La théorie générale de la relativité d'Einstein: quatre étapes prises par le génie

Révolutionnaire physicien a utilisé son imagination, et non pas des maths complexes pour arriver à un son plus connu et le plus élégant de l'équation. La théorie générale de la relativité d'Einstein est connu, qui prévoit étranges, mais de vrais phénomènes, comme le ralentissement du vieillissement des astronautes dans l'espace par rapport à des gens sur la Terre et les changements de forme des objets solides à haute vitesse.

Mais intéressant, c'est que si vous prenez une copie de l'original de l'article d'Einstein sur la relativité en 1905, il sera assez simple à démonter. Le texte est simple et intuitive, et les équations principalement algébriques — ils en mesure de démonter tout lve de la classe suprieure.

Parce que le complexe des mathématiques n'a jamais été un passe-temps d'Einstein. Il aimait à penser d'une façon imagée, de mener des expériences dans son imagination, et de conceptualiser leur jusqu'à ce que la physique des idées et des principes ne seront visibles limpide.

C'est ce qui a commencé des expériences de pensée d'Einstein, quand il avait seulement 16 ans, et que finalement ils l'ont conduit à la plus révolutionnaire équation dans la physique moderne.

l'année 1895: le jogging à côté d'un faisceau de lumière

À ce moment de la vie d'Einstein mal non divulguée mépris de l'allemand racines, autoritaire méthodes d'enseignement en Allemagne a déjà joué son rôle, et il a été expulsé de l'école secondaire, par conséquent, il s'installe à Zurich, dans l'espoir d'admission dans un Swiss federal institute of technology (ETH).

Mais d'abord, Einstein a décidé de passer une année de formation à l'école dans la ville d'Aarau. Dans cet endroit, il découvrit bientôt que s'est demandé ce que cela fait courir à côté d'un rayon de soleil.

Einstein déjà appris dans une salle de classe physique, qu'est-ce que le rayon de la lumière: de nombreux fluctuant des champs électriques et magnétiques, se déplaçant à la vitesse de 300 000 kilomètres par seconde, la vitesse de la lumière. Si il courrait à côté de la même vitesse, réalisé Einstein, il pouvait voir de nombreux indécis champs électriques et magnétiques à côté de lui, comme figée dans l'espace.

Mais c'était impossible. Tout d'abord, les champs porterait les équations de Maxwell, en mathématiques, une loi a posé le tout, que les physiciens savaient sur l'électricité, le magnétisme et la lumière. Ces lois ont été (et sont encore) assez sévères: les vagues dans ces champs doivent se déplacer avec la vitesse de la lumière et ne peuvent pas rester sur place, sans exceptions.

Pire encore, les champs ne sont pas вязались avec le principe de relativité, qui a été connu aux physiciens de l'époque de Galilée et de Newton au 17e siècle. En effet, le principe de relativité affirme que les lois de la physique ne peuvent pas dépendre de la vitesse à laquelle vous roulez: vous pouvez mesurer la vitesse d'un objet par rapport à un autre.

Mais quand Einstein a appliqué ce principe à son мысленному expérience, il a de la contradiction: la relativité de la dictait, que tout ce qu'il pouvait voir, se déplaçant à côté d'un phare de lumière, y compris les fixes de champ doit être quelque chose de banal, que les physiciens peuvent créer dans le laboratoire. Mais cette personne n'a jamais vu.

Ce problème va exciter Einstein encore 10 ans, tout au long de son parcours d'apprentissage et de travail à l'ETH et de mouvement à la capitale de la Suisse Burn, où il deviendra l'examinateur en suisse, l'office des brevets. C'est là qu'il résoudra le paradoxe une fois pour toutes.

1904: la mesure de la lumière avec un train en mouvement

Ce n'était pas facile. Einstein ai essayé de n'importe quelle solution, qui est venu à lui à la tête, mais rien n'a fonctionné. Presque en désespoir de cause, il a commencé à réfléchir, mais simple, mais radicale de la solution. Peut-être, les équations de Maxwell travaillent pour tout, pensait-il, mais la vitesse de la lumière a toujours été constante.

En d'Autres termes, quand vous voyez survolant le faisceau de lumière n'a pas de valeur, si sa source à vous déplacer, de vous, à côté ou ailleurs, et n'a pas d'importance comment se déplace rapidement vers la source. La vitesse de la lumière, que vous mesurez, sera toujours de 300 000 kilomètres par seconde. En outre, il signifiait qu'Einstein ne verra jamais fixes fluctuant des champs, car il ne pourra jamais attraper un rayon de lumière.

C'était le seul moyen qui a vu Einstein, afin de concilier les équations de Maxwell avec le principe de relativité. À première vue, cependant, cette décision avait sa propre erreur fatale. Il a expliqué plus tard à d'autres l'expérience de l'esprit: imaginez un faisceau, qui démarre le long du bord d'une voie ferrée, tandis que le train passe devant dans la même direction avec la vitesse, par exemple 3 000 kilomètres par seconde.

Quelqu'un debout près de remblai doit mesurer la vitesse du faisceau lumineux et d'obtenir un nombre de 300 000 kilomètres par seconde. Mais quelqu'un sur le train va voir la lumière, se déplaçant avec la vitesse de 297 000 kilomètres par seconde. Si la vitesse de la lumière constante, l'équation de Maxwell à l'intérieur du wagon doit être différent, a conclu Einstein, et ensuite, le principe de relativité est perturbée.

Cette apparente contradiction a forcé Einstein réfléchir de près d'un an. Mais puis, un beau matin, en mai 1905, il travaillait avec son meilleur ami, Michel Бессо, ingénieur, qu'il connaissait depuis ses années d'étudiant à Zurich. Les deux hommes ont parlé sur le dilemme d'Einstein, comme toujours. Et tout à coup Einstein vu la décision. Il a travaillé sur elle toute la nuit, et quand le lendemain matin, ils se sont rencontrés, Einstein a dit Бессо: «Merci. Je suis complètement résolu le problème».

Mai 1905: la foudre frappe le train en mouvement

La Révélation d'Einstein était que des observateurs en mouvement relatif perçoivent le temps différemment: il est possible que les deux événements serontsimultanément à partir d'un point de vue d'un observateur, mais à des moments différents du point de vue de l'autre. Et les deux de l'observateur auront raison.

Plus Tard, Einstein illustre son point de vue d'autres l'expérience de l'esprit. Imaginez qu'à côté de chemin de fer avec la peine de l'observateur et devant lui passe le train. Au moment où le point central d'un train passe devant l'observateur, à chaque extrémité du train frappe par la foudre. Car la foudre frappent à la même distance de l'observateur, la lumière pénètre dans les yeux en même temps. Il serait juste de dire que la foudre frappent à la fois.

Cependant exactement au milieu du train assis un autre observateur. De son point de vue, la lumière de deux coups de foudre passe la même distance et la vitesse de la lumière est identique dans n'importe quelle direction. Mais parce que le train est en mouvement, la lumière venant de l'arrière de la foudre, doit passer par une plus grande distance, et il se trouve à l'observateur quelques instants plus tard, que la lumière à partir du début. Parce que les impulsions de lumière viennent à des moments différents, on peut conclure que les coups de foudre ne sont pas simultanés — un est plus rapide.

Einstein réalisé que la relative est juste de cette simultanéité. Et dès que vous le reconnaissez, des effets étranges, que nous associons à la относительностью, sont résolus à l'aide de simples de l'algèbre.

Einstein fébrilement écrire ses pensées et a envoyé son travail pour la publication. Le nom est devenu «Sur l'électrodynamique des corps en mouvement», et il reflète la tentative d'Einstein de relier les équations de Maxwell avec le principe de relativité. Бессо a donné lieu à une reconnaissance.

Septembre 1905: la masse et l'énergie

Ce premier travail, cependant, ne fut pas le dernier. Einstein a été obsédé par la относительностью jusqu'à l'été 1905, puis, en septembre, a envoyé un deuxième article pour publication, déjà à la poursuite, a posteriori.

Il a été fondé sur un oeil de l'esprit l'expérience. Imaginez un objet dans un état de repos, dit-il. Maintenant, imaginez que celui émet simultanément deux identiques impulsion de la lumière dans des directions opposées. L'objet sera de rester sur place, mais parce que chaque impulsion enlève une certaine quantité d'énergie contenue dans l'objet de l'énergie va diminuer.

Maintenant, écrit Einstein, comment va ressembler ce processus pour le déplacement de l'observateur? De son point de vue, l'objet sera tout simplement continuer à se déplacer en ligne droite, tandis que les deux impulsions seront relâchés. Mais même si la vitesse de deux impulsions restera le même — la vitesse de la lumière — leur énergie sera différent. L'impulsion qui va de l'avant dans le sens du mouvement, sera d'avoir une énergie plus élevée que celui qui se déplace dans le sens inverse.

En Ajoutant un peu d'algèbre, Einstein a montré que, pour que tout cela était cohérent, l'objet ne doit pas seulement perdre de l'énergie lors de l'envoi des impulsions de lumière, mais de la masse. Ou même la masse et l'énergie doivent être interchangeables. Einstein a enregistré une équation qui les lie. Et il est devenu le plus célèbre de l'équation dans l'histoire de la science: E = mc².