Einsteins generelle relativitetsteori: Fire trin taget af et geni

Den revolutionerende fysiker brugte sin fantasiikke kompliceret matematik til at komme med din mest berømte og elegante ligning. Einsteins generelle relativitetsteori er kendt for at forudsige mærkelige, men sande fænomener, såsom en afmatning i aldring af astronauter i rummet sammenlignet med mennesker på Jorden og ændringer i formen af ​​faste objekter i høje hastigheder.

Men det interessante er, hvis du tager en kopiEinsteins originale artikel om relativiteten i 1905, den vil være ganske enkel at analysere. Teksten er enkel og klar, og ligningerne er for det meste algebraiske - enhver gymnasieelev vil være i stand til at analysere dem.

Alt sammen fordi kompleks matematik aldrigvar Einsteins skøjte. Han elskede at tænke figurativt, udføre eksperimenter i fantasien og konceptualisere dem, indtil fysiske ideer og principper blev krystalklare.

Det var her Einsteins mentale eksperimenter begyndte, da han kun var 16 år gammel, og hvordan de til sidst førte ham til den mest revolutionerende ligning i moderne fysik.

Indholdet

• 1 1895: løber ved siden af ​​en lysstråle
• 2 1904: måling af lys fra et bevægende tog
• 3. maj 1905: Lyn rammer et bevægende tog
• 4. september 1905: masse og energi

1895: løber ved siden af ​​en lysstråle

På dette tidspunkt i Einsteins liv, hans dårligeden latente foragt for tyske rødder, autoritære undervisningsmetoder i Tyskland havde allerede spillet en rolle, og han blev sparket ud af gymnasiet, så han flyttede til Zürich i håb om at komme ind i det schweiziske føderale teknologiske institut (ETH).

Men først besluttede Einstein at tilbringe et års træning på en skole i den nærliggende by Aarau. På dette tidspunkt opdagede han snart, at han var interesseret i, hvordan det var at løbe ved siden af ​​en lysstråle.

Einstein har allerede lært i den fysiske klasse, hvad der erlysstråle: mange svingende elektriske og magnetiske felter bevæger sig med en hastighed på 300.000 kilometer i sekundet, den målte lyshastighed. Hvis han ville køre med samme hastighed, indså Einstein, kunne han se mange svingende elektriske og magnetiske felter ved siden af ​​ham, som om han var frosset i rummet.

Men det var umuligt. For det første ville stationære felter krænke Maxwells ligninger, matematiske love, der lagde alt, hvad fysikere vidste om elektricitet, magnetisme og lys. Disse love var (og forbliver) ret strenge: Bølger i disse felter skal bevæge sig med lysets hastighed og kan ikke undgå undtagelse stille.

Værre er, stationære felter passede ikke medrelativitetsprincippet, som var kendt af fysikere fra Galileo og Newtons tid i det 17. århundrede. Faktisk siger relativitetsprincippet, at fysiklovene ikke kan afhænge af, hvor hurtigt du bevæger dig: Du kan kun måle hastigheden af ​​et objekt i forhold til et andet.

Men da Einstein anvendte dette princip på sitder opstod en modsigelse i et tankeeksperiment: relativitet dikterede, at alt, hvad han kunne se, bevæge sig ved siden af ​​en lysstråle, inklusive stationære felter, skulle være noget dagligdags, som fysikere kunne skabe i laboratoriet. Men ingen har nogensinde set dette.

Dette problem bekymrer Einstein 10 mereår igennem sin sti til studier og arbejde i ETH og bevægelse til den schweiziske hovedstad Bern, hvor han bliver eksaminator ved det schweiziske patentkontor. Det er der, han løser paradokset en gang for alle.

1904: måling af lys fra et bevægende tog

Det var ikke let. Einstein prøvede enhver løsning, der fandt sted for ham, men intet virkede. Næsten desperat begyndte han at overveje, men med en enkel, men radikal beslutning. Måske Maxwells ligninger fungerer for alt, tænkte han, men lysets hastighed har altid været konstant.

Med andre ord, når du ser en flyvningen lysstråle betyder ikke noget, om kilden bevæger sig mod dig, væk fra dig, til siden eller andre steder, og det betyder ikke noget, hvor hurtigt kilden bevæger sig. Lysets hastighed, som du måler, vil altid være 300.000 kilometer i sekundet. Dette betød blandt andet, at Einstein aldrig ville se stationære svingende felter, da han aldrig kunne fange en lysstråle.

Det var den eneste måde, jeg såEinstein for at forene Maxwells ligninger med relativitetsprincippet. Ved første øjekast havde denne beslutning imidlertid sin egen dødelige fejl. Han forklarede det senere med et andet tankeeksperiment: forestil dig en bjælke, der starter langs en jernbanevæg, mens et tog passerer i samme retning med en hastighed på f.eks. 3000 kilometer i sekundet.

En person, der står i nærheden af ​​dæmningen, skal måle siglysstrålens hastighed og få et standardantal på 300.000 kilometer i sekundet. Men nogen i toget vil se lys bevæge sig med en hastighed på 297.000 kilometer i sekundet. Hvis lysets hastighed ikke er konstant, skal Maxwells ligning inde i bilen se anderledes ud, konkluderede Einstein, og derefter vil relativitetsprincippet blive krænket.

Denne tilsyneladende modsigelse gjorde Einsteintænk i næsten et år. Men så en god morgen i maj 1905 gik han på arbejde med sin bedste ven Michel Besso, en ingeniør, som han havde kendt siden sine studerende i Zürich. To mænd talte om Einsteins dilemma som altid. Og pludselig så Einstein løsningen. Han arbejdede på det hele natten, og da de mødtes næste morgen, sagde Einstein til Besso: ”Tak. Jeg løste problemet fuldstændigt. "

Maj 1905: Lyn rammer et bevægende tog

Einsteens åbenbaring var detobservatører i relativ bevægelse opfatter tiden forskelligt: ​​det er muligt, at to begivenheder vil forekomme samtidig fra den ene observatørs synspunkt, men på forskellige tidspunkter fra den anden synspunkt. Og begge observatører har ret.

Einstein illustrerede senere sit punktse med et andet tankeeksperiment. Forestil dig, at en observatør igen står ved siden af ​​jernbanen og et tog flyver forbi ham. I det øjeblik, hvor det centrale punkt af toget går forbi observatøren, rammer lynet i hver ende af toget. Fordi lynet strejker i samme afstand fra observatøren, kommer deres lys ind i øjnene på samme tid. Det er rimeligt at sige, at lyn strejker på samme tid.

I mellemtiden sidder en anden nøjagtigt i midten af ​​togetobservatør. Fra hans synspunkt rejser lys fra to lynnedslag den samme afstand, og lysets hastighed vil være den samme i enhver retning. Men da toget bevæger sig, skal lyset fra det bagerste lyn køre en større afstand, så det kommer til observatøren et øjeblik senere end lyset fra starten. Da lysimpulser ankommer til forskellige tidspunkter, kan det konkluderes, at lynnedslag ikke er samtidig - den ene er hurtigere.

Einstein indså, at netop denne samtidighed er relativ. Og så snart du anerkender dette, løses de underlige effekter, som vi nu forbinder med relativitet, ved hjælp af simpel algebra.

Einstein skrev febrilsk sine tanker ogIndsendt dit arbejde til offentliggørelse. Titlen var "On the Elektrodynamik af bevægelige organer", og det afspejlede Einsteins forsøg på at forbinde Maxwells ligninger med relativitetsprincippet. Besso modtog en særlig tak.

September 1905: Masse og energi

Dette første arbejde var imidlertid ikke det sidste. Einstein blev besat af relativitet indtil sommeren 1905, og sendte i september en anden artikel til offentliggørelse, allerede efter ham, i eftertid.

Det var baseret på endnu en mentaleksperiment. Forestil dig et emne i hvile, sagde han. Forestil dig nu, at han samtidig udsender to identiske lysimpulser i modsatte retninger. Objektet vil forblive på plads, men da hver impuls bærer bort en vis mængde energi, vil energien indeholdt i objektet falde.

Nu skrev Einstein, hvordan denne ville se udproces for en bevægende observatør? Fra hans synspunkt vil objektet simpelthen fortsætte med at bevæge sig i en lige linje, mens to impulser flyver væk. Men selv hvis hastigheden på to impulser forbliver den samme - lysets hastighed - vil deres energier være forskellige. En impuls, der bevæger sig fremad i kørselsretningen, vil have en højere energi end en, der bevæger sig i den modsatte retning.

Ved at tilføje noget algebra viste Einstein detfor at alt dette skal være konsistent, må objektet ikke kun miste energi, når der sendes lysimpulser, men også masse. Eller masse og energi skal være udskiftelige. Einstein skrev ligningen, der forbinder dem. Og det blev den mest berømte ligning i videnskabens historie: E = mc2.