Vad är thoery av relativitetsteorin?

Relativitetsteorin är endera av två teorier i fysik som utvecklats av den tyskfödde amerikansk fysikern Albert Einstein. Dessa teorier är (1) den speciella relativitetsteorin, som utkom 1905; och (2) den allmänna teorin för relativitet, meddelade 1915. Einsteins teorier förklarar hur massa, energi, och även tid och utrymme. De är två av "foundation block" som modern fysik är byggd.
Teorierna relativitetsteori beskriver händelser så konstigt att människor har svårt att förstå hur de eventuellt kan uppstå. Till exempel kan en person Observera att två händelser inträffar samtidigt, medan en annan person har påpekat att de uppstår vid olika tidpunkter. En klocka kan visas att en observatör att köras i en viss takt, ändå verkar en annan observatör att köra i olika takt. Två observatörer kan mäta längden på samma staven korrekt men få olika resultat. Frågan kan förvandlas till energi och energi kan förvandlas till frågan.

Galileiska relativitetsteorin
Utvecklar sina teorier, använde Einstein idéer från en princip relativitetsteori utvecklats av italiensk astronom och fysiker Galileo. Denna princip kallas Galileiska relativitetsteorin.

Omöjlig att upptäcka rörelse. Galileo fram Huvudtanken bakom Galileiska relativitetsteorin i dialog om de två Chief världen systemen (1632). I detta arbete beskriver en karaktär som heter Salvatius två scenarier med fartygets stuga. I båda fallen är två vänner i kabinen, tillsammans med fjärilar och andra små flygande djur, fisk som simmar i en skål, en flaska som droppar vatten falla in i en annan behållare och en boll. Kabinen är under däck, så att ingen person kan se utanför.
I det första scenariot är att fartyget i vila. Djuren rör sig naturligt, och de två vännerna kasta bollen till varandra och hoppa om. Vänner Observera att flygande djuren flyga med samma hastighet till alla sidor av stugan, fisken simmar i alla riktningar, och dropparna vatten falla rakt nedåt. När en vän kastar bollen till den andra, beror den ansträngning som krävs för kasta inte på riktningen kasta. När antingen personen hoppar framåt, den ansträngning som krävs för beror hoppet inte på riktningen av hoppet.
I det andra scenariot reser shipen på en konstant hastighet. Både hastighet och riktning av fartyget är oföränderlig. Alla de händelser som inträffade i det första scenariot hända igen: de små varelserna flyga och simma, vatten dropp, och de två vännerna kasta bollen och hoppa. Förslaget om fartyget har ingen effekt på någon av dessa händelser. Salvatius förklarar varför det är så: alla objekt i kabinen, inklusive levande ting, dela i rörelse i fartyget.
Eftersom fartygets rörelse har ingen effekt på händelserna i kabinen, kan varken vän tala genom att observera dessa händelser om fartyget är i vila eller flytta. Det är Huvudtanken bakom Galileiska relativitetsteorin.
En faktiska fartyget skulle strängt taget inte resa på en konstant hastighet. Till exempel fartyget skulle färdas i en kurva eftersom jorden yta, inklusive ytan på vattnet-buktas. Fartyget skulle också kurvan på grund av jordens rotation kring sin axel och dess rotation runt solen. Under perioder av några sekunder, men kan fartygets hastighet vara nästan helt konstant.

Inertial ramar. Fysiker vill hänvisa till stugan som en tröghetsbaserad «ihn UR shuhl» ram. Termen kommer från det faktum att tröghetsprincipen i kabinen, skulle gälla i förhållande till stugan. Tröghet är en kropps motstånd mot en förändring i dess rörelse. En kropp som är i vila tenderar att stanna kvar i vila på grund av trögheten. En rörlig kropp tenderar att behålla dess hastighet. Till exempel skulle fishbowl vara i vila i förhållande till stugan. På grund av trögheten tenderar skålen att förbli i vila i förhållande till stugan.
Men antar att fartyget plötsligt fått hastighet, orsakar skålen att glida. Vänner i kabinen skulle vilja påpeka att tröghetsprincipen inte längre tillämpas i förhållande till stugan. Kabinen skulle inte längre vara rörliga på en konstant hastighet, så det skulle inte längre vara en inertial ram. Eftersom stugan accelererande skulle (att få fart) det vara en accelererande referensram.
Tröghetsprincipen är också känd som Newtons första lag av rörelse. Det är en av tre rörelselagarna upptäckt av den engelska forskaren Isaac Newton. Dessa lagar har publicerats i 1687 i Philosophiae naturalis principia mathematica (matematiska principer av naturlig filosofi), ett arbete brukar kallas helt enkelt Principia eller Principia mathematica.
Fram till det sena 1800-talet trodde de flesta forskarna att alla naturliga händelser kan förklaras av Newtons lagar. Så principen om Galileiska relativitetsteori kunde anges som: "naturlagarna är desamma i alla inertial ramar," där naturlagarna var förstås vara Newtons lagar av rörelse och några lagar baserade på dessa.

Galileiska omvandlingar. Vissa typer av beräkningar som innefattar Galileiska relativitetsteorin är en viktig del av bakgrunden av Einsteins teorier. Sådana beräkningar kallas Galileiska transformationer. De visar hur en händelse inträffar i en inertial ram verkar för en observatör i en annan inertial ram.
Galileiska transformationer tillämpar en princip som är baserad på Newtons första lag: någon referensram som rör sig med konstant hastighet i förhållande till en inertial ram är också en inertial ram.
Anta till exempel två jetflygplan, Jet A och Jet B, flyger i samma riktning. Jet A färdas snabbare än Jet B. 30 kilometer i timmen (kph) En flygvärdinna i Jet A promenader med en hastighet av 5 km/h i Jet A riktning av flygning. En Galileiska omvandling ger hastigheten på flygvärdinna i förhållande till Jet B. Omvandlingen kommer att vara ett tillägg: 30 km/h + 5 km/h = 35 km/h.
Anta nu, tillhörande vänder sig om och går med en hastighet av 5 km/h i motsatt riktning. Galileiska omvandlingen kommer att vara en subtraktion: 30 km/h - 5 km/h = 25 km/h.

The Michelson-Morley experimentet. 1887 visade ett experiment som utfördes av två amerikanska fysiker att det var något fel om Galileos principen om relativitet. Fysikerna, Albert A. Michelson och Edward W. Morley, utföra sina experiment på ljusstrålar.
Michelson-Morley experimentet kan spåras tillbaka till en teori som produceras i 1864 av Scottish vetenskapsmannen James Clerk Maxwell. Del av denna teori beskriver förhållandet mellan elektriska och magnetiska fält. Ett elektriskt fält är ett inflytande som ett elektriskt laddat objekt skapar i regionen runt den. Elektriskt laddade objekt kan agera genom deras elektriska fält att locka eller stöta bort varandra. Likaså är ett magnetfält ett inflytande som skapar en magnet eller en elektrisk ström i regionen runt den. Och likaså magneter och föremål som bär nuvarande kan agera genom deras magnetfält att locka eller stöta bort varandra.
Maxwell utvecklat ekvationer visar att elektriska och magnetiska fält kan kombinera på ett sätt som skapar vågor. Ekvationer visar också att dessa elektromagnetiska vågor färdas i ljusets hastighet. Maxwell sa att själva ljuset består av elektromagnetiska vågor-en uttalande senare visade sig vara sant. Han sade också att det finns andra typer av elektromagnetiska vågor. Den tyska fysikern Heinrich Hertz upptäckt sådana vågor-nu kallas radio vågor-mellan 1886 och 1888.
Fysikerna resonerade att om ljuset bestod av vågor, vågorna hade att resa genom en substans, precis som vatten vågor färdas genom vattnet. De kallade ämnet etern, och de trodde att det fyllde allt utrymme. Även om etern kunde överföra vågor, kunde de sa, det inte flytta från plats till plats. Den eter orörligheten gjorde det en speciell inertial ram.
Maxwells ekvationer ange att ljuset rör sig vid en viss hastighet, företrädd av bokstaven c. Värdet av c är nu känd som 186.282 miles (299,792 kilometer) per sekund. Maxwell antas att c var ljushastigheten i förhållande till etern. Enligt detta antagande skulle ljus färdas snabbare eller långsammare än c i en inertial ram i rörelse i förhållande till etern.
Fysikerna motiverade också att jorden flyttat genom etern som planeten snurrade kring sin axel och cirklade solen. Alltså, alla objekt på jordens yta, inklusive Michelson och Morleys laboratorium flyttade i förhållande till etern. Ljushastigheten i förhållande till labbet skulle därför vara olika för ljusstrålarna olika riktningar i förhållande till labbet. Och kan man använda Galileiska transformationer för att beräkna hastigheten på olika strålar i förhållande till labbet.
Anta exempelvis att labbet flyttade genom etern med en hastighet av 150 kilometer per sekund (kps). Tänk dig att en stråle av ljus var släpps ut i Labbets rörelseriktning. En Galileiska omvandling skulle visa att den förväntade hastigheten av ljuset i förhållande till labbet skulle vara c - 150 kps.
Tänk dig nu att en ljus strimma var släpps ut i motsatt riktning. Den förväntade hastigheten av ljuset i förhållande till labbet skulle vara c + 150 kps.
Michelson och Morley genomfört sina experiment för att mäta förväntade skillnader i ljushastigheten i förhållande till deras laboratorium. Även om ljuset färdas mycket snabbt, kunde deras experiment mäta små skillnader i hastighet. Överraskande, fann Michelson och Morley ingen skillnad alls. Detta resultat var en stor gåta. Fysikerna försökte utan framgång att bestämma hur ljus skulle kunna fungera i överensstämmelse med både Galileiska relativitetsteorin och Michelson-Morley experiment.

Speciella relativitetsteorin
Einstein noterade att det fanns inga bevis för existensen av eter. Han därför elimineras etern från behandling. Han hävdade att Maxwells ekvationer innebär att ljusets hastighet måste vara samma i alla inertial ramar. Därför inte kan Galileos principen vara helt rätt.
Följaktligen introducerade Einstein en ny princip, den särskilda principen om relativitet. Denna princip har två delar: (1) det finns ingen eter och ljusets hastighet är densamma för alla observatörer, oavsett deras relativa rörelse. (2) naturlagarna är desamma i alla inertial ramar, där lagarna är förstås att inkludera de som beskrivs av Maxwell.
Einstein utifrån sin speciella relativitetsteorin denna princip. Teorin löst pusslet av Michelson-Morley experimentet. Det gjorde också dramatiska nya prognoser som kontrollerades av senare försök.

Lorentz omvandlingar. Speciella relativitetsteorin använder ekvationer kallas Lorentz transformationer för att beskriva hur en händelse inträffar i en inertial ram verkar för en observatör i en annan inertial ram. Ekvationerna är uppkallad efter den holländska fysikern Hendrik A. Lorentz, som först skrev dem 1895. Lorentz framkallade ekvationer i ett försök att förstå Michelson-Morley experimentet.
I den komplexa matematiken speciella relativitetsteorin är tid och rum inte helt separat. I stället fysiker hänvisa till en enda enhet, rumtiden. Denna enhet är en kombination av dimensionen tid och de tre dimensionerna i rymden-längd, bredd och höjd. Således är rumtid fyrdimensionell.

Tidsdilatation. Lorentz omformningarna visar att ett antal konstiga effekter kan uppstå. En av dessa är känd som tidsdilatation (dilatation innebär breddning).
För ett exempel på denna effekt, anser två rymdskepp, A och B. Fartygen går i förhållande till varandra med en hastighet nära c. Det finns en klocka i varje fartyg. Båda klockor hålla tiden exakt, och människor i båda fartygen kan se båda klockor. Konstigt nog läser folket i de två fartygen klockorna annorlunda. Folket i rymdskepp A kommer att observera att klockan i rymdskepp B körs långsammare än klockan i rymdskepp A. Men folket i rymdskepp B kommer att observera att klockan i rymdskepp A körs långsammare än klockan i rymdskepp B.
Tidsdilatation faktiskt förekommer på alla relativa hastigheter. Men på vardagliga hastigheter, även de mest känsliga instrument kan inte upptäcka den. Således, människor är inte medvetna om tidsdilatation eftersom de går om sin normala verksamhet.
Tidsdilatation är dock viktigt i studien av kosmisk strålning, high-energy partiklar som färdas genom rymden. Vissa kosmiska strålar som kommer från yttre rymden kolliderar med atomer överst i jordens atmosfär. Kollisioner skapa en mängd olika partiklar, inklusive myoner. Myoner resa på nästan ljusets hastighet. Dessutom är de radioaktiva-det vill säga de sönder när de reser.
Varje myon kan anses vara sin egen referensram. Fysiker har mätt hur snabbt myoner bryta isär i fråga om tidens gång i deras referensramar. De sönder så snabbt att man kan dra slutsatsen att knappast någon av dem någonsin kunde nå jordytan. Dock på grund av tidsdilatation sönder myoner mycket långsammare i förhållande till referensram av jorden. Som ett resultat, når många av dem ytan.

Lorentz - Fitzgerald kontraktion. En annan konstig effekt av speciella relativitetsteorin är Lorentz - Fitzgerald contractionen, eller helt enkelt Fitzgerald contractionen. Lorentz föreslog att kontraktion uppstått som en effekt av Lorentz omformningarna. 1889, hade irländsk fysiker George F. Fitzgerald gjort ett liknande förslag.
Exempel på Lorentz - Fitzgerald contractionen, åter överväga två rymdskepp. Folket i rymdskepp A kommer att observera att rymdskepp B och alla objekt i det har blivit kortare i riktning mot rymdskepp B rörelse i förhållande till rymdskepp A. Men de kommer att observera någon förändring i storleken på rymdskepp B eller något av objekt som mäts från toppen till botten eller från sida till sida.
Denna effekt, som tidsdilatation, förekommer också i omvänt: människor i rymdskepp B kommer att observera det spaceshipen A och alla objekt i det har krympt i riktning mot rymdskepp är en rörelse i förhållande till rymdskepp B. Lorentz - Fitzgerald sammandragning förekommer också på alla relativa hastigheter.

Massa energi förhållande. En av de mest kända effekterna av speciella relativitetsteorin är relationen mellan massa och energi: E = mc-fyrkant (E = mc2). Massan kan ses som mängden materia i ett objekt. Ekvationen säger att ett föremål i vila har en energi E lika till dess massan m gånger rusat av ljust c multiplicerat med sig själv, eller fyrkant.
Ljusets hastighet är så hög att omvandlingen av en liten mängd massa släpper en enorm mängd energi. Till exempel skulle fullständig omvandling av ett objekt med en massa av 1 gram släppa 90 biljoner joule energi. Detta är ungefär lika med den energi som frigörs i explosion på 22 000 ton (20.000 ton) av TNT.
Omvandlingen av massa skapar energi i solen och andra stjärnor. Det producerar också värmeenergi som omvandlas till elektrisk energi i kärnkraftverk. Dessutom är massa till energi konvertering ansvarig för den enorma destruktiva kraften av kärnvapen.

Allmänna relativitetsteorin
Einstein utvecklat den allmänna relativitetsteori att ändra Newtons lag av gravitation så att det skulle hålla med speciella relativitetsteorin. Den viktigaste oenigheten låg i beskrivningar av hur objekt utöva krafter på varandra.
I speciella relativitetsteorin, kan ingenting färdas mellan två punkter snabbare än hastighet av ljus. Denna princip gäller såväl styrkor som strålar av ljus.
Tänk till exempel, en atom av den enklaste formen av väte. Denna Atomen består av en enda elektron i bana runt en enda proton. Elektronen bär en negativ elektrisk laddning, medan protonen är positivt laddade. Positionen för protonen bestämmer förslaget till elektronen. Detta sker genom en kraft av attraktion på elektron-en tillämpning av principen bekant "mittemot avgifter lockar."
Protonen utövar kraften med hjälp av elektromagnetiska vågor som kan ses som ljusstrålarna. Protonen avger (skickar ut) en stråle, som elektronen sedan absorberar. Därför beror elektronens rörelse på vad protonen ställning var när protonen som avges strålen.
I Principia, Newton hade tanke på tyngdlagen som F = m1m2 ÷ d2, där F är gravitationskraften mellan två objekt, m1 och m2 är den stora massan av objekt och d2 är avståndet mellan dem fyrkant. Denna lag förklaras av planeterna. Enligt lagen ska beror en planets rörelse på positionen för solen och de andra planeterna. Alla dessa objekt påverka varandra med hjälp av gravitationskraften.
Men Newtons lag säger att kraft mellan två objekt överförs omedelbart, oavsett hur långt ifrån varandra objekt som är. Det vill säga beskriver lagen en gravitationell åtgärd på avstånd. Denna beskrivning är oense med speciella relativitetsteorin, som säger att det finns ingen åtgärd på avstånd.

Likvärdighetsprincipen. För att eliminera åtgärder på ett avstånd från Newtons lagar, började Einstein med en observation som han kallade principen om likvärdighet. Enligt denna princip, ett objekts gravitationella massan är lika med dess trög massa.
Gravitationell massa hjälper till att bestämma styrkan av gravitation på ett objekt. Massorna m1 och m2 i Newtons tyngdlagen är gravitationell massorna.
Trög massa är ett mått på ett objekts tröghet. Tröga massan ges i ekvationen för Newtons andra lag för motion: F = ma, där F är den kraft som verkar på ett objekt, m är den tröga massan av objektet, och en är acceleration av objektet. Denna ekvation gäller till exempel när du trycker ett objekt över golvet. Om din kraft är större än kraften friktion mellan objektet och golvet och någon annan kraft som arbetar mot dig, objektet kommer att gå snabbare och snabbare. Mängden acceleration beror på massan av objektet och din kraft minus motpoler.
Den ungerska fysikern Lorand Eotvos hade kontrollerat likvärdighetsprincipen experimentellt 1889. Einstein såg att principen visar ett nära samband mellan hur ett objekt rör sig genom tid och rum och gravitationen som verkar på föremålet. Han kände igen att gravitationen är därför relaterat till strukturera av rumtiden.

En "tankeexperiment." För att beskriva hur han skulle arbeta för att eliminera åtgärder på avstånd, som Einstein erbjuds ett exempel kallas ett "tankeexperiment": först, överväga en hiss som faller fritt mot jordens yta. Anta att en person i hissen droppar en rock. Berget kommer att falla med personen, och så kommer det bara sväva i luften bredvid personen.
Tänk dig nu att hissen är i yttre rymden-så långt från någon planet eller stjärna att nästan ingen gravitationskraften är närvarande. Personen tappar rock och, igen, klippan svävar bredvid personen.
Einstein sa att "tankeexperiment" avslöjar en allmän sanning: en person i fritt fall går inte att avgöra genom observation inom hans eller hennes referensram att gravitationen är närvarande. Gravitation måste således vara ett kännetecken av rumtiden där observatören faller.
Numera är den princip som ligger till grund för Einsteins exempel bekant i fenomen av tyngdlöshet. Astronauter i rymdfärjan är så nära jorden som planetens gravitation verkar på dem. Men, som sten i hissen, skytteln och dess passagerare är i fritt fall. Deras erfarenhet är därför samma som det skulle vara om det fanns ingen vikt alls.

Förvrängningarna i rumtid. Einstein översatt denna princip till matematiska termer i sin allmänna teori relativitetsteorin. I denna teori, materia och energi snedvrider (ändra form) rumtiden, och snedvridningen upplevs som gravitationen. En mer common-men mindre exakt-sätt att förklara snedvridningen är "Massa kurvor space."
Einstein föreslog att astronomer kunde göra vissa observationer att testas den allmänna teorin för relativitetsteorin. Den mest dramatiska av dessa skulle vara en böjning av ljus strålar av solens gravitation. I relativitetsteorin är massa och energi likvärdiga. och eftersom ljuset bär energi, det också påverkas av gravitation. Ljus-bending effekten är liten, men Einstein beräknade att det kunde observeras under en solförmörkelse. I 1919 observerat den brittiska astronomen Arthur S. Eddington det, vilket gör Einstein världsberömda.

Gravitationsvågor. Allmänna relativitetsteorin anger att gravitationsvågor sänder gravitationskraften, precis som elektromagnetiskt vinkar överför elektriska och magnetiska krafter. Forskare har observerat gravitationsvågor indirekt i ett par av neutronstjärnor som kretsar kring varandra. Neutronstjärnor är de minsta och tätaste stjärnor känd. En neutronstjärna mäter endast ca 12 mil (20 kilometer) över, men har mer massa än solen.
Genom att observera para av stjärnor i flera år, fastställs forskarna att stjärnornas bana blir mindre. Beräkningar som innefattar ekvationer allmänna relativitetsteori visar att bana krymper eftersom stjärnorna släpper ut gravitationsvågor.
De flesta gravitationsvågor producera sådan liten snedvridning av rumtiden som de är omöjliga att upptäcka direkt. Dock skapa kollisioner mellan neutronstjärnor och ännu mer kompakt objekt som kallas svarta hål enorm snedvridning. Fysikerna bygger observatorier för att upptäcka de resulterande vågorna direkt.
Ett observatorium känd som Laser Interferometer gravitations-Wave Observatory (LIGO) har tre anläggningar-två i Hanford, Washington, och en i Livingston, Louisiana. Varje anläggning är planerat på upptäcka gravitationsvågor genom att känna deras effekt på två metall rör som är 2 1/2 mil (4 kilometer) lång. Rören är byggda längs marken, och de är anslutna till varandra i form av en L. När en gravitationell våg passerar genom dem, ändrar det sina längder med ett belopp som är mycket mindre än en atom-nucleus. En lasersystem upptäcker förändringar i längderna.