ผลสัมพัทธภาพคืออะไร?

สารบัญ:

ผลสัมพัทธภาพคืออะไร?
ผลสัมพัทธภาพคืออะไร?
Anonim

ฟิสิกส์คลาสสิกมีความเห็นว่าผู้สังเกตการณ์ไม่ว่าสถานที่ใดจะได้รับผลลัพธ์เดียวกันในการวัดเวลาและขอบเขตของพวกเขา หลักการสัมพัทธภาพระบุว่าผู้สังเกตสามารถได้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน และการบิดเบือนดังกล่าวเรียกว่า "ผลสัมพัทธภาพ" เมื่อเข้าใกล้ความเร็วแสง ฟิสิกส์ของนิวตันจะเคลื่อนที่ออกข้าง

ผลสัมพัทธภาพ
ผลสัมพัทธภาพ

ความเร็วแสง

นักวิทยาศาสตร์ A. Michelson ผู้วัดความเร็วของแสงในปี 1881 ตระหนักว่าผลลัพธ์เหล่านี้จะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วที่แหล่งกำเนิดรังสีเคลื่อนที่ ร่วมกับ E. V. มอร์ลี่ย์ มิเชลสันในปี พ.ศ. 2430 ได้ทำการทดลองอีกครั้งหนึ่ง หลังจากนั้นก็เป็นที่ประจักษ์แก่คนทั้งโลก ไม่ว่าจะใช้การวัดในทิศทางใด ความเร็วของแสงจะอยู่ทุกที่และจะเท่ากันเสมอ ผลของการศึกษาเหล่านี้ขัดกับแนวคิดทางฟิสิกส์ในสมัยนั้น เพราะหากแสงเคลื่อนที่ในตัวกลาง (อีเธอร์) ตัวใดตัวหนึ่ง และดาวเคราะห์เคลื่อนที่ในตัวกลางเดียวกัน การวัดในทิศทางที่ต่างกันจะไม่เท่ากัน

ต่อมา นักคณิตศาสตร์ นักฟิสิกส์ และนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Jules Henri Poincaré ได้กลายเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพ เขาได้พัฒนาทฤษฎีลอเรนซ์ตามที่มีอยู่อีเธอร์ไม่เคลื่อนที่ ดังนั้นความเร็วของแสงที่สัมพันธ์กับมันไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของแหล่งกำเนิด ในกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนไหว การแปลงแบบลอเรนซ์จะถูกดำเนินการ ไม่ใช่การแปลงแบบกาลิเลียน จากนี้ไป การแปลงแบบกาลิเลียนได้กลายเป็นกรณีพิเศษของการแปลงแบบลอเรนซ์ เมื่อย้ายไปยังกรอบอ้างอิงเฉื่อยอื่นด้วยความเร็วต่ำ (เมื่อเทียบกับความเร็วแสง)

สนามแม่เหล็กเป็นผลสัมพัทธภาพ
สนามแม่เหล็กเป็นผลสัมพัทธภาพ

การยกเลิกอีเธอร์

ผลสัมพัทธภาพของการหดตัวของความยาวหรือที่เรียกว่าการหดตัวของลอเรนซ์ก็คือสำหรับผู้สังเกต วัตถุที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับเขาจะมีความยาวที่สั้นกว่า

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ มีส่วนสำคัญต่อทฤษฎีสัมพัทธภาพ เขายกเลิกคำว่า "อีเธอร์" โดยสิ้นเชิง ซึ่งจนถึงเวลานั้นก็มีอยู่ในเหตุผลและการคำนวณของนักฟิสิกส์ทุกคน และเขาได้ย้ายแนวคิดทั้งหมดเกี่ยวกับคุณสมบัติของอวกาศและเวลาไปเป็นจลนศาสตร์

หลังจากการตีพิมพ์ผลงานของ Einstein แล้ว Poincaré ไม่เพียงหยุดเขียนบทความทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับหัวข้อนี้เท่านั้น แต่ยังไม่ได้กล่าวถึงชื่อเพื่อนร่วมงานของเขาในผลงานใดๆ ของเขา ยกเว้นกรณีเดียวที่อ้างอิงถึงทฤษฎีของ ผลตาแมว Poincare ยังคงหารือเกี่ยวกับคุณสมบัติของอีเทอร์ โดยปฏิเสธการตีพิมพ์ใดๆ ของ Einstein อย่างเด็ดขาด แม้ว่าในขณะเดียวกัน เขาก็ปฏิบัติต่อนักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดด้วยความเคารพและให้คำรับรองที่ยอดเยี่ยมแก่เขาเมื่อการบริหารของ Higher Polytechnical School ในซูริกต้องการเชิญ Einstein เพื่อเป็นศาสตราจารย์ในสถาบันการศึกษา

เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์สัมพัทธภาพ
เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์สัมพัทธภาพ

สัมพัทธภาพ

แม้แต่หลายคนที่ไม่เห็นด้วยกับฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ อย่างน้อยก็ในแง่ทั่วไปว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพคืออะไร เพราะอาจเป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุด สมมุติฐานของมันทำลายความคิดธรรมดาๆ เกี่ยวกับเวลาและพื้นที่ และแม้ว่าเด็กนักเรียนทุกคนจะศึกษาทฤษฎีสัมพัทธภาพ แต่ก็ยังไม่เพียงพอเพียงแค่รู้สูตรเพื่อทำความเข้าใจมันอย่างครบถ้วน

ผลของการขยายเวลาได้รับการทดสอบในการทดลองกับเครื่องบินที่มีความเร็วเหนือเสียง นาฬิกาปรมาณูที่แน่นอนบนเรือเริ่มนับถอยหลังเพียงเสี้ยววินาทีหลังจากกลับมา หากมีผู้สังเกตสองคน คนหนึ่งยืนนิ่ง และคนที่สองเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพันธ์กับคนแรก เวลาสำหรับผู้สังเกตที่ไม่อยู่นิ่งจะเร็วขึ้น และสำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ นาทีจะนานเล็กน้อย อีกต่อไป อย่างไรก็ตาม หากผู้สังเกตที่เคลื่อนไหวตัดสินใจย้อนเวลากลับไป ปรากฎว่านาฬิกาของเขาแสดงน้อยกว่าครั้งแรกเล็กน้อย นั่นคือเมื่อเดินทางเป็นระยะทางไกลกว่ามากในระดับของอวกาศ เขา "อยู่" เวลาน้อยลงในขณะที่เคลื่อนไหว

ผลการหดตัวของความยาวสัมพัทธภาพ
ผลการหดตัวของความยาวสัมพัทธภาพ

ผลสัมพัทธภาพในชีวิต

หลายคนเชื่อว่าเอฟเฟกต์สัมพัทธภาพสามารถสังเกตได้เมื่อถึงความเร็วแสงหรือเข้าใกล้มันเท่านั้น และนี่เป็นความจริง แต่คุณสามารถสังเกตได้ไม่เพียงแค่การกระจายยานอวกาศของคุณ ในหน้าวารสารวิทยาศาสตร์ Physical Review Letters คุณสามารถอ่านเกี่ยวกับงานเชิงทฤษฎีของสวีเดนนักวิทยาศาสตร์. พวกเขาเขียนว่าเอฟเฟกต์สัมพัทธภาพมีอยู่แม้ในแบตเตอรี่รถยนต์ธรรมดา กระบวนการนี้เป็นไปได้เนื่องจากการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของอิเล็กตรอนของอะตอมตะกั่ว (อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้เป็นสาเหตุของแรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่ในขั้ว) สิ่งนี้ยังอธิบายได้ว่าทำไมถึงแม้จะมีความคล้ายคลึงกันระหว่างตะกั่วและดีบุก แต่แบตเตอรี่ที่ทำจากดีบุกก็ใช้งานไม่ได้

โลหะแฟนซี

ความเร็วของการหมุนของอิเล็กตรอนในอะตอมค่อนข้างต่ำ ดังนั้นทฤษฎีสัมพัทธภาพจึงไม่ได้ผล แต่มีข้อยกเว้นบางประการ หากคุณก้าวต่อไปตามตารางธาตุจะเห็นได้ชัดว่ามีธาตุที่หนักกว่าสารตะกั่วอยู่เล็กน้อย นิวเคลียสมวลขนาดใหญ่จะสมดุลโดยการเพิ่มความเร็วของอิเล็กตรอน และมันยังสามารถเข้าใกล้ความเร็วของแสงได้อีกด้วย

ถ้าเราพิจารณาด้านนี้จากด้านทฤษฎีสัมพัทธภาพ จะเห็นได้ชัดว่าอิเล็กตรอนในกรณีนี้ต้องมีมวลมหาศาล นี่เป็นวิธีเดียวที่จะคงไว้ซึ่งโมเมนตัมเชิงมุม แต่การโคจรจะหดตัวไปตามรัศมี และสิ่งนี้สามารถสังเกตได้จริงในอะตอมของโลหะหนัก แต่ออร์บิทัลของอิเล็กตรอนที่ "ช้า" จะไม่เปลี่ยนแปลง ผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพพบได้ในอะตอมของโลหะบางชนิดใน s-orbitals ซึ่งมีรูปร่างสมมาตรทรงกลมสม่ำเสมอ เชื่อกันว่าเป็นผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพที่ทำให้ปรอทมีสถานะการรวมตัวของของเหลวที่อุณหภูมิห้อง

ผลสัมพัทธภาพเมื่อเข้าใกล้ความเร็วแสง
ผลสัมพัทธภาพเมื่อเข้าใกล้ความเร็วแสง

การเดินทางในอวกาศ

สิ่งของในอวกาศเป็นของกันและกันในระยะทางที่กว้างใหญ่ และถึงแม้จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง ก็ยังต้องใช้เวลายาวนานมากในการเอาชนะพวกมัน ตัวอย่างเช่น ในการไปถึง Alpha Centauri ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เราที่สุด ยานอวกาศที่มีความเร็วแสงจะใช้เวลาสี่ปี และกว่าจะไปถึงดาราจักรข้างเคียงอย่างเมฆแมเจลแลนใหญ่จะใช้เวลา 160,000 ปี

บินไปกลับ Alpha Centauri ได้นะ เพราะใช้เวลาแค่แปดปีเท่านั้น และสำหรับชาวเรือที่รู้สึกถึงผลกระทบของการขยายเวลา ช่วงเวลานี้จะน้อยลงมาก แต่เมื่อ กลับจากการเดินทางไปยังกาแลคซีใกล้เคียง นักบินอวกาศจะพบว่าในบ้านเกิดของพวกเขาผ่านไปแล้วสามแสนสองหมื่นปีบนโลกใบนี้ และอารยธรรมของมนุษย์อาจหยุดอยู่นานแล้ว ดังนั้นผลสัมพัทธภาพทำให้ผู้คนสามารถเดินทางข้ามเวลาได้ นี่ถือเป็นหนึ่งในปัญหาหลักของการสำรวจอวกาศ เพราะถ้าไม่มีทางกลับมาจะพิชิตอวกาศได้จะมีประโยชน์อะไร

ผลสัมพัทธภาพมีสาเหตุมาจาก
ผลสัมพัทธภาพมีสาเหตุมาจาก

กิจกรรมอื่นๆ

นอกจากการขยายเวลาที่มีชื่อเสียงแล้ว ยังมีเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์เชิงสัมพันธ์อีกด้วย ซึ่งหากแหล่งที่มาของคลื่นเริ่มเคลื่อนที่ ผู้สังเกตจะมองว่าคลื่นที่แพร่กระจายไปทางการเคลื่อนไหวนี้จะถูกมองว่า "ถูกบีบอัด", และต่อการกำจัดของความยาวคลื่นจะเพิ่มขึ้น

ปรากฏการณ์นี้เป็นเรื่องปกติสำหรับคลื่นใด ๆ ดังนั้นจึงสามารถสังเกตได้จากตัวอย่างเสียงในชีวิตประจำวัน การลดลงของคลื่นเสียงนั้นหูของมนุษย์รับรู้ว่าเป็นการเพิ่มโทนเสียง ดังนั้น,เมื่อสัญญาณของรถไฟหรือรถยนต์ได้ยินจากระยะไกลก็ต่ำลง และหากรถไฟผ่านโดยผู้สังเกตในขณะที่ส่งเสียง ความสูงของมันจะสูงขึ้นในขณะที่เข้าใกล้ แต่ทันทีที่วัตถุเท่ากัน และรถไฟเริ่มเคลื่อนตัวออก เสียงจะค่อยๆ ลดลงและจะดำเนินต่อไปในโน้ตที่ต่ำลง

ผลสัมพัทธภาพเหล่านี้เกิดจากอะนาล็อกคลาสสิกของการเปลี่ยนแปลงความถี่เมื่อเครื่องรับและแหล่งที่มาเคลื่อนที่ ตลอดจนการขยายเวลาเชิงสัมพันธ์

ผลสัมพัทธภาพในชีวิต
ผลสัมพัทธภาพในชีวิต

เกี่ยวกับแม่เหล็ก

เหนือสิ่งอื่นใด นักฟิสิกส์สมัยใหม่กำลังพูดถึงสนามแม่เหล็กมากขึ้นว่าเป็นผลสัมพัทธภาพ จากการตีความนี้ สนามแม่เหล็กไม่ใช่วัตถุทางกายภาพที่เป็นอิสระ มันไม่ใช่แม้แต่ปรากฏการณ์หนึ่งของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กจากมุมมองของทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นเพียงกระบวนการที่เกิดขึ้นในอวกาศรอบจุดประจุเนื่องจากการถ่ายเทของสนามไฟฟ้า

ผู้เสนอทฤษฎีนี้เชื่อว่าถ้า C (ความเร็วของแสงในสุญญากาศ) เป็นอนันต์ การแพร่กระจายของการโต้ตอบด้วยความเร็วก็จะมีไม่จำกัดด้วย และด้วยเหตุนี้จึงไม่มีปรากฏการณ์ของสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น