100 yıl önce görelilik teorisini 5 dakikada ispatladılar
Kaynak: Kamu Hesabı "Araştırma Grubu"
29 Mayıs 1919'da, Afrika'nın batı kıyısındaki Principe Adası'nda, İngiliz gökbilimciler Arthur Eddington (Arthur Eddington, 1882-1944) beş dakikalık bir güneş tutulması gözlemledi ve insanlık tarihindeki en önemli güneş tutulmasının fotoğrafını çekti. Yarım yıllık veri analizinden sonra, Londra'da bir basın toplantısı düzenlediler ve hemen dünyanın manşeti oldu: Einstein (Albert Einstein, 1879-1955) Görelilik teorisi kazandı.
İzafiyet teorisi, insanlık tarihindeki en başarılı çekim teorisidir ve bir asırdan fazla süredir tahminlerinde asla başarısız olmadı. Daha da önemlisi, insanların uzay ve zamanın nesnel varoluşuna dair uzun süredir devam eden inancını altüst eder ve böylece felsefe ve hatta popüler kültür üzerinde etkisi vardır.
Eddington tarafından çekilen ve daha sonra 1920'de yayınlanan bir makalede yayınlanan güneş tutulması fotoğraflarından biri. Resim kaynağı: Wikipedia
Qi tarafından yazılmış ve tercüme edilmiştir
Işığın hızı var mı?
Görelilik teorisinin hikayesi ışık hızıyla başlar, doğmadan önce fizikte ışık tartışması üç yüz yıldır devam etmekteydi.
Einsteinın teorisinde, Boşluktaki ışığın hızı evrendeki en hızlıdır, Artık bu hızın saniyede yaklaşık 300.000 kilometre olduğunu biliyoruz. Ancak günlük hayatta ışık hızını hissetmenin zor olmasından kaynaklanıyor olabilir.Geçmişte insanlar genellikle ışık hızının sonsuz olduğunu varsayarlardı.
17. yüzyılda, Galileo (Galileo Galilei, 1564-1642) Önce ışık hızını ölçmeye çalışın. İki gözlemciden her birine birer ışık tutmalarını istedi: Önce A ışığı yakar, B de gördükten sonra kendi ışığını yakar ve ardından A'nın ışığı ile B'nin ışığını görmek arasındaki zaman farkını hesaplar. O zamanki deneysel koşullarla sınırlıydı, başarısız oldu - ikisi bir mil (yaklaşık 1,6 kilometre) ile ayrılmış olsa bile, ölçüm sonuçları birbirine yakın olduklarında benzerdi.
17. yüzyılın sonunda bilim adamları, bu kez Jüpiter'in Dünya'yı gözlemlerken aylarını gizlediği fenomen olan Jüpiter'in tutulmasına güvenerek ışığın hızını tekrar ölçmeye çalıştılar. Danimarkalı gökbilimci Ole Romer (1644-1710), Dünya ile Jüpiter arasındaki mesafe farklı olduğunda Jüpiter tutulmasının süresinin farklı göründüğünü, mesafe uzaklaştıkça Jüpiter'in tutulmasının daha sonra ortaya çıktığını buldu. Fark yaklaşık 10 dakikadır, bu da Io tarafından yansıtılan ışığın dünyaya ulaşmasının daha uzun süreceği anlamına gelir. Luo, ışık hızının sınırlı olduğunu kanıtlamak için bu fenomeni varsayılan olarak kullandı.
Işık hızını ölçmenin şematik diyagramı. Dünya L noktasından K noktasına hareket ettiğinde, ortaya çıkan ilk tutulmanın zamanı, hesaplama döngüsüne göre hesaplanan zamandan birkaç dakika sonradır. Luo, ışığın LK'dan geçmesi için geçen süreyi varsayılan olarak belirlemiştir. Tersine, dünya F noktasından G noktasına hareket ettiğinde, Ganymede tutulmasının zamanı hesaplanan sonuçtan daha erken görünür. Görsel kaynağı: Romer'in 1676'da yayınlanan makalesi, Wikipedia
Tüm yeni teoriler gibi, bu sonuç hemen kabul edilmedi. 1728'de Kopenhag yerel tarihin en büyük yangını yaşadı ve Romer'in gözlemlerinin çoğu yok edildi.
Ve yangından bir ay önce, Kuzey Denizi'nin diğer tarafında, İngiliz gökbilimciler James Bradley (James Bradley, 1693-1762) ışık hızının daha doğru bir hesaplamasını yaptı. Bradley ayrıca güneş ışığının dünyaya ulaşma süresinin 8 dakika 13 saniye olduğunu tahmin etti, bu da modern gözlemlerden sadece birkaç saniye uzakta.
Su dalgaları mı, parçacıklar mı?
Işık hızının ölçümü bir soruyu yanıtlar, ancak daha fazla soruyu gündeme getirir: Işık nasıl hareket eder? Farklı ortamlarda ışık hızı nasıl değişir?
Ayrıca 17. yüzyılda fizikçiler ışığın doğasını inceledi. Hollandalı fizikçi Christian Huygens (Christiaan Huygens, 1629-1695) Işığın bir dalga olduğunu düşün , "Eter" deki su dalgaları gibi yayılır. Çağdaş bilim adamları gibi, o da eterin tüm alanı dolduran bir sıvı olduğuna inanıyordu.Dünya, tam da güneşin eter vorteksini harekete geçirdiği için güneşin etrafında dönebilir.
Dalga teorisi ışığın yansımasını ve kırılmasını açıklayabilir, ancak ışığın neden düz bir çizgide hareket ettiğini açıklayamaz. Şu anda, Isaac Newton (Issac Newton, 1623-1727) tamamen farklı bir teori önerdi. Prizma deneyinin sonuçlarını açıklamak için, Newton, ışığın bir tür parçacık olması gerektiğine işaret etti, Işık prizmadan geçtiğinde, tıpkı bir tenis topunun çapraz bir raket tarafından dövüldüğü zamanki gibi bir eğri çizer. (Bugün daha aşina olduğumuz olgu, futbol maçlarındaki "muz topudur".)
Işık hızındaki değişikliği açıklarken bu iki teori birbirinden ayrıldı: dalga teorisi, daha büyük kırılma indisine sahip bir ortamda ışık hızının daha düşük olduğuna, parçacık teorisinin çıkarımının ise tam tersi olduğuna inanıyordu. Bilim adamları, 19. yüzyılın ortalarına kadar, deneyler yoluyla ışığın hızını farklı ortamlarda ölçtüler ve sonunda parçacık teorisini tersine çevirdi.
En ünlü "başarısız" deney
Ancak Volatilite henüz tam olarak kazanmadı. O dönemde dalga teorisinin açıklaması, eterin varlığına dayanıyordu, ama eter neye benziyordu?
19. yüzyılın fizikçileri eterin varlığından şüphe etmediler, ancak doğasını açıklamada sayısız güçlükle karşılaştılar. . Örneğin, polarizasyon fenomeni, ışığın yayılma yönüne göre yanal titreşime sahip olduğunu gösterir, bu da eterin elastik bir katı olduğunu gösterir, çünkü böyle bir fenomen hava gibi elastik bir sıvıda meydana gelmez. Ama eğer eter katı ise, gezegenler onun içinden nasıl geçebilir?
1887'de ünlü bir eterin doğasını test etmek için Michelson-Morley deneyi Albert Michelson (1852-1931) ve Edward Morley (1838-1923) tarafından tasarlanmıştır. Deneyin prensibi basittir: Dünya eter içinde hareket ederse, o zaman ışık eter boyunca hareket ettiğinde, hızı, tıpkı suda yüzmenin daha kolay olması gibi, geri hareket ettiğinden daha hızlı olmalıdır.
Michelson ve Morey, deneysel cihazın yatay ve sabit bir konumda olmasını sağlamak için cıva içinde yüzen mermer bir levha üzerine yerleştirdi. Işık kaynağından (a) bir ışık demetinin başlamasına ve ışığın yayılma yönüne 45 derecelik bir açıyla yarı saydam bir ışın ayırıcıdan (b) geçmesine izin verirler.Lens, ışığın bir kısmının doğrudan geçmesine izin verirken, ışığın diğer kısmı yansıtılarak iki aynaya (c) ulaşır. , D). Işık ışınları iki aynaya ulaşır ve farklı zamanlarda geri gelirse, sonunda ortada girişim saçakları oluşturan bir faz farkı olacaktır. Alet döndükçe, ışık yolunun göreceli konumu ve eter akış yönü değişir, bu nedenle girişim saçakları hareket etmelidir.
Michelson-Morley deneyinin şematik diyagramı. Resim kaynağı: Wikipedia
Bununla birlikte, tekrarlanan deneylere rağmen, Michelson ve Morey, girişim saçaklarında önemli bir hareket bulamadılar. O zamanki deneysel fizikçilerin gözünde, deneysel sonuçlar eterin yeryüzü ile nispeten durağan olduğunu kanıtladı. Bu onların kafasını çok karıştırır.
20. yüzyıla girerken, mutlak sıcaklık ölçeğinin mucidi Kelvin şöyle dedi: "İki kara bulut ... ışığı ve ısıyı hareket formları olarak belirleyen dinamik teorinin güzelliğini ve netliğini gizledi." Bir kara bulut, siyah cisim radyasyonuna atıfta bulunur, Diğeri ise henüz ideal bir açıklama bulamayan Michelson-Morley girişim deneyidir.
Güneşi gör
1895'te Hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz (1853-1928) o zamanki elektromanyetik araştırmaların sonuçlarıyla birleşti ve cesur bir hipotez yaptı: nesneler esasen elektromanyetik kuvvet tarafından bir arada tutulursa, o zaman Bir nesne elektromanyetik eter içinde hareket ettiğinde, hareket yönü boyunca kısalabilir. Karmaşık hesaplamalardan sonra Lorentz, hareketin dönüşüm ilişkisini farklı referans çerçevelerinde açıklamak için Lorentz dönüşümünü önerdi.
1921'de Einstein ve Lorenz. Resim kaynağı: Wikipedia
Lorenz özel görelilik teorisine çok yakındır, ancak eterden vazgeçmemiştir. Diğer deneysel fizikçiler de pes etmediler, deneyi daha hassas aletlerle tekrar etmeye ya da deneyi daha yüksek bir irtifada tekrar etmeye çalıştılar.
O dönemin fizikçileri neden bu kadar yakalanması zor bir maddenin varlığına inatla inansınlar? Bugün bunu anlamak bizim için zor olabilir, ancak 20. yüzyılda, Eteri reddetmenin, maddenin ve zamanın sonsuzluğunu inkar etmek anlamına geldiği söylenebilir. . Eterin varlığı bir hipotezi ifade eder, yani mutlak nesnel ve değişmeyen bir uzaysal referans sistemi vardır. Felsefi bir bakış açısından, madde sabit bir yer kaplar ve zaman sabit bir hızda geçer.Bu, insanın zihnindeki dünyanın içsel anlayışıdır.
Ve Einstein ilk önce şunu fark etti: Mutlak uzay ve mutlak zaman kavramı, hayal gücünde bir kurgudur, İnsan deneyimi ile sınırlıdır. Aslında, birleşik sistemin gözlem sonucu gözlemcinin konumuna bağlıdır.Aynı sistemdeki gözlemciler ve başka bir sistemdeki gözlemciler farklı görürler. Başka bir deyişle, zaman ve mekan mutlak değil, gözlemciye göreceli.
Görünmez ve somut olmayan etere gelince, Sadece uzayın elektromanyetik dalgaları yayma kabiliyetine sahip olduğunu kabul etmeniz gerekir, o zaman etere olan bağımlılığı bırakabilirsiniz. Einstein ve arkadaşları daha sonra kitaba şunları yazdı:
"Eteri gerçek bir şey yapmak için tüm çabalarımız başarısız oldu. Ne mekanik yapısını ne de mutlak hareketini gösteriyor. Eter icat edildiğinde kendisine verilen bir özellik, elektromanyetik dalgaları yayma yeteneği dışında, Başka hiçbir özelliği yok, eterin doğasını keşfetmeye çalıştık, ancak tüm çabalar zorluklara ve çelişkilere neden oldu.Birçok başarısızlıktan sonra, eteri tamamen terk etmenin ve bir daha asla isminden bahsetmenin zamanı gelmelidir. . "
- "Fiziğin Evrimi"
Lorentz dönüşümü temelinde, Einstein, 1905'te özel görelilik teorisini önerdi ve ardından 1915'te genel görelilik teorisini önerdi.
Harika beş dakika
Görelilik teorisinin doğru olup olmadığı nasıl doğrulanır? Pek çok bakımdan, görelilik teorisinin çıkarımları, Newton mekaniğinin çıkarımları ile kabaca aynıdır.İki, yalnızca evren ölçeğinde birbirinden uzaklaşabilir. Bu yeni teoriyi test etmek için mihenk taşı olabilecek birkaç önemli fenomen var, bunlardan biri güneş tutulması.
Einstein'ın teorisine göre, Işık yerçekimi alanından geçtiğinde, rota bükülür . Bir güneş tutulması meydana geldiğinde, güneşe yakın yıldızlar artık güneş ışınlarıyla örtülmeyecek ve güneşin yerçekimi kuvveti nedeniyle yıldızlardan gelen ışık dünyaya ulaşmadan önce bükülür, bu nedenle gördüğümüz yıldızların konumu sapacaktır. Gerçek konumları, özellikle yer değiştirme değeri 1.74 ark saniyedir.
Görelilik teorisinin tam olarak mükemmelleşmesinden birkaç yıl önce, Einstein böyle bir tahmin yaptı, ancak savaş yıllarında bir güneş tutulması gözlemi düzenlemek zordu. Alman ve Amerikalı gökbilimciler en az üç gözlem denediler, Ancak hava nedeniyle çekim yapmak her zaman imkansızdır. En kötüsü Ağustos 1914'teydi, Erwin Finlay-Freundlich (1885-1964) ve William Wallace Campbell (1862-1938) Çekime hazırlanmak için Rusya'ya giden Almanya, şu anda Rusya'ya savaş ilan etti. Böylece güneş tutulması başlamadan önce Rusya, Freundrich'i Almanya'dan tutukladı ve yakalanan askerlerin değişimini talep etti.
Campbell bir Amerikalıydı ve çekim yapmaya devam edebildi, ancak hava kapalıydı. Tutulma sona erdikten sonra, yanında getirdiği değerli aletleri bile değil, hızla Rusya'yı tahliye etti.
Campbell, Rick Gözlemevi'nin yöneticisiydi ve neredeyse görelilik teorisini kanıtlayabiliyordu. Resim kaynağı: Wikipedia
Birleşik Krallık'ta, Einstein'ın kağıtları Hollanda'dan o zamanlar Kraliyet Astronomi Topluluğu sekreteri olan Eddington'un ellerine kaçırıldı. Eddington bununla çok ilgilendi, o dönemde ülkedeki şiddetli Alman karşıtı duyguların üstesinden gelmeyi başardı, Einstein'ın çalışmalarını meslektaşlarına tanıttı ve bu güneş tutulması gözlemine hazırlanmaya koyuldu.
Bu sırada savaş neredeyse bitmişti ve durum çok gergindi. Eddington Quakers'a inandı, savaşa karşı çıktı, defalarca askerlik hizmetinden muafiyet başvurusunda bulundu ve neredeyse hapse atıldı. Meslektaşı ve arkadaşı Frank Dyson (1868-1939) da, orduyu ulusal onurla ikna etmeye çalışarak onun yerine müdahale etti.
Eddington'un oldukça şanslı olduğu söylenebilir, son anda askerlikten muaf tutulmuştu. Ardından 11 Kasım 1918'de Birinci Dünya Savaşı sona erdi. Eddington ve meslektaşları, 5 dakikalık güneş tutulması gözlemini beklemek için hemen Principe Adası'na gitmeye hazırlandı. Emin olmak için, yedek fotoğraflar çekmesi için Brezilya'daki Sboral'a başka bir ekip gönderdi.
Çekim bu sefer iyi geçti. Kasım 1919'da Eddington ekibi Londra'da bir basın toplantısı düzenledi. Uzakta Almanya'da bulunan Einstein, bir hastane yatağında yatıyordu ve haberi Hollandalı bir yayınla öğrendi.
I.Dünya Savaşı'nın sona ermesinden yıllar sonra, Einstein ve Eddington ilk kez karşılaştı. Resim kaynağı: BİLİM FOTOĞRAF KÜTÜPHANESİ
Yerçekimi dalgalarını arıyorum
Bu tutulma gözleminden iki yıl sonra Einstein, Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. Görelilik teorisinden değil, "teorik fiziğe katkısından, özellikle de fotoelektrik etkinin teorik açıklamasından" kaynaklanıyor. Ödül biraz utanç vericiydi: Einstein o sırada çoktan ün kazanmıştı ve aday gösterme çağrısı çok yüksekti; ancak genel görelilik teorisi hala tam olarak doğrulanmamıştı, bu yüzden ona ödülü verecek başka bir kaynak bulması gerekiyordu.
Güneş tutulmalarına ek olarak, genel görelilik ayrıca kütleçekimsel kırmızıya kayma ve yerçekimi dalgalarının özelliklerini de öngörür. Kütleçekimsel kırmızıya kayma, kütleçekim alanı arttıkça ve kırmızı uca hareket ettikçe ışığın dalga boyunun artması olgusunu ifade eder. Bu nedenle, yıldızlarda aynı element tarafından üretilen spektral çizgiler, yeryüzünde üretilen spektral çizgilerden daha "kırmızı" dır. 1925'teki gözlemlerle doğrulandı.
Yerçekimi dalgalarına gelince, Einstein bir zamanlar var olup olmadığından şüphe etti. Ölümünden altmış yıl sonra, Yerçekimi dalgaları ilk kez insanlar tarafından yakalandı ve gözlem sonuçları 2016'da doğrulandı. Bugün, Amerikan Lazer İnterferometrik Yerçekimi Dalga Gözlemevi (LIGO) ve İtalya'daki Başak Gözlemevi hala gece gökyüzüne bakıyor. Çift kara deliklerin veya çift nötron yıldızlarının birleşmesi sonucu oluşan kütleçekim dalgalarını yakaladılar.En son gözlemsel verilerden bazıları henüz analiz edilmedi. Gökbilimciler bunun nötron yıldızlarını yutan kara delikler tarafından üretilen sinyal olabileceğine inanıyorlar. Bu varsayım nihayet doğrulanırsa, o zaman görelilik teorisinin bize getirdiği başka bir sürpriz olacaktır.
Popüler kültürde, Einstein'ın imajı bir bilimin sembolü haline geldi. Resim kaynağı: Wikipedia
Referans kaynağı:
1. "Fizik Tarihi", F. Kayori tarafından yazılmıştır, Çin Basını Renmin Üniversitesi'nden Dai Nianzu tarafından çevrilmiştir.
2. W.C. Dampier tarafından "Bilim Tarihi", Li Heng, Renmin University of China Press tarafından çevrilmiştir.
3. 1914-1919, görelilik teorisiyle ilgili astronomik keşif gezileri, Science Squirrel Society, https://songshuhui.net/archives/22119
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Eddington
5. Einstein'ın Harika Çalışması için Nobel Ödülü, Shi Yu, Science Net,
6. Yerçekimi dalgaları, kara delik yiyen yıldızın tespitini ima ediyor, 26 NİSAN 2019, Nature 569, 15-16 (2019), doi: 10.1038 / d41586-019-01377-2
7. Einstein'ı dünyaca ünlü yapan adam Matthew Stanley, BBC, https://www.bbc.com/news/science-environment-48369980
Bu makale WeChat kamu hesabı "Araştırma Çevresi" nden gelmektedir. Yeniden yazdırmanız gerekiyorsa, lütfen "Araştırma Çevresi" nin sahne arkasındaki "Yeniden Yazdır" bölümüne yanıt verin veya resmi hesap menüsünden bizimle iletişime geçin.
Kaynak: Araştırma Çevresi
Düzenleme: AI
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. İlk kara delik PS yarışması burada! Bu "oldukça bulanık" resim için Çinli bilim adamları ne gibi katkılarda bulundu?
2. Dört büyük fizik canavarı arasında "Schrödinger'in kedisi" dışında kim var?
3. Sarkaç deneyini ne kadar büyük yeraltı altın madeni etkileyebilir? | No. 149
4. Giysiler neden tahta bir sopayla vurularak temizlenebilir? | No. 150
5. Öfkenizi dışa vurmak için, nefret edilen söğüt kedisine bir "şiddet kontrolü" veriyoruz
6. Mayın tarama gemisi oynamak için başka hangi beceriler var? Bir bilim adamının oyun oynama şeklini asla düşünmezsin
7. Ülkemizde hiçbir harita size gerçek konumunuzu söyleyemez
8. Müşterinin ağzında hizmet veren küçük temizleme karidesleri ve temizleyen balıklar yenmeyeceklerini nereden biliyorlar?
9. Dağ sıçanlarının sadece çığlık atabileceğini düşünüyor musunuz? Aslında seni azarlıyor olabilir
10. Bolt'un hızını ölçmek için ne kadar çok çalıştığımızı biliyor musunuz?
