جديد

6 أشياء قد لا تعرفها عن نظرية النسبية العامة لأينشتاين

6 أشياء قد لا تعرفها عن نظرية النسبية العامة لأينشتاين


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.

1. اعتمد أينشتاين على الأصدقاء والزملاء لمساعدته في تطوير نظريته.
على الرغم من أن نظرية النسبية العامة تُقدم غالبًا على أنها عمل عبقري منفرد ، إلا أن أينشتاين تلقى بالفعل مساعدة كبيرة من العديد من الأصدقاء والزملاء الأقل شهرة في العمل على الرياضيات التي تقف وراءها. كان أصدقاء الكلية مارسيل جروسمان وميشيل باسو (من المفترض أن أينشتاين اعتمد على ملاحظات جروسمان بعد تخطي الصف) مهمين بشكل خاص في هذه العملية. نشر أينشتاين وجروسمان ، أستاذ الرياضيات في البوليتكنيك السويسرية ، نسخة مبكرة من نظرية النسبية العامة في عام 1913 ، بينما عمل بيسو - الذي كان أينشتاين قد نسب إليه الفضل في اعترافاته في بحثه عام 1905 حول نظرية النسبية الخاصة - بشكل مكثف مع أينشتاين لتطوير النظرية العامة على مدى العامين المقبلين. كما ساهم عمل عالم الرياضيات العظماء ديفيد هيلبرت - المزيد عنه لاحقًا - وإيمي نويثر أيضًا في المعادلات الكامنة وراء النسبية العامة. بحلول الوقت الذي تم فيه نشر النسخة النهائية في عام 1916 ، استفاد أينشتاين أيضًا من عمل الفيزيائيين الأصغر سنًا مثل جونار نوردستروم وأدريان فوكر ، وكلاهما ساعده في تطوير نظريته وتشكيلها من النسخة السابقة.

2. احتوت النسخة الأولى من النظرية على خطأ فادح.
النسخة التي نشرها أينشتاين وجروسمان في عام 1913 ، والمعروفة باسم ورقة Entwurf ("الخطوط العريضة") ، احتوت على خطأ رياضي كبير في شكل حساب خاطئ في مقدار انحناء حزمة الضوء بسبب الجاذبية. ربما تم الكشف عن الخطأ في عام 1914 ، عندما سافر عالم الفلك الألماني إروين فينلي فروندليتش إلى شبه جزيرة القرم لاختبار نظرية أينشتاين خلال كسوف الشمس في أغسطس. تم إحباط خطط فروندليش ، مع ذلك ، بسبب اندلاع الحرب العالمية الأولى في أوروبا. بحلول الوقت الذي قدم فيه النسخة النهائية للنسبية العامة في نوفمبر 1915 ، كان أينشتاين قد غير معادلات المجال ، التي تحدد كيفية انحناء المادة للزمكان.

3. صحيفة أينشتاين الأسطورية الآن لم تجعله مشهورًا - في البداية.
كشف النقاب عن أعماله الرائعة في الأكاديمية البروسية للعلوم - ولاحقًا في صفحات Annelen Der Physik - منح أينشتاين قدرًا كبيرًا من الاهتمام ، ولكن لم يصبح نجمًا عالميًا حتى عام 1919. في ذلك العام ، أجرى الفيزيائي البريطاني آرثر إدينجتون أول اختبار تجريبي لنظرية النسبية العامة خلال الكسوف الكلي للشمس الذي حدث في 29 مايو. في تجربة ابتكرها السير فرانك واتسون دايسون ، الفلكي الملكي البريطاني ، إدينجتون وعلماء فلك آخرون قاموا بقياس المواقف من النجوم أثناء الكسوف ومقارنتها بمواقعها "الحقيقية". ووجدوا أن جاذبية الشمس قد غيرت بالفعل مسار ضوء النجوم وفقًا لتوقعات أينشتاين. عندما أعلن إدينجتون النتائج التي توصل إليها في نوفمبر 1919 ، احتل أينشتاين الصفحات الأولى للصحف حول العالم.

4. عالم آخر (وصديق سابق) اتهم أينشتاين بالسرقة الأدبية.
في عام 1915 ، دعا عالم الرياضيات الألماني الرائد ديفيد هيلبرت أينشتاين لإلقاء سلسلة من المحاضرات في جامعة جوتنجن. تحدث الرجلان حول النسبية العامة (كان أينشتاين لا يزال لديه شكوك جدية حول كيفية تفعيل نظريته والمعادلات) وبدأ هيلبرت في تطوير نظريته الخاصة ، والتي أكملها قبل خمسة أيام على الأقل قبل أن يقدم أينشتاين عرضه في نوفمبر 1915. ماذا بدأ تبادل الأفكار بين الأصدقاء وزملائه العلماء وأصبح حادًا ، حيث اتهم كل رجل الآخر بالسرقة الأدبية. حصل أينشتاين ، بالطبع ، على الفضل ، ووجدت الأبحاث التاريخية اللاحقة أنه يستحق ذلك: أظهر تحليل براهين هيلبرت أنه يفتقر إلى عنصر حاسم يُعرف باسم التغاير في نسخة النظرية التي اكتملت في ذلك الخريف. في الواقع لم ينشر هيلبرت مقالته حتى 31 مارس 1916 ، بعد أسابيع من نشر نظرية أينشتاين للجمهور بالفعل. في ذلك الوقت ، يقول المؤرخون ، كانت نظريته متغايرة.

5. في وقت وفاة أينشتاين في عام 1955 ، لم يكن لدى العلماء أي دليل تقريبًا على النسبية العامة في العمل.
على الرغم من أن اختبار الكسوف الشمسي لعام 1919 أظهر أن جاذبية الشمس بدت وكأنها تحني الضوء بالطريقة التي تنبأ بها أينشتاين ، لم يبدأ العلماء حتى الستينيات في اكتشاف الأجسام المتطرفة ، مثل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية ، التي أثرت على شكل الزمكان وفقًا لمبادئ النسبية العامة. حتى وقت قريب جدًا ، كانوا لا يزالون يبحثون عن أدلة على موجات الجاذبية ، تلك التموجات في نسيج الزمكان الناتجة (وفقًا لأينشتاين) عن تسارع الأجسام الضخمة. في فبراير 2016 ، انتهى الانتظار الطويل ، حيث أعلن العلماء في مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) أنهم اكتشفوا موجات ثقالية ناجمة عن اصطدام ثقبين أسودين هائلين.

6. يمكنك أن تشكر أينشتاين على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
على الرغم من أن نظرية أينشتاين تعمل في الغالب بين الثقوب السوداء والاصطدامات الكونية للسماء ، أو على نطاق صغير جدًا (نظرية الأوتار) ، فإنها تلعب أيضًا دورًا في حياتنا اليومية. تعد تقنية GPS أحد الأمثلة البارزة على ذلك. تُظهر النسبية العامة أن المعدل الذي يتدفق فيه الوقت يعتمد على مدى قرب المرء من جسم ضخم. هذا المفهوم ضروري لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، والذي يأخذ في الاعتبار حقيقة أن الوقت يتدفق بمعدل مختلف للأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض عما هو عليه بالنسبة لنا على الأرض. ونتيجة لذلك ، فإن الوقت على مدار الساعة عبر الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) يتقدم أسرع من الساعة على الأرض بحوالي 38 ميكروثانية في اليوم. قد لا يبدو هذا فرقًا كبيرًا ، ولكن إذا ترك دون تحديد ، فسيؤدي ذلك إلى حدوث أخطاء في التنقل في غضون دقائق. يعوض نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الفارق الزمني ، ويقوم بتعديل معدلات ساعات القمر الصناعي إلكترونيًا وبناء وظائف رياضية داخل الكمبيوتر لتحديد الموقع الدقيق للمستخدم - كل ذلك بفضل أينشتاين والنسبية.


نظرية النسبية العامة لأينشتاين

النسبية العامة هي فهم الفيزيائي ألبرت أينشتاين لكيفية تأثير الجاذبية على نسيج الزمكان.

وسعت النظرية ، التي نشرها أينشتاين عام 1915 ، من نظرية النسبية الخاصة التي نشرها قبل 10 سنوات. جادلت النسبية الخاصة بأن المكان والزمان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا ، لكن هذه النظرية لم تعترف بوجود الجاذبية.

أمضى أينشتاين العقد بين المنشورين في تحديد أن الأجسام الضخمة بشكل خاص تشوه نسيج الزمكان ، وهو تشويه يتجلى في شكل الجاذبية ، وفقًا لوكالة ناسا.

كيف تعمل النسبية العامة؟

لفهم النسبية العامة ، لنبدأ أولاً بالجاذبية ، وهي قوة الجذب التي يمارسها جسمان على بعضهما البعض. قدر السير إسحاق نيوتن الجاذبية في نفس النص الذي صاغ فيه قوانينه الثلاثة للحركة ، "المبادئ".

تعتمد قوة الجاذبية التي تتجاذب بين جسمين على مدى كتلة كل منهما ومدى تباعدهما. حتى عندما يسحبك مركز الأرض نحوها (مما يبقيك ثابتًا على الأرض) ، فإن مركز كتلتك يتراجع نحو الأرض. لكن الجسم الأكثر ضخامة بالكاد يشعر بالجاذبية منك ، بينما تجد نفسك متجذرًا بقوة بفضل نفس القوة مع كتلتك الأصغر بكثير. ومع ذلك ، فإن قوانين نيوتن تفترض أن الجاذبية هي قوة فطرية لجسم يمكنه العمل على مسافة.

قرر ألبرت أينشتاين ، في نظريته عن النسبية الخاصة ، أن قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع المراقبين غير المتسارعين ، وأظهر أن سرعة الضوء داخل الفراغ هي نفسها بغض النظر عن السرعة التي ينتقل بها المراقب ، بحسب Wired.

ونتيجة لذلك ، وجد أن المكان والزمان متشابكان في سلسلة متصلة واحدة تعرف باسم الزمكان. والأحداث التي تحدث في نفس الوقت لمراقب واحد يمكن أن تحدث في أوقات مختلفة لمراقب آخر.

بينما كان يعمل على معادلات نظريته العامة للنسبية ، أدرك أينشتاين أن الأجسام الضخمة تسبب تشويهًا في الزمكان. تخيل وضع جسم كبير في وسط الترامبولين. سيضغط الجسم لأسفل على القماش ، مما يتسبب في غمازه. إذا حاولت بعد ذلك دحرجة قطعة من الرخام حول حافة الترامبولين ، فإن الرخام سوف يتدحرج نحو الداخل نحو الجسم ، مشدودًا إلى حد كبير بنفس الطريقة التي تسحب بها جاذبية الكوكب الصخور في الفضاء.

دليل تجريبي للنسبية العامة

في العقود التي تلت نشر أينشتاين نظرياته ، لاحظ العلماء عددًا لا يحصى من الظواهر المطابقة لتوقعات النسبية.

عدسة الجاذبية

ينحني الضوء حول جسم ضخم ، مثل الثقب الأسود ، مما يجعله يعمل كعدسة للأشياء التي تقع خلفه. يستخدم علماء الفلك هذه الطريقة بشكل روتيني لدراسة النجوم والمجرات خلف الأجسام الضخمة.

صليب أينشتاين ، وهو كوازار في كوكبة بيغاسوس ، وفقًا لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ، وهو مثال ممتاز لعدسات الجاذبية. يُرى الكوازار كما كان منذ حوالي 11 مليار سنة ، كانت المجرة التي يجلس خلفها أقرب بحوالي 10 مرات من الأرض. نظرًا لأن الجسمين يتماشيان بدقة شديدة ، تظهر أربع صور للكوازار حول المجرة لأن الجاذبية الشديدة للمجرة تؤدي إلى انحناء الضوء القادم من الكوازار.

في حالات مثل تقاطع أينشتاين ، تظهر الصور المختلفة للجسم بعدسة الجاذبية في وقت واحد ، لكن هذا ليس هو الحال دائمًا. تمكن العلماء أيضًا من ملاحظة أمثلة العدسة حيث ، نظرًا لأن الضوء الذي ينتقل حول العدسة يأخذ مسارات مختلفة بأطوال مختلفة ، تصل الصور المختلفة في أوقات مختلفة ، كما في حالة أحد المستعرات الأعظمية المثيرة للاهتمام بشكل خاص.

التغييرات في مدار عطارد

يتغير مدار عطارد بشكل تدريجي للغاية بمرور الوقت بسبب انحناء الزمكان حول الشمس الهائلة ، وفقًا لوكالة ناسا. في غضون بضعة مليارات من السنين ، يمكن أن يتسبب هذا التذبذب في اصطدام الكوكب الأعمق بالشمس أو الكوكب.

سحب إطار الزمكان حول الأجسام الدوارة

يجب أن يؤدي دوران جسم ثقيل ، مثل الأرض ، إلى تحريف وتشويه الزمكان من حوله. في عام 2004 ، أطلقت وكالة ناسا مسبار الجاذبية B (GP-B). انحرفت محاور الجيروسكوبات التي تمت معايرتها بدقة للقمر الصناعي بشكل طفيف للغاية بمرور الوقت ، وفقًا لوكالة ناسا ، وهي نتيجة تطابق نظرية أينشتاين.

قال فرانسيس إيفريت ، الباحث الرئيسي في Gravity Probe-B ، من جامعة ستانفورد ، في بيان ناسا حول المهمة: "تخيل الأرض كما لو كانت مغمورة في العسل".

"بينما يدور الكوكب ، يدور العسل حوله ، وهو نفس الشيء مع المكان والزمان. أكد GP-B اثنين من أكثر التنبؤات عمقًا لكون أينشتاين ، ولهما آثار بعيدة المدى عبر أبحاث الفيزياء الفلكية."

الانزياح الأحمر الجاذبية

يمتد الإشعاع الكهرومغناطيسي للجسم قليلاً داخل مجال الجاذبية. فكر في الموجات الصوتية التي تنبعث من صفارة الإنذار في سيارة الطوارئ أثناء تحرك السيارة نحو مراقب ، يتم ضغط الموجات الصوتية ، ولكن عندما تتحرك بعيدًا ، يتم شدها أو انزياحها إلى الأحمر. تحدث نفس الظواهر المعروفة باسم تأثير دوبلر مع موجات الضوء على جميع الترددات.

في الستينيات ، وفقًا لجمعية الفيزياء الأمريكية ، قام الفيزيائيان روبرت باوند وجلين ريبكا بإطلاق أشعة جاما أولاً ، ثم على جانب برج في جامعة هارفارد. وجد باوند وريبيكا أن تردد أشعة جاما تغير قليلاً بسبب التشوهات التي تسببها الجاذبية.

موجات الجاذبية

توقع أينشتاين أن الأحداث العنيفة ، مثل اصطدام ثقبين أسودين ، تخلق تموجات في الزمكان تعرف باسم موجات الجاذبية. وفي عام 2016 ، أعلن مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) أنه اكتشف مثل هذه الإشارة لأول مرة.

جاء هذا الاكتشاف في 14 سبتمبر 2015. تمت ترقية LIGO ، المكونة من منشآت مزدوجة في لويزيانا وواشنطن ، وكانت في طور المعايرة قبل أن تصبح على الإنترنت. كان الاكتشاف الأول كبيرًا جدًا ، وفقًا للمتحدثة باسم LIGO آنذاك غابرييلا غونزاليس ، فقد استغرق الفريق عدة أشهر من التحليل لإقناع أنفسهم بأنها كانت إشارة حقيقية وليست خللًا.

وقالت خلال اجتماع الجمعية الفلكية الأمريكية رقم 228 في يونيو 2016: "كنا محظوظين جدًا في أول اكتشاف كان واضحًا للغاية".

منذ ذلك الحين ، بدأ العلماء في التقاط موجات الجاذبية بسرعة. أخيرًا ، اكتشف LIGO ونظيره الأوروبي العذراء ما مجموعه 50 حدثًا لموجة الجاذبية ، وفقًا لمسؤولي البرنامج.

تضمنت تلك الاصطدامات أحداثًا غير عادية مثل الاصطدام بجسم لا يمكن للعلماء تحديده بشكل قاطع على أنه ثقب أسود أو نجم نيوتروني ، أو اندماج نجوم نيوترونية مصحوبة بانفجار لامع ، وتصادم الثقوب السوداء غير المتطابقة والمزيد.


مغناطيس كهربائي

المغناطيسية هي تأثير نسبي ، وإذا كنت تستخدم الكهرباء يمكنك شكر النسبية على حقيقة أن المولدات تعمل على الإطلاق.

إذا أخذت حلقة من الأسلاك وحركتها عبر مجال مغناطيسي ، فإنك تولد تيارًا كهربائيًا. تتأثر الجسيمات المشحونة في السلك بالمجال المغناطيسي المتغير ، مما يجبر بعضها على التحرك ويولد التيار.

لكن الآن ، تخيل السلك في وضع السكون وتخيل أن المغناطيس يتحرك. في هذه الحالة ، لا تتحرك الجسيمات المشحونة في السلك (الإلكترونات والبروتونات) ، لذا لا ينبغي أن يؤثر المجال المغناطيسي عليها. لكنها تفعل ذلك ، ولا يزال التيار يتدفق. هذا يدل على أنه لا يوجد إطار مرجعي مميز.

يستخدم توماس مور ، أستاذ الفيزياء في كلية بومونا في كليرمونت بولاية كاليفورنيا ، مبدأ النسبية لإظهار سبب صحة قانون فاراداي ، الذي ينص على أن المجال المغناطيسي المتغير ينتج تيارًا كهربائيًا.

قال مور "بما أن هذا هو المبدأ الأساسي وراء المحولات والمولدات الكهربائية ، فإن أي شخص يستخدم الكهرباء يعاني من تأثيرات النسبية".

تعمل المغناطيسات الكهربائية عبر النسبية أيضًا. عندما يتدفق تيار مباشر (DC) من الشحنة الكهربائية عبر سلك ، تنجرف الإلكترونات عبر المادة. عادةً ما يبدو السلك محايدًا كهربائيًا ، بدون صافي شحنة موجبة أو سالبة. هذا نتيجة لوجود نفس عدد البروتونات (الشحنات الموجبة) والإلكترونات (الشحنات السالبة) تقريبًا. ولكن ، إذا وضعت بجانبه سلكًا آخر بتيار مستمر ، فإن الأسلاك تجتذب أو تتنافر ، اعتمادًا على الاتجاه الذي يتحرك فيه التيار. [9 حقائق رائعة عن المغناطيس]

بافتراض أن التيارات تتحرك في نفس الاتجاه ، فإن الإلكترونات في السلك الأول ترى الإلكترونات في السلك الثاني بلا حراك. (هذا يفترض أن التيارات لها نفس القوة تقريبًا). في غضون ذلك ، من منظور الإلكترونات ، تبدو البروتونات في كلا السلكين وكأنها تتحرك. بسبب انكماش الطول النسبي ، يبدو أنها متقاربة بشكل أكبر ، لذلك هناك شحنة موجبة لكل طول سلك أكثر من الشحنة السالبة. نظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر ، فإن السلكين يتنافران أيضًا.

تؤدي التيارات في الاتجاهين المعاكسين إلى جذب ، لأنه من وجهة نظر السلك الأول ، تكون الإلكترونات الموجودة في السلك الآخر أكثر ازدحامًا معًا ، مما ينتج عنه صافي شحنة سالبة. وفي الوقت نفسه ، فإن البروتونات الموجودة في السلك الأول تخلق صافي شحنة موجبة ، وتتجاذب الشحنات المعاكسة.


متري كير

كما تتخيل ، فإن نظرية النسبية العامة مبنية على الكثير من الرياضيات المعقدة. طور أينشتاين 10 معادلات مجال تصف الجاذبية بأنها نتيجة انحناء الزمكان بسبب الكتلة والطاقة الموجودة فيه. يخبرنا حل معادلات المجال كيف يتصرف الزمكان في ظل ظروف معينة ، وكانت هذه الحلول دائمًا في اتفاق وثيق مع ما نلاحظه بالفعل.

جانبا ، على الرغم من أن معادلات أينشتاين الميدانية كانت مفيدة بشكل خيالي لنا في فهم الكون ، عندما ننتقل من عالم كبير جدًا إلى صغير جدًا ، فإنها غير مكتملة. إنها في جوهرها غير متوافقة مع نظرية الكم من حيث أنها تتطلب تحديد الطاقة والزخم بدقة في كل نقطة في الزمكان ، وهو ما يتعارض مع مبدأ عدم اليقين للحالات الكمومية. لكن هذا النقاش ليوم آخر ...

أحد حلول معادلات مجال أينشتاين هو مقياس كير. يُعرَّف الثقب الأسود بثلاث خصائص فقط: كتلته ودورانه وشحنته الكهربائية. يصف مقياس كير هندسة منطقة فارغة من الفضاء تحيط بثقب أسود غير مشحون ولكنه يدور. بالضبط نوع الثقوب السوداء التي نتوقع العثور عليها منتشرة في جميع أنحاء الكون.

يقدم مقياس كير بعض التنبؤات المثيرة للاهتمام حقًا حول الزمكان حول الثقب الأسود والتي تنتج عن امتلاكهم للزخم الزاوي. على سبيل المثال ، بدلاً من وجود أفق حدث واحد ، فإن الثقوب السوداء Kerr لها اثنان ، وبدلاً من أن تكون كروية بدقة ، فإنها تتشكل مثل المجالات المهروسة.

والأغرب من ذلك أن التفرد في مركز ثقب أسود كير ليس نقطة ، بل حلقة أحادية البعد. إذا كان الثقب الأسود يدور بسرعة كافية ، فستتمكن حتى من رؤيته.

وتخيل ماذا. عندما التقط علماء الفلك أول صورة بصرية لثقب أسود ، في مركز المجرة M87 ، باستخدام Event Horizon Telescope (EHT) ، وجدوا أنه يدور بنسبة 94٪ من سرعته القصوى مع تفرد أحادي البعد. من مدار بلوتو ويتوافق مع العديد من تنبؤات مقياس كير.


أجهزة التلفزيون وبنادق الرادار وغيرها من التقنيات المرتبطة بنظريات أينشتاين النسبية

إذا كنت قد تلقيت تذكرة سرعة أو استمتعت بقضاء ليلة في مشاهدة TGIF في التسعينيات ، فيمكنك أن تشكر ألبرت أينشتاين. يصادف هذا الأسبوع قرنًا من الزمان منذ أن قدم كاتب براءات الاختراع - الذي تحول إلى فيزيائي - معادلاته الميدانية للجاذبية في الأكاديمية البروسية للعلوم في برلين ، مما وضع إطارًا لنظرية النسبية العامة.

تمثل هذه المحاضرات تكملة للعمل الذي قدمه أينشتاين قبل عقد من الزمان حول التأثير الكهروضوئي ، والذي فاز في النهاية بجائزة نوبل ، والنسبية الخاصة ، والتي تم تعميمها بواسطة المعادلة E = mc 2.

على الرغم من الطبيعة المجردة للنسبية ، فإن كلا النظريتين تتغلغلان في المجتمع داخل التكنولوجيا اليومية. لا تشرح المفاهيم نسيج الكون فحسب ، بل يتم حملها في معظم حقائب اليد والجيوب. ترسل أفكار أينشتاين رسائل نصية ، ولكنها أيضًا تشكل أساس السلاح الوحيد الأكثر تدميراً على الإطلاق.

من الصعب تحديد ما إذا كان المجتمع سيفقد الأدوات التالية بدون ألبرت أينشتاين. كان لأينشتاين العديد من المنافسين الأكاديميين ، وقد نشر بعضهم جوانب من نظرية النسبية الخاصة والعامة قبل ذلك. ومع ذلك ، كان أينشتاين أكثر من مجرد جبار في الفيزياء النظرية. يصف الكاتب والتر إيزاكسون أينشتاين بأنه مُعيد اختراع الواقع ، لكن الفيزيائي الألماني المولد كان يُنظر إليه أيضًا على أنه أب متهور ، ومدافع عن الحقوق المدنية ، ومناهض للنسوية ، ودعاة السلام ، ومقاتل للأيقونات ، ونجم موسيقى الروك.

هذا هو الشيء. من خلال البحث عن نظرية موحدة لكل شيء ، وحد أينشتاين افتتاننا بالفيزياء النظرية والكون وبه.

سيكون التلفزيون ضبابيًا بدون النسبية الخاصة

يبدو أن المغناطيس ينحني شعاعًا ضوئيًا في أنبوب أشعة الكاثود. هذه الحزم تخلق الصورة في أجهزة التلفزيون القديمة ، والمبادئ الفيزيائية التي طورها أينشتاين تبقي الصورة واضحة. تصوير Charles D Winters / عبر Getty Images

إليك كيف حافظت النسبية الخاصة على أن تكون الحلقة الأصلية من & # 8220Friends & # 8221 بعيدة عن التركيز ، على الأقل من منظور بصري.

تصف نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين سرعة الضوء على أنها الثابت الوحيد في الكون ، بينما تقول أيضًا أن قوانين الحركة هي نفسها دائمًا ، بغض النظر عن السرعة التي يتحرك بها الجسم. ولكن إذا كان الضوء يقف بمفرده كبطل غير قابل للتغيير ، فيجب أن يكون كل شيء آخر في الكون مرنًا ، بما في ذلك المسافات بين الأشياء (الفضاء) أو حتى الوقت. لقد تم إثبات ذلك من خلال التجربة ويؤدي إلى بعض الاتجاهات الغريبة في وجودنا.

على سبيل المثال ، إذا كنت تقف على الطريق وتجاوزت السيارة ، فإن تلك السيارة تكون أقصر من الناحية البدنية ، ويمر الوقت بشكل أبطأ بالنسبة للسائق بالنسبة لك ويزداد كتلة السائق & # 8212 وإن كان ذلك كله عند مستويات ضئيلة.

تصبح هذه التغييرات أكثر وضوحًا عندما يتحرك المرء بشكل أسرع ، مما يؤدي إلى وضوح أجهزة تلفزيون الصندوق.

"النسبية الخاصة تصبح ذات صلة إذا تحركت الأجسام بسرعات تقترب من سرعة الضوء. لا نرى هذا يحدث للأجسام الكبيرة ، لكن الجزيئات يمكنها القيام بذلك بسهولة. على سبيل المثال ، الإلكترونات ، "قال روبيرت ديجكراف ، رئيس معهد الدراسات المتقدمة حيث عمل أينشتاين أستاذاً من عام 1933 حتى وفاته في عام 1955.

تستخدم أجهزة التلفاز القديمة أنابيب أشعة الكاثود لإطلاق أشعة إلكترونية على الشاشة. الشاشة مغطاة داخليًا بمركبات تسمى الفوسفور ، والتي تتوهج مع مرور الطاقة في الحزم مما يتسبب في توهج الفوسفور ، مما يخلق لونًا وصورة ، ولكن للقيام بذلك ، يجب أن تتحرك الإلكترونات بسرعة. سريع فعلا.

"في جهاز التلفزيون القديم الطراز ، يمكن تسريع الإلكترونات بسهولة إلى 20-30 بالمائة من سرعة الضوء ، & # 8221 Dijkgraaf قال. "بهذه السرعات ، تصبح الأمور مجنونة حقًا."

هذا بسبب النسبية الخاصة. تتسبب السرعات الفائقة في نمو كتلة الإلكترونات مقارنة ببقية جهاز التلفزيون.

قال ديكجراف: "من منظور الإلكترون ، تقلص حجم التلفزيون".

تعمل المغناطيسات الموجودة داخل التلفزيون على توجيه الإلكترونات إلى أجزاء مختلفة من الشاشة لإنتاج صورة ، لكن Dijkgraaf قال إن تصميم المغناطيس يجب أن يأخذ في الاعتبار النسبية الخاصة. وإلا فسيكون كل شيء خارج نطاق التركيز بمقدار ملليمترات.

قال Dijkgraaf إن هناك مثالًا أكثر إثارة لهذه الظاهرة يحدث داخل مسرعات الجسيمات ، حيث تتسبب السرعات العالية في إبطاء الوقت الداخلي للجسيمات بدرجة ملحوظة ، من خلال عملية تعرف باسم تمدد الوقت. نتيجة لذلك ، تعيش هذه الجسيمات أطول بكثير من المعتاد.

لا تنطبق هذه المبادئ & # 8217t على تلفزيونات LCD أو البلازما لأن هذه الأجهزة لا تعتمد على الحزم الإلكترونية.

تعتمد بنادق الرادار على النسبية للقبض على السيارات المسرعة. تصوير بوريس يارو / لوس أنجلوس تايمز عبر Getty Images

إذا كنت قد تلقيت مخالفة سرعة من أحد الفخاخ المرورية ، فيمكنك أن تشكر أينشتاين.

يتحرك الضوء في موجات. هذا صحيح إذا كنت تتعامل مع الضوء المرئي أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو أنواع أخرى من الضوء ، والتي تُصنف مجتمعة على أنها إشعاع كهرومغناطيسي.

كل الموجات تظهر تأثير دوبلر. لقد شاهدت هذا يحدث أثناء وقوفك على رصيف بينما كانت سيارة إسعاف تندفع نحو المستشفى. تتميز صفارة الإنذار بدرجة أعلى مع اقترابها منك ، ودرجة صوت عادية عندما تكون بجانبك مباشرةً ودرجة صوت منخفضة مع تسارع السيارة بعيدًا. ذلك لأن تردد الموجات الصوتية يتغير إذا انبعثت من جسم متحرك.

يتسبب تأثير دوبلر في إصدار صوت محرك السيارة أو صفارة الإنذار أعلى عند الاقتراب منه عند الانحسار. الدوائر الوردية تمثل الموجات الصوتية. رسم توضيحي بواسطة تشارلي ويسكي / ويكيميديا

لا ينطبق تأثير دوبلر على الموجات المنبعثة فحسب ، بل ينطبق أيضًا على الموجات المنعكسة عن جسم ما ، وهو ما يفسر كيفية عمل مدافع الرادار. تُصدر ماسحات الشرطة موجات الأشعة تحت الحمراء التي ترتد عن السيارات ثم تكتشف تردد الانعكاسات عند عودتها ، مما يعطي حسابًا للسرعة.

بفضل نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين وسرعة الضوء الثابتة ، يمكن لبندقية الرادار أن تقدم تنبؤات دقيقة وفورية تقريبًا لسرعة السيارة ، حتى لو كانت سيارة الشرطي تتحرك أيضًا.

الطاقة النووية ونفور أينشتاين من القنبلة الذرية

سحابة عيش الغراب بعد انفجار قنبلة ذرية فرنسية فوق جزيرة موروروا المرجانية عام 1971. تصوير غاليري بيلدرويلت / غيتي إيماجز

مسرعات الجسيمات وعامل النسبية الخاصة في إرث غالبًا ما يُنسب بشكل خاطئ إلى أينشتاين: إنشاء القنبلة الذرية.

تشير "E" في E = mc 2 إلى الطاقة ، لذا على المستوى الأساسي ، تقول معادلة أينشتاين أن الكتلة والطاقة قابلة للتبادل. كما أوضح ألوك جها لصحيفة The Guardian ببراعة:

في عالم أينشتاين الجديد ، أصبحت الكتلة وسيلة لقياس إجمالي الطاقة الموجودة في جسم ما ، حتى عندما لا يتم تسخينه أو تحريكه أو تعريضه للإشعاع أو أي شيء آخر. الكتلة هي مجرد شكل من أشكال الطاقة شديدة التركيز ، علاوة على ذلك ، يمكن لهذه الأشياء أن تتحول من شكل إلى آخر وتعود مرة أخرى.

تعتمد التفاعلات النووية على هذا المبدأ لتوليد الطاقة. عندما يتحطم نيوترون & # 8212 جسيم دون ذري & # 8212 إلى ذرات يورانيوم غير مستقرة ، ينقسم الأخير إلى ذرات أصغر. يطلق هذا الانقسام الذري طاقة على شكل حرارة والمزيد من النيوترونات ، والتي تكرر الدورة ، مما يتسبب في حدوث تفاعل متسلسل. تتكرر العملية ملايين المرات في الثانية ، وتطلق طاقة هائلة. يمكن لجرام واحد من اليورانيوم أو البلوتونيوم (0.035 أونصة) إطلاق طاقة تعادل ثلاثة أطنان من الفحم أو 600 جالون من زيت البترول في يوم واحد ، وفقًا لمختبر لورانس بيركلي الوطني. يمكن لهذه الطاقة أن تزود المدن بالطاقة ، ولكن كما أثبت مشروع مانهاتن ، يمكن أيضًا تسخيرها للحصول على سلاح.

لم يساهم أينشتاين في مشروع مانهاتن وندم على ارتباطه الوحيد بالمجهود الحربي. في أغسطس 1939 ، كتب رسالة حذر فيها فرانكلين روزفلت من سعي ألمانيا لامتلاك سلاح نووي. ولكن كما وصف والتر إيزاكسون عام 2008 لمجلة Discover Magazine ، فإن أينشتاين "لم يكن يعرف سوى القليل عن فيزياء الجسيمات النووية الكامنة وراء القنبلة" ، وقد نقلت عنه مجلة نيوزويك ذات مرة قوله ، "لو علمت أن الألمان لن ينجحوا في إنتاج قنبلة ذرية ، لم أفعل أبدًا من شأنه أن يرفع إصبعًا. & # 8221

GPS و Jell-O وقلب هاتفك المحمول

نحن نعلم أن الكون وهزهزة Jell-O لديهما الكثير من الأشياء المشتركة بفضل أينشتاين وموجات الجاذبية.

حسنًا ، النسبية الخاصة رائعة ، لكن ماذا عن التكنولوجيا المستوحاة من نظرية النسبية العامة؟

المثال الأكثر انتشارًا هو نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، وهو ناتج عن نظرية النسبية العامة لأينشتاين التي توضح أصول الجاذبية.

قبل ثلاثمائة عام ، لاحظ إسحاق نيوتن أن الأجسام الصغيرة في الكون تنجذب نحو أجسام أكبر ، وقد أدرك أن قوة هذا الجذب تعتمد على كتلتها. الأجسام الضخمة & # 8212 مثل كوكب المشتري & # 8212 لديها قوة سحب أقوى من الأجسام الأصغر مثل عطارد. كان هذا المفهوم أساسًا رائعًا ورائعًا للجاذبية ، لكنه لم يشرح كيف ينجذب جسمان في المقام الأول؟ أدخل أينشتاين والنسبية العامة.

اقترحت نظريته أن الأجسام الضخمة يمكن أن تنحني جسديًا الفضاء. للتعرف على ما يعنيه ذلك ، تخيل أنك أسقطت قطعة من الرخام كبيرة الحجم على وعاء كبير من نوع Jell-O. عندما تهبط قطعة الرخام ، تضغط Jell-O لأسفل وستميل المناطق المجاورة مثل منحدر نحو الرخام. إذا كانت قطعة من الرخام صغيرة الحجم على حافة ذلك المنحدر ، فسيتم سحبها نحو الأول.

باستخدام معادلات المجال ، أوضح أينشتاين أن الجاذبية هي في الواقع انحناء لهذا الهلام ، والذي يتكون في الكون الحقيقي من المكان والزمان. كما كتب عالم الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا شون كارول لـ NewsHour في وقت سابق من هذا الأسبوع:

في عالم أينشتاين ، يتم امتصاص المكان والزمان في "زمكان" واحد رباعي الأبعاد ، والزمكان ليس صلبًا. إنها تلتف وتدور وتنحني استجابةً لحركة المادة والطاقة. نحن ندرك أن التمدد والتشويه لنسيج الزمكان كقوة الجاذبية.

هذا يعني أن مصادر الجاذبية الكبيرة & # 8212 على سبيل المثال ، يمكن للأرض & # 8212 تغيير الوقت. نتيجة لذلك ، تعمل ساعة على سطح الكوكب بشكل أبطأ من ساعة على متن قمر صناعي يعمل بنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) تسقط 12000 ميل في المساحة الخالية. (يعتبر هذا أيضًا تمددًا زمنيًا).

كانت النسبية عقبة في طريق الأيام الأولى لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يجب أن تكون الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) متزامنة مع هاتفك أو مستقبل السيارة لتحديد موقعك. عندما أطلق المهندسون في البداية أقمار GPS الصناعية في الفضاء الخارجي ، افترضوا أن تأثيرات النسبية ستكون صغيرة جدًا لتغيير الساعات الذرية عالية الدقة على متن الطائرة.

كانوا مخطئين. تعمل ساعات القمر الصناعي بمعدل 38 جزء من المليون من الثانية أسرع من الساعات على الأرض في اليوم. هذا يبدو هامشيًا ، لكنه كان سيقضي على موقعك بما يصل إلى سبعة أميال.

قال دجكراف إن تجاهل النسبية لن يشل نظام تحديد المواقع العالمي فحسب ، بل الاتصالات ككل.

"شبكة اتصالاتنا عبارة عن تكوين من أجهزة الإرسال والاستقبال والأقمار الصناعية & # 8212 سواء الأرضية أو في الفضاء الخارجي. وبمعنى ما ، فإن كل تقنيتنا تعمل بسرعة الضوء ، "قال دجكراف. "تتفاعل هذه الأجهزة مع بعضها البعض من خلال المكان والزمان بدقة ، لذلك نحتاج إلى ساعات ذرية لجميع اتصالاتنا."

لقد قامت التجارب على الساعات الذرية بقياس التحولات القائمة على الجاذبية في الزمكان على مسافات قصيرة للغاية ، مثل دراسة أجريت عام 2010 من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا التي قست التأثير على طول القدم. الفرق صغير & # 8212 90 جزء من المليار من الثانية على مدى 79 عامًا & # 8212 ، لكن هذا التحول الدقيق في النسبية يعني أنك تكبر أسرع من الصديق إذا كانت تقف على درج أسفل منك.

أيضًا ، إذا كان الفضاء قادرًا على الانحناء ، فإن النسبية العامة تجادل بأن الاصطدامات العملاقة بين الأجسام النجمية يمكن أن ترسل موجات صدمية عبر الفضاء الخارجي.

قال دجكراف: "إذا حدث اصطدام بين ثقبين أسودين ، فإنه يؤدي بشكل أساسي إلى حدوث تسونامي في الفضاء يمكن أن ينتشر من نجم أو مجرة ​​بعيدة جدًا إلى كوكب الأرض". يحدث نفس الشيء إذا قمت بتلويح يدك في الهواء ، وإن كان ذلك على نطاق أصغر بكثير.

لم يتم اكتشاف موجات الجاذبية هذه على الأرض بعد ، لكن العلماء يعرفون أن الظاهرة موجودة

"لقد رأيناهم بشكل غير مباشر مع زوج من النجوم يدوران حول بعضهما البعض. وقال دجكراف: "نحن لا نرى الموجات نفسها ولكننا نرى النجوم تفقد طاقتها من خلال إشعاع الجاذبية بعيدًا".

في الأسبوع المقبل ، ستطلق وكالة الفضاء الأوروبية LISA Pathfinder ، وهو قمر فضائي في مهمة للكشف عن موجات الجاذبية. وقال دجكراف إنه إذا رصدت هذه الموجات ، فقد يكون الحدث مضيئًا

"كيف يبدو الكون في & # 8216 ضوء الجاذبية & # 8217 إذا جاز التعبير؟ قد نكتشف موجات الجاذبية على طول الطريق من الانفجار العظيم ، لكن الأمر يشبه انتظار انفصال السحب وعدم وجود فكرة عما وراءها ، "قال ديكجراف.

أينشتاين وكيفية إرسال رسالة نصية إلى الأقارب المتوفين

قضى رائد الفضاء روسينا جينادي بادالكا الكثير من الوقت في الفضاء حتى أنه سافر تقنيًا إلى المستقبل. الصورة بواسطة وكالة ناسا

يمكن القول إن رواد الفضاء هم أول قطاع طرق في العالم. الأشخاص الذين يقضون فترات طويلة في المحطات الفضائية قد تقدموا بالفعل بمرور الوقت بالنسبة للأشخاص العالقين على الأرض.

ذلك لأن محطات الفضاء تسافر بسرعة & # 8212 17000 ميل في الساعة & # 8212 لتبقى في المدار ، والساعات على طول الرحلة تبدأ في المعاناة من النسبية الخاصة. تعمل السرعة المدارية على إبطاء الوقت ، لذلك عندما يعود رواد الفضاء إلى الأرض ، فإنهم يهبطون في المستقبل.

Russian cosmonaut Gennady Padalka, who earlier this year set the record for the longest collective time spent in space at 879 days, has traveled 22 thousandths of a second into the future. If American astronaut Scott Kelly landed today, he would have jumped six thousandths of a second into the future.

As recent history can attest, when people picture time travel, they think of Michael J. Fox, a puffy red vest and a tricked-out Delorean. But this perception doesn’t vibe with relativity, said University of Connecticut theoretical physicist Ronald Mallett.

“As far as taking a time machine with you, no. That’s not really an option,” Mallett said.

He should know, since he is building a time machine. That’s right. A time machine … and because of Einstein’s theories, the idea isn’t as far-fetched as you might expect.

To understand, let’s start with E = mc 2 . As we mentioned before, this equation states that mass and energy are interchangeable. Light has energy, so it also carries mass. If you remember our journeys with the marble and Jell-O, then you know that mass can bend space and time, giving off the perception of gravity.

Mallett’s time machine would harness this relationship: “If gravity can affect time, and light can create gravity, then light can affect time.”

To tweak space and time, the project will need lasers … about 10,000 of them organized into rings. Next, Mallet and his colleague — UConn experimental physicist Chandra Roychoudhuri — plan to stack these ring lasers like pancakes. The collective vortex created by the lasers might twist space, based on a theoretical equation published by Mallett 15 years ago.

Ronald Mallett and his space twisting equation. Courtesy of Ronald Mallett

If it works, Mallett would have, in a sense, satisfied a childhood dream of reconnecting with his deceased father, Boyd.

“He was only 33, and I was 10 years old. He looked like a very healthy man, but we didn’t know he had a weak heart. He died of a massive heart attack. It completely devastated me,” Mallett said.

A year later, the younger Mallett stumbled upon the H.G. Wells book The Time Machine. “It was like a lightbulb for me. If I could build a time machine then I can go back and see him again,” Mallett said.

Mallett and Roychoudhuri would judge the twisting of space by shooting a stream of neutrons into the vortex. Neutrons spin in a certain direction, so if their rotations changed by the time that they exited the vortex, the researchers could conclude space had been twisted.

Dorothy and Boyd Mallett with Ron on the left and his younger brother, James, on the right, at the Bronx Park in 1948. Courtesy of Ronald Mallett

It’s a bold idea with a heartwarming backstory, but as Mallett learned on his road to becoming a physicist, the rules of spacetime would likely prevent a trip to the 1950s.

Construction of the prototype would be simple on a practical level. A diode laser is about a thousandth of an inch high, so if you have a tower of 10,000 laser, that’s only about 5 feet, Mallett said. It’s the date that’s a problem.

“The machine is responsible for the twisting of space and time, so you can’t go earlier than that. Once the first time machine is turned on, our descendants would be able to communicate with us, but we won’t be able to communicate with our ancestors,” Mallet said. The same thinking applies to wormholes, which are theoretical tunnels between sections of spacetime. A time traveler could visit as far back as the creation of the wormhole but no earlier. (For more, here are Sean Carroll’s 10+1 rules for time travel).

A mock prototype of space-twisting ring laser device devised by Ronald Mallett and Chandra Roychoudhuri. The demonstration model (a.k.a. not the real thing) is based on Mallett’s research into how circulating laser light might twist space and time and lead to the possibility of time travel to the past and the future. Photo by Scott Eisen

Another barrier to time twisting is energy. The juice required for prototype’s ability to twist space would be 23.9 Joules — about as much power as 24 mile per hour baseball pitch. But the energy for twisting time would be off the charts.

“That on the surface appears to require an enormous amount of energy. I mean a huge amount of energy, like stellar quantities,” Mallett said. However, twisting space may serve as the foundation for a warp drive.

Yet humanity might one day figure out how to produce the necessary power to bend time or maybe we’ll find an extraterrestrial civilization that has planted megastructures around a star to harvest energy. If so, Mallett believes his time machine would be a great way to exchange information between the present and future. These text messages could be encoded in the spins of the neutrons, akin to what’s planned with quantum cryptography and could carry warnings about natural disasters.

“Imagine the thousands of lives that we could save by having an early warning,” Mallett said.

Or perhaps we’ll stumble upon aliens that built a time machine centuries ago, so Mallett or anyone else could visit cherished moments from their past?

Dijkgraaf is certainly open to the prospect.

“Our current technology is certainly not there, and if you took a poll of physicists, you’d see a lot of skepticism,” Dijkgraaf said. “But if you take a broad point of view and say, ‘we don’t know what kind of civilizations are out there and how far they have developed technology’ … who knows?”

Left: Einstein's theories on relativity kept box TVs from being blurry. Photo by Michael J Fajardo/via Getty Images


That Fool, HeckPhilly!

We as humans have a way of looking at history through the lenses of rose-colored glasses. We talk about things like Ben Franklin flying a kite to يكتشف electricity, when actually, Franklin didn’t discover electricity, at all. Electricity had been discovered long before then. Or we talk about the great American Revolution while overlooking the practicality that it’d be like a rogue, rag-tag, group of treasonous men warring against our current government to promote this demonized “enlightened” new movement.

It’s human nature. If the result benefits us today, we toss out the the blurry particulars. And in some ways, it helps us move forward.

Albert Einstein’s Nobel Prize picture

But sometimes it is advantageous to look back on some of the tribulations/indiscretions that accompanied the world’s greatest feats. While it may inspire us to know the heights of what we’re capable of, it’s just as healthy to understand the obstacles we’re able to overcome.

Without further ado, here are seven things you may have forgotten about Albert Einstein (or didn’t know) that make him as ordinary as you and me.

1. His struggles with proper language were well-documented.

Some historians say he was dyslexic, while others denied this (implying he just struggled with speech/reading). Either way, some say he didn’t start speaking until he was 4-years-old, while still others say he was unable to speak fluently until he was 12-years-old.

2. Albert Einstein was a major class clown.

Einstein would often act out in class. As a teen, he’d boisterously bark and snort during class so much, the kids gave him the nickname “Schweinhund”, which in German means “pig-dog”. In another instance, Einstein once released two bats from his lunchbox. Seven students were injured in the skirmish as the bats flew through the classroom.

As a 21-year-old undergrad at Swiss Federal Polytechnic, he barely graduated college. He was known as a daydreaming, never-paying-attention, airheaded, goof-off. So much so, that his teachers refused to write him a recommendation upon his graduation.

The result of this: he couldn’t find a job.

3. Einstein almost decided to change his career to selling insurance.

Einstein’s father, Hermann Einstein, tried to apply for jobs on behalf of his son. He had no success. Despite their combining efforts, there weren’t a lot of positions he qualified for. In 1902, his father died under the impression that his son was going to be a failure. This caused a depressed and defeated young Al to consider changing his field of study from math/physics to insurance.

4. He was known as a daydreamer/air-head.

Often times, Einstein would spend hours — even days — staring off into blank space daydreaming about various things. One of his famous daydreams were of him being able to ride alongside a light beam. Another famous dream would involve him picturing a man falling off a roof inside of an elevator.

As we know now, these two famous daydreams lead to his changing science forever with his special/general relativity equations which determined the closely linked relationship between space and time.

5. Einstein was aided by his wife in rise to stardom.

Einstein’s name wasn’t always synonymous with the word “genius”. Before he was known as one of the greatest minds in history, he spent some 33, or so, years as an ordinary man. He switched jobs a few times, working as a substitute teacher and other small jobs before settling in as a lowly patent clerk working for peanuts with a wife and a child at home. His wife, Mileva Marić, (who also attended Polytechnic with him) was an aspiring physicist, herself. She put her dreams on the back-burner to take care of her kids and the house, while helping him to mold his beginning theories.

Eventually, they grew apart. Einstein didn’t want a scientist wife, he wanted a domestic one. He made a pact with her: he guaranteed that he’d win the Nobel Prize, and he told her if she signed divorce papers, he’d give her all the money from the winnings. Against her scientist nature, she went against the odds and accepted.

He would later win the award.

6. 1905 is considered, “Einstein’s miracle year” despite almost nothing going right.

Like us normal-folks, stress, pressure to not fail, failure, and anxiety was very much a reality for Einstein. Everyone has felt that, ‘you’re getting old, do something with your pitiful life, you bum’ feeling at one point or another. Einstein was no different. He once wrote to his parents that he felt it would have been “better” if he had “never been born.”

In 1905, in particular, Einstein’s theories were being rejected left and right. He worked at his monotonous and boring job six days a week only to have minimal only enough to get by.

He suffered from depression, and some even suggest anxiety, as well. At 26-years-old, with a family, he was nowhere near where he thought he should have to been at that age. A dead-end job and no one biting onto what was his true natural passion.

His opportunity came in an unlikely manner, however. Germany’s biggest theoretical physicist Max Planck — father of quantum theory — gained interest in his early papers and published them without knowing he was publishing the work of a bored, daydreaming, patent clerk rather than a scientist.

This would prove to lead to his big break.

7. He almost lost his career as a physicist, early on.

Despite catching his opportunity at a big break, the risks he took almost lead to career suicide.

His ‘special relativity’ theory was notable, but he wasn’t satisfied with only that. He wanted to develop a general relativity theory one which explained the role gravity plays in space and time. That task seemed almost impossible. It meant fighting against 200 years of established scientific theories, including theories from his hero, Sir Issac Newton.

Up against a man folks considered next to God, himself, (Isaac Newton) he had a colossal task at hand. Despite his mentor, Planck, telling him he was either going to be unsuccessful or people weren’t going to believe him, Einstein sought to understand our universe more fully than the world had ever been able to understand.

After much brainstorming, daydreaming, and frustrating trial and error, he was able to discover an equation that explained his general relativity theory.

He only had one more thing to do: prove it to the doubting science world, and that may have been more difficult than anything else.

He struggled to find the right set of people to conduct an experiment. The unprecedented مجنون experiment was centered around catching a solar eclipse to prove that space bends through heavy gravity by observing how the stars interact around the sun.

The next solar eclipse was going to be in Crimea (1914). The plan was foiled by war and a cloudy night. That misfortune turned out to be a حسن thing, however.

Upset at missing his chance to prove his new theory was correct, he used some extra time to review his equation. In that extra time he discovered that he would have actually been incorrect, likely taking an embarrassing public hit to his credibility as a new guy.

The experiment failure gave him an opportunity to spot something that could have potentially ruined his career. He jumped back into his thinking zone to fix it and eventually published a paper that would change the world forever.


6 Things You Might Not Know About Einstein’s General Theory of Relativity - HISTORY

أnyone writing that Einstein was fundamentally wrong has not understood General Relativity. There are really two different things which are General Relativity. There are the principles that define General Relativity in particular the Einstein Equivalence Principle. Then there are mathematical realizations of those principles like the Einstein Hilbert Action, from which we derive predictions from the big bang, to light bending due to the Sun, to Black Holes, and gravitational waves. So if you see a headline saying Einstein was wrong the answer is no. His theories were incomplete descriptions of nature. We seek to extend this with modified theories, and test those with experiments. Any such theories would include general relavity within their structure. This is similar to the way Einstein's theory reduces to Newtons laws at smaller masses and lower speeds.

This mathematical realization has been remarkably successful and passed every test thrown at it. However, we still test it to look for alternatives and extensions to it. For example, we look for various ways to extend our mathematical formulation of General Relativity by adding new fields, or new interactions between gravity and those fields.

The most robust approach holds that instead of gravity being described by the Ricci curvature R it is instead a function, f, of the Ricci curvature R. f(R) in the traditional mathematical formulation of general relativity f(R)=R. This formulation has gotten us all the modern astrophysics you have ever heard of.

There are many other models of f(R). I developed a few of my own which I either gave talks about or published however those models were extraordinarily complex and, in a way, mostly academic. These days the most interesting f(R) is due to Alexi Starobinsky f(R)=R+bR^2 . This model is the simplest function of R possible other than adding a constant such as the cosmological constant. This model gives cosmic inflation and preserves all the predictions of the traditional formulation. However, how does one test for this?

This is where gravitational wave observations may be instructive. Extreme mass ratio in spirals. This is where a black hole interacts with an object which is much less massive. This could be a super massive black hole and a neutron star or a black hole and an ordinary planet. The LISA probe to be launched by the European Space Agency with a little cooperation with NASA is going to investigate this and many other things.

LIGO is not sensitive to EMRI interactions as it does not have the scale to be sensitive to them. These low frequency interactions just are not visible to LIGO.

In simple terms think of these devices as being like tuning forks. Strike a tuning fork on one side of the room. An identical tuning fork will resonate with the sound of the one you struck. The frequency of the tuning fork depends on the size of the tuning fork. LIGO is not sensitive to EMRI interactions as it does not have the scale to be sensitive to them. These low frequency interactions just are not visible to LIGO but they will be to LISA which will be much larger.

None of this even considers issues of how to incorporate gravity into quantum mechanics or perhaps vice versa.

Einstein can be built upon, and physicists will do just that. Einstein and Hilbert were not perfect. However, if anyone says, &ldquoEinstein was wrong&rdquo, at this point, they are a quack.

Opinion and views articles that I post at Science 2.0 will be available on my Substack for at least a day before they are here. If you like what you see here check out my feed there. It is free for the time being.

Currently I am an adjunct professor at the College of DuPage. My research focuses on astrophysics from massive star formation to astroparticle physics.


5. Black holes

One of the earliest solutions to Einstein's general relativity equations was calculated by German physicist Karl Schwarzchild in 1916, when the theory was still hot off the press

This result gave us one of nature's (and Hollywood's) great blockbusters — black holes.

These infinitely dense remnants of massive dead stars are so tiny, and their gravity so strong, that the escape velocity is faster than the speed of light.

Einstein thought black holes sounded nuts, but there's plenty of indirect evidence that they exist.


Einstein's Theory Of Relativity: Implications Beyond Science?

SiS is proud to feature the winners of the "2008 Integrated Graduate Program in the Life Sciences (IGP) Science and Society Class Distinction Award." Written as part of a course on science and society, these papers were chosen by IGP faculty to be published on SiS. This month, we present the following piece by MD-PhD candidate Hans Arora. Next month we'll look at "Origin of Life: The Panspermia Theory," by PhD student Sonali Joshi.

In 1905, Albert Einstein published his special theory of relativity, and his general theory of relativity was made public in 1915. For these accomplishments, he is often heralded as the most influential thinker of the 20th century and possibly in modern history. His name is taught to elementary school children across the country as a potential role model, and his image is easily recognizable to the majority of our population. “Einstein” and “genius” have become virtually interchangeable in our society.

Arguably, it is the superficial simplicity that causes many to accept E = mc 2 as Einstein's major contribution to science: five simple characters, simple algebra—how hard could it be? We need only look at the backs of cereal boxes, television commercials, and newspaper advertisements to see the famous equation used to signify education and knowledge. While the audience may not understand what these letters stand for, or the far-reaching implications of the theory of relativity, the equation itself has become a symbol. The use of the phrase signals the lay audience to regard what follows as intelligent, knowledgeable, and accurate.

The meaning of this phrase to the scientific community is understandably much different. As a graduate student, much of my academic life while growing up has been geared towards science. One of the questions I remember asking is, "What does E = mc 2 mean?" When I was lucky, I received the answer, "energy equals mass times the speed of light squared," and for a while I was content with that literal response. Yet, while "energy equals mass times the speed of light squared" tells me what E = mc 2 stands for, it still does not tell me what it means. As I learn more, I realize that the applications of this deceivingly simple equation are what give it meaning, whether they are in the construction of the atomic bomb or the study of particle physics. But this mass-energy equivalence is only one aspect of relativity—and only special relativity at that—and yet it is the most commonly cited example of Einstein's work.

However, the great majority influence Einstein is credited with is due to the implications of relativity as a concept beyond science. While Einstein’s work did create new branches of study in physics and revolutionize astronomy, the impact on daily life, philosophy, and society are much more important. It is through the aftermath of his two theories on relativity that Einstein has truly risen to fame in a variety of audiences and for many reasons.

At first glance, it seems difficult to acknowledge practical, every day implications of Einstein’s theories of relativity. We rarely find ourselves confronted with the dilemma of considering disparate inertial frames or extremely high velocities approaching the speed of light. However, the applications to nuclear energy production and synchronization of the global positioning system (GPS) satellites around the earth indicate an effect of relativity on our day-to-day activities. Nuclear energy has helped alleviate a portion of our reliance on non-renewable resources for our energy needs. And as those needs increase and our resources are depleted, we will be continually drawn towards the promises nuclear energy has already fulfilled for other parts of the world that have more readily accepted it as a major energy supplier. It is also difficult to imagine the military and combat today without conjuring images of nuclear warheads and nuclear-powered submarines. These technologies rely on relativity through GPS. However, GPS enables not only the Department of Defense, but also the commuter who has just taken a wrong turn and the couple searching for a restaurant.

Another practical aspect of our lives that has been impacted by relativity is almost so basic that it often escapes conscience awareness. Einstein's postulates regarding relativity challenged much of the way traditional science had viewed certain physical aspects of the universe. Put simply, he stated that the laws of physics (and science) are the same for all observers, regardless of their speed, and that the speed of light was constant for all observers, regardless of their speed. For example, if a person traveling 60 miles per hour on a bus throws an object at 30 miles an hour, this object will appear to be moving at 90 miles per hour—both speeds combined—to a person standing still on the ground, but only 30 miles per hour to the person on the bus. However, if the person on the bus shoots a light beam, and a person standing still on the ground also sees it, the speed of the light will be the same for both people on the ground and people on the bus—186,000 miles per second. The extra 60 miles per hour of velocity from the bus means nothing.

Initial intuition tells us this does not make sense—speed is determined by distance over time. So, if the speed of light doesn’t change, that means distance and time must change to always reach the correct number. Therefore, one of relativity's most extraordinary consequences is realized: time itself is relative! Things that we thought were fixed, constant, and known were not really any of those. Time (and length) were dependent on your viewpoint, and the circumstances (i.e. inertial reference frame) in which you viewed these “constants” affected the properties which you measured. Time is often agreed upon as the only constant thing in our universe. Einstein dared to say that we must now re-interpret how we view the world around us. Such a radical concept turned science on its head, and it became widely acknowledged that this discovery had somehow affected the lives of everyone on the planet- rather, the lives of everyone had always been affected by properties that had only just been discovered and acknowledged.

Einstein’s theories of relativity have not only affected our daily lives in such basic ways as how we heat our homes, reach our destinations, and measure our days. His theories of relativity were used by philosophers, politicians, and activists to turn moral philosophy upside-down. Relativity fueled postmodernism and philosophic relativism. Prior to relativity, philosophers such as Aristotle, Kant, and Mill argued that there was an absolute truth and an absolute way of approaching various aspects of life. For example, a businessman who comes across a child drowning in a pond is obligated to save the child’s life. However, now armed with relativity, facts are no longer absolute, but instead dependent upon your viewpoint, your own "philosophical" inertial reference frame. Right and wrong now vary from person-to-person, an idea which was so readily accepted because that now meant that each one of our viewpoints could be considered valid, as there was no absolute truth to be had. Of course, it should be noted that this philosophical argument is not always accepted by the laws and social norms we produce.

Another societal implication of Einstein’s theories is due to his humble background. The child of immigrants, Jewish, and poor, Einstein was the quintessential American. He had earned his success and thus, we could too. Power and fame were not just for the rich and established. Education became the ticket to success for many less fortunate in the United States. He exemplified the importance of diversity and openness at a time when the world was not ready to see that which was different. Due to his fame and prominence after the publication of his theories of relativity, Einstein became an everyday hero. Amazingly, he was able to use his influence to comment on social and national policies such as nuclear warfare, education, and human rights.

Through all of these realms of influence, it becomes obvious that Einstein is not simply a brilliant physicist, but a man who changed his world in ways that he could not have even foreseen. It is for these reasons that he has often been called the most influential person of modern history, and that the greatest impact of his work on relativity was not on our science, but on our society.


الدليل

As soon as Einstein discovered general relativity, he realised that it explains the failure of Newton’s theory to account for the orbit of Mercury. The orbit is not quite circular which means that there is a point at which it is closest to the sun. Newton’s theory predicts that this point is fixed, but observation shows that it slowly rotates around the sun and Einstein found that general relativity correctly describes the rotation.

Einstein’s general relativity.

“I was beside myself with joyous excitement,” he wrote a few months later. Since then, general relativity has passed many observational tests with flying colours.

You are using general relativity whenever you invoke the GPS system to find out your position on the Earth’s surface. That system emits radio signals from 24 satellites and the GPS receiver in your phone or car analyses three or more of these signals to figure out your position using general relativity. If you had used Newton’s theory, the GPS system would have given the wrong position.

But while general relativity works well to describe the physical world on large scales, quantum mechanics has emerged as the most successful theory for tiny particles such as those making up an atom. Just like the theories of relativity, quantum mechanics is counter intuitive. Whether it is possible to unite the two remains to be seen but it is unlikely to reintroduce common sense into physics.


What is indisputable

“Q uite naturally, and in accord with Hilbert’s view of things, the resulting law of warpage was quickly given the name the Einstein field equation rather than being named after Hilbert. Hilbert had carried out the last few mathematical steps to its discovery independently and almost simultaneously with Einstein, but Einstein was responsible for essentially everything that preceded those steps…” — Kip Thorne, 1994

It is indisputable that Hilbert, like all of his other colleagues, acknowledged Einstein as the sole creator of relativity theory (Fölsing, 1993). This is confirmed in many places, even on the first page of Hilbert’s publication. On December 4th, Hilbert even nominated Einstein for election as a corresponding member of the Göttingen Mathematical Society. Despite this, there was indeed a period of tension between the two, coming to a head on December the 20th with Einstein writing to Hilbert offering a reconciliation:

“T here has been a certain resentment between us, the cause of which I do not want analyze any further. I have fought against the feeling of bitterness associated with it, and with complete success. I again think of you with undiminished kindness and I ask you to attempt the same with me. It is objectively a pity if two guys that have somewhat liberated themselves from this shabby world are not giving pleasure to each other.”

If you want to learn more about Einstein’s theory, physicist Leonard Susskind of Stanford University released a lecture series on general relativity in 2008 which is still available for free here. A more recent version of the same course made available in 2012 can be found here. My own (somewhat chaotic) notes from the 2008 lectures, written while I was still an undergraduate, are available here.

This essay is part of a series of stories on math-related topics, published in Cantor’s Paradise, a weekly Medium publication. Thank you for reading!


شاهد الفيديو: The Physics Cafe E=Mc2 Einsteins Big Idea Part 1 of 2 (كانون الثاني 2023).

Video, Sitemap-Video, Sitemap-Videos