Genel göreliliğin temelleri. Basit kelimelerle Einstein'ın görelilik teorisi

Bu ölümlü dünyada olup biten her şeyin göreliliğine tanıklık eden Albert Einstein'ın öğretilerini yalnızca tembeller bilmiyor. Neredeyse yüz yıldır tartışmalar sadece bilim dünyasında değil, aynı zamanda fizikçilerin dünyasında da sürüyor. Basit Kelimelerle Einstein'ın Görelilik Teorisi Oldukça erişilebilirdir ve yeni başlayanlar için bir sır değildir.

Birkaç genel soru

Büyük Albert'in teorik öğretilerinin özellikleri göz önüne alındığında, onun varsayımları, çeşitli teorik fizikçiler, oldukça yüksek bilimsel okullar ve ayrıca fiziko-matematik okulunun irrasyonel akımının taraftarları tarafından belirsiz bir şekilde değerlendirilebilir.

Geçen yüzyılın başlarında, bilimsel düşüncede bir artış olduğu ve toplumsal değişimlerin arka planında bazı bilimsel hareketler ortaya çıkmaya başladığında, insanın içinde yaşadığı her şeyin görelilik teorisi ortaya çıktı. Çağdaşlarımız bu durumu nasıl değerlendirirse değerlendirsin, gerçek dünyadaki her şey aslında statik değildir. Einstein'ın özel görelilik teorisi:

Zaman değişiyor, toplumun toplumsal anlamda bazı sorunlara ilişkin görüşleri ve zihniyeti değişiyor;
Çeşitli devlet sistemlerinde ve sosyal gelişimin özel koşullarında olasılık doktrinine ilişkin sosyal temeller ve dünya görüşleri, zamanla ve diğer nesnel mekanizmaların etkisi altında değişmiştir.
Toplumun toplumsal kalkınma sorunlarına ilişkin görüşleri nasıl oluştuysa, bu konudaki tutum ve görüşler de aynıydı. Einstein'ın zamanla ilgili teorileri.

Önemli! Einstein'ın yerçekimi teorisi hem gelişiminin başlangıcında hem de tamamlanması sırasında en saygın bilim adamları arasındaki sistematik tartışmaların temeliydi. Bunun hakkında konuştular, çok sayıda tartışma oldu, farklı ülkelerdeki en üst düzey salonlarda sohbet konusu oldu.

Bilim adamları bunu tartıştı, sohbet konusu oldu. Hatta öğretinin bilim dünyasından yalnızca üç kişi tarafından anlaşılabileceğine dair bir hipotez bile vardı. Zamanı geldiğinde, bilimlerin en gizemlisinin - Öklid matematiğinin - rahipleri varsayımları açıklamaya başladı. Daha sonra dijital modelini ve dünya alanı üzerindeki eyleminin aynı matematiksel olarak doğrulanmış sonuçlarını oluşturmak için bir girişimde bulunuldu, hipotezin yazarı, yarattığı şeyi bile anlamanın çok zor hale geldiğini itiraf etti. Peki ne işe yarar genel görelilik teorisi, Ne araştırıyor ve modern dünyada hangi pratik uygulamayı buldu?

Teorinin tarihi ve kökleri

Bugün, çoğu durumda, büyük Einstein'ın başarıları, başlangıçta sarsılmaz bir sabit olan şeyin tamamen reddedilmesi olarak kısaca tanımlanıyor. Tüm okul çocukları tarafından fiziksel binom olarak bilinen şeyin çürütülmesini mümkün kılan bu keşifti.

Gezegen nüfusunun çoğunluğu, öyle ya da böyle, dikkatlice, düşünceli ya da yüzeysel olarak, bir kez bile olsa, büyük kitabın, İncil'in sayfalarına döndü.

Gerçek bir onayın ne olduğunu burada okuyabilirsiniz öğretimin özü- geçen yüzyılın başında genç bir Amerikalı bilim adamının üzerinde çalıştığı şey. Eski Ahit tarihinde havaya yükselme gerçekleri ve oldukça yaygın olan diğer şeyler, bir zamanlar modern zamanlarda mucizelere dönüştü. Eter, bir kişinin tamamen farklı bir hayat yaşadığı bir alandır. Havadaki yaşamın özellikleri, doğa bilimleri alanında birçok dünyaca ünlü tarafından incelenmiştir. VE Einstein'ın yerçekimi teorisi kadim kitapta anlatılanların doğru olduğunu doğruladı.

Hendrik Lorentz ve Henri Poincaré'nin çalışmaları eterin belirli özelliklerinin deneysel olarak keşfedilmesini mümkün kıldı. Her şeyden önce bu, dünyanın matematiksel modellerini oluşturmaya yönelik bir çalışmadır. Temel, maddi parçacıkların eterik uzayda hareket ettiğinde hareket yönüne göre büzüldüğünün pratik olarak doğrulanmasıydı.

Bu büyük bilim adamlarının çalışmaları doktrinin ana önermelerinin temelini oluşturmayı mümkün kıldı. Nobel ödüllü yazarın eserlerinin bu iddiaya sürekli malzeme sağlayan da bu gerçektir. Albert'in görelilik teorisi intihaldi ve öyle de kalacak. Bugün pek çok bilim insanı, birçok varsayımın çok daha önce kabul edildiğini iddia ediyor, örneğin:

Olayların koşullu eşzamanlılığı kavramı;
Sabit binom hipotezinin ilkeleri ve ışık hızı kriterleri.

Ne yapmalı görelilik teorisini anlamak? Mesele geçmişte yatıyor. Poincare'in çalışmalarında, mekanik yasalarındaki yüksek hızların yeniden düşünülmesi gerektiği hipotezi öne sürüldü. Fransız fizikçinin açıklamaları sayesinde bilim dünyası, projeksiyondaki hareketin eterik uzay teorisine göre ne kadar göreceli olduğunu öğrendi.

Statik bilimde, hareket eden çeşitli maddi nesneler için büyük miktarda fiziksel süreç dikkate alınmıştır. Genel konseptin varsayımları, hızlanan nesnelerle meydana gelen süreçleri tanımlar, graviton parçacıklarının varlığını ve yerçekiminin kendisini açıklar. Görelilik teorisinin özü daha önce bilim adamları için saçma olan gerçekleri açıklarken. Hareketin özelliklerini ve mekaniğin yasalarını, ışık hızına yaklaşan koşullarda uzay ve zaman sürekliliği arasındaki ilişkileri açıklamak gerekiyorsa, yalnızca görelilik doktrininin varsayımları uygulanmalıdır.

Teori hakkında kısaca ve net bir şekilde

Büyük Albert'in öğretisi neden ondan önceki fizikçilerin yaptıklarından bu kadar farklı? Daha önce fizik, doğadaki tüm süreçlerin gelişiminin ilkelerini "burada, bugün ve şimdi" sistemi çerçevesinde ele alan oldukça statik bir bilimdi. Einstein, etrafta olup biten her şeyi yalnızca üç boyutlu uzayda değil, aynı zamanda çeşitli nesnelerle ve zaman içindeki noktalarla ilişkili olarak görmeyi mümkün kıldı.

Dikkat! 1905 yılında Einstein görelilik teorisini yayınladığında farklı atalet hesaplama sistemleri arasındaki hareketi erişilebilir bir şekilde açıklamayı ve yorumlamayı mümkün kıldı.

Temel hükümleri, mutlak referans faktörlerinden biri olarak alınabilecek nesnelerden birini almak yerine, birbirine göre hareket eden iki nesnenin sabit hızlarının oranıdır.

Öğretimin özelliği tek bir istisnai durumla ilgili olarak değerlendirilebilmesidir. Ana faktörler:

Hareket yönünün düzlüğü;
Maddi bir cismin hareketinin tekdüzeliği.

Yön veya diğer basit parametreler değiştirilirken, maddi bir cisim hızlanabildiğinde veya yana doğru dönebildiğinde, statik görelilik doktrininin yasaları geçerli değildir. Bu durumda, maddi cisimlerin hareketini genel bir durumda açıklayabilen genel görelilik yasaları yürürlüğe girer. Böylece Einstein, fiziksel cisimlerin uzayda birbirleriyle etkileşiminin tüm ilkeleri için bir açıklama buldu.

Göreliliğin ilkeleri

Öğretim ilkeleri

Görelilik hakkındaki açıklama yüz yıldır en hararetli tartışmalara konu oldu. Çoğu bilim insanı, önermelerin çeşitli uygulamalarını fiziğin iki ilkesinin uygulamaları olarak görür. Ve bu yol uygulamalı fizik arasında en popüler olanıdır. Temel varsayımlar görelilik teorileri, ilginç gerçekler, bugün reddedilemez bir onay bulmuş olan:

Görelilik ilkesi. Bedenler arasındaki ilişkinin tüm fizik yasalarına göre korunması. Bunları birbirine göre sabit hızlarda hareket eden eylemsiz referans çerçeveleri olarak kabul etmek.
Işık hızı hakkında varsayımlarda bulunun. Hız ve ışık kaynaklarıyla olan ilişkiden bağımsız olarak her durumda değişmeyen bir sabit kalır.

Yeni öğreti ile en kesin bilimlerden birinin sabit statik göstergelere dayanan temel önermeleri arasındaki çelişkilere rağmen, yeni hipotez çevremizdeki dünyaya yeni bir bakış açısıyla dikkat çekti. Bilim adamının başarısı sağlandı ve bu, kendisine kesin bilimler alanında Nobel Ödülü'nün verilmesiyle doğrulandı.

Bu kadar şaşırtıcı bir popülerliğe ne sebep oldu ve Einstein görelilik teorisini nasıl keşfetti?? Genç bir bilim adamının taktikleri.

Şimdiye kadar dünyaca ünlü bilim adamları bir tez ortaya koydular ve ancak o zaman bir dizi pratik çalışma yürüttüler. Belirli bir anda genel kavrama uymayan veriler elde edilmişse, bunların hatalı olduğu kabul edildi ve nedenleri gösterildi.
Genç dahi tamamen farklı taktikler kullandı, pratik deneyler yaptı, seriydi. Elde edilen sonuçlar, kavramsal seriye bir şekilde uymasa da tutarlı bir teoriye dönüştürüldü. Ve tüm anlarda "hatalar" veya "yanlışlıklar" yok görelilik hipotezleri, örnekler ve gözlemlerin sonuçları açıkça devrim niteliğindeki teorik öğretiye uyuyor.
Geleceğin Nobel ödülü sahibi, ışık dalgalarının yayıldığı gizemli eterin incelenmesi ihtiyacını reddetti. Eterin var olduğu inancı bir takım önemli yanılgılara yol açmıştır. Ana varsayım, eterik ortamdaki süreci gözlemleyen gözlemciye göre ışık ışınının hızındaki bir değişikliktir.

Aptallar için görelilik

Görelilik en basit açıklamadır

Çözüm

Bilim insanının asıl başarısı, uzay ve zaman gibi niceliklerin uyum ve birliğinin kanıtıdır. Bu iki süreklilik arasındaki üç boyutlu bağlantının temel doğası, zaman boyutuyla birleştiğinde, maddi dünyanın doğasına ilişkin pek çok sırrın anlaşılmasını mümkün kılmıştır. Sayesinde Einstein'ın yerçekimi teorisi Modern bilimin derinliklerinin incelenmesi ve diğer başarıları mümkün hale geldi çünkü öğretimin olanakları bugüne kadar tam olarak kullanılmadı.

Eter kavramının fizikten dışlanması haklıydı, ancak bilimde ortaya çıkan sorunları hiç çözmedi. Kuruldu:

1) Işığın boş uzaydaki hızı her zaman sabittir ve ilk bakışta tuhaf görünse de ışık kaynağının veya ışık alıcısının hareketinden bağımsızdır. Bu durum Michelson'un deneyi ile kanıtlanmıştır;

2) iki koordinat sistemi birbirine göre doğrusal ve düzgün bir şekilde hareket ediyorsa, yani klasik mekaniğin dilinde, sistemler eylemsizlik, o zaman doğanın tüm kanunları onlar için aynı olacaktır. Bu durum aşağıdaki gibidir Galileo'nun görelilik ilkesi.Üstelik bu tür sistemlerden kaç tane olursa olsun (iki veya daha fazla), hızın hangisinde mutlak olarak kabul edilebileceğini belirlemenin bir yolu yoktur;

3) klasik mekaniğe göre atalet sistemlerinin hızları birbirine göre dönüştürülebilir, yani bir cismin (maddi noktanın) bir atalet sistemindeki hızını bilerek, bu cismin başka bir atalet sistemindeki hızını belirleyebilirsiniz. ve belirli bir cismin farklı atalet koordinat sistemlerinde hızlarının değerleri farklı olacaktır.

Açıkçası, üçüncü konum birinci konumla çelişiyor; buna göre tekrarlıyoruz, ışık kaynağının veya alıcısının hareketinden bağımsız olarak ışığın sabit bir hızı vardır. yani hangi eylemsiz koordinat sisteminin ölçüldüğüne bakılmaksızın.

Bu çelişki, temel yasaları 1905'te A. Einstein tarafından belirlenen fiziksel bir teori olan görelilik teorisinin yardımıyla çözüldü ( özel veya özel görelilik teorisi) ve 1916'da ( genel görelilik teorisi).

Büyük fizikçi Albert Einstein(1879 - 1955) Almanya'da (Ulm) doğdu. 14 yaşından itibaren ailesiyle birlikte İsviçre'de yaşadı. Zürih Politeknik Enstitüsü'nde okudu ve 1900 yılında mezun olduktan sonra Schaffhausen ve Westerthur şehirlerindeki okullarda öğretmenlik yaptı. 1902'de Bern'deki Federal Patent Ofisi'nde mali açıdan kendisine daha uygun bir uzman pozisyonu almayı başardı. Bürodaki çalışma yılları (1902'den 1909'a kadar) Einstein için çok verimli bilimsel faaliyetlerle dolu yıllar oldu. Bu süre zarfında özel görelilik teorisini yarattı, yaklaşık 80 yıldır açıklanamayan Brown hareketinin matematiksel teorisini verdi, ışığın kuantum kavramını oluşturdu, istatistiksel fizikte araştırmalar yaptı ve çok sayıda araştırma yaptı. diğer çalışmalardan.

Einstein'ın zaten muazzam olan bilimsel başarıları ancak 1909'da geniş çapta tanındı, takdir edildi (tamamen uzak) ve Zürih Üniversitesi'nde ve 1911'de Prag'daki Alman Üniversitesi'nde profesör seçildi. 1912'de Einstein, Zürih Politeknik Enstitüsü'nde bölüm başkanlığına seçildi ve Zürih'e döndü. 1913'te Prusya Bilimler Akademisi'nin üyeliğine seçilen Einstein, Berlin'e taşındı ve 1933'e kadar burada yaşadı; bu süre zarfında Berlin Üniversitesi'nde Fizik Enstitüsü müdürü ve profesör olarak görev yaptı. Bu süre zarfında yarattığı genel görelilik teorisi(1907'de üzerinde çalışmaya başladığından beri büyük ihtimalle tamamlanmıştır), ışığın kuantum teorisini geliştirdi ve bir dizi başka çalışma yürüttü. 1.921'de teorik fizik alanındaki çalışmaları ve özellikle yasaların keşfi için fotoelektrik etki(elektromanyetik radyasyon eyleminin bir sonucu olarak katı veya sıvıdan elektronların salınmasını içeren bir olgu) Einstein Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Görelilik teorisi - Einstein'ın ana başarısı - hemen tanınmadı. Temelleri daha önce de söylediğimiz gibi 1905'te Einstein tarafından oluşturulan özel görelilik teorisinin ancak 1920'lerin başında genel kabul gördüğü düşünülebilir. Ancak bundan sonra bile fizikçiler de dahil olmak üzere pek çok kişi onun aktif muhalifleri oldu. Üstelik bugün bile buna itirazların duyulması hiç de alışılmadık bir durum değil. Doğru, çoğu durumda bu, fiziğe yeterince aşina olmayan insanlar için geçerlidir. Bu muhtemelen, görelilik teorisinin temel ilkelerinin, aşağıda görüleceği gibi, çok sıra dışı olması ve anlaşılmasının o kadar da kolay olmamasıyla açıklanabilir.

1933'te, Alman faşizminin ideologlarının, savaşa karşı bir savaşçı ve bir Yahudi olarak kamusal bir figür olarak kendisine yönelik saldırıları nedeniyle, Einstein Almanya'yı terk etti ve daha sonra faşizmi protesto etmek için Alman Bilimler Akademisi'ne üyeliği reddetti. Einstein hayatının son kısmının tamamını Princeton'da (ABD) Princeton Temel Araştırma Enstitüsü'nde çalışarak geçirdi.

Görelilik teorisini geliştirmeye başlayan Einstein, bu bölümün başında formüle edilen üç hükümden ikisini kabul etti: 1) Işığın boşluktaki hızı sabittir ve her birine göre doğrusal ve düzgün hareket eden tüm koordinat sistemlerinde aynıdır. diğer ve 2) herkes için Atalet sistemlerinde tüm doğa kanunları aynıdır ve onu tespit etmenin bir yolu olmadığından mutlak hız kavramı anlamını yitirir. Birinciyle çelişen üçüncü önerme (farklı eylemsizlik sistemlerinde dönüştürülmüş hızların farklı değerleri hakkında), ilk başta garip görünse de Einstein tarafından reddedildi. Zaten bu yaklaşımdan yola çıkarak Einstein'ın hangi sonuçlara varması gerektiğini tahmin edebiliyoruz ama acele etmeyelim.

Daha önce söylenenlerden okuyucu, özel (veya özel) bir görelilik teorisi ve bir genel görelilik teorisinin olduğunu bilir. Özel görelilik teorisi, fiziksel yasaları yalnızca eylemsiz sistemlerle, yani Galileo tarafından belirlendiği şekliyle eylemsizlik yasasının geçerli olduğu sistemlerle ilişkili olarak ele alır ve formüle eder; genel görelilik teorisi ise herhangi bir koordinat sistemine uygulanabilir. Yerçekimi alanı yasalarını formüle eder.

Dolayısıyla, isimlerinden de anlaşılabileceği gibi, özel görelilik, daha kapsamlı olan genel görelilik teorisinin özel bir durumudur. Bununla birlikte, gerçekte ilk önce özel (özel) görelilik teorisi geliştirildi ve ancak ondan sonra genel görelilik teorisi geliştirildi. Hikayeye aynı yoldan devam edeceğiz.

Newton mekaniğinde mutlak uzay ve mutlak zaman vardır. Uzay maddeyi içerir, değişmezdir ve maddeyle hiçbir bağlantısı yoktur. Zaman mutlaktır ve akışının uzay ya da maddeyle hiçbir ilgisi yoktur. Bu temsil sezgiseldir ve klasik mekaniğe göre bize doğal ve doğru görünmektedir. Ama gerçekten doğru mu? Sezgiler bizi bir kez daha hayal kırıklığına uğratmıyor mu (uygulanan kuvvet ile hareket hızı arasındaki ilişkinin belirlenmesinde olduğu gibi)? Ve son olarak Newton mekaniği, Michelson'un boşluktaki ışık hızının değişmezliğine ilişkin deneyiyle nasıl bağdaştırılabilir?

Görelilik teorisi, Newton mekaniğinin aksine uzay ve zaman kavramlarının mutlak olmadığı gerçeğine dayanmaktadır. Einstein'a göre uzay ve zaman organik olarak maddeyle ve birbirleriyle bağlantılıdır. Görelilik teorisinin görevinin, üç koordinatı üç boyutlu bir hacmin koordinatları (x, y, z) ve dördüncü koordinatı zaman (t) olan dört boyutlu uzayın yasalarını belirlemek olduğunu söyleyebiliriz. ).

Uzay ve zaman kavramlarından mutlak değerleri çıkarıp (temelde aynı şey olan) üç boyutlu uzay yerine dört boyutlu uzayı getirerek ne elde ederiz? Gerçek şu ki, ışık hızının deneyimlerle kanıtlanmış sabitliği, bizi mutlak zaman kavramından vazgeçmeye zorluyor. Hemen belli olmayan bu ifade, basit zihinsel deneylerle kanıtlanabilir.

Yine iki gözlemcimiz olduğunu varsayalım: hareketli kapalı bir hacmin içinde yer alan dahili bir gözlemci ve bu hacmin dışında yer alan harici bir gözlemci. Işık kaynağının daha önce olduğu gibi hareketli kapalı bir hacmin içine yerleştirilmesine ve onunla birlikte hareket etmesine izin verin. Ancak şimdi, daha önce düşünülen benzer deneyin aksine, varlığı sorunu olumsuz bir şekilde çözüldüğü için herhangi bir eterden söz edilmiyor.

İç ve dış gözlemciler ne keşfedecek? Kapalı bir hacimle hareket eden bir iç gözlemci, tabii ki ışık kaynağından aynı uzaklıktalarsa, ışığın hacmin tüm duvarlarına aynı anda ulaşacağını görecektir. Michelsoya'nın deneyimine göre ışık kaynağının hareketinin kendisi için önemsiz olduğu dış gözlemci, her yöne eşit hızla ilerleyen bir ışık sinyalini de görecektir. Ancak kapalı hacmin duvarlarından biri ona göründüğü gibi (koordinat sisteminde) ışık kaynağına yaklaşacağı ve diğeri ondan uzaklaşacağı için ışık bu iki duvara aynı anda ulaşmayacaktır.

Sonuç olarak, bir koordinat sisteminde eşzamanlı olan iki olayın başka bir koordinat sisteminde eşzamanlı olmayabileceği ortaya çıkıyor.

Bu durumun açıklanmasının yalnızca temel kavramların (uzay ve zaman) değiştirilmesiyle mümkün olduğu ortaya çıktı ve bu, daha önce de söylediğimiz gibi Einstein tarafından yapıldı. Bu temelde oluşturduğu kısmi görelilik teorisinden, eylemsiz koordinat sistemleri için zaman ve uzunluk arasındaki mümkün olan tek kesin ilişki elde edilebilir. İki eylemsizlik koordinat sistemi için (durağanlığa göre ve harekete göre) sırasıyla göreli hız yönündeki uzunlukları belirlersek v başından sonuna kadar X Ve X", zaman içinde T Ve T", ışık hızı c, sonra kısmi görelilik teorisinin matematiksel temeli olarak adlandırılan formülleri elde ederiz:

Bu formüllerden şu sonuç çıkıyor: v daha yakın vİle İle arasındaki fark ne kadar büyük olursa X Ve X" ve arasında T Ve Ben". Bu nedenle nispeten küçük değerlerde Ben Ne zaman v/c 0'a yakın (ve bu neredeyse her zaman makroskobik, "yerküresel" koşullarda gerçekleşir), x" x-vt'ye yakındır, t" t'ye yakındır ve görelilik teorisinin denklemlerinin yerini klasik mekaniğin denklemleri alabilir. Tam tersine, ışık hızı c'ye yakın büyük v değerlerinde, v/c oranının küçük olması nedeniyle ihmal edilemeyeceği durumlarda, yani; görecelilikle uğraşmak zorunda kaldığınızda ( Görelilik (Latince Rolativus'tan - Göreceli) etkiler, ışık hızına yakın hızlarda veya güçlü yerçekimi alanlarında meydana gelen fiziksel olaylardır.) etkiler (örneğin parçacık hızlandırıcıları veya nükleer reaksiyonları hesaplarken), klasik mekaniğin formülleri bariz nedenlerden dolayı kullanılamaz. Aynı formüllerden, bilindiği üzere 300 bin km/s gibi çok büyük bir değere eşit olan ışık hızı c'nin sınırlayıcı hız olduğu da açıktır. Herhangi bir nesnenin hızı daha yüksek olamaz. Gerçekten de, eğer v, c'den büyük olsaydı, o zaman kök işaretinin altında negatif bir sayı olurdu ve dolayısıyla x" ve t" sanal sayılar olurdu, ki bu olamaz.

Özel görelilik teorisinin yaratılmasıyla bağlantılı olarak Lorentz ve Poincaré'nin çalışmalarından bahsetmek gerekir.

Hollandalı fizikçi Hendrik Anton Lorenz(1853 - 1928) zamanının en büyük bilim adamlarından biriydi. Lorentz'in “Elektron Teorisi” (1909) monografisinde tamamlanan klasik elektronik teorisini yarattı ve birçok elektriksel ve optik olayı açıklamayı mümkün kıldı. Lorentz dielektrik ve manyetik geçirgenlik, elektriksel ve termal iletkenlik ve bazı optik olaylar üzerinde çalıştı. Hollandalı fizikçi Pieter Zeemai (1865 - 1943) şimdi kendi adını taşıyan yeni bir etki keşfettiğinde (1896'da), Lorentz bu etkinin bir teorisini ortaya koydu ve Zeema bölünmesinin bileşenlerinin kutuplaşmasını öngördü (meselenin özü şudur: Manyetik momente sahip olan ve harici bir manyetik alana giren atomik sistemin ek enerji kazandığı ve spektral çizgilerinin bölündüğü).

Lorentz'in 19. yüzyılın sonunda kısmi görelilik teorisini yaratmaya yaklaştığı çalışmaları özel bir yer tutuyor. 1881'de Michelson, ışığın boşluktaki hızının sabitliğini ve ışık kaynağının ve alıcısının hareketinden bağımsızlığını deneysel olarak belirlediğinde, daha önce de belirtildiği gibi, bu deneyi elektrodinamik ve optikle uzlaştırma sorunu ortaya çıktı; eterin varlığı üzerine inşa edilmişti.

1892'de Lorentz (ve ondan önce 1889'da İngiliz fizikçi J. Fitzgerald), bir eylemsiz sistemden diğerine geçerken zamanın değerlerinin belirlenmesini mümkün kılan, onun adını taşıyan denklemleri (Lorentz dönüşümleri) elde etti. ve boyut. Nesnenin hareket hızı doğrultusunda hareket etmesi. Eğer bir cisim eylemsiz bir koordinat sistemine göre v hızıyla hareket ediyorsa, o zaman Lorentz dönüşümlerine göre fiziksel süreçler bu sisteme göre daha yavaş ilerleyecektir.

burada c ışık hızıdır.

Yeni eylemsiz koordinat sisteminde, hareketli cismin boyuna (v hızına göre) boyutları aynı miktarda azaltılacaktır. Kısmi görelilik teorisinin matematiksel temeli olarak adlandırılan denklemlerin Lorentz dönüşümlerinden farklı olmadığı ve tek bir forma indirgenebileceği açıktır. Lorentz dönüşümlerinden ışık hızının mümkün olan maksimum hız olduğu da açıktır.

Lorentz, eterin varlığını kabul etti ve Einstein'ın aksine, yukarıda tartışılan zamanın daha yavaş geçmesinin ve boyuttaki azalmanın, vücut eter içinde hareket ettiğinde cisimlere etki eden elektromanyetik kuvvetlerdeki bir değişikliğin sonucu olduğuna inanıyordu.

En büyük matematikçi ve fizikçilerden biri olan Fransız bilim adamı Henri Poincaré(1854 - 1912), diferansiyel denklemler, yeni sınıflar alanındaki çalışmalarıyla tanınmaktadır. transandantal (Aşkın fonksiyonlar cebirsel olmayan analitik fonksiyonlardır (örneğin üstel fonksiyon, trigonometrik fonksiyon).) - matematiksel fizikteki birçok konuda otomorfik olarak adlandırılan işlevler. Fransız matematikçilerden oluşan bir ekip, "Matematik Tarihi Üzerine Denemeler"de şöyle yazıyor: "En kapsamlı bilgi birikimine sahip olanlar arasında bile, geniş matematik dünyasının bazı alanlarında kendisini yabancı gibi hissetmeyecek hiçbir matematikçi yoktur. Poincaré ya da Hilbert gibi neredeyse her alanda dehalarının damgasını vuran bu kişiler, hatta en büyük, en ender istisnalar arasında yer alıyorlar." ( Alıntı Yazan: Tyapkin A.. Shibanov L. Poincaré. M., 1979, s. 5 - 6. (ZhZL))

Şüphesiz Poincaré kısmi görelilik teorisinin yaratılmasında “dehasının damgasını” bırakmıştır. Pek çok eserinde görelilik teorisinin çeşitli yönlerine defalarca değindi. "Lorentz dönüşümü" adını ortaya atan ve 1900'lerin başında "görelilik ilkesi" terimini kullanmaya başlayan kişinin Poincaré olması hiç de kayıtsız değil. Poincaré, Einstein'dan bağımsız olarak görelilik ilkesinin matematiksel yönünü geliştirdi ve olayların eşzamanlılığı kavramının ve çeşitli eylemsiz koordinat sistemlerinde hareket eden bir cismin boyutlarının derin bir analizini yaptı. Genel olarak Poincare, Einstein'la hemen hemen eşzamanlı olarak kısmi görelilik teorisine çok yaklaştı. Einstein, kısmi görelilik teorisinin (yukarıda hazırlanmış) matematiksel temelini ifade eden denklemlerden türetilen bir formülle temsil edilen, kütle ve enerji arasındaki ayrılmaz bağlantıyı ve enerjinin korunumu yasalarının kullanımını ve enerjinin korunumu yasalarının kullanımını gösterdiği bir makale yayınladı. momentum:

E = mс 2, Nerede e- enerji, M- ağırlık, İle- ışık hızı.

Bu formülden, bir gram kütlenin 9-1020 erg'ye eşit büyük bir enerjiye karşılık geldiği anlaşılmaktadır. Elbette, aynı başlangıç verilerine dayanarak, kütlenin vücudun hareket hızına bağımlılığını ifade eden bir denklem (Einstein tarafından yapılmıştır) yazabilirsiniz:

burada m 0 geri kalan kütledir (v = 0 olduğunda) ve v- vücut hareketinin hızı.

Son denklemden, makroskobik bir cisme (örneğin bir kilogram ağırlığa) ışık hızına yakın bir hız vermenin neredeyse imkansız olduğu açıktır, çünkü bu durumda ağırlığın kütlesi, hızıyla birlikte artacaktır. sonsuza eğilimlidir. Doğal olarak şu soru ortaya çıkıyor: Hızları ışık hızına eşit olan bu tür parçacıklar var mı? Biraz ileriye baktığımızda diyelim ki: evet varlar. Böyle bir parçacık elektromanyetik alan kuantumu, nötr (elektrik yükü olmayan) temel parçacık elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı (ve dolayısıyla ışık) foton dinlenme kütlesi sıfır olan (tn 0 = 0). Tabii ki söyleyeceğiz, keşke hafif taşıyıcı yoktu ışık hızı, işler gerçekten kötü olurdu. Görünüşe göre sıfır dinlenme kütlesinin de nötrinon.Örneğin çok küçük bir kütleye (yaklaşık 9 10 -28 g) sahip bir elektron, ışık hızına çok yakın bir hızla hareket edebilir.

Peki bir cismin kütlesinin hareket hızına bağımlılığını temsil eden son denklemi Lorentz dönüşümlerine dayanarak elde etmek mümkün müdür? Evet elbette yapabilirsiniz. Öyleyse belki de özel görelilik teorisini keşfedenin Einstein olduğuna inanmakta yanılıyoruz? Buna kesinlikle katılamayız. Einstein'a hakkını veriyoruz. Einstein, özel görelilik teorisinin ilkelerini oluşturarak tamamen yeni bir bakış açısı sundu. Zamanın mutlaklığını terk ederek fizikte devrim niteliğinde bir adım attı; bu, eşzamanlılık kavramının ve temel fizik yasalarının uygulanabilirlik kapsamının yeniden gözden geçirilmesine yol açtı. Einstein, Michel'in deneyinden sonra fizikte ortaya çıkan çelişkilere, diğer fizikçilerin yaptığı gibi elektromanyetik alanın belirli özelliklerinde değil, uzay ve zamanın genel özelliklerinde bir açıklama aradı. Einstein, bir eylemsiz koordinat sisteminden diğerine geçerken cisimlerin uzantısındaki ve zaman aralıklarındaki değişikliği tam olarak açıklayan şeyin bu olduğunu gösterdi.

Einstein'ın fizikte yaptığı değişiklikler, özellikle de özel ve genel görelilik teorilerinin yaratılması, genellikle kapsam ve önem açısından Newton'un fizikte yaptığı değişikliklerle karşılaştırılır.

V.I. Lenin, Einstein'ı "doğa biliminin büyük dönüştürücülerinden" biri olarak nitelendirdi.

Rusya'nın Minsk eyaletinin Aleksoty kasabasında doğan ünlü Alman matematikçi ve fizikçi Hermann Minkowski'nin (1864 -1909) kısmi görelilik teorisi alanındaki çalışmalarına dikkat çekmek gerekir. 1909'da dört boyutlu uzay-zaman hakkında "Uzay ve Zaman" adlı çalışması yayınlandı. Dört boyutlu kavram ilk olarak Minkowski tarafından 1907'de Göttingen Matematik Topluluğu'na sunduğu "Görelilik İlkesi" adlı raporunda geliştirildi.

Burada büyük Rus matematikçi hakkında birkaç söz söylemek yerinde olacaktır. Nikolai İvanoviç Lobaçevski,(1792 - 1856), yaratıcı Öklid dışı geometri(Lobaçevski geometrisi). Uzayın doğası anlayışında devrim yaratan Lobaçevski'nin geometrisi, Lobaçevski'ninkiyle aynı önermeler üzerine inşa edilmiştir. Öklid geometrisi paralel olanlarla ilgili varsayım (aksiyom) hariç. Öklid geometrisinin aksine, Öklid dışı geometride "belirli bir çizgi üzerinde yer almayan bir noktadan geçen bir düzlemde, verilen çizgiye paralel, yani onunla kesişmeyen bir ve yalnızca bir çizgi çizilebilir". şöyle deniyor: "Belirli bir doğru üzerinde yer almayan bir noktadan geçen bir düzlemde, verilen doğruyu kesmeyen birden fazla doğru çizilebilir." Lobaçevski'nin geometrisinde görünüşte paradoksal başka hükümler (teoremler) vardır, örneğin, “bir üçgenin açılarının toplamı iki dik açıdan küçüktür ( azπ)". Çağdaşları tarafından tanınmayan Lobaçevski'nin geometrisinin büyük bir keşif olduğu ortaya çıktı. Aşağıda tartışıldığı gibi genel görelilik, Öklid dışı geometriye yol açar.

Lobaçevski profesör, Fizik ve Matematik Fakültesi dekanı ve Kazan Üniversitesi rektörüydü. Ne olağanüstü bir tesadüf: V. I. Lenin, L. N. Tolstoy ve II, farklı zamanlarda Kazan Üniversitesi öğrencileriydi. I. Lobaçevski.

1907'den bu yana Einstein'ın ilgi alanı daha çok genel görelilik teorisi oluşturmaya odaklandı. Koordinat sistemleri arasındaki farkın hipertik koordinat sistemlerini karşılaştırırken olduğundan daha karmaşık olduğu durumu değerlendirdi. Başka bir deyişle, bu durumda, bir koordinat sistemi diğerine göre keyfi bir hareket durumunda, örneğin hızlandırılmış bir hareket durumunda olabilir.

Bu durumda sistemlerde aynı doğa yasalarının geçerli kalabilmesi için Einstein'ın da belirttiği gibi alanların dikkate alınması gerekir. yerçekimi (yerçekimi alanları). Genel durumda değişmezlik sorununun, yerçekimi (yerçekimi) sorunuyla doğrudan ilişkili olduğu ortaya çıkıyor.

Bu kitabın ilk yarısında Galileo'nun modern bilimin doğuşuna ilişkin çalışmaları tartışılırken iki kavram ortaya atıldı: atıl kütle ve ağır kütle. Galileo'nun deneyleri aslında belirli bir cisim için değerlerinin eşitliğini sağladı. Bu eşitliğin tesadüfi olup olmadığı sorusuna, klasik fizik açısından tesadüfi, modern fizik açısından ise (şimdi şunu söyleyebiliriz: genel bakış açısından) cevap verildi. görelilik teorisi) hiçbir şekilde tesadüfi değildir.

Genel görelilik teorisini geliştirirken Einstein şu sonuca vardı: esas atıl ve ağır kütlelerin eşitliğinin değeri. Gerçek dünyada herhangi bir cismin hareketi, yerçekimi kuvvetlerinin onu etkilediği birçok başka cismin varlığında meydana gelir. Atalet ve ağır kütlelerin eşitliği, genel görelilik teorisinin özünü temsil eden fiziksel uzay-zaman doktrininin daha da genişletilmesini mümkün kıldı. Einstein, gerçek uzayın Öklidyen olmadığı, yerçekimi alanları yaratan cisimlerin varlığında uzay ve zamanın niceliksel özelliklerinin, cisimlerin ve onların yarattığı alanların yokluğundakinden farklı olduğu sonucuna vardı. Yani örneğin bir üçgenin açılarının toplamı l'den küçüktür; zaman daha yavaş akar. Einstein, N.I. Lobachevsky'nin teorisinin fiziksel bir yorumunu verdi.

Genel görelilik teorisinin temelleri Einstein'ın elde ettiği çekim alanı denkleminde ifade edilmektedir.

Eğer özel görelilik teorisi, söylendiği gibi, mikropartikül hızlandırıcıların ve nükleer reaktörlerin oluşturulması ve çalıştırılması sırasında yalnızca deneysel olarak doğrulanmakla kalmadıysa, aynı zamanda ilgili hesaplamalar için zaten gerekli bir araç haline geldiyse, o zaman genel görelilik teorisinde durum şu şekildedir: farklı. Ünlü Sovyet fizikçisi V.L. Ginzburg bu konuda şöyle yazıyor: “Genel görelilik teorisi (GTR), 1915'te Einstein tarafından son haliyle formüle edildi. Bu zamana kadar, aynı zamanda şu anlama gelebilecek üç ünlü (“kritik”) etkiyi de belirtmişti: teoriyi test edin: spektral çizgilerin yerçekimsel kayması, güneş alanındaki ışık ışınlarının sapması ve günberi kayması ( Günberi, Merkür durumunda Güneş'in etrafında dönen bir gök cisminin yörüngesinin Güneş'e en yakın noktasıdır - Not. Yazar.) Merkür. O zamandan bu yana yarım asırdan fazla zaman geçti, ancak genel göreliliğin deneysel olarak doğrulanması konusu güncelliğini koruyor ve ilgi odağı olmaya devam ediyor...

Genel göreliliğin deneysel olarak doğrulanması alanındaki gecikme, hem Dünya üzerinde hem de Güneş sistemi içinde gözlemlenebilen etkilerin küçüklüğünden ve ilgili astronomik yöntemlerin karşılaştırmalı yanlışlığından kaynaklanmaktadır. Ancak şimdi, gezegenler arası roketlerin kullanılması, radyo yöntemlerinin "denemeleri" vb. sonucunda durum değişti. Bu nedenle, genel göreliliği %0,1 - 0,01 düzeyinde bir hatayla test etme olasılığı artık çok iyi görünüyor .

Genel göreliliğin Güneş alanında deneysel olarak doğrulanmasıyla "her şeyin yolunda olduğu" gösterilirse (ki hararetle öyle umuyorum), o zaman böyle bir doğrulama sorunu tamamen farklı bir düzleme geçecektir. GR'nin kozmolojide uygulanabilirliğinin yanı sıra, güçlü alanlarda veya süper kütleli kozmik cisimlerin yakınında ve içinde GR'nin geçerliliği ile ilgili soru hala devam etmektedir.

Son iki cümle beş yıl önce yazılmış ve kitabın önceki baskısında yer almıştı. O zamanlar Güneş'in yassılığı sorunu belirsizliğini koruyordu ve güneş alanındaki ışınların saptırılmasının ve sinyallerin gecikmesinin etkisi yüzde birkaç hatayla ölçülüyordu. Artık GTR'nin zayıf bir alan için öngördüğü üç etkinin tümü, elde edilen %1'lik doğrulukla teoriyle birleştiğine göre, GTR'nin güçlü bir alanda doğrulanması zaten ön plana çıkmıştır" ( Ginzburg L.L. Shitik ve astrofizik hakkında. 3. baskı, beyin. M., 1880, s. 90 - 92.)

Görelilik teorisi hakkında söylenenlerin sonucunda aşağıdakilere dikkat çekiyoruz. Pek çok bilim adamı, daha da geliştirilmesi sürecinde zorlu zorluklarla yüzleşmenin gerekli olacağına inanıyor. Şu anda genel görelilik teorisi bir anlamda klasik bir teoridir; kuantum kavramlarını kullanmaz. Bununla birlikte, yerçekimi alanı teorisi -buna hiç şüphe yok- kuantum olmalıdır. Genel görelilik teorisinin daha da gelişmesinin ana sorunlarıyla burada yüzleşmek zorunda kalmamız oldukça olası.

Şimdi Einstein'ın katkısının çok önemli olduğu başka bir fizik dalına, yani kuantum teorisine geçiyoruz.

Kuantum teorisinin kurucusu, Berlin Bilimler Akademisi üyesi, SSCB Bilimler Akademisi'nin fahri bakanı olan Alman fizikçidir. Maksimum Planck(1858 - 1947). Planck, Münih ve Berlin Üniversitelerinde eğitim gördü, Helmholtz, Kirchhoff ve diğer önde gelen bilim adamlarının derslerini dinledi ve çoğunlukla Kiel ve Berlin'de çalıştı. Bilim tarihine adını yazdıran Planck'ın başlıca eserleri termal radyasyon teorisiyle ilgilidir.

Bedenler tarafından elektromanyetik irade emisyonunun çeşitli enerji türlerinden dolayı meydana gelebileceği bilinmektedir, ancak çoğu zaman bu termal radyasyon, yani kaynağı vücudun termal enerjisidir. Basitçe söylemek gerekirse, termal radyasyon teorisi, radyasyon enerjisi ile elektromanyetik dalga boyu (veya radyasyon frekansı), sıcaklık arasındaki ilişkiyi bulmaya ve ardından tüm dalga boyu (frekanslar) aralığı boyunca toplam radyasyon enerjisini belirlemeye dayanır.

Radyasyon enerjisi dikkate alınana kadar sürekli(Olumsuz ayrık, enlemden itibaren. ayrık- örneğin elektromanyetik dalganın uzunluğu (veya radyasyon frekansı) ve sıcaklık gibi belirli parametrelerin fonksiyonunu kesintiye uğratmak, yani porsiyonlar halinde değiştirmek, ancak teori ve deney arasında bir anlaşmaya varmak mümkündü. Deneyim teoriyi reddetti.

Belirleyici adım, 1900 yılında, yeni (klasik fikirlerle tamamen tutarsız) bir yaklaşım öneren Planck tarafından atıldı: elektromanyetik radyasyonun enerjisini, küçük porsiyonlarda (kuantum) da olsa yalnızca ayrı ayrı iletilebilen ayrı bir değer olarak düşünmek. Enerjinin böyle bir kısmı (kuantum) olarak Planck şunu önerdi:

E =hv,

Nerede E, erg - elektromanyetik radyasyonun enerjisinin kısmı (kuantum), v, s -1 - radyasyonun frekansı, h = 6.62 · 10 -27 erg s - sabit, daha sonra adını aldı Planck sabiti, veya Planck kuantum eylemi. Planck'ın tahmininin son derece başarılı olduğu, daha doğrusu harika olduğu ortaya çıktı. Planck yalnızca deneye karşılık gelen bir termal radyasyon denklemi elde etmekle kalmadı, aynı zamanda fikirleri de temel oluşturdu. kuantum teorisi- şu anda aşağıdakileri içeren en kapsamlı fiziksel teorilerden biri: kuantum mekaniği, kuantum istatistiği, kuantum alan teorisi.

Planck denkleminin yalnızca aşağıdakiler için geçerli olduğu söylenmelidir: siyah gövde yani üzerine gelen tüm elektromanyetik radyasyonu emen bir cisim. Diğer organlara geçmek için bir katsayı eklenir - siyahlık derecesi.

Daha önce de söylediğimiz gibi Einstein, kuantum teorisinin yaratılmasına büyük katkı yaptı. Radyasyon alanının ayrık, kuantum yapısına ilişkin 1905'te ifade ettiği fikri ortaya atan kişi Einstein'dı. Bu onun fotoelektrik etki (daha önce de söylediğimiz gibi, elektromanyetik radyasyonun etkisi altında bir katı veya sıvı tarafından elektronların salınmasıyla ilişkili bir fenomen), lüminesans (bazı maddelerin parıltısı - fosforlar, termal radyasyona kıyasla aşırılık ve bir veya başka bir enerji kaynağı tarafından uyarılmış: ışık, elektrik alanı, vb.), fotokimyasal olaylar (ışığın etkisi altında kimyasal reaksiyonların uyarılması).

Elektromanyetik alana kuantum yapısını kazandırmak, Einstein'ın cesur ve öngörülü bir hamlesiydi. Kuantum yapısı ile ışığın dalga doğası arasındaki çelişki, daha önce de belirtildiği gibi elektromanyetik alanın kuantumu, nötr temel parçacıklar olan foton kavramının ortaya çıkışı ve ışığın foton teorisinin yaratılması önemli bir olaydı. adım, ancak 1928'de açıklığa kavuşturulmasına rağmen.

İstatistiksel fizik alanında, daha önce de belirtildiği gibi, Brown hareketi teorisini yaratmanın yanı sıra, Einstein, ünlü Hintli fizikçi Shatyendranath Bose ile birlikte, tamsayılı parçacıklar için kuantum istatistiklerini geliştirdi. döndürmek (Spin (İngilizce'den, spin - rotasyon) derken, bir mikro parçacığın içsel açısal momentumunu kastediyoruz; kuantum doğasına sahiptir ve parçacığın bir bütün olarak hareketi ile ilişkili değildir.), isminde Bose-Einstein istatistikleri. Not, bunun için: yarım tamsayı spinli parçacıklar için bir kuantum vardır Fermi-Dirac istatistikleri.

1917'de Einstein daha önce bilinmeyen bir etkinin varlığını öngördü: uyarılmış emisyon Daha sonra keşfedilen bu etki, yaratma olasılığını belirledi. lazerler.

Makale Einstein'ın görelilik teorisini herhangi bir formül veya anlaşılması güç kelimeler olmadan anlatıyor

Birçoğumuz Albert Einstein'ın görelilik teorisini duymuşuzdur ancak bazılarımız bu teorinin anlamını anlayamamaktadır. Bu arada bu, bizi alışılagelmiş dünya görüşünden uzaklaştıran tarihteki ilk teoridir. Basit kelimelerle bunun hakkında konuşalım. Hepimiz üç boyutlu algıya alışığız: dikey düzlem, yatay ve derinlik. Buraya zamanı da ekleyip dördüncü nicelik olarak kabul edersek dört boyutlu uzayı elde ederiz. Bunun nedeni zamanın da göreceli bir değer olmasıdır. Yani dünyamızdaki her şey görecelidir. Bu ne anlama geliyor? Mesela iki ikiz kardeşi ele alalım, birini 20 yıl boyunca ışık hızıyla uzaya gönderelim, diğerini ise Dünya'da bırakalım. İlk ikiz uzaydan döndüğünde Dünya'da kalandan 20 yaş daha genç olacak. Bunun nedeni, her şey gibi dünyamızda da zamanın bile göreceli olmasıdır. Bir cisim ışık hızına yaklaştığında zaman yavaşlar. Işık hızına eşit bir hıza ulaşıldığında zaman tamamen durur. Buradan, ışık hızını aşarsanız zamanın geriye, yani geçmişe döneceği sonucunu çıkarabiliriz.

Bunların hepsi teoride, peki ya pratikte? Işık hızına yaklaşamazsınız, hatta onu aşamazsınız. Işık hızına gelince, daima sabit kalır. Örneğin, bir kişi istasyon platformunda duruyor, ikincisi ise ona doğru giden bir trene biniyor. Platformda duran kişi bir el feneri tutarsa, ondan çıkan ışık saniyede 300.000 kilometre hızla gidecektir. Trende seyahat eden kişi de bir el feneri tutarsa, trenin hızı nedeniyle ışığının hızı artmaz; her zaman saniyede 300.000 kilometreye eşittir.

Işık hızını aşmak neden hâlâ mümkün değil? Gerçek şu ki, ışık hızına eşit bir hıza yaklaşıldığında cismin kütlesi artar ve buna bağlı olarak cismin hareketi için gereken enerji de artar. Işık hızına ulaşırsak, o zaman nesnenin kütlesi ve enerji de prensipte sonsuz olacaktır, ancak bu imkansızdır. Yalnızca kendi kütlesi olmayan nesneler ışık hızında hareket edebilir ve bu nesne tam olarak hafiftir.

Ayrıca bu işin içinde yer çekimi de vardır; zamanı değiştirebilir. Teoriye göre yerçekimi ne kadar yüksek olursa zaman da o kadar yavaş akar. Ama bunların hepsi teoride, peki ya pratikte? Uydulara bağlı modern navigasyon sistemleri tam da bu nedenle çok hassastır. Görelilik teorisini hesaba katmasalardı, ölçümlerdeki fark birkaç kilometre mertebesinde olabilirdi.

"Görelilik teorisi nedir?" yönetmen Semyon Raitburt tarafından 1964 yılında Mosnauchfilm film stüdyosunun İkinci Yaratıcı Derneği'nde çekilen kısa bir popüler bilim filmidir.

"ZS" No.7-11/1939

Lev Landau

Bu yıl, zamanımızın en büyük fizikçisi Albert Einstein'ın 60. yıldönümünü kutluyoruz. Einstein, bilimde gerçek bir devrime neden olan görelilik teorisiyle ünlüdür. Etrafımızdaki dünya hakkındaki fikirlerimizde, Einstein tarafından 1905'te ortaya atılan görelilik ilkesi, Kopernik'in öğretilerinin kendi zamanında yarattığı muazzam devrimin aynısını yarattı.
Kopernik'ten önce insanlar, evrenin merkezi olan hareketsiz bir Dünya'da, kesinlikle sakin bir dünyada yaşadıklarını düşünüyorlardı. Kopernik bu asırlık önyargıyı yıktı ve aslında Dünya'nın sürekli hareket halindeki devasa bir dünyada sadece küçük bir kum tanesi olduğunu kanıtladı. Bu dört yüz yıl önceydi. Ve şimdi Einstein, bizim için böylesine tanıdık ve görünüşte tamamen açık bir şeyin, zaman gibi, genellikle ona atfettiğimizden tamamen farklı özelliklere sahip olduğunu gösterdi...

Bu oldukça karmaşık teoriyi tam olarak anlayabilmek için, matematik ve fizik alanında kapsamlı bilgiye ihtiyaç vardır. Ancak her kültürlü insan bu konuda genel bir fikre sahip olabilir ve olmalıdır. “Bilgi Güçtür” dergisinin üç sayısı halinde bölümler halinde yayınlanacak olan yazımızda Einstein’ın görelilik ilkesi hakkında böylesine genel bir fikir vermeye çalışacağız.

Bu makalenin genç okuyucuya yönelik işlenmesinde şu kişiler yer aldı: E. Zelikovich, I. Nechaev ve O. Pisarzhevsky.

Alışık olduğumuz görelilik

Her ifadenin bir anlamı var mı?

Açıkçası hayır. Mesela “bi-ba-boo” dersen kimse bu ünlemden bir anlam bulamaz. Ancak tüm dilbilgisi kurallarına uygun olarak birleştirilen tamamen anlamlı kelimeler bile tamamen saçmalıklara yol açabilir. Dolayısıyla “lirik peynir gülüyor” ifadesine herhangi bir anlam yüklemek zordur.

Bununla birlikte, tüm saçmalıklar o kadar açık değildir: Çoğu zaman, ilk bakışta oldukça makul olan bir ifadenin aslında saçma olduğu ortaya çıkar. Söyleyin bana, örneğin, Moskova'daki Puşkin Meydanı'nın hangi tarafında Puşkin anıtı var: sağda mı yoksa solda mı?

Bu soruyu cevaplamak imkansızdır. Kızıl Meydan'dan Mayakovski Meydanı'na doğru yürürseniz anıt solda, ters yöne giderseniz sağda olacaktır. “Sağ” ve “sol” olarak değerlendirdiğimiz yönü belirtmeden bu kavramların hiçbir anlamı olmadığı açıktır.

Aynı şekilde yerküre üzerinde artık gece mi gündüz mü olduğunu söylemek mümkün değil mi? Cevap, sorunun nerede sorulduğuna bağlıdır. Moskova'da gündüzken Chicago'da gecedir. Dolayısıyla “gündüz veya gecedir” ifadesi, yerkürenin hangi yerine işaret ettiği belirtilmedikçe hiçbir anlam ifade etmez. Bu tür kavramlara “göreceli” diyeceğiz.

Burada gösterilen iki resim bir çoban ve bir ineği göstermektedir. Bir resimde çoban inekten daha büyük, diğerinde ise inek çobandan daha büyük. Ancak burada bir çelişkinin olmadığı herkesçe açıktır. Çizimler farklı yerlerdeki gözlemciler tarafından yapıldı: Birincisi ineğe, ikincisi çobana daha yakın duruyordu. Resimlerde önemli olan nesnelerin boyutu değil, bu nesneleri gerçekte hangi açıda göreceğimizdir.

Bir nesnenin “açısal büyüklüğünün” göreceli olduğu açıktır: nesneyle aralarındaki mesafeye bağlıdır. Nesne ne kadar yakınsa açısal değeri o kadar büyük ve büyük görünür; nesne ne kadar uzaktaysa açısal değeri o kadar küçük ve daha küçük görünür.

Mutlak olanın göreceli olduğu ortaya çıktı

Ancak kavramlarımızın göreliliği her zaman verilen örneklerdeki kadar açık değildir.

Sık sık "yukarı" ve "aşağı" hakkında konuşuruz. Bunlar mutlak kavramlar mı, yoksa göreceli kavramlar mı? Dünyanın küresel olduğunun henüz bilinmediği ve düz bir gözleme olarak hayal edildiği eski zamanlarda, dünyanın her yerinde “yukarı” ve “aşağı” yönlerinin aynı olduğu aşikâr kabul ediliyordu.

Ancak Dünya'nın küresel olduğu keşfedildi ve dünya yüzeyindeki farklı noktalardaki dikey yönlerin farklı olduğu ortaya çıktı.

Bütün bunlar artık bizde herhangi bir şüphe uyandırmıyor. Bu arada tarih, “üst” ve “alt” göreliliğini anlamanın o kadar da kolay olmadığını gösteriyor. İnsanlar, göreliliği günlük deneyimlerden anlaşılamayan kavramlara mutlak anlam yüklemeye çok eğilimlidirler. Orta Çağ'da büyük başarı elde eden, Dünya'nın küreselliğine yönelik gülünç "itiraz"ı hatırlayalım: Dünyanın "öte tarafında" ağaçların aşağıya doğru büyümesi, yağmur damlalarının yukarıya doğru düşmesi ve insanların da yağmur yağması gerektiğini söylüyorlar. baş aşağı yürümek.

Ve aslında, Moskova'daki dikey yönün mutlak olduğunu düşünürsek, Chicago'da insanların baş aşağı yürüdüğü ortaya çıkıyor. Ve Chicago'da yaşayan insanların mutlak bakış açısına göre Moskovalılar baş aşağı yürüyor. Ama aslında dikey yön mutlak değil görecelidir. Ve Dünya'nın her yerinde, küresel olmasına rağmen insanlar yalnızca baş aşağı yürürler.

Ve hareket görecelidir

Moskova-Vladivostok ekspresinde seyahat eden iki yolcuyu hayal edelim. Her gün aynı yerde yemekli vagonda buluşup kocalarına mektup yazmaya karar verirler. Gezginler, her gün dün bulundukları yerde olma koşulunu yerine getirdiklerinden emindir. Ancak kocaları buna katılmayacaktır: Gezginlerin her gün bir öncekinden bin kilometre uzakta yeni bir yerde buluştuğunu şiddetle savunacaklar.

Kim haklı: gezginler mi yoksa kocaları mı?

Birini veya diğerini tercih etmemiz için hiçbir neden yok: “Aynı yer” kavramı görecelidir. Trene gelince, yolcular aslında her zaman "aynı yerde" buluşuyorlardı, ancak dünya yüzeyine göre buluşma yerleri sürekli değişiyordu.

Dolayısıyla uzaydaki konum göreceli bir kavramdır. Bir cismin konumu hakkında konuştuğumuzda, her zaman onun diğer cisimlere göre konumunu kastediyoruz. Dolayısıyla cevapta diğer cisimlerden bahsetmeden falanca cesedin nerede olduğunu belirtmemiz istenseydi, böyle bir gerekliliğin tamamen imkansız olduğunu düşünmeliyiz.

Bundan, cisimlerin hareketinin veya hareketinin de göreceli olduğu sonucu çıkar. Ve "bir cisim hareket eder" dediğimizde, bu yalnızca onun diğer bazı cisimlere göre konumunu değiştirdiği anlamına gelir.

Bir cismin hareketini çeşitli noktalardan gözlemlediğimizi hayal edelim. Bu tür noktalara “laboratuvar” adını vermeyi kabul edelim. Hayali laboratuvarlarımız dünyadaki herhangi bir şey olabilir: evler, şehirler, trenler, uçaklar, Dünya, diğer gezegenler, Güneş ve hatta yıldızlar.

Hareket eden bir cismin yörüngesi, yani yolu bize nasıl görünecek?

Her şey onu hangi laboratuvardan gözlemleyeceğimize bağlı. Diyelim ki bir pilot kargoyu uçaktan atıyor. Pilotun bakış açısından, yük düz bir çizgide dikey olarak aşağı doğru uçar ve yerdeki bir gözlemcinin bakış açısından, düşen yük kavisli bir çizgiyi - bir parabol - tanımlar. Yük gerçekte hangi yörüngeyi takip ediyor?

Bu soru, bir kişinin hangi fotoğrafının “gerçek” olduğu sorusu kadar anlamsızdır; önden çekilen fotoğraf mı, yoksa arkadan çekilen fotoğraf mı?

Bir bedenin hareket ettiği eğrinin geometrik şekli, bir kişinin fotoğrafıyla aynı göreli karaktere sahiptir. Bir kişiyi önden ve arkadan fotoğraflayarak farklı fotoğraflar elde edeceğiz ve bunların her biri tamamen doğru olacaktır. Aynı şekilde, bir cismin hareketini çeşitli laboratuvarlardan gözlemlediğimizde farklı yörüngeler görürüz ve bu yörüngelerin tümü “gerçektir”.

Ama hepsi bizim için eşit değerde olacak mı? Bir cismin hareketini düzenleyen yasaları en iyi şekilde inceleyebileceğimiz böyle bir gözlem noktası, böyle bir laboratuvar bulmak hâlâ mümkün mü?

Hareket eden bir bedenin yörüngelerini bir kişinin fotoğraflarıyla karşılaştırdık - her ikisi de çok çeşitli olabilir, bunların hepsi vücudun hareketini nerede gözlemlediğinize veya fotoğrafı çektiğinize bağlıdır. Ancak fotoğrafçılıkta tüm bakış açılarının eşit olmadığını biliyorsunuz. Örneğin, kimlik tespiti için bir fotoğrafa ihtiyacınız varsa, doğal olarak fotoğrafınızın arkadan değil yüzünüzden çekilmesini isteyeceksiniz. Aynı şekilde mekanikte yani cisimlerin hareket yasalarını incelerken mümkün olan tüm gözlem noktalarından en uygun olanı seçmeliyiz.

Huzur arıyorum

Bedenlerin hareketinin kuvvet dediğimiz dış etkenlerden etkilendiğini biliyoruz. Ancak her türlü kuvvetin etkisinden arınmış bir beden hayal edebiliriz. Üzerine hiçbir kuvvetin etki etmediği bir cismin hareketsiz olduğunu kabul edelim. Şimdi, dinlenme kavramını tanıttığımıza göre, cisimlerin hareketinin incelenmesinde zaten sağlam bir desteğe sahipmişiz gibi görünüyor. Aslında hiçbir kuvvetin etkisi altında olmayan ve hareketsiz kabul ettiğimiz bu cisim, diğer tüm cisimlerin hareketlerini incelerken bize bir rehber, bir "yol gösterici yıldız" görevi görebilir.

Bir cismi diğer bütün cisimlerden, ona hiçbir kuvvet etki etmeyecek kadar uzaklaştırdığımızı hayal edelim. Ve sonra dinlenme halindeki böyle bir cisim üzerinde fiziksel olayların nasıl meydana gelmesi gerektiğini belirleyebileceğiz. Yani bu hayali "dinlenme" laboratuvarında geçerli olan mekanik yasalarını bulabiliriz. Ve bunları diğer gerçek laboratuvarlarda gözlemlediklerimizle karşılaştırarak, her durumda hareketin gerçek özelliklerini yargılayabileceğiz.

Yani, her şey mükemmel gidiyor gibi görünüyor: bir kale bulduk - şartlı da olsa "barış" ve şimdi hareket bizim için göreliliğini kaybetti.

Ancak gerçekte bu kadar zorlukla elde edilen bu hayali “barış” mutlak olmayacaktır.

Evrenin uçsuz bucaksız genişliklerinde kaybolmuş, yalnız bir küre üzerinde yaşayan gözlemcileri hayal edin. Herhangi bir dış gücün etkisini hissetmezler ve bu nedenle üzerinde yaşadıkları topun tamamen hareketsiz, mutlak, değişmez bir huzur içinde olduğuna ikna olmaları gerekir.

Aniden uzakta, üzerinde aynı gözlemcilerin bulunduğu başka bir benzer top fark ederler. Bu ikinci top büyük bir hızla, düz ve eşit bir şekilde birinciye doğru koşuyor. İlk toptaki gözlemcilerin hareketsiz durduklarından ve yalnızca ikinci topun hareket ettiğinden şüphesi yoktur. Ancak bu ikinci topun sakinleri de hareketsizliklerine inanıyor ve bu ilk "yabancı" topun kendilerine doğru hareket ettiğine kesinlikle inanıyorlar.

Hangisi doğru? Doğrusal ve düzgün hareket durumunu hareketsizlik durumundan ayırmak tamamen imkansız olduğundan bu konudaki tartışmanın hiçbir anlamı yoktur.

Buna ikna olmak için sizin ve benim evrenin sonsuz derinliklerine tırmanmamıza bile gerek yok. İskelede bir nehir teknesine binin, kendinizi kabine kilitleyin ve pencereleri dikkatlice perdeleyin. Bu koşullar altında hareketsiz mi durduğunuzu yoksa düz ve eşit bir şekilde mi hareket ettiğinizi asla keşfedemezsiniz. Her iki durumda da kabindeki tüm cisimler tamamen aynı şekilde davranacaktır: Bardaktaki suyun yüzeyi her zaman sakin kalacaktır; Dikey olarak yukarıya doğru atılan bir top aynı zamanda dikey olarak aşağıya da düşecektir; Saat sarkacı dairenizin duvarındakiyle aynı şekilde sallanacaktır.

Vapurunuz herhangi bir hızda hareket edebilir, ancak tamamen hareketsiz bir buharlı gemide olduğu gibi aynı hareket yasaları ona da geçerli olacaktır. Sadece yavaşlama veya hızlanma anında hareketini algılayabilirsiniz; düz ve eşit bir şekilde gittiğinde, her şey sabit bir gemide olduğu gibi onun üzerinde akar.

Böylece, hiçbir yerde mutlak bir dinlenme bulamadık, ancak dünyada birbirine göre eşit ve düz bir çizgide hareket eden sonsuz sayıda "durgunluk" olabileceğini keşfettik. Bu nedenle bir cismin hareketinden bahsederken, her zaman onun ne tür bir "dinlenme" durumuna göre hareket ettiğini belirtmeliyiz. Bu pozisyona mekanikte "hareketin göreliliği kanunu" denir. Üç yüz yıl önce Galileo tarafından ortaya atılmıştı.

Ancak hareket ve dinlenme göreceliyse, o zaman hızın da göreceli olması gerekir. Gerçekten durum böyle. Örneğin bir buharlı geminin güvertesi boyunca saniyede 5 metre hızla koştuğunuzu varsayalım. Gemi aynı yönde saniyede 10 metre hızla geçerse, kıyıya göre hızınız zaten saniyede 15 metre olacaktır.

Dolayısıyla hızın neye göre ölçüldüğünü belirtmeden "bir cisim şu hızda hareket eder" ifadesi bir anlam ifade etmiyor. Hareket eden bir cismin hızını farklı noktalardan belirlerken farklı sonuçlar elde etmeliyiz.

Şu ana kadar konuştuğumuz her şey Einstein'ın çalışmalarından çok önce biliniyordu. Hareket, dinlenme ve hızın göreliliği, mekaniğin büyük yaratıcıları Galileo ve Newton tarafından kurulmuştur. Keşfettiği hareket yasaları fiziğin temelini oluşturdu ve neredeyse üç yüzyıl boyunca tüm doğa bilimlerinin gelişimine büyük katkıda bulundu. Araştırmacılar tarafından sayısız yeni gerçek ve yasa keşfedildi ve bunların hepsi Galileo ve Newton'un görüşlerinin doğruluğunu tekrar tekrar doğruladı. Bu görüşler aynı zamanda pratik mekanikte - her türlü makine ve cihazın tasarımında ve çalıştırılmasında da doğrulandı.

Bu, klasik mekaniğin yasalarıyla kesin bir çelişki içinde olduğu ortaya çıkan yeni olayların keşfedildiği 19. yüzyılın sonuna kadar devam etti.

1881'de Amerikalı fizikçi Michaelson, ışığın hızını ölçmek için bir dizi deney yaptı. Bu deneylerin beklenmedik sonucu fizikçiler arasında kafa karışıklığına neden oldu; o kadar şaşırtıcı ve gizemliydi ki dünyanın en büyük bilim adamlarını bile şaşırttı.

Işığın dikkat çekici özellikleri

Belki böyle ilginç bir fenomeni gözlemlemişsinizdir.

Uzaklarda bir yerde, bir tarlada, bir demiryolu hattında ya da bir inşaat sahasında bir çekiç çalıyor. Örsün ya da çelik rayın üzerine ne kadar sert düştüğünü görüyorsunuz. Ancak çarpma sesi tamamen duyulmuyor. Çekiç çok yumuşak bir şeyin üzerine düşmüş gibi görünüyor. Ama şimdi yeniden ayağa kalktı. Ve zaten oldukça yüksekte olduğu anda, uzaktan keskin bir vuruş duyarsınız.

Bunun neden olduğunu anlamak zor değil. Normal şartlarda ses havada saniyede yaklaşık 340 metre hızla ilerler, bu nedenle çekicin darbesini oluştuğu anda değil, ancak sesin kulağımıza ulaşmasından sonra duyarız.

İşte daha çarpıcı bir örnek daha. Şimşek ve gök gürültüsü aynı anda meydana gelir, ancak gök gürültüsünün kulaklarımıza ancak birkaç saniye sonra ulaşması nedeniyle çoğu zaman şimşek sessizce çakıyormuş gibi görünür. Eğer bunları örneğin 10 saniyelik bir gecikmeyle duyarsak bu, yıldırımın bizden 340 x 10 = 3400 metre, yani 3,4 kilometre uzakta olduğu anlamına gelir.

Her iki durumda da iki andan bahsediyoruz: Bir olayın gerçekten gerçekleştiği andan ve bu olayın yankısının kulağımıza ulaştığı andan. Peki olayın tam olarak ne zaman gerçekleştiğini nasıl bileceğiz?

Bunu görüyoruz: çekicin düştüğünü, şimşeklerin çaktığını görüyoruz. Bu durumda olayın aslında tam da onu gördüğümüz anda gerçekleştiğini varsayıyoruz. Peki bu gerçekten böyle mi?

Hayır, öyle değil. Sonuçta biz olayları doğrudan algılamıyoruz. Işık, görme yardımıyla gözlemlediğimiz olaylara karışır. Ve ışık uzayda anında yayılmaz: Ses gibi ışık ışınlarının da mesafeyi kat etmesi zaman alır.

Boşlukta ışık saniyede yaklaşık 300 bin kilometre hızla hareket eder. Bunun anlamı şudur: Sizden 300 bin kilometre uzakta bir ışık yanıp sönerse, onun parıltısını hemen fark etmeyebilirsiniz, ancak yalnızca bir saniye sonra fark edebilirsiniz.

Işık ışınlarının bir saniyede ekvator boyunca dünyanın etrafını yedi kez dolaşması gerekirdi. Böyle devasa bir hızla karşılaştırıldığında, dünyasal mesafeler önemsiz görünüyor, bu nedenle pratik olarak Dünya'da meydana gelen tüm olayları, meydana geldikleri anda gördüğümüzü varsayabiliriz.

Işığın hayal edilemeyecek kadar büyük hızı şaşırtıcı görünebilir. Ancak çok daha şaşırtıcı olan başka bir şey var: Işık hızının şaşırtıcı derecede sabit olduğu gerçeği. Bu tutarlılığın ne olduğuna bakalım.

Vücutların hareketinin yapay olarak yavaşlatılıp hızlandırılabileceği bilinmektedir. Örneğin, bir merminin yoluna bir kutu kum koyarsanız, kutunun içindeki mermi hızının bir kısmını kaybedecektir. Kaybedilen hız geri getirilmeyecek: kutuyu terk ettikten sonra mermi aynı hızda değil, daha düşük bir hızda uçacak.

Işık ışınları farklı davranır. Havada boşluktan daha yavaş, suda - havaya göre daha yavaş ve camda - daha da yavaş yayılırlar. Ancak boşluğa herhangi bir madde (tabii ki şeffaf) bırakan ışık, önceki hızıyla (saniyede 300 bin kilometre) yayılmaya devam ediyor. Üstelik ışığın hızı, kaynağının özelliklerine bağlı değildir: Güneş ışınları, spot ışığı ve mum için kesinlikle aynıdır. Ayrıca ışık kaynağının hareket edip etmemesi de hiçbir fark yaratmaz; bu, ışığın hızını hiçbir şekilde etkilemez.

Bu gerçeğin anlamını tam olarak anlayabilmek için ışığın yayılmasını bir kez daha sıradan cisimlerin hareketiyle karşılaştıralım. Sokaktaki bir yangın hortumundan saniyede 5 metre hızla su akıttığınızı hayal edin. Bu, her su parçacığının sokağa göre saniyede 5 metre geçtiği anlamına gelir. Ancak jet yönünde saniyede 10 metre hızla geçen bir arabaya bir yangın hortumu yerleştirirseniz, o zaman jetin sokağa göre hızı zaten saniyede 15 metre olacaktır: su parçacıklarına hız sadece yangın nozulunu değil, aynı zamanda yangın nozülünü jetle birlikte ileriye taşıyan hareketli araba tarafından da sağlanır.

Işık kaynağını bir yangın hortumuyla, ışınlarını ise bir su akışıyla karşılaştırdığımızda önemli bir fark göreceğiz. Işık ışınlarının boşluğa hangi kaynaktan girdiği ve boşluğa girmeden önce başlarına ne geldiği önemli değildir. İçinde oldukları için yayılma hızları aynı değere eşittir - saniyede 300 bin kilometre ve ışık kaynağının hareket edip etmediğine bakılmaksızın.

Işığın bu özel özelliklerinin, makalenin ilk bölümünde tartışılan hareketin görelilik yasasıyla nasıl tutarlı olduğunu görelim. Bunu yapmak için, hızları toplama ve çıkarma problemini çözmeye çalışalım ve basitlik sağlamak için, hayal ettiğimiz tüm olayların, ışık hızının 300 bin kilometre olduğu boşlukta meydana geldiğini varsayalım.

Hareket eden bir vapurun tam ortasına bir ışık kaynağı ve vapurun her iki ucuna da birer gözlemci yerleştirilsin. Her ikisi de ışığın hızını ölçer. Çalışmalarının sonuçları ne olacak?

Işınlar her yöne yayıldığından ve her iki gözlemci de vapurla birlikte aynı yönde hareket ettiğinden aşağıdaki resim elde edilecektir: vapurun arka ucunda bulunan gözlemci ışınlara doğru hareket eder ve öndeki ise onlardan uzaklaşır. her zaman.

Bu nedenle, ilk gözlemcinin ışık hızının 300 bin kilometre artı buharlı geminin hızına, ikinci gözlemcinin ise 300 bin kilometre eksi buharlı geminin hızına eşit olduğunu bulması gerekir. Ve bir an için geminin saniyede 200 bin kilometrelik korkunç bir mesafe kat ettiğini hayal edersek, o zaman ilk gözlemcinin bulduğu ışığın hızı 500 bin kilometre, ikincisi ise saniyede 100 bin kilometre olacaktır. Sabit bir gemide her iki gözlemci de aynı sonucu elde edecekti - saniyede 300 bin kilometre.

Böylece, gözlemcilerin bakış açısından, hareket eden gemimizde ışık, sabit bir gemiye göre bir yönde 1 2/3 kat daha hızlı, diğer yönde ise üç kat daha yavaş yayılıyor gibi görünüyor. Basit aritmetik işlemler yaparak geminin mutlak hızını tespit edebilecekler.

Aynı şekilde, hareket eden herhangi bir cismin mutlak hızını da belirleyebiliriz: Bunu yapmak için üzerine bir ışık kaynağı yerleştirmek ve ışık ışınlarının vücudun farklı noktalarından yayılma hızını ölçmek yeterlidir.

Başka bir deyişle, kendimizi bir anda diğer tüm cisimlerden bağımsız olarak bir cismin hızını ve dolayısıyla hareketini belirleyebilecek bir konumda bulduk. Ancak mutlak hız varsa, o zaman tek, mutlak bir dinlenme de vardır: herhangi bir yönde ışığın hızını ölçen gözlemcilerin aynı değeri (saniyede 300 bin kilometre) elde ettiği herhangi bir laboratuvar kesinlikle hareketsiz olacaktır. .

Bütün bunların derginin bir önceki sayısında ulaştığımız sonuçlarla güçlü bir şekilde çeliştiğini görmek zor değil. Aslında: Düz bir çizgide düzgün hareket eden bir cisim üzerinde her şeyin duran bir cisimle aynı şekilde ilerlediği gerçeğinden bahsetmiştik. Bu nedenle, örneğin bir gemiye, hareketinin yönünde veya tersine ateş etsek de, merminin gemiye göre hızı aynı kalacak ve sabit bir geminin hızına eşit olacaktır. Aynı zamanda hareket, hız ve dinlenmenin göreceli kavramlar olduğuna da inanıyoruz: mutlak hareket, hız ve dinlenme diye bir şey yoktur. Ve şimdi birdenbire, ışığın özelliklerine ilişkin gözlemlerin tüm bu sonuçları tersine çevirdiği ve Galileo tarafından keşfedilen doğa yasası olan hareketin görelilik yasasıyla çeliştiği ortaya çıktı.

Ama bu onun temel yasalarından biridir: Dünyanın her yerinde geçerlidir; adaleti sayısız kez tecrübeyle doğrulanmış, bugüne kadar her yerde, her dakika doğrulanmıştır; eğer aniden adil olmayı bırakırsa, evreni hayal edilemeyecek bir kargaşa saracaktır. Ancak ışık ona itaat etmemekle kalmıyor, hatta onu reddediyor!

Michaelson'ın deneyimi

Bu çelişkiyle ne yapmalı? Bu konuda herhangi bir değerlendirme yapmadan önce şu hususa dikkat edelim: Işığın özelliklerinin hareketin görelilik yasasına aykırı olduğunu yalnızca akıl yürütmeyle tespit ettik. Doğru, bunlar çok ikna edici argümanlardı. Ancak kendimizi yalnızca akıl yürütmeyle sınırlandırırsak, doğa yasalarını deneyim ve gözlem yardımıyla değil, yalnızca çıkarımlara dayanarak keşfetmeye çalışan eski filozoflar gibi oluruz. Bu durumda, bu şekilde yaratılan dünya resminin, tüm değerlerine rağmen, etrafımızdaki gerçek dünyayla çok az benzerlik göstermesi tehlikesi kaçınılmaz olarak ortaya çıkar.

Herhangi bir fiziksel teorinin en üstün yargıcı her zaman deneyimdir ve bu nedenle kendimizi ışığın hareket eden bir cisim üzerinde nasıl yayılması gerektiği konusunda akıl yürütmekle sınırlamadan, bu koşullar altında gerçekte nasıl yayıldığını gösterecek deneylere yönelmeliyiz.

Ancak unutmamak gerekir ki, bu tür deneyleri yapmanın çok basit bir nedenden dolayı zor olduğu unutulmamalıdır: Işığın muazzam hızına uygun bir hızla hareket edecek bir cismi bulmak pratikte imkansızdır. Sonuçta tartışmamızda kullandığımız böyle bir gemi elbette yok ve olamaz.

Göreceli olarak yavaş hareket eden, bizim için erişilebilen cisimlerde ışık hızındaki önemsiz bir değişikliği tespit edebilmek için, son derece yüksek doğrulukta ölçüm cihazları oluşturmak gerekiyordu. Ve ancak bu tür cihazlar üretilebildiğinde, ışığın özellikleri ile hareketin görelilik yasası arasındaki çelişkiyi açıklığa kavuşturmaya başlamak mümkün oldu.

Böyle bir deney 1881'de modern zamanların en büyük deneycilerinden biri olan Amerikalı fizikçi Michaelson tarafından gerçekleştirildi.

Michaelson dünyayı hareket eden bir cisim olarak kullandı. Gerçekten de, Dünya açıkça hareket eden bir cisimdir: Güneş'in etrafında ve dahası, bizim koşullarımıza göre oldukça "saygın" bir hızla - saniyede 30 kilometre - döner. Bu nedenle, ışığın Dünya üzerindeki yayılımını incelerken, aslında ışığın hareketli bir laboratuvardaki yayılımını inceliyoruz.

Michaelson, Dünya üzerindeki ışığın hızını çeşitli yönlerde çok yüksek bir doğrulukla ölçtü, yani bizim sizinle zihinsel olarak hareket eden hayali bir buharlı gemide yaptığımız şeyi pratikte başardı. 300 bin kilometre gibi devasa bir sayıya kıyasla 30 kilometrelik küçücük farkı yakalamak için Michaelson'ın çok karmaşık deneysel teknikler kullanması ve tüm muazzam yaratıcılığını göstermesi gerekiyordu. Deneyin doğruluğu o kadar büyüktü ki, Michaelson hızlarda, tespit etmek istediğinden çok daha küçük bir farkı tespit edebilirdi.

Kızartma tavasından ateşe

Deneyin sonucu önceden belli görünüyordu. Işığın özellikleri bilindiğinde, ışığın farklı yönlerde ölçülen hızının farklı olacağını öngörmek mümkündü. Ama belki de deneyin sonucunun gerçekte böyle olduğunu düşünüyorsunuz?

Öyle bir şey yok! Michaelson'ın deneyi tamamen beklenmedik sonuçlar verdi. Yıllar boyunca, çeşitli koşullar altında birçok kez tekrarlandı, ancak her zaman aynı şaşırtıcı sonuca varıldı.

Açıkça hareket eden Dünya'da, herhangi bir yönde ölçülen ışığın hızının tamamen aynı olduğu ortaya çıkıyor.

Bu, ışığın bir istisna olmadığı anlamına gelir. Hareket eden bir gemiye isabet eden kurşunla aynı yasaya, Galileo'nun görelilik yasasına uyuyor. Dünyanın “mutlak” hareketini tespit etmek hiçbir zaman mümkün olmadı. Görelilik yasasına göre olması gerektiği gibi mevcut değildir.

Bilimin karşılaştığı hoş olmayan çelişki çözüldü. Ancak yeni çelişkiler ortaya çıktı! Fizikçiler kızartma tavasından ateşe düştüler.

Michaelson deneyiminin yol açtığı yeni çelişkileri anlamak için araştırmalarımıza sırasıyla bakalım.

Öncelikle mutlak hareket ve hareketsizliğin var olmadığını tespit ettik; Galileo'nun görelilik yasası bundan bahsediyor. Daha sonra ışığın özel özelliklerinin görelilik yasasıyla çeliştiği ortaya çıktı. Buradan mutlak hareket ve hareketsizliğin hala var olduğu sonucu çıktı. Bunu test etmek için Michaelson bir deney gerçekleştirdi. Deney tam tersini gösterdi: Çelişki yok ve ışık görelilik yasasına uyuyor. Sonuç olarak mutlak hareket ve hareketsizlik yine mevcut değildir. Öte yandan, Michaelson'ın deneyinden elde edilen sonuçların yalnızca Dünya için değil, hareket eden her cisim için geçerli olduğu açıktır; bu nedenle ışığın hızı, kendi hareketlerinden bağımsız olarak tüm laboratuvarlarda aynıdır ve bu nedenle ışığın hızı hala göreceli değil mutlak bir niceliktir.

Bunun bir kısır döngü olduğu ortaya çıktı. Dünyanın en büyük fizikçileri yıllardır bu konu üzerinde kafa yoruyorlar. En inanılmaz ve fantastik olanlar da dahil olmak üzere çeşitli teoriler önerildi. Ancak hiçbir şey yardımcı olmadı: Her yeni varsayım, hemen yeni çelişkilere neden oldu. Bilim dünyası en büyük gizemlerden biriyle karşı karşıyaydı.

Tüm bunların en gizemli ve tuhaf yanı, buradaki bilimin tamamen açık, kesin olarak kanıtlanmış gerçeklerle uğraşmasıydı: görelilik yasası, ışığın bilinen özellikleri ve Michaelson deneyi. Ve tam bir saçmalığa yol açıyor gibiydiler.

Gerçeklerin çelişkisi... Ancak gerçekler birbiriyle çelişemez çünkü yalnızca tek bir gerçek olabilir. Dolayısıyla gerçekleri anlamamızda bir hata olmalı. Ama nerede? Nedir?

1881'den 1905'e kadar tam 24 yıl boyunca bu sorulara hiçbir cevap bulunamadı. Ancak 1905'te çağımızın en büyük fizikçisi Albert Einstein bu gizeme harika bir açıklama yaptı. Tamamen beklenmedik bir yönden gelmesi, fizikçilere bir bombanın patladığı izlenimini verdi.

Einstein'ın açıklaması, insanlığın bin yıldır alıştığı hiçbir kavrama o kadar benzemiyor ki, kulağa son derece inanılmaz geliyor. Ancak buna rağmen şüphesiz doğru olduğu ortaya çıktı: 34 yıldır, dünyadaki çeşitli fiziksel olayların laboratuvar deneyleri ve gözlemleri, geçerliliğini giderek daha fazla doğruladı.

Kapılar açıldığında

Einstein'ın açıklamasını anlamak için öncelikle Michaelson deneyinin bir sonucuna aşina olmak gerekir. Hemen bir örnekle bakalım. Bunun için fantastik buharlı gemiyi bir kez daha kullanalım.

5.400 bin kilometre uzunluğunda bir gemi hayal edelim. Saniyede 240 bin kilometrelik muhteşem bir hızla düz ve eşit bir şekilde hareket etsin. Bir noktada vapurun ortasında bir ışık yanar. Geminin baş ve kıç tarafında kapılar bulunmaktadır. Ampulden gelen ışık üzerlerine düştüğü anda otomatik olarak açılacak şekilde tasarlanmıştır. Ampul yandı. Kapılar tam olarak ne zaman açılacak?

Bu soruyu cevaplamak için Michaelson deneyinin sonuçlarını hatırlayalım. Michaelson'ın deneyi, hareket eden Dünya üzerindeki gözlemcilere göre ışığın her yönde saniyede 300 bin kilometrelik aynı hızla yol aldığını gösterdi. Doğal olarak aynı şey hareket halindeki bir gemide de olacaktır. Ancak ampulün geminin her iki ucuna olan uzaklığı 2.700.000 kilometredir ve 2.700.000: 300.000 = 9. Bu da ampulden çıkan ışığın her kapıya 9 saniyede ulaşacağı anlamına gelir. Bu sayede her iki kapı da aynı anda açılacaktır.

Gemideki gözlemciye durum bu şekilde kendini gösterecektir. Geminin geçtiği iskelede insanlar ne görecek?

Işığın hızı, ışık kaynağının hareketine bağlı olmadığından, ışık kaynağının hareket eden bir gemide olmasına rağmen iskeleye göre saniyede aynı 300 bin kilometreye eşittir. Ancak iskeledeki gözlemcinin bakış açısına göre geminin kıç tarafındaki kapı ışık huzmesine doğru gemi hızıyla hareket etmektedir. Kapı kirişle ne zaman buluşacak?

Burada iki yolcunun birbirine doğru gitmesi problemine benzer bir problemle karşı karşıyayız. Buluşma saatini bulmak için yolcular arasındaki mesafeyi hızlarının toplamına bölmeniz gerekir. Burada da aynısını yapalım. Ampul ile kapı arasındaki mesafe 2.700 bin kilometre, kapının (yani buharlı geminin) hızı saniyede 240 bin kilometre, ışığın hızı ise saniyede 300 bin kilometredir.

Bu nedenle arka kapı açılacak

2700.000/(300000 + 240000)=5 saniye

Işık yandıktan sonra. Peki ön taraf?

İskeledeki gözlemcinin bakış açısından ön kapı, ışık huzmesi ile aynı yönde vapurla birlikte hareket ettiğinden ışık huzmesinin ona yetişmesi gerekir. Dolayısıyla burada yolcuların birinin diğerine yetişmesi sorunuyla karşı karşıyayız. Mesafeyi hız farkına böleceğiz:

2700.000/(300000 - 240000)=45 saniye

Yani ışık yandıktan 5 saniye sonra ilk kapı, 45 saniye sonra ise ikinci kapı açılacaktır. Bu nedenle kapılar aynı anda açılmayacaktır. İskeledekiler bunu görecek! Resim şu ana kadar söylenenlerin en şaşırtıcı olanı.

Aynı olayların - ön ve arka kapıların açılması - gemideki insanlar için eşzamanlı olacağı, ancak iskeledeki insanlar için eşzamanlı olmayacağı, ancak 40 saniyelik bir zaman aralığıyla ayrılacağı ortaya çıktı.

Bu tamamen saçmalık gibi gelmiyor mu? Bu, bir timsahın kuyruktan başa kadar uzunluğunun 2 metre ve baştan kuyruğa 1 metre olduğu saçma bir şaka ifadesine benzemiyor mu?

Ve unutmayın, iskeledeki insanlar kapıların aynı anda açılmadığını düşünmeyecekler; aslında onlar için bu aynı anda gerçekleşecek. Sonuçta her kapının açıldığı zamanı hesapladık. Aynı zamanda ikinci kapının aslında birinciden 40 saniye daha geç açıldığını gördük.

Ancak geminin yolcuları her iki kapının da aynı anda açıldığını doğru bir şekilde tespit etti. Ve bu aritmetik olarak gösterildi. Ne oluyor? Aritmetik aritmetiğe mi karşı?!

Hayır, burada aritmetiğin suçu yok. Burada karşılaştığımız tüm çelişkiler, zamana ilişkin yanlış fikirlerimizden kaynaklanıyor: Zamanın, insanlığın şimdiye kadar inandığı gibi olmadığı ortaya çıktı.

Einstein bu bin yıllık kavramları yeniden değerlendirdi. Aynı zamanda büyük bir keşif yaptı ve bu sayede isminin ölümsüzleşmesi sağlandı.

Zaman görecelidir

Önceki sayıda fizikçilerin Michaelson'ın deneyinden ne gibi olağanüstü sonuçlar çıkarmaları gerektiğini göstermiştik. İki kapısı ışık sinyaliyle açılan hayali bir buharlı gemi örneğine baktık ve şaşırtıcı bir gerçeği tespit ettik: Gemideki gözlemcilerin bakış açısından, kapılar aynı anda açılıyor, ancak bakış açısına göre kapılar aynı anda açılıyor. İskeledeki gözlemcilerin görüşleri farklı anlarda açılıyor.

Bir kişinin alışkın olmadığı şey ona inanılmaz gelir. Gemideki kapılarla ilgili olay tamamen inanılmaz görünüyor çünkü hiçbir zaman saniyede 240 bin kilometrelik muhteşem sayıya uzaktan bile yaklaşan bir hızda hareket etmedik. Ancak bu hızlarda meydana gelen olayların, günlük yaşamda alışık olduğumuz olaylardan çok farklı olabileceğini hesaba katmalıyız.

Elbette gerçekte ışık hızına yakın hızlarda giden buharlı gemiler yoktur. Ve aslında, örneğimizde anlatıldığı gibi kapılarda böyle bir durumu şimdiye kadar hiç kimse gözlemlemedi. Ancak benzer olaylar, son derece gelişmiş modern deneysel teknoloji sayesinde kesinlikle tespit edilebilir. Kapıların açılması örneğinin soyut akıl yürütmeye değil, yalnızca deneyim yoluyla elde edilen kesin olarak kanıtlanmış gerçeklere dayandığını hatırlayalım: Michaelson'ın deneyimi ve ışığın özellikleri üzerine uzun yıllara dayanan gözlemler.

Dolayısıyla, bizi iki olayın eşzamanlılığı kavramının mutlak olmadığı konusunda tartışılmaz bir sonuca götüren deneyim oldu. Daha önce, herhangi bir laboratuvarda aynı anda iki olay meydana gelirse, diğer herhangi bir laboratuvar için bunların eşzamanlı olacağına inanıyorduk. Artık bunun yalnızca birbirine göre hareketsiz laboratuvarlar için geçerli olduğunu öğrendik. Aksi halde bir laboratuvar için eş zamanlı olan olaylar, diğer bir laboratuvar için farklı zamanlarda meydana gelecektir.

Eşzamanlılık kavramının göreceli bir kavram olduğu anlaşılmaktadır. Ancak laboratuvarın nasıl hareket ettiği, hangi olayların gözlemlendiği belirtildiğinde anlam kazanır.

Yazının başında her gün ekspres yemekli vagona gelen iki gezginden bahsetmiştik. Gezginler her zaman aynı yerde buluştuklarından emindi. Kocaları her gün bir önceki yerden bin kilometre uzakta yeni bir yerde buluştuklarını iddia etti.

Her ikisi de haklıydı: Trenle ilgili olarak yolcular aslında aynı yerde buluştular, ancak demiryoluyla ilgili olarak farklı yerlerde. Bu örnek bize mekan kavramının mutlak değil, göreceli bir kavram olduğunu gösterdi.

Yolcularla tanışmak ve bir gemide kapıları açmakla ilgili her iki örnek de birbirine benzer. Her iki durumda da görelilik hakkında konuşuyoruz ve hatta aynı kelimelere rastlıyoruz: “aynı” ve “farklı”. Sadece ilk örnekte yerlerden yani mekandan, ikinci örnekte ise anlardan yani zamandan bahsediliyor. Bundan ne sonuç çıkıyor?

Zaman kavramının da en az mekan kavramı kadar göreceli olması.

Son olarak bundan emin olmak için vapur örneğini biraz değiştirelim. Kapılardan birinin mekanizmasının arızalı olduğunu varsayalım. Bu arıza gemidekilerin ön kapının arka kapıdan 15 saniye önce açıldığını fark etmelerine neden olsun. İnsanlar iskelede ne görecek?

Örneğin ilk versiyonunda ön kapı arka kapıdan 40 saniye sonra açılıyorsa, ikinci versiyonda bu sadece 40 - 15 = 25 saniye sonra gerçekleşecektir. Bu nedenle, gemideki insanlar için ön kapının arka kapıdan daha erken açıldığı, iskeledeki insanlar için ise daha geç açıldığı ortaya çıktı.

Yani daha önce bir laboratuvarda yaşananlar diğerinde daha sonra yaşandı. Buradan zaman kavramının göreceli bir kavram olduğu açıktır.

Bu keşif 1905 yılında yirmi altı yaşındaki fizikçi Albert Einstein tarafından yapıldı. Bundan önce insan, zamanın mutlak olduğunu, dünyanın her yerinde aynı olduğunu, herhangi bir laboratuvardan bağımsız olduğunu hayal ediyordu. Bu nedenle insanlar bir zamanlar yukarı ve aşağı yönlerinin dünyanın her yerinde aynı olduğunu düşünüyorlardı.

Ve şimdi zaman, uzayın kaderini yaşadı. Hangi laboratuvara başvurdukları belirtilmediği takdirde "aynı anda" ifadesinin "aynı yerde" ifadesinden daha anlamlı olmadığı ortaya çıktı.

Belki birisinin hala bir sorusu vardır: Aslında, hangi laboratuvar olursa olsun, herhangi iki olay eşzamanlı mıdır, değil midir? Bu soruyu düşünmek, herhangi bir laboratuvardan bağımsız olarak gerçekte dünyanın neresinde en üstte ve en altta olduğu sorusunu düşünmek kadar saçmadır.

Zamanın göreliliğinin keşfi, aşağıda göreceğiniz gibi, Michaelson deneyiminin fiziği yönlendirdiği tüm çelişkileri çözmeyi mümkün kıldı. Bu keşif, binlerce yıl boyunca gelişen kemikleşmiş fikirlere karşı aklın kazandığı en büyük zaferlerden biriydi. Olağanüstü doğasıyla bilim dünyasını hayrete düşürerek, insanoğlunun doğaya bakışında derin bir devrim yarattı. Niteliği ve önemi bakımından bu, ancak Dünya'nın küreselliğinin keşfinin veya Güneş etrafındaki hareketinin keşfinin neden olduğu devrimle karşılaştırılabilir.

Böylece Einstein, Copernicus ve Newton ile birlikte bilime tamamen yeni yollar açtı. Ve o zamanlar hala genç olan bu bilim adamının keşfinin ona hızla yüzyılımızın en büyük fizikçisi ününü kazandırması sebepsiz değildi.

Zamanın göreliliği doktrinine genellikle "Einstein'ın görelilik ilkesi" veya kısaca "görelilik ilkesi" denir. Daha önce tartıştığımız hareketin göreliliği yasası veya ilkesiyle, yani "klasik görelilik ilkesi" veya "Galileo-Newton görelilik ilkesi" ile karıştırılmamalıdır.

Hızın bir sınırı vardır

Bu büyük değişimleri ve izafiyet ilkesinin bilime getirdiği tüm yenilikleri bir dergi yazısında anlatmak imkansızdır. Ayrıca tüm bunları anlamak için iyi bir fizik ve yüksek matematik bilgisine sahip olmanız gerekir.

Makalemizin amacı yalnızca Einstein ilkesinin temellerini ve zamanın göreliliğinden kaynaklanan en önemli sonuçları açıklamaktır. Gördüğünüz gibi bu tek başına hiç de kolay bir iş değil. Görelilik ilkesinin en zor bilimsel sorulardan biri olduğunu ve matematiğin yardımı olmadan ona yeterince derinlemesine bakmanın genellikle imkansız olduğunu belirtelim.

Öncelikle zamanın göreliliğinin hıza ilişkin çok önemli bir sonucuna bakalım.

Bildiğiniz gibi buharlı lokomotiflerin, arabaların ve uçakların hızları, icat edildikleri günden bugüne sürekli olarak artmaktadır. Artık sadece birkaç on yıl önce inanılmaz görünen seviyelere ulaştı. Artmaya devam edecek.

Teknolojide çok daha yüksek hızlar da bilinmektedir. Bu, her şeyden önce mermilerin ve top mermilerinin hızıdır. Sürekli teknik iyileştirmeler sayesinde mermilerin ve mermilerin uçuş hızı da yıldan yıla arttı ve artmaya devam edecek.

Ancak teknolojide kullanılan en yüksek hız, ışık ışınları, elektrik akımı ve radyo dalgaları kullanılarak sinyal iletim hızıdır. Her üç durumda da yaklaşık olarak aynı değere eşittir - saniyede 300 bin kilometre.

Teknolojinin daha da gelişmesiyle, bazı yeni ışınların keşfedilmesiyle bu hızın aşılacağı düşünülebilir; Kullanabileceğimiz hızları sürekli artırarak, sinyallerin veya çabaların herhangi bir mesafeye anında iletilmesi idealine eninde sonunda istediğimiz kadar yaklaşabileceğiz.

Ancak Michaelson'un deneyimi bu idealin ulaşılamaz olduğunu gösteriyor. Aslında sonsuz yüksek iletim hızıyla iki olaydan gelen sinyaller her koşulda anında bize ulaşacaktır; ve eğer bir laboratuvarda aynı anda iki olay meydana gelmişse, diğer tüm laboratuvarlarda da aynı anda, meydana geldikleri anda gözlemleneceklerdir. Bu da "eşzamanlılığın" mutlak hale gelmesi, laboratuvarların hareketinden tamamen bağımsız olması anlamına gelecektir. Ancak gördüğümüz gibi zamanın mutlaklığı Michaelson'un deneyimiyle çürütülmüştür. Bu nedenle sinyallerin veya çabaların iletimi anında olamaz.

Başka bir deyişle, herhangi bir iletimin hızı sonsuz derecede büyük olamaz. Belirli bir hız sınırı vardır; hiçbir koşulda aşılamayan maksimum hız.

Maksimum hızın ışık hızıyla örtüştüğünü doğrulamak kolaydır. Nitekim Galileo-Newton görelilik ilkesine göre, birbirine göre doğrusal ve düzgün bir şekilde hareket eden tüm laboratuvarlarda doğa yasaları aynıdır. Bu, bu tür laboratuvarların tümü için maksimum hızın aynı olması gerektiği anlamına gelir. Peki tüm laboratuvarlarda hangi hız sabit kalır? Gördüğümüz gibi, bu kadar şaşırtıcı bir sabitliğe sahip olan yalnızca ışık hızıdır! Buradan, ışık hızının yalnızca dünyadaki (çok önemli olsa da) herhangi bir eylemin yayılma hızı olmadığı sonucu çıkıyor: Aynı zamanda doğada var olan maksimum hızdır.

Doğada maksimum hızın varlığının keşfi aynı zamanda insan düşüncesinin en büyük zaferlerinden biriydi. Geçen yüzyılın bir fizikçisi hızın bir sınırı olduğunu fark edemezdi. Eğer deneyleri sırasında sınırlayıcı bir hızın varlığı gerçeğine rastlamış olsaydı, bunun bir kaza olduğuna, bunun yalnızca deneysel yeteneklerinin sınırlamalarına bağlı olduğuna karar verirdi. Teknolojinin gelişmesiyle maksimum hızın aşılabileceğini düşünmek onun hakkıydı.

Bizim için bunun tam tersi açıktır: Buna güvenmek, navigasyonun gelişmesiyle birlikte dünya yüzeyinde başlangıç noktasından 20 bin kilometreden daha uzak bir yere ulaşmanın mümkün olacağına inanmak kadar saçma olacaktır (yani, dünyanın çevresinin yarısından fazlası).

Bir dakika ne zaman bir saate eşittir?

Zamanın göreliliğini ve alışkanlıktan tuhaf görünen sonuçlarını tam olarak açıklamak için Einstein trenle ilgili örnekler kullanıyor. Biz de aynısını yapalım. Hayali inanılmaz bir hızla hareket eden dev trene "Einstein'ın treni" adını vereceğiz.

Çok uzun bir demiryolu hayal edelim. Birbirine 864 milyon kilometre uzaklıkta iki istasyon var. Diyelim ki saniyede 240 bin kilometre hızla hareket eden Einstein'ın treninin aralarındaki mesafeyi kat etmesi bir saat sürecekti. Her iki istasyon da mükemmel derecede doğru saatlere sahiptir.

Yolcu ilk istasyonda trene biner. Öncelikle cep kronometresini tam olarak istasyon saatine göre ayarlıyor. Başka bir istasyona vardığında istasyonun saatini kontrol eder ve kronometrenin geride olduğunu görünce şaşırır...

Bu neden oldu?

Vagonun tabanında bir elektrik ampulü, tavanında ise bir ayna olduğunu varsayalım. Aynaya düşen bir ampulden gelen ışık ışını ampule geri yansır. Taşıyıcıdaki bir gezgin tarafından görülen kirişin yolu üstteki resimde gösterilmektedir: kiriş dikey olarak yukarıya doğru yönlendirilir ve dikey olarak aşağıya doğru düşer.

İstasyondaki gözlemciye farklı bir resim sunulacaktır. Işık huzmesinin ampulden aynaya gittiği süre boyunca ayna da trenle birlikte hareket ediyordu. Ve yansıyan ışının düşmesi sırasında ampulün kendisi de aynı mesafeye hareket etti. İstasyondaki bir gözlemcinin bakış açısından ışının kat ettiği yol aşağıdaki şekilde gösterilmiştir: bir eşkenar üçgenin iki kenarını oluşturur. Üçgenin tabanı trenin ileri doğru taşıdığı bir ampulden oluşuyor.

İstasyondaki bir gözlemcinin bakış açısından, ışık ışınının trendeki bir gözlemcinin bakış açısından daha büyük bir mesafe kat ettiğini görüyoruz. Aynı zamanda ışık hızının her koşulda sabit olduğunu biliyoruz: Bu hem istasyondaki gözlemci için hem de trendeki yolcu için tamamen aynıdır. Bundan ne sonuç çıkıyor?

Hızlar aynıysa ve yolların uzunlukları farklıysa, daha kısa bir yolu kat etmenin daha az, daha büyük bir yolu kat etmenin ise daha fazla zaman alacağı açıktır. Her iki zamanın oranını hesaplamak kolaydır.

İstasyondaki gözlemcinin bakış açısından ışının aynaya gidişiyle ampule dönüşü arasında 10 saniye geçtiğini varsayalım. Bu 10 saniye boyunca ışık geçti:

300.000 x 10 = 3 milyon kilometre.

Sonuç olarak, ABC ikizkenar üçgeninin AB ve BC kenarlarının her biri 1,5 milyon kilometreye eşittir. Üçgenin tabanı olan AC 1 tarafı, trenin 10 saniyede kat ettiği mesafeye eşittir:

240.000 x 10 = 2,4 milyon kilometre.

MS 1 tabanının yarısı 1,2 milyon kilometreye eşittir.

Buradan arabanın yüksekliğini - BD üçgeninin yüksekliğini - belirlemek zor değil. ABD dik üçgeninden şunu elde ederiz:

BD 2 = AB 2 - AD 2 = 1,52 - 1,22

Dolayısıyla BD = 0,9 milyon kilometre.

Yükseklik oldukça kayda değer ancak Einstein'ın treninin astronomik boyutları göz önüne alındığında bu hiç de şaşırtıcı değil.

Trendeki bir gözlemcinin bakış açısından ışının kat ettiği yol, açıkça üçgenin yüksekliğinin iki katına eşittir:

2BD = 2 x 0,9 = 1,8 milyon kilometre.

Bu yolda ilerlemek için ışığın şunlara ihtiyacı olacaktır:

1.800.000/300.000 = 6 saniye.

Yani ışık hüzmesi ampulden aynaya ve geriye giderken istasyonda 10 saniye, trende ise sadece 6 saniye geçmişti. Trende geçirilen zamanın istasyonlarda geçen süreye oranı 6/10'dur.

Şaşırtıcı sonuç şu: İstasyon zamanına göre tren istasyonlar arasında bir saat yolculuk yapıyordu, ancak yolcunun kronometresine göre bu süre yalnızca 6/10 saat, yani 36 dakikaydı. Bu nedenle istasyonlar arasındaki hareket sırasında gezginin kronometresi istasyon saatinin gerisinde ve üstelik 24 dakika geride kaldı.

Bu gerçeği iyi düşünmemiz gerekiyor: Gezginin kronometresinin geride kalmasının nedeni bu değil; daha yavaş yürüdüğünü veya yanlış çalıştığını. Hayır, istasyonlardaki saatlerle aynı şekilde çalışıyordu. Ancak istasyonlara göre hareket eden bir trende zaman, istasyonlardakinden farklı geçiyordu.

Üçgenli şemadan, trenin hızı ne kadar yüksek olursa, kronometrenin trenden ışık hızına kadar olan gecikmesinin de o kadar büyük olması gerektiği açıktır; trenin üzerinde herhangi bir kısa sürenin geçmesini sağlamak mümkündür; istasyon saatinden bir saat sonra trene binin. Örneğin, ışık hızının yaklaşık 0,9999'una eşit bir tren hızıyla, trende bir saatlik istasyon süresinde yalnızca 1 dakika geçecektir (ya da tam tersi durumda, trende bir dakikalık istasyon süresinde bir saat geçecektir). Bir istasyondaki gözlemci, trenin başına ve sonuna yerleştirilen iki kronometreyi kullanarak zamanını kontrol eder).

Zamanın mutlak olduğunu düşünen insanlar, onun düzenli ve üstelik dünyanın her yerinde ve her koşulunda aynı hızla akan bir şey olduğunu zannederlerdi. Ancak Einstein'ın treni, farklı laboratuvarlarda zamanın hızının farklı olduğunu gösteriyor. Zamanın bu göreliliği, fiziksel dünyanın en önemli özelliklerinden biridir.

Bütün söylenenlerden Wells'in bilim kurgu öyküsünde anlattığı "zaman makinesi"nin o kadar da boş bir fantezi olmadığı sonucuna varabiliriz. Zamanın göreliliği, en azından teorik olarak geleceğe yolculuk olasılığının önünü açıyor. Einstein'ın treninin tam anlamıyla bir “zaman makinesi” olduğunu görmek zor değil.

Zaman makinesi

Aslında Einstein'ın treninin düz bir çizgide değil, dairesel bir demiryolu boyunca hareket ettiğini düşünelim. Daha sonra gezgin, orijinal istasyonuna her döndüğünde saatinin istasyon saatinin gerisinde olduğunu keşfedecektir.

Trenin hızını ışık hızına yaklaştırarak, bildiğiniz gibi, trenin istasyon saatine göre az da olsa bir saatin bir saatte geçmesini sağlayabilirsiniz. Bu da şaşırtıcı sonuçlara yol açıyor: Trende sadece yıllar geçerken, istasyonda yüzlerce, binlerce yıl geçecek. “Zaman makinesinden” çıkan gezginimiz, kendisini ayrı bir gelecekte bulacaktır... Akrabaları, dostları çoktan ölmüştür... Sadece uzak torunlarını hayatta bulacaktır.

Ancak Einstein'ın treni Wells'in arabasından hâlâ çok farklı. Sonuçta romancıya göre, yüksek hızı nedeniyle değil, bazı özel teknik cihazlar sayesinde zamanda hareket edebiliyordu. Ancak gerçekte böyle bir cihaz yaratılamaz; bu tamamen saçmalık. Geleceğe ulaşmanın tek yolu var: Trene ışık hızına yakın devasa bir hız kazandırmak.

Einstein'ın trenini Wells'in zaman makinesinden ayıran bir özellik daha var: zamanda "geriye" gidemiyor, yani geçmişe gitme ve dolayısıyla gelecekten bugüne dönme yeteneğinden yoksun.

Genel olarak zamanda geriye gitme fikri tamamen anlamsızdır. Sadece henüz olmamış şeyleri etkileyebiliriz, ama olmuş olanı değiştiremeyiz. Bu örnekten bile bu açıkça anlaşılıyor: Zamanda geriye gitmek mümkün olsaydı, bir kişinin zamanda geriye gidip anne ve babasını henüz bebekken öldürmesi de mümkündü. Ve eğer şimdiki zamana geri dönseydi, kendisini anne babası o doğmadan çok önce ölen bir adamın absürd konumunda bulacaktı!

Işık hızına yakın bir hızda hareket etmek teorik olarak başka bir olasılığın önünü açıyor: zamanla herhangi bir mesafeyi aşmak. Ve dünya uzayında o kadar büyük olabilirler ki, maksimum hızda bile çoğu yolculuk için bir insan hayatı yeterli olmaz.

Bir örnek, bizden iki yüz ışıkyılı uzaklıkta olan bir yıldız olabilir. Işık hızı doğadaki en yüksek hız olduğundan, bu yıldıza fırlatıldıktan iki yüz yıl sonra ulaşmak mümkün değildir. Ve insan yaşamının süresi iki yüz yıldan az olduğundan, insanın uzak yıldızlara ulaşma fırsatından temel olarak mahrum olduğunu söylemek doğru olur.

Ancak bu mantık hatalıdır. Yanlış olan iki yüz yıldan mutlak bir şeymiş gibi bahsetmemizdir. Ancak zaman görecelidir, yani tüm laboratuvarlar için ortak bir zaman yoktur. İstasyonlarda bir zaman sayımı vardı ama Einstein'ın treninde bir tane daha vardı.

Uzaya seyahat eden bir astronot hayal edelim. Dünya zamanına göre bizden iki yüz ışık yılı uzaklıktaki bir yıldıza ulaştığında aslında iki yüz yıl geçmiş olacaktır. Bir rokette, bildiğimiz gibi, Dünya'ya göre hızına bağlı olarak herhangi bir kısa süre geçebilir.

Böylece astronot kendi zaman hesabına göre yıldıza iki yüz yılda değil, diyelim bir yılda ulaşacaktır. Yeterince yüksek bir hızda, bir dakika içinde bile olsa, bir yıldıza "uçmak" ve roket saatine göre geri dönmek teorik olarak mümkündür...

Üstelik dünyadaki maksimum hızda (saniyede 300 bin kilometre) hareket ederken zaman son derece kısalır, yani sıfıra eşit olur. Yani bir roket ışık hızında hareket edebilseydi, içindeki gözlemci için zaman tamamen dururdu ve bu gözlemci açısından başlangıç anı, bitiş anına denk gelirdi.

Bütün bunların yalnızca teorik olarak mümkün olduğunu tekrarlıyoruz. Pratikte geleceğe ve uzak yıldızlara yolculuk yapmak imkansızdır, çünkü arabaların ve insanların ışık hızına yakın hızlarda hareket etmesi teknik nedenlerden dolayı imkansızdır.

Ve nesnelerin boyutları görecelidir

Önceki bölümlerde verilen akıl yürütme ve eğlenceli örnekler harika görünüyor. Ancak amaçları okuyucuyu fanteziye kaptırmak değil, zamanın göreliliğinden kaynaklanan sonuçların derinliğini ve ciddiyetini göstermektir.

Zamanın göreliliğinin aynı zamanda cisimlerin boyutlarının göreliliğini de içerdiğini görmek zor değil.

Einstein'ın treninin geçtiği platformun uzunluğu 2,4 milyon kilometre olsun. Saniyede 240 bin kilometre hıza ulaşan tren, peronu 10 saniyede geçecek. Ama trenin 10 saniyelik istasyon süresinde yalnızca 6 saniye geçecek. Buradan gezgin haklı olarak platformun uzunluğunun 2,40 milyon kilometre değil, 240 bin x 6 = 1,44 milyon kilometre olduğu sonucuna varacaktır.

Bu, herhangi bir laboratuvara göre hareketsiz bir nesnenin hareketli bir nesneden daha uzun olduğu anlamına gelir. Platform trene göre hareket ediyordu ama istasyona göre hareketsizdi. Bu nedenle istasyondaki gözlemci için bu süre yolcuya göre daha uzundu. Tren vagonları ise tam tersine istasyondaki gözlemci için yolcuya göre 10/6 kat daha kısaydı.

Hız arttıkça nesnelerin uzunluğu giderek azalır. Bu nedenle en yüksek hızda en düşük yani sıfıra eşit olması gerekir.

Yani hareket eden her cisim, hareketi yönünde kasılır. Bu konuda derginin 9. sayısında verdiğimiz örneklerden birini değiştirmek gerekiyor: Bir buharlı gemide kapıların açılmasıyla ilgili bir deney sırasında, iskeledeki bir gözlemci için ikinci kapının 40 derece açıldığını gördük. ilkinden saniyeler sonra. Ancak saniyede 240 bin kilometre hızla hareket eden buharlı geminin uzunluğu iskeleye göre 10/6 kat kısaldığı için, kapıların açılması arasındaki gerçek zaman aralığı iskele saatine göre 40 değil, eşit olacaktır. saniye, ancak 40: 10/6 = 24 saniye. Bu sayısal düzeltme elbette vapur deneyimimizden çıkardığımız temel sonuçları değiştirmiyor.

Cisimlerin boyutlarının göreliliği, görelilik ilkesinin yeni, belki de en çarpıcı sonucunu hemen beraberinde getirir. "En çarpıcısı" çünkü bir zamanlar fizikçilerin kafasını karıştıran Michaelson deneyinin beklenmedik sonucunu açıklıyor. Hatırlayacağınız gibi konu, bilinmeyen bir nedenle sıradan aritmetiğe uymayı "istemeyen" hızların toplanmasıyla ilgiliydi.

İnsan her zaman düz bir çizgide ve tek yönde yönlendirilmiş hızları tamamen aritmetik olarak, yani masa veya elma gibi basit bir şekilde toplamaya alışkın olmuştur. Örneğin, bir gemi belirli bir yönde saatte 20 kilometre hızla seyrediyorsa ve bir yolcu da güvertesi boyunca aynı yönde saatte 5 kilometre hızla yürüyorsa, bu durumda yolcunun hızı, gemiye göre değişir. iskele saatte 20 + 5 = 25 kilometreye eşit olacaktır.

Yakın zamana kadar fizikçiler bu toplama yönteminin kesinlikle doğru olduğundan ve herhangi bir hızın toplamını bulmak için uygun olduğundan emindiler. Ancak görelilik ilkesi mekaniğin bu kuralına dokunmadı.

Örneğin saniyede 230 ve 270 bin kilometrelik hızları toplamayı deneyin. Ne olacak? Saniyede 500 bin kilometre. Ancak böyle bir hız olamaz çünkü saniyede 300 bin kilometre dünyadaki en yüksek hızdır. Bundan en azından herhangi bir hızın toplamının saniyede 300 bin kilometreyi geçemeyeceği açıktır.

Ama belki de aritmetik olarak daha düşük hızların, örneğin saniyede 150 ve 130 bin kilometrenin eklenmesine izin verilebilir? Sonuçta saniyede 280 bin kilometrelik toplamları dünyadaki maksimum hızı geçmiyor.

Burada da aritmetik toplamın yanlış olduğunu görmek kolaydır. Örneğin, bir vapurun iskelenin yanından saniyede 150 bin kilometre hızla geçmesine ve bir topun, bir vapurun güvertesinde saniyede 130 bin kilometre hızla yuvarlanmasına izin verelim. Bu hızların toplamı topun iskeleye göre hızını ifade etmelidir. Ancak önceki bölümden hareket eden bir cismin boyutunun küçüldüğünü biliyoruz. Dolayısıyla bir gemide 130 bin kilometrelik mesafe, iskeledeki bir gözlemci için hiç de 130 bin kilometreye eşit olmadığı gibi, kıyıda 150 bin kilometrelik bir gemi yolcusu için de 150 bin kilometreye eşit değildir.

Daha sonra, topun iskeleye göre hızını belirlemek için gözlemci iskeledeki bir saati kullanır. Ancak bir buharlı gemide topun hızı, buharlı geminin süresine göre belirlenir. Hareket halindeki bir gemide ve iskelede geçirilen zaman, bildiğimiz gibi, hiç de aynı değil.

Hızları ekleme sorunu pratikte böyle görünüyor: hem mesafelerin hem de zamanın göreliliğini hesaba katmalıyız. Hızlar nasıl eklenmeli?

Einstein bunun için görelilik ilkesine uygun özel bir formül verdi. Bu zor yazıya yük olmak istemediğimizden, şu ana kadar görelilik teorisinden formüller vermedik. Ancak matematiğin kısa ve net dili, uzun tartışmaların yerini birçok kelimeyle değiştirerek pek çok şeyi anında anlaşılır hale getiriyor. Hızları toplama formülü yalnızca önceki tüm argümanlardan çok daha basit olmakla kalmıyor, aynı zamanda kendi içinde o kadar basit ve ilginç ki, alıntı yapmaya değer:

V1 + V2
W = _________________
V1xV2
1+ ___________
C2

Burada V 1 ve V 2 hız bileşenleridir, W toplam hızdır, c saniyede 300 bin kilometreye eşit olan dünyadaki en yüksek hızdır (ışık hızı).

Bu harika formülün tam da doğru özelliği var: Hangi hızları toplarsak toplayalım, asla saniyede 300 bin kilometrenin üzerine çıkamayız. Bu formülü kullanarak saniyede 230 bin 270 bin kilometreyi, hatta saniyede 300 bin 300 bin kilometreyi eklemeyi deneyin ve görün ne olacak.

Pratikte çoğu durumda karşılaştığımız gibi küçük hızları topladığımızda formül, aritmetik toplamdan çok az farklı olan alışık olduğumuz sonucu verir. Örneğin en yüksek modern hareket hızlarını bile ele alalım. Her biri saatte 650 kilometre hızla uçan iki uçak birbirine doğru hareket etsin. Yaklaşmalarının hızı nedir?

Aritmetik olarak - (650 + 650) = saatte 1300 kilometre. Einstein'ın formülüne göre saatte yalnızca 0,72 mikron daha azdır. Yukarıdaki örnekte yavaş hareket eden bir gemide ve güvertede yürüyen bir insanda bu fark 340 bin kat daha azdır.

Bu tür durumlarda bu miktarları ölçümlerle tespit etmek mümkün değildir. Ve pratik değerleri sıfırdır. Buradan, insanların binlerce yıldır hızların aritmetik toplamının temelde yanlış olduğunu neden fark etmedikleri açıktır: böyle bir toplama işlemindeki yanlışlık, uygulamanın en katı gerekliliklerinden çok daha azdır. Ve bu nedenle, teknolojide, eğer hesaplamalar doğru olsaydı, her şey her zaman hesaplamalarla uyumluydu.

Ancak ışık hızıyla karşılaştırılabilecek hızları aritmetik olarak eklemek artık mümkün değil: burada büyük hatalara düşebiliriz. Örneğin saniyede 36 bin kilometrelik hızlarda hata 1 bin kilometreyi aşacak, saniyede 100 bin kilometrede ise zaten saniyede 20 bin kilometreye ulaşacak.

Hızların aritmetik toplamının yanlış olduğu, ancak Einstein'ın formülünün doğru olduğu deneyimlerle doğrulanmaktadır. Başka türlü olamazdı: Sonuçta fizikçileri mekanikteki eski kavramları yeniden düşünmeye zorlayan ve onları görelilik ilkesine yönlendiren deneyimdi.

Hızları gerçekte nasıl ekleyeceğimizi bildiğimizden, artık Michaelson deneyinin "gizemli" sonuçlarını anlayabiliriz. Dünya saniyede 30 kilometre hızla ışık huzmesine doğru ilerlerken bu deneyi gerçekleştiren Michaelson, saniyede 300.000 + 30 = 300.030 kilometre sonucunun elde edilmesini bekliyordu.

Ancak hızları bu şekilde artıramazsınız!

Hız ekleme formülünde V 1 = c (c ışık hızıdır) ve V 2 = 30'u yerine koyarsanız, toplam hızın yalnızca c1'e eşit olduğunu, daha fazla olmadığını göreceksiniz. Bu tam olarak Michaelson'un deneyinin sonucuydu.

Sadece V1 ışık hızına eşitse, V2'nin diğer tüm değerleri için aynı sonuç elde edilecektir. Dünya'nın saniyede herhangi bir sayıda kilometre kat etmesine izin verin: Güneş'in etrafında 30 kilometre, güneş sistemiyle birlikte 275 kilometre ve tüm Galaksi çevresinde binlerce kilometre. Bu hiçbir şeyi değiştirmez. Dünyanın hızının ışık hızına eklendiği tüm durumlarda formül aynı c değerini verecektir.

Dolayısıyla Michaelson deneyinin sonuçları bizi şaşırttı çünkü hızları doğru şekilde nasıl toplayacağımızı bilmiyorduk. Bedenlerin hareket yönünde kasıldığını ve farklı laboratuvarlarda zamanın farklı geçtiğini bilmediğimiz için bunu nasıl yapacağımızı bilmiyorduk.

Kütle ve enerji

Son soruyu dikkate almaya devam ediyor.

Herhangi bir cismin en önemli özelliklerinden biri kütlesidir. Her zaman değişmeden kaldığını düşünmeye alışkınız. Ancak görelilik ilkesine dayalı hesaplamalar başka bir şeyi gösteriyor: Bir cisim hareket ettiğinde kütlesi artar. Vücudun uzunluğu azaldıkça artar. Yani saniyede 240 bin kilometre hızla hareket eden Einstein'ın treninin kütlesi, duran kütlenin 10/6 katı kadardır.

Hız sınıra yaklaştıkça kütle giderek daha hızlı büyür. Maksimum hızda herhangi bir cismin kütlesinin sonsuz büyüklükte olması gerekir. Pratikte karşılaştığımız olağan hızlar, kütlede tamamen önemsiz bir artışa neden olur.

Bununla birlikte, bu olguyu deneysel olarak test etmek hâlâ mümkündür: Modern deneysel fizik, hızla hareket eden elektronların kütlesini, duran elektronların kütlesiyle karşılaştırabilmektedir. Ve deneyim, kütlenin hıza bağımlılığı yasasını tamamen doğrulamaktadır.

Ancak bedenlere hız kazandırmak için enerji harcamak gerekir. Ve böylece, genel olarak bir vücut üzerinde yapılan herhangi bir işin, vücudun enerjisindeki herhangi bir artışın, harcanan bu enerjiyle orantılı olarak kütlede bir artışa yol açtığı ortaya çıktı. Bu nedenle, ısıtılmış bir cismin kütlesi soğuk olanınkinden daha büyüktür, sıkıştırılmış bir yayın kütlesi serbest olanınkinden daha büyüktür.

Önemsiz miktardaki kütle birimleri, çok büyük miktardaki enerji birimlerine karşılık gelir. Örneğin bir cismin kütlesini sadece 1 gram artırmak için üzerinde 25 milyon kilowatt saat iş yapılması gerekir. Yani 25 milyon kilovatsaatlik elektrik enerjisinin kütlesi 1 grama eşittir. Bu gramı elde etmek için Dinyeper hidroelektrik santralinin ürettiği tüm enerjinin iki gün boyunca kullanılması gerekiyor. Kilovatsaat başına sadece bir kopek hesapladığımızda en ucuz elektrik enerjisinin 1 gramının 250 bin rubleye mal olduğunu görüyoruz. Ve elektriği ışığa dönüştürürseniz, 1 gram ışık yaklaşık 10 milyon rubleye mal olacak. Bu, en pahalı madde olan radyumdan kat kat daha pahalıdır.

Eğer kapalı alanda 1 ton kömür yakarsanız, yanma ürünlerinin ağırlığı, soğuduktan sonra, oluştukları kömür ve oksijenden yalnızca 1/3000 gram daha az olacaktır. Kütlenin eksik kısmı ısı radyasyonu ile kaybolur. Ve 1 ton suyu 0'dan 100 dereceye ısıtmak, kütlesinde gramın 5/1.000.000 kısmından daha az bir artışa neden olacaktır.

Vücutların enerji kaybetmeleri veya kazanmaları sırasında kütlelerinde meydana gelen bu kadar önemsiz değişikliklerin en doğru ölçümlerden kaçması oldukça anlaşılır bir durumdur. Ancak modern fizik, kütledeki değişimin fark edilebilir hale geldiği olguları biliyor. Bunlar, bir elementin çekirdeğinden diğer elementlerin çekirdekleri oluştuğunda atom çekirdeklerinin çarpışması sırasında meydana gelen süreçlerdir.

Örneğin, bir lityum atomunun çekirdeği bir hidrojen atomunun çekirdeği ile çarpıştığında, bir helyum atomunun iki çekirdeği oluşur. Bu iki çekirdeğin kütlesi zaten hidrojen ve lityum çekirdeklerinin toplam kütlesinden önemli miktarda - 1/4 kısım - daha azdır. Bu nedenle, 1 gram lityum ve hidrojen karışımı helyuma dönüştürüldüğünde, kilovatsaat cinsinden 1/400 gram enerji açığa çıkmalıdır:

25.000.000/ 400 = 62,5 bin kilovatsaat.

Böylece nükleer dönüşümleri kolaylıkla gerçekleştirebilseydik zengin bir enerji kaynağının sahibi olurduk: Dinyeper Hidroelektrik Santrali'nin gücünü elde etmek için sadece 4 gram lityum ve hidrojen karışımını enerjiye dönüştürmek yeterli olacaktır. Helyum her saat başı.

Yeni ve eski fizik

Bu, görelilik ilkesine kısa girişimizi tamamlıyor.

Görelilik ilkesinin yüzyıllar boyunca insanlık arasında gelişen dünya görüşüne ne kadar ciddi ve derin değişiklikler getirdiğini gördük. Bu eski fikirlerin tamamen yok olduğu anlamına gelmiyor mu? Tamamen reddedilmeleri mi gerekiyor? Görelilik ilkesinin keşfinden önce yaratılan tüm fiziğin yanlış olarak silinmesi gerektiğini mi düşünüyorsunuz?

Hayır, çünkü eski fizik (“klasik” olarak adlandırılır) ile görelilik ilkesini dikkate alan fizik (“relativistik”, Latince “referans” anlamına gelen “relatio” kelimesinden gelir) arasındaki fark neredeyse tüm alanlarda çok önemsizdir. pratik faaliyetimiz.

Örneğin, sıradan, hatta en hızlı trendeki (ama elbette Einstein'ın treni olmayan) bir yolcu, görelilik ilkesine dayalı bir zaman düzeltmesi uygulamaya karar verseydi, ona gülünürdü. Bir gün içinde böyle bir değişiklik saniyenin on milyarda biri kadar bir sürede ifade edilir. Trenin sallanması ve en iyi saat mekanizmasının hatalı çalışması, saatin okumaları üzerinde kıyaslanamayacak kadar büyük bir etkiye sahiptir.

Suyun ısıtıldığında kütlesindeki artışı hesaplamalara dahil eden bir mühendise deli denilebilir. Ancak atom çekirdeğinin çarpışmasını inceleyen ancak kütledeki olası değişiklikleri hesaba katmayan bir fizikçinin cehalet nedeniyle laboratuvardan atılması gerekir.

Tasarımcılar arabaları her zaman klasik fizik yasalarını kullanarak tasarlayacaklardır: görelilik ilkesinde yapılacak düzeltmeler, volana konan mikroptan daha az etki yaratacaktır. Ancak hızlı elektronları gözlemleyen bir fizikçinin, hıza bağlı olarak kütlelerindeki değişimi de hesaba katması gerekir.

Yani görelilik ilkesinin ortaya çıkmasından önce keşfedilen doğa yasaları iptal olmuyor; görelilik teorisi çürütmez, yalnızca eski bilimin elde ettiği bilgiyi derinleştirir ve geliştirir. Bu bilgiyi hata yapmadan kullanabileceğiniz sınırları belirler.

Sonuç olarak şunu söylemek gerekir ki, görelilik teorisi bu yazıda ele aldığımız konularla sınırlı değildir. Öğretisini geliştirmeye devam eden Einstein, daha sonra evrensel çekim gibi önemli bir olgunun tamamen yeni bir resmini verdi. Bu bakımdan görelilik doktrini iki kısma ayrılmıştır. Bunlardan ilki, yerçekimiyle ilgisi olmayan, “özel” ya da “özel” “görelilik ilkesi” olarak adlandırılıyordu; Yerçekimi konularını kapsayan ikinci bölüme ise “genel görelilik ilkesi” adı veriliyor. Böylece sadece belirli bir prensiple tanıştık (bu makalenin amacı genel prensibin dikkate alınması değildi).

Yeterince derin bir fizik çalışmasıyla, görelilik teorisinin karmaşık yapısının tüm labirentlerinin tamamen açıklığa kavuştuğunu not etmek kalıyor. Ancak bildiğimiz gibi bunlara girmek hiç de kolay olmadı. Bu, parlak bir tahmin gerektiriyordu: Michaelson'ın deneyinden doğru sonuçları çıkarabilmek, ortaya çıkan tüm sonuçlarla birlikte zamanın göreliliğini keşfedebilmek gerekiyordu.

Böylece insanlık, dünyayı daha geniş ve derinlemesine anlama yönündeki ebedi arayışında en büyük zaferlerinden birini kazandı.

Bunu Albert Einstein'ın dehasına borçludur.

Görelilik teorisi 20. yüzyılın başlarında Albert Einstein tarafından ortaya atıldı. Özü nedir? Ana noktaları ele alalım ve TOE'yi açık bir dille tanımlayalım.

Görelilik teorisi, 20. yüzyıl fiziğinin tutarsızlıklarını ve çelişkilerini pratikte ortadan kaldırdı, uzay-zamanın yapısı fikrinde radikal bir değişikliği zorladı ve çok sayıda deney ve çalışmayla deneysel olarak doğrulandı.

Böylece TOE tüm modern temel fiziksel teorilerin temelini oluşturdu. Aslında bu modern fiziğin anasıdır!

Öncelikle 2 görelilik teorisinin olduğunu belirtmekte fayda var:

Özel görelilik teorisi (STR) - eşit şekilde hareket eden nesnelerdeki fiziksel süreçleri dikkate alır.
Genel görelilik teorisi (GTR) - hızlanan nesneleri tanımlar ve yerçekimi ve varoluş gibi olayların kökenini açıklar.

STR'nin daha önce ortaya çıktığı ve esasen GTR'nin bir parçası olduğu açıktır. Önce ondan bahsedelim.

Basit kelimelerle STO

Teori, herhangi bir doğa kanununun sabit ve sabit bir hızla hareket eden cisimler için aynı olduğunu ileri süren görelilik ilkesine dayanmaktadır. Ve bu kadar basit görünen bir düşünceden, ışığın hızının (boşlukta 300.000 m/s) tüm cisimler için aynı olduğu sonucu çıkar.

Örneğin, size uzak gelecekten büyük hızla uçabilen bir uzay gemisi verildiğini hayal edin. Geminin pruvasına, fotonları ileri doğru fırlatabilen bir lazer topu yerleştirildi.

Gemiye göre bu tür parçacıklar ışık hızında uçuyor, ancak sabit bir gözlemciye göre, her iki hız da toplandığı için daha hızlı uçmaları gerektiği anlaşılıyor.

Ancak gerçekte bu gerçekleşmez! Dışarıdan bir gözlemci, sanki uzay aracının hızı bunlara eklenmemiş gibi, fotonların 300.000 m/s hızla hareket ettiğini görür.

Şunu hatırlamanız gerekir: Herhangi bir cisme göre ışığın hızı, ne kadar hızlı hareket ederse etsin, sabit bir değer olacaktır.

Buradan zaman genişlemesi, boylamsal daralma ve vücut ağırlığının hıza bağımlılığı gibi şaşırtıcı sonuçlar çıkar. Aşağıdaki bağlantıdaki makalede Özel Görelilik Teorisinin en ilginç sonuçları hakkında daha fazla bilgi edinin.

Genel göreliliğin özü (GR)

Bunu daha iyi anlamak için iki gerçeği tekrar birleştirmemiz gerekiyor:

Dört boyutlu uzayda yaşıyoruz

Uzay ve zaman, "uzay-zaman sürekliliği" adı verilen aynı varlığın tezahürleridir. Bu, x, y, z ve t koordinat eksenlerine sahip 4 boyutlu uzay-zamandır.

Biz insanlar 4 boyutu eşit olarak algılayamıyoruz. Esasında, gerçek dört boyutlu bir nesnenin yalnızca uzay ve zamana izdüşümlerini görüyoruz.

İlginç bir şekilde görelilik teorisi, cisimlerin hareket ettikçe değiştiğini söylemiyor. 4 boyutlu nesneler her zaman değişmeden kalır ancak göreceli hareketle projeksiyonları değişebilir. Bunu da zamanın yavaşlaması, boyutun küçülmesi vb. olarak algılıyoruz.

Tüm cisimler sabit bir hızla düşer ve ivmelenmezler

Korkunç bir düşünce deneyi yapalım. Kapalı bir asansörde olduğunuzu ve ağırlıksız bir durumda olduğunuzu hayal edin.

Bu durum ancak iki nedenden dolayı ortaya çıkabilir: Ya uzaydasınız ya da yer çekiminin etkisi altında kabinle birlikte serbestçe düşüyorsunuz.

Kabinin dışına bakmadan bu iki durumu birbirinden ayırmak kesinlikle imkansızdır. Sadece bir durumda eşit şekilde uçarsınız, diğerinde ise ivmeyle uçarsınız. Tahmin etmeniz gerekecek!

Belki Albert Einstein'ın kendisi de hayali bir asansör düşünüyordu ve aklına şaşırtıcı bir fikir geldi: Eğer bu iki durum birbirinden ayırt edilemiyorsa, o zaman yerçekimi nedeniyle düşmek de tekdüze bir harekettir. Hareket, dört boyutlu uzay-zamanda basitçe tekdüzedir, ancak büyük cisimlerin varlığında (örneğin) kavislidir ve tekdüze hareket, hızlandırılmış hareket biçiminde olağan üç boyutlu uzayımıza yansıtılır.

Tamamen doğru olmasa da, iki boyutlu uzayın eğriliğine ilişkin daha basit bir başka örneğe bakalım.

Herhangi bir devasa cismin, altında bir tür mecazi huni oluşturduğunu hayal edebilirsiniz. O zaman yanımızdan geçip giden diğer cisimler, hareketlerini düz bir çizgide sürdüremeyecek ve eğri uzayın kıvrımlarına göre yörüngelerini değiştireceklerdir.

Bu arada, vücudun fazla enerjisi yoksa hareketi kapalı olabilir.

Hareket eden cisimler açısından bakıldığında, onları döndüren hiçbir şey hissetmedikleri için düz bir çizgide hareket etmeye devam ettiklerini belirtmekte fayda var. Sonunda kavisli bir alana geldiler ve farkında olmadan doğrusal olmayan bir yörüngeye sahip oldular.

Zaman da dahil olmak üzere 4 boyutun büküldüğü unutulmamalıdır, dolayısıyla bu benzetmeye dikkatle yaklaşılmalıdır.

Dolayısıyla genel görelilik teorisinde yerçekimi bir kuvvet değil, yalnızca uzay-zamanın bükülmesinin bir sonucudur. Şu anda bu teori, yerçekiminin kökeninin işleyen bir versiyonudur ve deneylerle mükemmel bir uyum içindedir.

Genel göreliliğin şaşırtıcı sonuçları

Işık ışınları büyük cisimlerin yakınında uçarken bükülebilir. Nitekim uzayda başkalarının arkasına "saklanan" uzak nesneler bulunmuştur, ancak ışık bize ulaştığı için ışık ışınları onların etrafında bükülür.

Genel göreliliğe göre kütleçekimi ne kadar güçlü olursa zaman da o kadar yavaş akar. GPS ve GLONASS'ı çalıştırırken bu gerçek dikkate alınmalıdır, çünkü uyduları Dünya'dakinden biraz daha hızlı çalışan en doğru atom saatleriyle donatılmıştır. Bu gerçek dikkate alınmazsa, bir gün içinde koordinat hatası 10 km olacaktır.

Yakınlarda bir kütüphanenin veya mağazanın nerede olduğunu Albert Einstein sayesinde anlayabilirsiniz.

Ve son olarak, genel görelilik, etrafında yerçekiminin o kadar güçlü olduğu ve zamanın yakında durduğu kara deliklerin varlığını öngörüyor. Bu nedenle kara deliğe düşen ışık onu terk edemez (yansıtamaz).

Bir kara deliğin merkezinde devasa yerçekimsel sıkıştırma nedeniyle sonsuz yüksek yoğunluğa sahip bir nesne oluşur ve öyle görünüyor ki bu var olamaz.

Dolayısıyla genel görelilik, aksine çok çelişkili sonuçlara yol açabilir, bu nedenle fizikçilerin çoğunluğu onu tamamen kabul etmedi ve bir alternatif aramaya devam etti.

Ancak pek çok şeyi başarılı bir şekilde tahmin etmeyi başarıyor; örneğin, yakın zamanda gerçekleşen sansasyonel bir keşif, görelilik teorisini doğruladı ve büyük bilim adamını dili dışarıda bir kez daha hatırlamamıza neden oldu. Bilimi seviyorsanız WikiScience'ı okuyun.