TEORI RELATIVITAS EINSTEIN

Teori relativitas Einstein adalah teori yang terkenal, tapi kurang dipahami. Pada dasarnya, teori relativitas mengacu pada dua elemen yang berbeda dari teori yang sama: relativitas umum dan relativitas khusus. Teori relativitas khusus diperkenalkan pertama, dan kemudian dianggap sebagai kasus khusus dari teori yang lebih komprehensif relativitas umum.
Teori Relativitas Konsep

* Teori Einstein tentang relativitas khusus - perilaku lokal dari objek dalam bingkai acuan inersia, umumnya hanya relevan pada kecepatan yang sangat dekat dengan kecepatan cahaya
* Lorentz transformasi - persamaan transformasi digunakan untuk menghitung perubahan koordinat bawah relativitas khusus
* Teori Einstein tentang relativitas umum - teori yang lebih komprehensif, yang memperlakukan gravitasi sebagai fenomena geometris dari sistem koordinat ruang-waktu melengkung, yang juga termasuk noninertial (yaitu mempercepat) kerangka acuan
* Fundamental prinsip relativitas

Apa itu Relativitas?
relativitas Klasik (didefinisikan awalnya oleh Galileo Galilei dan disempurnakan oleh Sir Isaac Newton) melibatkan transformasi sederhana antara benda bergerak dan pengamat dalam kerangka inersia lain dari referensi. Jika Anda berjalan di kereta yang bergerak, dan seseorang diam di tanah yang menonton, kecepatan relatif terhadap pengamat adalah jumlah dari kecepatan relatif terhadap kereta api dan kecepatan kereta api relatif terhadap pengamat. Anda berada dalam satu frame acuan inersia, kereta itu sendiri (dan siapa pun duduk diam di atasnya) berada di lain, dan pengamat adalah dalam masih lain.

Masalah dengan hal ini adalah bahwa cahaya diyakini, di sebagian besar 1800-an, untuk menyebarkan sebagai sebuah gelombang melalui substansi universal dikenal sebagai ether, yang akan dihitung sebagai kerangka acuan yang terpisah (mirip dengan kereta api dalam contoh di atas ). Percobaan Michelson-Morley yang terkenal, bagaimanapun, telah gagal untuk mendeteksi gerak relatif bumi ke eter dan tidak ada yang bisa menjelaskan mengapa. Ada sesuatu yang salah dengan interpretasi klasik relativitas yang diterapkan terhadap cahaya ... dan lapangan sudah matang untuk interpretasi baru ketika Einstein datang.

Pengenalan Relativitas Khusus
Pada tahun 1905, Albert Einstein menerbitkan (antara lain) kertas yang disebut "Dalam Elektrodinamika Moving Bodies" dalam jurnal Annalen der Physik. Makalah ini disajikan teori relativitas khusus, didasarkan pada dua postulat:

Postulat Einstein
Prinsip Relativitas (Pertama Postulat): Hukum fisika adalah sama untuk semua kerangka acuan inersia.

Prinsip Ketetapan dari Kecepatan Cahaya (Postulat Kedua): Cahaya selalu merambat melalui (spasi yaitu kosong atau "free space") vakum pada kecepatan tertentu, c, yang tidak tergantung pada keadaan gerak dari tubuh memancarkan.

Sebenarnya, makalah ini menyajikan formulasi, lebih formal matematika dari postulat. Ungkapan dari dalil-dalil yang sedikit berbeda dari buku teks untuk buku teks karena masalah terjemahan, dari Jerman ke Bahasa Inggris matematika dipahami.

Yang kedua postulat sering keliru ditulis untuk memasukkan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah c dalam semua kerangka acuan. Ini sebenarnya adalah hasil turunan dari dua postulat, bukan bagian dari kedua dalil itu sendiri.

Yang pertama adalah dalil akal sehat cukup banyak. Yang kedua dalil, bagaimanapun, adalah revolusi. Einstein sudah memperkenalkan teori foton cahaya dalam makalahnya pada efek fotolistrik (yang diberikan ether yang tidak perlu). Yang kedua postulat, karena itu, merupakan konsekuensi dari foton tak bermassa bergerak dengan kecepatan c dalam ruang hampa. Eter tidak lagi memiliki peran khusus sebagai kerangka "mutlak" inersia acuan, sehingga tidak hanya tidak perlu tapi kualitatif tidak berguna di bawah relativitas khusus.

Adapun kertas itu sendiri, tujuannya adalah untuk mendamaikan persamaan Maxwell untuk listrik dan magnet dengan gerak elektron mendekati kecepatan cahaya. Hasil dari riset Einstein adalah untuk memperkenalkan transformasi koordinat baru, yang disebut transformasi Lorentz, antara frame inertial acuan. Pada kecepatan lambat, transformasi ini pada dasarnya identik dengan model klasik, tapi pada kecepatan tinggi, mendekati kecepatan cahaya, mereka menghasilkan hasil yang sangat berbeda.
Efek dari Relativitas Khusus
Relativitas khusus menghasilkan beberapa konsekuensi dari penggunaan transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya adalah:

* Waktu pelebaran (termasuk "paradoks kembar" populer)
* Panjang kontraksi
* Kecepatan transformasi
* Selain itu relativistik kecepatan
* Relativistik doppler efek
* Simultanitas & sinkronisasi jam
* Relativistik momentum
* Energi kinetik relativistik
* Relativistik massa
* Total energi relativistik

Selain itu, manipulasi aljabar sederhana dari konsep di atas menghasilkan dua hasil yang signifikan yang layak disebutkan secara individu.

Hubungan Massa-Energi
Einstein adalah mampu menunjukkan bahwa massa dan energi berhubungan, melalui rumus yang terkenal E = mc2. Hubungan ini terbukti paling dramatis bagi dunia ketika bom nuklir melepaskan energi dari massa di Hiroshima dan Nagasaki pada akhir Perang Dunia II.

Kecepatan Cahaya
Tidak ada objek dengan massa dapat mempercepat untuk secara tepat kecepatan cahaya. Sebuah benda bermassa, seperti foton, dapat bergerak pada kecepatan cahaya. (Foton A tidak benar-benar mempercepat, meskipun, karena selalu bergerak tepat di kecepatan cahaya.)

Tapi untuk objek fisik, kecepatan cahaya adalah batas. Energi kinetik pada kecepatan cahaya pergi hingga tak terbatas, sehingga tidak pernah dapat dicapai dengan percepatan.

Beberapa telah menunjukkan bahwa sebuah objek bisa bergerak dalam teori di lebih besar dari kecepatan cahaya, sehingga selama itu tidak mempercepat untuk mencapai kecepatan itu. Sejauh ini tidak ada entitas fisik yang pernah ditampilkan properti itu, namun.

Mengadopsi Relativitas Khusus
Pada tahun 1908, Max Planck menerapkan "teori relativitas" untuk menggambarkan konsep-konsep ini, karena relativitas memainkan peran kunci di dalamnya. Pada saat itu, tentu saja, istilah diterapkan hanya untuk relativitas khusus, karena ada belum ada relativitas umum.

Relativitas Einstein tidak segera diterima oleh fisikawan secara keseluruhan, karena tampak begitu teoritis dan berlawanan. Ketika ia menerima Hadiah Nobel 1921 itu, itu khusus untuk solusi untuk efek fotolistrik dan karena "kontribusi bagi Fisika Teoretis". Relativitas masih terlalu kontroversial untuk secara khusus dirujuk.

Seiring waktu, bagaimanapun, prediksi relativitas khusus telah terbukti benar. Misalnya, jam terbang di seluruh dunia telah terbukti memperlambat oleh durasi yang diprediksi oleh teori.

Albert Einstein tidak menciptakan transformasi koordinat yang dibutuhkan untuk relativitas khusus. Dia tidak harus melakukannya, karena transformasi Lorentz yang ia butuhkan sudah ada. Einstein adalah ahli dalam mengambil pekerjaan sebelumnya dan beradaptasi dengan situasi baru, dan dia melakukannya dengan transformasi Lorentz seperti yang telah digunakan 1900 solusi Planck untuk bencana ultraviolet pada radiasi benda hitam untuk kerajinan solusi untuk efek fotolistrik, dan dengan demikian mengembangkan teori foton cahaya.
Asal Lorentz Transformasi
Transformasi sebenarnya pertama kali diterbitkan oleh Joseph Larmor pada tahun 1897. Sebuah versi yang sedikit berbeda telah diterbitkan satu dekade sebelumnya oleh Woldemar Voigt, tetapi versinya memiliki persegi dalam persamaan dilatasi waktu. Namun, kedua versi dari persamaan yang ditampilkan untuk menjadi invarian dalam persamaan Maxwell.

Para matematikawan dan fisikawan Hendrik Antoon Lorentz mengusulkan gagasan "waktu lokal" untuk menjelaskan relatif simultanitas pada 1895, meskipun, dan mulai bekerja secara independen pada transformasi yang sama untuk menjelaskan hasil nol dalam eksperimen Michelson-Morley. Dia dipublikasikan transformasi koordinat di 1899, tampaknya masih tidak menyadari publikasi Larmor, dan menambahkan dilatasi waktu pada tahun 1904.

Pada tahun 1905, Henri Poincare memodifikasi formulasi aljabar dan disebabkan mereka untuk Lorentz dengan nama "transformasi Lorentz," sehingga mengubah kesempatan Larmor di keabadian dalam hal ini. Formulasi Poincare dari transformasi itu, pada dasarnya, identik dengan yang Einstein akan digunakan.

Transformasi Lorentz tersebut menggunakan sistem koordinat empat dimensi, yaitu tiga koordinat ruang (x, y, dan z) dan satu kali koordinat (t). Koordinat baru ditandai dengan apostrof, diucapkan "abstain," seperti x 'dibaca x-prime. Pada contoh di bawah, kecepatan berada dalam arah xx ', dengan u kecepatan:

x '= (x - ut) / sqrt (1 - u2 / c2)

y '= y

z '= z

t '= {t - (u / c2) x} / sqrt (1 - u2 / c2)

Transformasi disediakan terutama untuk tujuan demonstrasi. Aplikasi dari persamaan tersebut akan ditangani secara terpisah. Para 1/sqrt jangka (1 - u2/c2) sering muncul dalam relativitas sehingga dilambangkan dengan simbol Yunani gamma dalam beberapa penyajian.

Perlu dicatat bahwa dalam kasus ketika u << c, penyebut runtuh untuk dasarnya sqrt (1), yang hanya 1. Gamma hanya menjadi 1 dalam kasus ini. Demikian pula, istilah u/c2 juga menjadi sangat kecil. Oleh karena itu, baik pelebaran ruang dan waktu yang tidak ada untuk setiap tingkat signifikan pada kecepatan lebih lambat dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Konsekuensi dari Transformasi
Relativitas khusus menghasilkan beberapa konsekuensi dari penggunaan transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya adalah:

* Waktu pelebaran (termasuk "Paradoks Kembar" populer)
* Panjang kontraksi
* Kecepatan transformasi
* Selain itu relativistik kecepatan
* Relativistik doppler efek
* Simultanitas & sinkronisasi jam
* Relativistik momentum
* Energi kinetik relativistik
* Relativistik massa
* Total energi relativistik

Kontroversi Lorentz & Einstein
Beberapa orang menunjukkan bahwa sebagian besar pekerjaan sebenarnya untuk relativitas khusus telah dilakukan pada saat Einstein disuguhkannya. Konsep pelebaran dan simultanitas bagi tubuh bergerak sudah di tempat dan matematika sudah dikembangkan oleh Lorentz & Poincare. Beberapa pergi sejauh untuk memanggil Einstein plagiator sebuah.

Ada beberapa validitas untuk biaya ini. Tentu saja, "revolusi" dari Einstein dibangun di pundak banyak pekerjaan lain, dan Einstein mendapat kredit lebih karena perannya daripada mereka yang melakukan pekerjaan kasar.

Pada saat yang sama, harus dianggap bahwa Einstein mengambil konsep-konsep dasar dan mount mereka pada kerangka teori yang membuat mereka bukan sekedar trik matematis untuk menyimpan teori sekarat (yaitu eter), tetapi lebih mendasar aspek alam di kanan mereka sendiri . Tidak jelas yang Larmor, Lorentz, atau Poincare dimaksudkan bergerak begitu berani, dan sejarah telah dihargai Einstein untuk wawasan & berani.

Pada tahun 1905 teori Albert Einstein (relativitas khusus), ia menunjukkan bahwa di antara frame acuan inersia tidak ada "pilihan" frame. Perkembangan relativitas umum terjadi, sebagian, sebagai upaya untuk menunjukkan bahwa ini adalah benar di antara non-inersia (yaitu mempercepat) kerangka acuan juga.
Evolusi Relativitas Umum
Pada tahun 1907, Einstein menerbitkan artikel pertamanya pada efek gravitasi pada cahaya dibawah relativitas khusus. Dalam tulisan ini, diuraikan Einstein "prinsip kesetaraan,"-nya yang menyatakan bahwa mengamati percobaan di Bumi (dengan g percepatan gravitasi) akan identik dengan mengamati percobaan dalam roket yang bergerak dengan kecepatan g. Prinsip kesetaraan dapat dirumuskan sebagai:

kita [...] menganggap kesetaraan fisik lengkap dari sebuah medan gravitasi dan percepatan yang sesuai dari sistem referensi.

sebagai Einstein mengatakan atau, sebaliknya, sebagai salah satu buku Fisika Modern menyajikan itu:

Tidak ada eksperimen lokal yang bisa dilakukan untuk membedakan antara efek dari medan gravitasi seragam dalam kerangka inersia nonaccelerating dan efek bingkai (noninertial) referensi seragam percepatan.

Sebuah artikel kedua pada subjek muncul di 1911, dan tahun 1912 Einstein secara aktif bekerja untuk memahami sebuah teori relativitas umum yang akan menjelaskan relativitas khusus, tetapi juga akan menjelaskan gravitasi sebagai fenomena geometris.

Pada tahun 1915, Einstein menerbitkan satu set persamaan diferensial yang dikenal sebagai persamaan medan Einstein. Einstein relativitas umum menggambarkan alam semesta sebagai suatu sistem geometris tiga ruang dan satu dimensi waktu. Kehadiran massa, energi, dan momentum (secara kolektif dihitung sebagai massa-energi kepadatan atau stres-energi) menghasilkan lentur dari sistem koordinat ruang-waktu. Gravitasi, oleh karena itu, adalah pergerakan sepanjang rute "paling sederhana" atau paling-energik sepanjang ruang-waktu melengkung.
Para Matematika Relativitas Umum

Dalam hal paling sederhana, dan melucuti matematika yang kompleks, Einstein menemukan hubungan berikut antara kelengkungan ruang-waktu dan massa-energi air:

(Kelengkungan ruang-waktu) = (kerapatan massa-energi) * 8 pi G / c4

Persamaan ini menunjukkan proporsi, langsung konstan. Konstanta gravitasi G, berasal dari hukum gravitasi Newton, sementara ketergantungan pada kecepatan cahaya, c, diharapkan dari teori relativitas khusus. Dalam kasus nol (atau mendekati nol) massa-energi kepadatan (yaitu ruang kosong), ruang-waktu adalah datar. Gravitasi klasik adalah kasus khusus dari manifestasi gravitasi dalam suatu medan gravitasi yang relatif lemah, di mana istilah c4 (denominator yang sangat besar) dan G (penghitung sangat kecil) membuat koreksi kelengkungan kecil.

Sekali lagi, Einstein tidak menarik ini keluar dari topi. Dia bekerja berat dengan geometri Riemann (geometri non-Euclidean dikembangkan oleh matematikawan Bernhard Riemann tahun sebelumnya), meskipun ruang yang dihasilkan adalah yang berjenis 4-dimensi Lorentzian daripada geometri Riemann ketat. Namun, karya Riemann sangat penting untuk persamaan Einstein sendiri lapangan akan selesai.
Apa Relativitas Umum Mean?
Untuk analogi relativitas umum, pertimbangkan bahwa Anda mengulurkan sebuah seprai atau sepotong elastis datar, melampirkan sudut-sudut tegas untuk beberapa posting aman. Sekarang Anda mulai menempatkan hal-hal berat yang bervariasi pada lembaran. Di mana Anda menempatkan sesuatu yang sangat ringan, lembaran akan kurva ke bawah di bawah beban itu sedikit. Jika Anda memasukkan sesuatu yang berat, namun kelengkungan akan lebih besar.

Asumsikan ada benda berat duduk di kertas dan Anda menempatkan kedua lebih ringan, objek pada lembaran. Kelengkungan yang diciptakan oleh benda berat akan menyebabkan benda yang lebih ringan untuk "menyelinap" sepanjang kurva ke arah itu, mencoba untuk mencapai titik keseimbangan di mana ia tidak lagi bergerak. (Dalam hal ini, tentu saja, ada pertimbangan lain - bola akan bergulir lebih jauh dari sebuah kubus akan meluncur, karena efek gesekan dan semacamnya.)

Hal ini mirip dengan bagaimana relativitas umum menjelaskan gravitasi. Kelengkungan objek cahaya tidak mempengaruhi benda berat banyak, tetapi kelengkungan yang diciptakan oleh benda berat adalah apa yang menghalangi kita melayang ke angkasa. Kelengkungan yang diciptakan oleh Bumi terus bulan di orbit, tetapi pada saat yang sama kelengkungan yang diciptakan oleh bulan sudah cukup untuk mempengaruhi pasang surut.
Membuktikan Relativitas Umum
Semua temuan relativitas khusus juga mendukung relativitas umum, karena teori-teori yang konsisten. Relativitas umum juga menjelaskan semua fenomena mekanika klasik, karena mereka juga konsisten. Selain itu, beberapa temuan mendukung prediksi unik relativitas umum:

* Presesi dari perihelion Merkurius
* Gravitasi defleksi cahaya bintang
* Universal ekspansi (dalam bentuk konstanta kosmologi)
* Penundaan radar gema
* Hawking radiasi dari lubang hitam

Prinsip Dasar Relativitas

* Umum prinsip relativitas: Hukum-hukum fisika harus identik untuk semua pengamat, terlepas dari apakah atau tidak mereka dipercepat.

* Prinsip kovariansi umum: Hukum fisika harus berbentuk sama dalam semua sistem koordinat.

* Inertial gerak adalah gerak geodesik: baris Dunia partikel terpengaruh oleh pasukan (gerak inersia yaitu) adalah geodesik timelike atau null ruang-waktu. (Ini berarti vektor singgung adalah baik negatif atau nol.)

* Lokal Lorentz invariance: Aturan relativitas khusus berlaku secara lokal untuk semua pengamat inersia.

* Ruang-waktu kelengkungan: Seperti dijelaskan oleh persamaan medan Einstein, kelengkungan ruang-waktu dalam menanggapi hasil massa, energi, dan momentum dalam pengaruh gravitasi yang dilihat sebagai suatu bentuk gerak inersia.

Prinsip kesetaraan, Albert Einstein yang digunakan sebagai titik awal untuk relativitas umum, terbukti menjadi konsekuensi dari prinsip tersebut.

Relativitas Umum & the Konstan Cosmological
Pada tahun 1922, ilmuwan menemukan bahwa penerapan persamaan medan Einstein untuk kosmologi mengakibatkan ekspansi alam semesta. Einstein, percaya alam semesta statis (dan karena itu berpikir persamaannya adalah dalam kesesatan), menambahkan konstanta kosmologi untuk persamaan bidang, yang memungkinkan untuk solusi statis.

Edwin Hubble, pada tahun 1929, menemukan bahwa ada pergeseran merah dari bintang-bintang yang jauh, yang tersirat mereka bergerak terhadap bumi. Alam semesta, tampaknya, telah berkembang. Einstein dihapus konstanta kosmologis dari persamaannya, menyebutnya sebagai kesalahan terbesar dalam karirnya.

Pada 1990-an, minat konstanta kosmologis kembali dalam bentuk energi gelap. Solusi untuk teori medan kuantum telah menghasilkan sejumlah besar energi dalam vakum kuantum ruang, yang mengakibatkan ekspansi yang dipercepat dari alam semesta.

Relativitas Umum & Mekanik Kuantum
Ketika fisikawan mencoba untuk menerapkan teori medan kuantum untuk medan gravitasi, segala sesuatunya menjadi sangat kacau. Dalam istilah matematika, kuantitas fisik melibatkan menyimpang, atau mengakibatkan tak terbatas. Medan gravitasi di bawah relativitas umum memerlukan jumlah tak terbatas koreksi, atau "renormalization," konstanta untuk beradaptasi mereka ke dalam persamaan dipecahkan.

Upaya untuk memecahkan ini "renormalization masalah" kebohongan di jantung teori gravitasi kuantum. Teori-teori gravitasi kuantum biasanya bekerja mundur, memprediksi teori dan kemudian mengujinya bukan benar-benar mencoba untuk menentukan konstanta tak terbatas diperlukan. Ini adalah trik lama dalam fisika, tapi tidak ada sejauh teori telah cukup terbukti.

Aneka lain Kontroversi
Masalah utama dengan relativitas umum, yang telah dinyatakan sangat sukses, adalah ketidakcocokan secara keseluruhan dengan mekanika kuantum. Sebuah potongan besar dari teori fisika dikhususkan ke arah mencoba untuk mendamaikan dua konsep: satu yang memprediksi fenomena makroskopik melintasi ruang dan satu yang memprediksi fenomena mikroskopik, sering dalam ruang lebih kecil dari atom.

Selain itu, ada beberapa kekhawatiran dengan gagasan Einstein ruang-waktu. Apa itu ruang-waktu? Apakah secara fisik ada? Beberapa orang memperkirakan "busa kuantum" yang menyebar ke seluruh alam semesta. Upaya terbaru di teori string (dan anak perusahaan) menggunakan penggambaran kuantum ini atau lain dari ruang-waktu. Sebuah artikel di majalah New Scientist memprediksi spactime yang mungkin menjadi superfluida kuantum dan bahwa seluruh alam semesta dapat berputar pada sumbu.

Beberapa orang telah mengatakan bahwa jika ada ruang-waktu sebagai zat fisik, itu akan bertindak sebagai kerangka acuan universal, seperti eter memiliki. Anti-relativis sangat gembira pada prospek ini, sementara yang lain melihatnya sebagai upaya ilmiah untuk mendiskreditkan Einstein dengan membangkitkan konsep abad ke-mati.

Beberapa masalah dengan singularitas lubang hitam, dimana kelengkungan ruang-waktu mendekati tak terhingga, juga meragukan apakah relativitas umum secara akurat menggambarkan alam semesta. Sulit untuk tahu pasti, Namun, karena lubang hitam hanya dapat dipelajari dari jauh saat ini.

Seperti berdiri sekarang, relativitas umum sangat sukses bahwa sulit untuk membayangkan akan dirugikan banyak oleh inkonsistensi & kontroversi sampai muncul fenomena yang sebenarnya bertentangan dengan prediksi sangat teori.