Einstein'ın görelilik teorisi bana her zaman soyut ve anlaşılmaz gelmiştir. Einstein'ın görelilik teorisini basit kelimelerle anlatmaya çalışalım. Şiddetli yağmurda dışarıda olduğunuzu ve rüzgarın arkanızdan estiğini hayal edin. Hızlı koşmaya başlarsanız yağmur damlaları sırtınıza düşmez. Damlalar daha yavaş olacak veya sırtınıza hiç ulaşmayacak, bu bilimsel olarak kanıtlanmış bir gerçektir ve bunu yağmur fırtınasında kendiniz kontrol edebilirsiniz. Şimdi, yağmurla birlikte dönüp rüzgara karşı koştuğunuzu hayal edin, damlalar kıyafetlerinize ve yüzünüze, öylece durduğunuzda olduğundan daha sert çarpacaktır.

Bilim insanları daha önce rüzgarlı havalarda ışığın yağmur gibi davrandığını düşünüyordu. Dünya Güneş'in etrafında dönerse ve Güneş galaksinin etrafında dönerse uzaydaki hareketlerinin hızını ölçmenin mümkün olacağını düşünüyorlardı. Onlara göre tek yapmaları gereken, ışığın hızını ve iki cisme göre nasıl değiştiğini ölçmek.

Bilim adamları bunu yaptı ve çok tuhaf bir şey buldum. Ne olursa olsun, cisimler nasıl hareket ederse etsin, ölçümler hangi yönde yapılırsa yapılsın ışığın hızı aynıydı.

Çok tuhaftı. Durumu sağanak yağış olarak ele alırsak, normal şartlarda hareketlerinize bağlı olarak yağmur damlaları sizi az ya da çok etkileyecektir. Katılıyorum, hem koşarken hem de dururken bir yağmur fırtınasının sırtınıza eşit kuvvetle esmesi çok tuhaf olurdu.

Bilim insanları, ışığın yağmur damlaları ya da evrendeki herhangi bir şeyle aynı özelliklere sahip olmadığını keşfetti. Ne kadar hızlı hareket ederseniz edin, hangi yöne giderseniz gidin, ışığın hızı her zaman aynı olacaktır. Bu çok kafa karıştırıcı ve bu adaletsizliğe yalnızca Albert Einstein ışık tutabildi.

Einstein ve diğer bilim adamı Hendrik Lorentz, tüm bunların nasıl olabileceğini açıklamanın tek bir yolu olduğunu anladılar. Bu ancak zamanın yavaşlaması durumunda mümkündür.

Zaman sizin için yavaşlarsa ve daha yavaş hareket ettiğinizi bilmiyorsanız ne olacağını hayal edin. Her şeyin daha hızlı gerçekleştiğini hissedeceksiniz., etrafınızdaki her şey bir filmdeki gibi hızlı ileri sarılarak hareket edecektir.

Şimdi yine rüzgarlı bir sağanak yağmurda olduğunuzu hayal edelim. Koşarken bile yağmurun seni aynı şekilde etkilemesi nasıl mümkün olabilir? Görünüşe göre eğer yağmurdan kaçmaya çalışıyorsan, o zaman zamanın yavaşlayacak ve yağmur hızlanacaktı. Yağmur damlaları aynı hızla sırtınıza çarpardı. Bilim insanları buna zaman genişlemesi adını veriyor. Ne kadar hızlı hareket ederseniz edin zamanınız yavaşlar, en azından ışık hızı için bu ifade doğrudur.

Boyutların ikiliği

Einstein ve Lorentz'in anladığı bir diğer şey de, farklı koşullar altında iki kişinin farklı hesaplanmış değerler alabileceği ve en tuhafı da ikisinin de haklı olacağıydı. Bu, ışığın her zaman aynı hızda hareket etmesinin başka bir yan etkisidir.

Hadi bir düşünce deneyi yapalım

Odanızın ortasında durduğunuzu ve odanın tam ortasına bir lamba yerleştirdiğinizi hayal edin. Şimdi ışığın hızının çok yavaş olduğunu ve nasıl ilerlediğini görebildiğinizi, bir lambayı açtığınızı hayal edin.

Lambayı açtığınızda ışık yayılmaya ve yanmaya başlayacaktır. Her iki duvar da aynı mesafede olduğundan ışık her iki duvara da aynı anda ulaşacaktır.

Şimdi odanızda büyük bir pencere olduğunu ve bir arkadaşınızın oradan geçtiğini hayal edin. Başka bir şey görecek. Ona göre odanız sağa doğru hareket ediyormuş gibi görünecek ve lambayı açtığınızda sol duvarın ışığa doğru hareket ettiğini görecek. ve sağ duvar ışıktan uzaklaşıyor. Işığın önce sol duvara, sonra sağa çarptığını görecektir. Ona, ışığın her iki duvarı da aynı anda aydınlatmadığı anlaşılıyor.

Einstein'ın görelilik teorisine göre her iki bakış açısı da doğru olacaktır. Sizin bakış açınıza göre ışık her iki duvara da aynı anda çarpıyor. Arkadaşınızın bakış açısına göre durum böyle değil. Bunda yanlış bir şey yok.

Bu nedenle bilim insanları “eşzamanlılık görecelidir” diyor. Aynı anda gerçekleşmesi gereken iki şeyi ölçerseniz, farklı hızda veya farklı yönde hareket eden biri bunları sizinle aynı şekilde ölçemeyecektir.

Bu bize çok tuhaf geliyor çünkü ışığın hızı bizim için anlıktır ve biz buna kıyasla çok yavaş hareket ederiz. Işığın hızı çok yüksek olduğundan özel deneyler yapana kadar ışığın hızını fark etmiyoruz.

Bir nesne ne kadar hızlı hareket ederse o kadar kısa ve küçüktür

Başka bir çok garip yan etki yani ışığın hızı değişmez. Işık hızında hareket eden cisimler kısalır.

Yine ışık hızının çok yavaş olduğunu düşünelim. Bir trende seyahat ettiğinizi ve vagonun ortasına bir lamba taktığınızı hayal edin. Şimdi bir odadaki gibi bir lambayı açtığınızı hayal edin.

Işık yayılacak ve aynı anda arabanın önündeki ve arkasındaki duvarlara ulaşacaktır. Bu şekilde, ışığın her iki tarafa ulaşmasının ne kadar sürdüğünü ölçerek taşıyıcının uzunluğunu bile ölçebilirsiniz.

Hesaplamaları yapalım:

10 metrelik mesafenin 1 saniye sürdüğünü, ışığın lambadan vagonun duvarına yayılmasının da 1 saniye sürdüğünü düşünelim. Bu, lambanın arabanın her iki yanından 10 metre uzakta olduğu anlamına gelir. 10 + 10 = 20 olduğuna göre arabanın uzunluğu 20 metre demektir.

Şimdi arkadaşınızın sokakta bir trenin geçişini izlediğini hayal edelim. Onun olaylara farklı baktığını unutmayın. Taşıyıcının arka duvarı lambaya doğru hareket eder ve ön duvarı ondan uzaklaşır. Bu sayede ışık aynı anda arabanın duvarının ön ve arka kısmına değmeyecektir. Işık önce arkaya, sonra öne ulaşacaktır.

Yani siz ve arkadaşınız ışığın lambadan duvarlara yayılma hızını ölçerseniz farklı değerler elde edersiniz ancak bilimsel açıdan her iki hesaplama da doğru olacaktır. Sadece sizin için ölçülere göre arabanın uzunluğu aynı büyüklükte olacak, ancak bir arkadaşınız için arabanın uzunluğu daha az olacaktır.

Unutmayın, önemli olan nasıl ve hangi şartlarda ölçüm yaptığınızdır. Işık hızıyla hareket eden bir roketin içinde olsaydınız, yerdeki hareketinizi ölçen insanların aksine olağandışı bir şey hissetmezdiniz. Zamanın sizin için daha yavaş aktığını ya da geminin ön ve arka kısmının bir anda birbirine yaklaştığını fark edemezsiniz.

Aynı zamanda bir roket üzerinde uçuyorsanız, sanki tüm gezegenler ve yıldızlar yanınızdan ışık hızıyla uçuyormuş gibi görünecektir. Bu durumda onların zamanını ve boyutunu ölçmeye çalışırsanız, o zaman mantıksal olarak zamanın yavaşlaması ve boyutlarının küçülmesi gerekir, değil mi?

Bütün bunlar çok tuhaf ve anlaşılmazdı ama Einstein bir çözüm önerdi ve tüm bu olayları tek bir görelilik teorisinde birleştirdi..

Bu dünya derin bir karanlığa gömüldü.
Işık olsun! Ve sonra Newton ortaya çıktı.
18. yüzyıldan kalma epigram.

Ancak Şeytan intikam almak için fazla beklemedi.
Einstein geldi ve her şey eskisi gibi oldu.
20. yüzyılın epigramı.

Görelilik teorisinin varsayımları

Varsayım (aksiyom)- teorinin temelini oluşturan ve kanıt olmadan kabul edilen temel bir ifade.

İlk varsayım: Herhangi bir fiziksel olguyu tanımlayan tüm fizik yasaları, tüm eylemsiz referans çerçevelerinde aynı forma sahip olmalıdır.

Bu aynı önerme farklı şekilde formüle edilebilir: Herhangi bir eylemsiz referans çerçevesinde, aynı başlangıç ​​koşulları altındaki tüm fiziksel olaylar aynı şekilde ilerler.

İkinci varsayım: tüm eylemsiz referans sistemlerinde ışığın boşluktaki hızı aynıdır ve hem ışık kaynağının hem de alıcının hareket hızına bağlı değildir. Bu hız, enerji aktarımının eşlik ettiği tüm süreç ve hareketlerin maksimum hızıdır.

Kütle ve enerji arasındaki ilişki yasası

Göreli mekanik- ışık hızına yakın hızlara sahip cisimlerin hareket yasalarını inceleyen mekaniğin bir dalı.

Herhangi bir cisim, varlığı nedeniyle, dinlenme kütlesiyle orantılı bir enerjiye sahiptir.

Görelilik teorisi nedir (video)

Görelilik teorisinin sonuçları

Eşzamanlılığın göreliliği.İki olayın eşzamanlılığı görecelidir. Farklı noktalarda meydana gelen olaylar bir eylemsiz referans çerçevesinde eşzamanlı ise, diğer eylemsiz referans sistemlerinde eşzamanlı olmayabilirler.

Uzunluk azalması. Cismin hareketsiz olduğu K" referans çerçevesinde ölçülen uzunluğu, K" referans çerçevesindeki uzunluktan daha büyüktür, buna göre K", Ox ekseni boyunca v hızıyla hareket eder:

Zaman genişlemesi. Ataletsel referans çerçevesi K'de sabit bir saat tarafından ölçülen zaman aralığı, K'nin v hızıyla hareket ettiği eylemsiz referans çerçevesi K'de ölçülen zaman aralığından daha azdır:

Görelilik teorisi

Stephen Hawking ve Leonard Mlodinow'un "Zamanın Kısa Tarihi" kitabından materyal

Görelilik

Einstein'ın görelilik ilkesi adı verilen temel varsayımı, hızlarına bakılmaksızın, serbestçe hareket eden tüm gözlemciler için tüm fizik yasalarının aynı olması gerektiğini belirtir. Işığın hızı sabitse, serbestçe hareket eden herhangi bir gözlemci, ışık kaynağına yaklaşma veya uzaklaşma hızına bakılmaksızın aynı değeri kaydetmelidir.

Tüm gözlemcilerin ışığın hızı konusunda hemfikir olması gerekliliği, zaman kavramının değişmesine neden oluyor. Görelilik teorisine göre, trende seyahat eden bir gözlemci ile platformda duran bir gözlemcinin ışığın kat ettiği mesafeye ilişkin tahminleri farklı olacaktır. Hız, mesafenin zamana bölümü olduğundan, gözlemcilerin ışık hızı konusunda anlaşmaya varmasının tek yolu, aynı zamanda zaman konusunda da anlaşamamalarıdır. Yani görelilik teorisi mutlak zaman fikrine son verdi! Her gözlemcinin kendi zaman ölçüsüne sahip olması gerektiği ve farklı gözlemciler için aynı saatlerin mutlaka aynı zamanı göstermeyeceği ortaya çıktı.

Uzayın üç boyutu olduğunu söylediğimizde, içindeki bir noktanın konumunun üç sayı - koordinatlar kullanılarak ifade edilebileceğini kastediyoruz. Açıklamamıza zamanı da katarsak dört boyutlu uzay-zamanı elde ederiz.

Görelilik teorisinin iyi bilinen bir başka sonucu da, Einstein'ın ünlü denklemi E = mc2 (burada E enerjidir, m vücut kütlesidir, c ışık hızıdır) ile ifade edilen kütle ve enerjinin denkliğidir. Enerji ve kütle eşitliği nedeniyle, maddi bir cismin hareketi nedeniyle sahip olduğu kinetik enerji, kütlesini arttırır. Başka bir deyişle nesnenin hızlanması daha zor hale gelir.

Bu etki yalnızca ışık hızına yakın hızlarda hareket eden cisimler için önemlidir. Örneğin, ışık hızının %10'una eşit bir hızda vücut kütlesi dinlenme halindeki kütleden yalnızca %0,5 daha fazla olacaktır, ancak ışık hızının %90'ına eşit bir hızda kütle iki katından fazla olacaktır. normal olan. Işık hızına yaklaştıkça bir cismin kütlesi daha hızlı artar ve onu hızlandırmak için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulur. Görelilik teorisine göre bir cisim hiçbir zaman ışık hızına ulaşamaz, çünkü bu durumda kütlesi sonsuz hale gelecektir ve bunun için de kütle ve enerjinin denkliği nedeniyle sonsuz enerjiye ihtiyaç duyulacaktır. Bu nedenle görelilik teorisi herhangi bir sıradan cismi sonsuza dek ışık hızından daha düşük bir hızda hareket etmeye mahkum eder. Yalnızca kendi kütlesi olmayan ışık veya diğer dalgalar ışık hızında hareket edebilir.

Çarpık Uzay

Einstein'ın genel görelilik teorisi, yerçekiminin sıradan bir kuvvet olmadığı, daha önce düşünüldüğü gibi uzay-zamanın düz olmadığı gerçeğinin bir sonucu olduğu yönündeki devrim niteliğindeki varsayıma dayanmaktadır. Genel göreliliğe göre uzay-zaman, içine yerleştirilen kütle ve enerji nedeniyle bükülür veya kıvrılır. Dünya gibi cisimler, yerçekimi adı verilen bir kuvvetin etkisi altında olmayan kavisli yörüngelerde hareket eder.

Jeodezik çizgi iki havaalanı arasındaki en kısa çizgi olduğundan, gezginler bu rotalar boyunca uçak uçururlar. Örneğin, pusula okumalarını takip edebilir ve coğrafi paralel boyunca New York'tan Madrid'e kadar neredeyse doğuya doğru 5.966 kilometre uçabilirsiniz. Ancak geniş bir daire çizerek uçarsanız, önce kuzeydoğuya doğru ilerleyip ardından yavaş yavaş doğuya ve sonra güneydoğuya dönerseniz yalnızca 5.802 kilometre kat etmeniz gerekecektir. Bu iki rotanın haritada dünya yüzeyinin bozuk (düz olarak temsil edildiği) görünümü aldatıcıdır. Yerkürenin yüzeyinde bir noktadan diğerine "düz" doğuya doğru hareket ederken, aslında düz bir çizgi boyunca veya daha doğrusu en kısa jeodezik çizgi boyunca hareket etmiyorsunuz.

Uzayda düz bir çizgide hareket eden bir uzay aracının yörüngesi Dünya'nın iki boyutlu yüzeyine yansıtılırsa kavisli olduğu ortaya çıkar.

Genel göreliliğe göre kütleçekim alanları ışığı bükmelidir. Örneğin teori, Güneş'in yakınında, yıldızın kütlesinin etkisi altında ışık ışınlarının hafifçe ona doğru bükülmesi gerektiğini öngörüyor. Bu, uzak bir yıldızın ışığının Güneş'in yakınından geçmesi durumunda küçük bir açıyla sapacağı anlamına gelir; bu nedenle Dünya'daki bir gözlemci, yıldızı tam olarak bulunduğu yerde göremeyecektir.

Özel görelilik teorisinin temel varsayımına göre, hızları ne olursa olsun, serbestçe hareket eden tüm gözlemciler için tüm fizik yasalarının aynı olduğunu hatırlayalım. Kabaca söylemek gerekirse, eşdeğerlik ilkesi bu kuralı serbestçe hareket etmeyen ancak bir çekim alanının etkisi altında hareket eden gözlemcilere kadar genişletir.

Yeterince küçük uzay bölgelerinde, yerçekimi alanında hareketsiz olup olmadığınızı veya boş uzayda sabit ivmeyle hareket edip etmediğinizi yargılamak imkansızdır.

Boş bir alanın ortasında bir asansörde olduğunuzu hayal edin. Yerçekimi yok, “yukarı” ve “aşağı” yok. Özgürce yüzüyorsun. Asansör daha sonra sabit ivmeyle hareket etmeye başlar. Aniden ağırlık hissedersiniz. Yani asansörün artık zemin olarak algılanan duvarlarından birine bastırılırsınız. Bir elmayı alıp bırakırsanız yere düşer. Aslında, artık ivmeyle hareket ettiğinize göre, asansörün içindeki her şey, sanki asansör hiç hareket etmiyormuş da, düzgün bir yerçekimi alanında hareketsiz duruyormuş gibi tam olarak aynı şekilde gerçekleşecektir. Einstein, tıpkı bir tren vagonunun içindeyken onun sabit mi yoksa düzgün bir şekilde mi hareket ettiğini anlayamadığınız gibi, bir asansörün içindeyken de onun sabit ivmeyle mi hareket ettiğini yoksa düzgün bir çekim alanı içinde mi olduğunu anlayamayacağınızı fark etti. Bu anlayışın sonucu eşdeğerlik ilkesiydi.

Eşdeğerlik ilkesi ve bunun tezahürüne ilişkin verilen örnek, yalnızca eylemsizlik kütlesinin (kendisine uygulanan bir kuvvetin bir cisme ne kadar ivme kazandıracağını belirleyen Newton'un ikinci yasasına dahil) ve yerçekimi kütlesinin (Newton'un kuvvetler yasasına dahil) olması durumunda geçerli olacaktır. Yerçekimi kuvvetinin büyüklüğünü belirleyen yerçekimi) çekim) bir ve aynı şeydir.

Einstein'ın eşdeğerlik ilkesini ve sonuçta genel görelilik teorisini türetmek için eylemsizlik ve yerçekimi kütlelerinin eşdeğerliğini kullanması, insan düşüncesi tarihinde benzeri görülmemiş mantıksal sonuçların ısrarlı ve tutarlı gelişiminin bir örneğidir.

Zaman genişlemesi

Genel göreliliğin bir başka öngörüsü de Dünya gibi büyük kütlelerin etrafında zamanın yavaşlaması gerektiğidir.

Artık eşdeğerlik ilkesine aşina olduğumuza göre, yerçekiminin zamanı neden etkilediğini gösteren başka bir düşünce deneyi gerçekleştirerek Einstein'ın düşüncesini takip edebiliriz. Uzayda uçan bir roket hayal edin. Kolaylık sağlamak için, gövdesinin o kadar büyük olduğunu varsayacağız ki, ışığın yukarıdan aşağıya geçmesi tam bir saniye sürecektir. Son olarak, rokette iki gözlemci olduğunu varsayalım: biri tavana yakın tepede, diğeri altta, yerde ve her ikisinde de saniyeleri sayan aynı saat bulunuyor.

Üstteki gözlemcinin saatinin geri saymasını bekledikten sonra hemen alttaki gözlemciye bir ışık sinyali gönderdiğini varsayalım. Bir sonraki sayımda ikinci bir sinyal gönderir. Koşullarımıza göre her sinyalin alttaki gözlemciye ulaşması bir saniye sürecektir. Üstteki gözlemci birer saniye aralıklarla iki ışık sinyali gönderdiği için alttaki gözlemci de bunları aynı aralıklarla kaydedecektir.

Bu deneyde roket uzayda serbestçe uçmak yerine Dünya'nın üzerinde durup yerçekimi etkisini deneyimleseydi ne değişirdi? Newton'un teorisine göre yerçekimi, durumu hiçbir şekilde etkilemeyecektir: Eğer yukarıdaki gözlemci bir saniyelik aralıklarla sinyal gönderiyorsa, aşağıdaki gözlemci de bu sinyalleri aynı aralıklarla alacaktır. Ancak eşdeğerlik ilkesi olayların farklı bir gelişimini öngörür. Denklik ilkesine uygun olarak yerçekimi eylemini zihinsel olarak sabit ivmeyle değiştirirsek hangisini anlayabiliriz. Bu, Einstein'ın yeni yerçekimi teorisini oluşturmak için eşdeğerlik ilkesini nasıl kullandığının bir örneğidir.

Diyelim ki roketimiz hızlanıyor. (Hızının ışık hızına yaklaşmaması için yavaş yavaş hızlandığını varsayacağız.) Roketin gövdesi yukarıya doğru hareket ettiği için, ilk sinyal öncesine göre daha az mesafe kat etmek zorunda kalacak (hızlanma başlamadan önce), ve alttaki gözlemciye saniyeden daha kısa sürede ulaşacaktır. Eğer roket sabit bir hızla hareket ediyor olsaydı, ikinci sinyal de aynı şekilde daha erken gelecek ve iki sinyal arasındaki süre bir saniyeye eşit olacaktı. Ancak ikinci sinyalin gönderildiği anda, ivme nedeniyle roket, birincinin gönderildiği ana göre daha hızlı hareket edeceğinden, ikinci sinyal birinciden daha kısa bir mesafe kat edecek ve daha da az zaman alacaktır. Saatini kontrol eden aşağıdaki gözlemci, sinyaller arasındaki sürenin bir saniyeden az olduğunu kaydedecek ve sinyalleri tam olarak bir saniye sonra gönderdiğini iddia eden yukarıdaki gözlemciyle aynı fikirde olmayacaktır.

Hızlanan bir roket durumunda, bu etki muhtemelen özellikle şaşırtıcı olmamalıdır. Sonuçta, az önce açıkladık! Ancak unutmayın: Eşdeğerlik ilkesi, aynı şeyin roket bir yerçekimi alanında hareketsiz durumdayken de meydana geldiğini söyler. Sonuç olarak, roket hızlanmasa bile, örneğin Dünya yüzeyindeki fırlatma rampası üzerinde dursa bile, üstteki gözlemcinin (saatine göre) bir saniye arayla gönderdiği sinyaller, rokete ulaşacaktır. daha küçük bir aralıkla alt gözlemci (saatine göre) . Bu gerçekten muhteşem!

Yer çekimi zamanın akışını değiştirir. Özel görelilik nasıl birbirine göre hareket eden gözlemciler için zamanın farklı geçtiğini söylüyorsa, genel görelilik de farklı çekim alanlarındaki gözlemciler için zamanın farklı geçtiğini söylüyor. Genel göreliliğe göre, alttaki gözlemci sinyaller arasında daha kısa bir aralık kaydeder çünkü Dünya yüzeyinde zaman daha yavaş akar çünkü orada yerçekimi daha güçlüdür. Yerçekimi alanı ne kadar güçlü olursa, bu etki de o kadar büyük olur.

Biyolojik saatimiz aynı zamanda zamanın akışındaki değişikliklere de yanıt verir. Eğer ikizlerden biri bir dağın tepesinde, diğeri deniz kenarında yaşıyorsa birincisi ikincisinden daha hızlı yaşlanır. Bu durumda yaş farkı önemsiz olacak ama ikizlerden birinin ışık hızına çıkan bir uzay gemisiyle uzun bir yolculuğa çıkmasıyla bu fark önemli ölçüde artacak. Gezgin geri döndüğünde kardeşinin Dünya'da bıraktığından çok daha genç olacak. Bu durum ikiz paradoksu olarak biliniyor ancak yalnızca mutlak zaman fikrine sıkı sıkıya bağlı olanlar için geçerli olan bir paradokstur. Görelilik teorisinde benzersiz bir mutlak zaman yoktur; her bireyin, nerede olduğuna ve nasıl hareket ettiğine bağlı olarak kendi zaman ölçüsü vardır.

Uydulardan sinyal alan ultra hassas navigasyon sistemlerinin ortaya çıkışıyla birlikte, farklı yüksekliklerdeki saat hızlarındaki fark pratik önem kazandı. Eğer ekipman genel göreliliğin tahminlerini göz ardı ederse, konumun belirlenmesindeki hata birkaç kilometreye ulaşabilir!

Genel görelilik teorisinin ortaya çıkışı durumu kökten değiştirdi. Uzay ve zaman dinamik varlıklar statüsünü kazandı. Cisimler hareket ettiğinde veya kuvvetler etki ettiğinde, uzay ve zamanın bükülmesine neden olurlar ve uzay-zamanın yapısı da cisimlerin hareketini ve kuvvetlerin hareketini etkiler. Uzay ve zaman yalnızca Evrende olup biten her şeyi etkilemekle kalmaz, aynı zamanda kendileri de tüm bunlara bağlıdır.

Kara deliğin yakınındaki zaman

Yıkıcı bir büzülme sırasında çökmekte olan bir yıldızın yüzeyinde kalan cesur bir astronot hayal edelim. Saatine göre bir noktada, örneğin saat 11:00'de, yıldız kritik bir yarıçapa kadar küçülecek ve bu yarıçapın ötesinde çekim alanı o kadar yoğunlaşacak ki ondan kaçmak imkansız olacak. Şimdi, talimatlara göre astronotun, yıldızın merkezinden sabit bir uzaklıkta yörüngede bulunan bir uzay aracına her saniye kendi saati üzerinden bir sinyal göndermesi gerektiğini varsayalım. 10:59:58'de yani 11:00'den iki saniye önce sinyal göndermeye başlıyor. Mürettebat uzay aracında neyi kaydedecek?

Daha önce, ışık sinyallerinin bir roketin içinde iletilmesiyle ilgili bir düşünce deneyi yaptıktan sonra, yerçekiminin zamanı yavaşlattığına ve ne kadar güçlü olursa etkinin de o kadar önemli olduğuna ikna olmuştuk. Bir yıldızın yüzeyindeki bir astronot, yörüngedeki meslektaşlarından daha güçlü bir çekim alanı içindedir, dolayısıyla onun nöbetindeki bir saniye, gemi saatindeki bir saniyeden daha uzun sürecektir. Astronot yüzeyde yıldızın merkezine doğru hareket ettikçe, ona etki eden alan giderek güçleniyor, böylece uzay aracında aldığı sinyaller arasındaki aralıklar sürekli olarak uzuyor. Bu zaman genişlemesi 10:59:59'a kadar çok hafif olacak, dolayısıyla yörüngedeki astronotlar için 10:59:58 ile 10:59:59'da gönderilen sinyaller arasındaki aralık bir saniyeden çok az olacak. Ancak saat 11.00'de gönderilen sinyal artık gemiye alınmayacak.

Astronotun saatine göre 10:59:59 ile 11:00 arasında yıldızın yüzeyinde meydana gelen her şey, uzay aracının saatinde sonsuz bir zaman dilimine yayılacaktır. Saat 11:00'e yaklaştıkça, yıldızın yaydığı ışık dalgalarının birbirini izleyen tepe ve dip noktalarının yörüngeye varışları arasındaki aralıklar giderek daha da uzayacak; astronotun sinyalleri arasındaki zaman aralıklarında da aynı şey olacaktır. Radyasyonun frekansı saniyede gelen tepe (veya çukur) sayısına göre belirlendiğinden, uzay aracı yıldız radyasyonunun daha düşük ve daha düşük frekanslarını kaydedecektir. Yıldızın ışığı giderek kırmızılaşacak ve aynı zamanda sönecek. Sonunda yıldız o kadar sönükleşecek ki, uzay aracındaki gözlemciler için görünmez hale gelecek; geriye sadece uzaydaki bir kara delik kalacak. Ancak yıldızın yerçekiminin uzay aracı üzerindeki etkisi kalacak ve araç yörüngesinde dönmeye devam edecek.

Geçtiğimiz yüzyılın başında genel kabul görmüş dünya anlayışında devrim yaratan özel görelilik teorisi, hâlâ insanların zihinlerini ve kalplerini heyecanlandırmaya devam ediyor. Bugün bunun ne olduğunu birlikte anlamaya çalışacağız.

1905'te Albert Einstein, farklı eylemsiz referans çerçeveleri (basitçe söylemek gerekirse, birbirlerine göre sabit bir hızda hareket eden nesneler) arasındaki hareketlerin nasıl yorumlanacağını açıklayan özel görelilik teorisini (STR) yayınladı.

Einstein, iki nesne sabit bir hızla hareket ederken, bunlardan birinin mutlak bir referans çerçevesi olarak alınması yerine, bunların birbirine göre hareketinin dikkate alınması gerektiğini açıkladı.

Yani eğer iki astronot, yani siz ve diyelim ki Herman, iki uzay aracında uçuyorsanız ve gözlemlerinizi karşılaştırmak istiyorsanız, bilmeniz gereken tek şey, birbirinize göre hızınızdır.

Özel görelilik teorisi, hareketin doğrusal ve tek biçimli olduğu yalnızca bir özel durumu (dolayısıyla adı) dikkate alır. Maddi bir cisim hızlanırsa veya yana dönerse STR yasaları artık geçerli olmaz. Daha sonra genel durumda maddi cisimlerin hareketlerini açıklayan genel görelilik teorisi (GTR) yürürlüğe girer.

Einstein'ın teorisi iki temel prensibe dayanmaktadır:

1. Görelilik ilkesi: Fiziksel yasalar, eylemsiz referans çerçevesi olan, yani birbirlerine göre sabit bir hızla hareket eden cisimler için bile korunur.

2. Işık Hızı Prensibi: Işık kaynağına göre hızları ne olursa olsun, ışığın hızı tüm gözlemciler için aynı kalır. (Fizikçiler ışığın hızını c olarak belirtirler).

Albert Einstein'ın başarısının nedenlerinden biri, deneysel verilere teorik verilerden daha fazla değer vermesidir. Bir dizi deney genel kabul görmüş teoriyle çelişen sonuçlar ortaya çıkardığında, birçok fizikçi bu deneylerin yanlış olduğuna karar verdi.

Albert Einstein, yeni deneysel verilere dayalı yeni bir teori oluşturmaya karar veren ilk kişilerden biriydi.

19. yüzyılın sonunda fizikçiler, genel kabul görmüş varsayımlara göre, yayılması hava gerektiren akustik dalgalar gibi ışık dalgalarının yayılması gereken veya başka bir ortam olan katı olan gizemli eteri arıyorlardı. sıvı veya gaz halinde. Eterin varlığına olan inanç, ışığın hızının gözlemcinin etere göre hızına bağlı olarak değişmesi gerektiği inancına yol açtı.

Albert Einstein eter kavramını terk etti ve deneylerin gösterdiği gibi, ışığın hızı da dahil olmak üzere tüm fiziksel yasaların gözlemcinin hızından bağımsız olarak değişmeden kaldığını varsaydı.

Uzay ve zamanın homojenliği

Einstein'ın SRT'si uzay ve zaman arasında temel bir bağlantı olduğunu öne sürüyor. Maddi Evren, bilindiği gibi, üç uzaysal boyuta sahiptir: yukarı-aşağı, sağ-sol ve ileri-geri. Buna başka bir boyut daha eklendi: Zaman. Bu dört boyut birlikte uzay-zaman sürekliliğini oluşturur.

Eğer yüksek hızda hareket ediyorsanız, uzay ve zaman hakkındaki gözlemleriniz, daha yavaş hareket eden diğer insanlarınkinden farklı olacaktır.

Aşağıdaki resim bu fikri anlamanıza yardımcı olacak bir düşünce deneyidir. Bir uzay gemisinde olduğunuzu, ellerinizde bir aynanın monte edildiği tavana ışık ışınları gönderdiğiniz bir lazerin olduğunu hayal edin. Yansıyan ışık, onları kaydeden dedektörün üzerine düşer.

Yukarıdan - tavana bir ışık huzmesi gönderdiniz, yansıdı ve dedektöre dikey olarak düştü. Alt - Hermann için ışık ışınınız çapraz olarak tavana ve ardından çapraz olarak dedektöre doğru hareket eder

Diyelim ki geminiz ışık hızının yarısına eşit (0,5c) sabit bir hızla hareket ediyor. Einstein'ın SRT'sine göre bu sizin için önemli değil; hareketinizi fark etmiyorsunuz bile.

Ancak sizi dinlenme halindeki bir yıldız gemisinden izleyen Herman, tamamen farklı bir tablo görecektir. Onun bakış açısına göre, bir ışık huzmesi tavandaki aynaya çapraz olarak geçecek, ondan yansıyacak ve dedektörün üzerine çapraz olarak düşecektir.

Yani ışık ışınının yolu size ve Herman'a farklı görünecek ve uzunluğu farklı olacaktır. Dolayısıyla lazer ışınının aynaya ve dedektöre ulaşması için geçen süre size farklı görünecektir.

Bu olguya zaman genişlemesi denir: Yüksek hızda hareket eden bir yıldız gemisindeki zaman, Dünya'daki bir gözlemcinin bakış açısından çok daha yavaş akar.

Bu örnek, diğer pek çok örnek gibi, uzay ve zaman arasındaki ayrılmaz bağlantıyı açıkça göstermektedir. Bu bağlantı ancak ışık hızına yakın yüksek hızlardan söz ettiğimizde gözlemciye açıkça görünür.

Einstein'ın büyük teorisini yayımlamasından bu yana yapılan deneyler, uzay ve zamanın gerçekten de nesnelerin hızına bağlı olarak farklı algılandığını doğruladı.

Kütle ve enerjiyi birleştirmek

Büyük fizikçinin teorisine göre, maddi bir cismin hızı artıp ışık hızına yaklaştığında kütlesi de artar. Onlar. Bir nesne ne kadar hızlı hareket ederse o kadar ağırlaşır. Işık hızına ulaşıldığında cismin kütlesi ve enerjisi sonsuz hale gelir. Vücut ne kadar ağırsa hızını artırmak da o kadar zor olur; Sonsuz kütleli bir cismi hızlandırmak sonsuz miktarda enerji gerektirir, dolayısıyla maddi nesnelerin ışık hızına ulaşması imkansızdır.

Einstein'dan önce fizikte kütle ve enerji kavramları ayrı ayrı ele alınıyordu. Parlak bilim adamı, enerjinin korunumu yasasının yanı sıra kütlenin korunumu yasasının da daha genel kütle enerjisi yasasının parçaları olduğunu kanıtladı.

Bu iki kavram arasındaki temel bağlantı sayesinde madde enerjiye, enerji de maddeye dönüştürülebilir.

Yüz yıl önce, 1915'te, o zamanlar fizikte devrim niteliğinde keşifler yapmış olan genç bir İsviçreli bilim adamı, temelde yeni bir yerçekimi anlayışı önerdi.

1915'te Einstein, yerçekimini uzay-zamanın temel bir özelliği olarak nitelendiren genel görelilik teorisini yayınladı. Uzay-zamanın eğriliğinin, içinde bulunan maddenin ve radyasyonun enerjisi ve hareketi üzerindeki etkisini tanımlayan bir dizi denklem sundu.

Yüz yıl sonra, genel görelilik teorisi (GTR) modern bilimin inşasının temeli haline geldi ve bilim adamlarının ona saldırdığı tüm testlere dayandı.

Ancak yakın zamana kadar, aşırı koşullar altında teorinin istikrarını test etmek için deneyler yapmak imkansızdı.

Görelilik teorisinin 100 yıl içinde bu kadar güçlü olduğunu kanıtlaması şaşırtıcı. Hala Einstein'ın yazdıklarını kullanıyoruz!

Clifford Will, teorik fizikçi, Florida Üniversitesi

Bilim insanları artık genel göreliliğin ötesinde fiziği araştıracak teknolojiye sahip.

Yerçekimine Yeni Bir Bakış

Genel görelilik teorisi, yerçekimini (Newton fiziğinde göründüğü gibi) bir kuvvet olarak değil, nesnelerin kütlesinden dolayı uzay-zamanın eğriliği olarak tanımlar. Dünya, yıldızın onu çekmesi nedeniyle değil, Güneş'in uzay-zamanı deforme etmesi nedeniyle Güneş'in etrafında dönmektedir. Ağır bir bowling topunu gergin bir battaniyenin üzerine koyarsanız battaniyenin şekli değişecektir; yer çekimi uzayı da aynı şekilde etkiler.

Einstein'ın teorisi bazı çılgın keşiflerin habercisiydi. Örneğin, uzay-zamanı öyle bir büken kara deliklerin var olma ihtimali vardır ki, içinden hiçbir şey, hatta ışık bile kaçamaz. Teoriye dayanarak, bugün Evrenin genişlediği ve hızlandığı yönünde genel kabul gören görüşe dair kanıtlar bulundu.

Genel görelilik çok sayıda gözlemle doğrulanmıştır. Einstein'ın kendisi, hareketi Newton yasalarıyla tanımlanamayan Merkür'ün yörüngesini hesaplamak için genel göreliliği kullandı. Einstein, ışığı bükebilecek kadar büyük nesnelerin varlığını öngörmüştü. Bu, gökbilimcilerin sıklıkla karşılaştığı bir kütleçekimsel merceklenme olgusudur. Örneğin, dış gezegenlerin araştırılması, gezegenin etrafında döndüğü yıldızın çekim alanı tarafından bükülen radyasyondaki ince değişikliklerin etkisine dayanır.

Einstein'ın teorisini test etmek

Dünya üzerinde yapılan deneylerin ve güneş sistemindeki gezegenlerin gözlemlerinin gösterdiği gibi, genel görelilik sıradan yerçekimi için iyi çalışır. Ancak fiziğin sınırları içinde yer alan uzaylarda aşırı güçlü alanların koşulları altında hiçbir zaman test edilmedi.

Bu koşullar altında teoriyi test etmenin en umut verici yolu, yerçekimi dalgaları adı verilen uzay-zamandaki değişiklikleri gözlemlemektir. Büyük olayların, kara delikler gibi iki büyük cismin veya özellikle yoğun nesnelerin - nötron yıldızlarının birleşmesinin bir sonucu olarak ortaya çıkarlar.

Bu büyüklükteki kozmik bir havai fişek gösterisi yalnızca uzay-zamandaki en küçük dalgalanmaları yansıtacaktır. Örneğin, eğer iki kara delik çarpışıp Galaksimizdeki bir yerde birleşirse, yerçekimi dalgaları, Dünya'da bir metre uzaklıkta bulunan nesneler arasındaki mesafeyi atom çekirdeğinin çapının binde biri kadar uzatabilir ve sıkıştırabilir.

Bu tür olaylar nedeniyle uzay-zamandaki değişiklikleri kaydedebilen deneyler ortaya çıktı.

Önümüzdeki iki yıl içinde yerçekimi dalgalarını tespit etme şansımız yüksek.

Clifford Will

Richland, Washington ve Livingston, Louisiana yakınlarında gözlemevleri bulunan Lazer Girişimölçer Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO), ikili L şeklindeki dedektörlerdeki çok küçük bozulmaları tespit etmek için bir lazer kullanıyor. Uzay-zaman dalgaları dedektörlerden geçerken uzayı gerer ve sıkıştırır, bu da dedektörün boyutlarının değişmesine neden olur. Ve LIGO bunları ölçebilir.

LIGO 2002 yılında bir dizi lansmana başladı ancak sonuç alamadı. 2010 yılında iyileştirmeler yapıldı ve kuruluşun halefi olan Advanced LIGO'nun bu yıl yeniden faaliyete geçmesi bekleniyor. Planlanan deneylerin çoğu yerçekimi dalgalarını araştırmayı amaçlıyor.

Görelilik teorisini test etmenin bir başka yolu da kütleçekim dalgalarının özelliklerine bakmaktır. Örneğin ışığın polarize camlardan geçmesi gibi polarize olabilirler. Görelilik teorisi böyle bir etkinin özelliklerini öngörür ve hesaplamalardan herhangi bir sapma, teoriden şüphe etmek için bir neden olabilir.

Birleşik teori

Clifford Will, kütleçekim dalgalarının keşfinin yalnızca Einstein'ın teorisini güçlendireceğine inanıyor:

Doğru olduğundan emin olmak için genel göreliliğin kanıtlarını aramaya devam etmemiz gerektiğini düşünüyorum.

Bu deneylere neden ihtiyaç duyuldu?

Modern fiziğin en önemli ve anlaşılması zor görevlerinden biri, Einstein'ın araştırmalarını, yani makrokozmos bilimini ve en küçük nesnelerin gerçekliği olan kuantum mekaniğini birbirine bağlayacak bir teori arayışıdır.

Bu alandaki ilerlemeler, kuantum kütle çekimi, genel görelilikte değişiklikler gerektirebilir. Kuantum kütleçekim deneylerinin gerçekleştirilmesi imkansız olacak kadar çok enerji gerektirmesi mümkündür. "Ama kim bilir" diyor Will, "belki de kuantum evreninde önemsiz ama araştırılabilir bir etki vardır."

"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, zaman gibi bizim için çok tanıdık ve görünüşte tamamen açık olan bir şeyin, genellikle ona atfettiğimizden tamamen farklı özelliklere sahip olduğunu gösterdi...

Bu oldukça karmaşık teoriyi tam olarak anlayabilmek için, matematik ve fizik konularında 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 giderseniz 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 gündüz iken 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, “yukarı” ve “aşağı”nın 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, küre şeklinde 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 noktaları “laboratuvar” olarak adlandırma konusunda anlaşalım. 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: güçlü bir nokta bulduk - koşullu da olsa "barış" ve artık 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. Birinci 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 duran nehir vapuruna 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 hareket ettiğinde, 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 göreceli ise, o zaman hızın da göreceli olması gerektiği açıktır. 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 gürültüsü kulaklarımıza yalnızca birkaç saniye sonra ulaştığından, 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 bilebiliriz?

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: Eğer sizden 300 bin kilometre uzakta bir ışık yanıp sönüyorsa, 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 bu şekilde davranmaz. 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 önemli değildir; 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 hortumunu jetle birlikte ileriye taşıyan hareketli arabayı da kullanır.

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 vapurun 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 bir şekilde hareket eden bir cisim üzerinde her şeyin sabit 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 konusundaki akıl yürütmeyle sınırlamadan, onun 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 küçük 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 bunun 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 yılında zamanımızın 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 yine fantastik buharlı gemiyi 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 anlamalarımızda yatmaktadır: 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 seyahat eden 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'un 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 buluştu, 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 üst 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 mantığın kazandığı en büyük zaferlerden biriydi. Olağanüstü doğasıyla bilim dünyasını hayrete düşürerek, insanoğlunun doğaya bakışında derin bir devrim yarattı. Niteliği ve önemi bakımından ancak Dünya'nın küreselliğinin keşfinin veya Güneş etrafındaki hareketinin keşfinin neden olduğu devrimle karşılaştırılabilir.

Böylece Einstein, Kopernik 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?

Einstein, zamanın göreliliğini ve alışkanlıktan dolayı tuhaf görünen sonuçları kapsamlı bir şekilde açıklamak için 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 sürecektir. Her iki istasyonun da mükemmel doğrulukta saatleri var.

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 kaldı ve üstelik 24 dakika daha 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 yolcu, 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 dönerse, kendisini, ebeveynleri 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 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 süre 40 saniye değil 40 saniye olacak, İskeledeki saate göre: 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 dokunulmadı.

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 makaleyi bunlarla doldurmak 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 gerçekten 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. Dünyanın saniyede herhangi bir sayıda kilometre kat etmesine izin verin: Güneş'in etrafında 30 kilometre, güneş sistemiyle birlikte 275 kilometre ve tüm Galaksi ile birlikte binlerce kilometre. Bu hiçbir şeyi değiştirmez. Dünyanın hızının ışık hızına eklendiği tüm durumlarda formül aynı c değerini verecektir.

Yani 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 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 miktarlardaki 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, kilovat saat 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 bilginin hata yapmadan kullanılabileceği 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” veya “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 netleştiğini belirtmek yeterlidir. 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.