28.1: Postulates ya Einstein

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Hali na kueleza wote wa postulates Einstein ya.
• Eleza nini sura ya inertial ya kumbukumbu ni.
• Eleza njia moja: kasi ya mwanga inaweza kubadilishwa.

Je! Umewahi kutumia Theorem ya Pythagorean na kupata jibu sahihi? Pengine si, isipokuwa ulifanya kosa katika algebra yako au hesabu yako. Kila wakati unafanya hesabu sawa, unajua kwamba jibu litakuwa sawa. Trigonometry ni ya kuaminika kwa sababu ya uhakika kwamba sehemu moja hutoka kila wakati kutoka kwa mwingine kwa njia ya mantiki. Kila sehemu inategemea seti ya postulates, na unaweza daima kuunganisha sehemu kwa kutumia postulates hizo. Fizikia ni njia ileile isipokuwa kwamba sehemu zote lazima zieleze asili. Ikiwa sisi ni makini kuchagua postulates sahihi, basi nadharia yetu itafuata na itathibitishwa na majaribio.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Relativity maalum inafanana na trigonometry kwa kuwa wote wawili ni wa kuaminika kwa sababu wao ni msingi wa postulates kwamba mtiririko mmoja kutoka kwa mwingine kwa njia ya mantiki. (mikopo: Jon Oakley, Flickr)

Einstein kimsingi alifanya kipengele kinadharia ya njia hii kwa relativity. Kwa postulates mbili za udanganyifu rahisi na kuzingatia kwa makini jinsi vipimo vinavyotengenezwa, alizalisha nadharia ya relativity maalum.

Einstein ya kwanza Postulate

Postulate kwanza ambayo Einstein msingi nadharia ya relativity maalum inahusiana na muafaka kumbukumbu. Velocities zote hupimwa jamaa na sura fulani ya kumbukumbu. Kwa mfano mwendo wa gari hupimwa kuhusiana na hatua yake ya kuanzia au barabara inayosonga juu, mwendo wa projectile hupimwa jamaa na uso ulizinduliwa kutoka, na obiti ya sayari inapimwa kuhusiana na nyota inayozunguka. Muafaka rahisi wa kumbukumbu ni wale ambao hawajaharakisha na hawapatikani. Sheria ya kwanza ya Newton, sheria ya inertia, inashikilia hasa katika sura hiyo.

Ufafanuzi: Frame ya Kumbukumbu ya Inerti

Sura ya inertial ya kumbukumbu ni sura ya kumbukumbu ambayo mwili unapumzika unabaki kupumzika na mwili unaoendelea huenda kwa kasi ya mara kwa mara katika mstari wa moja kwa moja isipokuwa ikitendewa na nguvu ya nje.

Sheria za fizikia zinaonekana kuwa rahisi katika muafaka wa inertial. Kwa mfano, unapokuwa katika ndege kuruka kwa urefu wa mara kwa mara na kasi, fizikia inaonekana kufanya kazi sawa na kama ulikuwa umesimama juu ya uso wa Dunia. Hata hivyo, katika ndege inayoondoa, mambo ni ngumu zaidi. Katika kesi hizi, nguvu halisi juu ya kitu\(F\), si sawa na bidhaa ya wingi na kuongeza kasi,\(ma\). Badala yake,\(F\) ni sawa na\(ma\) pamoja na nguvu ya uwongo. Hali hii si rahisi kama katika sura ya inertial. Sio tu sheria za fizikia rahisi katika muafaka wa inertial, lakini zinapaswa kuwa sawa katika muafaka wote wa inertial, kwani hakuna sura iliyopendekezwa na hakuna mwendo kamili. Einstein aliingiza mawazo haya katika postulate yake ya kwanza ya relativity maalum.

Kwanza Postulate ya Relativity Maalum

Sheria za fizikia ni sawa na zinaweza kutajwa kwa fomu yao rahisi katika muafaka wote wa inertial wa kumbukumbu.

Kama ilivyo na kauli nyingi za msingi, kuna zaidi ya kudai hii kuliko hukutana na jicho. Sheria za fizikia ni pamoja na wale tu wanaotimiza postulate hii. Tutapata kwamba ufafanuzi wa kasi ya relativistic na nishati lazima kubadilishwa ili kufaa. Mwingine matokeo ya postulate hii ni equation maarufu\(E = mc^{2}\).

Einstein ya Pili Postulate

Postulate pili ambayo Einstein msingi nadharia yake ya uhusiano maalum inahusika na kasi ya mwanga. Mwishoni mwa karne ya 19, kanuni kuu za fizikia ya classical zilianzishwa vizuri. Mbili kati ya muhimu zaidi zilikuwa sheria za umeme na sumaku na sheria za Newton. Hasa, sheria za umeme na sumaku zinatabiri kuwa mwanga husafiri\(c = 3.00 \times 10^{8} m/s\) katika utupu, lakini hazibainishi sura ya kumbukumbu ambayo mwanga una kasi hii.

Kulikuwa na utata kati ya utabiri huu na sheria za Newton, ambapo kasi huongeza kama vectors rahisi. Ikiwa mwisho huo ulikuwa wa kweli, basi waangalizi wawili wanahamia kwa kasi tofauti wangeona mwanga unaosafiri kwa kasi tofauti. Fikiria nini wimbi la mwanga lingeonekana kama mtu anayesafiri pamoja nayo kwa kasi\(c\). Ikiwa mwendo huo ungewezekana basi wimbi lingekuwa lililowekwa karibu na mwangalizi. Ingekuwa na mashamba ya umeme na magnetic ambayo yalikuwa tofauti kwa nguvu katika umbali mbalimbali kutoka kwa mwangalizi lakini yalikuwa mara kwa mara kwa wakati. Hii hairuhusiwi na equations Maxwell ya. Hivyo ama equations ya Maxwell ni makosa, au kitu kilicho na wingi hawezi kusafiri kwa kasi\(c\). Einstein alihitimisha kuwa mwisho ni kweli. Kitu kilicho na wingi hawezi kusafiri kwa kasi\(c\). Hitimisho hili lina maana kwamba mwanga katika utupu lazima usafiri kwa kasi\(c\) kuhusiana na mwangalizi yeyote. Ulinganisho wa Maxwell ni sahihi, na kuongeza Newton ya kasi si sahihi kwa mwanga.

Uchunguzi kama vile Young mara mbili watakata majaribio katika mapema-1800 alikuwa kushawishi alionyesha kuwa mwanga ni wimbi. Aina nyingi za mawimbi zilijulikana, na zote zilisafiri katikati. Kwa hiyo wanasayansi walidhani kuwa kati hubeba mwanga, hata katika utupu, na mwanga ulisafiri kwa kasi\(c\) ikilinganishwa na ile ya kati. Kuanzia katikati ya miaka ya 1880, mwanafizikia wa Marekani A. Michelson, baadaye alisaidiwa na E. Morley, alifanya mfululizo wa vipimo vya moja kwa moja vya kasi ya mwanga. Matokeo ya vipimo vyao yalikuwa ya kushangaza.

Michelson-Morley majaribio

Jaribio la Michelson-Morley lilionyesha kuwa kasi ya mwanga katika utupu ni huru na mwendo wa Dunia kuhusu Jua.

Hitimisho la mwisho linalotokana na matokeo haya ni kwamba mwanga, tofauti na mawimbi ya mitambo kama sauti, hauhitaji kati ya kubeba. Zaidi ya hayo, matokeo ya Michelson-Morley yalionyesha kuwa kasi ya mwanga\(c\) ni huru na mwendo wa chanzo jamaa na mwangalizi. Hiyo ni, kila mtu anaona mwanga wa kuhamia kwa kasi\(c\) bila kujali jinsi wanavyohamia jamaa na chanzo au kila mmoja. Kwa miaka kadhaa, wanasayansi wengi walijaribu bila kufanikiwa kuelezea matokeo haya na bado wanabakia matumizi ya jumla ya sheria za Newton.

Haikuwa hadi 1905, wakati Einstein alichapisha karatasi yake ya kwanza juu ya relativity maalum, kwamba hitimisho la sasa lililokubaliwa limefikiwa. Kulingana zaidi juu ya uchambuzi wake kwamba sheria za umeme na magnetism haziruhusu kasi nyingine kwa mwanga, na kidogo tu kufahamu majaribio Michelson-Morley, Einstein kina postulate yake ya pili ya relativity maalum.

Pili Postulate ya Relativity maalum

Kasi ya mwanga\(c\) ni mara kwa mara, huru ya mwendo wa jamaa wa chanzo.

Deceptively rahisi na counterintuitive, hii na postulate kwanza kuondoka kila kitu kingine wazi kwa ajili ya mabadiliko. Baadhi ya dhana za msingi zinabadilika. Miongoni mwa mabadiliko ni kupoteza makubaliano juu ya muda uliopita kwa tukio, tofauti ya umbali na kasi, na kutambua kwamba suala na nishati zinaweza kubadilishwa kuwa kila mmoja. Utasoma kuhusu dhana hizi katika sehemu zifuatazo.

Tahadhari mbaya: Uwezo wa Kasi ya Mwanga

Kasi ya mwanga ni mara kwa mara\(c = 3.00 \times 10^{8} m/s\) katika utupu. Ikiwa unakumbuka athari za ripoti ya kukataa kutoka Sheria ya Kukataa, kasi ya mwanga ni ya chini katika suala.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Eleza jinsi relativity maalum inatofautiana na relativity ya jumla.

Jibu

Uhusiano maalum unatumika tu kwa mwendo usio na kasi, lakini relativity ya jumla inatumika kwa mwendo wa kasi.

Muhtasari

• Relativity ni utafiti wa jinsi waangalizi tofauti kupima tukio moja.
• Uhusiano wa kisasa umegawanywa katika sehemu mbili. Uhusiano maalum unahusika na waangalizi ambao wako katika mwendo wa sare (uncacerated), wakati uwiano wa jumla unajumuisha mwendo wa kasi wa jamaa na mvuto. Uhusiano wa kisasa ni sahihi katika hali zote na, katika kikomo cha kasi ya chini na gravitation dhaifu, hutoa utabiri sawa na relativity classical.
• Sura ya inertial ya kumbukumbu ni sura ya kumbukumbu ambayo mwili unapumzika unabaki kupumzika na mwili unaoendelea huenda kwa kasi ya mara kwa mara katika mstari wa moja kwa moja isipokuwa ikitendewa na nguvu ya nje.
• Uhusiano wa kisasa unategemea postulates mbili za Einstein. Uchunguzi wa kwanza wa relativity maalum ni wazo kwamba sheria za fizikia ni sawa na zinaweza kutajwa kwa fomu yao rahisi katika muafaka wote wa inertial wa kumbukumbu. Uchunguzi wa pili wa relativity maalum ni wazo kwamba kasi ya mwanga\(c\) ni mara kwa mara, huru ya mwendo wa jamaa wa chanzo.
• Jaribio la Michelson-Morley lilionyesha kuwa kasi ya mwanga katika utupu ni huru na mwendo wa Dunia kuhusu Jua.

faharasa

uhusiano

utafiti wa jinsi waangalizi tofauti kupima tukio moja

relativity maalum

nadharia kwamba, katika sura ya inertial ya kumbukumbu, mwendo wa kitu ni jamaa na sura ambayo inatazamwa au kupimwa

sura ya inertial ya kumbukumbu

sura ya kumbukumbu ambayo mwili unapumzika unabaki kupumzika, na mwili unaoendelea huenda kwa kasi ya mara kwa mara katika mstari wa moja kwa moja, isipokuwa ikitendewa na nguvu ya nje

kwanza postulate ya relativity maalum

wazo kwamba sheria za fizikia ni sawa na zinaweza kutajwa kwa fomu yao rahisi katika muafaka wote wa inertial wa kumbukumbu

pili postulate ya relativity maalum

wazo kwamba kasi ya mwanga\(c\) ni mara kwa mara, huru ya chanzo

Michelson-Morley majaribio

uchunguzi uliofanywa mwaka wa 1887 ambao umeonyesha kwamba kasi ya mwanga katika utupu ni sawa katika muafaka wote wa kumbukumbu ambayo hutazamwa