Hızlanan bir cismin kütle kazandığı doğru mu?
Bu, fiziği iki dakikadan kısa bir sürede açıklamaya çalışan birkaç YouTube videosu izleyen birinden duymuş olabileceğiniz bir şey. Temel bilgilerle başlayalım. “Hızlanmak” ve “kütle” ile ne demek istiyoruz?
Yığın bir nesnede ne kadar şey olduğudur. Hızlanma bir nesnenin hızını değiştirdiği herhangi bir zamandır – buna hızlanma ve yavaşlama dahildir. Bu, kütledeki bir değişiklikle nasıl ilişkilidir?
kozmik hız sınırı
Fizikteki pek çok şey gibi, cevap da Albert Einstein’ın görelilik üzerine çalışmasında bulunabilir.
Einstein bize iki görelilik teorisi sağladı: özel görelilik ve genel görelilik. Ve belki biraz mantık dışı bir şekilde, daha karmaşık teori genel göreliliktir. Özel görelilik özel çünkü çok büyük miktarlarda enerji, ultra yüksek hızlar ve çok büyük mesafeler içeren özel durumlara bakıyor ve bunların tümü yerçekimi olmadan.
Özel görelilik bize hız ile kütle, uzay ve zaman arasındaki ilişkiyi anlatır. Belki bununla nereye gittiğimizi görebilirsin. Einstein, ışık hızının belirlediği kozmik hız sınırı nedeniyle bu şeyleri düşünmek zorunda kaldı – saniyede yaklaşık 300.000 kilometre!
Hiçbir şeyin ışık hızından daha hızlı gidemediği yaygın olarak bilinir. Ama neden? Uzayda hız kamerası yokken, bu doğa yasasını denetleyen nedir? Peki bu hızı aşmaya çalıştığımızda ne olur?
Görelilik teorisinin kendisiyle başlamalıyız.
Göreceli olarak, özel
Öne dönük bir trende oturduğunuzu varsayalım. Tren saatte 60 kilometre hızla gidiyor. Bir tenis topu tutuyorsun. Şimdi diyelim ki tenis topunu saatte 20 kilometre hızla trenin gittiği yöne doğru atıyorsunuz.
Topu yavaşlatacak olan hava direncini göz ardı ederek, sizin açınızdan top saatte 20 kilometre yol alıyor. Ama tren geçerken bir tren istasyonunda duran birinin bakış açısından, tenis topu trenin birleşik hızında seyahat ediyor. ve senin atışın – 80 saatte kilometre.
Şimdi trenin yarı ışık hızında hareket ettiğini hayal edin. Trenin gittiği yöne tenis topu atmak yerine lazer parlatırsınız. Arkadaşımızı tam olarak aynı anda aynı yöne lazer parlaması için demiryolu platformuna çıkaralım.
Tenis topu örneğinden, trende parlayan ışığın trenin birleşik hızında seyahat ettiğini çıkarabilirsiniz. ve ışık hızı – veya ışık hızının bir buçuk katı. Bu nedenle, rayın binlerce kilometre aşağısındaki üçüncü bir gözlemci, trenden gelen ışığın önce geldiğini görecektir… diye düşünürdünüz. Ama Einstein’a göre bu olamaz.
Einstein, ışığın hızının sabit olduğunu kuramlaştırdı, bu nedenle trendeki ışık, platformdan gelen ışıkla aynı anda üçüncü gözlemciye ulaşacaktı. Burada değişen ışık hızı değil, zaman ve uzayın kendisidir. Einstein, “eşzamanlı” gibi kelimelerin anlamı hakkında farklı düşünmemiz gerektiğini önerdi.
Uzay ve zaman, farklı gözlemciler için hareket durumlarına veya Einstein’ın dediği gibi “ataletsiz referans çerçevelerine” bağlı olarak farklı davranır.
Böylece Einstein, dışarıdan bir gözlemciye göre nesneler ışık hızına yaklaştıkça zamanın genişlediğini (yavaşladığını) ve uzayın büzüldüğünü (kısaldığını) öne sürdü. Işık hızının yarısı kadar hızla giden tren, dışarıdan bir gözlemciye daha kısa görünür ve trende olmayanlar için, eski benliğinin ezilmiş ve bulanık bir versiyonu gibi görünen daha fazla zaman geçmiştir. Ancak o zaman trenden gelen ışığın ve peronun üçüncü gözlemci tarafından neden aynı anda görüldüğünü açıklayabilirsiniz.
Einstein’ı teorisine götüren bu gibi düşünce deneyleriydi. Einstein görelilik ve enerji arasında bir ilişki olduğunu fark etti.
Aydınlık uzay ineğine girin
Uzayda tamamen hareketsiz duran ışık saçan bir inek hayal edin. Newton mekaniğine göre, ineğin kinetik enerjisi yoktur – hareketten elde edilen enerji. Ama inekten gelen ışık enerji taşır, bu yüzden ışık saçan inek enerji kaybeder.
Şimdi, bir uzay gemisinde ışık saçan ineği yakınlaştıracak olursanız, referans çerçevenizden inek sizi geçer. Bu nedenle sahip olmak hala ışık şeklinde enerji kaybederken kinetik bir enerji.
Sireni açıkken yanınızdan geçen bir ambulans düşünün. Ambulans uzaklaştıkça sirenin perdesi değişir çünkü ses dalgalarının daha fazla yol alması gerekir.
Işık hemen hemen aynı şekilde hareket eder. Işıltılı uzay ineğini yakınlaştırdıkça, inekten gelen ışık dalgaları renk değiştirir ve sizin referans çerçevenizde size göre ineğin verdiği enerji farklıdır!
Ama toplam enerji zorunlu her iki durumda da aynı olun: yakınlaştırıyor olsanız da olmasanız da. Parlayan uzay ineğine hiçbir şey yapmadın.
Bazı basit cebir, Einstein’ı dünyanın en ünlü denklemine götürdü: E = mc2. Einstein, enerjinin (E) ve kütlenin (m) bir sabite, yani ışık hızının karesine eşit olduğunu buldu.
Kütle hakkında düşünmenin bir yolu, bir nesneyi hareket ettirmenin ne kadar zor olduğudur. Daha büyük veya daha ağır bir nesneyi taşımak, daha hafif olandan daha zordur. Daha ağır olan nesnenin ataleti daha fazladır.
Bu gerçekleri koymak E=mc2ışık hızının sabit olduğu göz önüne alındığında, enerji ne kadar büyükse, kütle de o kadar büyük olur.
İnatçılık, kütle ve atalet
Bu kazanılan atalet, yalnızca çok yüksek hızlarda önemli hale gelir. Nesne ışık hızına yaklaştıkça kazanç artar. Işık hızında, nesnenin artan eylemsizliğinin üstesinden gelmek için sonsuz miktarda enerjiye ihtiyacınız olacaktır.
Bütün bunlar Einstein’ın varsayımına dayanıyor – ışık hızının sabit olduğu. Yine de Einstein’ın denklemlerine uygun olarak, ışık parçacıklarının – fotonların – kütleleri yoktur, yani üstesinden gelmeleri gereken bir ataletleri yoktur. Bu nedenle ışık hızında seyahat edebilirler. Aynı zamanda, ışık hızına yakın bir hızda seyahat ettiğinizde, zamanın genişlemesinin – sizin için yavaşlamasının – sizin için daha hızlı olduğu anlamına gelme olasılığını da açar. abilir geleceğe yolculuk. Saniyede 300.000 kilometrelik basketbol sahasına girebildiğiniz sürece.
Koşuya çıktığınızda, hatta bir trende veya uçakta bile artan bir kütle fark etmeyecek olsanız da, sorunun arkasındaki fizik kafa karıştırıcı olduğu kadar güzel. Evren gerçekten çok garip bir yer.