlanmıyor, çünkü her zaman tam olarak ışık hızı.)

Ancak fiziksel bir nesne için ışığın hızı bir sınırdır. kinetik enerji Işık hızında sonsuzluğa gider, bu yüzden ona asla hızlanma ile ulaşılamaz.

Bazıları, bir nesnenin teoride, o hıza ulaşmak için hızlanmadığı sürece ışık hızından daha yüksek bir hızda hareket edebileceğine dikkat çekti. Ancak, şimdiye kadar hiçbir fiziksel varlık bu özelliği göstermedi.

1908'de, Max Planck bu kavramları tanımlamak için "görelilik teorisi" terimini uyguladılar. O zaman, elbette, terim sadece özel göreliliğe uygulandı, çünkü henüz genel görelilik yoktu.

Einstein'ın göreliliği hemen bir bütün olarak fizikçiler tarafından benimsenmedi çünkü teorik ve mantıksız görünüyordu. 1921 Nobel Ödülü'nü aldığında, özellikle fotoelektrik etki ve "Teorik Fiziğe katkıları" için. Görelilik hala özel olarak atıfta bulunulamayacak kadar tartışmalıdır.

Bununla birlikte, zamanla, özel görelilik tahminlerinin doğru olduğu gösterilmiştir. Örneğin, dünya çapında akan saatlerin teorinin öngördüğü süre boyunca yavaşladığı gösterilmiştir.

Albert Einstein özel görelilik için gereken koordinat dönüşümlerini yaratmadı. Yapmak zorunda değildi çünkü ihtiyacı olan Lorentz dönüşümleri zaten vardı. Einstein, önceki çalışmaları alıp yeni durumlara adapte etme ustasıydı ve bunu Lorentz dönüşümleri tıpkı Planck'ın ultraviyole felaketine 1900 çözümünü kullandığı gibi içinde siyah vücut radyasyonu çözümünü fotoelektrik etkive böylece foton ışık teorisi.

Dönüşümler aslında ilk kez 1897'de Joseph Larmor tarafından yayınlandı. On yıl önce Woldemar Voigt tarafından biraz farklı bir versiyon yayınlanmıştı, ancak versiyonunun zaman genişleme denkleminde bir karesi vardı. Yine de, denklemin her iki versiyonunun Maxwell denklemi altında değişmez olduğu gösterilmiştir.

Matematikçi ve fizikçi Hendrik Antoon Lorentz, göreceli eşzamanlılığı açıklamak için "yerel zaman" fikrini önerdi. 1895, ve Michelson-Morley null sonucu açıklamak için benzer dönüşümler üzerinde bağımsız olarak çalışmaya başladı Deney. Koordinat dönüşümlerini 1899'da yayınladı, görünüşe göre Larmor'un yayınlanmasından habersizdi ve 1904'te zaman genişlemesi ekledi.

1905'te Henri Poincare cebirsel formülasyonları değiştirdi ve bunları Lorentz'e "Lorentz dönüşümleri" adıyla atfederek Larmor'un bu konuda ölümsüzlük şansını değiştirdi. Poincare'nin dönüşüm formülasyonu esasen Einstein'ın kullanacağı ile aynıydı.

Üç boyutlu koordinatlarla dört boyutlu bir koordinat sistemine uygulanan dönüşümler (x, y, & z) ve bir kerelik koordinat (t). Yeni koordinatlar "asal" olarak telaffuz edilen kesme işaretiyle gösterilir. x' Telaffuz edildi x-önemli. Aşağıdaki örnekte, hız xx'yönü, hız ile u:

x' = ( x - ut ) / sqrt (1 - u2 / c2 )
y' = y

z' = z

t' = { t - ( u / c2 ) x } / sqrt (1 - u2 / c2 )

Dönüşümler öncelikle tanıtım amaçlıdır. Bunların özel uygulamaları ayrı ayrı ele alınacaktır. 1 / sqrt terimi (1 - u2/c2) göreceli olarak o kadar sık ​​görülür ki, Yunan sembolü ile gösterilir gama bazı temsiller.

Unutulmamalıdır ki, u << cpayda esasen sadece 1 olan sqrt'a (1) çöker. Gama sadece bu durumlarda 1 olur. Benzer şekilde, u/c2 dönem de çok küçük olur. Bu nedenle, hem boşluk hem de zaman genişlemesi, vakumdaki ışık hızından çok daha yavaş hızlarda önemli bir seviyede mevcut değildir.

Özel görelilik, Lorentz dönüşümlerini yüksek hızlarda (ışık hızına yakın) uygulamaktan birkaç sonuç verir. Aralarında:

• Zaman uzaması (popüler olanlar dahil "İkiz Paradoks")
• Uzunluk daralması
• Hız dönüşümü
• Göreceli hız ilavesi
• Göreceli doppler etkisi
• Eşzamanlılık ve saat senkronizasyonu
• Göreli momentum
• Relativistik kinetik enerji
• Göreli kütle
• Göreceli toplam enerji

Bazı insanlar, özel görelilik için fiili çalışmanın çoğunun, Einstein'ın sunumu sırasında zaten yapıldığına dikkat çekiyor. Hareketli cisimler için dilatasyon ve eşzamanlılık kavramları zaten mevcuttu ve matematik Lorentz & Poincare tarafından zaten geliştirilmişti. Bazıları Einstein'ı intihalci olarak adlandırabilir.

Bu suçlamaların geçerliliği vardır. Kuşkusuz, Einstein'ın "devrimi" başka bir çok işin omuzları üzerine inşa edildi ve Einstein rolünü homurdanan işi yapanlardan çok daha fazla kredi aldı.

Aynı zamanda, Einstein'ın bu temel kavramları aldığını ve bunları teorik bir çerçeveye oturttuğunu düşünmek gerekir. ölmekte olan bir teoriyi (yani eteri) kurtarmak için sadece matematiksel hileler değil, doğanın kendi temel yönlerini kendi başlarına sağ. Larmor, Lorentz veya Poincare'nin bu kadar cesur bir hareket hedeflediği belirsizdir ve tarih, Einstein'ı bu içgörü ve cesaret için ödüllendirmiştir.

Albert Einstein'ın 1905 teorisinde (özel görelilik), eylemsiz referans çerçeveleri arasında "tercih edilen" bir çerçeve olmadığını gösterdi. Genel göreliliğin gelişmesi, kısmen bunun ataletsel olmayan (yani hızlanan) referans çerçeveleri arasında da doğru olduğunu gösterme girişimi olarak ortaya çıktı.

1907 yılında Einstein, özel görelilik altında ışık üzerindeki yerçekimi etkileri üzerine ilk makalesini yayınladı. Bu makalede Einstein, Dünya üzerinde bir deney (yerçekimi ivmesi ile) gözlemlediğini belirten "denklik ilkesini" özetledi. g) bir roket gemisinde bir hızda hareket eden bir deneyi gözlemlemekle aynı g. Eşdeğerlik prensibi şu şekilde formüle edilebilir:

biz [...] yerçekimi alanının tam fiziksel eşdeğerini ve referans sisteminin karşılık gelen ivmesini varsayalım.

Einstein'ın dediği gibi veya dönüşümlü olarak Modern Fizik kitap sunar:

Düzgün bir kütleçekimin etkilerini ayırt etmek için yapılabilecek hiçbir yerel deney yoktur. hızlanmayan atalet çerçevesindeki alan ve muntazam hızlanan (dayanaksız) bir referansın etkileri çerçevesi.

Konuyla ilgili ikinci bir makale 1911'de ortaya çıktı ve 1912'de Einstein, bir generalin gebe kalması için aktif olarak çalışıyordu. özel göreliliği açıklayacak, fakat aynı zamanda yerçekimini geometrik olarak açıklayabilecek görelilik kuramı olgu.

1915 yılında, Einstein bir dizi diferansiyel denklem yayınladı. Einstein alan denklemleri. Einstein'ın genel göreliliği, evreni üç mekansal ve bir zaman boyutunun geometrik bir sistemi olarak tasvir etti. Kütle, enerji ve momentum varlığı (topluca kütle-enerji yoğunluğu veya Stres enerjili) bu uzay-zaman koordinat sisteminin bükülmesiyle sonuçlanmıştır. Bu nedenle yerçekimi, bu kavisli uzay-zaman boyunca "en basit" veya en az enerjik yol boyunca ilerliyordu.

Mümkün olan en basit terimlerle ve karmaşık matematiği ortadan kaldıran Einstein, uzay-zaman eğriliği ve kütle-enerji yoğunluğu arasında aşağıdaki ilişkiyi buldu:

(uzay-zaman eğriliği) = (kütle-enerji yoğunluğu) * 8 pi G tr / c4

Denklem doğrudan, sabit bir orantı gösterir. Yerçekimi sabiti, G,, gelen Newton'un yerçekimi yasası, ışığın hızına bağımlı olmakla birlikte, c, özel görelilik teorisinden bekleniyor. Sıfır (veya sıfıra yakın) kütle enerji yoğunluğu (yani boş alan) durumunda, uzay zamanı düzdür. Klasik yerçekimi, yerçekiminin nispeten zayıf bir yerçekimi alanında tezahürünün özel bir durumudur; c4 dönem (çok büyük bir payda) ve G, (çok küçük bir pay) eğrilik düzeltmesini küçük yapar.

Yine, Einstein bunu şapkadan çıkarmadı. Riemann geometrisi (matematikçi Bernhard Riemann yıllarında geliştirilen Öklidyen olmayan bir geometri) ile yoğun bir şekilde çalıştı Daha önce), sonuçta ortaya çıkan alan kesinlikle Riemann'dan ziyade 4 boyutlu bir Lorentzian manifoldu olmasına rağmen geometri. Yine de, Riemann'ın çalışması Einstein'ın kendi alan denklemlerinin tamamlanması için gerekliydi.

Genel göreliliğe benzetmek için, köşeleri sağlam bir şekilde sabitlenmiş direklere bağlayarak bir çarşaf veya elastik düz bir parça uzattığınızı düşünün. Şimdi kağıda çeşitli ağırlıklarda şeyler yerleştirmeye başlıyorsunuz. Çok hafif bir şey yerleştirdiğinizde, tabaka biraz ağırlığında aşağı doğru eğilir. Bununla birlikte, ağır bir şey koyarsanız, eğrilik daha da büyük olacaktır.

Sayfada ağır bir nesne olduğunu ve kağıda ikinci, daha hafif bir nesne koyduğunuzu varsayın. Daha ağır nesne tarafından oluşturulan eğrilik, daha hafif nesnenin eğri boyunca ona doğru "kaymasına" neden olur ve artık hareket etmediği bir denge noktasına ulaşmaya çalışır. (Bu durumda, elbette, başka hususlar da vardır - bir top sürtünme etkileri ve benzeri nedenlerden dolayı bir küpün kaymasından daha fazla yuvarlanacaktır.)

Bu, genel göreliliğin yerçekimini nasıl açıkladığına benzer. Hafif bir nesnenin eğriliği, ağır nesneyi fazla etkilemez, ancak ağır nesnenin yarattığı eğrilik, bizi uzayda yüzmekten alıkoyan şeydir. Dünya'nın yarattığı eğrilik, ayı yörüngede tutar, ancak aynı zamanda ayın oluşturduğu eğrilik, gelgiti etkilemek için yeterlidir.

Özel görelilik bulgularının tümü de genel göreliliği destekler, çünkü teoriler tutarlıdır. Genel görelilik, aynı zamanda tutarlı oldukları için klasik mekaniğin tüm fenomenlerini de açıklar. Ek olarak, birkaç bulgu genel göreliliğin benzersiz tahminlerini desteklemektedir:

• Merkür Perihelionunun Önlenmesi
• Yıldız ışığının yerçekimi sapması
• Evrensel genişleme (kozmolojik sabit şeklinde)
• Radar yankılarının gecikmesi
• Karadeliklerden Hawking Radyasyonu

• Genel Görelilik İlkesi: Fizik yasaları, hızlandırılmış olup olmadıklarına bakılmaksızın tüm gözlemciler için aynı olmalıdır.
• Genel Kovaryans Prensibi: Fizik yasaları tüm koordinat sistemlerinde aynı şekilde olmalıdır.
• Ataletsel Hareket Jeodezik Harekettir: Kuvvetlerden etkilenmeyen dünya parçacık çizgileri (yani eylemsiz hareket) uzay-zamanın zamana ya da sıfır jeodeziktir. (Bu, teğet vektörün negatif veya sıfır olduğu anlamına gelir.)
• Yerel Lorentz Değişmezliği: Özel görelilik kuralları, tüm atalet gözlemcileri için yerel olarak geçerlidir.
• Uzayzaman Eğriliği: Einstein'ın alan denklemlerinde açıklandığı gibi, uzay, zaman, kütle, enerji ve momentuma tepki olarak eğriliği, yerçekimi etkilerinin bir eylemsizlik hareketi olarak görülmesine yol açar.

Albert Einstein'ın genel görelilik için bir başlangıç ​​noktası olarak kullandığı denklik ilkesi, bu ilkelerin bir sonucu olduğunu kanıtlamaktadır.

1922'de bilim adamları, Einstein'ın alan denklemlerinin kozmolojiye uygulanmasının evrenin genişlemesine yol açtığını keşfettiler. Statik bir evrene inanan (ve dolayısıyla denklemlerinin hatalı olduğunu düşünen) Einstein, alan denklemlerine statik çözümlere izin veren kozmolojik bir sabit ekledi.

Edwin Hubble, 1929'da, uzak yıldızlardan Dünya'ya göre hareket ettiklerini ima eden kırmızıya kayma olduğunu keşfetti. Görünüşe göre evren genişliyordu. Einstein kozmolojik sabiti denklemlerinden çıkardı ve kariyerinin en büyük gafıydı.

1990'larda, kozmolojik sabitin ilgisi, karanlık enerji. Kuantum alan teorilerinin çözümleri, uzayın kuantum boşluğunda büyük miktarda enerjiyle sonuçlandı ve bu da evrenin hızlandırılmış bir genişlemesine yol açtı.

Fizikçiler yerçekimi alanına kuantum alan teorisini uygulamaya çalıştıklarında işler çok dağınık hale gelir. Matematiksel terimlerle, fiziksel nicelikler ayrışmayı içerir veya sonsuzluk. Genel görelilik altındaki yerçekimi alanları, bunları çözülebilir denklemlere uyarlamak için sonsuz sayıda düzeltme veya "renormalizasyon" sabitini gerektirir.

Bu "renormalizasyon problemini" çözme girişimleri, kuantum yerçekimi. Kuantum yerçekimi teorileri tipik olarak geriye doğru çalışır, bir teoriyi tahmin eder ve daha sonra gerçekten sonsuz sabitleri belirlemeye çalışmak yerine onu test eder. Bu fizikte eski bir hile, ancak şimdiye kadar teorilerin hiçbiri yeterince kanıtlanmadı.

Aksi takdirde oldukça başarılı olan genel görelilik ile ilgili en büyük sorun, onun kuantum mekaniği ile genel uyumsuzluğudur. Teorik fiziğin büyük bir kısmı, iki kavramı uzlaştırmaya çalışmak için ayrılmıştır: uzayda makroskopik fenomenler ve mikroskopik fenomeni tahmin eden, genellikle bir atomudur.

Ek olarak, Einstein'ın uzay-zaman kavramıyla ilgili bazı endişeler var. Uzay-zaman nedir? Fiziksel olarak var mı? Bazıları evrene yayılan bir "kuantum köpüğü" öngörmüşlerdir. Adresindeki son denemeler sicim teorisi (ve yan kuruluşları) bu veya diğer uzay-zaman tasvirlerini kullanırlar. New Scientist dergisinde son zamanlarda yayınlanan bir makale, uzay zamanının kuantum aşırı akışkan olabileceğini ve tüm evrenin bir eksen üzerinde dönebileceğini öngörüyor.

Bazı insanlar, uzay-zamanın fiziksel bir madde olarak mevcut olması durumunda, tıpkı eterin sahip olduğu gibi evrensel bir referans çerçevesi olarak hareket edeceğine dikkat çekmiştir. Anti-rölativistler bu beklentide heyecanlanırken, diğerleri bunu yüzlerce yıllık bir kavramı dirilterek Einstein'ı itibarsızlaştırmaya yönelik bilimsel olmayan bir girişim olarak görüyorlar.

Uzay-zaman eğriliğinin sonsuza yaklaştığı karadelik tekillikleri ile ilgili bazı sorunlar, genel göreliliğin evreni doğru bir şekilde tasvir edip etmediğine dair şüpheler de yarattı. Ancak kesin olarak bilmek zor, çünkü Kara delikler şu anda sadece uzaktan çalışılabilir.

Şu anda olduğu gibi, genel görelilik o kadar başarılı ki, bunlardan çok zarar göreceğini hayal etmek zor gerçekte tahminlerle çelişen bir olgu ortaya çıkana kadar tutarsızlıklar ve tartışmalar teorisi.