Kui inimesed kuulevad fraasi “relatiivsusteooria”, mõtlevad nad üldiselt Albert Einsteinile ja keerukatele matemaatilistele võrranditele, nagu e=mc2{displaystyle e=mc^{2}}. Kuid teooria väljatöötamisel osalesid paljud teadlased. Õppides tundma relatiivsusteooria ajalugu ja praktilisi rakendusi, saate sellest keerulisest teemast aru.
1
Alustage Galileost. 16. sajandi teadlast Galileo Galileid peetakse üheks kaasaegse teaduse rajajaks. Tema uurimine langevate objektide ja liikuvate mürskude mehaanika kohta viis tema sõnastuseni esimese kaasaegse relatiivsusteooria kohta ja tõstatas küsimuse, mida tuntakse kui “relatiivsusteooria probleemi”. Niisiis, kuidas mõista relatiivsusteooria probleemi?Kujutage ette, et kaks inimest jälgivad sama sündmust. Näiteks kaks inimest, kes istuvad pesapallimängul staadioni vastaskülgedel, vaatavad, kuidas löök kodujooksu tabab. Kodujooksu aeg on mõlemal vaatlejal sama, samas kui distants neist erineb. Mõlemad fännid nägid üksteise suhtes sama sündmust. Kujutage ette inimest, kes sõidab autoga, mis sõidab 60 miili tunnis. Juht liigub auto suhtes 0 miili tunnis, kuid välisvaatlejale sõidab juht 60 miili tunnis. Juhi kiirus muutub vaatleja vaatenurga suhtes.
2
Jätkake Sir Isaac Newtoniga. 17. sajandil oli Isaac Newton Cambridge’i ülikooli üliõpilane. Kui Cambridge musta katku tõttu kaheks aastaks suleti, jätkas Newton iseseisvalt keeruka matemaatika, füüsika ja optika õppimist. Selle aja jooksul töötas ta välja lõpmatu seeria arvutuse kontseptsiooni ja pani aluse oma kolmele liikumisseadusele. Lõpuks uuris Newton, kuidas liikumisseadused on seotud Maa, Päikese ja Kuu liikumisega – mõiste, mida ta nimetaks “gravitatsiooniks”. Millised on mõned liikumisseaduste praktilised rakendused?Kogege esimest liikumisseadust mänguväljakul. Newtoni esimene liikumisseadus on tuntud inertsiseadus, mis ütleb, et iga objekt jääb paigale või ühtlaselt sirgjooneliselt liikuma, kui sellele ei mõju välisjõud. Näiteks libiseva laua ülaosas olev inimene jääb sinna seni, kuni ta end laualt alla surub (või teda lükatakse). Need jäävad liikuma, kuni nad slaidi põhja jõudes peatatakse. Arvutage teise liikumisseaduse jaoks. Esimeses seaduses esitas Newton teooria, et liikuv objekt jääb liikuma ja paigal olev objekt jääb seni, kuni välisjõud neid mõjutab. Newtoni teine seadus viib selle sammu edasi, määrates kindlaks, kui palju jõudu on vaja objekti oleku muutmiseks. Selles öeldakse, et välisjõule allutatud objekt kiirendab ja kiirenduse suurus on võrdeline jõu suurusega. Näiteks 40-tonnine traktorihaagis vajab kiiruse saavutamiseks 60 miili tunnis rohkem jõudu kui 2-tonnine kompaktauto. Kui suurt jõudu saab täpselt määrata matemaatilise valemiga jõud=mass x kiirendus, lühendatult f=ma{displaystyle f=ma}. Jälgige liikumiste kolmandat seadust. Newtoni kolmas liikumisseadus ütleb, et iga tegevuse jaoks on võrdne ja vastupidine reaktsioon. Lihtsamalt öeldes surub objekt vastu teist eset, teine objekt surub sama tugevalt tagasi. Mõnikord pole kolmas seadus ilmne, nagu paigal seistes. Gravitatsioon surub maapinnale alla, samal ajal kui maapind surub sama jõuga tagasi. Kuna liikumist ei toimu, tühistavad jõud üksteist. Suurema jõu ja massiivsemate objektide korral ilmneb kolmas seadus paremini, nagu raketi väljalaskmisel. Kuna mootor põletab kütust, surub allapoole suunatud tõukejõud raketi ülespoole.
3
Reis läbi eetri. Segue 19. sajandisse. Isaac Newtoni ajast peale on teadlased teoretiseerinud, et universum on täidetud keskkonnaga, mida nad nimetasid eetriks. Valgus- ja raadiolained liikusid läbi eetri samamoodi nagu helilained läbi õhu. 19. sajandiks olid teadlased välja töötanud viisid eetri omaduste mõõtmiseks ja lootsid luua universumit kirjeldava teooria. Mõõtke valgust. 1887. aastal püüdsid füüsikud Albert Michelson ja Edward Morley tõestada eetri olemasolu Michelsoni loodud interferomeetriga, mis koosnes poolhõbedast klaasplaadist, kahest peeglist ja teleskoobist. Kui suunata kiir klaasplaadile, siis kiir jaguneks ja kaks kiirt jõuaksid kahe peeglini erinevatel aegadel, olenevalt sellest, millises suunas nad eetri suhtes liiguvad. Ootamatu tulemus oli see, et mõlemad kiired jõudsid peegliteni üheaegselt, suutmata tõestada eetri olemasolu. Michelson pidas oma katset ebaõnnestunuks. Kuid see oleks Šveitsi patendiameti noore ametniku töö võtmeelement.
4
Saage tuttavaks Albert Einsteiniga. 1905. aastal töötas Albert Einstein Šveitsis Bernis patendiametis. Selle aja jooksul avaldas Einstein neli dokumenti, mis määrasid, et valguse kiirus oli vaakumis konstantne, mis lükkas samuti ümber eetri olemasolu. See avastus viis Einsteini kahest relatiivsusteooriast esimeseni: erirelatiivsusteooria ja üldrelatiivsusteooria.
5
Avastage oma tugiraamistik. Einsteini uuringud näitasid, et loodusmaailmas ei eksisteeri “absoluutset” tugiraamistikku. Kuni objekt liigub sirgjoonel püsiva kiirusega (ilma kiirenduseta), kehtivad füüsikaseadused kõigile ühesugused. Kujutage ette, et olete rongis. Aknast välja vaadates näete teist rongi, mis näib liikuvat. Ainult selle vaatluse põhjal on võimatu öelda, kas teie rong või teine rong liigub. Sama kehtib kõigi teie vaadeldavas rongis viibijate kohta.
6
Saage aru valguse kiirusest. Michelson-Morley eksperiment ei suutnud tõestada eetri olemasolu, kuid tõestas, et valgus liigub ühtlase kiirusega, sõltumata vaatleja võrdlusraamistikust. Lisaks oletas Einstein, et kui objekt läheneb valguse kiirusele, suureneb selle mass, muutudes lõpuks valguse kiiruse saavutamisel lõpmatuks.
7
Mõista aegruumi. Kui Einstein uuris valguse omadusi, mõistis ta, et kui valguse kiirus on absoluutne konstant, siis aeg ja ruum peavad olema muutujad. Igapäevamaailmas näib aeg olevat ühtne üksus, mis voolab ühtlase kiirusega, kuigi tegelikult on see osa keerulisemast ruumiga seotud süsteemist. Seetõttu liigub objekt ruumis liikudes ka ajas, mis aeglustub otseselt proportsionaalselt objekti liikumiskiirusega. Seda omadust tuntakse aja dilatatsioonina. 1971. aasta oktoobris demonstreeris aja ja ruumi suhet füüsik Joseph C. Hafele ja astronoom Richard E. Keatingi eksperiment. Võttes neli aatomkella, lendasid nad kommertslennufirmaga ümber maailma ja võrdlesid kelladel näidatud aega teistega, mis olid jäänud USA mereväe vaatluskeskusesse. Kaks kellakomplekti näitasid erinevaid aegu, mis on kooskõlas aegruumi teooria ennustustega.
8
Mõistke, kuidas see viib uue teooria loomiseni. Nendest kahest põhimõttest lähtudes teoretiseeris Einstein, et aine ja energia on omavahel seotud viisil, mida teadlased varem ei mõistnud. Lõpuks jõudis Einstein järeldusele, et mateeria ja energia on eri vormides samad asjad ja ainet piisavalt kiirendades muutub see energiaks. Selle tulemuseks oli kuulus matemaatiline valem e=mc2{displaystyle e=mc^{2}} ehk energia = mass x valguse kiiruse ruudus.
9
Lisage kiirendus. Einsteini erirelatiivsusteooriat nimetatakse nii, kuna see kehtib konstantse kiirusega liikuvate objektide erijuhtumite kohta. Kuid objektid ei hoia alati ühtlast kiirust. Kulus kümme aastat, enne kui Einstein laiendas oma teooriat, et hõlmata ka kiirendust – teooriat, mida hakati nimetama üldiseks relatiivsusteooriaks.
10
Defineeri gravitatsioon. Kui Sir Isaac Newton esimest korda gravitatsiooniteooriat määratles, uskus ta, et see on kaasasündinud jõud, mis võib mõjutada vahemaid. Gravitatsioonijõud oleks tugevam massiivse objekti nagu Päike korral, mis selgitas, miks see tõmbas enda ümber tiirlevaid väiksemaid objekte, nagu Maa. Kuid kui Einstein püüdis gravitatsiooni matemaatiliselt selgitada, avastas ta, et gravitatsioon ei ole jõud, mis liigub läbi ruumi, vaid on aegruumi moonutamine. Mida massiivsem objekt, seda rohkem kõveras see aegruumi. Kujutage ette universumit batuudina. Kui paned batuudile keeglipalli, põhjustab see batuudi paindumist. Väiksemad esemed, näiteks pesapall, veerevad batuudil tekitatud moonutuste tõttu keeglipalli poole. On tõestatud, et see kehtib ka aegruumi kohta.
11
Leidke oma asukoht Maal. On juhtunud, et mida kiiremini objekt liigub, seda rohkem aeg aeglustub. GPS-satelliidid mõõdavad aega väikese, kuid mõõdetavalt aeglasemalt kui aeg Maal. Arvutades aega, mis kulub maa ümber tiirlevatelt GPS-satelliitidelt teie seadmesse saadetava signaali saatmiseks, on võimalik määrata oma asukoht planeedil.
12
Mine kulla järele. Enamik metalle on läikivad, kuna nende elektronid hüppavad erinevatele tasanditele, mida nimetatakse orbitaalideks, ja sealt tagasi. Kulla puhul peavad aatomi tuumale kõige lähemal asuvad elektronid liikuma suure kiirusega, ligikaudu poole valguse kiirusest, et vältida tuuma neeldumist. Teisele orbitaalile liikumiseks peavad elektronid valgust neelama. Suurem osa neelduvast valgusest on sinise spektri suunas, samas kui kollasele spektrile lähemal olev valgus peegeldub, mille tulemuseks on metalli luksuslik kollane värv.
13
Laske elavhõbedal voolata. Nagu kuld, on ka elavhõbe raske aatom, mille sisemised elektronid liiguvad suure kiirusega. Kui nende kiirus suureneb, suureneb nende mass proportsionaalselt. Selle tulemuseks on elavhõbeda aatomite vahel nõrk side ja metall on keskmisel temperatuuril vedelas olekus.
14
Las päike paistab. Tänu matemaatilisele põhimõttele e=mc2{displaystyle e=mc^{2}} on päikese- ja tuumaenergia võimalikud. Ilma energia ja aine vastastikuse ühenduseta poleks energiat ega valgust.