A fénysebességhez közeli mozgás az időt az utazó számára érzékelhetően eltérően változtatja meg, szemben az állandó referenciakeretben lévővel. De sem az iker paradoxon, sem a Michelson-Morley kísérlet nem az, ami Einstein magját ültette a relativitáselmélet fejlesztéséhez. (TWIN PARADOX, VIA TWIN-PARADOX.COM)

A relativitás nem Einstein csoda volt; 71 éve sima látásban várt

Faraday indukciós törvényét 1834-ben fogalmazták meg, és ez a kísérlet vezette Einsteint a relativitáselmélet felfedezéséhez.

Amikor Einsteinre és a relativitáselméletre gondolunk, mindenféle legenda körülveszi. Mi ösztönözte őt arra a gondolatra, hogy nem létezik éter vagy közeg a fény áthaladásához? Mi vezetett ahhoz az ötlethez, hogy a fénysebesség állandó, változatlan mindenki számára, függetlenül attól, hogy miként mozognak egymáshoz képest?

Sok nagy előrelépés történt, amelyre az emberek szeretnének rámutatni. Volt egy Michelson-Morley kísérlet, amely mozgást keresett az éteren keresztül, és egyiket sem észlel. Lorentz és Fitzgerald munkája megmutatta, hogy a hosszúságok összehúzódtak és az idő tágult, amikor a fénysebességhez közeledtél. És ott volt Maxwell munkája, aki évtizedekkel korábban egyesítette az elektromosságot a mágnesességgel.

De nem ezek közül egyik volt. Maga Einstein szerint Faraday 1834-es kísérlete volt. Az elektromágneses indukció törvénye volt.

Részlet egy Michael Faraday litográfiájáról, amely karácsonyi előadást tart a 1856 körül körüli Királyi Intézetben (ALEXANDER BLAIKLEY)

Michael Faraday volt a 19. század legnagyobb fizikusa, ám nagyszerű volt olyan módon, amelyet gyakran nem értékelünk. Ma elutasíthatjuk őt pusztán óvónőként, mert nagy sikerei nem egyenletekben vagy kifejezetten mennyiségi előrejelzésekben, hanem inkább azokban az eredményekben alapultak, amelyeket ötletes kísérleti beállításai mutattak be.

Abban az időben, amikor az elektromos áramot először kihasználták, és alkalmazása még gyerekcipőben volt, Faraday mély igazságokat tárt fel a villamos energia összekapcsolt természetéről a mágnesességgel.

Mágneses mező vonalak, amint azt egy oszlopmágnes szemlélteti: egy mágneses dipólus, az északi és a déli pólus kötésével. Ezek az állandó mágnesek továbbra is mágnesezve maradnak, még a külső mágneses mezők eltávolítása után is. Nem vette észre, hogy a mágnesesség és az elektromosság évszázadok óta kapcsolódik egymáshoz. (NEWTON HENRY FEKETE, HARVEY N. DAVIS (1913) GYAKORLATI FIZIKA)

Az elektromosság és a mágnesesség nem mindig volt összekapcsolva. Valójában eredetileg teljesen független jelenségként kezelték őket.

  • A villamos energia azon töltött részecskék fogalmán alapult, amelyek állhatnak (ahol vonzódnak vagy visszataszítanak), vagy mozgásban lehetnek (ahol elektromos áramot hoznak létre), a statikus elektromosság példája az előbbinek, a villám pedig a utóbbi.
  • A mágneseséget állandó jelenségként kezelték, ahol bizonyos ásványok vagy fémek tartósan mágnesezhetők voltak, és maga a Föld is állandó mágnesnek tekintették, lehetővé téve az iránytű irányítását.

Csak 1820-ban, az Oerstad kísérlettel kezdtük megérteni, hogy ez a két jelenség összekapcsolódott.

Az Øersted kísérlet végrehajtására szolgáló iskolai készülék, amely bizonyítja, hogy az elektromos áram mágneses tereket hoz létre, először Hans Christian Øersted dán tudós 1818. április 21-én készítette. Egy vezető huzalból áll, amely egy iránytű tűn van felfüggesztve. Ha az ábrán látható módon egy elektromos áram halad át a huzalon, az iránytű tű derékszögbe hajlik a vezetékkel. (AGUSTIN PRIVAT-DESCHANEL)

Ha az iránytűt egy vezetékhez helyezi, amelyen át áramot hajtottak át, akkor az iránytű tűjének mindig a drótra merőleges irányba való eltolódása van. Valójában ezt annyira várták, hogy a kísérlet első alkalommal a tűt eredetileg a huzalra merőlegesen állították fel, és nem figyeltek meg hatást. Az elvárás az volt, hogy a tű inkább az elektromos árammal igazodjon, és ne merőleges legyen rá.

Jó dolog azoknak a tinédzsereknek, akik úgy gondolták, hogy megkísérlik a kísérletet a vezetékhez igazított tűvel, és megfigyelték az első kapcsolatot az elektromosság és a mágnesesség között. A kísérlet eredménye valami forradalmi mûveletet mutatott: egy elektromos áram vagy mozgó elektromos töltések mágneses teret generáltak. A következő lépés, amelyet Faraday tett, még forradalmasabb lenne.

Az elektromágneses indukció fogalma, rúdmágnes és huzalhurok segítségével bemutatva. (RICHARD VAWTER, NYUGAT-WASHINGTON EGYETEM)

Lehet, hogy hallottál már Newton harmadik mozgás törvényéről: minden fellépés esetén egyenlő és ellentétes reakció van. Ha egy tárgyhoz nyomsz, akkor az az egyenlő és ellentétes erővel visszaszorít téged. Ha a Föld a gravitáció miatt leránt, akkor a Földet azonos és ellentétes erővel kell felhúznia, szintén a gravitáció miatt.

Nos, ha egy huzalon belüli mozgó elektromos töltés mágneses teret generálhat, akkor talán az egyenlő és az ellenkezője igaz: ha a mágneses teret megfelelő módon generáljuk, akkor az elektromos töltések vezethetnek a vezetéken belül, és ezzel áramot hozhatnak létre? Faraday maga végezte el ezt a kísérletet, és megállapította, hogy ha megváltoztatja a huzalhurok belsejében a mágneses teret úgy, hogy egy állandó mágnest be-vagy be mozgat, akkor elektromos áramot generál maga a hurokban.

A Faraday indukciós törvényének egyik legkorábbi alkalmazása az volt, hogy megjegyezzék, hogy a huzaltekercs, amely mágneses teret hoz létre a belső részben, mágnesezheti az anyagot, megváltoztatva annak belső mágneses mezőjét. Ez a változó mező ezután áramot indukál a mágnes másik oldalán lévő tekercsben, és a tű jobb oldalán elhajlik. A modern induktorok továbbra is ugyanazon az elvre támaszkodnak. (A WIKIMEDIA KÖZÖS FELHASZNÁLÓI EVIATAR BACH)

Miután sokféle módon megkísérelte a kísérleti beállítást, képes volt bebizonyítani, hogy ez hogyan működik részletesen.

  • Amikor megváltoztatta a hurok vagy huzaltekercs mágneses mezőjét, akkor olyan elektromos áramot indukál, amely ellenzi a mező változását.
  • Ha egy vasgyűrűt két huzalhurok körül helyezne, és az egyik hurkon keresztül áramot vezetne, akkor a másik hurokban áramot generál.
  • Ha egy réz (vezető) tárcsát egy rúdmágnes közelében elforgatott egy elektromos vezetékkel, akkor állandó elektromos áramot generálhat; ez volt az első elektromos generátor találmánya.
  • És ha az áramvezető huzaltekercset áthelyezte egy huzaltekercs belsejébe vagy onnan kívül, és nincs áram rajta, akkor a nagyobb tekercsben elektromos áram alakul ki.
Az egyik Faraday 1831-es kísérlete, amely indukciót mutat be. A folyadék akkumulátor (jobbra) elektromos áramot továbbít a kis tekercsen (A). Amikor a nagy tekercsbe (B) be vagy be mozgatják, a mágneses tere egy pillanatnyi feszültséget indukál a tekercsben, amelyet a galvanométer észlel. (J. LAMBERT)

Ezt Faraday indukciós törvényének hívták, és 1834-ig ezen a szinten jól megértették. Einstein először erre a jelenségre gondolkodva kezdett feltárni a relativitáselmélet elvét. Képzelje el a következő két beállítást, mindkettő vonalmágnest és huzaltekercset tartalmaz:

  1. Van egy rögzített, rögzített huzaltekercs és egy rúdmágnes, amelybe be lehet mozgatni a huzaltekercsbe vagy onnan. A mágnest állandó sebességgel mozgatja a tekercsbe, és figyeli, hogy az elektromos áram megjelenik-e a tekercsben.
  2. Van egy rögzített, álló rúdmágnesed és a huzaltekercs, amelyet szabadon mozgathat a mágnesre vagy onnan. A tekercset állandó sebességgel mozgatja a mágnesre, és figyeli, hogy az elektromos áram megjelenik-e a tekercsben.

Ha gondolkodunk erre a két forgatókönyvre relativitásellenőrzés nélkül, akkor rendkívül eltérő következményekkel járnának a fizikai eseményekre vonatkozóan.

Ha egy mágnest egy hurokba vagy huzaltekercsbe (vagy onnan kívül) mozgat, a mező körül a vezető körül megváltozik, ami erőt okoz a töltött részecskékre és indukálja azok mozgását, áramot generálva. A jelenségek nagyon különböznek, ha a mágnes álló és a tekercs mozgatva van, de a generált áramok azonosak. Ez volt a relativitáselmélet leugró pontja. (OPENSTAXCOLLEGE az OPENTEXTBC.CA-nál, CC-BY-4.0 alatt)

Amikor mozgatja a mágnest egy álló, vezető tekercsre, a mágnes látja, hogy egy bizonyos mennyiségű energiával egy elektromos mező keletkezik, és ez a mező egy áramot generál a vezetőben, amely a mágnes által generált mező energiájától függ. Ez megfelel a fenti 1. esetnek.

De ha ehelyett helyben tartaná a mágnest, és mozgatná a vezetőt, akkor nem lépne fel elektromos mező a mágnes körül. Ehelyett az történik, hogy egy olyan feszültséget (vagy elektromotoros erőt) kap a vezetékben, amely egyáltalán nem rendelkezik vele járó megfelelő energiával. Ez megfelel a fenti 2. esetnek.

Kísérletileg azonban mindkét beállításnak ekvivalensnek kell lennie. ugyanolyan nagyságrendű és intenzitású elektromos áramot termelnek a huzaltekercsekben. Ez a felismerés, mint bármely más, vezette Einsteint a relativitáselmélet elvéhez.

A két tükrök között ugráló foton által alkotott fényóra meghatározza az összes megfigyelő számára az időt. Noha a két megfigyelő esetleg nem ért egyet egymással abban, hogy mennyi idő telik el, megegyeznek a fizika törvényeiben és az Univerzum állandóiban, például a fénysebességben. Ha a relativitáselméletet helyesen alkalmazzák, akkor méréseik egyenértékűek lesznek egymással. (JOHN D. NORTON)

Az elv elsősorban elismeri, hogy nincs abszolút pihenőhely. A relativitás azt írja elő, hogy minden megfigyelő, függetlenül attól, hogy milyen gyorsan vagy milyen irányba haladnak, ugyanazokat az elektromos és mágneses törvényeket, valamint a mechanika törvényeit fogja látni.

A mai relativitáselméletről beszélve szinte mindig megvitatjuk a Michelson-Morley kísérletet, amely azt mutatta, hogy a fénysebesség nem változott, függetlenül attól, hogy a Föld mozgásával irányítja-e (amely 30 km / s sebességgel, a Naphoz viszonyítva, vagy a fény sebességének körülbelül 0,01% -a), vagy bármilyen tetszőleges szögben a Föld mozgása szempontjából. Persze, hogy ez világosabbá teheti számunkra, mint módot annak elmagyarázására, hogy a relativitáselméletnek miért van értelme utólag.

De ez csak másodlagos probléma, amint azt maga Einstein az irodalomban, valamint Max Born állította, évekkel később írtak Einsteinről.

A Michelson interferométer (tetején) a fényminta elhanyagolható változását mutatta (alul, szilárd), összehasonlítva azzal, amit elvárhatnánk, ha a Galileai relativitáselmélet valódi lenne (alul, pontozott). A fénysebesség nem változott, függetlenül attól, hogy az interferométer melyik irányba mutat, ideértve a Föld térben történő mozgásától merőleges irányba mutatott szögben, vagy azzal szemben. (MICHELSON ALBERT (1881); MICHELSON A. A. és MORLEY E. (1887))

Ha az Univerzum referenciakerettel rendelkezik, amely különbözik a többitől, akkor végezzen valamilyen mérést, amely megmutathatja neked, hogy a természet törvényei miért különböznek egymástól, ha egy adott sebességgel egy adott irányba haladtál. De ez nem egyezik meg a mi világegyetemmel. Nem számít, milyen gyorsan mozog, vagy milyen irányba halad, a fizika törvényei megegyeznek, és minden elvégzendő fizikai kísérlet ugyanolyan mérhető eredményeket eredményez, és ugyanazokat a fizikai jelenségeket eredményezheti.

Az, hogy hogyan érzékeljük ezeket a jelenségeket, referenciakeretünktől függően eltérő lehet, de ez várható. Csak akkor, ha ezeket a darabokat összeszereltük, és az összes megfigyelőnél megfigyeltük a fénysebesség állandóságát, hogy a relativitáselmélet alapelvből teljes értékű elméletgé nőtte ki magát. 1905-ben Einstein örökre megváltoztatta az Univerzum szemléletmódját, de a magok már 1834-ben ott voltak. A relativitás nem volt csoda. A magoknak csak 71 évbe telik a megfelelő csírázás.

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.