רעלאַטיוויטעט: פֿאַרשטיין דעם באַגריף פֿון פּלאַץ און צייט אין פֿיזיק
רעלאטיוויטעט איז איינע פון די מערסט יסודות'דיגע קאנצעפטן אין מאדערנער פיזיק, וואס טראנספארמירט דעם וועג ווי מיר פארשטייען דעם אוניווערס. איינגעפירט דורך אלבערט איינשטיין אין די פריע 20סטע יארהונדערט, איז די טעאריע פון רעלאטיוויטעט צעטיילט אין צוויי הויפט טיילן: ספעציעלע רעלאטיוויטעט און אלגעמיינע רעלאטיוויטעט. ביידע גיבן א טיפערן פארשטאנד פון פלאץ, צייט, און גראוויטי.
1. א קורצע געשיכטע פון רעלאטיוויטעט
ביזן סוף 19טן יארהונדערט, האט קלאסישע פיזיק, פארמולירט דורך אייזיק ניוטאן, צוגעשטעלט א שטארקע יסוד פאר אסאך אספעקטן פון פיזיק. אבער, געוויסע פענאמענען האבן נישט געקענט דערקלערט ווערן דורך ניוטאנישער טעאריע. איינע פון די גרעסטע שוועריקייטן איז געווען די אומקאמפאטיביליטעט צווישן ניוטאנישער מעכאניק און עלעקטראמאגנעטיזם, פארמולירט דורך דזשעימס קלארק מאקסוועל. מאקסוועל'ס פארגעשלאגענע קאנסטאנץ פון דער שנעלקייט פון ליכט האט נישט געקענט דערקלערט ווערן אינעם ראם פון ניוטאנישער מעכאניק, וואס האט אנגענומען אבסאלוטע צייט און פלאץ.
אין 1905, האט אלבערט איינשטיין ארויסגעגעבן אן ארטיקל וואס האט איינגעפירט די ספעציעלע טעאריע פון רעלאטיוויטעט. די טעאריע האט פאראייניגט די קאנצעפטן פון פלאץ און צייט אין איין איינציקע ענטיטעט גערופן פלאץ-צייט און געוויזן אז די שנעלקייט פון ליכט איז קאנסטאנט אין אלע אינערציאלע רעפערענץ ראמען. צען יאר שפעטער, אין 1915, האט איינשטיין איינגעפירט זיין אלגעמיינע טעאריע פון רעלאטיוויטעט, וואס האט פארברייטערט די קאנצעפטן פון ספעציעלע רעלאטיוויטעט צו ארייננעמען גראוויטי, און ערזעצט די ניוטאנישע באגריף פון גראוויטי מיטן קאנצעפט פון ענדערונגען אין דער קרומקייט פון פלאץ-צייט דורך מאסע און ענערגיע.
2. ספּעציעלע רעלאַטיוויטעט
גרונט־פּרינציפּן
די ספּעציעלע טעאָריע פון רעלאַטיוויטעט איז באַזירט אויף צוויי הויפּט פּאָסטולאַציעס:
1. די געזעצן פון פיזיק זענען די זעלבע אין אלע אינערציאלע רעפערענץ ראמען.
2. די שנעלקייט פון ליכט אין א וואקוום איז קאנסטאנט און אומאפהענגיק פון דער באוועגונג פון דעם באאבאכטער אדער ליכט-קוואל.
קאנסעקווענצן פון ספעציעלע רעלאטיוויטעט
פֿון די צוויי פּרינציפּן קומען אַרויס עטלעכע איבערראַשנדיקע קאָנסעקווענצן וואָס גייען קעגן דער טעגלעכער אינטואיציע:
– צייט פארלענגערונג: צייט באוועגט זיך שטייטער פאר אביעקטן וואס באוועגן זיך אין באצוג צו אן אבזערוואטאר. די דערשיינונג איז געוויזן געווארן אין פארשידענע עקספערימענטן, ווי צום ביישפיל אבזערוואציעס פון סובאטאמישע טיילכלעך וואס באוועגן זיך נאנט צו דער שנעלקייט פון ליכט און די נוצן פון אטאמישע זייגערס אין עראפלאנען.
– לענג קאנטראקציע: אן אביעקט וואס באוועגט זיך אין באצוג צו אן אבזערוואטאר וועט אויסזען קירצער. די דערשיינונג פאסירט פאראלעל צו דער ריכטונג פון דעם אביעקט'ס באוועגונג.
– רעלאטיוויטעט פון מאַסע: מאַסע וואַקסט מיט גיכקייט. ווי אַן אָביעקט דערנענטערט זיך צו דער גיכקייט פון ליכט, דערנענטערט זיך זיין מאַסע צו אומענדלעכקייט, וואָס מיינט אַז עס וואָלט דאַרפֿן אומענדלעכע ענערגיע צו עס ווייטער פאַרגיכערן.
איינע פון די מערסט בארימטע פארמלען אפגעשטאמט פון ספעציעלער רעלאטיוויטעט איז די גלייכונג E=mc², וואס ווייזט די עקוויוואלענץ צווישן מאסע (m) און ענערגיע (E) מיט דער ליכט-גיך קאנסטאנט (c) אלס א פארמערער.
אימפליקאציעס פון טעכנאָלאָגיע
ספּעציעלע רעלאַטיוויטעט האט אימפּליקאַציעס ניט נאָר פֿאַר טעאָריע, נאָר אויך פֿאַר מאָדערנער טעכנאָלאָגיע. אַ בייַשפּיל איז די גלאָבאַלע פּאָזיציאָנירונג סיסטעם (GPS), וואָס דאַרף רעלאַטיוויסטישע קערעקשאַנז צו אירע סיגנאַלן צו צושטעלן אַ פּינקטלעכע פּאָזיציאָנירונג.
3. אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט
גרונט־פּרינציפּן
אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט פֿאַרברייטערט די קאָנצעפּטן פֿון ספּעציעלער רעלאַטיוויטעט צו אַרייננעמען גראַוויטאַציע ווי אַ געאָמעטריע פֿון צײַט-רוים. אירע גרונטפּרינציפּן זענען:
1. גראַוויטאַציע איז נישט קיין קראַפט ווי אין ניוטאָנישן, נאָר אַ קרומקייט אָדער קרומקייט פון צייט-רוים געפֿירט דורך מאַסע און ענערגיע.
2. מאַסע און ענערגיע ענדערן די מעטריק פון צייט-רוים, וואָס אַפעקטירט די קירצסטע וועגן וואָס אָביעקטן גייען אין יענעם צייט-רוים.
געאמעטריע פון צייט-פלאץ
אין אלגעמיינער רעלאטיוויטעט, מאסיווע אביעקטן ווי שטערן און פלאנעטן קרומען דעם צייט-רוים ארום זיי. געאדעזיע, אדער די קירצסטע וועגן, אין דעם קרומען צייט-רוים פאראורזאכן דעם פענאמען וואס מיר קענען אלס גראוויטי. דעם באגריף קען מען וויזואליזירן דורך זיך פארשטעלן צייט-רוים אלס א גומענע בויגן וואס בייגט זיך ווען מען לייגט אויף אים א שווערע באל.
וויכטיקע דערשיינונגען
אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט דערקלערט פֿאַרשידענע דערשיינונגען וואָס קענען נישט דערקלערט ווערן דורך ניוטאָנישער מעכאַניק, ווי צום ביישפּיל:
– גראַוויטאַציאָנעלע לינזע: ליכט פֿון ווײַטע שטערן אָדער גאַלאַקסיעס קען ווערן געבויגן דורך דער גראַוויטאַציע פֿון מאַסיווע אָביעקטן, ווי גאַלאַקסיעס אָדער שוואַרצע לעכער, און דאָס פּראָדוצירט פֿאַרגרעסערטע אָדער פֿאַרדרייטע בילדער.
– גראַוויטאַציאָנעלע רויטפֿאַרשיבונג: די אָפֿטקייט פֿון ליכט וואָס קומט אַרויס פֿון אַ מאַסיוון אָביעקט פֿאַרקלענערט זיך (ווערט רויט) צוליב דעם איינפֿלוס פֿון שטאַרקער גראַוויטאַציע.
– גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס: פלוקטואַציעס אין דער קרומקייט פון צייט-רוים געפֿירט דורך דער שנעלער באַוועגונג פון מאַסע, ווי צוויי פֿאַראייניקטע שוואַרצע לעכער. די כוואַליעס זענען ערשט גלייך דעטעקטירט געוואָרן דורך די LIGO עקספּערימענטן אין 2015.
טעסטינג אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט
איינע פון די ערשטע עקספערימענטאלע טעסטן פון אלגעמיינער רעלאטיוויטעט איז געווען סער ארטור עדינגטאן'ס באאבאכטונג פון מערקור'ס פעריהעליאָן פארשיבונג און די 1919 זון-פארפינסטערונג. די זון-פארפינסטערונג האט ערלויבט באאבאכטונגען פון די אפבייגונג פון ליכט פון שטערן לעבן דער זון, אין איינקלאנג מיט די פאראויסזאגונגען פון אלגעמיינער רעלאטיוויטעט.
4. קאָסמאָלאָגישער קאָנטעקסט
אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט איז אויך די יסוד פון מאָדערנער קאָסמאָלאָגיע, די וויסנשאַפטלעכע שטודיע פון דעם אָנהייב, עוואָלוציע און סטרוקטור פון דעם אוניווערס. מאָדעלן פון דעם יקספּאַנדינג אוניווערס, אַרייַנגערעכנט דעם ביג באַנג מאָדעל, זענען באַזירט אויף איינשטיין'ס פעלד גלייכונגען דערייווד פון אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט.
אויסברייטונג פון דער אוניווערס
האבל'ס געזעץ, וואס ווייזט אז גאלאקסיעס ריקן זיך אוועק איינע פון די אנדערע, איז איינע פון די שטארקסטע באווייזן פאר דער אויסברייטונג פון דעם אוניווערס. דאס קען נאר דערקלערט ווערן אינעם ראם פון אלגעמיינע רעלאטיוויטעט.
טונקעלע מאַטעריע און טונקעלע ענערגיע
אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט פֿאָרויסזאָגט אויך די עקזיסטענץ פֿון אומזעבארע ענטיטעטן וואָס מיר רופֿן טונקעלע מאַטעריע און טונקעלע ענערגיע. טונקעלע מאַטעריע, וואָס מען גלויבט עקזיסטירט אין ריזיקע קוואַנטיטעטן, לאָזט נישט אויס אָדער רעפֿלעקטירט נישט ליכט, אָבער מען קען פֿאַרשטיין איר בייַזייַן פֿון אירע גראַוויטאַציאָנעלע ווירקונגען אויף זעבארע מאַטעריע. טונקעלע ענערגיע, פֿון דער אַנדערער זײַט, ווערט געהאַלטן פֿאַר דער גורם פֿון דער אַקסעלערירטער אויסברייטונג פֿון דער אוניווערס.
5. די צוקונפט פון רעלאַטיוויטעט פאָרשונג
ביזן היינטיקן טאג דינען אלגעמיינע און ספעציעלע רעלאטיוויטעט נאך אלץ אלס זיילן פון טעארעטישע און עקספערימענטאלע פיזיק. אבער עס זענען דא פארשידענע אויפקומענדיקע געביטן פון פארשונג:
קוואַנטום פעלד טעאָריע און קוואַנטום גראַוויטאַציע
קאָמבינירן אַלגעמיינע רעלאַטיוויטעט און קוואַנטום מעכאַניק, די צוויי מערסט מצליחדיקע טעאָריעס אין פיזיק, איז אַ גרויסע אַרויסרופן. מי צו אַנטוויקלען טעאָריעס פון קוואַנטום גראַוויטאַציע, אַזאַ ווי סטרינג טעאָריע און שלייף קוואַנטום גראַוויטאַציע, צילן צו בריקן דעם ריס.
עקסטרעמע פענאמען
די שטודיע פון האַלאָס אַרום שוואַרצע לעכער, האָקינג ראַדיאַציע, און סינגולאַריטעטן אין צענטער פון שוואַרצע לעכער זענען אַקטיווע געביטן פון פאָרשונג וואָס ווערן ברייט דיסקוטירט צווישן וויסנשאַפֿטלער.
קעסימפּולאַן
רעלאטיוויטעט, סיי ספעציעלע און סיי אלגעמיינע, האט ראדיקאל געטוישט אונזער בליק אויף פלאץ, צייט און גראוויטאציע. פארשטיין אירע טעאריעס האט נישט נאר בארייכערט אונזערע וויסנשאפטלעכע האריזאנטן, נאר אויך צוגעשטעלט פראקטישע בענעפיטן אין א ברייטע רייע פון מאדערנע טעכנאלאגיעס. ווייטערדיגע פארשונג אין דעם פעלד און אנשטרענגונגען צו פאראייניקן גראוויטאציע מיט קוואנטום מעכאניק צוזאגן ווייטערדיגע נייע איינזיכטן אין דער צוקונפט. בקיצור, רעלאטיוויטעט העלפט אונז פארשטיין דעם אוניווערס אויף א מער האליסטישן און טיפן אופן.
