Revolutionerende fysiker brugte sin fantasi, ikke er komplekse matematik til at komme med deres mest berømte og elegante ligning. Den Generelle relativitetsteori er kendt som forudsiger et mærkeligt, men sandt fænomener, som den aldrende astronauter i rummet i forhold til mennesker på Jorden og ændringer i form af faste genstande ved høje hastigheder.
Men det er interessant, at hvis du tager en kopi af de originale papirer af Einstein om relativitetsteori i 1905, det er temmelig let at demontere. Teksten er enkel og forståelig, og for det meste algebraiske ligninger — de vil være i stand til at adskille alle high school elev.
Alt sammen på grund af den komplekse matematik var aldrig stærke kulør Einstein. Han kunne godt lide at tænke kreativt, for at eksperimentere med din fantasi og konceptualisere dem, så længe de fysiske ideer og principper vil ikke være synlig krystalklart.
Det er, hvad der startede den tanke eksperimenter, om Einstein, da han kun var 16 år gammel, og hvordan de i sidste ende førte ham til den mest revolutionære ligning i moderne fysik.
1895: kører nær stråle af lys
På dette tidspunkt i livet af Einstein sin sygdom skjult foragt for den tyske rødder af den autoritære pædagogiske metoder i Tyskland har spillet en rolle, og han blev bortvist fra gymnasiet, så han flyttede til Zürich i håb om indrømmelse af, at den Schweiziske Føderale Institut for teknologi (ETH).
Men først, Einstein besluttede at tilbringe et års uddannelse på skolen i den nærliggende by af Aarau. På dette sted han opdagede hurtigt, at spekuleret over, hvad det var ligesom at køre sammen med en stråle af lys.
Einstein allerede har lært i det fysiske klasseværelse, hvad der er den stråle af lys: et sæt af oscillerende elektriske og magnetiske felter i bevægelse ved en hastighed på 300 000 km per sekund målt lysets hastighed. Hvis han ville køre i nærheden af samme hastighed, Einstein indså, at han kunne se en masse af oscillerende elektriske og magnetiske felter omkring ham, som om frosset på plads.
Men det var umuligt. Første, den stationære område ville være i strid med Maxwell ‘ s ligninger, de matematiske love, der blev lagt alle fysikere vidste om elektricitet, magnetisme og lys. Disse love var (og stadig er) meget strenge: alle bølger i disse felter skal bevæge sig med lysets hastighed og kan ikke stå stille, ingen undtagelser.
Hvad værre er, stationære felter er ikke i overensstemmelse med princippet om relativitet, som var kendt for at fysikere siden Galileo og Newton i det 17. århundrede. I virkeligheden, princippet om relativitet siger, at fysikkens love ikke kan afhænge af, hvor hurtigt du flytter: du kan kun måle hastigheden af et objekt i forhold til en anden.
Men når Einstein anvendt dette princip til min tanke-eksperiment, der er en modsigelse: relativitet dikteret, at alle kunne han se, der bevæger sig tæt på den stråle af lys, herunder en stationær område skal være noget helt banalt, at fysikere kan skabe på laboratorier. Men det er aldrig blevet observeret.
Dette spørgsmål vil vække Einstein 10 år mere, i hele sin læreproces og arbejde på ETH og bevægelser til den Schweiziske hovedstad Bern, hvor han vil blive en censor, i det Schweiziske patentkontor. Det er der, at han vil løse det paradoks, der én gang for alle.
1904: måling af lys fra et tog i bevægelse,
Det var ikke let. Einstein forsøgte hver løsning, der kom til hans sind, men intet virkede. Nærmest i desperation, begyndte han at tænke over, men simple, men radikal løsning. Måske Maxwell ‘ s ligninger arbejde for alle, tænkte han, men lysets hastighed var altid konstant.
Med andre ord, når du ser en lysstråle passerer, uanset om kilden bevæger sig mod dig, fra dig, at den side eller et andet sted, og uanset hvor hurtigt dens kilde er i bevægelse. Lysets hastighed du foranstaltning, vil altid være omkring 300.000 km per sekund. Blandt andre ting, det betød, at Einstein aldrig se en stationær oscillerende felt, som aldrig vil være i stand til at fange en stråle af lys.
Det var den eneste måde, jeg så Einstein til at forene Maxwell ‘ s ligninger med relativitets-princippet. Ved første øjekast, men denne beslutning havde sin egen fatal fejl. Senere forklarede han det med en anden tanke-eksperiment: forestil dig at en lysstråle, der løber langs jernbanedæmningen, mens toget kører forbi i samme retning med en hastighed, sige, 3000 kilometer per sekund.
En person, der stod i nærheden af højen bliver nødt til at måle hastigheden af den lysstråle, og at det normale antal af 300 000 km per sekund. Men nogen på toget vil se lyset bevæger sig med en hastighed af 297,000 km / sek. Hvis lysets hastighed er uregelmæssig, Maxwells ligning inde i bilen bør se anderledes ud, der er indgået Einstein, og så princippet om relativitet er overtrådt.
Denne tilsyneladende modsigelse er tvunget Einstein til at tænke i næsten et år. Men så en morgen i maj 1905, han gik til at arbejde med sin bedste ven, Michel Besso, en ingeniør, hvem han vidste, da studerende år i Zürich. De to mænd talte om det dilemma, at Einstein, som altid. Og pludselig Einstein så den løsning. Han arbejdede på det hele natten, og næste morgen, da de mødtes, Einstein sagde Besso: “Tak skal du have. Jeg er helt løst problemet.”
Maj 1905: lynnedslag tog i bevægelse
Einstein ‘ s åbenbaring var, at observatørerne i relativ bevægelse opfatter tid på en anden måde: det er muligt, at to begivenheder vil indtræffe samtidigt fra det synspunkt af en observatør, men på forskellige tidspunkter fra det synspunkt af en anden. Og både observatør ville være det rigtige.
Senere Einstein illustrerede sin pointe en anden tanke eksperiment. Forestil dig, at ved siden af en jernbane, som igen observatøren, og forbi ham, båret af toget. I det øjeblik, hvor midtpunktet af toget passerer den observatør, der i hver ende af toget ramt af lynet. Da lynet ramte i samme afstand fra observatøren, at deres lys bliver i hans øjne på samme tid. Det er fair at sige, at lynet ramt samtidig.
I mellemtiden, præcis i midten af de tog der er en anden iagttager. Fra hans synspunkt, lyset fra de to lynnedslag er den samme afstand og lysets hastighed er den samme i alle retninger. Men da toget er i bevægelse, at det lys, der kommer fra den bageste del af lynet, der skal rejse længere afstande, så det rammer den observatør, der er et par øjeblikke senere end lyset fra begyndelsen. Fordi de lysimpulser ankommer på forskellige tidspunkter, kan vi konkludere, at lynnedslag er ikke samtidige ene er hurtigere.
Einstein indså, at denne relative samtidighed. Og når du erkender dette, mærkelige effekter, som vi nu forbinder med relativitetsteori, er løst ved hjælp af simple algebra.
Einstein febrilsk skrev ned ad hans ideer og fremlagde hans arbejde med henblik på offentliggørelse. Titlen var “På elektrodynamik af bevægelige organer”, og det afspejler et forsøg på at Einstein til at forene Maxwell ‘ s ligninger med relativitets-princippet. Besso blev gjort en særlig tak.
September 1905: masse og energi
Det første arbejde, men ikke sidste. Var Einstein besat med relativitetsteori, indtil sommeren 1905, og i September sendt den anden artikel, der offentliggøres, allerede, efter at der, set i bakspejlet.
Det var grundlagt på en enkelt tanke eksperiment. Forestil dig et objekt i hvile, sagde han. Forestil dig nu, at samtidig udsender to identiske lys puls i modsatte retninger. Objektet vil forblive på plads, men da hver puls, tager en bestemt mængde af energi, der er indeholdt i et objekt, vil den energi, falde.
Nu, Einstein skrev, vil ligne denne proces for at flytte observatør? Fra hans synspunkt, vil objektet blot at fortsætte med at bevæge sig i en lige linje, mens de to impulser vil flyve. Men selv om hastigheden af de to pulser vil forblive den samme — lysets hastighed — deres energi vil være forskellige. Momentum er på vej fremad i retning af bevægelse, vil have et højere energiforbrug end det der bevæger sig i den modsatte retning.
Tilføjelse af en lille algebra, Einstein viste, at der for alle var det træk, objektet skal ikke kun at miste energi, når du sender lysimpulser, men også en masse. Eller masse og energi skal kunne udskiftes. Einstein skrev den ligning, der forbinder dem. Og det blev den mest berømte ligning i videnskaben: E = mc2.
Den Generelle relativitetsteori: fire skridt, der er taget af geniet
Ilya Hel