Einstein'ın özel görelilik teorisi: kısaca ve basit kelimelerle. Görelilik teorisi - nedir bu? Görelilik teorisinin varsayımları. Görelilik teorisinde zaman ve mekan

Genel görelilik teorisi, özel görelilik teorisi ile birlikte, 20. yüzyılın başında fizikçilerin dünyaya bakış açısını değiştiren Albert Einstein'ın muhteşem eseridir. Yüz yıl sonra genel görelilik, dünyadaki temel ve en önemli fizik teorisidir. Kuantum mekaniği"her şeyin teorisi"nin iki temel taşından biri olduğunu iddia ediyor. Genel görelilik teorisi, yerçekimini, kütlenin etkisi altında uzay-zamanın (genel görelilikte tek bir bütün halinde birleştirilmiş) eğriliğinin bir sonucu olarak tanımlar. Genel görelilik sayesinde, bilim adamları birçok sabit türetmiş, bir dizi açıklanamayan olguyu test etmiş ve kara delikler, karanlık madde ve karanlık enerji, Evrenin genişlemesi, Büyük Patlama ve çok daha fazlası gibi şeyler ortaya çıkarmıştır. GTR aynı zamanda ışık hızının aşılmasını da veto etti, böylece kelimenin tam anlamıyla bizi çevremizde (Güneş Sistemi) tuzağa düşürdü, ancak solucan delikleri şeklinde bir boşluk bıraktı - uzay-zamanda kısa olası yollar.

Bir RUDN Üniversitesi çalışanı ve Brezilyalı meslektaşları, kararlı solucan deliklerini portal olarak kullanma kavramını sorguladılar. çeşitli noktalar boş zaman. Araştırmalarının sonuçları, bilim kurguda oldukça basmakalıp bir klişe olan Physical Review D.'de yayınlandı. Bir solucan deliği veya "solucan deliği", uzay-zamanın eğriliği yoluyla uzaydaki uzak noktaları, hatta iki evreni birbirine bağlayan bir tür tüneldir.

SRT, TOE - bu kısaltmalar, neredeyse herkesin bildiği tanıdık "görelilik teorisi" terimini gizler. Basit anlamda Her şey açıklanabilir, hatta bir dahinin beyanı bile; bu yüzden okuldaki fizik dersinizi hatırlamıyorsanız umutsuzluğa kapılmayın, çünkü aslında her şey göründüğünden çok daha basittir.

Teorinin kökeni

Öyleyse "Aptallar İçin Görelilik Teorisi" kursuna başlayalım. Albert Einstein, çalışmasını 1905'te yayınladı ve bu, bilim adamları arasında heyecan yarattı. Bu teori, geçen yüzyılın fiziğindeki birçok boşluğu ve tutarsızlığı neredeyse tamamen kapsıyordu, ancak her şeyin ötesinde, uzay ve zaman fikrinde devrim yarattı. Einstein'ın açıklamalarının çoğuna çağdaşları inanmakta güçlük çekiyordu, ancak deneyler ve araştırmalar yalnızca büyük bilim adamının sözlerini doğruladı.

Einstein'ın görelilik teorisi, insanların yüzyıllardır uğraştığı şeyi basit terimlerle açıklıyordu. Tüm modern fiziğin temeli denilebilir. Ancak görelilik teorisiyle ilgili konuşmaya devam etmeden önce terimler konusunu açıklığa kavuşturmak gerekiyor. Elbette popüler bilim makalelerini okuyan pek çok kişi iki kısaltmayla karşılaştı: STO ve GTO. Aslında birkaç tane demek istiyorlar farklı kavramlar. Birincisi özel teori görelilik ve ikincisi “genel görelilik teorisi” anlamına gelir.

Sadece karmaşık bir şey

STR daha sonra GTR'nin bir parçası haline gelen daha eski bir teoridir. Sadece dikkate alınabilir fiziksel süreçler Düzgün hızda hareket eden nesneler için. Genel teori, hızlanan nesnelere ne olduğunu açıklayabilir ve ayrıca graviton parçacıklarının ve yerçekiminin neden var olduğunu açıklayabilir.

Işık hızına yaklaşırken hem hareketi hem de uzay-zaman ilişkisini anlatmak gerekiyorsa bunu özel görelilik teorisi yapabilir. Basit bir ifadeyle şu şekilde açıklanabilir: Mesela gelecekten gelen arkadaşlar size yüksek hızda uçabilen bir uzay gemisi verdi. Uzay gemisinin burnunda, önüne gelen her şeye foton atabilen bir top bulunmaktadır.

Bir atış yapıldığında, bu parçacıklar gemiye göre ışık hızında uçarlar, ancak mantıksal olarak sabit bir gözlemci iki hızın (fotonların kendisi ve gemi) toplamını görmelidir. Ama öyle bir şey yok. Gözlemci, sanki geminin hızı sıfırmış gibi, fotonların 300.000 m/s hızla hareket ettiğini görecektir.

Mesele şu ki, bir nesne ne kadar hızlı hareket ederse etsin, onun için ışığın hızı sabit bir değerdir.

Bu ifade, cismin kütlesine ve hızına bağlı olarak zamanın yavaşlaması, çarpıtılması gibi şaşırtıcı mantıksal çıkarımların temelini oluşturmaktadır. Pek çok bilim kurgu filminin ve dizisinin konusu buna dayanıyor.

Genel görelilik teorisi

Basit bir dille daha geniş kapsamlı genel görelilik açıklanabilir. Öncelikle uzayımızın dört boyutlu olduğu gerçeğini hesaba katmalıyız. Zaman ve uzay, "uzay-zaman sürekliliği" gibi bir "konu" içinde birleşmiştir. Uzayımızda dört koordinat ekseni vardır: x, y, z ve t.

Ancak iki boyutlu bir dünyada yaşayan varsayımsal düz bir insanın yukarıya bakamaması gibi, insanlar da dört boyutu doğrudan algılayamazlar. Aslında dünyamız yalnızca dört boyutlu uzayın üç boyutlu uzaya yansıtılmasından ibarettir.

İlginç bir gerçek şu ki, göre genel teori göreliliğe göre cisimler hareket ederken değişmez. Dört boyutlu dünyanın nesneleri aslında her zaman değişmez ve hareket ettiklerinde yalnızca projeksiyonları değişir; biz bunu zamanın çarpıtılması, boyutun küçülmesi veya artması vb. olarak algılarız.

Asansör deneyi

Görelilik teorisi küçük bir düşünce deneyi kullanılarak basit terimlerle açıklanabilir. Bir asansörde olduğunuzu hayal edin. Kabin hareket etmeye başladı ve kendinizi ağırlıksız bir durumda buldunuz. Ne oldu? Bunun iki nedeni olabilir: Ya asansör uzaydadır ya da gezegenin yerçekiminin etkisi altında serbest düşüştedir. En ilginç olanı, asansör kabininden dışarı bakmak mümkün değilse, yani her iki süreç de aynı görünüyorsa, ağırlıksızlığın nedenini bulmanın da imkansız olmasıdır.

Belki benzer bir çalışma yaparak Düşünce deneyi Albert Einstein, eğer bu iki durum birbirinden ayırt edilemezse, o zaman aslında yerçekiminin etkisi altındaki cisim ivmelenmiyor, büyük bir cismin etkisi altında kıvrılan düzgün bir hareket olduğu sonucuna vardı (bu örnekte). durum, bir gezegen). Dolayısıyla hızlandırılmış hareket, yalnızca düzgün hareketin üç boyutlu uzaya yansıtılmasıdır.

İyi bir örnek

"Aptallar için Görelilik" konusuyla ilgili bir başka güzel örnek. Tamamen doğru değil ama çok basit ve açık. Gerilmiş bir kumaşın üzerine herhangi bir nesne koyarsanız, altında bir “sapma” veya “huni” oluşur. Tüm küçük cisimler uzayın yeni kıvrımına göre yörüngelerini bozmak zorunda kalacak ve eğer bedenin enerjisi azsa bu huniyi hiç aşamayabilir. Bununla birlikte, hareket eden nesnenin bakış açısından bakıldığında yörünge düz kalır; uzayın bükülmesini hissetmezler.

Yerçekimi "seviyesi düşürüldü"

Genel görelilik teorisinin ortaya çıkışıyla birlikte, yerçekimi bir kuvvet olmaktan çıktı ve artık zaman ve uzayın eğriliğinin basit bir sonucu olmakla yetindi. Genel görelilik fantastik görünebilir ama çalışan bir versiyonudur ve deneylerle doğrulanmıştır.

Görelilik teorisi dünyamızdaki inanılmaz görünen pek çok şeyi açıklayabilir. Basit bir ifadeyle bu tür şeylere genel göreliliğin sonuçları denir. Örneğin, büyük cisimlerin yakınında uçan ışık ışınları bükülür. Üstelik derin uzaydan gelen birçok nesne birbirinin arkasına gizlenmiştir, ancak ışık ışınlarının diğer cisimlerin etrafında bükülmesi nedeniyle, görünüşte görünmez nesnelere gözlerimiz (daha doğrusu bir teleskopun gözleri) tarafından erişilebilir. Duvarların arkasından bakmak gibi.

Yerçekimi ne kadar büyük olursa, bir nesnenin yüzeyinde zaman o kadar yavaş akar. Bu sadece devasa cisimler için geçerli değil nötron yıldızları veya kara delikler. Zaman genişlemesinin etkisi Dünya'da bile gözlemlenebilmektedir. Örneğin uydu navigasyon cihazları son derece hassas atom saatleriyle donatılmıştır. Gezegenimizin yörüngesindeler ve orada zaman biraz daha hızlı akıyor. Bir gündeki saniyenin yüzde biri, Dünya'daki rota hesaplamalarında 10 km'ye varan hataya neden olacak bir rakama denk geliyor. Bu hatayı hesaplamamızı sağlayan görelilik teorisidir.

Basitçe şu şekilde ifade edebiliriz: Birçok modern teknolojinin temelinde genel görelilik vardır ve Einstein sayesinde yabancı bir bölgede bir pizzacıyı ve bir kütüphaneyi kolaylıkla bulabiliriz.

Genel görelilik teorisi(GTR), Albert Einstein tarafından 1915-16'da yayınlanan geometrik bir yerçekimi teorisidir. Bu teori çerçevesinde Daha fazla gelişmeÖzel görelilik teorisi, yerçekimi etkilerinin, uzay-zamanda bulunan cisimlerin ve alanların kuvvet etkileşiminden değil, özellikle kütle-enerjinin varlığıyla ilişkili olan uzay-zamanın kendisinin deformasyonundan kaynaklandığını varsayar. . 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 desteklenen 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 birçok gözlem ve deney bunu doğruladı. önemli miktar Yerçekimi zaman genişlemesi, yerçekimsel kırmızıya kayma, yerçekimsel alandaki sinyal gecikmesi ve şimdiye kadar yalnızca dolaylı olarak yerçekimsel radyasyon dahil olmak üzere teorinin tahminleri. 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 takım alternatif teoriler. 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 yayılamaz daha yüksek hız boşlukta ışık.

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. elektromanyetizma alanında. 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 yasayı ifade eder. evrensel yerçekimi. İlk kütle - eylemsizlik (veya eylemsizlik) - vücuda etki eden yerçekimi olmayan kuvvetin ivmesine oranıdır. İkinci kütle - yerçekimsel (veya bazen denildiği gibi ağır) - bir cismin diğer cisimler tarafından çekilme kuvvetini ve onun kendi gücü cazibe. 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 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. İÇİNDE XIX sonu yüzyıllar boyunca Eötvös tarafından daha incelikli deneyler gerçekleştirilerek prensibin test edilmesinin doğruluğu 10?9'a çıkarıldı. 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. Bu nedenle cismin ivmesi ve dolayısıyla yörüngesi kütleye bağlı değildir ve iç yapı bedenler. 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 eylemsizlikle, 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 düşük 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, oldukça küçük boyutlu bir yerel 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 teorişu anda fizikçiler tarafından dikkate alınan bir dizi yerçekimi teorisinden yalnızca biridir; özel görelilik teorisi (daha doğrusu, uzay-zamanın metrikliği ilkesi) bilim camiası tarafından genel olarak kabul edilir ve temel taşını oluşturur. modern fiziğin temellerini oluşturur. 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 doğrulanan sonuçları aşağıda sıralanan üç klasik etkiydi. kronolojik sıralama ilk kontrolleri:
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.

Bu teoriyi dünyada yalnızca üç kişinin anladığını söylediler ve matematikçiler bundan çıkan sonuçları rakamlarla ifade etmeye çalıştıklarında, yazar Albert Einstein'ın kendisi de artık onu anlamayı bıraktığını söyleyerek şaka yaptı.

Özel ve genel görelilik teorileri, dünyanın yapısına ilişkin modern bilimsel görüşlerin dayandığı doktrinin ayrılmaz parçalarıdır.

"Mucizeler Yılı"

1905 yılında, Almanya'nın önde gelen bilimsel yayını "Annalen der Physik" ("Fizik Yıllıkları"), Federal Ofis'te 3. sınıf uzman - astsubay olarak çalışan 26 yaşındaki Albert Einstein'ın birbiri ardına dört makalesini yayınladı. Bern'de Buluşların Patentlenmesi için. Dergiyle daha önce de işbirliği yapmıştı ama bir yıl içinde bu kadar çok eseri yayınlamak olağanüstü bir olaydı. Her birinin içerdiği fikirlerin değeri netleşince daha da dikkat çekici hale geldi.

Makalelerin ilkinde ışığın kuantum doğası hakkında düşünceler dile getirilmiş, emilim ve salınım süreçleri ele alınmıştır. Elektromanyetik radyasyon. Bu temelde, fotoelektrik etki ilk olarak açıklandı - ışığın fotonları tarafından devre dışı bırakılan bir madde tarafından elektronların emisyonu ve bu durumda açığa çıkan enerji miktarını hesaplamak için formüller önerildi. Einstein 1922'de görelilik teorisinin varsayımları için değil, kuantum mekaniğinin başlangıcı haline gelen fotoelektrik etkinin teorik gelişmeleri için ödüllendirilecekti. Nobel Ödülü fizikte.

Başka bir makale, bir sıvı içinde asılı duran küçük parçacıkların Brown hareketinin incelenmesine dayanan fiziksel istatistiğin uygulamalı alanlarının temelini attı. Einstein, düzensiz ve rastgele sapmalar olan dalgalanma modellerini araştırmak için yöntemler önerdi fiziksel özellikler en olası değerlerinden.

Ve son olarak, “Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine” ve “Bir cismin ataleti, içindeki enerji içeriğine bağlı mıdır?” fizik tarihinde Albert Einstein'ın görelilik teorisi veya daha doğrusu onun ilk kısmı - SRT - özel görelilik teorisi olarak adlandırılacak şeyin tohumlarını içeriyordu.

Kaynaklar ve öncüller

19. yüzyılın sonunda birçok fizikçiye göre çoğu küresel sorunlar Evrene karar verildi, ana keşifler yapıldı ve insanlığın güçlü bir hızlanma için yalnızca birikmiş bilgiyi kullanması gerekiyor. teknik ilerleme. Evrenin eterle dolu ve değişmez Newton yasalarına göre yaşayan uyumlu tablosunu yalnızca birkaç teorik tutarsızlık bozdu.

Uyum Maxwell'in teorik araştırmasıyla bozuldu. Elektromanyetik alanların etkileşimlerini tanımlayan denklemleri, klasik mekaniğin genel kabul görmüş yasalarıyla çelişiyordu. Bu, Galileo'nun görelilik ilkesi çalışmayı bıraktığında, dinamik referans sistemlerinde ışık hızının ölçülmesiyle ilgiliydi - ışık hızında hareket ederken bu tür sistemlerin etkileşiminin matematiksel modeli, elektromanyetik dalgaların kaybolmasına yol açtı.

Ayrıca parçacıkların ve dalgaların, makrokozmos ve mikrokozmosun eşzamanlı varlığını uzlaştırdığı varsayılan eter tespit edilemiyordu. 1887'de Albert Michelson ve Edward Morley tarafından gerçekleştirilen deney, kaçınılmaz olarak benzersiz bir cihaz olan bir interferometre tarafından kaydedilmesi gereken "ruhani rüzgarı" tespit etmeyi amaçlıyordu. Deney tam bir yıl sürdü - Dünya'nın Güneş etrafında tam devrimi. Gezegenin altı ay boyunca eter akışına karşı hareket etmesi gerekiyordu, eterin altı ay boyunca Dünya'nın "yelkenlerine doğru esmesi" gerekiyordu, ancak sonuç sıfırdı: eterin etkisi altındaki ışık dalgalarının yer değiştirmesi tespit edilmedi, bu da eterin varlığına dair şüphe uyandırdı.

Lorentz ve Poincaré

Fizikçiler eterin tespiti üzerine yapılan deneylerin sonuçlarına bir açıklama bulmaya çalıştılar. Hendrik Lorenz (1853-1928) matematiksel modelini önerdi. Uzayın eterik dolgusunu yeniden hayata döndürdü, ancak yalnızca nesnelerin eter içinde hareket ederken hareket yönünde büzülebileceğine dair çok koşullu ve yapay bir varsayımla. Bu model büyük Henri Poincaré (1854-1912) tarafından değiştirildi.

Bu iki bilim insanının çalışmalarında, görelilik teorisinin büyük ölçüde ana önermelerini oluşturan kavramların ilk kez ortaya çıkması, Einstein'ın intihal suçlamalarının yatışmasına izin vermiyor. Bunlar, eşzamanlılık kavramının gelenekselliğini ve ışığın sabit hızı hipotezini içerir. Poincaré, yüksek hızlarda Newton'un mekanik yasalarının yeniden çalışılması gerektiğini kabul etti ve hareketin görelilik olduğu, ancak eter teorisine uygulanması gerektiği sonucuna vardı.

Özel görelilik teorisi - SRT

Elektromanyetik süreçleri doğru bir şekilde tanımlama sorunları, teorik gelişmeler için bir konu seçmenin motive edici nedeni haline geldi ve Einstein'ın 1905'te yayınlanan makaleleri, özel bir durumun yorumunu içeriyordu - tekdüze ve doğrusal hareket. 1915'e gelindiğinde yerçekimi etkileşimlerini açıklayan genel görelilik teorisi oluşturuldu, ancak ilk teoriye özel adı verildi.

Einstein'ın özel görelilik teorisi kısaca iki ana önerme şeklinde ifade edilebilir. Birincisi Galileo'nun görelilik ilkesinin etkisini her şeye yayar fiziksel olaylar ve sadece mekanik süreçlerde değil. Daha genel biçimde şöyle okunur: Hepsi fiziksel yasalar tüm eylemsiz (düz bir çizgide düzgün bir şekilde hareket eden veya hareketsiz) referans sistemleri için aynıdır.

Özel görelilik teorisini içeren ikinci ifade: Işığın boşlukta yayılma hızı, tüm eylemsiz referans çerçeveleri için aynıdır. Daha sonra daha genel bir sonuca varılıyor: Işığın hızı maksimumdur büyük değer doğadaki etkileşimlerin iletim hızı.

STR'nin matematiksel hesaplamalarında, daha önce fiziksel yayınlarda yer alan E=mc² formülü verilmiştir, ancak Einstein sayesinde bilim tarihindeki en ünlü ve popüler formül haline gelmiştir. Kütle ve enerjinin eşitliğine ilişkin sonuç, görelilik teorisinin en devrimci formülüdür. Kütlesi olan her nesnenin büyük miktarda enerji içerdiği kavramı, enerji kullanımındaki gelişmelerin temelini oluşturdu. nükleer enerji ve her şeyden önce atom bombasının ortaya çıkmasına yol açtı.

Özel göreliliğin etkileri

STR'den, göreceli (görelilik) etkiler adı verilen çeşitli sonuçlar ortaya çıkar. Zaman genişlemesi en dikkat çekici olanlardan biridir. Bunun özü, hareketli bir referans çerçevesinde Zaman akıyor Yavaş. Hesaplamalar, Alpha Centauri yıldız sistemine varsayımsal bir uçuş yapan ve 0,95 c (c ışık hızıdır) hızla geri dönen bir uzay gemisinde 7,3 yıl, Dünya'da ise 12 yıl geçeceğini gösteriyor. Bu tür örneklere, kuklalar için görelilik teorisinin yanı sıra ilgili ikiz paradoksu açıklanırken sıklıkla başvurulur.

Diğer bir etki ise doğrusal boyutların azalmasıdır, yani gözlemcinin bakış açısından, ona göre c'ye yakın bir hızla hareket eden nesnelerin hareket yönünde kendi uzunluklarından daha küçük doğrusal boyutları olacaktır. Görelilik fiziğinin öngördüğü bu etkiye Lorentz daralması denir.

Göreli kinematik yasalarına göre, hareket eden bir nesnenin kütlesi, hareketsiz kütlesinden daha büyüktür. Bu etki, temel parçacıkları incelemek için araçlar geliştirirken özellikle önemli hale gelir - bunu hesaba katmadan LHC'nin (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) çalışmasını hayal etmek zordur.

Boş zaman

STR'nin en önemli bileşenlerinden biri göreceli kinematiğin grafiksel gösterimidir. özel konsept Bir zamanlar öğrencisi Albert Einstein'ın matematik öğretmeni olan Alman matematikçi Hermann Minkowski tarafından önerilen tek uzay-zaman.

Minkowski modelinin özü, etkileşim halindeki nesnelerin konumunu belirlemeye yönelik tamamen yeni bir yaklaşımdır. Özel görelilik teorisi zamana özel önem verir. Zaman, klasik üç boyutlu koordinat sisteminin yalnızca dördüncü koordinatı haline gelmez; zaman mutlak bir değer değil, uzay-zaman sürekliliği biçimini alan, grafiksel olarak bir koni biçiminde ifade edilen, uzayın ayrılmaz bir özelliğidir. tüm etkileşimlerin gerçekleştiği yer.

Görelilik teorisindeki bu tür uzay, daha genel bir yapıya doğru gelişmesiyle birlikte daha sonra eğrilmeye maruz kaldı ve bu da böyle bir modeli yerçekimsel etkileşimleri açıklamak için uygun hale getirdi.

Teorinin daha da geliştirilmesi

SRT fizikçiler arasında hemen bir anlayış bulamadı, ancak yavaş yavaş dünyayı, özellikle de fizik biliminin ana inceleme konusu haline gelen temel parçacıkların dünyasını tanımlamanın ana aracı haline geldi. Ancak SRT'yi yerçekimi kuvvetlerinin bir açıklamasıyla tamamlama görevi çok acildi ve Einstein, genel görelilik teorisinin (GTR) ilkelerini geliştirerek çalışmayı bırakmadı. Bu ilkelerin matematiksel olarak işlenmesi oldukça uzun bir zaman aldı - yaklaşık 11 yıl ve fizikle ilgili kesin bilimlerin alanlarından uzmanlar buna katıldı.

Böylece, yerçekimi alanı denklemlerinin ortak yazarlarından biri olan, o zamanın önde gelen matematikçisi David Hilbert (1862-1943) tarafından büyük bir katkı sağlandı. Genel görelilik teorisi veya GTR adını alan güzel bir binanın inşasındaki son taşlardı.

Genel Görelilik Teorisi - Genel Görelilik

Yerçekimi alanının modern teorisi, "uzay-zaman" yapısı teorisi, "uzay-zaman" geometrisi, eylemsiz rapor sistemlerindeki fiziksel etkileşimler kanunu - bunların hepsi Albert Einstein'ın teorisine verilen farklı isimlerdir. genel görelilik teorisi.

Uzun bir süre fizik biliminin yerçekimine, çeşitli büyüklükteki nesnelerin ve alanların etkileşimlerine ilişkin görüşlerini belirleyen evrensel yerçekimi teorisi. Paradoksal bir şekilde, temel dezavantajı, özünün soyut, yanıltıcı ve matematiksel doğasıydı. Yıldızlar ve gezegenler arasında bir boşluk vardı; gök cisimleri arasındaki çekim, belirli kuvvetlerin uzun menzilli ve hatta anlık etkileriyle açıklanıyordu. Albert Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi Yerçekimini Aşıladı fiziksel içerik, bunu çeşitli maddi nesnelerin doğrudan teması olarak sundu.

Yerçekimi geometrisi

Einstein'ın yerçekimsel etkileşimleri açıklarken kullandığı ana fikir çok basittir. Uzay-zamanın, çevresinde bu tür eğriliklerin oluştuğu nesnenin kütlesinden etkilenen, oldukça somut işaretlerle (metrikler ve deformasyonlar) donatılmış yerçekimsel kuvvetlerin fiziksel bir ifadesi olduğunu ilan eder. Bir zamanlar Einstein, uzayı dolduran elastik bir maddi ortam olarak eter kavramını evren teorisine geri döndürme çağrılarıyla bile anılmıştı. Kendisi için vauum olarak tanımlanabilecek pek çok niteliğe sahip bir maddeye isim vermenin zor olduğunu açıkladı.

Dolayısıyla yerçekimi, SRT'de eğrisiz olarak tanımlanan dört boyutlu uzay-zamanın geometrik özelliklerinin bir tezahürüdür, ancak daha genel durumlarda, aynı şekilde verilen maddi nesnelerin hareketini belirleyen eğrilik ile donatılmıştır. Einstein'ın ilan ettiği eşdeğerlik ilkesine göre ivme.

Bu temel prensip Görelilik teorisi, Newton'un evrensel çekim teorisinin "darboğazlarının" çoğunu açıklamaktadır: bazı astronomik olaylar sırasında büyük kozmik nesnelerin yanından geçerken gözlemlenen ışığın bükülmesi ve eskilerin belirttiği gibi, cisimlerin düşüşünün aynı hızlanması, ne olursa olsun. onların kütlesi.

Uzayın eğriliğinin modellenmesi

Aptallar için genel görelilik teorisini açıklamak için kullanılan yaygın bir örnek, uzay-zamanın, etkileşim halindeki nesneleri simüle eden nesnelerin (çoğunlukla topların) üzerine yerleştirildiği elastik ince bir zar olan bir trambolin biçiminde temsilidir. Ağır toplar zarı bükerek kendi etrafında bir huni oluşturur. Yüzeye fırlatılan daha küçük bir top, yerçekimi kanunlarına tam olarak uygun olarak hareket eder ve yavaş yavaş daha büyük nesnelerin oluşturduğu çöküntülere doğru yuvarlanır.

Ancak böyle bir örnek oldukça gelenekseldir. Gerçek uzay-zaman çok boyutludur, eğriliği de o kadar basit görünmüyor, ancak yerçekimi etkileşiminin oluşum ilkesi ve görelilik teorisinin özü netleşiyor. Her durumda, yerçekimi teorisini daha mantıklı ve tutarlı bir şekilde açıklayacak bir hipotez henüz mevcut değildir.

Gerçeğin kanıtı

Genel Görelilik hızla modern fiziğin üzerine inşa edilebileceği güçlü bir temel olarak algılanmaya başladı. Görelilik teorisi, en başından beri, uyumu ve uyumuyla yalnızca uzmanları şaşırtmakla kalmadı, ortaya çıktıktan kısa bir süre sonra da gözlemlerle doğrulanmaya başladı.

Merkür'ün yörüngesinin Güneş'e en yakın noktası - günberi - 19. yüzyılın ortalarında keşfedilen Güneş Sistemindeki diğer gezegenlerin yörüngelerine göre yavaş yavaş kayıyor. Bu hareket - devinim - Newton'un evrensel çekim teorisi çerçevesinde makul bir açıklama bulamadı, ancak genel görelilik teorisi temelinde doğru bir şekilde hesaplandı.

1919'da meydana gelen güneş tutulması, genel göreliliğin bir başka kanıtına daha fırsat verdi. Görelilik teorisinin temellerini anlayan üç kişiden şaka yollu olarak kendisini ikinci olarak adlandıran Arthur Eddington, ışık fotonları yıldızın yakınından geçtiğinde Einstein'ın öngördüğü sapmaları doğruladı: tutulma anında, görünürde bir değişiklik bazı yıldızların konumu farkedilir hale geldi.

Genel göreliliğin diğer kanıtlarının yanı sıra, saat yavaşlamasını veya yerçekimsel kırmızıya kaymayı tespit etmeye yönelik bir deney bizzat Einstein tarafından önerildi. Ancak yıllar sonra gerekli deney ekipmanlarını hazırlamak ve bu deneyi yapmak mümkün oldu. Radyasyon frekanslarının verici ve alıcıdan yükseklik olarak ayrılmış yerçekimsel kaymasının, genel göreliliğin öngördüğü sınırlar dahilinde olduğu ortaya çıktı ve bu deneyi gerçekleştiren Harvard fizikçileri Robert Pound ve Glen Rebka, daha sonra yalnızca doğruluğunu arttırdı. ölçümler ve görelilik teorisinin formülü bir kez daha doğru çıktı.

Einstein'ın görelilik teorisi, en önemli uzay araştırma projelerinin gerekçesinde her zaman mevcuttur. Kısaca, uzmanlar için, özellikle de uydu navigasyon sistemleri (GPS, GLONASS vb.) ile çalışan kişiler için bir mühendislik aracı haline geldiğini söyleyebiliriz. Genel göreliliğin öngördüğü sinyal yavaşlamaları dikkate alınmadan, nispeten küçük bir alanda bile bir nesnenin koordinatlarını gereken doğrulukta hesaplamak imkansızdır. Özellikle kozmik mesafelerle ayrılmış nesnelerden söz ettiğimizde, navigasyondaki hata çok büyük olabilir.

Görelilik teorisinin yaratıcısı

Albert Einstein görelilik teorisinin ilkelerini yayınladığında hâlâ genç bir adamdı. Daha sonra eksiklikleri ve tutarsızlıkları ona açık hale geldi. Özellikle en çok asıl sorun Yerçekimi etkileşimlerinin tanımı birbirinden kökten farklı ilkeler kullandığından, GTR'nin kuantum mekaniğine dönüşmesi imkansız hale geldi. Kuantum mekaniği, nesnelerin tek bir uzay-zamandaki etkileşimini dikkate alır ve Einstein'a göre bu uzayın kendisi yerçekimini oluşturur.

"Her şeyin formülünü" yazmak - birleşik teori Genel görelilik ve kuantum fiziğinin çelişkilerini ortadan kaldıracak bir alan yaratmak Einstein'ın başından beri hedefiydi. uzun yıllar boyunca, son saate kadar bu teori üzerinde çalıştı ancak başarıya ulaşamadı. Genel göreliliğin sorunları birçok teorisyenin daha fazlasını araması için bir teşvik haline geldi. mükemmel modeller barış. Sicim teorileri, döngü kuantum çekimi ve daha birçok teori bu şekilde ortaya çıktı.

Genel Görelilik kitabının yazarının kişiliği, tarihte, görelilik teorisinin bilim açısından önemiyle karşılaştırılabilecek bir iz bıraktı. Hala kimseyi kayıtsız bırakmıyor. Einstein'ın kendisi de, fizikle hiçbir ilgisi olmayan insanların kendisine ve çalışmalarına neden bu kadar ilgi gösterdiğini merak ediyordu. Kişisel nitelikleri, ünlü zekası, aktif politik konumu ve hatta etkileyici görünümü sayesinde Einstein, birçok kitabın, filmin ve bilgisayar oyununun kahramanı olan dünyadaki en ünlü fizikçi oldu.

Hayatının sonu pek çok kişi tarafından dramatik bir şekilde anlatılıyor: Yalnızdı, ortaya çıkmasından kendisini sorumlu görüyordu. korkunç silah Gezegendeki tüm yaşam için bir tehdit haline gelen birleşik alan teorisi gerçekçi olmayan bir rüya olarak kaldı, ancak en iyi sonuç, Einstein'ın ölümünden kısa bir süre önce söylediği, Dünya'daki görevini tamamladığı yönündeki sözleri olarak düşünülebilir. Bununla tartışmak zor.

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 = mс 2 (burada E enerjidir, m vücut kütlesidir, 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 eşdeğerliği 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 paralel boyunca New York'tan Madrid'e kadar neredeyse doğuya doğru 5.966 kilometre uçabilirsiniz. Ancak geniş 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 güzergahın harita üzerinde görünümü, yeryüzüçarpık (düz sunulmuş), aldatıcı. Yüzey boyunca bir noktadan diğerine "düz" doğuya doğru hareket etmek küre aslında düz bir çizgi boyunca ya da 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 bir ivmeyle mi hareket ettiğini yoksa düzgün bir çekim alanı içinde mi 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 yasasının bir parçası) ve yerçekimi kütlesi (Newton yasasının bir parçası) olması durumunda geçerli olacaktır. Yerçekimi çekiminin büyüklüğünü belirleyen yerçekimi kuvveti) bir ve aynıdır.

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 etrafında 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 gönderdiği için 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 aşağıdaki gözlemciye bana bir saniyeden daha kısa sürede varacak. 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 sinyali gönderme anında, ivme nedeniyle roket birinciyi gönderme anına göre daha hızlı hareket edecek, dolayısıyla 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 kaydedecek 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, aynı şeyin roket bir yerçekimi alanında hareketsiz durumdayken de 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. İkizlerden biri dağ başında, diğeri deniz kenarında yaşasa birincisi yaşlanır. saniyeden daha hızlı. Bu durumda yaş farkı ihmal edilebilecek kadar az 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 paradokstur. Görelilik teorisinde benzersiz bir mutlak zaman yoktur; her bireyin, nerede olduğuna ve nasıl hareket ettiğine bağlı olarak kendi zaman ölçüsü vardır.

Ultra hassaslığın ortaya çıkışıyla navigasyon sistemleri uydulardan sinyal alırken saat farkı çeşitli yükseklikler pratik önem kazanmıştır. Eğer ekipman genel göreliliğin tahminlerini 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.

Yıkıcı bir büzülme sırasında çöken 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 yıldız çekiminin etkisi uzay gemisi kalacak ve yörüngesinde dönmeye devam edecek.