In het begin van de 20e eeuw werd het geformuleerdrelativiteitstheorie. Wat het is en wie de maker is, weet elke scholier vandaag. Het is zo fascinerend dat zelfs mensen ver van de wetenschap erin geïnteresseerd zijn. Dit artikel beschrijft de relativiteitstheorie in een toegankelijke taal: wat het is, wat zijn de postulaten en toepassingen ervan.
Ze zeggen dat tegen Albert Einstein, de maker,inzicht kwam in een oogwenk. De wetenschapper leek op een tram te rijden in Bern, Zwitserland. Hij keek naar de straatklok en realiseerde zich plotseling dat deze klok zou stoppen als de tram versnelde tot de snelheid van het licht. In dit geval zou er geen tijd zijn. Tijd speelt een zeer belangrijke rol in de relativiteitstheorie. Een van de postulaten van Einstein is dat verschillende waarnemers de werkelijkheid op verschillende manieren waarnemen. Dit geldt in het bijzonder voor tijd en afstand.
Rekening houdend met de positie van de waarnemer
Op die dag realiseerde Albert zich dat in taalwetenschap hangt de beschrijving van een fysisch fenomeen of gebeurtenis af van het referentiekader waarin de waarnemer zich bevindt. Als een passagier in een tram bijvoorbeeld zijn bril laat vallen, valt deze ten opzichte van haar verticaal naar beneden. Als je kijkt vanuit de positie van een voetganger die op straat staat, dan komt het traject van hun val overeen met een parabool, aangezien de tram in beweging is en tegelijkertijd punten vallen. Zo heeft iedereen zijn eigen referentiekader. We stellen voor om de basispostulaten van de relativiteitstheorie nader te bekijken.
Gedistribueerde bewegingswet en het relativiteitsbeginsel
Ondanks het feit dat bij het veranderen van referentiekadersbeschrijvingen van gebeurtenissen veranderen, er zijn universele dingen die ongewijzigd blijven. Om dit te begrijpen, moet men de vraag niet stellen over de val van de bril, maar over de natuurwet die deze val veroorzaakt. Voor elke waarnemer, ongeacht of hij zich in een bewegend of stationair coördinatensysteem bevindt, blijft het antwoord daarop ongewijzigd. Deze wet wordt de wet van gedistribueerd verkeer genoemd. Het werkt zowel in de tram als op straat hetzelfde. Met andere woorden, als de beschrijving van gebeurtenissen altijd afhangt van wie ze observeert, dan geldt dit niet voor de natuurwetten. Ze zijn, zoals gebruikelijk is om zich in wetenschappelijke taal uit te drukken, onveranderlijk. Dit is het relativiteitsprincipe.
Einsteins twee theorieën
Dit principe, zoals elke andere hypothese,het was nodig om het eerst te controleren, in verband te brengen met natuurlijke verschijnselen die in onze realiteit werkzaam zijn. Einstein leidde 2 theorieën af uit het relativiteitsbeginsel. Hoewel ze verwant zijn, worden ze als afzonderlijk beschouwd.
Privé of speciale relativiteitstheorie(SRT) is gebaseerd op de stelling dat voor alle soorten referentiekaders waarvan de snelheid constant is, de natuurwetten hetzelfde blijven. De algemene relativiteitstheorie (GR) breidt dit principe uit naar elk referentiekader, ook degene die met versnelling bewegen. In 1905 publiceerde A. Einstein de eerste theorie. De tweede, complexer qua wiskundig apparaat, werd voltooid in 1916. De totstandkoming van de relativiteitstheorie, zowel SRT als GRT, werd een belangrijke fase in de ontwikkeling van de fysica. Laten we op elk van hen in meer detail stilstaan.
Speciale relativiteitstheorie
Wat is het, wat is de essentie ervan?Laten we deze vraag beantwoorden. Het is deze theorie die veel paradoxale effecten voorspelt die in tegenspraak zijn met onze intuïtieve ideeën over hoe de wereld werkt. Dit zijn de effecten die worden waargenomen wanneer de bewegingssnelheid de lichtsnelheid nadert. De bekendste daarvan is het effect van tijddilatatie (klok). De klok die beweegt ten opzichte van de waarnemer gaat langzamer voor hem dan die in zijn handen.
In het coördinatensysteem wanneer je met snelheid beweegt,dicht bij de lichtsnelheid wordt de tijd uitgerekt ten opzichte van de waarnemer, en de lengte van objecten (ruimtelijke omvang) daarentegen wordt gecomprimeerd langs de as van de richting van deze beweging. Wetenschappers noemen dit effect de samentrekking van Lorenz-Fitzgerald. In 1889 werd het beschreven door George Fitzgerald, een Italiaanse natuurkundige. En in 1892 vulde Hendrik Lorenz, een Nederlander, het aan. Dit effect verklaart het negatieve resultaat van het Michelson-Morley-experiment, waarin de bewegingssnelheid van onze planeet in de ruimte wordt bepaald door de ‘etherwind’ te meten. Dit zijn de fundamentele postulaten van de relativiteitstheorie (speciaal). Einstein vulde deze vergelijkingen aan met een massa-transformatieformule, gemaakt naar analogie. Volgens haar neemt de massa van het lichaam toe naarmate de snelheid van een lichaam de snelheid van het licht nadert. Als de snelheid bijvoorbeeld 260 duizend km / s is, dat wil zeggen 87% van de lichtsnelheid, vanuit het oogpunt van een waarnemer die zich in een rustend referentiekader bevindt, zal de massa van het object verdubbelen.
STO-bevestigingen
Al deze bepalingen, hoe ze ook in tegenspraak zijngezond verstand, sinds de tijd van Einstein, vinden directe en volledige bevestiging in veel experimenten. Een ervan werd uitgevoerd door wetenschappers van de Universiteit van Michigan. Deze merkwaardige ervaring bevestigt de relativiteitstheorie in de natuurkunde. De onderzoekers plaatsten een ultraprecieze atoomklok aan boord van het vliegtuig, dat regelmatig transatlantische vluchten maakte. Elke keer na zijn terugkeer op het vliegveld werden de metingen van deze klokken vergeleken met de controleklokken. Het bleek dat de klok in het vliegtuig steeds meer achterliep op de stuurklok. We hadden het natuurlijk alleen over onbeduidende cijfers, fracties van een seconde, maar het feit zelf is zeer indicatief.
De afgelopen halve eeuw hebben onderzoekers gestudeerdelementaire deeltjes op versnellers - enorme hardwarecomplexen. In hen worden bundels elektronen of protonen, dat wil zeggen geladen subatomaire deeltjes, versneld totdat hun snelheden de lichtsnelheid benaderen. Daarna schieten ze op nucleaire doelen. Bij deze experimenten moet rekening worden gehouden met het feit dat de massa van deeltjes toeneemt, anders zijn de resultaten van het experiment interpreteerbaar. In dit opzicht is SRT niet langer alleen een hypothetische theorie. Het is een van de gereedschappen geworden die worden gebruikt in toegepaste engineering, samen met de Newtoniaanse wetten van de mechanica. De principes van de relativiteitstheorie hebben tegenwoordig een grote praktische toepassing gevonden.
SRT en de wetten van Newton
Over de wetten van Newton gesproken (een portret hiervanwetenschapper hierboven wordt gepresenteerd), moet worden gezegd dat de speciale relativiteitstheorie, die ze schijnbaar tegenspreekt, in feite de vergelijkingen van de wetten van Newton bijna exact reproduceert als deze wordt gebruikt om lichamen te beschrijven waarvan de bewegingssnelheid veel lager is dan de snelheid van licht. Met andere woorden, als de speciale relativiteitstheorie wordt toegepast, wordt de Newtoniaanse fysica helemaal niet opgeheven. Deze theorie daarentegen is een aanvulling en uitbreiding ervan.
De lichtsnelheid is een universele constante
Door het relativiteitsbeginsel te gebruiken, kan men het begrijpenwaarom speelt in dit model van de structuur van de wereld de lichtsnelheid een zeer belangrijke rol, en niet iets anders. Deze vraag wordt gesteld door degenen die net beginnen met hun kennismaking met natuurkunde. De lichtsnelheid is een universele constante vanwege het feit dat het als zodanig wordt gedefinieerd door de natuurwetenschappelijke wet (je kunt hier meer over leren door de vergelijkingen van Maxwell te bestuderen). De lichtsnelheid in een vacuüm, als gevolg van de werking van het relativiteitsbeginsel, is in elk referentiekader hetzelfde. Je zou kunnen denken dat dit in strijd is met gezond verstand. Het blijkt dat licht tegelijkertijd de waarnemer bereikt vanuit zowel een stationaire als een bewegende bron (ongeacht de snelheid waarmee het beweegt). Maar dat is het niet. De snelheid van het licht krijgt vanwege zijn speciale rol niet alleen een centrale plaats in de speciale, maar ook in de algemene relativiteitstheorie. Laten we er ook over praten.
Algemene relativiteitstheorie
Het wordt, zoals we al zeiden, voor iedereen gebruiktreferentiekaders, niet noodzakelijk die waarvan de bewegingssnelheid ten opzichte van elkaar constant is. Wiskundig gezien ziet deze theorie er veel gecompliceerder uit dan een speciale. Dit verklaart het feit dat er 11 jaar zijn verstreken tussen hun publicaties. De algemene relativiteitstheorie omvat speciaal als een speciaal geval. Daarom zijn de wetten van Newton er ook in opgenomen. De algemene relativiteitstheorie gaat echter veel verder dan zijn voorgangers. Het verklaart bijvoorbeeld de zwaartekracht op een nieuwe manier.
Vierde dimensie
Dankzij de algemene relativiteitstheorie wordt de wereld vierdimensionaal:tijd wordt opgeteld bij drie ruimtelijke dimensies. Ze zijn allemaal onafscheidelijk, daarom is het niet langer nodig om te praten over de ruimtelijke afstand die in de driedimensionale wereld tussen twee objecten bestaat. Nu hebben we het over ruimte-tijdintervallen tussen verschillende gebeurtenissen, die zowel ruimtelijke als temporele afstanden van elkaar verenigen. Met andere woorden, tijd en ruimte worden in de relativiteitstheorie beschouwd als een soort vierdimensionaal continuüm. Het kan worden gedefinieerd als ruimte-tijd. In dit continuüm zullen die waarnemers die ten opzichte van elkaar bewegen verschillende meningen hebben, zelfs over de vraag of twee gebeurtenissen gelijktijdig plaatsvonden, of dat de ene aan de andere voorafging. De oorzaak-gevolg-relatie wordt echter niet geschonden. Met andere woorden, het bestaan van een dergelijk coördinatensysteem, waarbij twee gebeurtenissen plaatsvinden in verschillende reeksen en niet tegelijkertijd, laat zelfs geen algemene relativiteitstheorie toe.
Algemene relativiteitstheorie en de wet van de zwaartekracht
Volgens de wet van universele gravitatie, ontdektNewton, bestaat de kracht van wederzijdse aantrekkingskracht in het universum tussen twee willekeurige lichamen. Vanuit deze positie draait de aarde rond de zon, omdat er krachten van wederzijdse aantrekkingskracht tussen hen bestaan. Niettemin dwingt de algemene relativiteitstheorie ons om dit fenomeen van de andere kant te bekijken. Volgens deze theorie is de zwaartekracht een gevolg van de "kromming" (vervorming) van ruimte-tijd, die wordt waargenomen onder invloed van massa. Hoe zwaarder het lichaam (in ons voorbeeld de zon), des te meer ruimte-tijd ‘buigt’ eronder. Dienovereenkomstig is zijn zwaartekrachtsveld sterker.
Om de essentie van de theorie beter te begrijpenrelativiteit, laten we eens kijken naar vergelijking. Volgens de algemene relativiteitstheorie draait de aarde rond de zon als een kleine bal die rond de kegel van een trechter rolt die is ontstaan als gevolg van de "duwende" ruimte-tijd van de zon. En wat we gewend zijn om de zwaartekracht te beschouwen, is in feite een uiterlijke manifestatie van deze kromming, en niet een kracht, zo begrijpt Newton. Tot op heden is er geen betere verklaring voor het fenomeen zwaartekracht gevonden dan degene die in de algemene relativiteitstheorie wordt voorgesteld.
Methoden voor het controleren van GRT
Merk op dat GRT niet gemakkelijk te verifiëren is, aangezien hetde resultaten in laboratoriumomstandigheden komen bijna overeen met de wet van universele zwaartekracht. Wetenschappers hebben echter wel een aantal belangrijke experimenten uitgevoerd. Met hun resultaten kunnen we concluderen dat de theorie van Einstein wordt bevestigd. De algemene relativiteitstheorie helpt ook om verschillende verschijnselen die in de ruimte worden waargenomen, te verklaren. Dit zijn bijvoorbeeld kleine afwijkingen van Mercurius ten opzichte van zijn stationaire baan. Vanuit het oogpunt van de klassieke mechanica van Newton kunnen ze niet worden verklaard. Dit is ook de reden waarom elektromagnetische straling afkomstig van verre sterren buigt wanneer deze langs de zon passeert.
De resultaten voorspeld door de algemene relativiteitstheorie zijn in feiteverschillen significant van degene die de wetten van Newton geven (zijn portret is hierboven weergegeven), alleen wanneer er supersterke zwaartekrachtvelden aanwezig zijn. Bijgevolg zijn voor een volwaardige verificatie van de algemene relativiteitstheorie ofwel zeer nauwkeurige metingen van objecten met een enorme massa of zwarte gaten vereist, aangezien onze gebruikelijke ideeën daarop niet van toepassing zijn. Daarom is de ontwikkeling van experimentele methoden om deze theorie te testen een van de belangrijkste taken van de moderne experimentele fysica.
De geest van veel wetenschappers en mensen die ver van de wetenschap af staanwordt bezet door de relativiteitstheorie van Einstein. Wat het is, vertelden we kort. Deze theorie vernietigt onze gebruikelijke ideeën over de wereld, dus de belangstelling ervoor verdwijnt nog steeds niet.
