Einsteins relativitetsteori

Einsteins relativitetsteori är en berömd teori, men den är lite förstått. Relativitetsteorin hänvisar till två olika element i samma teori: allmän relativitet och speciell relativitet. Teorin om special relativitet introducerades först och ansågs senare vara ett specialfall för den mer omfattande teorin om allmän relativitet.

Allmän relativitet är en gravitationsteori som Albert Einstein utvecklade mellan 1907 och 1915, med bidrag från många andra efter 1915.

Relativitetsbegrepps teori

Einsteins relativitetsteori inkluderar samverkan av flera olika begrepp, som inkluderar:

• Einsteins teori om speciell relativitet - lokaliserat beteende hos objekt i tröghetsramar, vanligtvis endast relevant vid hastigheter mycket nära ljusets hastighet
• Lorentz Transformationer - transformationsekvationerna som används för att beräkna koordinatförändringarna under speciell relativitet
• Einsteins teori om allmän relativitet - den mer omfattande teorin, som behandlar tyngdkraften som ett geometriskt fenomen i ett krökt rymdtidskoordinatsystem, som också inkluderar icke-inertiella (dvs. accelererande) referensram
• Grundläggande principer för relativitet

Vad är relativitet?

Klassisk relativitet (definierad initialt av Galileo Galilei och förfinad av Sir Isaac Newton) innebär en enkel transformation mellan ett rörligt objekt och en observatör i en annan tröghetsram. Om du går i ett rörligt tåg, och någon som står på marken tittar på, kommer din hastighet i förhållande till observatören att vara summan av din hastighet relativt tåget och tågets hastighet relativt observatören. Du befinner dig i en tröghetsram, själva tåget (och alla som sitter stilla på det) befinner sig i en annan, och observatören är i en annan.

Problemet med detta är att ljus under de flesta av 1800-talet tros sprida sig som en våg genom ett universellt ämne som kallas etern, vilket skulle ha räknats som en separat referensram (liknande tåget i exemplet ovan) ). Det berömda Michelson-Morley-experimentet hade dock inte lyckats upptäcka jordens rörelse relativt etern och ingen kunde förklara varför. Något var fel med den klassiska tolkningen av relativitet när den gällde för ljus ... och så fältet var mogen för en ny tolkning när Einstein kom med.

Introduktion till speciell relativitet

1905 publicerade Albert Einstein (bland annat) ett papper som heter "On the Electrodynamics of Moving Bodies" i tidskriften Annalen der Physik. Uppsatsen presenterade teorin om special relativitet, baserad på två postulater:

Einsteins postulater

Relativitetsprincipen (första postulatet): Fysikens lagar är desamma för alla tröghetsreferenser.

Principen om ljusets hastighet (andra postulat): Ljus sprids alltid genom ett vakuum (dvs tomt utrymme eller "fritt utrymme") med en bestämd hastighet, c, som är oberoende av den emitterande kroppens rörelsestillstånd.

I själva verket presenterar uppsatsen en mer formell, matematisk formulering av postulaten. Frasering av postulaten skiljer sig något från lärobok till lärobok på grund av översättningsfrågor, från matematisk tysk till begriplig engelska.

Det andra postulatet är ofta felaktigt skrivet för att inkludera att ljusets hastighet i ett vakuum är c i alla referensramar. Detta är faktiskt ett härledt resultat av de två postulaten, snarare än en del av det andra postulatet självt.

Det första postulatet är ganska mycket sunt förnuft. Det andra postulatet var dock revolutionen. Einstein hade redan introducerat fotonteorin om ljus i sitt papper om den fotoelektriska effekten (vilket gjorde etern onödig). Det andra postulatet var därför en följd av att masslösa fotoner rörde sig med hastigheten c i vakuum. Etern hade inte längre en speciell roll som en "absolut" tröghetsram, så den var inte bara onödig utan kvalitativt värdelös under speciell relativitet.

När det gäller själva papperet var målet att förena Maxwells ekvationer för elektricitet och magnetism med rörelsen av elektroner nära ljusets hastighet. Resultatet av Einsteins uppsats var att införa nya koordinattransformationer, kallad Lorentz-transformationer, mellan tröghetsramar. Vid låga hastigheter var dessa transformationer väsentligen identiska med den klassiska modellen, men vid höga hastigheter, nära ljusets hastighet, gav de radikalt olika resultat.

Effekter av speciell relativitet

Speciell relativitet ger flera konsekvenser av att tillämpa Lorentz-transformationer med hög hastighet (nära ljusets hastighet). Bland dem är: