4 spôsoby, ako pochopiť teóriu relativity

Keď ľudia počujú slovné spojenie „teória relativity“, zvyčajne si spomenú na Alberta Einsteina a zložité matematické rovnice ako

e=mc2{\displaystyle e=mc^{2}}

. Na vývoji teórie sa však podieľalo mnoho vedcov. Poznaním histórie a praktických aplikácií teórie relativity môžete získať prehľad o tejto zložitej téme.

Metóda 1 zo 4:Učenie sa dejín relativity


Začni s Galileom. Vedec zo 16. storočia Galileo Galilei sa považuje za jedného zo zakladateľov modernej vedy.[1]
Jeho výskum mechaniky padajúcich predmetov a pohybujúcich sa projektilov viedol k formulácii prvej modernej teórie relativity a nastolil otázku známu ako „problém relativity“.“ Ako teda pochopiť problém relativity?

  • Predstavte si, že dvaja ľudia pozorujú tú istú udalosť. Napríklad dvaja ľudia na bejzbalovom zápase, ktorí sedia na opačných stranách štadióna, sledujú, ako pálkar odpaluje homerun. Čas behu domov bude rovnaký bude rovnaký pre oboch pozorovateľov, zatiaľ čo vzdialenosť od nich sa bude líšiť. Obaja fanúšikovia boli svedkami rovnakej udalosti relatívny k sebe navzájom.
  • Predstavte si človeka, ktorý riadi auto a ide rýchlosťou 60 míľ za hodinu. Vodič sa pohybuje rýchlosťou 0 míľ za hodinu vzhľadom na auto, ale pre vonkajšieho pozorovateľa sa vodič pohybuje rýchlosťou 60 míľ za hodinu. Rýchlosť vodiča sa mení vzhľadom na pohľad pozorovateľa.


Pokračuj s témou Sir Isaac Newton. V 17. storočí bol Isaac Newton študentom na univerzite v Cambridge. Keď Cambridge na dva roky zatvorili kvôli čiernemu moru, Newton pokračoval v štúdiu zložitej matematiky, fyziky a optiky na vlastnú päsť. V tomto období vypracoval koncepciu nekonečného radu a položil základy svojich troch pohybových zákonov.[2]
Nakoniec Newton skúmal, ako zákony pohybu súvisia s pohybom Zeme, Slnka a Mesiaca, pričom tento koncept nazval „gravitácia“.“[3]
Aké sú niektoré praktické aplikácie pohybových zákonov?

  • Skúste prvý zákon pohybu na detskom ihrisku. Prvý Newtonov pohybový zákon je známy zákon zotrvačnosti, ktorý hovorí, že každý predmet zostane v pokoji alebo v rovnomernom pohybe po priamke, ak naň nepôsobí vonkajšia sila. [4]
    Napríklad osoba v hornej časti posuvnej dosky zostane na tomto mieste, kým sa nepotlačí (alebo nie je zatlačená) dole po doske. Pri dosiahnutí spodnej časti šmýkačky zostanú v pohybe, kým sa nezastavia.[5]
  • Vypočítajte si Druhý zákon pohybu. V prvom zákone Newton predstavil teóriu, že objekt v pohybe zostáva v pohybe a objekt v pokoji zostáva, kým naň nepôsobí vonkajšia sila. Druhý Newtonov zákon posúva túto úlohu o krok ďalej tým, že určuje, aká veľká sila je potrebná na zmenu stavu objektu. Tvrdí, že objekt vystavený vonkajšej sile sa zrýchľuje a že veľkosť zrýchlenia je úmerná veľkosti sily. Napríklad 40-tonový traktorový príves bude potrebovať väčšiu silu na dosiahnutie rýchlosti 60 míľ za hodinu ako 2-tonové kompaktné auto. Presnú veľkosť sily možno určiť pomocou matematického vzorca sila = hmotnosť x zrýchlenie, skrátene
    f=ma{\displaystyle f=ma}

    .

  • Pozorujte Tretí zákon pohybu. Tretí Newtonov pohybový zákon hovorí, že na každú akciu existuje rovnaká a opačná reakcia.[6]
    Jednoducho povedané, objekt tlačí na iný objekt, druhý objekt tlačí späť rovnako silno. Niekedy tretí zákon nie je zrejmý, ako keď stojíte na mieste. Gravitácia tlačí na zem, zatiaľ čo zem tlačí späť rovnakou silou. Keďže nedochádza k pohybu, sily sa navzájom rušia.[7]
    Pri väčšej sile a hmotnejších objektoch je tretí zákon zjavnejší, ako keď sa vystrelí raketa. Keď motor spaľuje palivo, ťah smerom nadol tlačí raketu nahor.


Cestovanie éterom.

  • Prechod do 19. storočia. Od čias Isaaca Newtona vedci teoretizovali, že vesmír je vyplnený médiom, ktoré nazývali éter. Svetelné a rádiové vlny sa pohybovali éterom rovnakým spôsobom ako zvukové vlny vzduchom.[8]
    Do 19. storočia vedci vypracovali spôsoby merania vlastností éteru a dúfali, že sa im podarí vytvoriť teóriu opisujúcu vesmír.
  • Meranie svetla. V roku 1887 sa fyzici Albert Michelson a Edward Morley pokúsili dokázať existenciu éteru pomocou Michelsonom navrhnutého prístroja známeho ako interferometer, ktorý pozostával z polostriebornej sklenenej dosky, dvoch zrkadiel a ďalekohľadu.[9]
    Namierením lúča na sklenenú dosku by sa lúč rozdelil a oba lúče by dosiahli obe zrkadlá v rôznom čase, v závislosti od toho, ktorým smerom by sa pohybovali vzhľadom na éter. Neočakávaným výsledkom bolo, že oba lúče dosiahli zrkadlá v rovnakom čase, čím sa nepodarilo dokázať existenciu éteru. Michelson považoval svoj experiment za neúspech.[10]
    Ale to by bol kľúčový prvok v práci mladého úradníka vo švajčiarskom patentovom úrade.


Zoznámte sa s Albertom Einsteinom. V roku 1905 Albert Einstein pracoval na patentovom úrade v Berne vo Švajčiarsku. V tom čase Einstein publikoval štyri práce, v ktorých určil, že rýchlosť svetla je vo vákuu konštantná, čím zároveň vyvrátil existenciu éteru. Tento objav viedol k prvej z dvoch Einsteinových teórií relativity: Špeciálna teória relativity a všeobecná teória relativity.

Metóda 2 zo 4:Pochopenie špeciálnej teórie relativity


Objavte svoj referenčný rámec. Einsteinov výskum ukázal, že v prírodnom svete neexistuje „absolútny“ referenčný rámec. Pokiaľ sa objekt pohybuje priamočiaro konštantnou rýchlosťou (bez zrýchlenia), fyzikálne zákony sú pre všetkých rovnaké.[11]

  • Predstavte si, že ste vo vlaku. Pri pohľade z okna vidíte iný vlak, ktorý sa zdanlivo pohybuje. Len na základe tohto pozorovania nie je možné určiť, či sa pohybuje váš vlak alebo druhý vlak. To isté platí pre každého vo vlaku, ktorý pozorujete.


Pochopiť rýchlosť svetla. Michelsonov-Morleyho experiment nedokázal existenciu éteru, ale dokázal, že svetlo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou bez ohľadu na referenčný rámec pozorovateľa.[12]
Einstein ďalej postuloval, že keď sa objekt blíži k rýchlosti svetla, jeho hmotnosť sa zväčšuje a nakoniec sa stane nekonečnou, keď dosiahne rýchlosť svetla.[13]


Pochopte časopriestor. Keď Einstein skúmal vlastnosti svetla, uvedomil si, že ak je rýchlosť svetla absolútne konštantná, potom čas a priestor musia byť premenné. V každodennom svete sa čas javí ako jediná entita, ktorá plynie konštantnou rýchlosťou, hoci v skutočnosti je súčasťou zložitejšieho systému prepojeného s priestorom. Preto keď sa objekt pohybuje v priestore, pohybuje sa aj v čase, ktorý sa spomaľuje priamo úmerne rýchlosti, ktorou sa objekt pohybuje. Táto vlastnosť je známa ako dilatácia času. [14]

  • V októbri 1971 bol vzťah medzi časom a priestorom preukázaný experimentom, ktorý uskutočnil fyzik Joseph C. Hafele a astronóm Richard E. Keating. Vzali štyri atómové hodiny, preleteli komerčnou leteckou spoločnosťou okolo sveta a porovnali čas ukazovaný na hodinách s inými hodinami, ktoré zostali v námornom observatóriu Spojených štátov. Dve sady hodín ukazovali rôzne časy, čo bolo v súlade s predpovedami teórie časopriestoru.[15]


Uvedomte si, ako to viedlo k vytvoreniu novej teórie. Na základe týchto dvoch princípov Einstein teoreticky dokázal, že hmota a energia sú prepojené spôsobom, ktorý si vedci predtým neuvedomovali. [16]
Nakoniec Einstein dospel k záveru, že hmota a energia sú to isté v rôznych formách a dostatočným zrýchlením hmoty sa z nej stane energia. Výsledkom je slávny matematický vzorec

e=mc2{\displaystyle e=mc^{2}}

, alebo energia = hmotnosť x rýchlosť svetla na druhú.

Metóda 3 zo 4:Pochopenie všeobecnej relativity


Pridajte zrýchlenie. Einsteinova špeciálna teória relativity sa tak nazýva preto, lebo sa vzťahuje na špeciálny prípad objektov pohybujúcich sa konštantnou rýchlosťou. Objekty si však nie vždy udržujú konštantnú rýchlosť. Trvalo desať rokov, kým Einstein rozšíril svoju teóriu o zrýchlenie, teóriu, ktorá sa stala známou ako všeobecná teória relativity.


Definujte gravitáciu. Keď sir Isaac Newton prvýkrát definoval teóriu gravitácie, domnieval sa, že ide o vrodenú silu, ktorá môže pôsobiť na rôzne vzdialenosti. Gravitačná sila by bola silnejšia pre masívny objekt, akým je Slnko, čo vysvetľuje, prečo priťahuje menšie objekty, ako je Zem, ktoré okolo neho obiehajú.[17]
Keď sa však Einstein pokúsil matematicky vysvetliť gravitáciu, zistil, že gravitácia nie je sila, ktorá sa šíri priestorom, ale je to deformácia časopriestoru. Čím je objekt hmotnejší, tým viac deformuje časopriestor.[18]

  • Predstavte si vesmír ako trampolínu. Ak na trampolínu položíte bowlingovú guľu, spôsobí to, že sa trampolína ohne. Menšie predmety, ako napríklad bejzbalová loptička, sa budú kotúľať smerom k bowlingovej guli v dôsledku deformácie, ktorú spôsobili v trampolíne. Bolo dokázané, že to platí aj pre časopriestor.[19]

Metóda 4 zo 4:Uplatňovanie relativity v každodennom živote


Zistite svoju polohu na Zemi. Platí, že čím rýchlejšie sa objekt pohybuje, tým viac sa spomaľuje čas. Satelity GPS merajú čas s malou, ale merateľne pomalšou rýchlosťou ako čas na Zemi. Výpočtom času, ktorý potrebuje signál vyslaný zo satelitov GPS obiehajúcich okolo Zeme do vášho zariadenia, je možné určiť vašu polohu na planéte.


Choďte po zlato. Väčšina kovov je lesklá, pretože ich elektróny preskakujú na rôzne hladiny známe ako orbitály a z nich. Pri zlate sa elektróny, ktoré sú najbližšie k jadru atómu, musia pohybovať veľkou rýchlosťou, približne polovicou rýchlosti svetla, aby sa vyhli pohlteniu jadrom. Aby sa elektróny presunuli na inú orbitu, musia absorbovať svetlo. Väčšina absorbovaného svetla smeruje k modrému spektru, zatiaľ čo svetlo bližšie k žltému spektru sa odráža, čo vedie k luxusnej žltej farbe kovu.


Nechajte tiecť ortuť. Podobne ako zlato, aj ortuť je ťažký atóm, ktorého vnútorné elektróny sa pohybujú vysokou rýchlosťou. S rastúcou rýchlosťou sa úmerne zvyšuje aj ich hmotnosť. To má za následok, že medzi atómami ortuti je slabá väzba a kov je pri priemerných teplotách v kvapalnom stave.


  • Nechajte slnko svietiť. Vďaka matematickému princípu

    e=mc2{\displaystyle e=mc^{2}}

    , Slnečná a jadrová energia sú možné. Bez vzájomného prepojenia energie a hmoty by neexistovala energia ani svetlo.

  • Odkazy