Genel Görelilik Nedir?

Genel görelilik teorisi (veya kısaca genel görelilik) modern fiziğin önemli bir yapı taşıdır. Yerçekiminin uzayın 'eğri' biçimine bağlı olarak açıklar, veya daha doğru bir şekilde ifade etmek gerekirse, yerçekimi kuvvetini uzay-zamanın değişen geometrisiyle ilişkilendirir. Albert Einstein, 1915'te, fizik yasalarının herhangi bir referans çerçevesi içinde aynı kaldığı varsayımına evrensel bir ışık hızı uygulayan 'özel' bir görelilik teorisi ile ortaya çıktıktan on yıl sonra 'Genel' teorisine odaklandı.

Görelilik, 20. yüzyılın en ünlü bilimsel teorilerinden biridir, ancak günlük yaşamımızda gördüğümüz şeyleri ne kadar iyi açıklar?

1905 yılında Albert Einstein tarafından formüle edilen görelilik teorisi , fizik yasalarının her yerde aynı olduğu fikridir. Teori, nesnelerin uzay ve zamandaki davranışlarını açıklar ve kara deliklerin varlığından, yerçekimi nedeniyle hafif bükülmeye, Merkür gezegeninin yörüngesindeki davranışına kadar her şeyi tahmin etmek için kullanılabilir .

Teori aldatıcı bir şekilde basittir. Birincisi, "mutlak" bir referans çerçevesi yoktur. Bir nesnenin hızını veya momentumunu veya zamanı nasıl deneyimlediğini her ölçtüğünüzde, bu daima başka bir şeyle ilişkilidir. İkincisi, kimin ölçtüğü veya onu ölçen kişinin ne kadar hızlı gittiğine bakılmaksızın ışık hızı aynıdır. Üçüncüsü, hiçbir şey ışıktan daha hızlı gidemez.

Devrimci fizikçi, en ünlü ve zarif denklemini bulmak için fantezi matematik yerine hayal gücünü kullandı. Albert Einstein’ın görelilik kuramı, dünyadaki insanlardan daha yavaş yaşlanan astronotlar ve yüksek hızlarda şekillerini değiştiren katı nesneler gibi gerçekten garip ama gerçek fenomenleri tahmin etmekle ünlüdür.

Ama mesele şu ki, Einstein’ın 1905'ten itibaren görelilik üzerine orijinal makalesinin bir kopyasını alırsanız, bu basit bir okuma.Metni sade ve açıktır ve denklemleri çoğunlukla sadece cebirdir, tipik bir liseliyi rahatsız edecek hiçbir şey yok.

Çünkü süslü matematik hiçbir zaman Einstein için bir mesele değildi. Görsel olarak düşünmeyi, zihninin gözünde deneyler yapmayı ve fikirleri ve fiziksel ilkeleri kristal berraklıkla görene kadar kafasında çalıştırmayı severdi. National Geographic, Einstein'ın en ünlü düşünce deneylerinden birinin etkileşimli bir versiyonunu yarattı: iki gözlemcinin alanı ve zamanı nasıl farklı şekillerde anlayabildiğini gösteren hareketli bir trenden görüldüğü gibi yıldırım çarpmaları hakkında bir benzetme. Einstein sadece 16 yaşındayken düşünce deneylerine nasıl başladı ve sonunda onu modern fizikteki en devrimci denkleme nasıl yönlendirdi.

1895: Işık Demeti Yanında Koşmak

Bu noktaya gelindiğinde, Einstein’ın kendi ülkesi Almanya’nın katı olması ve otoriter eğitim yöntemleri nedeniyle liseden ayrıldı, İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'ne (ETH) katılma umuduyla Zürih'e taşındı.

İlk olarak, Einstein yakınlardaki Aarau kasabasındaki bir okulda bir yıl hazırlık yapmaya karar verdi. bağımsız düşünce ve kavramların görselleştirilmesi gibi yenilikçi yöntemleri vurgulayan bir yer.

Einstein fizik sınıfında bir ışık demetinin ne olduğunu çoktan öğrenmişti: saniyede 186.000 mil hızla dalgalanan salınan elektrik ve manyetik alanlar kümesi, ölçülen ışık hızı. Einstein, sadece bu hızda onunla birlikte koşacak olsaydı, hemen yanında asılı olan, uzayda görünüşte durağan görünen bir dizi salınan elektrik ve manyetik alanı görebilmeliydi.

Yeni başlayanlar için, bu tür sabit alanlar Maxwell'in denklemlerini, o sırada fizikçiler elektrik, manyetizma ve ışık hakkında bildikleri her şeyi kodlayan matematiksel yasaları ihlal edecekti.Yasalar oldukça katıydı (ve çok katı): Alanlardaki herhangi bir dalgalanma ışık hızında hareket etmeli ve hareketsiz duramaz - istisna yok.

Daha da kötüsü, sabit alanlar, fizikçilerin 17. yüzyılda Galileo ve Newton zamanından beri benimsedikleri bir kavram olan görelilik ilkesiyle uyuşmaz. Temel olarak, görelilik, fizik yasalarının ne kadar hızlı hareket ettiğinize bağlı olamayacağını söyledi; ölçebileceğiniz tek şey, bir nesnenin diğerine göre hızıydı.

Fakat Einstein bu prensibi düşünce deneyine uyguladığında, bir çelişki yarattı: görelilik, sabit alanlar da dahil olmak üzere bir ışık demetinin yanında çalışırken görebileceği her şeyin, aynı zamanda dünya Fizikçilerinin laboratuarda yaratabileceği bir şey olması gerektiğini dikte etti. Ama böyle bir şey hiç gözlenmedi.

Bu sorun Einstein'ı 10 yıl boyunca, ETH'DEKİ üniversite çalışmaları ve İsviçre patent bürosu'nda bir sınav görevlisi olduğu İsviçre başkenti Bern'e taşınmasıyla rahatsız edecektir. Paradoksu bir kez ve herkes için kırmaya karar verdi.

1904: Hareketli Bir Trenden Işığın Ölçülmesi

Kolay değildi. Einstein düşünebileceği her çözümü denedi ve hiçbir şey işe yaramadı. Neredeyse çaresizlikten, basit ama radikal bir kavramı düşünmeye başladı. Belki Maxwell’in denklemleri herkes için çalıştı diye düşündü, ancak ışığın hızı daima sabitti.

Bir ışık demeti geçip geçtiğini gördüğünüzde, başka bir deyişle, kaynağının size doğru, sizden uzağa mı yoksa yan tarafa mı hareket ettiği, ne de kaynağın ne kadar hızlı gittiğinin önemi yoktur. Her zaman ışının hızını saniyede 186.000 mil olarak ölçersiniz. Diğer şeylerin yanı sıra, Einstein'ın asla sabit, salınımlı alanları görmeyeceği anlamına geliyordu, çünkü ışık demetini asla yakalayamadı.

Einstein'ın Maxwell'in denklemlerini görelilik prensibiyle bağdaştırmayı görebildiği tek yol buydu. İlk başta, ancak, bu çözüm kendi ölümcül kusuru gibi görünüyordu. Einstein daha sonra sorunu başka bir düşünce deneyiyle açıkladı: Bir trenin saniyede 2.000 mil hızla aynı yönde ilerlerken bir demiryolu seti boyunca bir ışık Demeti ateşlemeyi hayal edin.

Setin üzerinde duran biri ışık ışınının hızını standart sayı olarak ölçecek, saniyede 186,000 mil. Ama trendeki biri saniyede sadece 184.000 mil hızla geçtiğini görürdü. Einstein, ışık hızı sabit olmasaydı, Maxwell'in denklemlerinin bir şekilde demiryolu vagonunun içinde farklı görünmesi gerektiği sonucuna vardı ve görelilik ilkesi ihlal edilecekti.

Bu bariz çelişki Einstein'ın neredeyse bir yıl boyunca çarklarını döndürmesini bıraktı. Ama sonra, Mayıs 1905'te güzel bir sabah, zürih'teki öğrencilik günlerinden beri tanıdığı mühendis michele Besso ile çalışmak için yürüyordu. İki adam Einstein'ın ikilemi hakkında konuşuyorlardı, her zaman yaptıkları gibi. Ve aniden, Einstein çözümü gördü. Bir gecede üzerinde çalıştı ve ertesi sabah tanıştıklarında Einstein Besso'ya "Teşekkür ederim. Sorunu tamamen çözdüm."

Mayıs 1905: Şimşek Ve Hareket Eden Tren

Einstein’ın vahyeti, göreceli hareket halindeki gözlemcilerin zamanı farklı deneyimlemeleri idi: iki olayın bir gözlemcinin perspektifinden eşzamanlı olarak gerçekleşmesi, diğerinin perspektifinden farklı zamanlarda gerçekleşmesi mükemmel bir şekilde mümkündür. Ve her iki gözlemci de haklı olacaktı.

Einstein daha sonra bu noktayı başka bir düşünce deneyi ile açıkladı. Hareket halinde bir trenin demiryolunun setinde duran bir gözlemci olduğunu bir kez daha düşünün. Ancak bu sefer, trenin her bir ucuna, trenin orta noktasına den gelecek şekilde bir şimşek çakıyor. Yıldırım çarpmaları gözlemciye aynı mesafede olduğundan, ışık aynı anda gözüne ulaşır. Böylece eşzamanlı olarak gerçekleştiklerini görür

Bu arada, trende başka bir gözlemci tam orta noktasında oturuyor. Onun bakış açısından, iki grevden gelen ışık da eşit mesafeler kat etmek zorunda ve aynı şekilde ışığın hızını her iki yönde de aynı olacak şekilde ölçecek. Ancak tren hareket ettiği için, arkadaki yıldırımdan gelen ışıığı yakalamak için daha fazla seyahat etmeli, bu yüzden önden gelen ışıktan birkaç dakika sonra ona ulaşır. Işık demetleri farklı zamanlarda geldiğinden, sadece yıldırımların eşzamanlı olmadığı sonucuna varabilir

Kısacası Einstein, eşzamanlılığın göreceli olduğunu fark etti. Bunu kabul ettikten sonra, şimdi görelilikle ilişkilendirdiğimiz tüm garip etkiler basit bir cebir meselesidir.

Eylül 1905: Kütle ve Enerji

Yine de bu ilk makale bunun sonu değildi. Einstein 1905 yazında göreliliğe takıntılı olmaya devam etti ve Eylül ayında ikinci bir makaleyi bir tür sonradan düşünce olarak gönderdi.

Başka bir düşünce denemesine dayanıyordu. Dinlenmeden oturan bir nesne hayal edin, dedi. Ve şimdi kendiliğinden zıt yönlerde iki özdeş ışık atımı yaydığını hayal edin. Nesne yerinde kalacak, ancak her atım belirli bir miktarda enerji taşıdığı için, nesnenin enerji miktarı azalacaktır.

Şimdi, Einstein, bu süreç hareketli bir gözlemciye nasıl benzeyeceğini söyledi. Perspektifinden bakıldığında, iki atım uçarken nesne düz bir çizgide hareket etmeye devam edecekti. Ancak iki atımın hızı hala aynı olsa da - ışığın hızı - enerjileri farklı olurdu: Hareket yönünde ilerleyen atım artık geriye doğru hareket eden enerjiden daha yüksek bir enerjiye sahip olacaktır.

Biraz daha cebirle Einstein, tüm bunların tutarlı olması için, nesnenin sadece ışık atımları kalktığında enerji kaybetmekle kalmayıp, aynı zamanda biraz kütle kaybetmesi gerektiğini gösterdi. Ya da başka bir deyişle, kütle ve enerji birbirinin yerine kullanılabilir.

Einstein ikisini ilişkilendiren bir denklem yazdı. C harfini kullanarak ışık hızını kısaltan bugünkü gösterimi kullanarak, şimdiye kadar yazılan en ünlü denklemi kolayca üretti: E = mc 2 .