Category Archives: Specijalna teorija relativnosti

Astrofizika, Astronomija, Koncepti u fizici, Konceptualno razumijevanje fizike, Opšta teorija relativnosti, Specijalna teorija relativnosti, Teorija relativnosti

Razumijevanje gravitacije – iskrivljenja i talasanja u prostoru i vremenu

2 Comments

Newton i zakon gravitacije
Newton je objavio jedno od najslavnijih naučnih djela, Principia, 1687. godine. U njemu je opisao da je sila koja vuče predmete prema zemlji ista sila koja je u osnovi kretanja planeta i zvijezda.

Da bi došao do ovog zaključka, Newton je zamislio da odnese predmet daleko od površine Zemlje i baci ga. Ako ga bacite s premalo zamaha, on će pasti prema Zemlji, zarobljen gravitacijom poput nas samih. Ako ga bacite s previše zamaha, ubrzaće se od planete, započinjući putovanje u svemirske domete. Ali sa tačno pravim zamahom, možete ga baciti tako da neprestano pada oko Zemlje, okolo i okolo u vječnom natezanju konopa. Predmet pokušava nastaviti putem kojim ste ga bacili, ali gravitacija ga neprestano uvlači. Uz pravilan balans, objekt se sada nalazi u orbiti oko Zemlje – baš poput Mjeseca ili poput Zemlje oko Sunca.

Newton je formulisao ovaj uvid u matematičku jednadžbu, danas poznatu kao zakon univerzalne gravitacije. U kombinaciji sa znanjem o geometriji i ostalim Newtonovim jednadžbama kretanja, možemo ga koristiti za predviđanje kretanja planeta ili putanja kometa ili koliko je snage potrebno da se raketa dovede do Mjeseca.

Newtona priznajemo ne samo zbog njegove ideje, već i zato što ju je formulirao u jednačinu koja je predviđala s većom preciznošću nego ikad prije. Ali nije bilo savršeno – Newtonove jednadžbe dale su neka pogrešna predviđanja i, što je još važnije, nije opisao kako gravitacija djeluje na način na koji to radi. Newton je bio dobro svjestan toga kad je rekao,

Gravitaciju mora prouzrokovati agent koji stalno djeluje u skladu s određenim zakonima; ali da li je ovaj agent materijalni ili nematerijalni, ostavio sam na razmatranje svojim čitateljima.
Isaac Newton

Iskrivljenja u prostoru i vremenu
Više od 200 godina nakon što je Principia objavljena, svijet je još uvijek bio bez razumijevanja mehanizma gravitacije. Nakon toga je došao Albert Einstein – čovjek koji je na toliko načina trebao promijeniti svijet. Ali prije nego što pređemo na njegov posao, morat ćemo napraviti digresiju.

Ne možete znati krećete li se (konstantnom brzinom)

  1. godine, čak i prije nego što je Newton objavio svoje danas poznato djelo, Galileo Galilei je pisao o relativnom kretanju objekata poznatih u njegovo vrijeme: brodova.

Ako ste u zatvorenoj sobi na brodu koji plovi konstantnom brzinom, a vožnja je savršeno glatka, predmeti se ponašaju kao na kopnu. Ne postoji fizički eksperiment koji biste mogli provesti da li se krećete ili mirujete (pod pretpostavkom da ne virite iz okna). Ovo je srž ideje koja stoji iza relativnosti i isti je razlog zašto ne osjećamo kretanje naše planete oko Sunca ili kretanje našeg Sunčevog sistema kroz galaksiju.

Prostor i vrijeme su povezani
Gotovo 300 godina nakon Galileja, Einstein je razmišljao o posljedicama relativnosti u kontekstu važnog faktora: brzine svjetlosti. Nije bio jedina osoba koja je razmišljala o tim temama – drugi su fizičari u to vrijeme bili svjesni da na ovom frontu ima neodgovorenih pitanja. Ali Einstein je bio taj koji je formulirao teoriju – svoju teoriju posebne relativnosti – da objasni postojeće pojave i stvori nova predviđanja. U početku se činilo da posebna relativnost nema puno veze s gravitacijom, ali je Einsteinu bila bitan kamen za razumijevanje gravitacije.

POKRETNI SATOVI OTKUCAVAJU SPORIJE
Eksperimenti za vrijeme Einsteina pokazali su da se čini da je brzina svjetlosti konstantna. Bez obzira koliko brzo pokušavali da je sustignete, čini se da vam svjetlost uvijek odmiče brzinom od gotovo 300 000 000 metara u sekundi.

Zašto je ovo važno? Pa, zamislimo da sami konstruiramo sat od same svjetlosti. Dva ogledala postavljena su jedno nasuprot drugog, a „otkucaj“ sata je vrijeme potrebno da čestica svjetlosti putuje s jedne na drugu stranu i natrag.

Sada zamislimo da vaš prijatelj, koji je na svemirskom brodu koji zipa pokraj Zemlje, ima jedan od ovih satova. Čini se da za vašeg prijatelja sat radi normalno – čestice svjetlosti putuju gore-dolje, kako se očekivalo, a vrijeme teče na svoj uobičajeni način. Ali iz vaše perspektive, gledajući brod kako prolazi, svjetlost se pomiče i gore i dolje i u stranu, s brodom. Svjetlost putuje veću udaljenost sa svakim otkucajem.

Dakle, za svemirskog putnika svjetlost putuje brzinom od 300 000 000 m / s i samo gore-dolje; a posmatraču koji je vezan za Zemlju, svjetlost putuje 300 000 000 m / s, ali mora preći veću, dijagonalnu udaljenost; tada promatraču uz Zemlju sat treba duže da “otkuca”.

Taj se efekt naziva vremenska dilatacija. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme.

PERSPEKTIVNA PITANJA
Ali čije je vrijeme zaista usporeno? Je li to osobe na Zemlji, koja gleda svog prijatelja kako prolazi kroz njen svemirski brod? Ili astronaut, koji tvrdi da ostaje miran dok Zemlja prolazi?

Čudno je da su oba gledišta valjana, ali samo dok su oba u stalnom pokretu.

Za ilustraciju, pretpostavimo da su, kada je astronaut napustio Zemlju, on i njegov prijatelj bili istih godina. Kad on ode, svemirski brod ubrzava od Zemlje. Kad se vrati, svemirski brod usporava kako bi izbjegao pad. I prilikom odlaska i povratka svemirski brod mijenja referentni okvir i naš astronaut može osjetiti promjenu kretanja. Eksperimenti izvedeni unutar svemirskog broda za vrijeme ubrzavanja i usporavanja pokazali bi da se nešto mijenja. To ruši simetriju situacije, a kada se svemirski brod spusti natrag na Zemlju, naš astronaut zaista će biti mlađi od svog kolege vezanog za Zemlju.

Efekti su primjetni samo ako su putovali jako, jako brzo – ali još uvijek je istina reći da će današnji astronauti i piloti borbenih aviona koji se vrate iz brze misije, a ostarit će i malo i manje od ostalih tokom te misije.

ČETIRI DIMENZIJE PROSTORNOG VREMENA
Slijedom ovoga, umjesto da razmišljamo o tri dimenzije prostora i jednoj zasebnoj dimenziji vremena, možemo ih smatrati četiri dimenzije „prostora-vremena“. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme i obrnuto.

OBJEKTI PRI KRETANJU SE SAŽIMAJU U PROSTORU
Još jedna posljedica posebne relativnosti je da se čini da se objekti koji se brzo kreću skupljaju u smjeru svog kretanja. (I opet, ovo se preokreće, ovisno iz čije perspektive gledate.)

To proizlazi iz izobličenja vremena – uostalom, možete izmjeriti dužinu nečega prema količini prostora koji nešto putuje kroz vrijeme (npr. Svjetlosne godine, svjetlosne sekunde). I dok je lukavo zamisliti mjerenje dužine predmeta u pokretu iz tuđe perspektive, kontrakcija dužine je stvarni, fizički efekt, a ne samo rezultat nepreciznih mjerenja.

Za razliku od dobnih razlika koje mogu nastati dilatacijom vremena, ne postoje rezidualni efekti zbog kontrakcije dužine nakon što se pokretni objekt i posmatrač ponovo sjedine.

Razumijevanje gravitacije
Einsteinov opis gravitacije dovodi do situacija jednako bizarnih kao i posebna relativnost – uključujući putovanje kroz vrijeme!

UBRZANJE I GRAVITACIJA MOGU DA SE NE MOGU RAZLIKOVATI
Zamislite da se budite u svemirskom brodu, ubrzavajući kroz svemir. Baš kao što ste gurnuti natrag u sjedište automobila koji ubrzava, svemirski brod koji vas ubrzava odgurne vas u stranu nasuprot onoj prema kojoj ubrzavate. Uz određenu brzinu ubrzanja, set vaga mogao bi vam reći da težite potpuno isto kao i kad ste kod kuće na Zemlji.

Postoji li bilo kakav fizički eksperiment koji biste mogli obaviti u granicama svog svemirskog broda da biste utvrdili jeste li zaista ubrzavali kroz svemir (pod pretpostavkom da nije bilo prozora kroz koji ste mogli gledati) ili ste se, umjesto toga, nalazili u svemirskom brodu stacionarnom na površini Zemlja? Einstein je rekao ne – baš kao što je Galileo zamišljao nerazlučivost osobe u jedrenjaku s konstantnim kretanjem (zatvorenim bez prozora) i osobe na kopnu, Einstein je shvatio da se i efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati. To se naziva principom ekvivalencije.

Einstein je shvatio da se efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati.

PROSTOR SE ZAKRIVLJUJE ISPOD UBRZANOG POKRETA
Jednom kada je Einstein formulirao princip ekvivalencije, gravitacija je postala manje misteriozna. Svoje znanje o ubrzanju mogao je primijeniti kako bi bolje razumio gravitaciju.

Možda znate da ubrzanje ne znači uvijek promjenu brzine, kao kad ubrzavate u automobilu, gurajući vas na naslon sjedala. To također može značiti promjenu smjera, na primjer kada zaobiđete kružni tok, zbog čega ćete se nagnuti prema boku automobila.

Da to dalje proširimo, zamislimo cilindričnu karnevalsku vožnju gdje ste vi i vaši suputnici prikovani za vanjsku površinu. Cilindar se okreće sve brže i brže dok ubrzanje ne popusti i kretanje ne ostane konstantno. Ali čak i kad je brzina konstantna, i dalje osjećate ubrzano kretanje – osjećate se prikovanim za vanjski rub vožnje.

Da je ova okretaja bila dovoljno velika i kretala se dovoljno brzo, počeli biste primjećivati ​​neke bizarne efekte u samoj vožnji, ne samo sa stajališta nekoga tko stoji izvan nje.

Svakom rotacijom oni na rubu vožnje prelaze puni opseg cilindra – dok se u samom središtu gotovo uopće ne pomiče. Dakle, ako bi netko stajao u samom središtu vožnje (možda ga drži ograda, sprečavajući ga da padnu na rub), primijetio bi sve one čudne efekte koje smo vidjeli u posebnoj relativnosti – da će se oni na rubu promijeniti u dužini, i njihovi će satovi otkucavati sporije.

GRAVITACIJA JE ZAKRIVLJENJE PROSTOR – VREMENA
Princip ekvivalencije govori nam da se efekti gravitacije i ubrzanja ne mogu razlikovati. Razmišljajući o primjeru cilindrične vožnje, vidimo da ubrzano kretanje može iskriviti prostor i vrijeme. Tu je Einstein spojio tačke sugerirajući da je gravitacija iskrivljenje prostora i vremena. Gravitacija je zakrivljenost svemira uzrokovana masivnim tijelima koja određuje put kojim predmeti putuju. Ta zakrivljenost je dinamična, kreće se kako se ti objekti kreću.

U Einsteinovom pogledu na svijet, gravitacija je zakrivljenost prostor – vremena uzrokovana masivnim objektima. Izvor slike: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

Ova teorija, opća relativnost, predviđa sve, od orbita zvijezda do sudara asteroida do jabuka koje padaju s grane na zemlju – sve što smo očekivali od teorije gravitacije.

Prostor vrijeme zahvaća masu, govori joj kako da se kreće … Masa zahvaća prostor vrijeme, govori mu kako da se zakrivi.
Fizičar John Wheeler

Uspjeh opšte relativnosti
Baš kao što je Newtonova formulacija zakona gravitacije bila dragocjena zbog njihove prediktivne moći, isto vrijedi i za Einsteinove. Do danas su njegova predviđanja – koliko god čudno zvučala – izdržala test vremena.

Dokazi o Einsteinovoj teoriji gravitacije uključuju savijanje zvjezdane svjetlosti (ili, u ovom slučaju, svjetlosti čitavih galaksija) oko masivnih objekata. Izvor slike: ESA / Hubble & NASA / Wikimedia Commons.

Gravitacijski talasi
EHO JAKO UDALJENE KATAKLIZME
Zamislite dva vrlo masivna predmeta, poput crnih rupa. Ako bi se ti objekti sudarili, potencijalno bi mogli stvoriti ekstremne poremećaje u tkivu svemira, krećući se prema van poput mreškanja u jezercu. Ali koliko su se daleko mogli osjećati takvi valovi? Einstein je predvidio da gravitacijski valovi postoje, ali vjerovao je da će biti premali da bi se otkrili dok su stigli do nas ovdje na Zemlji.

Tako je s velikim uzbuđenjem 11. februara 2016. godine znanstvena zajednica bila puna objave da je otkriven gravitacijski val. Bili su nam potrebni instrumenti sposobni za otkrivanje signala promjera jednog desethiljaditog dijela promjera protona (10-19 metara). To je upravo ono što Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), kojom upravljaju Kalifornijski institut za tehnologiju i Massachusetts Institute of Technology, može.

LIGO EKSPERIMENT
U LIGO eksperimentu laser se usmjerava u veliku strukturu tunela. Laserski snop je podijeljen tako da polovina putuje niz jedan od 4 kilometra dugih „krakova“, a druga polovina u isto vrijeme pada niz drugi krak od 4 kilometra. Na kraju svake ruke zrcalo reflektira svjetlost od lasera natrag odakle je došla, a dvije zrake se stapaju u jednu.

Uobičajeno, laserski zraci trebali bi se rekombinirati u isto vrijeme. Ali ako se gravitacijski talas talasa kroz svemir dok su detektori uključeni, to valjanje će ispružiti jedan krak strukture u obliku slova L prije rastezanja drugog. Gravitacijski talas narušava prolazak svjetlosti, što rezultira određenom vrstom interferencijskog svjetlosnog uzorka koji se detektira na kraju.

ASTRONOMIJA GRAVITACIONIH TALASA
Uspješni LIGO eksperiment otvorio je novu eru astronomije. Prije toga, astronomi su se uglavnom fokusirali na proučavanje elektromagnetskog spektra (uključujući svjetlost i radio valove). Kroz taj smo posao uspjeli otkriti ogromnu količinu našeg svemira, ali sada imamo potpuno novi način proučavanja svemira.

Otkriće gravitacijskih valova daje astronomima novi ‘smisao’ s kojim mogu istraživati ​​svemir, pa će tako gotovo sigurno biti iznenađenja pred nama. Ono što znamo je da će nam ova tehnika omogućiti bolje razumijevanje najmasivnijih objekata u svemiru kao što su crne rupe, neutronske zvijezde i supernove; i pružit će nam novi prozor za proučavanje kako je nastao svemir.

Da li je naše razumijevanje potpuno?
Iako je Einsteinova teorija gravitacije potvrđivana eksperimentom za eksperimentom, to ne znači da je naše razumijevanje cjelovito. U stvari, znamo da nešto nije sasvim u redu.

Jedno neodgovoreno pitanje je da li gravitaciju širi graviton – predložena (ali do sada neotkrivena) čestica odgovorna za gravitacijske interakcije. Još važnije, znamo da je opća relativnost u svom sadašnjem obliku nekompatibilna s drugim stubom moderne fizike: kvantnom mehanikom. Ovo je pokazatelj da su jedna ili obje teorije nepotpune ili da nam nedostaje neka druga ključna komponenta.

Hoće li Einsteinova teorija gravitacije ostati nepromijenjena, nije poznato. Ali proizveo je mnoga neočekivana, neintuitivna predviđanja koja su se iznova potvrđivala tokom više od sto godina. To je znak velike naučne teorije – daje predviđanja koja se u to vrijeme možda neće moći dokazati, ali će se suprotstaviti rigoroznim testiranjima. Ovo je bilo jedno od najvećih putovanja u istoriji nauke, uključujući ne samo Newtona i Einsteina, već i mislioce i činioce širom svijeta koji su radili na testiranju ovih teorija.

Uprkos tome, raskol između relativnosti i kvantne mehanike ostaje. Što se tiče sljedećeg, niko sa sigurnošću ne zna. Međutim, postoji nekoliko teorija – teorija struna, teorija petlji, višedimenzionalnih teorija – nedokazanih, ali s obećanjem da će postati sljedeća prekretnica u razumijevanju našeg kosmosa.

Izvor: Understanding gravity—warps and ripples in space and time – Curious (science.org.au)

Opšta teorija relativnosti, Specijalna teorija relativnosti

Kojom brzinom bi se kretali dva fotona jedan prema drugom?

Leave a comment

Upotrebom Einsteinovog zbrajanja brzine koji je v = (u + v ’) / (1 + uv’ / c ^ 2) koji se, kada je u = v ’= c, smanjuje na v = c. Dakle, foton jedan u odnosu na drugi bi se kretali brzinom svjetlosti.

Drugo je reći da je vrlo teško ili čak nemoguće zamisliti da foton ima referentni okvir, jer gama, što je omjer vremenskih brzina, ide u beskonačnost, što znači da vrijeme za foton ide na nulu. Ako koristite gornju vezu da biste vidjeli kako se razvija Einsteinov dodatak brzine, formula je posljedica činjenice da promatrač vidi kako vrijeme prolazi sve sporije u drugom pokretnom okviru. Dakle, ako umjesto fotona na slici imamo posmatrača A koji se približava brzini svjetlosti dok promatra B koji približava se svjetlosnoj brzini prema A onda pitanje ima smisla. Iz perspektive A se vidi B unutar referentnog okvira koji se kreće prema A. Kako taj referentni okvir ide uvijek brže, A vidi da se B kreće usporeno (jer se čini da je vrijeme usporeno u tom referentnom okviru). Kako se referentni okvir približava brzini svjetlosti, efekt usporenog pokreta čini B približavanjem nuli brzine. Neto efekt je da će, kako se i A i B približavaju c, A vidjeti relativnu brzinu kao brzinu okvira (koja teži “c”) plus B-ovu usporenu brzinu (koja teži 0), što će kad se severe dati “c ”.

Astrofizika, Fizika "nemogućeg", fizika nemogućega, Koncepti u fizici, Konceptualno razumijevanje fizike, Moderna fizika, Specijalna teorija relativnosti, Zanimljivost

Šta tačno znači Einsteinova najpoznatija jednačina na svijetu E = mc^2?

Leave a comment

To je najpoznatija svjetska jednadžba, ali što ona zapravo znači? “Energija je jednaka masa puta brzina svjetlosti na kvadrat.” Na najosnovnijoj razini jednadžba kaže da su energija i masa (materija) zamjenjivi; to su različiti oblici iste stvari. Pod pravim uvjetima energija može postati masa i obrnuto. Mi ljudi ih ne vidimo na taj način – kako, recimo, snop svetlosti i orah mogu biti različiti oblici iste stvari? – ali priroda to čini.
Pa zašto biste morali množiti masu tog oraha brzinom svjetlosti da biste utvrdili koliko energije se veže u njemu? Razlog je taj što se, kad god pretvorite dio oraha ili bilo koji drugi komad materije u čistu energiju, rezultirajuća energija se po definiciji kreće brzinom svjetlosti. Čista energija je elektromagnetsko zračenje – bilo da je svjetlo ili rendgen zrake ili bilo šta drugo – a elektromagnetno zračenje putuje konstantnom brzinom od 300 000 km / s .
Zašto, onda, morate kvadrirati brzinu svjetlosti? To ima veze sa prirodom energije. Kad se nešto kreće četiri puta brže nego nešto drugo, nema četiri puta veću energiju, nego 16 puta veću energiju – drugim riječima, ta se figura nalazi u kvadratu. Dakle, brzina kvadrata svjetlosti je faktor konverzije koji odlučuje koliko energije leži unutar oraha ili bilo kojeg drugog komada materije. A zato što je brzina svjetlosti na kvadrat ogroman broj – 90 000 000 000 (km / sec) 2 – količina energije vezana čak i u najmanjoj masu doista je zbunjujuća.
Evo primjera. Ako biste svaki od atoma u spajalici za papir mogli pretvoriti u čistu energiju – ne ostavljajući nikakvu masu – spajalica bi dala 18 kilotona TNT-a. To je otprilike veličina bombe koja je uništila Hirošimu 1945. Međutim, na Zemlji ne postoji praktičan način da se spajalica za papir ili bilo koji drugi predmet u potpunosti pretvori u energiju. Za to bi bile potrebne temperature i pritisci veći od onih u srži našeg sunca.

Izvor: PBS.org

Filozofija, kvantna fizika, Kvantna mehanika, Moderna fizika, Najnovija istraživanja i otkrića, Specijalna teorija relativnosti, Špekulativne teorije, Teorija relativnosti

Da li je relativnost rješenje kvantnih zagonetki?

Leave a comment

Od svojih početaka kvantna mehanika nije prestala da nas zadivljava svojom osobenošću, tako da ju je teško razumjeti. Zašto jedna čestica izgleda kao da prolazi kroz dvije pukotine istovremeno? Zašto umjesto konkretnih predviđanja možemo govoriti samo o evoluciji vjerojatnosti? Prema teoretičarima sa univerziteta u Varšavi i Oxfordu, najvažnija obilježja kvantnog svijeta mogu proizaći iz posebne teorije relativnosti, koja se do sada činilo da nema malo veze s kvantnom mehanikom.

Od dolaska kvantne mehanike i teorije relativnosti, fizičari su izgubili san zbog nekompatibilnosti ova tri koncepta (tri, jer postoje dvije teorije relativnosti: posebna i opća). Opšte je prihvaćeno da je opis kvantne mehanike najvažniji i da će se teorija relativnosti morati prilagoditi njoj. Dr Andrzej Dragan sa Fizičkog fakulteta Univerziteta u Varšavi (FUW) i prof. Artur Ekert sa Univerziteta u Oxfordu (UO) upravo su predstavili svoje obrazloženje dovodeći do drugačijeg zaključka. U članku “Kvantni princip relativnosti”, objavljenom u Novom časopisu za fiziku, oni dokazuju da karakteristike kvantne mehanike koje određuju njenu jedinstvenost i neintuitivnu egzotičnost – prihvaćene, štoviše, u vjeri (kao aksiomi) – mogu biti objašnjene u okviru posebne teorije relativnosti. Samo se treba odlučiti na određeni prilično neortodoksni korak.

Albert Einstein je posebnu teoriju relativnosti temeljio na dva postulata. Prvi je poznat kao Galilejev princip relativnosti (koji je, imajte na umu, poseban slučaj Kopernikovog principa). To kaže da je fizika ista u svakom inercijalnom sustavu (tj. Onom koji je ili u mirovanju ili u stalnom kretanju ravno). Drugi postulat, formuliran na osnovu čuvenog eksperimenta Michelson-Morley, nametnuo je zahtjev za konstantnom brzinom svjetlosti u svakom referentnom sistemu.

“Einstein je drugi postulat smatrao ključnim. U stvarnosti, ono što je presudno je princip relativnosti. Već 1910. Vladimir Ignatowski pokazao je da je samo na ovom principu moguće rekonstruirati sve relativističke pojave posebne teorije relativnosti. A upečatljivo jednostavno obrazloženje, vodeći direktno iz principa relativnosti ka relativizmu, također je 1992. godine predstavio profesor Andrzej Szymacha sa našeg fakulteta “, kaže dr Dragan.

Posebna teorija relativnosti je koherentna struktura koja omogućuje tri matematički ispravna tipa rješenja: svijet čestica koje se kreću subluminalnim brzinama, svijet čestica koje se kreću brzinom svjetlosti i svijet čestica koje se kreću superluminalnim brzinama. Ova treća opcija uvijek je odbačena kao da nema nikakve veze sa stvarnošću.

“Postavljali smo pitanje: šta se dešava ako – za sada bez ulaska u fizikalnost ili nefizikalnost rešenja – ozbiljno ne budemo dio posebne teorije relativnosti, već sve zajedno sa nadmoćnim sistemom? Očekivali bi paradokse uzroka-posljedica. U međuvremenu, vidjeli smo upravo da ovi efekti čine najdublje jezgro kvantne mehanike “, kažu dr Dragan i prof. Ekert.

U početku su oba teoretičara smatrala pojednostavljeni slučaj: prostor-vrijeme sa sve tri porodice rješenja, ali koji se sastoji od samo jedne prostorne i jedne vremenske dimenzije (1 + 1). Čini se da se čestica u mirovanju u jednom sistemu kreće superluminalnom brzinom u drugom, što znači da je i sama superluminoznost relativna.

U kontinuirano izgrađenom prostorno-vremenskom kontinuumu događaju se nedeterministički događaji prirodno. Ako u jednom sustavu u tački A postoji stvaranje superluminalne čestice, čak i potpuno predvidljive, emitirane prema tački B, gdje jednostavno nema podataka o razlozima emisije, tada sa stajališta promatrača u drugom sistemu događaji teku od tačke B do točke A, tako da počinju od potpuno nepredvidivog događaja. Ispada da se analogni efekti pojavljuju i u slučaju emisije subluminalnih čestica.

Oba su teoretičara također pokazala da se, uzimajući u obzir superluminalna rješenja, kretanje čestice na više putanja istovremeno pojavljuje prirodno, a opis tijeka događaja zahtijeva unošenje zbroja kombiniranih amplituda vjerojatnosti koje ukazuju na postojanje superpozicije stanja, pojava do sad povezana samo sa kvantnom mehanikom.

U slučaju prostor-vrijeme s tri prostorne dimenzije i jednom vremenskom dimenzijom (3 + 1), tj. koja odgovara našoj fizičkoj stvarnosti situacija je složenija. Princip relativnosti u svom izvornom obliku nije sačuvan – subluminalni i superluminalni sistem se razlikuju. Međutim, istraživači su primijetili da kada se princip relativnosti promijeni u oblik: “Sposobnost opisivanja događaja na lokalni i determinirajući način ne bi trebala ovisiti o odabiru inercijalnog referentnog sustava”, ograničava rješenja na one u koji svi zaključci iz razmatranja u (1 + 1) prostor-vremenu ostaju valjani.

“Primijetili smo, slučajno, mogućnost zanimljive interpretacije uloge pojedinih dimenzija. U sistemu koji promatraču izgleda superluminalno izgleda da neke prostorno-vremenske dimenzije mijenjaju njihove fizičke uloge. Samo jedna dimenzija superluminalne svjetlosti ima prostorni karakter – jedna duž koje se čestica kreće. Ostale tri dimenzije izgledaju kao vremenske dimenzije “, kaže dr Dragan.

Karakteristična karakteristika prostornih dimenzija je da se čestica može kretati u bilo kojem smjeru ili ostati u mirovanju, dok se u vremenskoj dimenziji uvijek širi u jednom smjeru (što svakodnevnim jezikom nazivamo starenjem). Dakle, tri vremenske dimenzije superluminalnog sistema s jednom prostornom dimenzijom (1 + 3) značile bi tako da čestice neminovno ostare tri puta istovremeno. Proces starenja čestice u superluminalnom sistemu (1 + 3), posmatran iz subluminalnog sistema (3 + 1), izgledao bi kao da se čestica kreće poput sfernog talasa, što bi dovelo do poznatog Huygensovog principa (svaka tačka na talasna fronta može se tretirati kao izvor novog sfernog talasa) i korpuskularno-valnog dualizma.

“Sva neobičnost koja se pojavljuje kada se razmatraju rješenja koja se odnose na sistem koji izgleda superluminalno ispada da nije ništa čudnije od onoga što je već općenito prihvaćena i eksperimentalno provjerena kvantna teorija. Naprotiv, uzimajući u obzir superluminalni sistem, moguće je – najmanje teorijski – da bi se iz postupaka kvantne mehanike izveli iz posebne teorije relativnosti, koje su obično prihvaćene kao posledica drugih, fundamentalnijih razloga “, zaključuje dr Dragan.

Gotovo stotinu godina kvantna mehanika čeka dublju teoriju da objasni prirodu svojih misterioznih pojava. Ako bi obrazloženje koje su iznijeli fizičari s FUW-a i UO-a prošlo test vremena, historija bi se okrutno rugala svim fizičarima. “Nepoznata” teorija koju su desetljećima tražili, objašnjavajući jedinstvenost kvantne mehanike, bila bi nešto što je poznato već od prvog rada kvantne teorije.

Izvor: Phys.org

Koncepti u fizici, Konceptualno razumijevanje fizike, Opšta teorija relativnosti, Specijalna teorija relativnosti, Teorija relativnosti

Šta je to prostorvrijeme?

Leave a comment

U fizici, prostorvrijeme je bilo koji matematički model koji spaja tri dimenzije prostora i jednu dimenziju vremena u jedan četverodimenzionalni kontinuum. Prostorvremenski dijagrami mogu se koristiti za vizualizaciju relativističkih efekata kao što su razlozi zašto različiti promatrači percipiraju gdje i kada se nešto događa.

Do prijelaza 20. stoljeća, pretpostavka je bila da je trodimenzionalna geometrija Svemira (njegov prostorni izraz u smislu koordinata, udaljenosti i smjerova) bio neovisan o jednodimenzionalnom vremenu. Međutim, 1905. Albert Einstein temelji svoj temeljni rad na posebnoj relativnosti na dva postulata:

(1) Zakoni fizike su invarirajući (tj. Identični) u svim inercijalnim sustavima (tj. Ne-ubrzavajući referentni okviri);

(2) Brzina svjetlosti u vakuumu jednaka je svim promatračima, bez obzira na gibanje izvora svjetlosti.

Logična posljedica uzimanja tih postulata je spajanje prostora i vremena u jednu dimenziju, do sada pretpostavljenog kao nezavisnog, prostora i vremena. Mnoge se proturječne posljedice pojavljuju: osim što je neovisno od kretanja izvora svjetlosti, brzina svjetlosti ima istu brzinu bez obzira na referentni okvir u kojem se mjeri; udaljenosti, pa čak i vremenski poredak parova događaja se mijenjaju kada se mjere u različitim inercijalnim referentnim okvirima (to je relativnost simultanosti); i linearna aditivnost brzina više ne vrijedi.




Einstein je u svojoj kinematici uokvirio svoju teoriju (proučavanje pokretnih tijela). Njegova je teorija bila napredak prema Lorentzovoj teoriji elektromagnetskih pojava iz 1904. i Poincarovoj elektrodinamičkoj teoriji. Iako su te teorije uključivale jednadžbe identične onima koje je Einstein uveo (tj. Lorentzovu transformaciju), one su u suštini bile ad hoc modeli koji su predložili objašnjavanje rezultata različitih eksperimenata – uključujući poznati Michelson-Morleyov interferometarski eksperiment – koji su bili izuzetno teški za uklapanje u postojeće paradigme.

Godine 1908. Hermann Minkowski, jedan od profesora matematike mladog Einsteina u Zürichu, predstavio je geometrijsku interpretaciju posebne relativnosti koja je spojila vrijeme i tri prostorne dimenzije prostora u jedan četverodimenzionalni kontinuum sada poznat kao Minkowski prostor. Ključna značajka ovog tumačenja je formalna definicija vremenskog intervala. Iako se mjerenja udaljenosti i vremena između događaja razlikuju za mjerenja izvedena u različitim referentnim okvirima, razmak prostorvremena neovisan je o inercijalnom referentnom okviru u kojem su snimljeni.

Minkowskijeva geometrijska interpretacija relativnosti bila je za Einsteinov razvoj Opće teorije relativnosti 1915. godine od vitalne važnosti, gdje je pokazao kako masa i energija zakrivljuju ovo ravno prostorvrijeme do Pseudo Riemannijskog mnogoznačnika.

Ne-relativistička klasična mehanika tretira vrijeme kao univerzalnu količinu mjerenja koja je ujednačena u cijelom prostoru i koja je odvojena od prostora. Klasična mehanika pretpostavlja da vrijeme ima konstantnu stopu prolaska koja je neovisna o stanju gibanja promatrača, ili čak bilo čega vanjskog. Nadalje, pretpostavlja da je prostor Euklidski, tj. pretpostavlja da prostor slijedi geometriju zdravog razuma.



U kontekstu posebne relativnosti, vrijeme se ne može odvojiti od tri dimenzije prostora, jer promatrana brzina kojom vrijeme prolazi za objekt ovisi o brzini objekta u odnosu na promatrača. Opća relativnost, osim toga, pruža objašnjenje kako gravitacijska polja usporavaju prolazak vremena za objekt kakav je promatrač vidio izvan polja.

U običnom prostoru, pozicija se određuje s tri broja, poznata kao dimenzije. U kartezijanskom koordinatnom sustavu, oni se zovu x, y i z. Pozicija u prostorvremenu zove se događaj i zahtijeva četiri broja: trodimenzionalno mjesto u prostoru, plus položaj na vrijeme. Prostorvrijeme je stoga četverodijelno. Događaj je nešto što se događa trenutačno na jednoj točki u prostoru, predstavljenoj sa skupom koordinata x, y, z i t.

Riječ “događaj” koja se koristi u relativnosti ne smije se miješati s upotrebom riječi “događaj” u normalnom razgovoru, gdje bi to moglo značiti “događaj” kao nešto poput koncerta, sportskog događaja ili bitke. To nisu matematički “događaji” u načinu na koji se ta riječ upotrebljava u relativnosti, jer imaju konačno trajanje i opseg. Za razliku od analogija koje se koriste za objašnjenje događaja, poput petardi ili munja, matematički događaji imaju nulto trajanje i predstavljaju jednu tačku u prostor vremenu.

Put čestice kroz prostorvrijeme može se smatrati slijedom događaja. Niz događaja može se međusobno povezati kako bi oblikovao liniju koja predstavlja napredak čestice kroz prostorvrijeme. Ta se crta naziva svjetskom linijom čestice.

Matematički, prostorvrijeme je glatko, što znači da izgleda lokalno “ravno” blizu svake tačke na isti način na koji, na dovoljno malim mjerilima, kugla izgleda ravna. Faktor izuzetno velikih razmjera, c (obično nazvan brzina svjetlosti) odnosi se na udaljenosti izmjerene u prostoru s udaljenosti izmjerenim u vremenu. Značaj ovog faktora skale (gotovo 300.000 km u prostoru ekvivalentan je vremenu od 1 sekunde), uz činjenicu da je prostorvrijeme ravno, podrazumijeva da je kod običnih, nerelativističkih brzina i kod običnih udaljenosti na ljudskoj razini malo toga što bi ljudi mogli promatrati što je vidljivo različito od onoga što bi mogli promatrati da je svijet Euklidski. Tek s pojavom osjetljivih naučnih mjerenja sredinom 1800-ih, kao što je eksperiment Fizeau i Michelson-Morleyov eksperiment, počeli su primijetiti zbunjujuće razlike između promatranja i predviđanja temeljenih na implicitnoj pretpostavci euklidskog prostora.



Svako mjesto prostorvremena označeno je s četiri broja definirana referentnim okvirom: položaj u prostorvremenu (koje se može vizualizirati kao čitanje sata koji se nalazi na svakoj poziciji u svemiru). ‘Promatrač’ sinkronizira satove prema vlastitom referentnom okviru.
U posebnoj relativnosti, promatrač će u većini slučajeva označiti referentni okvir iz kojeg se mjeri skup objekata ili događaja. Ta se upotreba znatno razlikuje od običnog engleskog značenja pojma. Referentni okviri su inherentno nestalkalni konstrukti, a prema ovoj uporabi pojma, nema smisla govoriti o promatraču kao da ima lokaciju. Zamislite da je okvir koji se razmatra opskrbljen s gustom rešetkom satova, usklađenih unutar ovog referentnog okvira, koji se proteže na neodređeno vrijeme kroz tri dimenzije prostora. Nijedna specifična lokacija unutar rešetke nije važna. Kolekcija satova se koristi za određivanje vremena i položaja događaja koji se odvijaju unutar cijelog okvira. Pojam “promatrač” odnosi se na cijeli skup satova koji su povezani s jednim inercijalnim referentnim okvirom. U ovom idealiziranom slučaju, svaka tačka u prostoru ima sat koji je povezan s time, tako da satovi odmah registriraju svaki događaj, bez vremenskog kašnjenja između događaja i njegovog snimanja.

Pravi promatrač, međutim, vidjet će kašnjenje između emisije signala i njegovog otkrivanja zbog brzine svjetlosti. Za sinkronizaciju satova, u redukciji podataka nakon eksperimenta, vrijeme primanja signala bit će ispravljeno tako da odražava njegovo stvarno vrijeme da je snimljeno idealiziranom rešetkom satova.

U mnogim knjigama o posebnoj relativnosti, posebno starijima, riječ “promatrač” koristi se u uobičajenijem smislu riječi. Obično je jasno iz konteksta koje je značenje prihvaćeno.

Fizičari razlikuju ono što neko mjeri i ono šta neko opaža (nakon što je faktorizirao kašnjenje propagacije signala), u odnosu na ono što vizualno vidi bez takvih ispravaka. Nerazumijevanje razlike između onoga što mjeri / promatra u odnosu na ono što se vidi je izvor velike pogreške među početnim studentima relativnosti.



Koncepti u fizici, Konceptualno razumijevanje fizike, Moderna fizika, Najnovija istraživanja i otkrića, Opšta teorija relativnosti, Specijalna teorija relativnosti, Teorija relativnosti, Teorijska fizika

Zašto gravitacija putuje brzinom svjetlosti?

Leave a comment

Slika: Dvije neutronske zvijezde se sudaraju; rezultujući gravitacijski talas se prostire brzinom svetlosti. (Kredit: Nacionalna naučna fondacija / LIGO / Državni univerzitet Sonoma / A. Simonne)

Mrtve jezgre dvije zvijezde su se sudarile prije 130 miliona godina u dalekoj galaksiji. Sudar je bio toliko ekstreman da je izazvao bore u prostor-vremenu – gravitacioni talas. Taj gravitacioni talas i svjetlost od zvezdane eksplozije su putovali zajedno u kosmosu. Oni su stigli na Zemlju istovremeno u 6:41 sati istočno 17. avgusta 2017. godine.

Događaj je izazvao naslove širom svijeta kao zoru “multimessenger astronomije”. Astronomi su čekali generaciju za ovaj trenutak. Ali to je bila i prva direktna potvrda da gravitacija putuje brzinom svetlosti.

Brzina gravitacije

Svi znamo da svjetlost pokriva ograničenje brzine – otprilike 300 000 km u sekundi. Ništa ne putuke brže. Ali zašto bi gravitacija putovala istom brzinom?

To pitanje zahteva poznavanje opšte teorije relativitets Alberta Ajnštajna ili teoriju gravitacije – istu teoriju koja je prije 100 godina predvidjala gravitacione talase.

Ajnštajn je odbacio ideju Isaka Newtona o “apsolutnom vremenu”. Njutn je razmišljao o tome kako je vreme išlo na sve strane istovetnim tempom – bez obzira na to kako smo mi smrtnici to shvatili. Bilo je beskrajno. Tim razmišljanjem, jedna sekunda na Zemlji je jedna sekunda u blizini crne rupe (za koju nije znao da postoji).

Njutn je takođe smatrao da gravitacija deluje odmah. Udaljenost nije važna.

Sve je relativno

Ali onda je Ajnštajn pokazao da je vrijeme relativno. To se mijenja brzinom i prisustvom gravitacije. Jedna od posljedica toga je da ne možete imati istovremene akcije na daljinu. Dakle, informacije bilo koje vrste imaju ograničenu brzinu, bilo da je to foton – čestica koja nosi svjetlost – ili graviton, koji nosi silu gravitacije.

U relativnosti postoji ” brzina informacija”- maksimalna brzina kojom možete da šaljete informacije od jedne do druge tačke”, kaže fizičar Univerziteta u Viskonsinu i Milvokiju Jolien Creighton, stručnjak za opću relativnost i član LIGO tima koji je prvi primjetio gravitacione talase.

Creighton objašnjava da u elektromagnetizmu, kada protresete elektron, stvarate promjenu u električnom polju koja se prostire brzinom svjetlosti. Gravitacija radi na isti način. Protresite masu i promenu gravitacionog polja – gravitacioni talas – propagira sa istom brzinom.

“Dakle, činjenica da je brzina gravitacionih talasa jednaka brzini elektromagnetnih talasa je jednostavno zato što oboje putuju brzinom informacija.”, kaže Creighton.

Postoji i lak način da se ovo vidi. Zamislite da je Sunce sada nestalo. Zemlja se ne bi odmah pomjerala u svemir. Poslje osam minuta, Zemlja bi bila mračna i istovremeno se odgurnula po pravoj liniji.

Izvor: discovermagazine.com

fenomeni u fizici, Konceptualno razumijevanje fizike, Misaoni eksperimenti, Misterije u fizici, Paradoksi u fizici, Specijalna teorija relativnosti

Šta se dešava ako putujete brzinom svetlosti i uključite svoje farove?

Leave a comment
Jedno od najpopularnijih pitanja za fizičare je: “Šta se događa ako vozite brzinom svetlosti i uključite svoje farove?” Jednostavan odgovor: Ne možete. Nemojte ni pokušavati.
Nažalost, fizika nas uči da smo zauvek ograničeni na brzinu kretanja manju od brzine svjetlosti. Da li smo samo zatvorenog uma? Uvijek postoje ljudi koji su skeptični za ono šta nam  jednačine fizika sugerišu, bez obzira na druge dokaze.
Na primjer, dolaskom nuklearnog oružja i moći potvrđena je Einsteinova ideja o povezanosti mase i energije, a i danas mnogi tvrde da je E = m*c*c pogrešno.
Bez dugog izvođenja i dokazivanja, dati ću vam nekoliko zapažanja i nadam se da će to biti dovoljno. Specijalna relativnost predviđa da ako uzmete masivnu česticu i nastavite da primenjujete silu na njoj, ona ide brže i brže, polako se približava brzini svetlosti, ali nikad ju ne dostiže. Upravo sada, na primjer, veliki Hadronski kolajder ima protone koji se kreću na nevjerovatnih 3,5 TeV kinetičke energije (Kinetička energija je proporcionalna proizvodu mase i brzine kretanja, što je viša brzine, veća je energija). To znači da protoni putuju s 99,999994% brzine svetlosti, a kada LHC bude radio punom snagom (oko dvostruko više energije), protoni će ići brže, ali čak i tada, manje od brzine svetlosti. Kod ovih brzina, razlika između “kretanja brzinom svjetlosti” i “malo ispod nje” može izgledati zanemariva, ali čini svet razlike.
Uvek moramo prihvatiti mogućnost da možemo pogrešiti, ali u ovom slučaju ima toliko dokaza da smo u pravu! Sudarači čestica u stvari ne bi radili ako bi relativnost bila pogrešna. U tom smislu, ni GPS uređaji. Michelson i Morley pronašli su 1887. godine da svetlost putuje istom brzinom za sve posmatrače, rezultat koji nema smisla, osim ako je specijalna relativnost tačna. Sva savremena fizika (i tehnologija) izgrađena je na  specijalnoj teoriji relativnosti, a do sada je dokazano da je nevjerojatno tačna. Drugim riječima, imate veliku prepreku za prevazilaženje ako želite dokazati da Einstein  nije upravu.
Jedan od razloga zbog kojih su ljudi toliko zbunjeni oko ovog aspekta relativnosti jeste to što se kosi sa svakodnevnim iskustvom. Ako sam u autu sa brzinom od 60 km / h i iz njega izbacim kuglu sa brzinom od 90 km / h iz, neko ko stoji pored staze će videti kuglu koja se kreće na 150 km/h (60 + 90). Izgleda da ista logika  treba raditi sa svetlom, ali ne radi.
Čudne stvari se dešavaju kada se približite brzini svetlosti i postanu nepoznate kada shvatite da su vas profesori fizike u srednjoj školi (možda slučajno) lagali. Mnogi od vas su zaljubljenici u znanstvenu fantastiku, pa pretpostavljam da ste bar jednom u svojim životima naučili jednačinu Njutnove sile, F = m*a. Dešifrujući znakove u ovoj jednaćini, to znači da ako primenite konstantnu silu (F) čestici mase m, trebalo bi da ima konstantno ubrzanje a. Uzimajući ovo u  krajnosti, ako primenim silu dovoljno dugo i čestica nastavi da ubrzava, eventualno bi trebalo da prekorači brzinu svetlosti! Njutnova  jednačina sile (barem u formi kako se normalno koristi) je pogrešna.
Ali šta se onda događa kada se približite brzini svetlosti i uključite svoje farove? Odgovor: ništa, ili barem ništa posebno. Ako bi ste držali ogledalo ispred sebe, izgledali biste tačno isto kao i uvek. Zapravo, jedna od iznenađujućih stvari o specijalnoj relativnosti je da ako niste gledali celu scenu koja vas je prošla, niste mogli reći da se uopšte krećete.
Ali iz perspektive ljudi koji stoje i sa strane posmatraju, stvari izgledaju stvarno kul. Stacionarni posmatrači primetili bi da je vaš cjelokupni svemirski brod (ili raketa, ili šta god da vozite sa brzinom svetlosti od 99%) sužen  duž vašeg kretanja. Ako stojite na pravi način, izgledat će kao da ste izgubili težinu i da je vaše tijelo sravnjeno ispod ogromnog kamena.
Takođe će videti da vaši satovi – vaši otkucaji srca, vaš govor, vaši računarski ciklusi – sporo rade. Ovo je tačno, ali potpuno neupadljivo u svakodnevnom životu. Tipično na Zemlji, to je efekat oko 1 dela u kvadrilionu, ali sa 99% brzinom svetlosti, izgledati će da se krećete sa samo 1/7 brzine. Kontrakcija dužine i proširenje vremena sabiru se (van matematičke nužnosti) da bi postigli da se vaši farovi kreću brzinom svetlosti nekome ko vas gleda sa strane. Ali, baš kao što bejzbol lopta dobija dodatnu  energiju kada ju bacite na voz da se s njim kreće(što ne biste trebali, ni slučajno), svetlost isto dobija dodatnu energiju. Razlika je u tome što ne ide brže; samo izgleda razmrskano. U tom slučaju, vaša prednja svetla bi se promjenila talasnu dužinu i iz vidljivog spektra se pomjerila u ultraljubičastu svjetlost.
Čudan je i slučaj dve svemirske letelice koje putuju jedna prema drugoj, svaka od njih s brzinom 99% brzine svetlosti. Zdrav razum bi diktirao da kapetan svakog broda treba da vidi drugog da se kreće prema njemu brže od brzine svetlosti. Ne baš! Jedan od rezultata konstantne brzine svetlosti jeste da će sve relativne brzine biti manje nego što mislite. U ovom slučaju, na primer, svaki kapetan bi video onoga drugog da se kreće prema njemu sa  samo 99,995% brzine svetlosti.
Vratimo se prvobitnom pitanju (koje je, slučajno, toliko iznenađujuće dobro da je to jedno od onih koje si je Ajnštajn postavljao kao mlad čovek), šta bi se dogodilo ako biste mogli da dođete do brzine svetlosti? Dok se približavate brzini svetlosti, vrijeme prolazi sporije i sporije u poređenju sa stacionarnim posmatračima. Dakle, ako vam je zaista potreban odgovor na prvobitno pitanje, to znači da ako stvarno pogodite brzinu svetlosti, vreme će se zaustaviti u potpunosti, što znači da se ništa ne može dogoditi. Ali to je u redu, jer svakako ne možete postići brzinu svjetlosti.
Izvor: http://io9.gizmodo.com/5527521/what-happens-if-youre-traveling-at-the-speed-of-light-and-turn-on-your-headlights
 
Eksperimentalna fizika, Eksperimentalne metode fizike, Specijalna teorija relativnosti

Koja je najveća brzina u prirodi? Koliko iznosi brzina svjetlosti i kako to znamo?

Leave a comment

Brzina svjetlosti

 
 

 

Sunčevoj svjetlosti je potrebno 8 minuta i 19 sekundi da bi stigla do Zemlje (udaljenost od 150 milijuna kilometara)

Brzina svjetlosti je brzina širenja elektromagnetskih valova. Brzina svjetlosti u vakuumu osnovna je prirodna konstanta koja iznosi:

Iz teorije elektromagnetizma Jamesa Clerka Maxwella proizlazi da je brzina svjetlosti u vakuumu povezana s drugim dvjema prirodnim konstantama, električnom permitivnošću ε0 i magnetskom permeabilnošću μ0 vakuuma:

Prema teoriji relativnosti to je najveća moguća brzina u realnome prostorno-vremenskom kontinuumu. U relativističkoj jednadžbi:

brzina svjetlosti je konstanta razmjernosti (proporcionalnosti) koja povezuje masu m i energiju E.

U drugim je optičkim sredstvima, zraku, vodi, staklu i drugim, brzina svjetlosti manja i ovisi o relativnoj dielektričnoj permitivnosti εr i relativnoj magnetskoj permeabilnosti μr tog sredstva:

Povijest

Prije prvih znanstvenih pokušaja mjerenja brzine svjetlosti, najveće rasprave su se vodile oko toga putuje li svijetlost konačnom brzinom, ili se širi prostorom trenutačno (beskonačno brzo).

Rømerov pokušaj mjerenja

 

Skica Rømerove metode za određivanje brzine svjetlosti na osnovi kašnjenja zalaska Jupiterova mjeseca Ioa

Danski astronom Ole Rømer je 1675. ustanovio da trenuci opažanja okultacija (kad se nebesko tijelo, gledano sa Zemlje, skriva iza drugog) Jupiterovih satelita (primjer je Io) ovise o brzini širenja svjetlosti. Do tada se smatralo da se svjetlost širi beskonačnom brzinom. Kada se Zemlja nalazi u položaju 1. (vidi sliku dolje), promatrač nalazi da do okultacija dolazi u jednakim vremenskim razmacima, tada se Zemlja niti približava niti udaljava od Jupitera. U položaju 2. Zemlja se udaljava od Jupitera, a promatrač nalazi da trenuci okultacije kasne. Razlog je u tome što je svjetlosti potrebno dodatno vrijeme da prevali povećanu udaljenost do Zemlje. Zamislimo da smo najprije promatrali okultacije u položaju 1., te da smo se premjestili zajedno sa Zemljom u položaj 3., a da putem nismo promatrali okultacije! Znajući u kojim su se razmacima vremena okultacije pojavljivale u položaju 1., predvidjeli bismo vrijeme okultacije kada se nađemo u položaju 3. No do nje ne bi dolazilo još toliko vremena koliko je svjetlosti potrebno da prevali udaljenost od položaja Zemlje 1. do položaja Zemlje 3, a to je duljina 2a. Rømer je izmjerio da ukupno kašnjenje iznosi oko t = 1 000 sekundi. Za brzinu svjetlosti izlazi:

 

gdje je: c – brzina svjetlosti, a – udaljenost Zemlje od Sunca, t – vrijeme kašnjenja svjetlosti.

Brojčana vrijednost brzine svjetlosti izravno ovisi o točnosti s kojom je poznata srednja udaljenost do Sunca (u ono vrijeme poznata kao 140 milijuna kilometara). Zapazimo da omjer brzine svjetlosti i brzine Zemlje ne ovisi o srednjoj udaljenosti do Sunca. Naime, kako je brzina gibanja Zemlje po stazi jednaka v = 2aπ / Z, gdje je Z siderička godina, to je:

gdje je: c – brzina svjetlosti, v = brzina gibanja Zemlje, a – udaljenost Zemlje od Sunca, Z – siderička godina Zemlje, π = 3.14, t – vrijeme kašnjenja svjetlosti.

Rømer je vršio mjerenja oko 8 godina i omjer c : v je izašao oko 7600. Današnje vrijednosti su 299 792 km/s : 29,8 km/s ≈ 10,100. Ustvari Rømer nije napravio nikakav proračun i nije procijenio brzinu svjetlosti. Na osnovi njegovih mjerenja to je obavio Christiaan Huygens i on je dobio za oko 25 % manju vrijednost od današnjih mjerenja. Značajno je da je Rømer dokazao da je brzina svjetlosti konačna. Njegovi rezultati nisu u početku prihvaćeni, sve dok James Bradley 1727. nije otkrio aberaciju svjetlosti. 1809. francuski astronom Jean-Baptiste Joseph Delambre je ponovio Rømerova mjerenja, koja su tada obavljena s mnogo točnijim mjernim instrumentima i dobio za brzinu svjetlosti oko 300 000 km/s. On je ustvari izmjerio da svjetlost putuje sa Sunca do Zemlje 8 minuta i 12 sekundi (stvarna vrijednost je 8 minuta i 19 sekundi).

Mjerenja na Zemlji

Glavni problem s prvim zemaljskim (terestičkim) mjerenjima je bio što su znanstvenici u eksperimentima mogli proučavati rasprostiranje svjetlosti na relativno malim udaljenostima.

Prvi važniji pokušaj je proveo Hippolyte Fizeau pomoću uređaja s rotirajućim zupčanikom kroz čije zupce je propuštao svjetlost. Mjerenjima je dobio vrijednost od oko 313 300 km/s.

Američki fizičar Michelson za svoja je mjerenja svjetlosti u razdoblju od 1880. do 1920. primio Nobelovu nagradu za fiziku. Koristio se osmostaničnim rotirajućim zrcalom i izvorom svjetlosti udaljenim oko 35 km. Svojim mjerenjima je dobio vrijednost od oko 300 000 km/s.

Poslije je s kolegom Edwardom Morleyem proveo čuveni Michelson-Morleyev pokus, u kojem su dokazali da brzina svjetlosti ne ovisi o izvoru niti o brzini kretanja izvora.

Suvremena mjerenja su utvrdila brzinu svjetlosti na točno 299 792 458 m/s.

Uloga u fizici

Granična brzina

Prema posebnoj teoriji relativnosti, energija predmeta mase m i brzine v dana je jednadžbom γmc2, gdje je γ Lorentzov faktor. Ako tijelo miruje, v je jednaka nuli, pa je γ jednak 1, iz čega slijedi E = mc2, koji definira ekvivalenciju mase i energije. γ se približava beskonačnosti kako se v približava c, pa bi bila potrebna beskonačna količina energije kako bi objekt mase m dostigao brzinu svjetlosti. Drugim riječima, masa m tijela koje miruje manja je od mase m0 tijela koje se kreće: sukladno formuli

. To znači da što je tijelo brže, i što se više približava brzini svjetlosti, treba mu sve više energije kako bi svoju, sve veću masu, uspjelo ubrzati. Brzina svjetlosti je time gornja granica brzine za objekte koji posjeduju masu, pa zbog toga pojedinačni fotoni ne mogu putovati brzinama većim od brzine svjetlosti. Ovo je eksperimentalno dokazano u mnogim testiranjima relativističke energije i momenta.

Izvori

  1. brzina svjetlosti, “Hrvatska enciklopedija”, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
  2. Vladis Vujnović : “Astronomija”, Školska knjiga, 1989.
  3. It’s official: Time machines won’t work, Los Angeles Times, pristupljeno 25. srpnja 2011., pristupljeno 8. prosinca 2016. (engl.)
  4. HKUST Profesori dokazali da fotoni ne nadilaze brzinu svjetlosti, pristupljeno 8. prosinca 2016. (engl.)
  5. Fowler, M (March 2008). Notes on Special Relativity. University of Virginia. pristupljeno 7. svibnja 2010.

Glavni izvor: Tekst je u cjelosti kopiran sa Wikipedie!

Atomska fizika, Eksperimentalna fizika, Fizika elementarnih čestica, Specijalna teorija relativnosti, Teorijska fizika

Postoje li čestice bez mase?

Leave a comment

U fizici čestica, čestica bez mase je elementarna čestica čija invarijantna masa je nula. Dvije poznate bezmasene čestice su obe gauge bozoni: foton (nosilac elektromagnetizma) i gluon (nosilac jake sile). Međutim, gluoni se nikad ne posmatraju kao slobodne čestice, jer su ograničeni unutar hadrona. Za neutrine se prvobitno mislilo da su bez mase. Međutim, budući da neutrini mijenjaju “boju” dok putuju, najmanje dvije vrste neutrina moraju imati masu. Otkriće ovog fenomena, poznato kao neutrinska oscilacija, dovela je do toga da kanadski znanstvenik Arthur B. McDonald i japanski naučnik Takaaki Kajita podijele 2015. Nobelovu nagradu za fiziku.

Ime Simbol Antičestica Naboj (e) Spin Interaction mediated Postojanje
Foton γ Sam sebi 0 1 Elektromagnetizam Potvrđeno
Gluon g Sam sebi 0 1 Jaka interakcija Potvrđeno
Graviton G Sam sebi 0 2 Gravitacija Unconfirmed

Specijalna teorija relativnosti

Ponašanje bezmasene čestica se razumije na osnovu posebne relativnosti. Na primjer, ove čestice moraju uvijek da se kreću brzinom svjetlosti. U tom kontekstu, one se ponekad nazivaju luksoni da bi se razlikovali od bradiona i tahiona.

Dinamika

Bezmasene čestice doživljavaju isto gravitaciono ubrzanje kao i druge čestice (što
pruža empirijske dokaze za princip ekvivalencije), jer one imaju relativističke mase, to je ono što djeluje kao gravitacioni naboj. Tako, okomite komponente sile koje djeluju na bezmasene čestice jednostavno menjaju pravac kretanja, promjena kuta u radijanima kao GM / RC2 sa gravitacionog sočiva, što je rezultat predviđen opštom teorijom relativnosti. Komponenta sile paralelna kretanju i dalje utječe na čestice, ali promjenom frekvencije, a ne brzine. To je zato što impuls bezmasene čestica ovisi samo o učestalosti i pravcu, dok moment masivnih objekat male brzine ovisi o masi, brzini i smjeru. Bezmasene čestice se kreću po ravnim linijama u prostor-vremenu pod nazivom geodezije, i gravitaciona sočiva se oslanjaju na zakrivljenost prostor-vremena. Interakcija gluon-gluon je malo drugačija: gluoni međudjeluju jedni na druge, ali zato što je ubrzanje paralelno liniji koja ih povezuje (iako ne u simultanim trenucima), ubrzanje će biti nula, osim ako gluoni kreću u smjeru okomitom na liniju koja ih povezuje, tako da je brzina okomita na ubrzanje.

Gravitoni

Teorije koje pretpostavljaju da je gravitacija kvantizirana uode gravitone – bezmasene tenzore bozona (sa spinom 2) koji posreduju gravitacionu interakciju. Nema direktnih eksperimentalnih dokaza koji podržavaju njihovo postojanje. Međutim, indirektni dokazi gravitona su možda gravitacioni talasi.

Izvor: https://en.wikipedia.org/wiki/Massless_particle

Filozofija, Filozofija fizike, Koncepti u fizici, Konceptualno razumijevanje fizike, Opšta teorija relativnosti, Specijalna teorija relativnosti

Šta je to prostor-vrijeme?

1 Comment

Prostor-vreme 

 

Prostor-vreme u fizici je četvorodimenzionalni kontinuum u kojem se kombinuju tri dimenzije prostora i dimenzija vremena radi geometrijskog predstavljanja kretanja. Svaka tačka u toj geometrijskoj predstavi je jedan događaj i sve skupa predstavljaju „svet“ kroz vreme. Putanje u kontinuumu predstavljaju dinamične istorije čestica u pokretu, tako da pravolinijske putanje odgovaraju jednoličnim kretanjima, trodimenzionalni preseci temporalnim konstantnim vrednostima, predstavljajući zajedno izgled prostora u određenom momentu.

Izvori

  1. Audi, Robert. The Cambridge Dictionary of Philosophy – odrednica spacetime. Cambridge University Press 1995., 1999.

Glavni izvor: Tekst je u cjelosti kopiran sa wikipedije!