Ogólna teoria względności Einsteina: cztery kroki, podjętych geniuszem

Rewolucyjne fizyk użył swojej wyobraźni, a nie skomplikowaną matematykę, aby wymyślić swoje najbardziej znane i eleganckie równanie. Ogólna teoria względności Einsteina znana jest z tego, że przepowiada dziwne, ale prawdziwe zjawiska, takie jak spowolnienie starzenia astronautów w kosmosie, w porównaniu z ludźmi na Ziemi i zmiany form stałych obiektów na dużych prędkościach.

Ale ciekawe jest to, że jeśli weźmiesz kopię oryginalnego artykułu o względności Einsteina z 1905 roku, będzie to bardzo proste w demontażu. Tekst jest prosty i zrozumiały, a równania głównie algebraiczne — jest ich w stanie rozebrać każdy maturzysta.

Wszystko dlatego, że trudna matematyka nigdy nie była mocną stroną Einsteina. Lubił myśleć obrazowo, eksperymenty w swojej wyobraźni i zrozumieć je, dopóki fizyczne pomysły i zasady nie będą widoczne krystalicznie jasne.

Oto z czym rozpoczęły się mentalne eksperymenty Einsteina, gdy miał zaledwie 16 lat, a jak w końcu doprowadziły go do samego rewolucyjnemu równanie w nowoczesnej fizyki.

1895 rok: bieganie obok wiązki światła

W tym momencie życia Einsteina go źle скрываемое pogarda do niemieckich korzeni, autorytarny metod nauczania w Niemczech już odegrał swoją rolę, i wyrzucili go ze szkoły średniej, więc przeniósł się do Zurychu, w nadziei na wstąpienie w Swiss federal institute of technology (ETH).

Ale najpierw Einstein postanowił spędzić rok przygotowania w szkole w pobliskim mieście Aarau. W tym miejscu wkrótce okazało się, że interesuje się tym, jak to jest biec obok wiązki światła.

Einstein już się dowiedziałem w fizycznym klasie, co to jest promień światła: wiele oscyluje elektrycznych i pól magnetycznych, poruszających się na prędkości 300 000 kilometrów na sekundę, zmierzonej prędkości światła. Jeśli uciekł, by obok z taką samą prędkością, Einstein zdał sobie sprawę, mógł zobaczyć wiele oscyluje elektrycznych i magnetycznych pól obok niego, jakby zamrożone w przestrzeni.

Ale to było niemożliwe. Po pierwsze, stacjonarne pola naruszały by równania Maxwella, matematyczne prawa, w których było zawarte jest wszystko, co fizycy wiedzieli o elektryczności, magnetyzmu i świetle. Przepisy te były (i nadal są) bardzo rygorystyczne: wszelkie fale w tych polach powinny poruszać się z prędkością światła i nie mogą stać w miejscu, bez wyjątków.

Co Gorsza, stacjonarne pola nie вязались z zasadą względności, który był znany fizykom od czasów Galileusza i Newtona w 17 wieku. W rzeczywistości, zasada względności mówi, że prawa fizyki nie mogą zależeć od tego, jak szybko jesteś w ruchu: można zmierzyć tylko prędkość jednego obiektu względem drugiego.

Ale gdy Einstein zastosował tę zasadę do swojego psychicznego eksperymentu powstało sprzeczność: względność dyktowało, że wszystko, co mógł zobaczyć, idąc obok wiązki światła, w tym stacjonarne pola, musi być coś, приземленным, że fizycy mogą stworzyć w laboratorium. Ale tego nikt nigdy nie oglądał.

Ten problem będzie się martwić Einsteina jeszcze 10 lat, na całej jego drodze uczenia się i pracy w ETH i ruchu do stolicy Szwajcarii Берну, gdzie będzie egzaminatorem w szwajcarskim urzędzie patentowym. Tam właśnie on pozwoli paradoks raz na zawsze.

1904 rok: pomiar światła z jadącego pociągu

Nie było To łatwe. Einstein próbował każde rozwiązanie, które przyszło mu do głowy, ale nic nie działało. Prawie zrozpaczony, zaczął rozważać, ale proste, jednak radykalnym rozwiązaniem. Możliwe, równania Maxwella, pracują dla wszystkiego, pomyślał, ale prędkość światła jest zawsze była stała.

Innymi słowy, gdy widzisz latające wiązkę światła, nie ma znaczenia, czy jego źródło poruszać się do ciebie, od ciebie, w bok lub gdzieś indziej, i nie ma znaczenia, jak szybko porusza się jego źródło. Prędkość światła, którą измерите, zawsze będzie 300 000 kilometrów na sekundę. Między innymi, to oznaczało, że Einstein nigdy nie zobaczy stacjonarnych oscylujących pól, ponieważ nigdy nie będzie w stanie złapać promień światła.

To był jedyny sposób, który zobaczył Einstein, aby pogodzić równania Maxwella z zasadą względności. Na pierwszy rzut oka, jednak jest to rozwiązanie miało własny fatalny brak. Później wyjaśnił innych wymyślonych eksperymentem: wyobraź sobie promień, który uruchamia się wzdłuż nasypu kolejowego, podczas gdy pociąg mija w tym samym kierunku z prędkością, powiedzmy, 3000 kilometrów na sekundę.

Ktoś stojący w pobliżu nasypu będzie musiał zmierzyć prędkość wiązki światła i uzyskać standardowe liczba 300 000 kilometrów na sekundę. Ale ktoś pociągiem będzie zobaczyć światło, poruszający się z prędkością 297 000 kilometrów na sekundę. Jeśli prędkość światła jest trwała, równanie Maxwella wewnątrz wagonu powinno wyglądać inaczej, stwierdził Einstein, i wtedy zasada względności będzie przeszkadzał.

Jest To pozorna sprzeczność doprowadziło Einsteina do zastanowienia się prawie na rok. Ale potem, pewnego ranka w maju 1905 roku, był w drodze do pracy ze swoim najlepszym przyjacielem Michaelem Бессо, inżynierem, którego znał ze studenckich lat w Zurychu. Dwaj mężczyźni rozmawiali o dylemat Einsteina, jak zawsze. I nagle Einstein zobaczył rozwiązanie. Pracował nad nim całą noc, a gdy rano się spotkali, Einstein powiedział Бессо: "Dziękuję. Jestem w pełni rozwiązać problem".

Maj 1905 roku: błyskawica uderza w jadący pociąg

Objawienie Einsteina polegała na tym, że obserwatorzy w względnym ruchu postrzegają czas na różne sposoby: jest możliwe, że dwa wydarzenia będą dziaćjednocześnie z punktu widzenia jednego obserwatora, ale w różnym czasie, z punktu widzenia innego. I oba obserwatora będą mieli rację.

Później Einstein ilustrował swój punkt widzenia innych wymyślonych eksperymentem. Wyobraź sobie, że obok koleją znowu stoi obserwator i obok niego mknie pociąg. W momencie, gdy punkt centralny pociąg mija obserwatora, w każdy koniec pociągu uderza błyskawica. Ponieważ pioruny biją w jednym odległości od obserwatora, ich światło dostaje się do jego oczu jednocześnie. Jest sprawiedliwe, by powiedzieć, że pioruny biją tym samym czasie.

Tymczasem dokładnie w centrum pociągu siedzi inny obserwator. Z jego punktu widzenia, światło od dwóch uderzeń piorunów przechodzi taką samą odległość i prędkość światła jest taki sam w każdym kierunku. Ale ponieważ pociąg jest w ruchu, światła, które przychodzi od tyłu zamek błyskawiczny, musi przejść dłuższy dystans, więc trafia do widza kilka chwil później niż światło z początku. Ponieważ impulsy światła są w różnym czasie, można stwierdzić, że błyskawice nie równoczesne — jeden szybciej.

Einstein zrozumiał, że względna właśnie ta równoczesność. I jak tylko to potwierdza, dziwne efekty, które możemy teraz kojarzy nam się z относительностью, jest dozwolone za pomocą prostej algebry.

Einstein gorączkowo nagrał swoje myśli i wysłał swoją pracę do publikacji. Tytułem było "O электродинамике poruszających się ciał", a w nim odzwierciedla próba Einsteina pogodzić równania Maxwella z zasadą względności. Бессо została odsunięta specjalne podziękowania.

Wrzesień 1905 roku: masa i energia

Ta pierwsza praca, jednak nie była ostatnią. Einstein był opętany относительностью do lata 1905 roku, a we wrześniu wysłał drugi artykuł do publikacji, już po mocą wsteczną.

Była założona jeszcze w jednym umysłowych eksperymencie. Wyobraź sobie obiekt w stanie spoczynku, mówił. Teraz wyobraź sobie, że ten jednocześnie emituje dwa identyczne impulsu światła w przeciwnych kierunkach. Obiekt pozostanie na miejscu, ale ponieważ każdy impuls zabiera pewną ilość energii zawarta w obiekcie energia będzie się zmniejszać.

Teraz, pisał Einstein, jak będzie wyglądać ten proces dla poruszającego się obserwatora? Z jego punktu widzenia, obiekt po prostu będzie nadal poruszać się w linii prostej, podczas gdy dwa impulsu będą lecieć. Ale nawet jeśli prędkość dwóch impulsów pozostanie ten sam — prędkością światła — ich energii będą różne. Impuls, który porusza się do przodu w kierunku jazdy, będzie mieć większą energię, niż ten, który porusza się w przeciwnym kierunku.

Dodając trochę algebry, Einstein pokazał, że aby to wszystko było spójne, obiekt musi nie tylko tracić energię podczas wysyłania impulsów świetlnych, ale i masę. Czy masa i energia muszą być wymienne. Einstein zapisał równanie, które ich łączy. I stało się najsłynniejszym wzorem w historii nauki: E = mc².