Speciell relativitet är en mycket viktig fysikteori som introducerades av Albert Einstein 1905 (hans 'mirakelår'). På den tiden revolutionerade det fullständigt vår förståelse av rymden och tiden. Ordet relativitet är välkänt och starkt associerat med Einstein, men de flesta har inte faktiskt studerat teorin. Läs vidare för en enkel förklaring av speciell relativitet och dess häpnadsväckande konsekvenser.

Vad är en referensram?

För att förstå speciell relativitet måste begreppet en referensram förstås. En referensram är en uppsättning koordinater som används för att bestämma positioner och hastigheter för objekt inom den ramen. Tröghetsramar är ett speciellt fall för ramar som rör sig med konstant hastighet. Speciell relativitet behandlar uteslutande tröghetsramar, därav namnet special. Einsteins senare teori om allmän relativitet behandlar fallet med accelererande ramar.

postulat

Einsteins teori om speciell relativitet är baserad på två postulater:

  • Relativitetsprincipen - Fysikens lagar är desamma i alla tröghetsramar.

Exempelvis kommer ett experiment som utförs i ett tåg som rör sig med konstant hastighet att producera samma resultat när det utförs på tågstationen. Tåget och den stationära plattformen är exempel på olika tröghetsramar. Dessutom, om du var på detta idealiserade tåg och inte kunde se utsidan, finns det inget sätt för dig att avgöra att tåget rör sig.

  • Principen för invariant ljushastighet - Ljushastigheten (i vakuum), c, är densamma i alla tröghetsramar.

Denna princip var inspiration för Einsteins teori. Maxwells teori om elektricitet och magnetism (1862) hade förutspått en konstant ljushastighet men detta var oförenligt med klassisk Newtonian rörelse (1687). Einstein introducerade särskild relativitet för att överträffa Newtonian rörelse med en teori som var förenlig med Maxwells.

En lätt klocka

Ljusklockan är ett särskilt enkelt exempel som kan användas för att visa konsekvenserna av speciell relativitet vid tid. Ljusklockan är en teoretisk klocka som använder ljus för att mäta tiden. Specifikt reflekteras en ljuspuls mellan två parallella speglar som är åtskilda så att en sekund är tiden för ljus att färdas mellan speglarna. Bilden nedan visar denna inställning sett av två olika referensramar. Som betraktas om ljusklockan är stationär relativt observatören, märkt som en stationär ram. Ramen märkt som rörlig visar vad en observatör skulle se om ljusklockan rör sig relativt observatören. Observera att detta är något analogt med ovannämnda tågexempel.

Inställningen av vår teoretiska ljusklocka i två olika referensramar. Lägg märke till hur relativ rörelse i ramen till höger ändrar den observerade ljusbanan.

Såsom visas med de enkla matematikerna i bilden ovan (endast stämning av pythagoras krävs) ger den rörliga ramen en längre väg för ljuset att färdas. På grund av principen om invariant ljushastighet körs emellertid samma hastighet i båda ramarna. Därför är den tid det tar för ljuspulsen att reflektera längre i den rörliga ramen, den tillhörande sekunden är längre och tiden går långsammare. Den exakta formeln för hur mycket längre som enkelt kan beräknas och anges nedan.

Tid utvidgning

Är inte den tidigare effekten endast giltig för det speciella fallet med lätta klockor? Om det var en speciell klocktyp så kan du jämföra en ljus klocka med ditt vanliga armbandsur och bestämma om du befann dig inom en rörlig ram. Detta bryter med relativitetsprincipen. Därför måste effekten vara lika sann för alla klockor.

Att sakta ner tiden från relativ rörelse är faktiskt en grundläggande egenskap i vårt universum. I detalj kommer observatörerna se att tiden går långsammare i referensramar som rör sig relativt observatörens referensram. Eller enkelt sagt, "rörliga klockor går långsamt". Formeln för tidsutvidgning ges nedan och introducerar Lorentz-faktorn.

Lorentz-faktorn, representerad av den grekiska symbolen gamma, är en vanlig faktor i ekvationerna om speciell relativitet.

På grund av Lorentz-faktorn är effekterna av speciell relativitet endast betydande vid hastigheter som är jämförbara med ljusets hastighet. Det är därför vi inte upplever dess effekter under vår vardagliga upplevelse. Ett bra exempel på tidsutvidgning är muoner som inträffar i atmosfären. En muon är en partikel som grovt kan betraktas som en "tung elektron". De inträffar på jordens atmosfär som en del av kosmisk strålning och reser med nära ljushastighet. Den genomsnittliga livslängden på muon är bara 2μs. Därför förväntar vi oss inte att några muoner ska nå våra detektorer på jorden. Vi upptäcker dock en betydande mängd muoner. Från vår referensram löper muonens inre klocka långsammare och därmed reser muon vidare på grund av speciella relativistiska effekter.

Längd sammandragning

Speciell relativitet gör att längderna också ändras genom relativ rörelse. Observatörerna kommer att se längder förkortade i referensramar som rör sig relativt observatörens referensram. Eller uttryckt, "rörliga föremål krymper längs körriktningen".

Lorentz transformation

För att flytta koordinaterna för händelser mellan olika tröghetsramar används Lorentz-transformationen. Transformationsrelationerna ges nedan tillsammans med geometrin för referensramarna.

Samtidighetens relativitet

En viktig punkt att notera, om du inte redan har övervägt det, är begreppet samtidiga händelser. Eftersom tiden går relativt referensramen kommer samtidiga händelser inte att vara samtidiga i andra referensramar. Det framgår av Lorentz-transformationsekvationerna att samtidiga händelser endast kommer att förbli samtidiga i andra ramar om de inte är rumsligt separerade.

Energimassaekvivalens

Ironiskt nog faller Einsteins mest berömda ekvation faktiskt ut som en biverkning av hans teori om speciell relativitet. Allt har en viljanergi som är lika med massan gånger ljusets kvadrat, energi och massa är i en mening ekvivalenta. Restenergin är den minsta mängden energi som en kropp kan ha (när kroppen är stillastående), rörelse och andra effekter kan öka den totala energin.

Jag kommer att ge två snabba exempel på denna massa-energiekvivalens. Kärnvapen är det tydligaste exemplet på att konvertera massa till energi. Inuti en kärnbombe omvandlas endast en liten massa radioaktivt bränsle till en enorm mängd energi. Omvänt kan energi också omvandlas till massa. Detta används av partikelacceleratorer, såsom LHC, där partiklar accelereras upp till höga energier och sedan kolliderar. Kollisionen kan producera nya partiklar med högre massor än de partiklar som ursprungligen kolliderades.