Салыштырмалуулук: Физикадагы мейкиндик жана убакыт түшүнүгүн түшүнүү
Салыштырмалуулук - заманбап физикадагы эң фундаменталдык түшүнүктөрдүн бири, ал биздин ааламды түшүнүүбүздү өзгөртөт. 20-кылымдын башында Альберт Эйнштейн тарабынан сунушталган салыштырмалуулук теориясы эки негизги бөлүккө бөлүнөт: атайын салыштырмалуулук жана жалпы салыштырмалуулук. Экөө тең мейкиндикти, убакытты жана тартылуу күчүн тереңирээк түшүнүүгө мүмкүндүк берет.
1. Салыштырмалуулуктун кыскача тарыхы
19-кылымдын аягында Исаак Ньютон тарабынан түзүлгөн классикалык физика физиканын көптөгөн аспектилери үчүн бекем пайдубал түзгөн. Бирок, кээ бир кубулуштарды Ньютон теориясы менен түшүндүрүүгө мүмкүн болгон эмес. Эң чоң кыйынчылыктардын бири Джеймс Клерк Максвелл тарабынан түзүлгөн Ньютон механикасы менен электромагнетизмдин ортосундагы шайкеш келбестик болгон. Максвеллдин жарык ылдамдыгынын туруктуулугун сунуштаган Ньютон механикасынын алкагында түшүндүрүүгө мүмкүн болгон эмес, ал абсолюттук убакытты жана мейкиндикти болжолдогон.
1905-жылы Альберт Эйнштейн салыштырмалуулуктун атайын теориясын киргизген макаласын жарыялаган. Бул теория мейкиндик жана убакыт түшүнүктөрүн мейкиндик-убакыт деп аталган бирдиктүү бирдикке бириктирип, жарыктын ылдамдыгы бардык инерциялык эсептөө системаларында туруктуу экенин көрсөткөн. Он жылдан кийин, 1915-жылы Эйнштейн өзүнүн жалпы салыштырмалуулук теориясын киргизген, ал атайын салыштырмалуулук түшүнүктөрүн тартылуу күчүн да камтып, Ньютондун тартылуу күчү түшүнүгүн масса жана энергия аркылуу мейкиндик-убакыттын ийри сызыгынын өзгөрүшү түшүнүгү менен алмаштырган.
2. Атайын салыштырмалуулук теориясы
Негизги принциптер
Салыштырмалуулуктун атайын теориясы эки негизги постулатка негизделген:
1. Физиканын мыйзамдары бардык инерциялык эсептөө системаларында бирдей.
2. Вакуумдагы жарыктын ылдамдыгы туруктуу жана байкоочунун же жарык булагынын кыймылынан көз каранды эмес.
Атайын салыштырмалуулук теориясынын кесепеттери
Бул эки принциптен күнүмдүк интуицияга карама-каршы келген кээ бир күтүлбөгөн кесепеттер келип чыгат:
– Убакыттын кеңейиши: Байкоочуга салыштырмалуу кыймылдаган объектилер үчүн убакыт жайыраак жылат. Бул кубулуш ар кандай эксперименттерде, мисалы, жарык ылдамдыгына жакын кыймылдаган субатомдук бөлүкчөлөрдүн байкоолорунда жана учактарда атомдук сааттарды колдонууда көрсөтүлгөн.
– Узундук Кыскарышы: Байкоочуга салыштырмалуу кыймылдаган объект кыскараак көрүнөт. Бул кубулуш объекттин кыймылынын багытына параллель болот.
– Массанын салыштырмалуулугу: Масса ылдамдык менен өсөт. Нерсе жарыктын ылдамдыгына жакындаган сайын, анын массасы чексиздикке жакындайт, демек, аны андан ары ылдамдатуу үчүн чексиз энергия талап кылынат.
Атайын салыштырмалуулук теориясынан алынган эң белгилүү формулалардын бири - E=mc² теңдемеси, ал масса (m) менен энергиянын (E) ортосундагы эквиваленттүүлүктү жарык ылдамдыгынын константасы (c) менен көбөйткүч катары көрсөтөт.
Технологиянын кесепеттери
Атайын салыштырмалуулук теориясы теория үчүн гана эмес, заманбап технологиялар үчүн да мааниге ээ. Мисал катары так позициялоону камсыз кылуу үчүн сигналдарына релятивисттик түзөтүүлөрдү талап кылган Глобалдык позициялоо системасын (GPS) келтирүүгө болот.
3. Жалпы салыштырмалуулук теориясы
Негизги принциптер
Жалпы салыштырмалуулук теориясы атайын салыштырмалуулук түшүнүктөрүн мейкиндик-убакыт геометриясы катары гравитацияны да камтыйт. Анын негизги принциптери төмөнкүлөр:
1. Тартылуу күчү Ньютондогудай күч эмес, тескерисинче, масса жана энергиядан улам пайда болгон мейкиндик-убакыттын ийрилиги же ийрилиги.
2. Масса жана энергия мейкиндик-убакыттын метрикасын өзгөртөт, бул ошол мейкиндик-убакыттагы объектилер жүргөн эң кыска жолдорго таасир этет.
Мейкиндик-убакыт геометриясы
Жалпы салыштырмалуулук теориясында жылдыздар жана планеталар сыяктуу массивдүү объектилер өздөрүнүн айланасындагы мейкиндик-убакытты ийишет. Геодезия же бул ийри мейкиндик-убакыттагы эң кыска жолдор биз гравитация деп билген кубулушту пайда кылат. Бул түшүнүктү мейкиндик-убакытты оор шар коюлганда ийилген резина барак катары элестетүү менен элестетүүгө болот.
Маанилүү кубулуштар
Жалпы салыштырмалуулук теориясы Ньютон механикасы менен түшүндүрүүгө мүмкүн болбогон ар кандай кубулуштарды түшүндүрөт, мисалы:
– Гравитациялык линза: Алыскы жылдыздардан же галактикалардан келген жарык галактикалар же кара тешиктер сыяктуу массивдүү объектилердин тартылуу күчү менен ийилип, чоңойтулган же бурмаланган сүрөттөрдү пайда кылышы мүмкүн.
– Гравитациялык кызыл жылышуу: Күчтүү тартылуу күчүнүн таасиринен улам массивдүү объекттен чыккан жарыктын жыштыгы азаят (кызарып кетет).
– Гравитациялык толкундар: Массанын тез кыймылынан улам пайда болгон мейкиндик-убакыттын ийри сызыгынын өзгөрүшү, мисалы, эки биригүүчү кара тешик. Бул толкундар биринчи жолу 2015-жылы LIGO эксперименттери аркылуу түздөн-түз аныкталган.
Жалпы салыштырмалуулук теориясын текшерүү
Жалпы салыштырмалуулук теориясынын алгачкы эксперименталдык сыноолорунун бири сэр Артур Эддингтондун Меркурийдин перигелий жылышын жана 1919-жылдагы күн тутулушун байкоосу болгон. Бул күн тутулуусу жалпы салыштырмалуулук теориясынын божомолдоруна ылайык, Күнгө жакын жылдыздардан келген жарыктын бурулушун байкоого мүмкүндүк берген.
4. Космологиялык контекст
Жалпы салыштырмалуулук теориясы ошондой эле заманбап космологиянын, ааламдын келип чыгышын, эволюциясын жана түзүлүшүн илимий изилдөөнүн негизи болуп саналат. Чоң жарылуу моделин кошо алганда, кеңейип бараткан ааламдын моделдери жалпы салыштырмалуулук теориясынан алынган Эйнштейндин талаа теңдемелерине негизделген.
Ааламдын кеңейиши
Галактикалардын бири-биринен алыстап баратканын көрсөткөн Хаббл мыйзамы ааламдын кеңейишинин эң күчтүү далилдеринин бири. Муну жалпы салыштырмалуулук теориясынын алкагында гана түшүндүрүүгө болот.
Караңгы материя жана караңгы энергия
Жалпы салыштырмалуулук теориясы ошондой эле караңгы материя жана караңгы энергия деп аталган көрүнбөгөн жандыктардын бар экенин алдын ала айтат. Эбегейсиз көп санда бар деп эсептелген караңгы материя жарык чыгарбайт же чагылдырбайт, бирок анын бар экендигин көрүнгөн материяга болгон гравитациялык таасиринен билүүгө болот. Ал эми караңгы энергия ааламдын тездик менен кеңейишине алып келет деп эсептелет.
5. Салыштырмалуулукту изилдөөнүн келечеги
Бүгүнкү күнгө чейин жалпы жана атайын салыштырмалуулук теориялары теориялык жана эксперименталдык физиканын тиреги болуп кызмат кылат. Бирок, изилдөөнүн бир нече жаңы багыттары бар:
Кванттык талаа теориясы жана кванттык тартылуу күчү
Физикадагы эң ийгиликтүү эки теория болгон жалпы салыштырмалуулук теориясын жана кванттык механиканы айкалыштыруу чоң кыйынчылык жаратат. Кванттык тартылуу теорияларын, мисалы, кыл теориясын жана циклдик кванттык тартылуу күчүн иштеп чыгуу аракеттери бул ажырымды жоюуга багытталган.
Экстремалдык кубулуш
Кара тешиктердин айланасындагы галолорду, Хокинг радиациясын жана кара тешиктердин борборундагы сингулярдуулуктарды изилдөө окумуштуулар арасында кеңири талкууланып келе жаткан изилдөөнүн активдүү багыттары болуп саналат.
Корутунду
Салыштырмалуулук, атайын жана жалпы, мейкиндикке, убакытка жана тартылуу күчүнө болгон көз карашыбызды түп-тамырынан бери өзгөрттү. Анын теорияларын түшүнүү биздин илимий горизонтторубузду байытып гана тим болбостон, заманбап технологиялардын кеңири чөйрөсүндө практикалык пайда алып келди. Бул тармактагы уланып жаткан изилдөөлөр жана тартылуу күчүн кванттык механика менен бириктирүү аракеттери келечекте дагы жаңы түшүнүктөрдү убада кылат. Кыскасы, салыштырмалуулук бизге ааламды бирдиктүү жана тереңирээк түшүнүүгө жардам берет.
