نظرية النسبية العامة: أربعة الخطوات التي اتخذتها عبقرية

الثورية فيزيائي يستخدم خياله وليس الرياضيات المعقدة إلى الخروج مع الأكثر شهرة وأنيقة المعادلة. نظرية النسبية العامة هو معروف أن يتنبأ غريب لكنه صحيح الظواهر ، مثل الشيخوخة رواد الفضاء في الفضاء مقارنة مع البشر على الأرض و التغييرات في أشكال الأجسام الصلبة بسرعات عالية.

ولكن المثير للاهتمام, إذا كنت تأخذ نسخة طبق الأصل من أوراق آينشتاين في النسبية عام 1905 ، فمن السهل جدا أن تفكيك. نص بسيطة و مفهومة, و في الغالب المعادلات الجبرية — أنها سوف تكون قادرة على تفكيك أي طالب في المدرسة الثانوية.

كل ذلك بسبب الرياضيات المعقدة لم يكن دعوى قوية من آينشتاين. كان يحب أن يفكر مبدعة, تجربة مع خيالك و تصور لهم طالما المادية الأفكار والمبادئ لا تكون مرئية واضحة وضوح الشمس.

هنا هو كيف بدأت تجارب الفكر اينشتاين عندما كان عمره 16 عاما فقط ، وكيف أدت في نهاية المطاف له أن الأكثر ثورية معادلة في الفيزياء الحديثة.

1895: تشغيل بالقرب من شعاع من الضوء

هذا الوقت من حياة أينشتاين له سوء أخفى ازدراء الألمانية جذور استبدادية الوسائل التعليمية في ألمانيا قد لعبت دورا ، و تم طرده من المدرسة الثانوية ، حتى انتقل إلى زيورخ على أمل القبول في المعهد الاتحادي السويسري للتكنولوجيا (ETH).

ولكن الأولى ، آينشتاين قررت أن أقضي سنة التدريب في مدرسة في بلدة قريبة من أراو. في هذا المكان انه سرعان ما اكتشفت أن تساءلت ما كان عليه أن تعمل جنبا إلى جنب مع بصيص من الضوء.

اينشتاين قد تعلمت بالفعل في فئة المادية ، ما هو شعاع من الضوء: مجموعة من تتأرجح الكهربائية والمجالات المغناطيسية تتحرك بسرعة 300 000 كيلومتر في الثانية وتقاس سرعة الضوء. إذا كان سيرشح نفسه بالقرب من نفس السرعة ، آينشتاين أدرك أنه يمكن أن نرى الكثير من تتأرجح الكهربائية والمجالات المغناطيسية من حوله ، كما لو المجمدة في الفضاء.

ولكن كان من المستحيل. أولا ثابتة المجال من شأنه أن ينتهك معادلات ماكسويل ، القوانين الرياضية التي كانت قد وضعت جميع الفيزيائيين تعرف عن الكهرباء والمغناطيسية والضوء. هذه القوانين كانت (ولا تزال) صارم جدا: أي موجات في هذه المجالات يجب أن تتحرك بسرعة الضوء و لا يمكن أن نقف مكتوفي الأيدي ، دون استثناء.

ما هو أسوأ ، ثابتة مجالات لا تتفق مع مبدأ النسبية الذي كان يعرف الفيزيائيون منذ زمن جاليليو و نيوتن في القرن 17. في الواقع ، فإن مبدأ النسبية تقول أن قوانين الفيزياء لا يمكن أن يعتمد على مدى السرعة التي تتحرك: يمكنك فقط قياس سرعة كائن واحد بالنسبة إلى آخر.

ولكن عندما أينشتاين تطبيق هذا المبدأ إلى تجربة الفكر ، هناك تناقض: النسبية أملى أن كل ما يمكن أن نرى ، تتحرك بالقرب من شعاع من الضوء ، بما في ذلك ثابتة المجال يجب أن يكون شيئا الدنيوية أن الفيزيائيين يمكن أن تخلق في المختبرات. ولكن هذا لم يتم ملاحظتها.

هذه المشكلة تثير أينشتاين 10 أكثر من سنوات طوال حياته مسار التعلم و العمل في ETH والحركات إلى العاصمة السويسرية برن ، حيث سيصبح ممتحن في مكتب براءات الاختراع السويسري. هو أنه سوف يعمل على حل التناقض مرة واحدة وإلى الأبد.

1904: قياس الضوء من قطار متحرك

لم يكن سهلا. اينشتاين حاولت كل الحلول التي جاءت إلى ذهنه ولكن لا شيء يعمل. تقريبا في اليأس ، بدأ التفكير, ولكن بسيطة ، ولكن حل جذري. ربما معادلات ماكسويل ، كان يعتقد, ولكن سرعة الضوء ثابتة دائما.

وبعبارة أخرى, عندما ترى يمر شعاع ضوء ، بغض النظر عن ما إذا كان المصدر يتحرك نحوك, من, إلى الجانب أو في مكان آخر ، بغض النظر عن مدى سرعة مصدره تتحرك. سرعة الضوء يمكنك قياس سيكون دائما 300,000 كيلومتر في الثانية. من بين أمور أخرى ، وهذا يعني أن أينشتاين لم نرى ثابتة تتأرجح الملعب لن تكون قادرة على التقاط شعاع من الضوء.

لقد كانت الطريقة الوحيدة التي رأيت فيها أينشتاين إلى التوفيق بين معادلات ماكسويل مع مبدأ النسبية. للوهلة الأولى, غير أن هذا القرار قد فادح. في وقت لاحق وأوضح أنه مع آخر تجربة فكرية: تخيل الشعاع الذي يمتد على طول السكك الحديدية جسر, في حين يمر القطار في نفس الاتجاه بسرعة, قول, 3000 كيلومتر في الثانية.

شخص يقف بالقرب من تل سيكون لديك لقياس سرعة شعاع الضوء إلى عدد قياسي من 300 000 كيلومتر في الثانية. ولكن شخص ما في القطار سوف ترى النور تتحرك مع سرعة 297,000 كم / ثانية. إذا كانت سرعة الضوء هي متقطعة ، معادلة ماكسويل داخل السيارة يجب أن تبدو مختلفة ، وخلص أينشتاين ، ثم مبدأ النسبية سوف تكون انتهكت.

هذا التناقض الظاهري كان سبب أينشتاين التفكير لمدة سنة تقريبا. ولكن ثم في صباح أحد الأيام في شهر مايو عام 1905 ، ذهب إلى العمل مع أفضل صديق له ميشيل بيسو, مهندس, الذي يعرفه منذ سنوات الطالب في زيوريخ. تحدث الرجلان عن معضلة اينشتاين, كما هو الحال دائما. و فجأة رأى اينشتاين أن الحل. على انه كان يعمل طوال الليل وفي الصباح التالي عندما التقيا ، قال أينشتاين بيسو: "شكرا لك. أنا تماما في حل المشكلة."

مايو 1905: الصواعق يتحرك القطار

آينشتاين الوحي كان مراقب في الحركة النسبية إدراك الوقت بشكل مختلف: فمن الممكن أن اثنين من الأحداث التي سوف تحدثفي نفس الوقت من وجهة نظر مراقب واحد ، ولكن في أوقات مختلفة من وجهة نظر أخرى. و كل من المراقب أن يكون على حق.

في وقت لاحق أينشتاين توضيح وجهة تجربة فكرية أخرى. تخيل أن القادم السكك الحديدية مرة أخرى المراقب هو عليه في الماضي ، يتم عن طريق القطار. في تلك اللحظة عندما نقطة المركز من يمر القطار المراقب في القطار ضرب من قبل البرق. لأن البرق ضرب على مسافة واحدة من المراقب الضوء يحصل في عينيه في نفس الوقت. فمن الإنصاف أن نقول أن البرق ضرب في نفس الوقت.

وفي الوقت نفسه بالضبط في وسط القطار هناك مراقب آخر. من وجهة ضوء من الصواعق هي نفس المسافة و سرعة الضوء هي نفسها في أي اتجاه. ولكن منذ القطار ضوء قادم من الخلف من البرق ، يجب أن السفر مسافة أطول ، لذلك يضرب المراقب لحظات قليلة في وقت لاحق من الضوء من البداية. لأن نبضات الضوء تصل في أوقات مختلفة ، يمكننا أن نستنتج أن الصواعق ليست متزامنة أحد أسرع.

اينشتاين أدركت أن هذا التزامن النسبي. و بمجرد أن يعترف هذا غريب الآثار التي نحن الآن مشارك مع النسبية ، يتم حلها باستخدام الجبر بسيطة.

اينشتاين محموم كتبت أفكاره وتقديمها عمله للنشر. العنوان كان "على الديناميكا الكهربائية من نقل الجثث" ، وهو يعكس محاولة من آينشتاين إلى التوفيق بين معادلات ماكسويل مع مبدأ النسبية. بيسو وقدم شكر خاص.

سبتمبر 1905: الكتلة والطاقة

هذا أول عمل ، ومع ذلك ، لم الأخيرة. كان آينشتاين هاجس النسبية حتى صيف عام 1905 ، أرسلت في سبتمبر المادة الثانية ينشر, بالفعل, بعد, في وقت لاحق.

وقد تأسست على فكرة واحدة التجربة. تخيل كائن في بقية, قال. الآن تخيل أن في وقت واحد تنبعث اثنين متطابقة نبض الضوء في اتجاهين متعاكسين. الكائن ستبقى في مكانها ، ولكن لأن كل نبض يأخذ كمية معينة من الطاقة الموجودة في كائن الطاقة ستنخفض.

كتب آينشتاين ، سوف تبدو مثل هذا عملية الانتقال مراقب ؟ من وجهة نظر الكائن ببساطة مواصلة التحرك في خط مستقيم ، في حين أن اثنين من نبضات سوف يطير. ولكن حتى إذا كانت سرعة اثنين من البقول لا تزال هي نفسها — سرعة الضوء — الطاقة سوف تكون مختلفة. الزخم هو التحرك إلى الأمام في اتجاه الحركة, سوف يكون أعلى من الطاقة من أحد أن يتحرك في الاتجاه المعاكس.

إضافة القليل من الجبر ، أينشتاين تدل على أن كل ما كان متتالية ، كائن ليس فقط على فقدان الطاقة عند إرسال نبضات خفيفة ، ولكن أيضا الكثير. أو الكتلة والطاقة يجب أن تكون قابلة للتبديل. كتب أينشتاين المعادلة التي يربط بينها. وأصبح الأكثر شهرة المعادلة في العلم: E = mc².