Görelilik İlkesi

Görelilik ilkesi söylüyor doğa kanunlarının aynı form var herkes için gözlemciler . Basit düşünceler, bu nedenle herhangi bir gözlemcinin veya nesnenin tercih edilen veya mutlak bir hareket durumunu belirlemenin imkansız olduğunu göstermektedir . Bu, yalnızca cisimlerin diğer cisimlere göre hareketlerinin belirlenebileceği, tercih edilen bir referans sistemine göre cisimlerin hareketlerinin belirlenemeyeceği anlamına gelir .

In klasik fizikte yanı olduğu gibi görelilik özel teorisinin  (SRT) tasarlanmış tarafından Albert Einstein 1905 yılında , bu ilke başlangıçta sadece geçerli olan atalet sistemleri düzgün hareket ve unaccelerated birbirlerine . Hızlandırılmış referans çerçeveleri de kullanılabilir, ancak içlerindeki doğa yasaları, eylemsiz çerçevelerdekiyle aynı basit forma sahip değildir ve sonuç olarak, ikincisiyle eşit temellerde değildir.

Olarak genel görelilik kuramı  (ART), görelilik ilkesi, burada hızlandırılmış bir referans sistemleri için genişletilir yerçekimi yorumlanabilir bir sonucu olarak atalet kuvvetleri . Bu modern görüşe göre, SRT, yerçekiminin etkisi ihmal edilebiliyorsa, GTR'nin özel durumudur ve şimdi aynı zamanda atalet sistemleri ve hızlandırılmış referans sistemleri için de geçerlidir.

Galileo Galilei (1632) görelilik ilkesini ilk formüle eden kişi olarak kabul edilir. Aklında sadece mekanik süreçler vardı ve hızlanmayan bir geminin güvertesinin altındaki bir gözlemcinin etrafındaki süreçlerden geminin hareket edip etmediğini çıkaramayacağını savundu.

Klasik mekanik

Isaac Newton'dan sonra klasik mekanik , yüzyıllar boyunca mutlak bir uzayın varlığını varsaymıştır. Newton, yaptığı kova deneyi ile bu mutlak uzayın varlığını deneysel olarak kanıtladığına inanıyordu . Bu mekanikte örtük olarak yer alan görelilik ilkesi, düzgün hareket eden eylemsiz sistemlerde , mekaniğin aynı yasalarının ( kovaryans ) mutlak uzayda olduğu gibi geçerli olduğunu ve hangi sistemin fiilen hareketsiz veya hareket halinde olduğunu belirlemenin mümkün olmadığını söyledi. Bu , mutlak uzaya göre hareket eden bir sistem Galileo dönüşümüne tabi tutulursa , klasik mekaniğin formüllerinin geçerliliğini koruduğu anlamına gelir . Newton, Principia'sında şöyle yazdı :

"Belirli bir uzaydaki cisimlerin hareketleri, uzay durağan olsun ya da sürekli düz bir çizgide hareket etsin, aynıdır."

Christiaan Huygens , çarpışma yasalarının türetilmesinde Galilean görelilik ilkesinin yenilikçi bir uygulamasını yaptı (ayrıca bkz . Galilei dönüşümü ).

19. yüzyılda, Maxwell'in elektrodinamik teorisinin kurulmasından sonra , klasik fizik , ışık için iletim ortamı olarak tasarlanan ve sonunda Newton'un mutlak uzayı ile tanımlanan hareketsiz eter teorisine yol açtı . O andan itibaren, görelilik ilkesini de çürütecek olan, dünyanın esire göre hareket durumunu kanıtlamak için bir girişimde bulunuldu. Bununla birlikte, Michelson-Morley deneyi gibi tüm ilgili deneyler  başarısız kaldı.

Özel görelilik ilkesi

20. yüzyılın başında, bu başarısız deneyler görelilik ilkesine daha fazla önem verilmesine ve bu da terimlerin daha net tanımlarının yapılmasına yol açtı. Örneğin Henri Poincare , 1904'te "yalnızca şeyin değil, kelimenin de göründüğü ilk metin"de şöyle yazmıştı :

“Fiziksel süreçlerin yasalarının, sabit bir gözlemci için ve tek biçimli ötelemeyle hareket eden biri için aynı olması gerektiğine göre görelilik ilkesi, öyle ki, böyle bir şeyle meşgul olup olmadığımızı ayırt etmek için hiçbir aracımız veya hiçbir aracımız olamaz. hareket var ya da yok."

Ve Albert Einstein , 1905'te görelilik ilkesini şöyle tanımladı:

"Fiziksel sistemlerin durumlarının değiştiği yasalar, birbirine göre düzgün öteleme hareketinde olan iki koordinat sisteminden bağımsızdır, bu durum değişiklikleri ilişkilidir."

Hendrik Antoon Lorentz , Poincaré ve Einstein da sadece mekaniğin değil aynı zamanda elektrodinamiğin de kovaryansı çağrısında bulundular . Bu değiştirerek elde edilebilir Galileo dönüşümü ile Lorentz transformasyonu . Temel fark, yeni dönüşümde ışık hızının aşılmaz bir sınır hızı temsil etmesidir.

Işık hızına kıyasla küçük olan hızlar için, özel görelilik ilkesi Galileo'nunkine geçer. Ancak Newton'un mutlak uzayı görelilik ilkesiyle çelişir. Einstein bu nedenle özel görelilik kuramıyla mutlak bir referans sistemi olmadığı sonucunu çıkardı. Bu hem uzay hem de zaman için geçerlidir. Hermann Minkowski bunu uzay ve zamanı dört boyutlu uzay - zamanda birleştirerek sürdürdü .

SRT'de görelilik ilkesi başlangıçta yalnızca eylemsiz sistemlerde geçerlidir, çünkü yalnızca onlarda doğa yasaları aynı basit biçimi alır. SRT'nin formalizmi bunun ötesine genişletilebilir, böylece hızlandırılmış referans sistemleri de ele alınabilir, ancak bunlar eylemsiz sistemlerle eşit düzeyde değildir.

Genel görelilik ilkesi

Einstein, özel görelilik ilkesine ek olarak , ister hızlandırılmış ister ivmesiz olsun, tüm referans çerçevelerinde yasaların aynı formu (genel kovaryans) alması gerektiği gerekliliğini ortaya koydu . Bu, herhangi bir deneyin bir kütleden uzakta ağırlıksızlıkta mı yoksa bir kütleye yakın serbest düşüşte mi olduğunu belirleyemeyeceğini belirten eşdeğerlik ilkesinin geçerliliği ile motive edildi . Einstein ayrıca bunun, atalet ve ivmenin yalnızca evrenin kütlelerine göre meydana geldiğine göre Mach ilkesiyle ilgili olduğunu varsayıyordu . 1916'da şunları yazdı:

"Fizik yasaları, keyfi olarak hareket eden referans sistemleriyle ilgili olarak geçerli olacak şekilde olmalıdır. [...] Genel doğa yasaları, tüm koordinat sistemlerine uygulanan denklemlerle ifade edilmelidir, i. H. keyfi ikameler kovaryanttır (genellikle kovaryant). "

Aslında, genel görelilikte (GTR) genel kovaryans elde edilir . Boşluk olduğu fikri Öklid kadar verilebilir zorunda olduğundan, yerçekimi yani gibi bir özellik olarak anlaşılmaktadır eğrilik ve uzay-zaman bir olan açıklama için, sigara Öklid geometrisinin kullanılması gerekir.

Ancak, genel kovaryansı anlamak için aşağıdaki koşulları göz önünde bulundurun:

  • Genel kovaryans , ivmenin göreliliği anlamında bir genel görelilik ilkesiyle otomatik olarak sonuçlanmayan matematiksel bir ilke olarak anlaşılabilir . Çünkü her teori, örneğin SRT ve hatta Newton mekaniği gibi uygun matematiksel çabayla genel kovaryantta formüle edilebilir.
  • Eşdeğerlik ilkesi yalnızca yerel olarak geçerlidir çünkü gelgit etkileri daha büyük mesafelerde meydana gelir. Bu nedenle, SRT, yerçekiminin ihmal edilebileceği ("yerel Lorentz değişmezliği") - yani Riemann eğrilik tensörünün sıfır olduğu alanlarda, "düz" veya Minkovskian uzay-zamanda GTR'nin özel bir durumu olarak yerel olarak da geçerlidir. her yerde.
  • Ayrıca , Mach ilkesini ihlal eden tek bir gövde ataletini kaybetmeden GTR'nin büyük ölçüde malzemesiz çözümleri mümkündür .

Genel olarak konuşursak, “yerçekimi-atalet alanı”, yani hem ivme hem de yerçekimi etkilerinin genel görelilik teorisinde tanımlandığı alan, cisimlerden bağımsız bir varlığa sahiptir. Bu alan, birbirine göre hızlanan iki gözlemciden hangisinin şimdi "gerçekten" veya "kesinlikle" düzgün olmayan bir şekilde hareket ettiğini belirlemek için kullanılabilir. Bununla birlikte, ivmenin tamamen görelileştirilmesinden vazgeçmek, mutlak bir uzayın varlığını kanıtlamaz, çünkü bahsedildiği gibi "Gravito-Inertialfeld" madde olmadan da var olmasına rağmen, maddenin varlığında hala etkisine tabidir - aksine Newton'un mutlak uzayına göre, Maddeninki etkilenmeden kalır.

Galileo'nun gemisi

Aşağıda, Galileo'nun s. 197 vd. açıklamasından bir alıntı yer almaktadır:

“Büyük bir geminin güvertesi altında, mümkün olduğunca geniş bir odada bir arkadaşınızın refakatinde kendinizi kilitleyin. Sivrisinekleri, kelebekleri ve benzeri uçan hayvanları oraya götürün; ayrıca içinde su ve küçük balık bulunan bir kap sağlayın; ayrıca üstte küçük bir kova asılıdır, bu da suyun altına yerleştirilmiş ikinci bir dar boyunlu kaba damla damla damlamasını sağlar. Şimdi, gemi durduğu sürece, uçan küçük hayvanların odanın her tarafına aynı hızda nasıl uçtuğunu dikkatlice izleyin. Balıkların hiçbir fark olmaksızın her yöne nasıl yüzdüğü görülecektir; düşen damlaların tümü aşağıdaki kaba akacaktır. Eğer arkadaşınıza bir cisim fırlatırsanız, mesafelerin eşit olması koşuluyla, bir yöne diğerinden daha güçlü bir şekilde fırlatmanız gerekmez. Dedikleri gibi, aynı ayaklarla zıplarsanız, her yöne eşit mesafe alırsınız. Tüm bunlardan emin olmak için dikkatli olun, ancak gemi hareketsizken her şeyin böyle olduğuna hiç şüphe yok. Şimdi geminin herhangi bir hızda hareket etmesine izin verin: Bahsedilen fenomenlerin hiçbirinde en ufak bir değişiklik görmeyeceksiniz - sadece hareket tek biçimliyse ve burada ve orada dalgalanmıyorsa. Bunların hiçbirinden geminin hareket edip etmediğini veya hareketsiz durduğunu çıkaramazsınız. […] Tüm fenomenlerin bu çakışmasının nedeni, geminin hareketinin, hava da dahil olmak üzere, içindeki her şeyde ortak olmasıdır. Bu nedenle, güverte altına inilmesi gerektiğini de söyledim, çünkü geminin seyrine eşlik etmeyen açık havada, bahsedilen bazı fenomenlerde az çok belirgin farklılıklar olacaktır.

Bireysel kanıt

  1. ↑ Julian Klein (Ed.): PER.SPICE! - Estetiğin gerçekliği ve göreliliği . Araştırma 71, 2009, Böl. Hareket eden cisimlerin dinamiği üzerine. Estetik görelilik kuramının temeli , s. 104-134 ( TheaterDerZeit.de ).
  2. ↑ a b Galileo Galilei: İki ana dünya sistemi, Ptolemaios ve Kopernik üzerine diyalog . BG Teubner, Leipzig 1891, s. 197–198 ( sayısallaştırılmış versiyon [14 Haziran 2020'de erişildi]).
  3. ↑ Max Born: Einstein'ın görelilik kuramı . Springer, Berlin / Heidelberg / New York 2003, ISBN 3-540-00470-X , s. 57-59 .
  4. ^ Newton: Doğa felsefesinin matematiksel ilkeleri ve onun dünya sistemi. Cilt 1, University of California Press 1974 (editör Florian Cajori ), s. 20, bölüm Aksiyomlar veya Hareket Yasaları, Sonuç V: Belirli bir uzaya dahil olan cisimlerin hareketi, o uzay durgun olsun, kendi aralarında aynıdır, veya herhangi bir dairesel hareket olmaksızın sağ bir çizgide düzgün bir şekilde ileri doğru hareket eder.
  5. ↑ Kelimenin tam anlamıyla Albrecht Fölsing'den sonra : Albert Einstein. Suhrkamp Verlag, 1995, ISBN 3-518-38990-4 , s.187 .
  6. ^ Henri Poincaré: Matematiksel fiziğin mevcut durumu ve geleceği . İçinde: Bilimin Değeri (Bölüm 7–9) . BG Teubner, Leipzig 1904, s. 129-159 ( Wikisource.org ).
  7. ↑ Albert Einstein: Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine . İçinde: Annals of Physics . kaset 322 , hayır. 10 , 1905, s. 891-921 ( PDF ).
  8. ↑ Albert Einstein: Genel görelilik kuramının temeli . İçinde: Annals of Physics . kaset 354 , hayır. 7 , 1916, s. 769-782 ( PDF ).
  9. ↑ John D. Norton: Genel Kovaryans ve Genel Göreliliğin Temelleri: Sekiz Yıllık Anlaşmazlık . İçinde: Fizikte İlerleme Raporları . kaset 56 , 1993, s. 791-858 ( PDF ).
  10. ^ A b Michel Janssen: Einstein'a Cambridge Companion . Ed.: Michel Janssen, Christoph Lehner. Cambridge University Press, 2008, ISBN 0-521-53542-5 , bölüm. 'Başarısızlık Gibi Başarı Yok...': Einstein'ın Genel Görelilik Arayışı, 1907–1920 ( çevrimiçi ).