Салыстырмалылық: Физикадағы кеңістік пен уақыт ұғымын түсіну
Салыстырмалылық - қазіргі физикадағы ең іргелі ұғымдардың бірі, ол біздің ғаламды түсіну тәсілімізді өзгертеді. 20 ғасырдың басында Альберт Эйнштейн енгізген салыстырмалылық теориясы екі негізгі бөлікке бөлінеді: арнайы салыстырмалылық және жалпы салыстырмалылық. Екеуі де кеңістікті, уақытты және тартылыс күшін тереңірек түсінуге мүмкіндік береді.
1. Салыстырмалылықтың қысқаша тарихы
19 ғасырдың соңына қарай Исаак Ньютон тұжырымдаған классикалық физика физиканың көптеген аспектілері үшін берік негіз болды. Дегенмен, кейбір құбылыстарды Ньютон теориясымен түсіндіру мүмкін болмады. Ең үлкен қиындықтардың бірі Джеймс Клерк Максвелл тұжырымдаған Ньютон механикасы мен электромагнетизм арасындағы үйлесімсіздік болды. Максвелл ұсынған жарық жылдамдығының тұрақтылығын абсолютті уақыт пен кеңістікті болжайтын Ньютон механикасы шеңберінде түсіндіру мүмкін болмады.
1905 жылы Альберт Эйнштейн салыстырмалылықтың арнайы теориясын енгізген мақала жариялады. Бұл теория кеңістік пен уақыт ұғымдарын кеңістік-уақыт деп аталатын біртұтас бірлікке біріктірді және жарық жылдамдығының барлық инерциялық санақ жүйелерінде тұрақты екенін көрсетті. Он жылдан кейін, 1915 жылы Эйнштейн өзінің жалпы салыстырмалылық теориясын енгізді, ол арнайы салыстырмалылық ұғымдарын гравитацияны да қамтитындай етіп кеңейтті, Ньютонның гравитация ұғымын кеңістік-уақыт қисығының масса мен энергия арқылы өзгеруі ұғымымен алмастырды.
2. Арнайы салыстырмалылық теориясы
Негізгі қағидаттар
Арнайы салыстырмалылық теориясы екі негізгі постулатқа негізделген:
1. Физика заңдары барлық инерциялық санақ жүйелерінде бірдей.
2. Вакуумдағы жарық жылдамдығы тұрақты және бақылаушының немесе жарық көзінің қозғалысына тәуелсіз.
Арнайы салыстырмалылықтың салдары
Осы екі қағидадан күнделікті интуицияға қайшы келетін кейбір таңқаларлық салдарлар туындайды:
– Уақыттың кеңеюі: Бақылаушыға қатысты қозғалатын нысандар үшін уақыт баяуырақ қозғалады. Бұл құбылыс әртүрлі тәжірибелерде, мысалы, жарық жылдамдығына жақын қозғалатын субатомдық бөлшектердің бақылауларында және ұшақтарда атомдық сағаттарды қолдануда көрсетілген.
– Ұзындық Қысқарту: Бақылаушыға қатысты қозғалатын зат қысқа болып көрінеді. Бұл құбылыс заттың қозғалыс бағытына параллель жүреді.
– Массаның салыстырмалылығы: Масса жылдамдықпен артады. Нысан жарық жылдамдығына жақындаған сайын, оның массасы шексіздікке жақындайды, яғни оны одан әрі үдету үшін шексіз энергия қажет болады.
Арнайы салыстырмалылық теориясынан алынған ең танымал формулалардың бірі - E=mc² теңдеуі, ол жарық жылдамдығының тұрақтысын (c) көбейткіш ретінде пайдаланып, масса (m) мен энергия (E) арасындағы эквивалентті көрсетеді.
Технологияның салдары
Арнайы салыстырмалылық теориясы тек теория үшін ғана емес, сонымен қатар қазіргі заманғы технологиялар үшін де маңызды. Мысал ретінде дәл позициялауды қамтамасыз ету үшін сигналдарына релятивистік түзетулерді қажет ететін жаһандық позициялау жүйесін (GPS) алуға болады.
3. Жалпы салыстырмалылық теориясы
Негізгі қағидаттар
Жалпы салыстырмалылық теориясы арнайы салыстырмалылық ұғымдарын кеңістік-уақыт геометриясы ретіндегі гравитацияны да қамтитындай етіп кеңейтеді. Оның негізгі принциптері:
1. Гравитация - Ньютондағыдай күш емес, керісінше, масса мен энергиядан туындаған кеңістік-уақыт қисығы немесе қисығы.
2. Масса мен энергия кеңістік-уақыт метрикасын өзгертеді, бұл сол кеңістік-уақыттағы нысандар жүретін ең қысқа жолдарға әсер етеді.
Кеңістік-уақыт геометриясы
Жалпы салыстырмалылық теориясында жұлдыздар мен планеталар сияқты үлкен нысандар кеңістік-уақытты өз айналасында қисықтай түседі. Геодезия немесе осы қисық кеңістік-уақыттағы ең қысқа жолдар біз гравитация деп білетін құбылысты тудырады. Бұл ұғымды кеңістік-уақытты ауыр шар қойылған кезде майысатын резеңке парақ ретінде елестету арқылы елестетуге болады.
Маңызды құбылыстар
Жалпы салыстырмалылық теориясы Ньютон механикасымен түсіндірілмейтін әртүрлі құбылыстарды түсіндіреді, мысалы:
– Гравитациялық линза: Алыс жұлдыздардан немесе галактикалардан келетін жарық галактикалар немесе қара құрдымдар сияқты үлкен нысандардың гравитациялық күшімен майысып, үлкейтілген немесе бұрмаланған кескіндер тудыруы мүмкін.
– Гравитациялық қызыл ығысу: Үлкен нысаннан шығатын жарық жиілігі күшті гравитацияның әсерінен азаяды (қызарады).
– Гравитациялық толқындар: Массаның жылдам қозғалысынан туындаған кеңістік-уақыт қисықтығының ауытқулары, мысалы, екі қара құрдымның бірігуі. Бұл толқындар алғаш рет 2015 жылы LIGO тәжірибелері арқылы тікелей анықталды.
Жалпы салыстырмалылық теориясын тексеру
Жалпы салыстырмалылық теориясының алғашқы эксперименттік сынақтарының бірі сэр Артур Эддингтонның Меркурийдің перигелий ығысуын және 1919 жылғы күн тұтылуын бақылауы болды. Бұл күн тұтылуы жалпы салыстырмалылық теориясының болжамдарына сәйкес Күнге жақын жұлдыздардан келетін жарықтың ауытқуын бақылауға мүмкіндік берді.
4. Космологиялық контекст
Жалпы салыстырмалылық теориясы сонымен қатар қазіргі заманғы космологияның, яғни Әлемнің шығу тегін, эволюциясын және құрылымын ғылыми зерттеудің негізі болып табылады. Үлкен жарылыс моделін қоса алғанда, кеңейіп келе жатқан Әлемнің модельдері жалпы салыстырмалылық теориясынан алынған Эйнштейннің өріс теңдеулеріне негізделген.
Әлемнің кеңеюі
Галактикалардың бір-бірінен алыстап бара жатқанын көрсететін Хаббл заңы - Әлемнің кеңеюінің ең күшті дәлелдерінің бірі. Мұны тек жалпы салыстырмалылық теориясы аясында түсіндіруге болады.
Қараңғы материя және қараңғы энергия
Жалпы салыстырмалылық теориясы сонымен қатар қараңғы материя мен қараңғы энергия деп аталатын көрінбейтін нысандардың бар екенін болжайды. Өте көп мөлшерде бар деп саналатын қараңғы материя жарық шығармайды немесе шағылыстырмайды, бірақ оның бар екенін көрінетін материяға гравитациялық әсерлерінен болжауға болады. Екінші жағынан, қараңғы энергия ғаламның жедел кеңеюіне себеп болады деп есептеледі.
5. Салыстырмалылықты зерттеудің болашағы
Бүгінгі күнге дейін жалпы және арнайы салыстырмалылық теориялары теориялық және эксперименттік физиканың тіректері болып табылады. Дегенмен, зерттеудің бірнеше жаңа бағыттары бар:
Кванттық өріс теориясы және кванттық гравитация
Физикадағы ең табысты екі теория - жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканы біріктіру үлкен қиындық тудырады. Кванттық тартылыс теориясын, мысалы, ішек теориясын және ілмек кванттық тартылыс күшін дамытуға бағытталған күш-жігер осы алшақтықты жоюға бағытталған.
Экстремалды құбылыс
Қара құрдымдардың айналасындағы галоларды, Хокинг сәулеленуін және қара құрдымдардың орталығындағы сингулярлықтарды зерттеу ғалымдар арасында кеңінен талқыланатын белсенді зерттеу салалары болып табылады.
Қорытынды
Салыстырмалылық, арнайы және жалпы, кеңістікке, уақытқа және гравитацияға деген көзқарасымызды түбегейлі өзгертті. Оның теорияларын түсіну біздің ғылыми көкжиектерімізді байытып қана қоймай, сонымен қатар заманауи технологиялардың кең ауқымында практикалық пайда әкелді. Бұл саладағы зерттеулердің жалғасуы және гравитацияны кванттық механикамен біріктіру бойынша күш-жігер болашақта жаңа түсініктерге кепілдік береді. Қысқасы, салыстырмалылық бізге ғаламды тұтас және тереңірек түсінуге көмектеседі.
