Revolutionerande fysiker använde sin fantasi, inte komplex matematik för att komma med sina mest berömda och eleganta ekvation. Den Allmänna relativitetsteorin är känd som förutsäger ett konstigt men sant fenomen, som den åldrande astronauter i rymden jämfört med människor på Jorden och förändringar i form av fasta föremål vid höga hastigheter.
Men det är intressant att om du tar en kopia av den ursprungliga papper av Einstein på relativitetsteorin 1905, det är ganska lätt att plocka isär. Texten är enkel och begriplig, och mestadels algebraiska ekvationer — de kommer att kunna plocka isär en high school student.
Allt på grund av den komplexa matematiska var aldrig stark färg av Einstein. Han tyckte om att tänka fantasifullt, att experimentera med din fantasi och föreställningar dem så länge som den fysiska idéer och principer kommer inte att visas kristallklart.
Det är vad som startade den tänkte experiment av Einstein, när han bara var 16 år gammal, och hur de slutligen ledde honom till den mest revolutionerande ekvation i modern fysik.
1895: kör nära strålen av ljus
Vid denna tid livet av Einstein hans illa dolda förakt för den tyska rötter i den auktoritära undervisningsmetoder i Tyskland har spelat en roll, och han blev utesluten från high school, så han flyttade till Zürich i hopp om upptagande till det Schweiziska Federala tekniska Institutet (ETH).
Men först, Einstein bestämde sig för att tillbringa ett år på en utbildning på skolan i den närliggande staden Aarau. På denna plats snart upptäckte han att undrade vad det var som att köra tillsammans med en stråle av ljus.
Einstein redan lärt sig i det fysiska klassrummet, vad är den stråle av ljus: en uppsättning av oscillerande elektriska och magnetiska fält som rör sig med en hastighet på 300 000 kilometer per sekund mätt med ljusets hastighet. Om han skulle köra nära samma hastighet, Einstein insåg att han kunde se en hel del av oscillerande elektriska och magnetiska fälten runt honom, som om de är frysta i rymden.
Men det var omöjligt. Först det stationära området skulle strida mot Maxwells ekvationer, matematiska lagar, som var som alla läkare visste om elektricitet, magnetism och ljus. Dessa lagar var (och fortfarande är) ganska strikt: alla vågor i dessa områden bör röra sig med ljusets hastighet och kan inte stå stilla, inga undantag.
Värre, stationärt fält är inte i linje med principen om relativitetsteorin, som var känd för att fysiker sedan tiden av Galileo och Newton i den 17: e talet. I själva verket principen om relativitetsteorin säger att fysikens lagar inte kan bero på hur snabbt du flytta: du kan bara mäta hastigheten på ett föremål i förhållande till en annan.
Men när Einstein tillämpas denna princip till mitt tankeexperiment, det är en motsägelse: relativitetsteorin innebar att allt han kunde se, som rör sig nära den stråle av ljus, bland annat ett stationärt fält måste vara något vardagligt som fysiker kan skapa i laboratorier. Men detta har aldrig observerats.
Denna fråga kommer att väcka Einstein 10 år, hela hans lära sig och arbeta på ETH och rörelser till den Schweiziska huvudstaden Bern, där han kommer att bli en examinator i den Schweiziska patentverket. Det är det att han kommer att lösa det paradoxala i att en gång för alla.
1904: mätning av ljus från ett tåg i rörelse
Det var inte lätt. Einstein försökte varje lösning som kom till hans sinne, men ingenting fungerade. Nästan i desperation, han började fundera, men enkla, men radikal lösning. Kanske Maxwells ekvationer arbete för alla, tänkte han, men ljusets hastighet alltid är konstant.
Med andra ord, när du ser en passerar ljusstrålen, oavsett om källan rör sig mot dig, från dig, till sida eller någon annanstans, och oavsett hur snabbt dess källa är i rörelse. Ljusets hastighet mäter du kommer alltid att vara 300,000 kilometer per sekund. Detta har bland annat inneburit att Einstein aldrig se en stationär oscillerande fält som aldrig kommer att kunna fånga en stråle av ljus.
Det var det enda jag såg Einstein för att förena Maxwells ekvationer med relativitetsteorin princip. Vid en första anblick, men detta beslut hade sin egen dödlig fel. Senare förklarade han det med ett annat tankeexperiment: föreställ dig en stråle som går längs banvallen, medan tåget går i samma riktning med en hastighet, säg, 3000 kilometer per sekund.
Någon som står nära den kullen kommer att ha för att mäta hastigheten på ljusstrålen och att standarden antal 300 000 kilometer per sekund. Men någon på tåget kommer att se ljuset rör sig med hastigheten av 297,000 km / sek. Om ljusets hastighet är intermittent, Maxwells ekvation inne i bilen skulle se annorlunda ut, konstaterade Einstein, och sedan kombinatioen kränks.
Denna motsägelse har tvingat Einstein för att tänka i nästan ett år. Men så en morgon i maj 1905, och han gick för att arbeta med sin bästa vän Michel Besso, en ingenjör, som han kände sedan studenten år i Zürich. De två män som pratade om dilemmat med Einstein, som alltid. Och plötsligt Einstein såg lösningen. Han arbetade på den hela natten och nästa morgon när de träffades, Einstein sade Besso: “Tack. Jag är helt löst problemet.”
Maj 1905: blixten slår tåg i rörelse
Einstein ‘ s uppenbarelse var som observatörer i relativ rörelse uppfatta tiden på ett annat sätt: det är möjligt att två händelser inträffar samtidigt från synpunkt av en observatör, men vid olika tidpunkter från synpunkt av en annan. Och både observatör skulle vara rätt.
Senare Einstein illustrerat sin punkt ett annat tankeexperiment. Föreställ dig att bredvid en järnväg igen observatören, och förbi honom, som transporteras med tåg. I det ögonblicket, när den centrala punkten i tåget passerar en observatör, i varje ände av tåget träffade av blixten. Eftersom blixtar slog på samma avstånd från observatören, deras bakgrund får i hans ögon samtidigt. Det är rättvist att säga att blixten slog samtidigt.
Under tiden, precis i centrum av tåg det är en annan observatör. Från hans synvinkel, ljuset från de två blixtnedslag är samma avstånd och ljusets hastighet är densamma i någon riktning. Men eftersom tåget är i rörelse, ljuset som kommer från baksidan av blixten, måste färdas en längre sträcka, så det träffar observatör några ögonblick senare än ljus från början. Eftersom ljuspulser som kommer fram vid olika tillfällen, kan vi dra slutsatsen att blixten slår inte samtidigt är snabbare.
Einstein insåg att detta förhållande samtidighet. Och när du bekräftar detta, konstiga effekter som vi nu förknippar med relativitetsteorin, löses med hjälp av enkel algebra.
Einstein febrilt skrev ner sina idéer och lämnade in sitt arbete för publicering. Titeln var “På elektrodynamik mellan kroppar i rörelse”, och det avspeglar försöket av Einstein för att förena Maxwells ekvationer med relativitetsteorin princip. Besso gjordes ett särskilt tack.
September 1905: massa och energi
Detta första arbete, men inte sista. Var Einstein besatt av relativitetsteorin tills sommaren 1905, och i September skickade den andra artikeln ska publiceras, redan, när, med facit i hand.
Det grundades på en enda tanke experiment. Tänk dig ett föremål i vila, sade han. Tänk dig nu att samtidigt avger två identiska lätta puls i motsatta riktningar. Objektet kommer att stanna på plats, men eftersom varje puls tar en viss mängd energi som finns i ett objekt, energi kommer att minska.
Nu, Einstein skrev, kommer se ut som denna process för att flytta observatör? Från hans synvinkel, objekt kommer helt enkelt att fortsätta röra sig i en rak linje, medan de två impulser kommer att flyga. Men även om hastigheten på de två pulser kommer att förbli den samma — ljusets hastighet — deras energi kommer att vara annorlunda. Dynamiken är på väg framåt i rörelseriktningen, kommer att ha en högre energi än den som rör sig i motsatt riktning.
Lägga till en lite algebra, Einstein visade att det var i följd, bör föremålet inte bara förlorar energi när du sänder ljuspulser, men också en hel del. Eller massa och energi måste vara utbytbara. Einstein skrev den ekvation som förbinder dem. Och det blev den mest berömda ekvation i science: E = mc2.
Den Allmänna relativitetsteorin: fyra åtgärder som vidtagits av geni
Ilya Hel