Sterrekunde

As die tyd nie absoluut is nie en afhang van die gravitasieveld, waarom gebruik ons ​​dan ons eie (bepaalde) tyd in die kosmologie?

As die tyd nie absoluut is nie en afhang van die gravitasieveld, waarom gebruik ons ​​dan ons eie (bepaalde) tyd in die kosmologie?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Jammer as my vraag nie regtig duidelik is nie, maar inderdaad ook nie duidelik nie. Maar miskien kan sommige van u help. Tyd is nie absoluut nie en kan deur die swaartekragpotensiaal beïnvloed word. Nou is die vraag: hang konsepte soos die ouderdom van die heelal, tyd tussen verskillende kosmiese tydperke, ens af van die posisie van die waarnemer ten opsigte van 'n gravitasieveld? Indien ja, hoeveel dinge sal verander as ons waarnemers is, byvoorbeeld naby 'n swart gat of in die afwesigheid van swaartekrag?


Kry die UTC-tydstempel in Java

'N Ou plasing van Stack Overflow dui daarop dat die volgende manier om die UTC-tydstempel in Java te kry:

Ongelukkig werk dit nie vir my nie. Ek het 'n baie eenvoudige program (hieronder weergegee) wat verskillende gedrag toon.

Op Windows: die tyd is die plaaslike tyd en dit word gemerk met die verrekening met GMT

Op Linux: die tyd is weer die plaaslike tyd, en dit is korrek gemerk vir die plaaslike tydsone

Vraag: Hoe vertoon ons die UTC-tydstempel in 'n Java-program?

My voorbeeldbronkode is soos volg:

Windows-uitvoer:

Linux-uitvoer:


Is dit tyd om van tyd ontslae te raak?

P oets dink dikwels aan tyd as 'n rivier, 'n vryvloeiende stroom wat ons dra vanaf die stralende oggend van geboorte tot die goue skemer van die ouderdom. Dit is die span wat die fyn lente-knop van die somerblom skei.

Natuurkundiges dink aan tyd in iets meer praktiese terme. Tyd is vir hulle 'n manier om verandering te meet - 'n eindelose reeks oomblikke wat, soos krale saamgespan, 'n onsekere toekoms in die hede en die hede in 'n besliste verlede verander. Die konsep van tyd stel navorsers in staat om te bereken wanneer 'n komeet die son sal rondloop of hoe 'n sein deur 'n silikonskyfie beweeg. Elke stap in die tyd bied 'n blik op die evolusie van die magdom verskynsels van die natuur.

Met ander woorde, tyd is 'n hulpmiddel. In werklikheid was dit die eerste wetenskaplike hulpmiddel. Die tyd kan nou in snytjies gesny word wat so dun is as een triljoenste van 'n sekonde. Maar wat word gesny? Anders as massa en afstand, kan tyd nie deur ons fisiese sintuie waargeneem word nie. Ons sien, hoor, ruik, raak nie en proe nie tyd nie. En tog meet ons dit op een of ander manier. Aangesien 'n kader teoretici die algemene relatiwiteitsteorie, Einstein se belangrike gravitasiewet, probeer uitbrei en verfyn, het hulle 'n probleem met die tyd. 'N Groot probleem.

Sny dit dun: 'N Waterstofmaser-horlosie hou tyd deur die sogenaamde hyperfine-oorgang te benut. Wikimedia Commons

"Dit is 'n krisis," sê wiskundige John Baez van die Universiteit van Kalifornië in Riverside, "en die oplossing kan fisika in 'n nuwe rigting neem." Nie die fisika van ons alledaagse wêreld nie. Stophorlosies, slingers en waterstofmaser-horlosies sal hier in ons lae-energie aardse omgewing voortgaan om die natuur nogal mooi dop te hou. Die krisis ontstaan ​​wanneer fisici probeer om die makrokosmos - die heelal op sy grootste skaal - saam te smelt met die mikrokosmos van subatomiese deeltjies.

Tydens Newton was die tyd spesiaal. Elke oomblik word getel deur 'n universele horlosie wat apart staan ​​en nie die verskynsel wat bestudeer word nie. In die algemene relatiwiteit is dit nie meer waar nie. Einstein het verklaar dat tyd nie absoluut is nie - geen spesifieke klok is spesiaal nie - en sy vergelykings wat beskryf hoe die swaartekrag werk, neem dit in ag. Sy swaartekragwet lyk dieselfde, maak nie saak watter uur u toevallig as u maat gebruik nie. "In die algemeen is relatiwiteit tyd heeltemal willekeurig," verduidelik die teoretiese fisikus Christopher Isham van die Imperial College in Londen. "Die werklike fisiese voorspellings wat uit algemene relatiwiteit kom, hang nie af van u keuse van 'n horlosie nie." Die voorspellings sal dieselfde wees, of u nou 'n horlosie gebruik wat naby die ligspoed beweeg of iemand wat tuis op 'n rak sit.

Die keuse van 'n horlosie is egter steeds van kardinale belang op ander gebiede van die fisika, veral kwantummeganika. Dit speel 'n sentrale rol in Erwin Schrödinger se gevierde golfvergelyking van 1926. Die vergelyking toon aan hoe 'n subatomiese deeltjie, hetsy alleen reis of 'n atoom sirkel, beskou kan word as 'n versameling golwe, 'n golfpakket wat van punt na punt beweeg in ruimte en van oomblik tot oomblik in tyd.

Volgens die visie van kwantummeganika word energie en materie opgesny in diskrete stukkies, genaamd quanta, waarvan die bewegings springerig en vaag is. Hulle wissel mal. Die gedrag van hierdie deeltjies kan nie presies uitgewerk word nie, soos 'n vuurpyl se baan kan wees. Met Schrödinger se golfvergelyking kan u slegs die waarskynlikheid bereken dat 'n deeltjie - 'n golfpakket - 'n sekere posisie of snelheid sal bereik. Dit is 'n prentjie wat so verskil van die wêreld van die klassieke fisika, dat selfs Einstein teen die onbepaaldheid daarvan afgespeel het. Hy het verklaar dat hy nooit sou kon glo dat God met die wêreld dobbelstene sou speel nie.

Ons sien, hoor, ruik, raak nie en proe nie tyd nie. En tog meet ons dit op een of ander manier.

U kan sê dat die kwantummeganika 'n vaagheid in die fisika ingebring het: u kan die presiese posisie van 'n deeltjie bepaal, maar die snelheid kan dan nie baie goed gemeet word nie. Omgekeerd, as u weet hoe vinnig 'n deeltjie gaan, sal u nie presies kan weet waar dit is nie. Werner Heisenberg het hierdie vreemde en eksotiese situasie die beste saamgevat met sy beroemde onsekerheidsbeginsel. Maar al hierdie aksie, hoe onseker dit ook al is, vind plaas op 'n vaste stadium van ruimte en tyd, 'n standvastige arena. 'N Betroubare klok is altyd beskikbaar - is regtig nodig - om die gang te hou en sodoende fisici in staat te stel om te beskryf hoe die stelsel verander. Ten minste is dit die manier waarop die vergelykings van die kwantummeganika nou ingestel is.

En dit is die kern van die probleem. Hoe word daar van fisici verwag om een ​​wet van die fisika - naamlik swaartekrag - saam te voeg wat geen spesiale horlosie benodig om by sy voorspellings uit te kom nie, met die subatomiese reëls van die kwantummeganika, wat binne 'n universele, Newtonse tydsbestek bly werk? Op 'n manier marsjeer elke teorie op maat van 'n ander tromspeler (of die tik van 'n ander horlosie).

Daarom begin dinge 'n bietjie mal word as u hierdie twee fisika-areas probeer vermeng. Alhoewel die skaal waarop kwantum-gravitasie ter sprake is, so klein is dat die huidige tegnologie hierdie effekte onmoontlik direk kan meet, kan fisici hulle dit voorstel. Plaas kwantumdeeltjies op die veerkragtige, buigbare mat van ruimtetyd, en dit sal buig en vou soos soveel rubber. En hierdie buigsaamheid sal die werking van enige klok wat die deeltjies byhou, grootliks beïnvloed. 'N Uur wat in daardie klein submikroskopiese ryk vasgevang is, sal waarskynlik lyk soos 'n slingerhorlosie wat te midde van die rillings en siddering van 'n aardbewing werk. "Hier word die arena blootgestel aan kwantumeffekte, en daar word niks gelaat om op te staan ​​nie," verduidelik Isham. 'U kan in 'n situasie beland waarin u geen idee het van tyd nie.' Maar kwantumberekeninge hang af van 'n versekerde gevoel van tyd.

Of Karel Kucha, 'n algemene relativis en emeritaat-professor aan die Universiteit van Utah, is die sleutel om kwantumtyd te meet, met behulp van slim wiskunde, 'n gepaste horlosie, iets wat hy al dekades lank probeer aan en af. Kucha is konserwatief van nature en glo dat dit die beste is om te hou by wat u weet voordat u na meer radikale oplossings gaan. Daarom het hy gesoek na die submikroskopiese weergawe van 'n Newtonse horlosie, 'n kwantum-tydhouer wat gebruik kan word om die fisika wat in die buitengewone wêreld regeer deur kwantum-swaartekrag te beskryf, soos die binneste van 'n swart gat of die eerste oomblik van skepping.

Anders as die horlosies wat in die alledaagse fisika gebruik word, sou Kucha se hipotetiese horlosie nie in 'n hoek staan ​​nie, ongeaffekteer deur wat rondom dit aangaan. Dit sou plaasvind binne die klein, digte stelsel waar kwantumgravitasie regeer en deel daarvan sou uitmaak. Hierdie insiderstatus het sy slaggate: die klok sou verander namate die stelsel verander het - om tyd te hou, moet u uitvind hoe u die variasies kan monitor. Op 'n manier sou dit wees asof u u polshorlosie moet oopdraai en die werking daarvan moet sien elke keer as u daarna wil verwys.

Die mees algemene kandidate vir hierdie spesiale horlosie is bloot 'materiehorlosies'. 'Dit is natuurlik die soort horlosie waaraan ons sedert die vroegste tye gewoond was. Al die horlosies wat ons het, bestaan ​​uit materie, ”wys Kucha daarop. Konvensionele tydsberekening beteken immers dat u 'n materiële medium kies, soos 'n stel deeltjies of 'n vloeistof, en die veranderinge daarvan moet merk. Maar met pen en papier neem Kucha wiskundig materiaalklokke in die domein van kwantumgravitasie, waar die swaartekragveld buitengewoon sterk is en daardie waarskynlike kwantummeganiese effekte begin ontstaan. Hy neem tyd waar geen klok voorheen gegaan het nie.

Die opkoms van die onsekeres

Laat ek u 'n kort, fiktiewe verhaal vertel oor 'n baie egte Spaanse veroweraar, Francisco de Orellana. In 1546 is hy gevange geneem en in 'n klein, kleinerige sel gevange geneem. Kort voor lank is hy ontbied, en 'n regter het hom gevonnis. LEES MEER

Maar terwyl u hierdie domein aandurf, sê Kucha, "word die saak digter en digter." En dit is die achilleshiel vir enige vorm van materie wat gekies word om 'n horlosie te wees onder hierdie uiterste toestande wat dit uiteindelik inmekaar druk. Dit lyk van meet af aan voor die hand liggend, maar Kucha moet presies ondersoek hoe die horlosie breek sodat hy die proses beter kan verstaan ​​en nuwe wiskundige strategieë kan ontwerp om sy ideale horlosie te konstrueer.

Meer belowend as 'n kwantumklok is die meetkunde van die ruimte self: die monitering van die ruimtetyd se veranderende kromming namate die baba-heelal uitbrei of 'n swart gat vorm. Kucha vermoed dat so 'n eienskap steeds meetbaar kan wees in die uiterste toestande van kwantumgravitasie. Die uitbreidende kosmos is die eenvoudigste voorbeeld van hierdie skema. Stel u die klein baba-heelal voor as 'n opblaasballon. Aanvanklik buig die oppervlak daarvan skerp. Maar soos die ballon opblaas, word die kromming van die oppervlak vlakker en vlakker. “Die veranderende meetkunde,” verduidelik Kucha, “laat jou sien dat jy op een oomblik eerder as 'n ander tyd is.” Met ander woorde, dit kan as 'n horlosie funksioneer.

Ongelukkig lei elke tipe klok wat Kucha tot dusver ondersoek het tot 'n ander kwantumbeskrywing, verskillende voorspellings van die stelsel se gedrag. "U kan u kwantummeganika formuleer met betrekking tot een klok wat u in ruimtetyd plaas en een antwoord kry," verduidelik Kucha.

'Maar as u 'n ander soort klok kies, miskien een gebaseer op 'n elektriese veld, kry u 'n heel ander resultaat. Dit is moeilik om te sê watter van hierdie beskrywings korrek is. ”

Dit wil voorkom asof u u polshorlosie moet oopdraai en die werking daarvan moet sien elke keer as u daarna wil verwys.

Meer nog, die gekose horlosie mag uiteindelik nie verbrokkel nie. Volgens die kwantumteorie is daar 'n beperking op hoe fyn u ruimte kan bespaar. Die kleinste kwantumkorrel denkbaar is 10-33 sentimeter breed, die lengte van Planck, vernoem na Max Planck, uitvinder van die kwantum. Op daardie oneindige skaal word die doek van die ruimtetyd wankelrig en deurmekaar, soos die witkappe op 'n woedende see. Ruimte en tyd raak ongekleef en begin in 'n waarskynlike skuim in en uit te knip. Soos ons dit ken, is tyd en ruimte nie meer maklik omskryf nie. Dit is die punt waarop die fisika onbekend raak en teoretici op wankelrige grond begin loop. Soos die fisikus Paul Davies in sy boek uitwys Hoogtyd, "U moet u voorstel dat alle moontlike meetkundes - alle moontlike ruimtetye, ruimtetuie en tydswring - saamgevoeg word in 'n soort cocktail, of 'skuim'."

Slegs 'n ten volle ontwikkelde teorie oor kwantumgravitasie sal wys wat regtig gebeur op hierdie onvoorstelbare klein ruimtetydperk. Kucha vermoed dat sommige eienskappe van algemene relatiwiteit (nog onbekend) op hierdie stadium nie kwantumswisselings sal ondergaan nie. Iets kan vashou en nie ongekleef raak nie. As dit waar is, kan so 'n eiendom dien as die betroubare horlosie wat Kucha so lank gesoek het. En met die hoop gaan Kucha voort om die uiteenlopende moontlikhede een vir een te ondersoek.

Kucha het probeer om algemene relatiwiteit in die styl van die kwantummeganika te vorm om 'n spesiale horlosie daarvoor te vind. Maar sommige ander natuurkundiges wat die kwantum erns probeer verstaan, glo dat die hersiening andersom moet gebeur - dat die kwantum erns gemaak moet word in die beeld van algemene relatiwiteit, waar tyd op die agtergrond geskuif word. Carlo Rovelli is 'n voorstander van hierdie siening.

Vergeet tyd, ”verklaar Rovelli nadruklik. 'Tyd is bloot 'n eksperimentele feit.' Rovelli, 'n fisikus aan die Centre of Theoretical Physics in Frankryk, het gewerk aan 'n benadering tot kwantumgravitasie wat in wese tydloos is. Om die berekeninge te vereenvoudig, het hy en sy medewerkers, fisici Abhay Ashtekar en Lee Smolin, 'n teoretiese ruimte sonder 'n horlosie opgestel. Op hierdie manier kon hulle Einstein se algemene relatiwiteitsteorie herskryf deur 'n nuwe stel veranderlikes te gebruik sodat dit makliker geïnterpreteer en aangepas kon word vir gebruik op kwantumvlak.

Hulle formulering het fisici in staat gestel om op 'n nuwe manier te ondersoek hoe swaartekrag op die subatomiese skaal optree. Maar is dit regtig moontlik sonder enige verwysing na tyd? "Eers met spesiale relatiwiteit en dan met algemene relatiwiteit, het ons klassieke idee van tyd net al hoe swakker geword," antwoord Rovelli. 'Ons dink in terme van tyd. Ons het dit nodig. Maar die feit dat ons tyd nodig het om ons denke uit te voer, beteken nie dat dit 'n werklikheid is nie. '

Nog 'n beskouing van tyd: Sommige natuurkundiges meen tyd is 'n ontluikende eienskap van baie deeltjies, soos temperatuur of druk. Toa55 / Shutterstock

Rovelli meen as fisici ooit 'n verenigde wet vind wat al die natuurkragte onder een vaandel verbind, sal dit geskryf word sonder enige verwysing na tyd. 'Dan, in sekere situasies,' sê Rovelli, 'asof die swaartekragveld nie dramaties sterk is nie, organiseer die werklikheid homself sodat ons 'n stroom waarneem wat ons tyd noem.'

Om van tyd in die mees fundamentele fisiese wette ontslae te raak, sal Rovelli waarskynlik 'n groot konseptuele sprong vereis, dieselfde aanpassing wat die 16de-eeuse wetenskaplikes moes maak toe Copernicus die son en nie die aarde nie, in die middel van die heelal. Sodoende het die Poolse geestelike die aarde effektief in beweging gebring, alhoewel dit destyds moeilik was om voor te stel hoe die aarde in 'n wentelbaan oor die son kon inzoom sonder dat sy inwoners van die oppervlak geslinger word. "In die 1500's het mense gedink dat 'n bewegende aarde onmoontlik was," merk Rovelli op.

Maar miskien is die ware reëls tydloos, insluitend die wat op die subatomiese wêreld toegepas word. Daar is inderdaad 'n beweging aan die gang om die wette van kwantummeganika te herskryf, 'n opknapping wat deels aangespoor is deur die tydprobleem, onder andere kwantumomraaiings. As deel van daardie program het teoretici die kwantummeganika se mees basiese vergelykings herformuleer om enige direkte verwysing na tyd te verwyder.

Op die kleinste skaal sou die tyd geen betekenis hê nie, net soos 'n puntillistiese skildery, wat opgebou is uit 'n bietjie verf, nie van naderby gevind kan word nie.

Die wortels van hierdie benadering kan herlei word na 'n prosedure wat die fisikus Richard Feynman in die veertigerjare ingestel het, 'n metode wat deur ander uitgebrei en uitgebrei is, waaronder James Hartle van die Universiteit van Kalifornië in Santa Barbara en die fisika-Nobelpryswenner Murray Gell- Mann.

Basies is dit 'n nuwe manier om na Schrödinger se vergelyking te kyk. Soos oorspronklik opgestel, laat hierdie vergelyking fisici toe om die waarskynlikheid te bereken dat 'n deeltjie direk vanaf punt A na punt B oor bepaalde tydsskyfies beweeg. Die alternatiewe benadering wat Feynman ingestel het, beskou eerder die oneindige aantal paaie wat die deeltjie denkbaar kan neem om van A na B te kom, al is die kans hoe skraal. Tyd word verwyder as 'n faktor slegs die potensiële weë is beduidend. Opsomming van hierdie potensiaal (sommige paaie is meer waarskynlik as ander, afhangende van die aanvanklike toestande), kom uiteindelik 'n spesifieke pad na vore.

Die proses word soms met interferensie tussen golwe vergelyk. Wanneer twee golwe in die oseaan saamkom, kan dit mekaar versterk (wat lei tot 'n nuwe en groter golf) of mekaar heeltemal kanselleer. Net so kan u aan hierdie baie potensiële paaie dink dat hulle interaksie met mekaar het - sommige word verbeter, ander vernietig - om die finale weg te lewer. Belangriker nog, die veranderlike van die tyd gaan nie meer in die berekeninge in nie.

Hartle het hierdie tegniek aangepas by sy strewe in die kwantakosmologie, 'n poging waarin die wette van die kwantummeganika op die jong heelal toegepas word om die evolusie daarvan te onderskei. In plaas daarvan om individuele deeltjies te hanteer, werk hy egter met al die konfigurasies wat moontlik 'n ontwikkelende kosmos, 'n oneindige verskeidenheid potensiële heelalle, kan beskryf. Wanneer hy hierdie uiteenlopende konfigurasies saamvat - sommige verbeter mekaar, ander kanselleer mekaar - kom uiteindelik 'n bepaalde ruimtetyd na vore. Op hierdie manier hoop Hartle om leidrade te kry vir die gedrag van die heelal gedurende die era van kwantumgravitasie. Gemaklik hoef hy nie 'n spesiale klok te kies om die fisika uit te voer nie: Tyd verdwyn as 'n noodsaaklike veranderlike.

Natuurlik, soos Isham daarop gewys het, "is ons dan verplig om te verduidelik hoe ons terugkeer na die gewone wêreld, waar die tyd ons omring." Kwantitatiewe teoretici het hul vooruitsigte. Soos Rovelli, kom baie mense agter dat tyd glad nie fundamenteel is nie. Hierdie tema weerklink telkens in die verskillende benaderings wat daarop gemik is om die probleem van die tyd op te los. Die tyd kan volgens hulle meer lyk soos 'n fisiese eienskap soos temperatuur of druk. Druk het geen betekenis as u oor een deeltjie of een atoom praat nie, die konsep van druk ontstaan ​​slegs as ons triljoene atome beskou. Die begrip tyd kan baie goed hierdie statistiese kenmerk deel. As dit die geval is, sal die werklikheid dan 'n puntillistiese skildery wees. Op die kleinste skaal - die lengte van Planck - sou die tyd geen betekenis hê nie, net soos 'n puntillistiese skildery, opgebou uit 'n bietjie verf, nie van naby kan word nie.

Kwantitatiewe teoretici vergelyk hulself graag met argeoloë.Elke ondersoeker grawe weg op 'n ander plek en vind 'n aparte artefak van 'n groot ondergrondse stad. Die volle omvang van die vonds is nog nie besef nie. Wat teoretici broodnodig het, is data, eksperimentele bewyse wat hulle kan help om tussen die verskillende benaderings te besluit.

Dit lyk na 'n onmoontlike taak, wat blykbaar die helse toestande van die oerknal moet herskep. Maar nie noodwendig nie. Toekomstige generasies van "swaartekraggolf-teleskope", instrumente wat rimpelings in die rubberagtige mat van die ruimtetyd opspoor, kan die oerknal se weerklinkende donderweer eendag aanvoel vanaf die oomblik van skepping toe die swaartekrag vir die eerste keer opduik. Sulke golwe kan belangrike leidrade gee vir die aard van ruimte en tyd.

"Ons sou nie net [dekades] gelede geglo het dat dit moontlik sou wees om te sê wat in die eerste tien minute van die oerknal gebeur het nie," wys Kucha daarop. 'Maar ons kan dit nou doen deur na die oorvloed van die elemente te kyk. Miskien as ons fisika op die Planck-skaal goed genoeg verstaan, sal ons in staat wees om te soek na sekere gevolge - oorblyfsels - wat vandag waarneembaar is. ' As dit gevind word, sal sulke bewyse ons die naaste aan ons oorsprong ooit bring en ons moontlik uiteindelik sien hoe ruimte en tyd ongeveer 14 miljard jaar gelede uit die niet opkom.

Marcia Bartusiak is 'n skrywer, joernalis en 'n professor in die nagraadse program in wetenskapskryf aan die Massachusetts Institute of Technology. Sy skryf oor sterrekunde en fisika.

Uittreksel uit Versendings vanaf planeet 3: Twee en dertig (kort) verhale oor die sonnestelsel, die melkweg en daarbuite deur Marcia Bartusiak, nuut van Yale University Press. Kopiereg © 2018 deur Marcia Bartusiak.


Definisieerder

Europäisches Forschungszentrum für Kern- und Teilchenphysik (Centre Européen pour la Récherche Nucleaire), angesiedelt nahe Genf beidseits der französisch-schweizerischen Grenze, gegründet 1954.

CERN is nicht nur für seine Teilchenbeschleuniger wie den Large Hadron Collider (LHC) bekend, sonder om ook as Geburtsort des World Wide Web.

tyd Dit is 'n feit van die lewe dat nie alle gebeure in ons heelal gelyktydig plaasvind nie - in plaas daarvan is daar 'n sekere orde. Die definiëring van 'n tydcoördinaat of die definiëring van tyd, soos die fisici dit doen, is om 'n voorskrif te definieer om 'n getal aan elke gebeurtenis te koppel om die volgorde te weerspieël - as gebeurtenis B na gebeurtenis A plaasvind, dan moet die getal wat met B verband hou, groter wees as wat verband hou met A. Die eerste stap van hierdie definisie is om 'n horlosie te konstrueer: Kies 'n eenvoudige proses wat gereeld herhaal word. (Wat is 'reëlmatig'? Gelukkig lei alle elementêre prosesse soos 'n swaaiende slinger, die ossillasies van atome of elektroniese stroombane in ons heelal tot dieselfde konsep van reëlmaat.) As 'n tweede stap, installeer 'n teller: 'n meganisme dit verhoog die telling met elke herhaling van die gekose proses. Met hierdie definisie kan 'n mens minstens 'n tyd (die numeriese waarde van die teller) toewys aan gebeure wat op die plek van die klok plaasvind. Vir geleenthede op verskillende plekke is 'n bykomende definisie nodig: 'n Mens moet gelyktydigheid definieer. Die stelling dat een of ander verre gebeurtenis A om 12 uur gebeur, is immers dieselfde as om te sê dat gebeurtenis A en "ons klok toon 12:00:00" gelyktydig is. Die hoe en waarom van die definiëring van gelyktydigheid - 'n middelpunt van Einstein se spesiale relatiwiteitsteorie - word beskryf in die kollig-onderwerp Definieer 'nou'. Met al hierdie voorbereidings kan fisici in beginsel 'n tydkoördinaatwaarde ('n tyd ') toeken aan enige moontlike gebeure, en beskryf hoe vinnig of hoe stadig prosesse gebeur, vergeleke met die tydkoördinaat. tyddilatasie In spesiale relatiwiteit: Vanuit die oogpunt van 'n waarnemer (meer presies: 'n traagheidswaarnemer) gaan 'n bewegende horlosie stadiger as 'n identies geboude horlosie in rus. Alle ander prosesse wat langs die klok beweeg (byvoorbeeld: alles wat aan boord van 'n vuurpyl gebeur, word op dieselfde manier vertraag). Tydsverwyding kan onderling wees: wanneer twee traagheidswaarnemers mekaar verbyjaag, sal elkeen vind dat die ander se horlosies stadiger verloop. Sommige aspekte van hierdie onbekende wedersyds word in die kolligonderwerp ondersoek Die dialektiek van relatiwiteit, 'n geometriese analogie, word in Tyddilatasie aangebied. die pad. In die algemene relatiwiteit is daar die verskynsel van gravitasietydverwyding: Grofweg gesproke loop horlosies in die omgewing van 'n massa of ander swaartekrag stadiger as horlosies wat verder weg is. Hierdie verskynsel hou nou verband met die swaartekrag-rooi verskuiwing. sinchrotron

'N Deeltjiesversneller waarin deeltjies met behulp van elektriese velde versnel word, terwyl sterk magnetiese velde dit op die regte spoor hou (die feit dat al hoe sterker magnetiese velde nodig is namate die versnelling verloop, is 'n gevolg van die feit dat die relativistiese massa met spoed toeneem. .)

stilstaande In relatiwiteit is 'n situasie of 'n ruimtetyd rofweg stil as daar geen verandering in die tyd is nie. Om meer presies te wees, moet 'n mens in ag neem dat die algemeenste relatiwiteit tyd op baie verskillende maniere kan definieer, wat almal ewe geldig is vir die formulering van die wette van die fisika. Dit lei tot 'n gewysigde definisie: 'n Situasie of 'n ruimtetyd is stilstaande as dit moontlik is om tyd op so 'n manier te definieer dat die eienskappe daarvan nie mettertyd verander nie - as u die eienskappe van 'n gegewe ruimte oor tyd volg, hulle sal nie verander nie. snelheid 'n Voorwerp se gemiddelde snelheid is die afstand wat dit gedurende 'n bepaalde tydperk beweeg, gedeel deur die lengte van die tydsinterval. As u die tydsinterval oneindig klein maak, is die resultaat die spoed van die voorwerp op een spesifieke tydstip. Die begrip spoed kan op verskillende maniere op golwe toegepas word, byvoorbeeld vir 'n eenvoudige golf, die fase spoed is die snelheid waarmee enige gegewe kruin of golf deur die ruimte voortplant. Kyk ook na die meer algemene toegangsnelheid. spesiale relatiwiteit Albert Einstein se teorie oor die grondbeginsels van ruimte, tyd en beweging (maar nie swaartekrag nie). Lees die hoofstuk Spesiale relatiwiteit van elementêre Einstein vir 'n kort inleiding. Geselekteerde aspekte van spesiale relatiwiteit word beskryf in die kategorie Spesiale relatiwiteit van ons kolligte op relatiwiteit. ruimte In streng sin: Ruimte soos ons dit uit die alledaagse lewe ken: die totaliteit van alle plekke waar voorwerpe kan sit, met drie dimensies. In 'n meer algemene sin wat deur wiskundiges gebruik word, is alle soorte stelle punte ruimtes - byvoorbeeld 'n lyn wat slegs 'n enkele dimensie het, of 'n tweedimensionele oppervlak, maar ook hoër-dimensionele ruimtes. In sulke meer algemene ruimtes kan meetkunde ook verskil van die standaard Euklidiese meetkunde wat in hoërskole geleer word - sulke ruimtes kan geboë wees. relativistiese Modelle, effekte of verskynsels waarin spesiale relatiwiteit of algemene relatiwiteit 'n deurslaggewende rol speel, word relativisties genoem. Voorbeelde hiervan is relativistiese kwantumveldteorieë as teorieë gebaseer op spesiale relatiwiteit, of die relativistiese perihelieverskuiwing as gevolg van algemene relativiteit. Daarbenewens word toestande waaronder die verskil tussen relativistiese fisika en gewone, klassieke fisika veral uitgespreek word, ook relativisties genoem. Byvoorbeeld, wanneer materiële voorwerpe snelhede naby ligspoed bereik, word daar van relativistiese snelhede gepraat, terwyl snelhede wat so klein is in vergelyking met lig dat relativistiese effekte onopspoorbaar klein is, nie-relativisties is. proton Deeltjie wat positiewe elektriese lading dra en relatief massief is, bestaan ​​die atoomkerne uit protone en neutrone. Protone is nie elementêre deeltjies nie, dit is saamgestelde deeltjies wat bestaan ​​uit kwarke wat saamgebind word deur die sterk kerninteraksie. Gesamentlik word protone, neutrone en 'n aantal soortgelyke deeltjies barione genoem. punt Elementêre "bousteen" van meetkundige entiteite soos oppervlaktes of meer algemene ruimtes. 'N Oppervlak is byvoorbeeld die versameling van al sy punte, van alle moontlike liggings op die oppervlak, en alle meetkundige voorwerpe in die oppervlak word gedefinieer deur die punte wat daaraan behoort - byvoorbeeld, 'n lyn op die oppervlak is die versameling van (oneindig baie) punte. relativisties (periheliumvooruitgang, relativisties) Vir planeetbane is daar 'n klein verskil tussen die voorspellings van Newtonse swaartekrag en algemene relatiwiteit. In die teorie van Newton is die wentelbaan van 'n eensame planeet wat om 'n ster wentel byvoorbeeld 'n ellips. In die algemene relatiwiteit is dit 'n soort roos- of rhodonea-kromme. So 'n kurwe is soortgelyk aan 'n ellipsekurwe wat met elke bykomende baan 'n bietjie skuif. Die verskuiwing kan gedefinieer word deur te kyk na die punt wat die naaste aan die son (perihelion) op elke baan is. Die addisionele relativistiese verskuiwing word dus relativistiese perihelie-verskuiwing of relativistiese perihelie-voorskot genoem. 'N Foto kan gesien word op die bladsy 'n Planeet dwaal in die hoofstuk Algemene relatiwiteit van Elementêre Einstein. deeltjieversneller Die belangrikste eksperimentele tegniek van deeltjie-fisika: die versnelling van elektriese gelaaide deeltjies met behulp van elektriese kragte, laat hulle met mekaar bots en maak uit die resultaat van die botsing gevolgtrekkings oor die eienskappe van elementêre deeltjies en hul interaksies. Dit is 'n interessante moontlikheid, wat voorgestel word deur modelle gebaseer op die idees van die stringteorie, dat deeltjieversnellers soos die LHC eintlik miniatuur swart gate kan produseer (sien die kollig-teks Deeltjieversnellers as swartgatfabrieke vir meer inligting hieroor?). waarnemer In die konteks van relatiwiteit kan "waarnemer" twee verskillende dinge beteken. Dikwels is waarnemer sinoniem met verwysingsraamwerk of (ruimtetyd-) koördinaatstelsel: 'n waarnemer in hierdie sin is iemand wat koördinate toewys aan alles wat rondom hom gebeur. In die besonder word aan al die gebeurtenisse ruimtekoördinaatwaardes en 'n tydkoördinaatwaarde toegeken. In die konteks van spesiale relatiwiteit is dit dikwels so dat wanneer 'n mens oor 'n waarnemer praat, eintlik 'n traagheidswaarnemer is wat ooreenstem met 'n spesiale tipe verwysingsraamwerk. By ander geleenthede word die term in 'n nouer sin gebruik - in daardie gevalle is 'n waarnemer iemand wat op 'n sekere punt in die ruimte sit en die ligseine wat daardie plek bereik, gebruik om 'n beeld van sy omgewing te konstrueer. In die konteks van optiese effekte in relatiwiteit, byvoorbeeld gravitasie-lens, word waarnemer gewoonlik op hierdie manier bedoel. lengte inkrimping

Effek van spesiale relatiwiteitsteorie: 'n Waarnemer (meer presies: 'n traagheidswaarnemer) meet 'n korter lengte vir 'n bewegende voorwerp as vir 'n identiese kopie van die voorwerp wat langs hom rus (hier verwys lengte na verlenging in die rigting van beweging - verlenging in ortogonale rigtings bly dieselfde).


Dit is waarom die spoed van swaartekrag gelyk moet wees aan die spoed van lig

As die son spontaan sou ophou straal, sou ons vir ongeveer 8 minute en 20 sekondes nie daarvan weet nie. Die lig wat op hierdie oomblik hier op aarde aankom, is in die verlede 'n baie lang tyd uit die son se fotosfeer gestuur en word nou eers gesien na 'n reis oor die 150 miljoen km (93 miljoen myl) wat die Son van die aarde af. As die son nou donker sou word, sou ons dit nie ontdek voordat die lig ophou aankom nie.

Maar wat van swaartekrag? As die son spontaan (op een of ander manier) van die bestaan ​​verwyder sou word, hoe lank sou die aarde in sy elliptiese baan bly voordat hy in 'n reguit lyn sou vlieg? Glo dit of nie, die antwoord hierop moet presies dieselfde tyd duur as vir lig: 8 minute en 20 sekondes. Die swaartepunt is nie net waarnemend die ongelooflike presiese mate van die ligsnelheid nie, maar hierdie twee konstantes moet teoreties presies gelyk wees, anders sou die algemene relatiwiteit uitmekaar val. Hier is die wetenskap agter waarom.

Voordat die algemene relatiwiteit gekom het, was Newton se universele wet van gravitasie ons suksesvolste teorie oor gravitasie. Volgens Newton word die gravitasiekrag tussen twee voorwerpe in die ruimte gedefinieer deur net vier parameters:

  1. Die gravitasiekonstante van die heelal, G, wat vir almal dieselfde is.
  2. Die massa van die eerste voorwerp, m, wat die swaartekrag ervaar. (Volgens Einstein se ekwivalensiebeginsel is dit dieselfde m wat in die bewegingswette ingaan, soos F= ma.)
  3. Die massa van die tweede voorwerp, M, wat die eerste voorwerp lok.
  4. Die afstand tussen hulle, r, wat strek vanaf die massamiddelpunt van die eerste voorwerp tot die massamiddelpunt van die tweede.

Onthou dat dit die enigste vier parameters is wat toelaatbaar is vir Newtonse gravitasie. U kan allerlei berekeninge uit hierdie kragwet uitvoer om byvoorbeeld elliptiese planetêre wentelbane om die son af te lei. Maar die vergelykings werk net as die swaartekrag onmiddellik is.

Dit kan u 'n bietjie raaisel. Immers, as die swaartekrag net gelyk is aan die ligsnelheid, eerder as 'n oneindig vinnige krag, dan moet die aarde aangetrek word tot waar die son 8 minute en 20 sekondes gelede was, nie waar die son tans is nie, op hierdie spesifieke tydstip. Maar as u eerder die berekening doen en toelaat dat die aarde aangetrokke is tot die son se vorige posisie eerder as sy huidige posisie, kry u 'n voorspelling vir sy wentelbaan wat so heeltemal verkeerd is dat Newton self, met kwaliteitswaarnemings wat minder as 100 jaar teruggaan. (tot die tyd van Tycho Brahe), sou dit kon uitsluit.

In werklikheid, as u die wette van Newton gebruik om die wentelbane van die planete te bereken en sou eis dat dit ooreenstem met moderne waarnemings, sou die swaartekrag nie net vinniger moes wees as die ligsnelheid nie, dit sou 'n minimum van 20 miljard moes wees keer vinniger: nie van 'n oneindige snelheid te onderskei nie.

Die probleem is die volgende: as u 'n sentrale krag het, waar 'n gebonde deeltjie soos (byvoorbeeld) die aarde deur die son aangetrek word, maar teen 'n eindige snelheid om die son beweeg (wentel of voortplant), sal u slegs 'n suiwer elliptiese baan as die krag se voortplantingsnelheid oneindig is. As dit eindig is, kry u nie net 'n radiale versnelling (na die ander massa nie), maar u kry ook 'n komponent wat u deeltjie tangensiaal versnel.

Dit sal wentelbane nie net ellipties maak nie, maar ook onstabiel. Op 'n skaal van slegs 'n eeu sou die wentelbane aansienlik verander. Teen 1805 het Laplace waarnemings van die maan gebruik om aan te toon dat die snelheid van Newton se swaartekrag 7 miljoen keer groter moet wees as die snelheid van die lig. Moderne beperkings is nou 20 miljard keer die ligspoed, wat baie goed is vir Newton. Maar dit alles het Einstein 'n groot las gelê.

Volgens Einstein is daar konseptueel 'n groot probleem met Newton se gravitasiekragwet: die afstand tussen enige twee voorwerpe is nie 'n absolute hoeveelheid nie, maar hang eerder af van die beweging van die waarnemer. As u na enige denkbeeldige lyn beweeg of wegtrek, sal die afstande in die rigting saamtrek, afhangende van u relatiewe snelhede. Om die swaartekrag 'n berekenbare hoeveelheid te wees, sal alle waarnemers konsekwente resultate moet kry, iets wat u nie kan kry deur relatiwiteit te kombineer met die wet van die gravitasiekrag van Newton nie.

Daarom moet u volgens Einstein 'n teorie ontwikkel wat gravitasie en relativistiese bewegings bymekaar bring, en wat beteken dat die ontwikkeling van Algemene Relatiwiteit: 'n relativistiese bewegingsteorie wat swaartekrag daarin opgeneem het. Sodra dit voltooi is, het Algemene Relatiwiteit 'n dramaties ander verhaal vertel.

Ten einde verskillende waarnemers te laat saamstem oor hoe gravitasie werk, kan daar niks bestaan ​​soos absolute ruimte, absolute tyd of 'n sein wat op oneindige spoed voortplant nie. In plaas daarvan moet ruimte en tyd albei relatief vir verskillende waarnemers wees, en kan seine slegs voortplant teen snelhede wat presies gelyk is aan die ligspoed (as die voortplantingsdeeltjie masseloos is) of teen snelhede wat onder die ligspoed is (as die deeltjie massa).

Om dit te laat slaag, moet daar egter 'n bykomende effek wees om die probleem van 'n nie-nul tangensiële versnelling, wat veroorsaak word deur 'n eindige swaartekrag, uit te skakel. Hierdie verskynsel, bekend as gravitasie-aberrasie, word amper presies gekanselleer deur die feit dat Algemene Relatiwiteit ook snelheidsafhanklike interaksies het. Soos die aarde byvoorbeeld deur die ruimte beweeg, voel dit hoe die krag van die son verander terwyl dit van posisie verander, net soos 'n boot wat deur die oseaan reis, in 'n ander posisie sal neerdaal as dit weer opgelig word en weer laat sak word deur 'n verbygaande golf.

Wat opmerklik is, en geensins voor die hand liggend nie, is dat hierdie twee effekte byna presies kanselleer. Die feit dat die spoed van swaartekrag eindig is, veroorsaak hierdie swaartekragafwyking, maar die feit dat algemene relatiwiteit (in teenstelling met die Newtonse swaartekrag) snelheidsafhanklike interaksies het, het dit moontlik gemaak dat Newton se swaartekrag so 'n goeie benadering was. Daar is net een spoed wat werk om hierdie kansellasie goed te maak: as die swaartekrag gelyk is aan die ligspoed.

Dit is dus die teoretiese motivering waarom die spoed van swaartekrag gelyk moet wees aan die spoed van die lig. As u wil hê dat planeetbane in ooreenstemming is met wat ons gesien het, en konsekwent moet wees vir alle waarnemers, moet u 'n swaartekrag hê wat gelyk is aan c, en dat u teorie relatisties onveranderlik is. Daar is egter 'n ander voorbehoud. In Algemene Relatiwiteit is die kansellasie tussen die gravitasie-aberrasie en die snelheidsafhanklike term amper presies, maar nie heeltemal nie. Slegs die regte stelsel kan die verskil tussen Einstein en Newton se voorspellings openbaar.

In ons eie omgewing is die krag van die son se swaartekrag heeltemal te swak om 'n meetbare effek te lewer. Wat u wil hê, is 'n stelsel met groot swaartekragvelde op klein afstande vanaf 'n massiewe bron, waar die snelheid van die bewegende voorwerp vinnig is en vinnig verander (versnel), in 'n swaartekragveld met 'n groot gradiënt.

Ons Son gee ons dit nie, maar die omgewing rondom 'n binêre swart gat of 'n binêre neutronster! Die ideaal is dat 'n stelsel met 'n massiewe voorwerp wat met 'n veranderende snelheid deur 'n veranderende gravitasieveld beweeg, hierdie effek ten toon stel. En 'n binêre neutronsterstelsel, waar een van die neutronsterre 'n baie presiese pulsar is, pas presies by die rekening.

'N Pulsar, en veral 'n millisekonde pulsar, is die beste natuurlike horlosie in die heelal. Terwyl die neutronster draai, straal dit 'n straal elektromagnetiese straling uit wat die kans het om elke 360 ​​grade rotasie in lyn te bring met die Aarde se perspektief.As die belyning reg is, sal ons hierdie pulse met buitengewone voorspelbare akkuraatheid en presisie waarneem.

As die pulsar egter in 'n binêre stelsel is, sal die swaartekragveld die emissie van swaartekraggolwe veroorsaak wat energie van die gravitasiestelsel af wegbeweeg. Die verlies van daardie energie moet êrens kom, en word vergoed deur die verval van die bane van die pulsar. Die voorspellings van pulsarverval is baie sensitief vir die swaartepunt met behulp van selfs die heel eerste binêre pulsarstelsel wat ooit self ontdek is, PSR 1913 + 16 (of die Hulse-Taylor-binêre), wat ons in staat stel om die swaartekrag se snelheid te beperk om gelyk te wees. tot die snelheid van die lig binne slegs 0,2%!

Sedert daardie tyd het ander metings ook die ekwivalensie tussen ligspoed en swaartekrag aangetoon. In 2002 het toevallige toeval veroorsaak dat die Aarde, Jupiter en 'n baie sterk radiokwasar (bekend as QSO J0842 + 1835) almal in lyn gebring het. Terwyl Jupiter tussen die aarde en die kwasar beweeg, het die swaartekrag-effekte daarvan die sterlig laat buig op 'n manier wat afhanklik was van swaartekrag.

Jupiter het in werklikheid die lig van die kwasar gebuig, sodat ons 'n oneindige snelheid vir die swaartekrag kon uitsluit en kon bepaal dat dit eintlik tussen 255 miljoen en 381 miljoen meter per sekonde was, in ooreenstemming met die presiese waarde vir die snelheid van die lig (299,792,458 m / s) en ook met Einstein se voorspellings. Nog meer onlangs het die eerste waarnemings van swaartekraggolwe ons nog strenger beperkings opgelewer.

Van die heel eerste swaartekraggolf wat opgespoor is en die verskil in hul aankomstye na Hanford, WA en Livingston, LA, het ons direk geleer dat die swaartekrag die ligsnelheid binne ongeveer 70% gelyk het, wat nie 'n verbetering is pulsêre tydsbeperkings. Maar toe 2017 die aantrekking van swaartekraggolwe en lig van 'n neutronster-neutronster-samesmelting sien kom, het die feit dat gammastraalseine net 1,7 sekondes na die gravitasiegolfsein oor 'n reis van meer as 100 miljoen ligjare gekom het, ons geleer dat die snelheid van die lig en die swaartekrag met nie meer as 1 deel in 'n kwadriljoen verskil nie: 10¹⁵.

Solank swaartekraggolwe en fotone geen rusmassa het nie, bepaal die fisiese wette dat hulle presies op dieselfde snelheid moet beweeg: die snelheid van die lig wat gelyk moet wees aan die swaartekrag. Nog voordat die beperkings so skouspelagtig geword het, vereis dat 'n gravitasieteorie die Newtonse wentelbane weergee terwyl dit terselfdertyd relativisties onveranderlik is, lei tot hierdie onvermydelike gevolgtrekking. Die spoed van swaartekrag is presies die spoed van lig, en fisika sou dit nie anders kon maak nie.


35 Tydverdeling

Die analise van gelyktydigheid toon dat Einstein se postulasies 'n belangrike effek impliseer: Tydintervalle het verskillende waardes as dit in verskillende traagheidsraamwerke gemeet word. Gestel, byvoorbeeld, 'n ruimtevaarder meet die tyd wat dit neem vir 'n polsslag om 'n afstand loodreg op die rigting van sy skeepsbeweging te beweeg (relatief tot 'n aardwaarnemer), van 'n spieël af te weerkaats en terug te keer ((Figuur)). Hoe vergelyk die verstreke tyd wat die ruimtevaarder in die ruimtetuig meet, met die verstreke tyd wat 'n aardse waarnemer meet deur waar te neem wat in die ruimtetuig gebeur?

Die ondersoek van hierdie vraag lei tot 'n diepgaande resultaat. Die verstreke tyd vir 'n proses hang af van die waarnemer wat dit meet. In hierdie geval is die tyd wat die ruimtevaarder (binne die ruimteskip waar die ruimtevaarder rus) gemeet, kleiner as die tyd wat die aarde waarnemer (na wie die ruimtevaarder beweeg) gemeet het. Die tyd wat verloop het vir dieselfde proses is anders vir die waarnemers, omdat die afstand wat die ligpuls in die ruimtevaarder van die ruimtevaarder beweeg, kleiner is as in die aardgebonde raam, soos gesien in (Figuur). Lig beweeg met dieselfde snelheid in elke raam, dus dit neem langer tyd om die groter afstand in die aardraam te neem.

(a) 'n Ruimtevaarder meet die tyd vir ligte afstand 2D in die ruimtevaarder se raamwerk. (b) 'n NASA-wetenskaplike op aarde sien hoe die lig die langer pad 2 volgs en neem langer tyd (c) Hierdie driehoeke word gebruik om die verband tussen die twee afstande te bepaal D en s.

Tyddilatasie is die verlenging van die tydsinterval tussen twee gebeure vir 'n waarnemer in 'n traagheidsraam wat beweeg ten opsigte van die rusraam van die gebeure (waarin die gebeure op dieselfde plek plaasvind).

Om die tydmetings in die twee traagheidsraamwerke kwantitatief te vergelyk, kan ons die afstande in (Figuur) met mekaar in verband bring en dan elke afstand uitdruk in terme van die reistyd (onderskeidelik óf of ) van die pols in die ooreenstemmende verwysingsraamwerk. Die resulterende vergelyking kan dan opgelos word in terme van

Die lengtes D en L in (Figuur) is die sye van 'n regte driehoek met skuinssy s. Uit die stelling van Pythagoras,

Die lengtes 2s en 2L is onderskeidelik die afstande wat die polsslag en die ruimtetuig betyds aflê in die raam van die aardgebonde waarnemer. Die lengte D is die afstand wat die ligpuls in die tyd beweeg in die ruimtevaarder se raamwerk. Dit gee ons drie vergelykings:

Let daarop dat ons Einstein se tweede postulaat gebruik het deur die snelheid van die lig te neem c in albei traagheidsraamwerke. Ons vervang hierdie resultate in die vorige uitdrukking uit die stelling van Pythagoras:

Dan herrangskik ons ​​om te verkry

Laastens, die oplossing vir in terme van gee ons

waar is die relativistiese faktor (dikwels die Lorentz-faktor genoem) wat gegee word deur

en v en c is die spoed van onderskeidelik die bewegende waarnemer en die lig.

Let op die asimmetrie tussen die twee metings. Slegs een daarvan is 'n meting van die tydsinterval tussen twee gebeurtenisse - die emissie en aankoms van die ligpuls - op dieselfde posisie. Dit is 'n meting van die tydinterval in die rusraam van 'n enkele horlosie. Die meting in die aardgebonde raamwerk behels die vergelyking van die tydsinterval tussen twee gebeurtenisse wat op verskillende plekke voorkom. Die tydsinterval tussen gebeure wat op een plek voorkom, het 'n aparte naam om dit te onderskei van die tyd wat deur die aardgebonde waarnemer gemeet word, en ons gebruik die aparte simbool om dwarsdeur hierdie hoofstuk daarna te verwys.

Die regte tydsinterval tussen twee gebeurtenisse is die tydsinterval wat gemeet word deur 'n waarnemer vir wie albei gebeure op dieselfde plek plaasvind.

Die vergelyking wat verband hou en is werklik merkwaardig. Eerstens, soos vroeër gesê, is verstreke tyd nie dieselfde vir verskillende waarnemers wat relatief tot mekaar beweeg nie, alhoewel albei in traagheidsraamwerke is. 'N Behoorlike tydsinterval want 'n waarnemer wat, net soos die ruimtevaarder, met die apparaat beweeg, is kleiner as die tydsinterval vir ander waarnemers. Dit is die kleinste moontlike gemete tyd tussen twee gebeurtenisse. Die aardgebonde waarnemer sien tydintervalle binne die bewegende stelsel as verwyd (d.w.s. verleng) in verhouding tot hoe die waarnemer in verhouding tot die aarde hulle binne die bewegende stelsel sien. Alternatiewelik gaan daar volgens die aardgebonde waarnemer minder tyd tussen gebeure binne die bewegende raam. Let daarop dat die kortste verstreke tyd tussen gebeure in die traagheidsraamwerk is waarin die waarnemer die gebeure (bv. Die emissie en die aankoms van die ligsein) op dieselfde punt sien plaasvind.

Hierdie tydseffek is werklik en word nie veroorsaak deur onakkurate horlosies of onbehoorlike metings nie. Tydintervalmetings van dieselfde gebeurtenis verskil vir waarnemers in relatiewe beweging. Die verwyding van tyd is 'n intrinsieke eienskap van die tyd self. Daar word waargeneem dat alle horlosies wat relatief tot 'n waarnemer beweeg, insluitend biologiese horlosies, soos 'n persoon se hartklop of veroudering, stadiger loop in vergelyking met 'n klok wat stilstaande is in verhouding tot die waarnemer.

Let daarop dat as die relatiewe snelheid baie minder is as die snelheid van die lig dan is baie klein, en die verstreke tye en is amper gelyk. Teen lae snelhede benader fisika gebaseer op moderne relatiwiteit klassieke fisika - alledaagse ervarings hou baie klein relativistiese effekte in. Vir snelhede naby die ligspoed, is naby aan een, so is baie klein en word aansienlik groter as

Half-Life of a Muon

Daar is heelwat eksperimentele bewyse dat die vergelyking dit is korrek. Een voorbeeld word aangetref in kosmiese straaldeeltjies wat voortdurend vanuit die diep ruimte op die aarde reën. Sommige botsings van hierdie deeltjies met kerne in die boonste atmosfeer lei tot kortstondige deeltjies wat muone genoem word. Die halfleeftyd (tyd vir die helfte van die materiaal om te verval) van 'n muon is 1,52 μs as dit in rus is relatief tot die waarnemer wat die halfleeftyd meet. Dit is die regte tydsinterval Hierdie kort tydjie stel baie min muone in staat om die aarde se oppervlak te bereik en te bespeur as Newtonse aannames oor tyd en ruimte korrek was. Muone wat deur kosmiese straaldeeltjies geproduseer word, het egter 'n verskeidenheid snelhede, terwyl sommige naby die snelheid van die lig beweeg. Daar is gevind dat die muon se halfleeftyd soos gemeet deur 'n aardgebonde waarnemer () wissel met die snelheid presies soos deur die vergelyking voorspel Hoe vinniger die muon beweeg, hoe langer leef dit. Ons op aarde sien dat die muon baie langer hou as wat sy halfleeftyd binne sy eie rusraam voorspel. Vanuit ons raam sien ons dat die muon stadiger verval as in rus in verhouding tot ons. As gevolg hiervan bereik 'n baie groter fraksie muone die grond.

Voordat ons die eerste voorbeeld van die oplossing van 'n relatiwiteitsprobleem aanbied, noem ons 'n strategie wat u as riglyn vir hierdie berekeninge kan gebruik.

  1. Maak 'n lys van die probleme wat gegee word of wat afgelei kan word (identifiseer die kennis). Soek veral inligting oor relatiewe snelheid v.
  2. Identifiseer presies wat in die probleem bepaal moet word (identifiseer die onbekendes).
  3. Maak seker dat u die konseptuele aspekte van die probleem begryp voordat u enige berekeninge doen (druk die antwoord as 'n vergelyking uit). Besluit byvoorbeeld watter waarnemer die tyd wat verleng of gekontrakteer is, sien voordat hy met die vergelykings werk of dit gebruik om die berekening uit te voer. As u nagedink het oor wie sien wat, wie beweeg met die waarneming van die gebeurtenis, wie die regte tyd sien, ensovoorts, sal u baie makliker vasstel of u berekening redelik is.
  4. Bepaal die primêre tipe berekening wat gedoen moet word om die onbekendes hierbo te identifiseer (doen die berekening). U vind die opsomming van die afdeling nuttig om te bepaal of 'n lengte-inkrimping, relativistiese kinetiese energie of 'n ander konsep betrokke is.

Let wel dat u nie tydens die berekening moet afrond nie. Soos in die teks opgemerk, moet u u berekeninge gereeld met baie syfers uitvoer om die gewenste effek te sien. U kan aan die einde van die probleemoplossing afrond, maar gebruik nie 'n afgeronde getal in 'n daaropvolgende berekening nie. Kyk ook na die antwoord of dit redelik is: is dit sinvol? Dit kan moeiliker wees vir relatiwiteit, wat min alledaagse voorbeelde het om ervaring te bied met wat redelik is. Maar jy kan soek na snelhede groter as c of relativistiese effekte wat in die verkeerde rigting is (soos 'n tydsvertraging waar 'n verwyding verwag is).

Tydverspreiding in 'n hoëspoedvoertuig Die Hypersonic Technology Vehicle 2 (HTV-2) is 'n eksperimentele vuurpylvoertuig wat in staat is om teen 21.000 km / h (5830 m / s) te ry. As 'n elektroniese klok in die HTV-2 'n tydsinterval van presies 1 s duur, wat sal waarnemers op Aarde die tydsinterval meet?

Strategie Pas die formule vir tyddilatasie toe om die regte tydsinterval van die sein in HTV-2 in verband te bring met die tydinterval wat op die grond gemeet word.

  1. Identifiseer die kennis:
  2. Identifiseer die onbekende:
  3. Druk die antwoord as 'n vergelyking uit:

Betekenis Die baie hoë spoed van die HTV-2 is nog net 10 tot 5 keer die ligspoed. Relatiewe effekte vir die HTV-2 is vir byna alle doeleindes weglaatbaar, maar is nie nul nie.

Watter snelhede is relatief? Hoe vinnig moet 'n voertuig 1 sekonde van die tyd gemeet op 'n passasiershorlosie in die voertuig ry om met 1% te verskil vir 'n waarnemer wat dit van die grond af meet?

Strategie Gebruik die tydverwydingsformule om vas te stel v / c vir die gegewe verhouding van tye.

Betekenis Die resultaat toon dat 'n voorwerp teen ongeveer 10% van die ligsnelheid moet beweeg om sy beweging te lewer om beduidende relativistiese effekte vir tydverwyding te bewerkstellig.

Berekening Veronderstel 'n kosmiese straal wat met 'n kern in die boonste atmosfeer van die aarde bots, lewer 'n muon met 'n snelheid Die muon beweeg dan met konstante snelheid en leef 2,20 μs soos gemeet in die muon se verwysingsraamwerk. (U kan u dit voorstel as die interne klok van die muon.) Hoe lank leef die muon soos gemeet deur 'n aardgebonde waarnemer ((Figuur))?

Soos ons later sal bespreek, beweeg dit in die muon se verwysingsraamwerk 'n korter afstand as wat gemeet word in die Aarde se verwysingsraamwerk.

Strategie 'n Horlosie wat saam met die muon beweeg, meet die regte tyd van sy vervalproses, dus is die tyd wat ons gegee word Die aardgebonde waarnemer meet soos gegee deur die vergelyking Omdat die snelheid gegee word, kan ons die tyd in die Aarde se verwysingsraamwerk bereken.

  1. Identifiseer die kennis:
  2. Identifiseer die onbekende:
  3. Druk die antwoord as 'n vergelyking uit. Gebruik:

Betekenis Een implikasie van hierdie voorbeeld is dat omdat teen 95,0% van die ligspoed die relativistiese effekte is beduidend. Die twee tydsintervalle verskil met 'n faktor van 3.20, as dit klassiek dieselfde sal wees. Iets wat op 0,950 beweegc word gesê dat dit hoogs relativisties is.

Relativistiese televisie 'n Nie-plat skerm, televisiewyser van ouer styl ((figuur)) werk deur elektrone oor 'n kort afstand te versnel tot relativistiese spoed, en gebruik dan elektromagnetiese velde om te bepaal waar die elektronstraal 'n fluorescerende laag aan die voorkant van die buis. Gestel die elektrone beweeg by deur 'n afstand van vanaf die begin van die balk tot by die skerm. (a) Wat is die reistyd van 'n elektron in die rusraam van die televisiestel? (b) Wat is die elektron se reistyd in sy eie rusraam?

Strategie vir (a) (a) Bereken die tyd vanaf Alhoewel die snelheid relatief is, is die berekening heeltemal in een verwysingsraamwerk, en relatiwiteit is dus nie betrokke nie.

Betekenis Die reistyd is, soos verwag, uiters kort. Omdat die berekening heeltemal binne 'n enkele verwysingsraamwerk is, is relatiwiteit nie hierby betrokke nie, alhoewel die elektronsnelheid naby is c.

Strategie vir (b) (b) In die verwysingsraamwerk van die elektron beweeg die vakuumbuis en die elektron staan ​​stil. Die elektronemitterende katode verlaat die elektron en die voorkant van die vakuumbuis tref die elektron met die elektron op dieselfde plek. Daarom gebruik ons ​​die formule vir tydverwyding om die regte tyd in die elektronrusraam in verband te bring met die tyd in die televisieraam.

    Identifiseer die kennis (uit deel a):

Betekenis Die reistyd is korter in die elektronverwysingsraamwerk. Aangesien die probleem die tydsinterval moet meet wat in verskillende verwysingsraamwerke vir dieselfde proses gemeet word, is relatiwiteit daarby betrokke. As ons die tyd in die elektronrusraam sou probeer bereken deur die 0.200 m deur die snelheid te deel, sou die resultaat effens verkeerd wees as gevolg van die relativistiese snelheid van die elektron.

Kyk na u begrip Wat is as

Die tweelingparadoks

'N Interessante gevolg van tyddilatasie is dat 'n ruimtereisiger wat teen 'n hoë snelheid in verhouding tot die aarde beweeg, minder sal word as die ruimtevaarder se aardgebonde tweeling. Dit word dikwels die tweelingparadoks genoem. Stel jou voor die ruimtevaarder beweeg met so 'n snelheid dat soos in (Figuur). 'N Reis wat 2,00 jaar in haar raamwerk duur, duur 60,0 jaar in die raam van die aardgebonde tweeling. Gestel die ruimtevaarder reis 1,00 jaar na 'n ander sterstelsel, verken die gebied kort en reis dan 1,00 jaar terug. 'N Ruimtevaarder wat aan die begin van die reis 40 jaar oud was, sou 42 wees as die ruimteskip terugkeer. Alles op aarde sou egter 60,0 jaar oud geword het. Die aardgebonde tweeling, as hy nog lewe, sou 100 jaar oud wees.

Die situasie lyk anders as die ruimtevaarder in (Figuur). Omdat beweging relatief is, lyk dit asof die ruimteskip stilstaan ​​en dit lyk asof die aarde beweeg. (Dit is die gevoel wat jy het as jy in 'n straalvlieg vlieg.) As die ruimtevaarder deur die venster van die ruimteskip uitkyk, sou die tyd op die aarde met 'n faktor vertraag. Vanuit die ruimteskip sal die aardgebonde broer of suster slegs 2/30, oftewel 0,07, jaar oud wees, terwyl die ruimtevaarder 2,00 jaar oud sou wees.

Die paradoks hier is dat die twee tweelinge nie albei korrek kan wees nie. Soos met alle paradokse, kom teenstrydige gevolgtrekkings uit 'n valse uitgangspunt. In werklikheid verskil die ruimtevaarder se beweging aansienlik van dié van die aardgebonde tweeling. Die ruimtevaarder versnel tot 'n hoë snelheid en vertraag dan om die sterstelsel te sien. Om na die aarde terug te keer, versnel en vertraag sy weer. Die ruimtetuig is nie in een traagheidsraamwerk waarop die tydverwydingsformule direk toegepas kan word nie. Dit wil sê, die tweeling van die ruimtevaarder verander traagheidsverwysings. Die aardgebonde tweeling ervaar nie hierdie versnellings nie en bly in dieselfde traagheidsraamwerk. Die situasie is dus nie simmetries nie, en dit is verkeerd om te beweer dat die ruimtevaarder dieselfde gevolge as haar tweeling waarneem. Die gebrek aan simmetrie tussen die tweeling sal nog duideliker blyk as ons die reis later in hierdie hoofstuk ontleed aan die hand van die pad wat die ruimtevaarder deur vier-dimensionele ruimte-tyd volg.

In 1971 het die Amerikaanse fisici Joseph Hafele en Richard Keating tydverspreiding met lae relatiewe snelhede bevestig deur uiters akkurate atoomhorlosies met kommersiële vliegtuie regoor die wêreld te laat vlieg. Hulle het die verstreke tyd gemeet tot 'n akkuraatheid van 'n paar nanosekondes en dit vergelyk met die tyd wat gemeet word deur horlosies wat agterbly. Hafele en Keating se resultate was binne eksperimentele onsekerhede van die voorspellings van relatiwiteit. Daar moes rekening gehou word met spesiale en algemene relatiwiteit, omdat swaartekrag en versnellings sowel as relatiewe beweging betrokke was.

Kyk na u begrip a. 'N Deeltjie beweeg om en leef wanneer dit in rus is relatief tot 'n waarnemer. Hoe lank leef die deeltjie soos in die laboratorium gesien?

a.

b. Ruimtetuig A en B beweeg in teenoorgestelde rigtings teen 'n relatiewe snelheid van 'N Interne horlosie in ruimtetuie A veroorsaak dat dit 'n radiosein vir 1,00 s uitstraal. Die rekenaar in ruimtetuie B korrigeer vir die begin en einde van die sein wat verskillende afstande afgelê het, om die tydsinterval gedurende die skip te bereken A was besig om die sein uit te gee.Wat is die tydsinterval van die rekenaar in ruimtetuie? B bereken?

b. Slegs die relatiewe snelheid van die twee ruimtetuie is belangrik omdat daar geen absolute beweging deur die ruimte is nie. Die sein word vanaf 'n vaste plek in die verwysingsraamwerk van A, dus is die regte tydsinterval van die emissie daarvan Die tydsduur van die sein gemeet vanaf die verwysingsraamwerk B is dan

Opsomming

  • Twee gebeurtenisse word gelyktydig gedefinieer as 'n waarnemer dit tegelykertyd meet. Hulle is nie noodwendig gelyktydig vir alle waarnemers nie - gelyktydigheid is nie absoluut nie.
  • Tydsverruiming is die verlenging van die tydsinterval tussen twee gebeurtenisse as dit in 'n bewegende traagheidsraamwerk gesien word, eerder as die rusraamwerk van die gebeure (waarin die gebeure op dieselfde plek voorkom).
  • Waarnemers wat teen 'n relatiewe snelheid beweeg v meet nie dieselfde verstreke tyd tussen twee gebeure nie. Behoorlike tyd is die tyd wat gemeet word in die verwysingsraamwerk waar die begin en einde van die tydsinterval op dieselfde plek voorkom. Die tydsinterval gemeet deur 'n waarnemer wat die raamwerk van gebeure vinnig sien beweeg v hou verband met die regte tydsinterval van die gebeure deur die vergelyking:

Konseptuele vrae

(a) Beïnvloed beweging die tempo van 'n horlosie soos gemeet deur 'n waarnemer wat daarmee beweeg? (b) beïnvloed beweging hoe 'n waarnemer teenoor 'n horlosie beweeg, sy tempo meet?

Vir wie lyk die verstreke tyd vir 'n proses langer, 'n waarnemer beweeg relatief tot die proses of 'n waarnemer wat saam met die proses beweeg? Watter waarnemer meet die interval van die regte tyd?

Die waarnemer wat met die proses beweeg, sien sy tydsinterval, wat die kortste is wat enige waarnemer sien.

(a) Hoe sou u ver in die toekoms van die aarde kon reis sonder om beduidend ouer te word? (b) Kan hierdie metode u ook toelaat om die verlede in te reis?

Probleme

(a) Wat is as (b) As

(a) Wat is as (b) As

Deeltjies genoem -mesone word vervaardig deur versnellingsbalke. As hierdie deeltjies by beweeg en leef wanneer hulle in rus is relatief tot 'n waarnemer, hoe lank leef hulle soos in die laboratorium gesien?

Gestel 'n deeltjie wat 'n kaon genoem word, word geskep deur kosmiese straling wat die atmosfeer tref. Dit beweeg deur jou by en dit leef in rus relatief tot 'n waarnemer. Hoe lank leef dit as u dit waarneem?

'N Neutrale -meson is 'n deeltjie wat deur versnellingsbalke geskep kan word. As so 'n deeltjie leef soos gemeet in die laboratorium, en wanneer rus in verhouding tot 'n waarnemer, wat is sy snelheid in vergelyking met die laboratorium?

'N Neutron leef 900 s in rus in verhouding tot 'n waarnemer. Hoe vinnig beweeg die neutron relatief tot 'n waarnemer wat sy lewensduur tot 2065 s meet?

As relatiewe effekte minder as 1% moet wees, dan moet minder as 1.01 wees. Teen watter relatiewe snelheid is

As relativistiese effekte minder as 3% moet wees, dan moet minder as 1.03 wees. Teen watter relatiewe snelheid is

Woordelys

regte tyd is die tydsinterval wat gemeet word deur 'n waarnemer wat die begin en einde van die proses sien dat die tydsintervalmetings op dieselfde plek plaasvind tydsverlenging verlenging van die tydsinterval tussen twee gebeurtenisse in 'n bewegende traagheidsraamwerk eerder as die die gebeure (waarin die gebeure op dieselfde plek plaasvind)

Hoe werk swaartekrag?

Elke keer as u spring, ervaar u swaartekrag. Dit trek jou weer af grond toe. Sonder swaartekrag sweef jy die atmosfeer in - saam met al die ander materie op aarde.

U sien swaartekrag aan die werk wanneer u 'n boek laat val, op 'n skaal trap of 'n bal in die lug gooi. Dit is so 'n konstante teenwoordigheid in ons lewens, ons verwonder ons selde oor die raaisel daarvan - maar selfs met verskeie teorieë wat goed ontvang is en probeer verklaar waarom 'n boek op die grond val (en in dieselfde tempo as 'n klippie of bank, daarby), dit is nog steeds net teorieë. Die raaisel van swaartekrag se aantrekkingskrag is redelik ongeskonde.

Wat weet ons dan van swaartekrag? Ons weet dat dit veroorsaak dat enige twee voorwerpe in die heelal na mekaar toe getrek word. Ons weet dat swaartekrag gehelp het om die heelal te vorm, dat dit die maan in 'n wentelbaan om die Aarde hou en dat dit ingespan kan word vir alledaagse toepassings, soos swaartekrag-aangedrewe motors of swaartekrag-aangedrewe lampe.

Wat die wetenskap agter die aksie betref, weet ons dat Isaac Newton swaartekrag as 'n krag gedefinieer het - een wat alle voorwerpe na alle ander voorwerpe lok. Ons weet dat Albert Einstein gesê het dat swaartekrag die gevolg is van die kromming van ruimtetyd. Hierdie twee teorieë is die mees algemene (of ietwat onvolledige) verklarings oor swaartekrag.

In hierdie artikel gaan ons kyk na Newton se swaartekragteorie, Einstein se swaartekragteorie, en ook 'n meer onlangse siening van die verskynsel.

Alhoewel baie mense al opgemerk het dat swaartekrag bestaan, was Newton die eerste om 'n samehangende verklaring vir swaartekrag te ontwikkel, so ons sal daar begin.

In die 1600's sit 'n Engelse fisikus en wiskundige met die naam Isaac Newton onder 'n appelboom - of so vertel die legende ons. Daar het blykbaar 'n appel op sy kop geval en hy het begin wonder waarom die appel in die eerste plek na die grond toe aangetrek is.

Newton het in die 1680's sy Theory of Universal Gravitation bekend gemaak. Dit het basies die idee uiteengesit dat swaartekrag 'n voorspelbare krag was wat op alle materie in die heelal inwerk, en dat dit 'n funksie van massa en afstand is. Die teorie stel dat elke stofdeeltjie elke ander deeltjie aantrek (byvoorbeeld die deeltjies van & quotEarth & quot en die deeltjies van & quotyou & quot) met 'n krag wat direk eweredig is aan die produk van hul massas en omgekeerd eweredig aan die kwadraat van die afstand tussen hulle .

Hoe verder die deeltjies uitmekaar is, en / of hoe minder massief die deeltjies is, hoe minder is die swaartekrag.

Die standaardformule vir die gravitasiewet lui [bron: UT]:

Gravitasiekrag = (G * m1 * m2) / (d2)

Gravitasiekrag = (G * m1 * m2) / (d 2 )

waar G is die gravitasiekonstante, m1 en m2 is die massas van die twee voorwerpe waarvoor u die krag bereken, en d is die afstand tussen die swaartepunte van die twee massas.

G het die waarde van 6,67 x 10E-8 dyne * cm 2 / gm 2. As u dus twee 1-gram-voorwerpe van 1 sentimeter van mekaar af plaas, trek hulle mekaar met die krag van 6,67 x 10E-8 dyne. A dyne is gelyk aan ongeveer 0,001 gram gewig, wat beteken dat as u 'n kleurskyf beskikbaar het, dit 0,001 gram in die Aarde se swaartekragveld kan lig. Dus is 6,67 x 10E-8 dyne 'n minimale krag.

As u egter met massiewe liggame soos die aarde, met 'n massa van 6E + 24 kilogram, te make het (sien Hoeveel weeg die planeet Aarde?), Dra dit by tot 'n taamlike kragtige gravitasiekrag. Daarom sweef jy nie nou in die ruimte rond nie.

Die swaartekrag wat op 'n voorwerp inwerk, is ook die gewig van die voorwerp. As u op 'n skaal trap, lees die skaal hoeveel swaartekrag op u liggaam inwerk. Die formule om gewig te bepaal is [bron: Kurtus]:

waar m is 'n voorwerp se massa, en g is die versnelling as gevolg van swaartekrag. Versnelling as gevolg van swaartekrag op aarde is 9,8 m / s² - dit verander nooit, ongeag die massa van 'n voorwerp. Daarom sou u dieselfde tyd die grond tref as u 'n klippie, 'n boek en 'n bank van 'n dak sou laat val.

Newton se swaartekragteorie het honderde jare amper alleen gestaan ​​in die wetenskaplike gemeenskap. Dit het in die vroeë 1900's verander.


Versnelling en snelheid

Newton se tweede wet sê dat wanneer 'n konstante krag op 'n massiewe liggaam inwerk, dit veroorsaak dat dit versnel, dit wil sê om sy snelheid teen 'n konstante tempo te verander. In die eenvoudigste geval laat 'n krag wat op 'n voorwerp rus toe, dit in die rigting van die krag versnel. As die voorwerp egter reeds in beweging is, of as hierdie situasie vanuit 'n bewegende traagheidsverwysingsraam beskou word, kan dit lyk asof die liggaam van rigting versnel, vertraag of verander, afhangende van die rigting van die krag en die rigting wat die voorwerp is. en verwysingsraamwerk beweeg relatief tot mekaar.

Die vet letters F en a dui in die vergelyking aan dat krag en versnelling is vektor hoeveelhede, wat beteken dat hulle beide die grootte en rigting het. Die krag kan 'n enkele krag wees, of dit kan die kombinasie van meer as een krag wees. In hierdie geval skryf ons die vergelyking as & somF = ma

Die groot & Sigma (die Griekse letter sigma) stel die vektorsom van al die kragte, of die netto krag, wat op 'n liggaam inwerk.

Dit is moeilik om te dink dat u 'n konstante krag vir 'n onbepaalde tyd op 'n liggaam toepas. In die meeste gevalle kan kragte slegs vir 'n beperkte tyd toegepas word, wat produseer wat genoem word impuls. Vir 'n massiewe liggaam wat in 'n traagheidsverwysingsraam beweeg sonder dat enige ander kragte soos wrywing daarop inwerk, sal 'n sekere impuls 'n sekere verandering in sy snelheid veroorsaak. Die liggaam kan versnel, vertraag of van rigting verander, waarna die liggaam teen 'n nuwe konstante snelheid sal beweeg (tensy die impuls natuurlik die liggaam laat stop).

Daar is egter een situasie waarin ons 'n konstante krag teëkom en die krag mdash as gevolg van gravitasieversnelling, wat veroorsaak dat massiewe liggame 'n afwaartse krag op die Aarde uitoefen. In hierdie geval word die konstante versnelling as gevolg van swaartekrag geskryf as g, en Newton se tweede wet word F = mg. Let op dat F en in hierdie geval g word nie gewoonlik as vektore geskryf nie, want hulle wys altyd in dieselfde rigting, af.

Die produk van massa keer gravitasieversnelling, mg, staan ​​bekend as gewig, wat net 'n ander soort krag is. Sonder swaartekrag het 'n massiewe liggaam geen gewig nie, en sonder 'n massiewe liggaam kan swaartekrag nie 'n krag voortbring nie. Om swaartekrag te oorkom en 'n massiewe liggaam te lig, moet u 'n opwaartse krag produseer ma dit is groter as die afwaartse swaartekrag mg.


5 Antwoorde 5

Opgedateer 07.11

Ons kan die model kies om die probleem te bespreek, en laat ons dus kies:

Model: Newtonse meganika / Newtoniaanse swaartekrag, met die heelal gevul met eenvormige digte materie, wat slegs gravitasie interaksie het (in die kosmologie word dit 'stofstof' genoem), en op die eerste tydstip van ons ruimteskip rus al hierdie sake in rus.

Daarom moet my ruimteskip begin versnel na ×. Deur die sfeer groot genoeg te kies, sou ek dit vinnig willekeurig kon laat versnel, en deur die plek van × te kies, kan ek dit in enige rigting laat versnel.

Dit werk natuurlik nie, maar waarom ?.

Dit werk wel. As ons aanneem dat die ruimteskip aanvanklik in rus was saam met die hele heelal, sal dit die tydstip × bereik wat nodig is vir die skip om te val in 'n puntmassa gelyk aan die massa van die pienk bol.

Die probleem is dat teen daardie tyd ook al die pienk sfeer na dieselfde punt val, net soos alle ander gekleurde sfere en die res van die heelal. As ons ruimtevaarder sy afstand na die punt × kontroleer voordat die ruimteskip daarin val, sou sy sien dat hierdie afstand afgeneem het, maar terselfdertyd as sy haar omgewing nagaan, sou sy sien dat die ruimteskip omring word deur presies dieselfde materie deeltjies net toe die reis begin het, is hulle nader aan mekaar en aan die ruimteskip. Hierdie sametrekking op afstand is bloot 'n Newtonse weergawe van die Big Crunch-gebeurtenis.

As die heelal gevul is met materie wat slegs swaartekrag inwerk, en ons aanvaar dat die digtheid van materie in die hele heelal uniform sal bly, dan is die enigste gevolgtrekking dat so 'n heelal nie staties is nie. Dit het óf (Newtoniaanse weergawe van) Big Bang in sy verlede óf Big Crunch in sy toekoms (of in ons model, aangesien ons die aanvanklike oomblik as 'n keerpunt van uitbreiding na inkrimping gekies het, het dit albei).

Dit mag lyk asof die hele heelal wat na ons gekose punt val × 'n absurditeit is, aangesien ons hierdie punt willekeurig gekies het. Maar in hierdie situasie is daar geen paradoks, is die versnelling van alle materie na hierdie punt toe te skryf aan die feit dat daar in ons opset geen "absolute ruimte", geen stel buite stilstaande traagheidswaarnemers wat ons kan gee absolute versnellings, in plaas daarvan kan ons slegs 'n verwysingspunt × kies (of eerder 'n waarnemer op hierdie punt en in rus ten opsigte van die omliggende materie spesifiseer) en bereken relatiewe versnellings na hierdie punt.

Onthou dat die eerste beginsel van Newtonse meganika dit bepaal elke deeltjie gaan voort in sy toestand van rus of eenvormige beweging in 'n reguit lyn, tensy dit deur een of ander buitekrag ingewerk word. Vir 'n geïsoleerde stelsel, byvoorbeeld die versameling van graviterende voorwerpe met 'n eindige totale massa, kan ons (ten minste in beginsel) 'n waarnemer in rus stel so ver weg dat dit as 'n traagheidsvoorwerp beskou kan word. Dit stel ons in staat om 'n verwysingsraamwerk te definieer waaraan ons versnellings sou meet. Maar in ons kosmologiese Newtonse materie vul die hele heelal, daar is geen waarnemer waarop swaartekrag nie werk nie, en daar is dus geen stel verwysingsraamwerke wat deur waarnemers gedefinieer word nie, "op die oneindige", slegs waarnemers binne die materiaalkonsentrasies wat deur die gravitasie beïnvloed word. magte.

Alhoewel daar geen absolute versnellings is nie, is die relatiewe posisies ($ mathbf_(t) = mathbf_A (t) - mathbf_B (t) $ tussen voorwerpe $ A $ en $ B $ wat oor die materie van die heelal kom) het wel 'n betekenis onafhanklik van die keuse van verwysingspunt. Hierdie relatiewe posisies, relatiewe snelhede ($ dot < mathbf>_$), relatiewe versnellings, ens. vorm die versameling van ondubbelsinnig gedefinieerde groothede wat meetbaar is in ons heelal.

dan vertel my intuïsie my dat ek net 'n voldoende statiese heelal kan kies.

Hierdie intuïsie is verkeerd, as daar 'n swaartekrag is wat u ruimteskip na × sal versnel, dan sal dit ook op 'n nabygeleë saak werk (noem dit stofdeeltjies of planete of sterre) wat dieselfde versnelling lewer, sodat die hele heelal val na ×.

Nota oor die Newtonse kosmologie dit mag lyk asof die Newtonse gravitasieteorie nie geskik is om homogene ruimtelike oneindige verspreidings van materie te hanteer nie. Maar 'n mens kan probeer om die fisika van die situasie van die tekortkominge in bepaalde formalisme te skei en dit moontlik te oorkom. As motivering kan ons daarop let dat ons heelal oor groot, kosmologiese afstande tot 'n hoë mate van akkuraatheid as ruimtelik plat beskou kan word, en dat die snelhede van die mees massiewe voorwerpe in verhouding tot mekaar en die raamwerk van CMB baie klein is in vergelyking met die snelheid van lig, wat beteken dat die Newtonse benadering geskik kan wees. Alhoewel ons weet dat algemene relatiwiteit 'n beter beskrywing van die gravitasie bied, is die Newtonse swaartekrag berekeningsmatig en konseptueel baie eenvoudiger. Dit dui daarop dat dit die moeite werd is om probleme op te los wat u teëkom terwyl u kosmologiese oplossings van Newtonse swaartekrag probeer formaliseer.

Die natuurlikste benadering is om Newtonse swaartekrag te "meet" en in plaas van "krag" dit te beskou as 'n deel van meetkunde, dinamiese verband wat swaartekrag en traagheid voorstel. Dit word gedoen binne die raamwerk van die Newton – Cartan-teorie.

As 'n meer gedetailleerde verwysing, met die klem op kosmologie, sien u hierdie artikel (kennis van algemene relatiwiteit is nodig):

Die teorie van Newton – Cartan beklemtoon konseptuele ooreenkomste tussen Newtoniaanse swaartekrag en algemene relatiwiteit, met die Galilei-groep wat die Lorentz-groep van GR vervang. Die algemene benadering is koördinaatvry en is nou verwant aan die masjinerie van algemene relatiwiteit, maar 'n spesifieke keuse van plaaslike Galilei-koördinate sal die gewone vergelykings vir versnelling lewer ($ mathop < mathrm

> mathbf = - 4 pi rho $), met gravitasieversnelling wat nou deel uitmaak van die Newtonse verbinding. Homogene en isotrope kosmologiese oplossings is 'n reguit lig van FLRW-kosmologieë.

Terwyl vergelykings dieselfde is, kan ons al 'n paar konseptuele vrae beantwoord.

Aangesien gravitasieversnelling deel uitmaak van die verband, is daar geen rede om te verwag dat dit 'n 'absolute' voorwerp sal wees nie. Daar is maatveranderings wat dit sou verander. Ons kan verskeie kaarte hê waarop ons die fisika definieer met die normaal gedefinieerde oorgangskaarte tussen.

Ons kan 'n gesluit FRW kosmologie, die "ruimte" hoef nie 'n Euklidiese ruimte te wees nie, dit kan torus $ T_3 $ wees (veldvergelykings vereis dat die ruimte plaaslik plat is). Aangesien die ruimtelike volume van 'n geslote heelal wissel en geneig is tot nul wanneer die heelal die Big Crunch nader, beweer dit dat nie net materie nie, maar die ruimte self in duie stort tydens die Big Crunch (om een ​​van die opmerkings te beantwoord).

Dit is heel eenvoudig om die kosmologiese konstante / donker energie in te sluit en sodoende die modelle meer realisties te maak.

Nota oor antwoord deur gebruiker105620: As ons 'n reguleringsprosedure formuleer deur 'n vensterfunksie $ W ( epsilon, x_0) $ in te voer, sal dit potensiaal goed gedra word. Dit bied ons 'n ander manier om probleme van ons kosmologiese model te "regmaak". Die versnelling van ons ruimteskip wat met hierdie regulering bereken word, hang inderdaad af van die keuse van $ x_0 $ in die limiet $ epsilon tot 0 $, wat die gevolg is van dieselfde vryheid om die verwysingspunt × te kies. Maar hy / sy moes net nie daar gestop het nie. Afwykings wat die gebruik van reguleerders vereis en onduidelikhede wat na regulering oorbly, is baie normale kenmerke in die ontwikkeling van fisiese modelle. Die volgende stap is om die fisies betekenisvolle hoeveelhede te identifiseer en te kontroleer of dit onafhanklik is van die artefakte van die reguleerder. In ons geval is daar geen potensiële $ Phi $ of gravitasieversnelling $ mathbf nie$ is direk waarneembaar in hierdie model. Relatiewe posisies, relatiewe snelhede en relatiewe versnellings is waarneembaar en dit word onafhanklik van die reguleerderparameter $ x_0 $.


Donker energie: die grootste raaisel in die heelal

Twee navorsers het die afgelope vier jaar, sewe dae per week, van Februarie tot November, twee navorsers hulself geklee met termiese onderklere en buiteklere, met fleece, flanel, dubbele handskoene, dubbele sokkies, opgestopte oorpakke en opgeblase rooi parkas en hulself gemummifiseer totdat hulle soos tweeling Michelin Men lyk. Dan stap hulle na buite en verruil die warmte en moderne geriewe van 'n wetenskapstasie (foosball, fiksheidsentrum, 24-uur kafeteria) vir 'n min-100 grade Fahrenheit-kenmerkende landskap, platter as Kansas en een van die koudste plekke op die planeet.Hulle troef byna 'n kilometer in die duisternis oor 'n plato van sneeu en ys, totdat hulle op die agtergrond van meer sterre onderskei as wat enige waarnemer in die agterplaas ooit gesien het, die silhoeët van die reuse-skyf van die Suidpoolteleskoop. , waar hulle deelneem aan 'n wêreldwye poging om die grootste raaisel in die heelal op te los: waarvan die grootste deel gemaak is.

Verwante inhoud

Ons spesies bestudeer al duisende jare die naghemel en wonder of daar iets anders is. Verlede jaar het ons die 400-jarige bestaan ​​van Galileo se antwoord gevier: Ja. Galileo het 'n nuwe instrument, die teleskoop, op die hemel opgelei en voorwerpe gesien wat niemand nog ooit gesien het nie: honderde sterre, berge op die maan, satelliete van Jupiter. Sedertdien het ons meer as 400 planete gevind rondom ander sterre, 100 miljard sterre in ons sterrestelsel, honderde miljarde sterrestelsels buite ons eie, selfs die flou straling wat die weerklank van die oerknal is.

Nou dink wetenskaplikes dat selfs hierdie uitspattige sensus van die heelal net so verouderd kan wees as die vyf-planeet-kosmos wat Galileo van die ou mense geërf het. Sterrekundiges het bewyse saamgestel dat wat ons altyd as die werklike heelal beskou het, jy, hierdie tydskrif, planete, sterre, sterrestelsels, al die aangeleenthede in die ruimte & # 8212 'n skamele 4 persent van wat daar is. Die res noem hulle, by gebrek aan 'n beter woord, donker: 23 persent is iets wat hulle donker materie noem, en 73 persent is iets selfs misterieus, wat hulle donker energie noem.

& # 8220Ons het 'n volledige inventaris van die heelal, het Sean Carroll, 'n kosmoloog van die Kaliforniese Instituut vir Tegnologie, gesê, en dit maak geen sin nie. & # 8221

Wetenskaplikes het 'n paar idees oor donker materie en eksotiese en steeds hipotetiese deeltjies, maar hulle het skaars 'n idee oor donker energie. In 2003 noem die Nasionale Navorsingsraad & # 8220What Is the Nature of Dark Energy? & # 8221 as een van die dringendste wetenskaplike probleme in die komende dekades. Die hoof van die komitee wat die verslag geskryf het, die kosmoloog van die Universiteit van Chicago, Michael S. Turner, gaan verder en beskou donker energie as die diepste raaisel in die hele wetenskap. & # 8221

Die poging om dit op te los, het 'n generasie sterrekundiges gemobiliseer om die fisika en kosmologie te heroorweeg om die revolusie wat Galileo op 'n herfsaand in Padua ingewy het, te oortref en miskien te oortref. Hulle kom tot 'n diep ironie: dit is die sig self wat ons verblind het vir byna die hele heelal. En die erkenning van hierdie blindheid het ons weer geïnspireer om asof vir die eerste keer te vra: Wat is hierdie kosmos wat ons die huis noem?

Wetenskaplikes het in die sewentigerjare 'n konsensus bereik dat daar meer in die heelal is as wat die oog gesien word. In rekenaarsimulasies van ons melkweg, die Melkweg, het teoretici gevind dat die sentrum nie sal hou nie & # 8212 gebaseer is op wat ons daarvan kan sien, ons sterrestelsel het nie genoeg massa om alles op sy plek te hou nie. As dit draai, moet dit verbrokkel en sterre en gas in alle rigtings vergiet. Of 'n spiraalagtige sterrestelsel soos die Melkweg oortree die swaartekragwette, of die lig wat daaruit voortspruit & # 8212 uit die groot gloeiende gaswolke en die magdom sterre & # 8212 is 'n onakkurate aanduiding van die sterrestelsel se massa.

Maar wat as 'n gedeelte van 'n sterrestelsel en die massa nie lig uitstraal nie? As spiraalstelsels genoeg van so 'n raaiselagtige massa bevat, kan dit wees dat hulle die swaartekragwette gehoorsaam. Sterrekundiges noem die onsigbare massa & # 8220donker saak. & # 8221

& # 8220Niemand het ons ooit vertel dat alle materie uitstraal nie, & # 8221; Vera Rubin, 'n sterrekundige wie se waarneming van sterrestelsels bewyse lewer vir donker materie, het gesê. & # 8220Ons het net aangeneem dat dit wel so was. & # 8221

Die poging om donker materie te verstaan, het die volgende twee dekades baie van die sterrekunde gedefinieer. Sterrekundiges weet miskien nie wat donker materie is nie, maar om die teenwoordigheid daarvan af te lei, kon hulle op 'n nuwe manier 'n ewige vraag nastreef: wat is die lot van die heelal?

Hulle het reeds geweet dat die heelal besig is om uit te brei. In 1929 het die sterrekundige Edwin Hubble ontdek dat sterrestelsels in die verte van ons af wegbeweeg en dat hoe vinniger dit lyk asof hulle verder afneem.

Dit was 'n radikale idee. In plaas van die statige, ewig onveranderlike stillewe wat die heelal eens voorgekom het, het dit in die tyd geleef, soos 'n film. Spoel die film van die uitbreiding terug en die heelal sal uiteindelik 'n toestand van oneindige digtheid en energie bereik & # 8212 wat sterrekundiges die oerknal noem. Maar sê nou jy slaan vinnig vorentoe? Hoe sou die verhaal eindig?

Die heelal is vol materie, en materie lok ander materie deur swaartekrag. Sterrekundiges het geredeneer dat die onderlinge aantrekking tussen al die materie die uitbreiding van die heelal moet vertraag. Maar hulle het nie geweet wat die uiteindelike uitkoms sou wees nie. Sou die swaartekrag-effek so kragtig wees dat die heelal uiteindelik 'n sekere afstand sou strek, stop en homself omkeer, soos 'n bal in die lug gegooi? Of sou dit so gering wees dat die heelal sy greep sou ontsnap en nooit sou ophou uitbrei nie, soos 'n vuurpyl wat die Aarde en die atmosfeer verlaat? Of het ons in 'n uiters gebalanseerde heelal gewoon, waarin swaartekrag 'n uitbreidingstempo van Gouelokkies verseker, nie te vinnig of te stadig nie & # 8212 sodat die heelal uiteindelik tot stilstand sou kom?

Uit die veronderstelling dat daar donker materie bestaan ​​en dat die gravitasiewet universeel is, het twee spanne astrofisici en onder leiding van Saul Perlmutter by die Lawrence Berkeley National Laboratory, die ander deur Brian Schmidt, aan die Australiese Nasionale Universiteit 'n besluit geneem om die toekoms te bepaal van die heelal. Gedurende die negentigerjare het die mededingende spanne 'n aantal ontploffende sterre of supernovas noukeurig ontleed deur gebruik te maak van die ongewone helder, kortstondige verafgeleë voorwerpe om die groei van die heelal te meet. Hulle het geweet hoe helder die supernovas was moet verskyn op verskillende punte regoor die heelal as die uitbreidingstempo eenvormig was. Deur te vergelyk hoeveel helderder die supernovas eintlik is gedoen verskyn, het sterrekundiges gedink dat hulle kon bepaal hoeveel die uitbreiding van die heelal vertraag. Maar tot die sterrekundiges & # 8217; verbaas, toe hulle so half as die heelal kyk, ses of sewe miljard ligjare weg, het hulle gevind dat die supernovas nie helderder was nie en daarom nader & # 8212 as wat ons verwag het. Hulle was dowwer en dit is meer verwyderd. Die twee spanne het tot die gevolgtrekking gekom dat die uitbreiding van die heelal nie vertraag nie. Dit versnel.

Die implikasie van daardie ontdekking was belangrik: & # 8200 dit het beteken dat die dominante krag in die evolusie van die heelal nie swaartekrag is nie. Dit is. iets anders. Albei spanne het hul bevindings in 1998 bekend gemaak. Turner het die & # 8220something & # 8221 die bynaam gegee: donker energie. Dit sit vas. Sedertdien het sterrekundiges die raaisel van donker energie na die uithoeke van die aarde nagestreef & # 8212 letterlik.

& # 8220Die Suidpool het die moeilikste omgewing op aarde, maar ook die mees goedaardige, & # 8221 sê William Holzapfel, 'n astrofisikus aan die Universiteit van Kalifornië in Berkeley, wat die hoofnavorser by die South Pole Telescope (SPT) was toe ek besoek.

Hy het nie na die weer verwys nie, maar in die week tussen Kersfees en Nuwejaarsdag & # 8212 vroeë somer op die Suidelike Halfrond & # 8212, het die son 24 uur per dag geskyn, die temperatuur was skaars in die minus enkele syfers (en een dag selfs het nul gebreek), en die wind was meestal stil. Holzapfel het die wandeling gemaak vanaf die National Science Foundation & # 8217s Amundsen-Scott South Pole Station ('n sneeubal & # 8217; s gooi vanaf die tradisionele terrein van die paal self, wat gemerk is met, ja, 'n paal) na die teleskoop met jeans en hardloopskoene aan. . Een middag het die teleskoop en die laboratoriumgebou so warm geword dat die bemanning 'n deur oopgemaak het.

Maar vanuit 'n sterrekundige perspektief, nie totdat die son ondergaan en onder bly nie & # 8212 Maart tot September & # 8212 kry die Suidpool & # 8220 goedaard. & # 8221

& # 8220Dit is ses maande van ononderbroke data, & # 8221 sê Holzapfel. Gedurende die 24 uur-donkerte van die Australiese herfs en winter werk die teleskoop ononderbroke onder onberispelike toestande vir sterrekunde. Die atmosfeer is dun (die paal is meer as 9 300 voet bo seespieël, waarvan 9 000 ys is). Die atmosfeer is ook stabiel as gevolg van die afwesigheid van die verwarmings- en verkoelingseffekte van 'n opkomende en ondergaande Son, het die pool van die rustigste winde op aarde, en hulle waai byna altyd uit dieselfde rigting.

Die belangrikste vir die teleskoop: die lug is tegnies buitengewoon droog, Antarktika is 'n woestyn. (Gebreekte hande kan weke neem om te genees, en sweet is nie regtig 'n higiëniese probleem nie, dus is die beperking tot twee storte per week om water te bespaar nie 'n groot probleem nie. Soos een paalveteraan my vertel het, & # 8220Die oomblik dat jy gaan terug deur die doeane in Christchurch [Nieu-Seeland], dit is wanneer jy gaan stort. & # 8221) Die SPT ontdek mikrogolwe, 'n deel van die elektromagnetiese spektrum wat besonder gevoelig is vir waterdamp. Vogte lug kan mikrogolwe absorbeer en verhoed dat hulle die teleskoop bereik, en vog gee sy eie straling uit, wat verkeerd gelees kan word as kosmiese seine.

Om hierdie probleme te verminder, het sterrekundiges wat mikrogolwe en submillimetergolwe ontleed die Suidpool 'n tweede tuiste gemaak. Hul instrumente is in die donker sektor, 'n hegte groep geboue waar lig en ander bronne van elektromagnetiese straling tot die minimum beperk word. (In die omgewing is die stil sektor vir seismologiese navorsing en die skoon lug sektor vir klimaatprojekte.)

Sterrekundiges wil graag sê dat hulle vir meer ongerepte waarnemingstoestande die buitenste ruim moet ingaan en 'n eksponensieel duurder aanbod, en een wat die NASA & # 8200 oor die algemeen nie wil nastreef nie, tensy die wetenskap maklik op aarde gedoen kan word. ('N Donker energiesatelliet is sedert 1999 aan en uit die tekenbord, en verlede jaar het & # 8220 teruggegaan na vierkant een, & # 8221 volgens een NASA-adviseur.) Ten minste op aarde, as iets verkeerd gaan met 'n instrument, jy hoef nie 'n ruimtetuig op te stel om dit reg te stel nie.

Die Verenigde State het sedert 1956 'n jaarlikse teenwoordigheid aan die paal behou, en nou het die Amerikaanse wetenskapstigting en die Amerikaanse Antarktiese program die lewe tot 'n wetenskap gekry. Tot 2008 was die stasie in 'n geodetiese koepel gehuisves waarvan die kroon steeds bo die sneeu sigbaar is. Die nuwe basisstasie lyk op 'n klein cruiseskip meer as 'n afgeleë buitepos en het slaapplek vir meer as 150, alles in privaat kwartiere. Deur die patrijspoortjies wat die twee verdiepings omlyn, kan u 'n horison so hipnoties vlak bedink soos enige oseaan & # 8217; s. Die nuwe stasie rus op hysbakke wat, soos sneeu ophoop, dit toelaat om twee volledige verhale op te hef.

Die sneeuval in hierdie ultra-droë streek is miskien minimaal, maar dit wat van die vasteland se rande inwaai, kan nog steeds 'n warboel maak, wat een van die meer alledaagse take vir die SPT se winter-bemanning skep. Een keer per week gedurende die donker maande, wanneer die stasiepopulasie verminder tot ongeveer 50, moet die twee SPT & # 8200-navorsers op die perseel in die teleskoop klim en die mikrogolfbak van 33 voet breed en skoon vee. Die teleskoop versamel data en stuur dit na die lessenaars van verre navorsers. Die twee & # 8220winter-overs & # 8221 bestee hul dae ook aan die data en ontleed dit asof hulle weer tuis is. Maar as die teleskoop 'n fout raak en 'n alarm op hul skootrekenaars klink, moet hulle uitvind wat die probleem is & # 8212 vinnig.

& # 8220Een uur stilstand is duisende dollars van verlore waarnemingstyd, & # 8221 & # 8200 sê Keith Vanderlinde, een van die twee winteroorloë uit 2008. & # 8220Daar is altyd klein dingetjies. 'N Waaier breek omdat dit so droog is dat al die smering verdwyn. En dan sal die rekenaar oorverhit en homself afskakel, en skielik is ons onder en ons het geen idee hoekom nie. & # 8221 Op daardie stadium lyk die omgewing miskien nie so nie & # 8220benign & # 8221. Geen vlugte gaan van of tot die Suidpool van Maart tot Oktober nie ('n vliegtuig se enjinolie sal gelatineer), dus as die winter-overs nie alles wat stukkend is, kan regmaak nie, bly dit stukkend & # 8212 wat nog nie gebeur het nie.

Sterrekunde is meer as die meeste wetenskappe afhanklik van die sigsintuig voordat sterrekundiges die heelal in sy geheel kan voorstel, hulle moet eers uitvind hoe om die donker dele waar te neem. Om te weet wat donker materie is, sal wetenskaplikes help om na te dink oor hoe die struktuur van die heelal vorm. Om te weet wat donker energie doen, sal wetenskaplikes help om na te dink oor hoe die struktuur met verloop van tyd ontwikkel het en hoe dit sal bly ontwikkel.

Wetenskaplikes het 'n paar kandidate vir die samestelling van donker materie en hipotetiese deeltjies wat neutralino's en aksies genoem word. Vir donker energie is die uitdaging egter om nie uit te vind wat dit is nie, maar hoe dit & # 8217s like. In die besonder wil sterrekundiges weet of donker energie oor ruimte en tyd verander, of dit konstant is. Een manier om dit te bestudeer, is om sogenaamde baryon-akoestiese ossillasies te meet. Toe die heelal nog net in die kinderskoene was, slegs 379,000 jaar oud, het dit genoegsaam afgekoel sodat barione (deeltjies gemaak van protone en neutrone) van fotone (pakkies lig) kon skei. Hierdie skeiding het 'n afdruk agtergelaat & # 8212 het die kosmiese mikrogolf-agtergrond genoem & # 8212 wat vandag nog opgespoor kan word. Dit bevat klankgolwe (& # 8220akoestiese ossillasies & # 8221) wat deur die baba-heelal gedraai het. Die pieke van die ossillasies stel streke voor wat effens digter was as die res van die heelal. En omdat materie materie deur swaartekrag aantrek, het die streke al hoe digter geword namate die heelal verouder, en hulle het eers saamgevoeg tot sterrestelsels en dan tot trosse sterrestelsels. As sterrekundiges die oorspronklike kosmiese mikrogolf-agtergrond-ossillasies vergelyk met die verspreiding van sterrestelsels in verskillende stadiums van die heelal se geskiedenis, kan hulle die tempo van die uitbreiding van die heelal meet.

'N Ander benadering om donker energie te definieer, is 'n metode genaamd gravitasie-lens. Volgens Albert Einstein se teorie van algemene relatiwiteit blyk dit dat 'n ligstraal wat deur die ruimte beweeg, buig vanweë die swaartekrag van materie. (Eintlik is dit die ruimte self wat buig, en lig gaan net saam vir die rit.) As twee sterrestelsels langs 'n enkele siglyn lê, sal die voorgrondgroep as 'n lens dien wat die lig van die agtergrondgroep verwring. . Hierdie vervorming kan sterrekundiges die massa van die voorgrondgroep vertel. Deur miljoene sterrestelsels in verskillende dele van die heelal te steek, moet sterrekundiges die tempo kan skat waarteen sterrestelsels met verloop van tyd in groepe saamgevloei het, en daardie tempo sal op hul beurt hulle vertel hoe vinnig die heelal op verskillende punte in sy geskiedenis uitgebrei het.

Die Suidpoolteleskoop gebruik 'n derde tegniek, genaamd die Sunyaev-Zel & # 8217dovich-effek, genoem na twee Sowjet-fisici, wat gebruik maak van die kosmiese mikrogolfagtergrond. As 'n foton uit laasgenoemde met warm gas in 'n groep in wisselwerking tree, ervaar dit 'n effense toename in energie. Deur hierdie energie op te spoor, kan sterrekundiges daardie trosse in kaart bring en die invloed van donker energie op hul groei regdeur die geskiedenis van die heelal meet. Dit is ten minste die hoop. & # 8220 Baie mense in die gemeenskap het volgens my 'n gesonde skeptisisme ontwikkel. Hulle sê, & # 8216Dit is wonderlik, maar wys ons die geld, & # 8217 & # 8221 sê Holzapfel. & # 8220En ek dink binne 'n jaar of twee sal ons in staat wees om dit te kan doen. & # 8221

Die SPT-span fokus op sterrestelsels, want dit is die grootste strukture in die heelal, wat dikwels uit honderde sterrestelsels bestaan ​​en dit is 'n miljoen miljard keer die massa van die son. Namate donker energie die heelal uitbrei om uit te brei, sal sterrestelselgroepe moeiliker groei. Hulle sal verder van mekaar verwyder word, en die heelal sal kouer en eensamer word.

Sterrestelselgroepe en soortgelyke kanaries in 'n steenkoolmyn wat struktuurvorming betref, & rdquo; sê Holzapfel. As die digtheid van donker materie of die eienskappe van donker energie sou verander, sou die oorvloed van trosse die eerste ding wees om te verander. & # 8221 Die Suidpoolteleskoop moet sterrestelsels mettertyd kan opspoor. & # 8220Jy kan sê, & # 8216Te soveel biljoen jaar gelede, hoeveel trosse was daar, en hoeveel is daar nou? & # 8217 & # 8221 sê Holzapfel. & # 8220En vergelyk dit dan met u voorspellings. & # 8221

Tog het al hierdie metodes 'n voorbehoud. Hulle neem aan dat ons swaartekrag voldoende verstaan, wat nie net die krag is wat donker energie teëstaan ​​nie, maar ook die grondslag van die fisika vir die afgelope vier eeue.

Twintig keer per sekonde rig 'n laser hoog in die Sacramento-gebergte van Nieu-Mexiko 'n polsslag op die maan, 239,000 myl daarvandaan. Die balk se teiken is een van die drie weerkaatsers van die tas wat Apollo-ruimtevaarders vier dekades gelede op die maanoppervlak geplant het. Fotone van die balk weerkaats van die spieël af en keer terug na New Mexico. Totale reistyd heen en weer: 2,5 sekondes, min of meer.

Dit & # 8220min of meer & # 8221 maak die verskil. Deur die tempo van die ligsnelheid te bepaal, kan navorsers van die Apache Point Observatory Lunar Laser-range Operation (APOLLO) die Aarde-Maan afstand tot oomblik meet en die baan van die Maan met uitstekende akkuraatheid karteer. Soos in die apokriewe verhaal van Galileo wat balle uit die leunende toring van Pisa laat val het om die universaliteit van vrye val te toets, behandel APOLLO die aarde en die maan soos twee balle wat in die swaartekragveld van die son val. Mario Livio, 'n astrofisikus aan die Space Telescope Science Institute in Baltimore, noem dit 'n & # 8220absolutely ongelooflike eksperiment. & # 8221 As die baan van die maan selfs die geringste afwyking van Einstein se voorspellings vertoon, moet wetenskaplikes sy vergelykings heroorweeg & # 8212 en miskien selfs die bestaan ​​van donker materie en donker energie.

& # 8220So ver hou Einstein vas, & # 8221 sê een van APOLLO se hoofwaarnemers, die sterrekundige Russet McMillan, terwyl haar vyf jaar lange projek die halfpad verbygaan.

Al sou Einstein nie hou nie, sou navorsers eers ander moontlikhede, soos 'n fout in die massa van die aarde, maan of son, moes uitskakel voordat hulle toegegee het dat algemene relatiwiteit 'n regstelling benodig. Desondanks weet sterrekundiges dat hulle swaartekrag as vanselfsprekend aanvaar. Hulle het die bestaan ​​van donker materie afgelei weens die swaartekrag-effekte daarvan op sterrestelsels, en die bestaan ​​van donker energie as gevolg van die anti-swaartekrag-effekte op die uitbreiding van die heelal.Wat as die aanname onderliggend aan hierdie tweeling afleidings & # 8212 dat ons weet hoe swaartekrag werk & # 8212 verkeerd is? Kan 'n teorie oor die heelal selfs meer vreemd wees as een wat donker materie en donker energie voorstel, die getuienis? Om dit uit te vind, toets wetenskaplikes nie net swaartekrag dwarsoor die heelal nie, maar ook oor die tafelblad. Tot onlangs het fisici nie swaartekrag op buitengewone kortafstande gemeet nie.

& # 8220Verrassend, is dit nie? & # 8221 sê Eric Adelberger, die koördineerder van verskeie swaartekrag-eksperimente wat in 'n laboratorium aan die Universiteit van Washington, Seattle plaasvind. & # 8220Maar dit sal nie verstommend wees as u dit probeer doen nie & # 8221 & # 8212 as u swaartekrag op afstande korter as 'n millimeter probeer toets. Om swaartekrag te toets, is nie net 'n kwessie van twee voorwerpe naby mekaar plaas en die aantrekkingskrag tussen hulle meet nie. Allerlei ander dinge kan 'n swaartekrag beïnvloed.

& # 8220Daar is metaal hier, & # 8221 sê Adelberger en wys na 'n nabygeleë instrument. & # 8220Daar is 'n heuwel hier & # 8221 & # 8212 waai na 'n sekere punt verby die betonmuur wat die laboratorium omring. & # 8220Daar is 'n meer daar. & # 8221 Daar is ook die grondwatervlak in die grond, wat verander elke keer as dit reën. Dan is daar die rotasie van die aarde, die posisie van die son, die donker materie in die hart van ons sterrestelsel.

Gedurende die afgelope dekade het die Seattle-span die aantrekkingskrag tussen twee voorwerpe op kleiner en kleiner afstande tot 56 mikron (of 1/500 duim) gemeet, net om seker te maak dat Einstein se swaartekragvergelykings geld by die kortste afstande ook. Tot dusver doen hulle dit.

Maar selfs Einstein het erken dat sy teorie van algemene relatiwiteit nie die heelal verklaar het nie. Hy het die afgelope 30 jaar van sy lewe probeer om sy fisika van die heel groot met die fisika van die baie klein & # 8212 kwantum meganika te versoen. Hy het misluk.

Teoretici het met allerhande moontlikhede vorendag gekom in 'n poging om algemene relatiwiteit met kwantummeganika te versoen: parallelle heelalle, botsende heelalle, borreluniverses, heelal met ekstra dimensies, heelal wat ewig voortplant, heelal wat weerkaats van Big Bang tot Big Crunch tot Big Knal.

Adam Riess, 'n sterrekundige wat saam met Brian Schmidt gewerk het aan die ontdekking van donker energie, sê hy kyk elke dag na 'n internetwebwerf (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) waar wetenskaplikes hul ontledings plaas om te sien wat nuwe idees is. daar buite. & # 8220Die meeste van hulle is taamlik gaaf, & # 8221 sê hy. & # 8220Maar dit is moontlik dat iemand met 'n diep teorie sal uitkom. & # 8221

Ten spyte van al die vooruitgang blyk dit dat sterrekunde gewerk het onder 'n verkeerde, indien redelike aanname: wat u sien, is wat u kry. Nou moet sterrekundiges aanpas by die idee dat die heelal nie die dinge van ons is nie & # 8212 in die groot skema van dinge, ons spesie en ons planeet en ons sterrestelsel en alles wat ons nog ooit gesien het, is soos die teoretiese fisikus Lawrence Krauss van die Arizona State University het gesê, & # 8220'n bietjie besoedeling. & # 8221

Tog is kosmoloë geneig om nie moedeloos te wees nie. & # 8220Die regtig moeilike probleme is wonderlik, & # 8221, sê Michael Turner, & # 8220 omdat ons weet dat hulle 'n mal nuwe idee sal benodig. & # 8221 Soos Andreas Albrecht, 'n kosmoloog aan die Universiteit van Kalifornië in Davis, op 'n onlangse konferensie oor donker energie: & # 8220As u die tydlyn van die geskiedenis van die wetenskap voor my stel en ek enige tyd en veld kon kies, is dit waar ek wil wees. & # 8221

Richard Panek oor Einstein geskryf vir Smithsonian in 2005. Sy boek oor donker materie en donker energie verskyn in 2011.


Kyk die video: Zasto je Nikola Tesla govorio da su brojevi 3, 6 i 9 kljuc svemira? OBJASNJENJE U VIDEU Eng Sub (November 2022).