Fizikte on ünlü düşünce deneyi
Fizikte özel bir deney türü vardır: Pahalı aletler satın almaları gerekmez, çok fazla insan gücü ve maddi kaynağa ihtiyaç duymazlar ve yalnızca mantıksal bir beyne ihtiyaç duyarlar; ancak bu tür deneyler öncekilerin sonuçlarına meydan okuyabilir ve yeni teoriler oluşturabilir. Ve hatta insanların dünyayı yeniden düşünmesini tetikledi. Bu tür bir deney, efsanevi düşünce deneyidir. Tarihteki pek çok büyük fizikçi, düşündürücü düşünce deneyleri tasarladılar. Galileo, Newton ve Einstein temsilcileridir.Bu düşünce deneylerinin sadece fiziğin gelişimi üzerinde silinmez bir etkisi vardır, aynı zamanda İnsanların dünya ve evren anlayışını altüst edin. Bu makale, fizik tarihinde kolaydan zora birçok ünlü düşünce deneyini tanıtacak.
1. Eylemsizlik Prensibi
Aristoteles zamanından beri insanlar her zaman hareketin sebebinin kuvvet olduğunu ve nesnelerin kuvvetsiz hareketinin durağan olacağını düşünmüşlerdir. Galileo, insanların eylemsizlik ilkesini bildiği aşağıdaki iyi bilinen düşünce deneyini önerene kadar - herhangi bir dış kuvvete maruz kalmayan (veya toplam dış kuvvet 0 olan) bir nesne sabit kalacak veya düzgün bir hızda düz bir çizgide hareket edecektir.
# Deney # Dikey olarak yerleştirilmiş V şeklinde düz bir rayın, üzerinde küçük bir topun sürtünmeden yuvarlanabileceğini hayal edin. Topun sol uçtan aşağı yuvarlanmasına izin verin ve top aynı yüksekliğe sağa doğru yuvarlanacaktır. Sağ rayın eğimini azaltırsanız, top yine de aynı yükseklikte yuvarlanacak ve top yatay yönde daha uzağa yuvarlanacaktır. Eğim ne kadar küçükse, aynı yüksekliğe yuvarlanmak için topun o kadar fazla yuvarlanması gerekir. Şu anda, sağ rayın eğiminin bir seviyeye düşmeye devam ettiğini hayal edin.Önceki deneyimlere göre, eğer sürtünme engeli yoksa, top yuvarlanmaya ve düzgün bir doğrusal hareketi sürdürmeye devam edecektir.
Herhangi bir gerçek deneyde, sürtünme kuvveti her zaman göz ardı edilemeyeceği için, herhangi bir gerçek deney eylemsizlik ilkesini kesin olarak kanıtlayamaz, bu yüzden kadim insanlar eylemsizlik ilkesine gelmediler. Ancak düşünce deneyleri yapılabilir, sadece günlük deneyimin genişletilmesi yoluyla, herhangi bir rasyonel kişi eylemsizlik ilkesinin doğruluğuna inanabilir.Bu en basit düşünce deneyi, düşünce deneylerinin keskinliğini yansıtmak için yeterlidir!
2. İki top aynı anda iner
Hala Aristoteles'in etkisi altında olan Galileo'dan önceki insanlar, daha ağır nesnelerin daha hızlı düşeceğine ve daha hafif nesnelerin daha yavaş düşeceğine inanıyordu. Galileo'nun Eğik Pisa Kulesi'ndeki ünlü deneyi iyi biliniyor, ancak pek çok kişinin bilmediği şey, Galileo'nun aslında iki küçük topun aynı anda inmesi gerektiğini bir düşünce deneyiyle kanıtlamış olmasıdır:
# Deney # Aristoteles'in tezi doğruysa, ağır bir topla hafif bir topu birbirine bağlayıp düşmeyi hayal edin. Ağır olan hızla düştüğü ve hafif olan yavaş düştüğü için, hafif top ağır topu sürükleyerek onu yavaşlatmaya direnç gösterecektir, bu nedenle iki topun düşme hızı ağır topun düşme hızı ile hafif top arasında olmalıdır. Bununla birlikte, iki top bir bütün olarak ele alınırsa, toplam ağırlık, ağır toptan daha büyüktür ve ağır topun tek başına düştüğünden daha hızlı düşmesi gerekir. Yani bu iki çıkarım çelişkili, Aristoteles'in sonucu yanlış, iki küçük topun aynı anda inmesi gerekiyor.
Yukarıdaki düşünce deneyiyle, aslında, iki küçük top aynı anda düştüğünde, bu sadece fizikte geçerli olan bir yasa değil, aynı zamanda mantıklı olmalıdır. Bu örnekte, düşünce deneyi, gerçek deneyin başaramayacağı bir rol oynadı: Lisemizde öğrenilen Newton'un yerçekimi teorisi geçerli olmasa bile, iki küçük topun aynı anda indiği hala doğrudur! Daha sonra, genel görelilikte eşdeğerlik ilkesinden bahsedeceğim.Bu düşünce deneyinin mantıksal kuruluşu, Einstein'ın eşdeğerlik ilkesi sonucundaki anahtar faktördür.
3. Newton'un Topu
# Deney # Resimde gösterildiği gibi, yüksek bir dağa monte edilmiş bir top, mermileri yatay olarak yüksek bir hızda ateşler, mermi ne kadar hızlı olursa, o kadar uzağa düşer. Hız yeterince hızlı olduğunda, kabuk asla yere inmeyecek, ancak dünyanın etrafında periyodik hareketler yapacaktır.
Newton tarafından yapılan bu basit düşünce deneyi, insanların ayın yere düşmemesinin (ve uçmamasının) asıl sebebinin elmanın düşmesine neden olan yerçekimi olduğunu ilk kez fark etmelerini sağladı! Newton'un yerçekimi teorisi, insanların anlayışında bir sıçramaya katkıda bulundu: Gökyüzündeki şeyler "kutsal" değildir ve izledikleri yasalar yerdeki sıradan nesnelerle tamamen aynıdır.
4. Kova deneyi
# Deney # Uzun bir iple kova asın, ip sıkılıncaya kadar dönmesine izin verin ve sonra içine su dökün.Su ve kova geçici olarak hareketsizdir ve sıvı seviyesi açıkça düzdür. Sonra aniden kova ters yönde döndürüldü, başlangıçta su yüzeyi hareketi takip etmedi ve su yüzeyi hala düzdü. Ancak daha sonra, kova yavaş yavaş hareketi suya aktarır ve su dönmeye başlar ve suyun yavaş yavaş merkezini terk edip kova duvarı boyunca yükselip içbükey bir yüzey oluşturduğunu görebilirsiniz. Hareket ne kadar hızlı olursa, su o kadar yükselir. Kova bu anda aniden durdurulursa, su atalet nedeniyle dönmeye devam edecek ve bu sırada sıvı seviyesi hala içbükey olacaktır. Newton, su yüzeyinin çökmesinin suyun çevreye olan göreceli hareketinden değil, suyun mutlak ve gerçek dairesel hareketinden kaynaklandığına inanıyordu, bu nedenle su yüzeyindeki çöküntü mutlak hareketin varlığını belirleyebiliyordu.
Bu düşünce deneyi, Newton tarafından mutlak uzayın varlığını göstermek için tasarlandı. Bununla birlikte, hepimizin bildiği gibi, Newton'un mutlak uzay-zaman görüşü aslında yanlıştır, bu da bu düşünce deneyinin aslında başarısız bir örnek olduğu anlamına gelir. Bu yanılgı, filozof ve fizikçi Mach tarafından 100 yıldan fazla bir süre sonra işaret edildi. Mach, su yüzeyindeki çöküntüsünün suyun "mutlak uzaya" göre hareketinden değil, evrendeki tüm diğer nesnelerin yerçekimi yoluyla su üzerinde hareket etmesinden kaynaklandığına inanıyor. Bunların arasında, belirleyici nesneler uzak gök cisimleridir ve bunlara göre dönen sıvı yüzeyini batıran, uzak gök cisimlerinin "referans çerçeve sürükleme" etkisidir. Mach, mutlak bir alan olmadığına ve tüm referans sistemlerinin eşdeğer olduğuna inanıyor. Mach'ın bakış açısına göre, su yüzeyi sabit tutulabilir ve uzaktaki tüm gök cisimleri birlikte dönerse, durgun su yüzeyi içbükey bir menisküs oluşturacaktır. Açıkçası, böyle bir deney yapamayız, ancak yukarıdaki kova deneyini yapmak için birkaç kilometre kalınlığında bir kova kullanırsanız, insanlar Newton'un sıvı seviyesi hakkındaki yargılarından emin olmayacaklar. . Daha sonra, Machın görüşünün Einsteinın genel görelilik icadı üzerinde belirleyici bir etkisi oldu ve genel görelilik teorisi kademeli olarak onaylandığı için Mach ilkesinin kendisi de geniş çapta kabul edildi.
5. Oberst Paradoksu
20. yüzyılın Big Bang teorisi öne sürülmeden önce, insanların evren anlayışı basitti: Evren sonsuz büyüklüktedir, sonsuz zamanın varlığı, evren sabit bir durumdadır ve evrendeki yıldızlar büyük ölçekte homojen bir şekilde dağılmıştır. Ancak, o zamanlar insanların bilmediği şey, bu dört temel varsayımdan mantıksal olarak gerçeklere açıkça aykırı bir sonuca varmanın mümkün olduğuydu: Oberst paradoks:
# Deney # Evren kararlı, sonsuzsa ve uzay-zaman düz ise, aynı ışıklı nesneler eşit olarak dağılmışsa, çünkü ışıklı nesnelerin aydınlığı uzaklığın karesiyle ters orantılıdır ve küresel kabuktaki ışıklı nesnelerin belirli bir mesafedeki sayısı toplamıdır. Mesafenin karesi orantılıdır, böylece tüm parlak cisimlerin aydınlığının integrali birleşmez ve gece gökyüzü sonsuz derecede parlak olmalıdır.
Ancak, gece her zaman planlandığı gibi düşer ve gökyüzü her zaman parlak değildir. Bu, daha önce evren anlayışımızda bir sorun olduğunu gösteriyor. Oberst bir açıklama yaptı: Evrendeki toz ve parlak olmayan yıldızların ışığın bir kısmını emdiğine inanıyordu. Ancak bu açıklama yanlıştır, çünkü termodinamiğin birinci yasasına göre enerjinin korunması gerekir, böylece ara bariyer ısınır ve radyasyon yaymaya başlar, bu da gökyüzünde tekdüze radyasyona neden olur ve sıcaklık, ışıklı cismin yüzey sıcaklığına eşit olmalıdır. Gökyüzü yıldızlar kadar parlaktır, ancak bu fenomen gerçekte gözlemlenmemektedir. Oberst paradoksunun çözüldüğü Big Bang teorisi ortaya atılıncaya kadar değildi. Big Bang teorisine göre evren 15 milyar yıl önce büyük bir patlamayla doğmuştur ve evren halen genişleme sürecindedir, bu nedenle evrenin sınırlı bir zamanı vardır ve sabit bir durumda değildir. Dört temel hipotezden ikisi artık geçerli değil, bu nedenle Oberst'in paradoksu doğal olarak parçalandı.
6. Laplace iblisi
Newton sonrası dönemde, klasik mekanik dünyayı tanımlamada büyük başarı elde etti ve insanlar yavaş yavaş dünyanın mekanik olarak fizik yasalarıyla tanımlanabileceğine inanıyorlar. Laplace, mekanik determinizme inanır ve dünyadaki her şeyin (insanlar ve toplum dahil) belirli fiziksel yasaların kontrolünden kaçamayacağına inanır.
# Deney # "Evrenin mevcut durumunu geçmiş etkileri ve gelecekteki nedenleri olarak görebiliriz. Bir zeka belirli bir andaki tüm doğal hareketlerin kuvvetlerini ve tüm doğal nesnelerin konumlarını biliyorsa, bu verileri de analiz edebiliyorsa , En büyük nesnenin evrendeki en küçük parçacığa hareketi basit bir formüle dahil edilecek. Bu bilge adam için hiçbir şey belirsiz olmayacak ve gelecek sadece geçmişte olduğu gibi önünde görünecektir. "- Rapp Las
Laplace tarafından bahsedilen "zeka", sonraki nesillerin "Laplace şeytanı" olarak adlandırdığı şeydir. Laplace iblisi varsa, o zaman bu dünya çok korkunçtur: tüm davranışlarınız hesaplama ile hesaplanabilir ve kaderimiz kesinlikle fizik yasaları + başlangıç koşulları tarafından belirlenir, hiçbir şey olmayacak Hesaplamanın ötesinde, bu yüzden hayatta ne kadar eğlence var! Neyse ki, kaos teorisinin ve kuantum mekaniğinin gelişimi, Laplace iblisinin varlığını imkansız kılıyor. Kuantum mekaniği bize fiziksel büyüklüklerin belirsiz olduğunu ve hatasız doğru ölçülemeyeceğini söyler. Kaos teorisi, üç veya daha fazla nesne dahil olduğu sürece, başlangıç koşullarındaki son derece küçük farklılıkların çok farklı nihai sonuçlara yol açacağını göstermektedir. Başka bir perspektiften, Laplace iblisi klasik mekaniğin tersinir sürecine dayanır, ancak gerçek sistem termodinamiğin ikinci yasasının geri döndürülemez sürecini tatmin eder (entropi artışı ilkesi). Dolayısıyla dünya hâlâ belirsizlik ve sürprizlerle dolu ve insanlar kendi öznel çabalarıyla kendi kaderlerini değiştirebiliyor.
7. Maxwell Demon
Ortaokulda, hepimiz termodinamiğin ikinci yasasını (entropide artış ilkesi) öğrendik: izole edilmiş bir sistemin geri döndürülemez sürecinin entropisi her zaman artıyor. "Düşen yapraklar sonsuza kadar gidecek ve suyun toplanması zor olacak; ölmenin ve küllerin yeniden dirilmesi zordur; kırık aynadan yeniden bir araya gelmeyi dilemek mantıksızdır; hayat yaşlanmak kolaydır ve gençleşme sadece bir fantezidir; çiğ pirinç pişirme olgun pirinç geri alınamaz ..." Her ikisi de gerçek hayatta entropi artışı ilkesinin tepkileridir ve artık fizikteki en kırılmaz ilkelerden biri haline gelmiştir. Bununla birlikte, Maxwell bir zamanlar entropi artışı ilkesi hakkında çok kafa karıştırıcı bir soru sordu.
# Deney # Adyabatik bir kap iki eşit ızgaraya bölünmüştür. Ortada "Maxwell Demon" tarafından kontrol edilen küçük bir "kapı" vardır. Kaptaki hava molekülleri düzensiz termal hareketler yaptığında kapıya çarpacaktır. "Kapı" olabilir Daha hızlı molekülleri seçici olarak bir hücreye ve daha yavaş molekülleri başka bir hücreye koyun, böylece bir hücre diğer hücreden daha yüksek bir sıcaklığa sahip olur ve sistemin entropisi azalır. Bu sıcaklık farkı, termodinamiğin ikinci yasasına aykırı olan ısı motorunu iş yapmaya yönlendirmek için kullanılabilir.
Bu zor soruyu çürütmek kolay bir şey değil. Bazı insanlar Maxwell iblisinin kapıları açıp kapatırken enerji tüketmesi gerektiğini düşünebilir ve burada üretilen entropideki artış, sistem entropisindeki azalmayı telafi edecektir. Bununla birlikte, kapıları açıp kapatarak tüketilen enerji gerekli değildir ve keyfi olarak yeterince küçük bir miktara indirilebilir. Maxwell'in şeytanı için gerçek açıklama 20. yüzyıla kadar açıklanmadı. Entropi problemini anlamak her zaman zor olmuştur, bu yüzden Bay Zhao Kaihuanın "Yeni Kavram Mekaniği · Termoloji" deki sözlerinden doğrudan alıntı yaptım: "Maxwell'in iblisi, moleküler hareket bilgisini alma ve saklama yeteneğine sahiptir. Sisteme müdahale etmek ve onu tersine çevirmek için bilgiye dayanır. Doğanın yönü. Modern bakış açısına göre, bilgi negatif entropidir ve Maxwell'in şeytanı sisteme negatif entropi girerek entropisini azaltır. O halde, Maxwell'in iblisi gerekli bilgiyi nasıl elde edebilir? Bir sıcaklık ve ortama sahip olmalıdır Farklı minyatür ışık kaynakları, ek entropi oluşturmak için belirli bir miktarda enerji gerektiren molekülleri aydınlatır.Ek entropiyi telafi eden gerekli bilgiyi (yani negatif entropi) elde etmek Maxwell'in şeytanı pahasına. Bu, sistemdeki entropiyi azaltır. Genel olarak, bir Maxwell iblisi olsa bile, çalışma şekli termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etmez. "
8. İkiz Paradoksu
Einstein'ın özel görelilik teorisi, o zamanlar insanlar için kabul edilemez olan yepyeni bir zaman ve mekan görüşü oluşturdu. Bu nedenle, öne sürüldüğünden bu yana, özel görelilik teorisi, en ünlüsü ikiz paradoks olan çeşitli tartışmalara konu olmuştur. Bununla birlikte, ne kadar zor olursa olsun, özel görelilik teorisi mükemmel bir açıklama verebilir ve tüm paradokslar tek tek çözülmüştür.Bu paradoksların incelenmesi, özel göreliliğin uzay-zaman görüşüne dair daha derin bir anlayış sağlayabilir.
# Deney # Özel görelilik teorisinde, hareketin referans çerçevesinin zamanı yavaşlayacaktır, bu hareket eden saatin sözde yavaşlama etkisidir. Şimdi bir senaryo hayal edin: A ve B ikizleri var. A yeryüzünde kalıyor ve B ışık hızına yakın bir uzay aracını alıp evrenin derinliklerine uçuyor. Uzay aracı belli bir mesafeye uçtuktan sonra döndü ve geri uçtu ve sonunda iki kardeşin buluştuğu yere Dünya'ya indi. Şimdi sorun geliyor: A, egzersiz yaparken B'nin zamanının daha yavaş olduğunu ve B'nin A'dan daha genç olması gerektiğini düşünüyor; ve benzer şekilde, B'nin görüşüne göre, A'nın egzersiz yapması ve A'nın zamanı yavaşlaması ve A'nın B'den daha genç olması gerektiğidir. Bu. Peki küçük erkek kardeş kim? Özel görelilik teorisi kendisiyle çelişiyor mu?
Aslında, ikiz paradoksu anlamanın anahtarı, A ve B'nin durumunun eşit olmadığını anlamaktır: ikisinden sadece B bir ivme yaşamıştır ve B uzay aracı döndüğünde kaçınılmaz olarak bir ivme yaşayacaktır. Bu nedenle, özel görelilik teorisi tarafından kurulan eylemsizlik sisteminde yalnızca A vardır ve yalnızca A'nın görüşü doğrudur: Kardeşler buluştuğunda, B A'dan küçüktür. Benzer etkiler, gelişmiş deneylerle de doğrulanmıştır. Aslında, detaylı hesaplamalar yapmak için özel görelilik teorisini kullandığınız sürece, B'nin bakış açısıyla da B'nin neden A'dan daha genç olduğunu anlayabilirsiniz, ancak bu, burada verilmeyecek olan sıkıcı hesaplamalar yapmak zorundadır. Şimdiye kadar, özel görelilik teorisinin bu konuda çelişkiler içermediğini rahatlıkla söyleyebiliriz. Ama bir seyahate çıkan ikiz kardeşler aslında geri döndüler ve nispeten gençler ... Bu çoğu insanın dünya görüşünü altüst ediyor ... Ama bu bir gerçek ve buna inanmalısınız!
9. Eşitlik İlkesi
Ortaokulda herkes kütle kavramını öğrendi, ancak gerçekte iki farklı kütle vardır: atalet kütlesi ve yerçekimi kütlesi. Atalet kütlesi, ataletin bir ölçüsü olan F = ma cinsinden m'dir; yerçekimi kütlesi, yerçekiminin bir ölçüsü olan F = GMm / r ^ 2'de m'dir. Ortaokulda ikisinin birbirinden ayrılmamasının nedeni tamamen eşit olmalarıdır. Bu gerçek varsayılmıyor ve bu sihirli gerçek sayesinde Einstein genel göreliliğin temel bir hipotezini özetledi: eşdeğerlik ilkesi.
# Deney # Boş uzayda (yerçekimi kuvveti olmadan), a = 9,8 m / s ^ 2 ivmeyle ivmeyi doğrusal hareket ettiren bir uzay aracı hayal edin. İçerideki kişi küçük bir top atarsa, top atalet nedeniyle 9,8 m / s ^ 2 ivme ile yere düşecektir; bu tıpkı bir yerçekimi alanındaki eylemsizlik sistemi gibidir. Eylemsiz sistemdeki eylemsizlik kuvveti, eylemsizlik kütlesi ile orantılıdır ve yerçekimi kuvveti, yerçekimi kütlesi ile orantılıdır. Eylemsizlik kütlesi ile yerçekimi kütlesinin eşit olması, eylemsizlik kuvveti ve yerçekiminin iki etkisini birbirinden ayırt etmeyi imkansız kılar, bu zayıf eşdeğerlik ilkesidir. Einstein ayrıca tüm fiziksel süreçler için (sadece mekanik süreçler değil), boş uzayda hızlandırılmış hareket referans çerçevesi ve yerçekimi etkisi altındaki eylemsizlik çerçevesi için, bu ikisinin prensipte tamamen ayırt edilemez olduğunu ileri sürdü. prensip.
"Yerçekimi alanındaki tüm nesneler aynı ivmeye sahiptir. Bu yasa aynı zamanda kütleçekim kütlesine eşit eylemsizlik kütlesi olarak da ifade edilebilir. O zamanın tam önemini anlamamı sağladı. Varlığı beni son derece şaşırttı ve tahmin ettim. Bunların arasında, atalet ve yerçekiminin daha derin bir şekilde anlaşılması için anahtar olması gerekir. "- Einstein.
10. Schrödinger'in kedisi
Schrödinger'in kedisi muhtemelen fizik dünyasındaki en ünlü hayali hayvandır. Kuantum mekaniğinin kurucularından biri olan Schrödinger tarafından kuantum mekaniğinin eksik olduğunu göstermek için önerildi.
# Deney # Kapalı bir kutuya bir kedi koyun ve ardından kutuyu radyoaktif bir çekirdek ve bir zehirli gaz kabı içeren deneysel bir cihaza bağlayın. Bu radyoaktif çekirdeğin bir saat içinde% 50 bozulma olasılığına sahip olduğunu hayal edin. Çürürse, bir parçacık yayacak ve yayılan parçacık deneysel cihazı tetikleyecek, kabı zehirli gazla açacak ve kediyi öldürecektir. Kuantum mekaniğine göre, çekirdek gözlenmediğinde, kedinin üst üste binme durumunda, yani "ölü ve diri" (birçok insan tarafından yanlış anlaşılan "yarı ölü" yerine), çekirdek gözlenmediğinde çürüme ve bozulma süperpozisyon durumundadır. "Ya öl ya da yaşa"). Bununla birlikte, kutu bir saat sonra açılırsa, deneyci sadece "çürümüş çekirdek ve ölü kedileri" veya "çürümemiş çekirdekleri ve canlı kedileri" görebilir. Şimdi soru şudur: Bu sistem ne zaman iki farklı durumun üst üste gelmesini bırakıp onlardan biri haline geldi? Gözlem için kutuyu açmadan önce kedi ölü müydü, diri miydi yoksa hem ölü hem diri miydi? Bu deneyin asıl amacı, dalga fonksiyonunun çökmesi ve kedinin durumu için makul bir açıklama yapamazsa kuantum mekaniğinin kendisinin eksik olduğunu göstermekti.
Schrödinger'in kedisi fizikçiler için bir kabustur, mikroskobik kuantum mekanik etkilerini makroskopik günlük hayata büyütür ve her şeyi çok garip hale getirir. Schrödinger'in kedisinin açıklaması, kuantum mekaniğinin çeşitli derin felsefi anlayışlarını içerir, bu nedenle bu makale ayrıntılara girmeyecektir.
Kaynak: EETOP
