Görelilik teorisi, 1905 yılında parlak bilim adamı Albert Einstein tarafından önerildi.

Bilim adamı daha sonra gelişiminin özel bir durumundan bahsetti.

Bugün buna genellikle Özel Görelilik Teorisi veya STR adı verilmektedir. SRT'de düzgün ve doğrusal hareketin fiziksel prensipleri incelenir.

Özellikle, eğer yolunda hiçbir engel yoksa ışık bu şekilde hareket eder; bu teorinin büyük bir kısmı ona ayrılmıştır.

Einstein, SRT'nin kalbinde iki temel ilkeyi ortaya koydu:

Görelilik ilkesi. Herhangi bir fiziksel yasa, sabit nesneler için ve düzgün ve doğrusal olarak hareket eden cisimler için aynıdır.
Işığın boşluktaki hızı tüm gözlemciler için aynı olup 300.000 km/s'ye eşittir.

Görelilik teorisi pratikte test edilebilir, Einstein kanıtları deneysel sonuçlar şeklinde sundu.

Örnekleri kullanarak ilkelere bakalım.

İki nesnenin kesinlikle düz bir çizgide sabit hızla hareket ettiğini hayal edelim. Einstein, hareketlerini sabit bir noktaya göre değerlendirmek yerine, onları birbirlerine göre incelemeyi önerdi. Örneğin iki tren bitişik raylarda farklı hızlarda hareket ediyor. Birinde sen oturuyorsun, diğerinde tam tersi arkadaşın. Onu görüyorsunuz ve sizin görüşünüze göre hızı yalnızca trenlerin hızları arasındaki farka bağlı olacaktır, ne kadar hızlı seyahat ettiklerine bağlı değildir. En azından trenler hızlanmaya veya dönmeye başlayana kadar.
Görelilik teorisini kozmik örneklerle açıklamayı severler. Bunun nedeni, özellikle ışığın hızını değiştirmediği göz önüne alındığında, etkilerin hız ve mesafe arttıkça artmasıdır. Ayrıca boşlukta ışığın yayılmasını hiçbir şey engellemez. Yani ikinci prensip ışık hızının sabit olduğunu iddia ediyor. Bir uzay gemisindeki radyasyon kaynağını güçlendirir ve açarsanız, geminin kendisine ne olursa olsun: yüksek hızda hareket edebilir, hareketsiz kalabilir veya yayıcıyla birlikte tamamen kaybolabilir, istasyondaki gözlemci ışığı görecektir. tüm olaylar için aynı süre sonunda.

Genel görelilik teorisi.

1907'den 1916'ya kadar Einstein, Genel Görelilik Teorisinin yaratılması üzerinde çalıştı. Fiziğin bu bölümü genel olarak maddi cisimlerin hareketini inceler; nesneler hızlanabilir ve yörüngeleri değiştirebilir. Genel görelilik teorisi, uzay ve zaman teorisini yerçekimi teorisiyle birleştirir ve aralarında bağımlılıklar kurar. Başka bir isim de biliniyor: Yer çekiminin geometrik teorisi. Genel görelilik teorisi, özel göreliliğin sonuçlarına dayanmaktadır. Bu durumda matematiksel hesaplamalar son derece karmaşıktır.

Formüller olmadan açıklamaya çalışalım.

Genel Görelilik Teorisinin Postülatları:

nesnelerin ve onların hareketlerinin dikkate alındığı ortam dört boyutludur;
tüm cisimler sabit bir hızla düşer.

Ayrıntılara geçelim.

Yani genel görelilik kuramında Einstein dört boyut kullanıyor: Her zamanki üç boyutlu uzayı zamanla tamamladı. Bilim adamları ortaya çıkan yapıya uzay-zaman sürekliliği veya uzay-zaman adını veriyor. Dört boyutlu nesnelerin hareket ederken değişmediği, ancak onların yalnızca üç boyutlu izdüşümlerini algılayabildiğimiz ileri sürülüyor. Yani cetveli ne kadar bükerseniz bükün, yalnızca bilinmeyen 4 boyutlu bir cismin izdüşümlerini göreceksiniz. Einstein uzay-zaman sürekliliğinin bölünemez olduğunu düşünüyordu.

Yerçekimiyle ilgili olarak Einstein şu varsayımı ileri sürdü: Yerçekimi, uzay-zamanın eğriliğidir.

Yani Einstein'a göre mucidin kafasına bir elmanın düşmesi yerçekiminin bir sonucu değil, uzay-zamanda etkilenen noktada kütle enerjisinin varlığının bir sonucudur. Düz bir örnek kullanırsak: bir tuval alın, onu dört desteğin üzerine gerdirin, üzerine bir gövde yerleştirin, tuvalde bir göçük görüyoruz; Kendilerini ilk nesneye yakın bulan daha hafif cisimler, tuvalin eğriliği nedeniyle yuvarlanacak (çekilmeyecektir).

Işık ışınlarının yerçekimine sahip cisimlerin varlığında büküldüğü kanıtlanmıştır. Artan rakımla zaman genişlemesi de deneysel olarak doğrulandı. Einstein, büyük bir cismin varlığında uzay-zamanın kavisli olduğu ve yer çekimi ivmesinin, 4 boyutlu uzayda düzgün hareketin 3 boyutlu bir yansıması olduğu sonucuna vardı. Ve tuval üzerinde daha büyük bir nesneye doğru yuvarlanan küçük cisimlerin yörüngesi kendileri için doğrusal kalır.

Şu anda genel görelilik, diğer yerçekimi teorileri arasında lider konumdadır ve pratikte mühendisler, gökbilimciler ve uydu navigasyonu geliştiricileri tarafından kullanılmaktadır. Albert Einstein aslında bilimin ve doğa bilimi kavramının büyük bir dönüştürücüsüdür. Görelilik teorisine ek olarak Brown hareketi teorisini yarattı, ışığın kuantum teorisini inceledi ve kuantum istatistiğinin temellerinin geliştirilmesine katıldı.

Site malzemelerinin kullanımına yalnızca kaynağa aktif bir bağlantı gönderildiğinde izin verilir.

Genel görelilik teorisi(GTR), Albert Einstein tarafından 1915-16'da yayınlanan geometrik bir yerçekimi teorisidir. Özel görelilik teorisinin daha da geliştirilmiş hali olan bu teori çerçevesinde, yerçekimi etkilerinin, uzay-zamanda yer alan cisimler ve alanların kuvvet etkileşiminden değil, uzay-zamanın deformasyonundan kaynaklandığı ileri sürülmektedir. özellikle kütle enerjisinin varlığıyla ilişkili olan kendisi. Dolayısıyla genel görelilik kuramında, diğer metrik teorilerde olduğu gibi, kütleçekimi bir kuvvet etkileşimi değildir. Genel görelilik, uzay-zamanın eğriliğini uzayda mevcut maddeyle ilişkilendirmek için Einstein'ın denklemlerini kullanması nedeniyle diğer metrik yerçekimi teorilerinden farklıdır.

Genel görelilik şu anda gözlemlerle doğrulanan en başarılı kütleçekim teorisidir. Genel göreliliğin ilk başarısı Merkür'ün günberisindeki anormal devinimi açıklamaktı. Daha sonra, 1919'da Arthur Eddington, genel göreliliğin tahminlerini doğrulayan bir tam tutulma sırasında Güneş'in yakınında ışığın büküldüğünün gözlemlendiğini bildirdi.

O zamandan bu yana, kütleçekimsel zaman genişlemesi, kütleçekimsel kırmızıya kayma, kütleçekim alanındaki sinyal gecikmesi ve şimdiye kadar yalnızca dolaylı olarak kütleçekimsel radyasyon dahil olmak üzere diğer birçok gözlem ve deney teorinin tahminlerinin önemli bir kısmını doğruladı. Buna ek olarak, çok sayıda gözlem, genel görelilik teorisinin en gizemli ve egzotik tahminlerinden biri olan kara deliklerin varlığının doğrulanması olarak yorumlanıyor.

Genel görelilik teorisinin baş döndürücü başarısına rağmen, kara delikler ve uzay-zaman dikkate alındığında giderilemez matematiksel farklılıklar ortaya çıkması nedeniyle kuantum teorisinin klasik limiti olarak yeniden formüle edilememesi nedeniyle bilim camiasında rahatsızlık bulunmaktadır. genel olarak tekillikler. Bu sorunu çözmek için bir dizi alternatif teori önerilmiştir. Modern deneysel veriler, genel görelilikten herhangi bir tür sapmanın, eğer varsa, çok küçük olması gerektiğini göstermektedir.

Genel göreliliğin temel ilkeleri

Newton'un yerçekimi teorisi, uzun menzilli bir kuvvet olan yerçekimi kavramına dayanmaktadır: herhangi bir mesafede anında etki eder. Eylemin bu anlık doğası, modern fiziğin alan paradigmasıyla ve özellikle de 1905'te Einstein tarafından Poincaré ve Lorentz'in çalışmalarından esinlenerek oluşturulan özel görelilik teorisiyle bağdaşmaz. Einstein'ın teorisine göre hiçbir bilgi boşlukta ışık hızından daha hızlı ilerleyemez.

Matematiksel olarak Newton'un yerçekimi kuvveti, yerçekimi alanındaki bir cismin potansiyel enerjisinden türetilir. Bu potansiyel enerjiye karşılık gelen yerçekimi potansiyeli, Lorentz dönüşümleri altında değişmez olmayan Poisson denklemine uyar. Değişmezliğin nedeni, özel görelilik teorisindeki enerjinin skaler bir miktar olmaması, 4-vektörün zaman bileşenine girmesidir. Yerçekiminin vektör teorisi, Maxwell'in elektromanyetik alan teorisine benzer ve etkileşimin doğasıyla ilişkili olan yerçekimi dalgalarının negatif enerjisine yol açar: yerçekimindeki benzer yükler (kütle) çeker ve itmez, elektromanyetizmada olduğu gibi. Bu nedenle, Newton'un yerçekimi teorisi, özel görelilik teorisinin temel ilkesiyle - doğa yasalarının herhangi bir eylemsiz referans çerçevesinde değişmezliği ve ilk kez 1905'te Poincaré tarafından önerilen Newton teorisinin doğrudan vektör genellemesi - ile bağdaşmaz. “Elektronun Dinamiği Üzerine” çalışması fiziksel olarak tatmin edici olmayan sonuçlara yol açmaktadır.

Einstein, doğa yasalarının herhangi bir referans çerçevesine göre değişmezliği ilkesiyle uyumlu olacak bir yerçekimi teorisi aramaya başladı. Bu arayışın sonucu, yerçekimsel ve eylemsiz kütlenin özdeşliği ilkesine dayanan genel görelilik teorisiydi.

Yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ilkesi

Klasik Newton mekaniğinde iki kütle kavramı vardır: Birincisi Newton'un ikinci yasasını, ikincisi ise evrensel çekim yasasını ifade eder. İlk kütle - eylemsizlik (veya eylemsizlik) - vücuda etki eden yerçekimi olmayan kuvvetin ivmesine oranıdır. İkinci kütle - yerçekimi (veya bazen denildiği gibi ağır) - bir cismin diğer cisimler tarafından çekilme kuvvetini ve kendi çekim kuvvetini belirler. Genel olarak bakıldığında bu iki kütle, açıklamadan da görülebileceği gibi, çeşitli deneylerle ölçülür ve bu nedenle birbirleriyle hiçbir şekilde orantılı olmaları gerekmez. Bunların kesin orantılılığı, hem yerçekimsel olmayan hem de yerçekimsel etkileşimlerde tek bir vücut kütlesinden bahsetmemize olanak tanır. Uygun bir birim seçimi ile bu kütleler birbirine eşit hale getirilebilir. İlkenin kendisi Isaac Newton tarafından ortaya atıldı ve kütlelerin eşitliği onun tarafından deneysel olarak 10?3'lük bir göreceli doğrulukla doğrulandı. 19. yüzyılın sonunda Eötvös daha incelikli deneyler gerçekleştirerek prensibi test etme doğruluğunu 10?9'a çıkardı. 20. yüzyılda deneysel teknoloji, kütlelerin eşitliğini 10?12-10?13 göreceli doğrulukla doğrulamayı mümkün kıldı (Braginsky, Dicke, vb.). Bazen yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ilkesine zayıf eşdeğerlik ilkesi denir. Albert Einstein bunu genel görelilik teorisine dayandırdı.

Jeodezik çizgiler boyunca hareket prensibi

Yerçekimi kütlesi eylemsizlik kütlesine tam olarak eşitse, o zaman yalnızca yerçekimi kuvvetlerinin etki ettiği bir cismin ivmesi ifadesinde her iki kütle de birbirini götürür. Dolayısıyla bir cismin ivmesi ve dolayısıyla yörüngesi, cismin kütlesine ve iç yapısına bağlı değildir. Uzayda aynı noktadaki tüm cisimler aynı ivmeyi alıyorsa, bu ivme cisimlerin özellikleriyle değil, uzayın bu noktadaki özellikleriyle ilişkilendirilebilir.

Böylece cisimler arasındaki yerçekimsel etkileşimin tanımı, cisimlerin içinde hareket ettiği uzay-zamanın tanımına indirgenebilir. Einstein'ın yaptığı gibi cisimlerin ataletle, yani kendi referans çerçevelerindeki ivmelerinin sıfır olacağı şekilde hareket ettiğini varsaymak doğaldır. Böylece cisimlerin yörüngeleri, teorisi 19. yüzyılda matematikçiler tarafından geliştirilen jeodezik çizgiler olacaktır.

Jeodezik çizgilerin kendisi, uzay-zamanda, geleneksel olarak aralık veya dünya fonksiyonu olarak adlandırılan, iki olay arasındaki mesafenin bir analoğunu belirleyerek bulunabilir. Üç boyutlu uzayda ve tek boyutlu zamanda (başka bir deyişle dört boyutlu uzay-zamanda) bir aralık, metrik tensörün 10 bağımsız bileşeni tarafından verilir. Bu 10 sayı uzayın ölçüsünü oluşturur. Uzay-zamanda farklı yönlerdeki iki sonsuz yakın nokta arasındaki “mesafeyi” tanımlar. Hızı ışık hızından daha az olan fiziksel cisimlerin dünya çizgilerine karşılık gelen jeodezik çizgilerin, en büyük uygun zamanın çizgileri olduğu, yani bu yörüngeyi takip ederek vücuda sıkı bir şekilde bağlı bir saat tarafından ölçülen zaman olduğu ortaya çıkar. Modern deneyler, cisimlerin jeodezik çizgiler boyunca hareketini, yerçekimi ve eylemsizlik kütlelerinin eşitliği ile aynı doğrulukla doğrulamaktadır.

Uzay-zamanın eğriliği

İki cismi birbirine paralel iki yakın noktadan fırlatırsanız, yerçekimi alanında yavaş yavaş birbirlerine yaklaşmaya veya uzaklaşmaya başlayacaklardır. Bu etkiye jeodezik çizgi sapması denir. Merkeze büyük bir nesnenin yerleştirildiği kauçuk bir zar boyunca iki top birbirine paralel olarak fırlatıldığında benzer bir etki doğrudan gözlemlenebilir. Toplar dağılacaktır: Zarı iten nesneye daha yakın olan top, daha uzaktaki topa göre merkeze daha güçlü bir şekilde yönelecektir. Bu tutarsızlık (sapma) zarın eğriliğinden kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde, uzay-zamanda jeodeziklerin sapması (cisimlerin yörüngelerinin farklılaşması) eğriliğiyle ilişkilidir. Uzay-zamanın eğriliği, onun metriği (metrik tensör) tarafından benzersiz bir şekilde belirlenir. Genel görelilik teorisi ile alternatif yerçekimi teorileri arasındaki fark, çoğu durumda tam olarak madde (yerçekimi alanını oluşturan yerçekimi olmayan doğadaki cisimler ve alanlar) ile uzay-zamanın metrik özellikleri arasındaki bağlantı yönteminde belirlenir.

Uzay-zaman genel göreliliği ve güçlü eşdeğerlik ilkesi

Genel görelilik teorisinin temelinin, aşağıdaki gibi formüle edilebilecek olan yerçekimi ve eylemsizlik alanlarının denkliği ilkesi olduğuna sıklıkla yanlış inanılır:
Yerçekimi alanında yer alan, boyutu yeterince küçük olan yerel bir fiziksel sistem, davranış açısından, özel teorinin düz uzay-zamanına daldırılmış, hızlandırılmış (eylemsizlik referans çerçevesine göre) bir referans sisteminde yer alan aynı sistemden ayırt edilemez. görelilik.

Bazen aynı prensip "özel göreliliğin yerel geçerliliği" olarak öne sürülür veya "güçlü eşdeğerlik ilkesi" olarak adlandırılır.

Tarihsel olarak bu prensip, genel görelilik teorisinin gelişiminde gerçekten büyük bir rol oynamış ve Einstein tarafından bu teorinin geliştirilmesinde kullanılmıştır. Bununla birlikte, teorinin en son biçiminde, uzay-zaman, hem hızlandırılmış hem de özel görelilik teorisindeki orijinal referans çerçevesinde eğrisiz - düz ve düz olduğundan, aslında kapsanmamaktadır. Genel görelilik teorisine göre herhangi bir cisim tarafından kavislidir ve tam olarak onun eğriliği cisimlerin yerçekimsel çekiciliğine neden olur.

Genel görelilik teorisinin uzay-zamanı ile özel görelilik teorisinin uzay-zamanı arasındaki temel farkın, bir tensör miktarı (eğrilik tensörü) ile ifade edilen eğriliği olduğunu belirtmek önemlidir. Özel göreliliğin uzay-zamanında bu tensör aynı şekilde sıfıra eşittir ve uzay-zaman düzdür.

Bu nedenle “genel görelilik teorisi” ismi tam anlamıyla doğru değildir. Bu teori, şu anda fizikçiler tarafından değerlendirilen bir dizi yerçekimi teorisinden yalnızca biridir; özel görelilik teorisi (daha doğrusu, uzay-zamanın metrikliği ilkesi) bilim camiası tarafından genel olarak kabul edilmektedir ve bu teorinin temel taşını oluşturmaktadır. modern fiziğin temeli. Bununla birlikte, Genel Görelilik dışında geliştirilen diğer yerçekimi teorilerinin hiçbirinin zaman ve deney testinden geçemediğini de belirtmek gerekir.

Genel göreliliğin ana sonuçları

Uygunluk ilkesine göre, zayıf çekim alanlarında genel göreliliğin tahminleri, Newton'un evrensel çekim yasasının alan kuvveti arttıkça artan küçük düzeltmelerle uygulanmasının sonuçlarıyla örtüşmektedir.

Genel göreliliğin ilk tahmin edilen ve deneysel olarak test edilen sonuçları, aşağıda ilk testlerinin kronolojik sırasına göre listelenen üç klasik etkiydi:
1. Newton mekaniğinin tahminleriyle karşılaştırıldığında Merkür'ün yörüngesinin günberi noktasında ilave kayma.
2. Güneş'in çekim alanında bir ışık ışınının sapması.
3. Yerçekimsel kırmızıya kayma veya yerçekimsel alanda zaman genişlemesi.

Deneysel olarak doğrulanabilecek başka etkiler de vardır. Bunlar arasında, Güneş ve Jüpiter'in çekim alanındaki elektromanyetik dalgaların sapması ve gecikmesi (Shapiro etkisi), Lense-Thirring etkisi (dönen bir cismin yakınında bir jiroskopun devinimi), kara deliklerin varlığının astrofiziksel kanıtlarından bahsedebiliriz. , çift yıldızlardan oluşan yakın sistemler tarafından yerçekimi dalgalarının emisyonunun ve Evrenin genişlemesinin kanıtı.

Şu ana kadar genel göreliliği çürüten hiçbir güvenilir deneysel kanıt bulunamadı. Ölçülen etki büyüklüklerinin genel görelilik tarafından tahmin edilenlerden sapmaları %0,1'i aşmamaktadır (yukarıdaki üç klasik olay için). Buna rağmen çeşitli nedenlerden ötürü teorisyenler en az 30 alternatif çekim teorisi geliştirmişler ve bunlardan bazıları teoride yer alan parametrelerin uygun değerleri ile genel göreliliğe keyfi olarak yakın sonuçlar elde etmeyi mümkün kılmaktadır.

Einstein'ın görelilik teorisi birinci cismin hareketinin belirlenmesinin ancak başka bir cismin hareketiyle mümkün olabileceği ifadesine dayanmaktadır. Bu sonuç, dört boyutlu uzay-zaman sürekliliğinde ve onun farkındalığında temel hale geldi. Zaman ve üç boyut dikkate alındığında aynı temele sahiptir.

Özel görelilik teorisi 1905'te keşfedilen ve okulda daha büyük ölçüde incelenen, tekdüze göreli hareket halindeki gözlem açısından yalnızca olup bitenlerin bir açıklamasıyla biten bir çerçeveye sahiptir. Bu da birkaç önemli sonuca yol açtı:

1 Her gözlemci için ışığın hızı sabittir.

2 Hız arttıkça cismin kütlesi de artar; ışık hızında bu daha güçlü hissedilir.

3 Enerji-E ve kütle-m birbirine eşit ve eşdeğerdir; buna göre c-'nin ışık hızı olacağı formülü takip eder.
E = mc2
Bu formülden kütlenin enerjiye dönüştüğü, daha az kütlenin daha fazla enerjiye yol açtığı sonucu çıkar.

4 Daha yüksek hızlarda gövdenin sıkışması meydana gelir (Lorentz-Fitzgerald sıkıştırması).

5 Duran bir gözlemci ve hareketli bir nesne göz önüne alındığında, ikinci sefer daha yavaş ilerleyecektir. 1915'te tamamlanan bu teori, hızlanan hareket halindeki bir gözlemci için uygundur. Yerçekimi ve uzayın gösterdiği gibi. Buradan yola çıkarak, uzayın, içindeki maddenin varlığından dolayı kavisli olduğu ve dolayısıyla çekim alanları oluşturduğu varsayılabilir. Uzayın özelliğinin yerçekimi olduğu ortaya çıktı. İlginç bir şekilde, yerçekimi alanı ışığı büküyor ve kara deliklerin ortaya çıktığı yer burası.

Not: Arkeolojiyle ilgileniyorsanız (http://arheologija.ru/), o zaman size yalnızca kazılar, eserler vb. hakkında bilgi vermekle kalmayıp aynı zamanda en son haberleri de paylaşacak ilginç bir sitenin bağlantısını takip etmeniz yeterlidir.

Şekil Einstein'ın teorisinin örneklerini göstermektedir.

Altında A Farklı hızlarda hareket eden arabalara bakan bir gözlemciyi tasvir ediyor. Ancak kırmızı araba mavi arabadan daha hızlı hareket ediyor, bu da ışığın ona göre hızının mutlak olacağı anlamına geliyor.

Altında İÇİNDE farlardan yayılan ışığın, arabaların hızlarındaki bariz farka rağmen aynı olacağı dikkate alınır.

Altında İLE E enerjisi = T kütlesi olduğunu kanıtlayan bir nükleer patlama gösterilmektedir. Veya E = mс2.

Altında DŞekilden, vücut sıkıştırılırken daha az kütlenin daha fazla enerji verdiği görülmektedir.

Altında e Mu mezonları nedeniyle uzayda zamanın değişmesi. Zaman uzayda dünyaya göre daha yavaş akar.

Yemek yemek aptallar için görelilik teorisi videoda kısaca gösterilen:

Modern bilim adamlarının 2014 yılında keşfettiği, ancak bir sır olarak kalan görelilik teorisi hakkında çok ilginç bir gerçek.

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 önermeleri

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.

Aynı varsayım 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 dahil edersek dört boyutlu uzay-zamanı elde ederiz.

Görelilik teorisinin iyi bilinen bir başka sonucu da, Einstein'ın ünlü denklemi E = mc2 (burada E enerji, m vücut kütlesi, c ışık hızıdır) ile ifade edilen kütle ve enerjinin denkliğidir. Enerji ve kütlenin denkliği 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 kütle ile enerjinin eşitliği 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 uçakları bu rotalar boyunca yönlendirir. Örneğin, pusula okumalarını takip edebilir ve coğrafi paralellik boyunca New York'tan Madrid'e neredeyse doğuya doğru 5.966 kilometre uçabilirsiniz. Ancak büyük 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 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 kütlesi (Newton'un ikinci yasasının bir kısmı, kendisine uygulanan bir kuvvetin bir cisme ne kadar ivme kazandıracağını belirleyen kısmı) ve yerçekimi kütlesi (Newton'un kuvvetler kanununun bir kısmı) 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 yakınında 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 gönderdiğinden, 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. (Yavaş hızlandığını, dolayısıyla hızının ışık hızına yaklaşmadığını 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 ikinciden 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 fark edecek 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, roket bir yerçekimi alanında hareketsiz durumdayken de aynı şeyin 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 paradoks. 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 öngörülerini 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.

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

Görelilik

Görelilik teorisinin iyi bilinen bir başka sonucu da, Einstein'ın ünlü denklemi E = mс 2 (burada E enerji, m vücut kütlesi, c ışık hızıdır) ile ifade edilen kütle ve enerjinin denkliğidir. Enerji ve kütlenin denkliği nedeniyle, maddi bir cismin hareketi nedeniyle sahip olduğu kinetik enerji, kütlesini arttırır. Başka bir deyişle nesnenin hızlanması daha zor hale gelir.

Çarpık Uzay

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

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 duruyormuş gibi tam olarak aynı şekilde gerçekleşecektir. Einstein, tıpkı bir tren vagonundayken 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 yerçekimi alanında mı hareket ettiğini anlayamayacağınızı fark etti. Bu anlayışın sonucu eşdeğerlik ilkesiydi.

Eşdeğerlik ilkesi ve bunun tezahürüne ilişkin verilen örnek, yalnızca eylemsizlik kütlesi (bir cisme uygulanan kuvvetin bir cisme ne kadar ivme kazandıracağını belirleyen Newton'un ikinci yasasına dahildir) ve yerçekimi kütlesi (Newton yasasında yer alır) durumunda geçerli olacaktır. Yerçekimi çekiminin büyüklüğünü belirleyen yerçekimi kuvveti) aynı şeydir.

Einstein'ın eşdeğerlik ilkesini ve sonuçta tüm 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 yakınında zamanın yavaşlaması gerektiğidir.

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 ikinciden 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 fark edecek ve sinyalleri tam olarak bir saniye sonra gönderdiğini iddia eden yukarıdaki gözlemciyle aynı fikirde olmayacaktır.