Görelilik Einstein'ın Mucizesi Değildi; 71 Yıldır Göz Önünde Bekliyor
Işık hızına yakın hareket etmek, sabit bir referans çerçevesinde kalan kişiye karşı yolcu için zamanın önemli ölçüde farklı geçmesine neden olacaktır. Ama ne ikiz paradoks ne de Michelson-Morley deneyi, Einstein'ın görelilik geliştirme tohumlarını ekmedi. (İKİZ PARADOKS, ÜZERİNDEN İKİZ-PARADOX.COM )
Faraday'ın tümevarım yasası 1834'te ortaya kondu ve Einstein'ın göreliliği keşfetmesine yol açan deneydi.
Einstein'ı ve görelilik teorisini düşündüğümüzde, etrafını türlü türlü efsaneler sarar. Bir eter ya da ışığın içinden geçebileceği bir ortam diye bir şeyin olmadığı fikrini kavramasına ilham veren şey neydi? Birbirlerine göre nasıl hareket ederlerse etsinler, tüm gözlemciler için ışık hızının sabit ve değişmez olduğu fikrine onu iten nedir?
İnsanların işaret etmeyi sevdiği birçok büyük gelişme vardı. Eterde hareket arayan ve hiçbir şey tespit etmeyen Michelson-Morley deneyi vardı. Lorentz ve Fitzgerald'ın ışık hızına yaklaştığınızda uzunlukların daraldığını ve zamanın genişlediğini gösteren çalışmaları vardı. Ve onlarca yıl önce elektriği manyetizma ile birleştiren Maxwell'in çalışması vardı.
Ama bunların hiçbiri değildi. Einstein'ın kendisine göre, 1834'te Faraday'ın yaptığı bir deneydi. Elektromanyetik indüksiyon yasasıydı.
1856 dolaylarında, Kraliyet Enstitüsünde bir Noel dersi veren Michael Faraday'ın bir litografisinden detay. (ALEXANDER BLACKLEY)
Michael Faraday, 19. yüzyılın en büyük fizikçilerinden biriydi, ancak çoğu zaman takdir etmediğimiz bir şekilde harikaydı. Bugün onu sadece bir tamirci olarak görmezden gelebiliriz, çünkü büyük başarıları denklemlere veya açıkça nicel tahminlere değil, daha çok ustaca deney düzenlerinin ortaya çıkardığı sonuçlara dayanıyordu.
Faraday, elektriğin ilk kullanıldığı ve uygulamalarının henüz emekleme döneminde olduğu bir zamanda, elektriğin manyetizma ile birbirine bağlı doğası hakkında derin gerçekleri açığa çıkarıyordu.
Bir çubuk mıknatısla gösterildiği gibi manyetik alan çizgileri: kuzey ve güney kutbunun birbirine bağlı olduğu bir manyetik dipol. Bu kalıcı mıknatıslar, herhangi bir harici manyetik alan alındıktan sonra bile mıknatıslanmış halde kalır. Manyetizma ve elektriğin yüzyıllar boyunca bağlantılı olduğu anlaşılamadı. (NEWTON HENRY BLACK, HARVEY N. DAVIS (1913) PRATİK FİZİK)
Elektrik ve manyetizma her zaman birbirine bağlı değildi. Aslında, başlangıçta tamamen bağımsız fenomenler olarak ele alındılar.
- Elektrik, ya durağan (çekecekleri ya da itecekleri yerde) ya da hareket halinde (elektrik akımları yaratacakları yerde) olabilen yüklü parçacıklar kavramına dayanıyordu; statik elektrik birincisine bir örnek ve yıldırım buna bir örnekti. ikincisi.
- Manyetizma, belirli minerallerin veya metallerin kalıcı olarak manyetize edilebildiği kalıcı bir fenomen olarak ele alındı ve Dünya'nın kendisi de kalıcı bir mıknatıs olarak görüldü ve pusula ile yönlendirilmeye izin verildi.
Sadece 1820'de, Oerstad deneyi , bu iki olgunun bağlantılı olduğunu anlamaya başladık.
İlk kez 21 Nisan 1820'de Danimarkalı bilim adamı Hans Christian Øersted tarafından gerçekleştirilen, elektrik akımlarının manyetik alanlar oluşturduğunu gösteren Øersted deneyini gerçekleştirmek için okul cihazı. Bir pusula iğnesi üzerine asılan iletken bir telden oluşur. Şekildeki gibi telden elektrik akımı geçtiğinde pusula iğnesi tel ile dik açı yapacak şekilde sapar. (AGUSTINE PRIVAT-DESCHANEL)
İçinden elektrik akımı geçen bir telin yanına bir pusula iğnesi koyarsanız, pusula iğnesinin her zaman tele dik olarak hizalanmak üzere yön değiştirdiğini görürsünüz. Aslında bu o kadar kötü bir şekilde öngörülmüştü ki, deney ilk yapıldığında iğne başlangıçta tele dik olarak kurulmuş ve herhangi bir etki gözlenmemişti. Beklenti, iğnenin elektrik akımına dik değil, aynı hizada olmasıydı.
O halde, zaten tel ile hizalanmış iğne ile deney yapmayı düşünen ve elektrik ile manyetizma arasındaki ilk bağlantıyı gözlemleyebilen tamirciler için iyi bir şey. Bu deneyin sonucu devrim niteliğinde bir şey gösterdi: bir elektrik akımı veya hareketli elektrik yükleri bir manyetik alan oluşturdu. Faraday tarafından atılan bir sonraki adım daha da devrimci olacaktır.
Bir çubuk mıknatıs ve bir tel halkası ile gösterilen elektromanyetik indüksiyon kavramı. (WESTERN WASHINGTON ÜNİVERSİTESİ'NDEN RICHARD VAWTER)
Newton'un üçüncü hareket yasasını duymuş olabilirsiniz: Her eylem için eşit ve zıt bir tepki vardır. Bir cismi iterseniz, cisim size eşit ve zıt bir kuvvetle geri iter. Dünya sizi yerçekimi nedeniyle aşağı çekiyorsa, yine yerçekimi nedeniyle Dünya'yı eşit ve zıt bir kuvvetle yukarı çekmelisiniz.
Peki, bir telin içindeki hareket eden bir elektrik yükü bir manyetik alan oluşturabiliyorsa, o zaman belki de eşit ve tam tersi doğrudur: belki de doğru şekilde bir manyetik alan oluşturmak, elektrik yüklerinin bir telin içinde hareket etmesine ve bir elektrik akımı oluşturmasına neden olabilir mi? Faraday bu deneyi kendisi yaptı ve kalıcı bir mıknatısı içine veya dışına hareket ettirerek bir tel halkasının içindeki manyetik alanı değiştirirseniz, örneğin halkanın kendisinde bir elektrik akımı oluşturacağınızı belirledi.
Faraday'ın indüksiyon yasasının en eski uygulamalarından biri, içinde bir manyetik alan yaratacak bir tel bobininin bir malzemeyi mıknatıslayarak iç manyetik alanında bir değişikliğe neden olabileceğini not etmekti. Bu değişen alan daha sonra mıknatısın diğer tarafındaki bobinde bir akım indükleyerek iğnenin (sağda) yön değiştirmesine neden olur. Modern indüktörler hala aynı prensibe dayanmaktadır. (WIKIMEDIA COMMONS KULLANICI EVIATAR BACH)
Deney düzeneğini çeşitli şekillerde kurcaladıktan sonra, bunun nasıl çalıştığını ayrıntılı olarak gösterebildi.
- Bir ilmek veya tel bobini içindeki manyetik alanı değiştirdiğinizde, alandaki değişime karşı koyan bir elektrik akımı indüklersiniz.
- İki halka telin etrafına demir bir halka koyarsanız ve bir döngüden elektrik akımı geçirirseniz, diğer döngüde bir akım oluşturursunuz.
- Bir bakır (iletken) diski, elektrik kablosu olan bir çubuk mıknatısın yanında döndürdüyseniz, sabit bir elektrik akımı üretebilirsiniz; bu, ilk elektrik jeneratörünün icadıydı.
- Akım taşıyan bir tel bobinini, içinden akım geçmeyen bir tel bobinin içine veya dışına hareket ettirirseniz, daha büyük bobinde bir elektrik akımı yaratacaktır.
Faraday'ın indüksiyonu gösteren 1831 deneylerinden biri. Sıvı pil (sağda), küçük bobin (A) üzerinden bir elektrik akımı gönderir. Büyük bobinin (B) içine veya dışına hareket ettirildiğinde, manyetik alanı bobinde galvanometre tarafından algılanan anlık bir voltajı indükler. (J. LAMBERT)
Bu olarak bilinir hale geldi Faraday indüksiyon yasası , ve 1834'te bu düzeyde iyi anlaşılmıştı. Einstein'ın görelilik ilkesini ilk kez ortaya çıkarmaya başlaması bu fenomeni düşünerek oldu. Her ikisi de bir çubuk mıknatıs ve bir tel bobin içeren aşağıdaki iki kurulumu hayal edin:
- Sabit, sabit bir tel bobininiz ve tel bobinin içine veya dışına hareket edebileceğiniz bir çubuk mıknatısınız var. Mıknatısı bobine sabit bir hızla hareket ettirirsiniz ve bobinde elektrik akımının görünmesini izlersiniz.
- Sabit, sabit bir çubuk mıknatısınız ve mıknatısın üzerinde veya dışında serbestçe hareket edebileceğiniz bir tel bobininiz var. Bobini mıknatısın üzerine sabit bir hızla hareket ettirirsiniz ve bobinde elektrik akımının belirmesini izlersiniz.
Bu iki senaryo hakkında düşünürseniz olmadan görelilik, fiziksel olarak ne olacağı konusunda çok farklı çıkarımlara sahip olacaklardı.
Bir mıknatısı bir tel ilmek veya bobininin içine (veya dışına) hareket ettirdiğinizde, alanın iletken etrafında değişmesine neden olur, bu da yüklü parçacıklar üzerinde bir kuvvete neden olur ve hareketlerini indükleyerek bir akım oluşturur. Mıknatıs sabitse ve bobin hareket ediyorsa fenomen çok farklıdır, ancak üretilen akımlar aynıdır. Bu, görelilik ilkesinin başlangıç noktasıydı. (OPENSTAXKOLEJİ OPENTEXTBC.CA , CC-BY-4.0) ALTINDA
Mıknatısı sabit, iletken bir bobine hareket ettirdiğinizde, mıknatıs belirli bir miktarda enerji ile bir elektrik alanının ortaya çıktığını görür ve bu alan, mıknatısın ürettiği alanın enerjisine bağlı olarak iletkende bir akım üretir. Bu, yukarıdaki 1 numaralı duruma karşılık gelir.
Ama bunun yerine mıknatısı sabit tutacak ve iletkeni hareket ettirecek olsaydınız, mıknatısın etrafında ortaya çıkan hiçbir elektrik alanı olmazdı. Bunun yerine, iletkende ortaya çıkan ve buna karşılık gelen bir enerjiye sahip olmayan bir voltaj (veya elektromotor kuvvet) elde edersiniz. Bu, yukarıdaki 2 numaralı duruma karşılık gelir.
Ancak deneysel olarak, bu kurulumların her ikisi de eşdeğer olmalıdır. tel bobinlerinde aynı büyüklük ve yoğunlukta aynı elektrik akımlarını üretirler. Einstein'ı görelilik ilkesine götüren şey, diğerlerinden daha çok bu kavrayıştı.
İki ayna arasında sıçrayan bir fotonun oluşturduğu bir ışık saati, herhangi bir gözlemci için zamanı tanımlayacaktır. İki gözlemci ne kadar zamanın geçtiği konusunda birbirleriyle anlaşamasalar da, fizik yasaları ve ışık hızı gibi Evrenin sabitleri üzerinde anlaşacaklar. Görelilik doğru bir şekilde uygulandığında, ölçümlerinin birbirine eşit olduğu görülecektir. (JOHN D.NORTON)
İlke, her şeyden önce, mutlak dinlenme hali diye bir şeyin olmadığını kabul eder. Görelilik, ne kadar hızlı veya hangi yönde hareket ettiklerine bakılmaksızın tüm gözlemcilerin aynı elektrik ve manyetizma yasalarını ve aynı mekanik yasalarını göreceklerini belirtir.
Bugün görelilik hakkında konuştuğumuzda, neredeyse her zaman, ışığın hızının, Dünya'nın hareketine (30 km/s'lik bir hızla) yönlendirilip yönlendirilmediğine bakılmaksızın değişmediğini gösteren Michelson-Morley deneyini tartışıyoruz. Güneş'e göre veya ışık hızının yaklaşık %0.01'i kadar) veya Dünya'nın hareketine göre herhangi bir keyfi açıda. Elbette, bu, göreliliğin neden mantıklı olması gerektiğini açıklamanın bir yolu olarak, bizim için daha net hale getirebilir.
Michelson interferometresi (üstte), Galilean göreliliği doğruysa (altta, noktalı) beklenenle karşılaştırıldığında ışık düzenlerinde (alt, katı) ihmal edilebilir bir kayma gösterdi. Işığın hızı, interferometre hangi yöne yönlendirilirse yönlendirilsin, Dünya'nın uzaydaki hareketine bir açıda, ona dik veya karşı hareket dahil olmak üzere aynıydı. (ALBERT A. MICHELSON (1881); A.A. MICHELSON VE E. MORLEY (1887))
Evrenin diğerlerinden farklı bir referans çerçevesi olsaydı, belirli bir yönde belirli bir hızda hareket ettiğinizde doğa yasalarının nasıl farklı olduğunu size gösteren bazı ölçümler yapabilirsiniz. Ama bu, sahip olduğumuz Evren ile tutarsız. Ne kadar hızlı hareket ederseniz edin veya hangi yönde hareket ederseniz edin, fizik yasaları aynıdır ve yapabileceğiniz herhangi bir fiziksel deney aynı ölçülebilir sonuçları verecek ve aynı fiziksel olaylarla sonuçlanacaktır.
Bu fenomenleri algılama şeklimiz, referans çerçevemize bağlı olarak değişebilir, ancak bu beklenebilir. Görelilik ancak tüm bu parçaları bir araya getirerek, ışık hızının tüm gözlemciler için değişmezliğiyle birlikte bir ilkeden tam teşekküllü bir teoriye dönüştü. 1905'te Einstein, Evrene bakış açımızı sonsuza dek değiştirdi, ancak tohumlar 1834 gibi erken bir tarihte oradaydı. Görelilik bir mucize değildi. Tohumların uygun şekilde filizlenmesi sadece 71 yıl sürdü.
Bir Patlama İle Başlar şimdi Forbes'ta , ve Medium'da yeniden yayınlandı Patreon destekçilerimize teşekkürler . Ethan iki kitap yazdı, Galaksinin Ötesinde , ve Treknology: Tricorder'lardan Warp Drive'a Uzay Yolu Bilimi .