Relativitetsteori - Theory of relativity

To-dimensionel projektion af en tredimensionel analogi af rumtiden krumning beskrevet i generel relativitet

Den relativitetsteorien omfatter normalt to indbyrdes forbundne teorier fra Albert Einstein : specielle relativitetsteori og almen relativitet , foreslået og udgivet i 1905 og 1915, hhv. Særlig relativitet gælder for alle fysiske fænomener i mangel af tyngdekraft . Generel relativitet forklarer gravitationsloven og dens relation til andre naturkræfter. Det gælder for det kosmologiske og astrofysiske område, herunder astronomi.

Teorien ændrede teoretisk fysik og astronomi i løbet af det 20. århundrede og erstattede en 200-årig mekanikkteori, der primært blev skabt af Isaac Newton . Den indførte begreber herunder rumtiden som en samlet enhed i rum og tid , relativitet samtidighed , kinematisk og gravitationel tid dilation , og længden sammentrækning . Inden for fysik forbedrede relativitet videnskaben om elementarpartikler og deres grundlæggende interaktioner sammen med at indlede atomalderen . Med relativitet forudsagde kosmologi og astrofysik ekstraordinære astronomiske fænomener som neutronstjerner , sorte huller og gravitationsbølger .

Udvikling og accept

Albert Einstein offentliggjorde teorien om særlig relativitet i 1905 og bygger på mange teoretiske resultater og empiriske fund opnået af Albert A. Michelson , Hendrik Lorentz , Henri Poincaré og andre. Max Planck , Hermann Minkowski og andre udførte efterfølgende arbejde.

Einstein udviklede generel relativitet mellem 1907 og 1915, med bidrag fra mange andre efter 1915. Den endelige form for generel relativitet blev offentliggjort i 1916.

Udtrykket "relativitetsteori" var baseret på udtrykket "relativ teori" ( tysk : Relativtheorie ), der blev brugt i 1906 af Planck, der lagde vægt på, hvordan teorien anvender relativitetsprincippet . I diskussionsafsnittet i det samme papir brugte Alfred Bucherer for første gang udtrykket "relativitetsteori" ( tysk : Relativitätstheorie ).

I 1920'erne forstod og accepterede fysikfællesskabet særlig relativitet. Det blev hurtigt et vigtigt og nødvendigt redskab for teoretikere og eksperimentelle inden for de nye områder inden for atomfysik , atomfysik og kvantemekanik .

Til sammenligning syntes generel relativitet ikke at være lige så nyttig ud over at foretage mindre korrektioner af forudsigelser af Newtonsk gravitationsteori. Det syntes at tilbyde lidt potentiale til eksperimentel test, da de fleste af dets påstande var på astronomisk skala. Dens matematik virkede kun vanskelig og fuldt ud forståelig for et lille antal mennesker. Omkring 1960 blev den generelle relativitet central for fysik og astronomi. Nye matematiske teknikker til anvendelse på generel relativitetsteam strømlinede beregninger og gjorde dets begreber lettere visualiseret. Efterhånden som astronomiske fænomener blev opdaget, såsom kvasarer (1963), 3-kelvin mikrobølge baggrundsstråling (1965), pulsarer (1967) og de første sorte hul kandidater (1981), forklarede teorien deres egenskaber og måling af dem yderligere bekræftede teorien.

Særlig relativitet

Særlig relativitet er en teori om rumtiden . Det blev introduceret i Einsteins papir fra 1905 " On the Electrodynamics of Moving Bodies " (for bidrag fra mange andre fysikere se History of special relativity ). Særlig relativitet er baseret på to postulater, der er modstridende i klassisk mekanik :

  1. Fysikkens love er de samme for alle observatører i enhver inertial referenceramme i forhold til hinanden ( relativitetsprincip ).
  2. Lysets hastighed i et vakuum er den samme for alle observatører, uanset deres relative bevægelse eller lyskildens bevægelse .

Den resulterende teori klarer eksperiment bedre end klassisk mekanik. For eksempel forklarer postulat 2 resultaterne af Michelson – Morley -eksperimentet . Desuden har teorien mange overraskende og kontraintuitive konsekvenser. Nogle af disse er:

  • Relativitet af samtidighed : To begivenheder, samtidige for en observatør, må ikke være samtidige for en anden observatør, hvis observatørerne er i relativ bevægelse.
  • Tidsudvidelse : Urene i bevægelse måles til at tikke langsommere end en observatørs "stationære" ur.
  • Kontraktionslængde : Objekter måles for at blive forkortet i den retning, de bevæger sig i forhold til observatøren.
  • Maksimal hastighed er endelig : Ingen fysiske objekter, beskeder eller feltlinjer kan rejse hurtigere end lysets hastighed i et vakuum.
    • Tyngdekraftens virkning kan kun rejse gennem rummet med lysets hastighed, ikke hurtigere eller øjeblikkeligt.
  • Masse -energi ækvivalens : E = mc 2 , energi og masse er ækvivalente og transmutable.
  • Relativistisk masse , idé brugt af nogle forskere.

Det særlige kendetegn ved særlig relativitet er udskiftning af de galileiske transformationer af klassisk mekanik med Lorentz -transformationer . (Se Maxwells ligninger for elektromagnetisme .)

Generel relativitet

Generel relativitet er en gravitationsteori udviklet af Einstein i årene 1907–1915. Udviklingen af ​​generel relativitet begyndte med ækvivalensprincippet , hvor tilstandene af accelereret bevægelse og hvile i et tyngdefelt (for eksempel når de står på Jordens overflade) er fysisk identiske. Resultatet af dette er, at frit fald er inertial bevægelse : et objekt i frit fald falder, fordi det er sådan, objekter bevæger sig, når der ikke udøves nogen kraft på dem, i stedet for at dette skyldes tyngdekraften, som det er tilfældet i klassisk mekanik . Dette er uforeneligt med klassisk mekanik og særlig relativitet, fordi i disse teorier kan bevægelige objekter ikke accelerere i forhold til hinanden, men objekter i frit fald gør det. For at løse denne vanskelighed foreslog Einstein først, at rumtiden er buet . I 1915 udtænkte han Einstein -feltligningerne, der relaterer rumtidens krumning med massen, energien og ethvert momentum i den.

Nogle af konsekvenserne af generel relativitet er:

Teknisk set er generel relativitetsteori en gravitationsteori, hvis definerende træk er brugen af Einstein -feltligningerne . Løsningerne af feltligningerne er metriske tensorer, der definerer rumtidenes topologi, og hvordan objekter bevæger sig inertisk.

Eksperimentelt bevis

Einstein udtalte, at relativitetsteorien tilhører en klasse af "principteorier". Som sådan anvender den en analytisk metode, hvilket betyder, at elementerne i denne teori ikke er baseret på hypotese, men på empirisk opdagelse. Ved at observere naturlige processer forstår vi deres generelle egenskaber, udtænker matematiske modeller for at beskrive det, vi observerede, og med analytiske midler udleder vi de nødvendige betingelser, der skal opfyldes. Måling af separate hændelser skal opfylde disse betingelser og matche teoriens konklusioner.

Prøver af særlig relativitet

Relativitet er en forfalskelig teori: Den laver forudsigelser, der kan testes ved forsøg. I tilfælde af særlig relativitet inkluderer disse relativitetsprincippet, lysets hastigheds konstant og tidsudvidelse. Forudsigelserne om særlig relativitet er blevet bekræftet i adskillige tests siden Einstein udgav sit papir i 1905, men tre eksperimenter udført mellem 1881 og 1938 var kritiske for dets validering. Disse er Michelson – Morley -eksperimentet , Kennedy – Thorndike -eksperimentet og Ives – Stilwell -eksperimentet . Einstein udledte Lorentz -transformationerne fra de første principper i 1905, men disse tre forsøg tillader, at transformationerne fremkaldes fra eksperimentelt bevis.

Maxwells ligninger - grundlaget for klassisk elektromagnetisme - beskriver lys som en bølge, der bevæger sig med en karakteristisk hastighed. Den moderne opfattelse er, at lys ikke behøver noget transmissionsmedium, men Maxwell og hans samtidige var overbeviste om, at lysbølger blev formeret i et medium, analogt med lyd, der formerer sig i luften, og krusninger, der formerer sig på en dam. Dette hypotetiske medium blev kaldt den lysende æter , i ro i forhold til de "faste stjerner", og som jorden bevæger sig igennem. Fresnels delvise ether-trækhypotese udelukkede måling af førsteordens (v /c) effekter, og selvom observationer af andenordens effekter (v 2 /c 2 ) principielt var mulige, mente Maxwell, at de var for små til at blive opdaget med den nuværende teknologi.

Michelson – Morley-eksperimentet var designet til at opdage andenordens effekter af "etervinden"-æterens bevægelse i forhold til jorden. Michelson designet et instrument kaldet Michelson interferometer for at opnå dette. Apparatet var mere end præcist nok til at opdage de forventede virkninger, men han opnåede et nulresultat, da det første forsøg blev udført i 1881 og igen i 1887. Selvom det ikke var en skuffelse at opdage en etervind, blev resultaterne accepteret af det videnskabelige samfund. I et forsøg på at redde æterparadigmet skabte FitzGerald og Lorentz uafhængigt en ad hoc -hypotese , hvor længden af ​​materielle legemer ændres i henhold til deres bevægelse gennem æteren. Dette var oprindelsen til FitzGerald – Lorentz -sammentrækning , og deres hypotese havde intet teoretisk grundlag. Fortolkningen af ​​nullresultatet af Michelson – Morley-eksperimentet er, at rundrejsetiden for lys er isotrop (uafhængig af retning), men resultatet alene er ikke nok til at nedbringe teorien om æteren eller validere forudsigelserne om særlige relativitet.

The Kennedy-Thorndike eksperiment vist med interferensbåndene.

Mens Michelson – Morley -eksperimentet viste, at lysets hastighed er isotrop, sagde det intet om, hvordan hastigheden ændredes (hvis overhovedet) i forskellige inertialrammer . Kennedy -Thorndike -eksperimentet var designet til at gøre det og blev først udført i 1932 af Roy Kennedy og Edward Thorndike. De opnåede et nulresultat og konkluderede, at "der ikke er nogen effekt ... medmindre solsystemets hastighed i rummet ikke er mere end omkring halvdelen af ​​jordens i sin bane". Denne mulighed blev anset for at være for tilfældig til at give en acceptabel forklaring, så ud fra deres eksperiments nulresultat blev det konkluderet, at rundretiden for lys er den samme i alle inertielle referencerammer.

Ives – Stilwell -eksperimentet blev udført af Herbert Ives og GR Stilwell først i 1938 og med bedre nøjagtighed i 1941. Det var designet til at teste den tværgående Doppler -effekt  - lysforskydningen af lys fra en bevægelig kilde i en retning vinkelret på dens hastighed— som var blevet forudsagt af Einstein i 1905. Strategien var at sammenligne observerede Doppler -skift med det, der var forudsagt af klassisk teori, og lede efter en Lorentz -faktorkorrektion. En sådan korrektion blev observeret, hvoraf det blev konkluderet, at frekvensen af ​​et atomur i bevægelse ændres i henhold til særlig relativitet.

Disse klassiske eksperimenter er blevet gentaget mange gange med øget præcision. Andre eksperimenter omfatter f.eks. Relativistisk energi og momentumforøgelse ved høje hastigheder, eksperimentel test af tidsudvidelse og moderne søgninger efter Lorentz -krænkelser .

Generelle relativitetstests

Almen relativitet er også blevet bekræftet mange gange, de klassiske eksperimenter bliver den perihelium præcession af Mercury 's bane, den afbøjning af lys fra Solen , og den gravitationelle rødforskydning af lys. Andre tests bekræftede ækvivalensprincippet og rammetrækning .

Moderne applikationer

Langt fra at være simpelthen af ​​teoretisk interesse, er relativistiske effekter vigtige praktisk -tekniske bekymringer. Satellitbaseret måling skal tage hensyn til relativistiske effekter, da hver satellit er i bevægelse i forhold til en jordbunden bruger og dermed er i en anden referenceramme under relativitetsteorien. Globale positioneringssystemer som GPS , GLONASS og Galileo skal tage højde for alle de relativistiske effekter, såsom konsekvenserne af Jordens gravitationsfelt, for at arbejde med præcision. Dette er også tilfældet i højpræcisionsmåling af tid. Instrumenter lige fra elektronmikroskoper til partikelacceleratorer ville ikke fungere, hvis relativistiske overvejelser blev udeladt.

Asymptotiske symmetrier

Rumtiden symmetri gruppe for særlig relativitet er Poincaré gruppen , som er en ti-dimensionel gruppe af tre Lorentz boosts, tre rotationer og fire rumtid oversættelser. Det er logisk at spørge, hvilke symmetrier der eventuelt kan gælde i General Relativity. En form, der kan behandles, kan være at overveje rumtidens symmetrier set af observatører, der er placeret langt væk fra alle gravitationsfeltets kilder. Den naive forventning til asymptotisk flade rumtidssymmetrier kan simpelthen være at udvide og gengive symmetrierne ved flad rumtid med særlig relativitet, dvs. , Poincaré -gruppen.

I 1962 behandlede Hermann Bondi , MG van der Burg, AW Metzner og Rainer K. Sachs dette asymptotiske symmetri problem for at undersøge energistrømmen i det uendelige på grund af udbredelse af gravitationsbølger . Deres første skridt var at beslutte nogle fysisk fornuftige grænsebetingelser, der skulle placeres på tyngdefeltet ved lyslignende uendelighed for at karakterisere, hvad det vil sige at sige, at en metrisk er asymptotisk flad, uden at man forud for antagelser om arten af ​​den asymptotiske symmetri-gruppe gør- ikke engang antagelsen om, at en sådan gruppe eksisterer. Efter at have designet, hvad de betragtede som de mest fornuftige randbetingelser, undersøgte de arten af ​​de resulterende asymptotiske symmetri -transformationer, der efterlader invariant formen af ​​randbetingelserne, der er passende for asymptotisk flade gravitationsfelter. Hvad de fandt ud af var, at de asymptotiske symmetri -transformationer faktisk danner en gruppe, og strukturen i denne gruppe afhænger ikke af det særlige tyngdefelt, der tilfældigvis er til stede. Det betyder, at man som forventet kan adskille rumtiden kinematik fra tyngdefeltets dynamik i det mindste ved rumlig uendelighed. Den gådefulde overraskelse i 1962 var deres opdagelse af en rig uendelig-dimensionel gruppe (den såkaldte BMS-gruppe) som den asymptotiske symmetri-gruppe, i stedet for den endelige-dimensionelle Poincaré-gruppe, som er en undergruppe af BMS-gruppen. Ikke alene er Lorentz -transformationerne asymptotiske symmetri -transformationer, der er også yderligere transformationer, der ikke er Lorentz -transformationer, men er asymptotiske symmetri -transformationer. Faktisk fandt de en ekstra uendelighed af transformationsgeneratorer kendt som supertranslationer . Dette indebærer den konklusion, at generel relativitet ikke reduceres til særlig relativitet i tilfælde af svage felter på lange afstande.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links