Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi

    Özel görelilik: Normal görelilik gibidir, ancak özeldir.

    Albert Einstein'ın 1905 tarihli özel görelilik teorisi, fizik alanında şimdiye kadar yayınlanmış en önemli makalelerden biridir. Özel görelilik, hızın kütleyi, zamanı ve uzayı nasıl etkilediğinin bir açıklamasıdır. Teori, ışık hızının enerji ve madde arasındaki ilişkiyi tanımlaması için bir yol içerir - küçük miktarlarda kütle ( m ), klasik denklem E = mc² ile tanımlandığı gibi, muazzam miktarda enerji ( E ) ile değiştirilebilir.

    Özel görelilik "özel" durumlar için geçerlidir — çoğunlukla büyük enerjileri, ultra yüksek hızları ve astronomik mesafeleri tartışırken kullanılır, hepsi de yerçekiminin komplikasyonları olmadan. Albert Einstein, 1915'te genel görelilik üzerine makalesinin yayınlanmasıyla teorilerine resmen yerçekimi ekledi.

    Bir nesne ışık hızına yaklaştıkça, nesnenin kütlesi sonsuz hale gelir ve onu hareket ettirmek için gereken enerji de sonsuz olur. Bu, herhangi bir maddenin ışık hareketlerinden daha hızlı gitmesinin imkansız olduğu anlamına gelir. Bu kozmik hız sınırı, insanlar çok uzak mesafelerde seyahat etmeyi düşündükleri için yeni fizik ve bilim kurgu alemlerine ilham veriyor.

Görelilikten önce fizik nasıldı?

    Einstein'dan önce, gökbilimciler ( çoğunlukla ) evreni 1686'da Isaac Newton tarafından sunulan üç hareket yasası açısından anladılar. Bu üç yasa şunlardır:

1. Hareket halindeki veya duran nesneler, bir dış kuvvet değişiklik gerektirmedikçe aynı durumda kalır. Bu aynı zamanda atalet kavramı olarak da bilinir.
2. Bir cisme etki eden kuvvet, cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir. Başka bir deyişle, çeşitli kütlelere sahip nesneleri farklı hızlarda hareket ettirmek için ne kadar kuvvet gerektiğini hesaplayabilirsiniz.
3. Her etki için eşit ve zıt bir tepki vardır.

    Encyclopedia Britannica'ya göre, Newton'un yasaları fizikteki hemen hemen her uygulamada geçerliliğini kanıtladı. Mekanik ve yerçekimi anlayışımızın temelini oluşturdular.

    Ancak bazı şeyler Newton'un çalışmasıyla açıklanamazdı: Örneğin, ışık.

    Işığın tuhaf davranışını Newton'un fizik çerçevesine sokmak için, 1800'lerde bilim adamları, ışığın "ışıldayan eter" olarak adlandırdıkları bir ortam aracılığıyla iletilmesi gerektiğini varsaydılar. Bu varsayımsal eter, bir gitar telinin sesle titreşmesi gibi ışık dalgalarını aktaracak kadar katı olmalıydı, ancak aynı zamanda gezegenlerin ve yıldızların hareketlerinde tamamen tespit edilemezdi.

    Bu uzun bir emirdi. Araştırmacılar, onu daha iyi anlamayı umarak bu gizemli eteri tespit etmeye çalıştılar. 1887'de astrofizikçi Ethan Siegal, Forbes bilim blogunda yazdı, Bir Patlama ile Başlar, fizikçi Albert A. Michelson ve kimyager Edward Morley, Dünya'nın eter boyunca hareketinin ışık hızının nasıl ölçüldüğünü nasıl etkilediğini hesapladılar ve beklenmedik bir şekilde, Dünya'nın hareketi ne olursa olsun ışık hızının aynı olduğunu buldular.

    Dünya'nın eter içindeki hareketine rağmen ışığın hızı değişmediyse, başlangıçta eter diye bir şey olmaması gerektiği sonucuna vardılar: Uzaydaki ışık bir boşlukta hareket etti.

    Bu, klasik mekanikle açıklanamayacağı anlamına geliyordu. Fiziğin yeni bir paradigmaya ihtiyacı vardı.

Einstein özel göreliliği nasıl buldu?

    Einstein'a göre, 1949 tarihli "Otobiyografik Notlar" ( Open Court, 1999, Centennial Edition ) adlı kitabında, tomurcuklanan fizikçi henüz 16 yaşındayken ışığın davranışını sorgulamaya başladı. Gençken yaptığı bir düşünce deneyinde, bir ışık huzmesini kovaladığını hayal ettiğini yazdı.

    Klasik fizik, hayali Einstein ışığı yakalamak için hızlanırken, ışık dalgasının sonunda sıfır göreceli bir hıza ulaşacağını ima eder - insan ve ışık birlikte hızla hareket eder ve ışığı donmuş bir elektromanyetik alan olarak görebilir. Ancak Einstein, denklemleri elektromanyetik dalgaların bir boşlukta her zaman aynı hızda hareket etmesini gerektiren başka bir bilim adamı James Clerk Maxwell'in bu çelişkili çalışmasıyla çeliştiğini yazdı: saniyede 186.282 mil ( saniyede 300.000 kilometre ).

    Fizik filozofu John D. Norton, "Herkes için Einstein" ( Nullarbor Press, 2007 ) adlı kitabında Einstein'ın hikayesine meydan okudu, çünkü kısmen 16 yaşında bir çocuk olarak Einstein henüz Maxwell denklemleriyle karşılaşmamış olacaktı. Ancak Einstein'ın kendi anılarında yer aldığı için, anekdot hala yaygın olarak kabul edilmektedir.

    Eğer bir kişi teorik olarak bir ışık huzmesini yakalayabilseydi ve kendi hareketine göre donmuş olduğunu görebilseydi, fiziğin bir bütün olarak bir kişinin hızına ve bakış açısına bağlı olarak değişmesi gerekir miydi? Bunun yerine, Einstein, fizik kurallarını herkes için, her yerde, her zaman aynı kılacak birleşik bir teori aradığını anlattı.

    Bu, fizikçinin yazdığına göre, özel görelilik teorisi üzerine nihai düşüncelerine yol açtı ve başka bir düşünce deneyine girdi: Bir kişi, bir şimşek fırtınasının gözlemlerini trenin içindeki bir kişiyle karşılaştıran bir tren rayının yanında duruyor. Ve bu fizik olduğu için, elbette, tren neredeyse ışık hızında hareket ediyor.

    Einstein, treni rayın iki ağacı arasında eşit bir noktada hayal etti. Bir yıldırım her iki ağaca aynı anda çarparsa, pistin yanındaki kişi aynı anda çarpma görecektir. Ancak bir şimşek çakmasına doğru ve diğerinden uzaklaştıkları için, trendeki kişi önce trenin önündeki cıvatayı, sonra da trenin arkasındaki cıvatayı görecektir.

    Einstein, eşzamanlılığın mutlak olmadığı veya başka bir deyişle, bir gözlemci tarafından görülen eşzamanlı olayların diğerinin bakış açısından farklı zamanlarda meydana gelebileceği sonucuna vardı. Değişenin ışık hızı değil, göreceli olanın zamanın kendisi olduğunu fark etti. Zaman, hareket halindeki nesneler için duran nesnelerden farklı hareket eder. Bu arada, evrenin herhangi bir yerinde, hareket eden veya hareket etmeyen herhangi biri tarafından gözlemlenen ışık hızı her zaman aynıdır.

E = mc² ne anlama geliyor?

    Tüm insanlık tarihindeki en ünlü ve iyi bilinen denklemlerden biri olan E = mc², "enerji, kütle çarpı ışık hızının karesine eşittir" anlamına gelir. Başka bir deyişle, PBS Nova'yı yazdı, enerji ( E ) ve kütle ( m ) birbirinin yerine kullanılabilir. Aslında, aynı şeyin farklı biçimleridir.

    Ancak kolayca değiş tokuş edilmezler. Işık hızı zaten çok büyük bir sayı olduğundan ve denklem daha da büyük olmak için kendisiyle çarpılmasını ( veya karesinin alınmasını ) gerektirdiğinden, az miktarda kütle çok büyük miktarda enerji içerir. Örneğin, PBS Nova, "Bir ataştaki atomların her birini saf enerjiye dönüştürebilseydiniz - hiçbir kütle bırakmasaydınız - ataş 18 kiloton TNT'ye eşdeğer enerji verirdi. Bu, kabaca 1945'te Hiroşima'yı yok eden bombanın büyüklüğü."

Zaman genişlemesi

    Einstein'ın özel görelilik çalışmasının birçok sonucundan biri, zamanın gözlemciye göre hareket etmesidir. Hareket halindeki bir nesne zaman genişlemesi yaşar, yani bir nesne çok hızlı hareket ettiğinde, zamanı hareketsiz olduğu zamandan daha yavaş yaşar.

    Örneğin, astronot Scott Kelly, 2015'ten başlayarak Uluslararası Uzay İstasyonu'nda yaklaşık bir yıl geçirdiğinde, yılı gezegenin yüzeyinde geçiren ikiz kardeşi astronot Mark Kelly'den çok daha hızlı hareket ediyordu. Zaman genişlemesi nedeniyle, Mark Kelly, Scott'tan biraz daha hızlı yaşlandı - dünyaya bağlı ikize göre "beş milisaniye". Scott ışık hızına yakın hareket etmediğinden, zaman genişlemesi nedeniyle yaşlanmadaki gerçek fark ihmal edilebilir düzeydeydi. Aslında, havadaki ikizin ISS'de ne kadar stres ve radyasyon yaşadığı göz önüne alındığında, bazıları Scott Kelly'nin yaşlanma oranını artırdığını iddia edebilir.

    Ancak ışık hızına yaklaşan hızlarda, zaman genişlemesinin etkileri çok daha belirgin olabilir. 15 yaşındaki bir çocuğun liseden beş yıl boyunca ışık hızının %99,5'inde seyahat ederek ayrıldığını hayal edin ( genç astronotun bakış açısından ). 15 yaşındaki çocuk Dünya'ya döndüğünde, seyahat ederek geçirdiği 5 yılı yaşlandırmış olacaktı. Ancak sınıf arkadaşları 65 yaşında olacaktı - çok daha yavaş hareket eden gezegende 50 yıl geçmiş olacaktı.

    Şu anda bu hıza yakın bir yere seyahat edecek teknolojiye sahip değiliz. Ancak modern teknolojinin kesinliğiyle, zaman genişlemesi aslında insan mühendisliğini etkiliyor.

    GPS cihazları, uzak Dünya yörüngelerinde en az üç uydu ile iletişime dayalı bir konum hesaplayarak çalışır. Bu uydular, gezegendeki bir yeri tam olarak belirlemek için inanılmaz derecede hassas zamanı takip etmek zorundadır, bu nedenle atomik saatlere göre çalışırlar. Ancak bu atomik saatler, uzayda sürekli olarak 8.700 mil ( 14.000 km / s ) hızla vızıldayan uydularda bulunduğundan, özel görelilik, her gün fazladan 7 mikrosaniye veya saniyenin 7 milyonda birini işaretledikleri anlamına gelir. Dünya saatlerine ayak uydurmak için, GPS uydularındaki atomik saatlerin her gün 7 mikrosaniye çıkarması gerekir.

    Genel göreliliğin ( Einstein'ın yerçekimini içeren özel göreliliğin devamı ) ek etkileriyle, Dünya gibi büyük bir yerçekimi kütlesinin merkezine daha yakın olan saatler, uzaktakilerden daha yavaş çalışır. Bu etki, bir GPS atom saatinde her güne mikrosaniye ekler, böylece sonunda mühendisler 7 mikrosaniye çıkarır ve tekrar 45 mikrosaniye daha ekler. GPS saatleri, Dünya'daki karşılaştırılabilir saatlerden toplam 38 mikrosaniye daha uzun süre çalışana kadar ertesi güne geçmez.

Özel görelilik ve kuantum mekaniği

    Özel görelilik ve kuantum mekaniği, evrenimizin nasıl çalıştığına dair en yaygın kabul gören modellerden ikisidir. Ancak özel görelilik çoğunlukla son derece büyük mesafeler, hızlar ve nesnelerle ilgilidir ve onları evrenin "pürüzsüz" bir modelinde birleştirir. Özel ( ve genel ) görelilikteki olaylar sürekli ve deterministiktir, Corey Powell The Guardian için yazdı, bu da her eylemin doğrudan, spesifik ve yerel bir sonuçla sonuçlandığı anlamına gelir. Powell, bunun kuantum mekaniğinden farklı olduğunu söyledi: kuantum fiziği, kesin sonuçları değil, olasılıksal sonuçları olan sıçramalar veya "kuantum sıçramaları" ile meydana gelen olaylarla "tıknaz"dır.

    Özel görelilik ve kuantum mekaniğini birleştiren araştırmacılar - pürüzsüz ve tıknaz, çok büyük ve çok küçük - atom altı parçacıkları ve etkileşimlerini daha iyi anlamak için göreli kuantum mekaniği ve daha yakın zamanda kuantum alan teorisi gibi alanlar geliştirdiler.

    Kuantum mekaniği ile genel görelilik arasında bağlantı kurmaya çalışan araştırmacılar ise bunu fizikteki çözülmemiş en büyük problemlerden biri olarak görüyorlar. On yıllar boyunca, birçok kişi sicim teorisini tüm fiziğin birleşik bir teorisine yönelik en umut verici araştırma alanı olarak gördü. Şimdi, bir dizi ek teori var. Örneğin, bir grup, küçük, tıknaz kuantum dünyasını geniş göreli evrene bağlamak için uzay - zaman döngüleri önermektedir.