Ako se približite brzini svjetlosti, putnik će proći znatno drugačije od nasuprot osobi koja ostaje u stalnom referentnom okviru. Ali ni paradoks blizanaca ni eksperiment Michelson-Morley nisu bili ono što je zasadilo Einsteinovo sjeme za razvijanje relativnosti. (TWIN PARADOX, VIA TWIN-PARADOX.COM)

Relativnost nije bilo Einsteinovo čudo; Čekao se u ravnodušnom viđenju 71 godinu

Faradayev zakon indukcije predstavljen je 1834. godine i bio je pokus koji je Einsteina otkrio relativnost.

Kad razmišljamo o Einsteinu i teoriji relativnosti, okružuju ga svakakve legende. Što ga je nadahnulo na shvaćanje da ne postoji nešto poput etera ili medija za svjetlost? Što ga je dovelo do ideje da je brzina svjetlosti konstantna, nepromjenjiva za sve promatrače, bez obzira na to kako su se kretala jedan prema drugom?

Bilo je mnogo velikih napretka na koje ljudi vole ukazivati. Bio je eksperiment Michelson-Morley, koji je tražio kretanje kroz eter i nije otkrio nijedan. Tu su djelovali Lorentz i Fitzgerald, koji su pokazali da se duljine smanjuju i vrijeme se smanjuje kad se pomaknete blizu brzine svjetlosti. A tu je bilo i djelo Maxwella, koji je ujedinio elektriku s magnetizmom desetljećima ranije.

Ali to nije bilo ništa od toga. Prema samom Einsteinu, to je bio pokus Faradayeva iz 1834. To je bio zakon elektromagnetske indukcije.

Detaljan litograf Michaela Faradaya koji je održao božićno predavanje u Kraljevskoj instituciji, oko 1856. (ALEXANDER BLAIKLEY)

Michael Faraday bio je jedan od najvećih fizičara 19. stoljeća, ali bio je sjajan na način na koji ga ne cijenimo često. Danas bismo ga mogli odbaciti kao pukog majstora jer se njegovi veliki uspjesi nisu temeljili na jednadžbama ili eksplicitno kvantitativnim predviđanjima, već na rezultatima koje su otkrile njegove genijalne eksperimentalne postavke.

U vrijeme kada je električna energija prvi put korištena i njezina primjena još je bila u povojima, Faraday je otkrivao duboke istine o međusobno povezanoj prirodi električne energije s magnetizmom.

Linije magnetskog polja, kako je prikazano pomoću magnetne trake: magnetski dipol, sa sjevernim i južnim polom povezanim zajedno. Ti stalni magneti ostaju magnetizirani čak i nakon što se oduzmu bilo koja vanjska magnetska polja. Nije se shvatilo da su magnetizam i električna energija bili stoljećima povezani. (NEWTON HENRY BLACK, HARVEY N. DAVIS (1913.) PRAKTIČNA FIZIKA)

Električna energija i magnetizam nisu uvijek bili povezani zajedno. U stvari, oni su izvorno tretirani kao potpuno neovisni fenomeni.

  • Električna energija temeljila se na pojmu nabijenih čestica koje mogu biti nepomične (tamo gdje bi privlačile ili odbijale) ili u pokretu (gdje bi stvarale električne struje), a statički elektricitet bio je primjer bivšeg, a munje su primjer potonji.
  • Magnetizam je tretiran kao trajni fenomen, gdje se određeni minerali ili metali mogu trajno magnetizirati, a na samu Zemlju se gledalo i kao na trajni magnet, omogućavajući orijentaciju kompasom.

Tek smo 1820., eksperimentom Oerstad, počeli razumijevati da su te dvije pojave povezane.

Školski aparat za izvođenje eksperimenta u Šterni demonstrirajući da električna struja stvara magnetska polja, prvi put ih je izveo 21. travnja 1820. danski znanstvenik Hans Christian Øersted. Sastoji se od provodne žice obješene preko igle za kompas. Kada kroz žicu prođe električna struja, kao što je prikazano, igla kompasa se odmače pod pravim kutom. (AGUSTIN PRIVAT-DESCHANEL)

Ako iglu za kompas stavite pored žice koja provodi električnu struju kroz nju, ustanovit ćete da se igla kompasa uvijek pomiče da poravna okomito na žicu. U stvari, to je bilo tako slabo predviđeno da je igla prvi put izvedena eksperiment postavljena okomito na žicu, a nije primijećen nikakav učinak. Očekivalo se da će se igla poravnati s električnom strujom, a ne okomito na nju.

Dobra stvar za tinkarne koji su tada mislili napraviti eksperiment s iglom koja je već poravnata s žicom i bili su u stanju primijetiti prvu vezu između električne energije i magnetizma. Rezultat tog eksperimenta pokazao je nešto revolucionarno: električna struja ili pokretni električni naboji generirali su magnetsko polje. Sljedeći korak, koji je poduzeo Faraday, bio bi još revolucionarniji.

Koncept elektromagnetske indukcije, ilustriran pomoću magnetne trake i žice petlje. (RICHARD VAWTER SVEUČILIŠTA WESTERN WASHINGTON)

Možda ste čuli za Newtonov treći zakon kretanja: za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija. Ako gurate prema objektu, objekt vas gura natrag jednakom i suprotnom silom. Ako vas Zemlja povuče zbog gravitacije, tada morate povući Zemlju jednakom i suprotnom silom, također zbog gravitacije.

Pa, ako pokretni električni naboj unutar žice može stvoriti magnetsko polje, onda je možda jednako i suprotno: možda generiranje magnetskog polja na pravi način može uzrokovati kretanje električnih naboja unutar žice, stvarajući električnu struju? Faraday je sam izveo ovaj eksperiment i utvrdio je da ako promijenite magnetsko polje unutar petlje žice pomicanjem stalnog magneta u njega ili van njega, na primjer, u njemu ćete stvoriti električnu struju.

Jedna od najranijih primjena Faradayevog zakona indukcije bila je primijetiti da zavojnica žice, koja bi stvorila magnetsko polje unutra, može magnetizirati materijal, uzrokujući promjenu u njegovom unutarnjem magnetskom polju. Tada bi to promjenjivo polje izazvalo struju u zavojnici na drugoj strani magneta, uzrokujući da se igla (desno) odbije. Moderni induktori još uvijek se oslanjaju na taj isti princip. (WIKIMEDIA ZAJEDNO KORISNIK EVIATAR BACH)

Nakon što se eksperimentalno postavljao na različite načine, uspio je demonstrirati kako to detaljno funkcionira.

  • Kad promijenite magnetsko polje unutar žice ili zavojnice žice, inducirajte električnu struju koja se protivi promjeni polja.
  • Ako stavite željezni prsten oko dvije žice petlje i provedete električnu struju kroz jednu petlju, generirali biste struju u drugoj petlji.
  • Ako zakrenite bakarni (dirigentni) disk u blizini magnetskog vodiča s električnim vodom, mogli biste generirati konstantnu električnu struju; to je bio izum prvog električnog generatora.
  • A ako premjestite zavojnicu žice koja nosi struju u ili iz unutrašnjosti zavojnice žice bez struje kroz nju, ona će stvoriti električnu struju u većoj zavojnici.
Jedan od Faradayjevih eksperimenata iz 1831. godine koji pokazuje indukciju. Tekuća baterija (desno) kroz malu zavojnicu (A) šalje električnu struju. Kada se pomiče u veliku zavojnicu (B) ili iz nje, njeno magnetsko polje inducira trenutni napon u zavojnici, što detektira galvanometar. (J. LAMBERT)

To je postalo poznato kao Faradayev zakon indukcije, a na toj je razini dobro shvaćen 1834. godine. Razmišljajući o ovom fenomenu, Einstein je prvi počeo otkrivati ​​svoj princip relativnosti. Zamislite sljedeće dvije postavke, obje koje uključuju bar magnet i zavojnicu žice:

  1. Imate fiksni, nepomični svitak žice i šipku magnet koji možete premjestiti u žicu i iz nje izmotavati. Pomičete magnet u zavojnicu konstantnom brzinom i gledate kako se u zavojnici pojavljuje električna struja.
  2. Imate fiksni, nepomični magnet trake i zavojnicu žice koju možete slobodno premještati na magnet ili s njega. Premještate zavojnicu na magnet konstantnom brzinom i gledate kako se u zavojnici pojavljuje električna struja.

Ako razmišljate o ova dva scenarija bez relativnosti, oni bi imali neizmjerno različite posljedice na ono što bi se fizički dogodilo.

Kad pomaknete magnet u (ili van) žice ili zavojnice žice, to uzrokuje promjenu polja oko vodiča, što uzrokuje silu na nabijene čestice i potiče njihovo kretanje, stvarajući struju. Pojave su vrlo različite ako magnet miruje i zavojnica se pomiče, ali generirane struje su iste. Ovo je bila točka skakanja za načelo relativnosti. (OPENSTAXCOLLEGE AT OPENTEXTBC.CA, UNDER CC-BY-4.0)

Kada premjestite magnet u stacionarni, provodni svitak, magnet vidi kako se električno polje stvara s određenom količinom energije, a to polje proizvodi struju u vodiču koja ovisi o energiji polja koju magnet stvara. To odgovara slučaju br. 1 gore.

Ali ako biste umjesto toga magnet držali nepomičnim i pomicali vodič, oko magneta ne bi nastalo električno polje. Umjesto toga, događa se da dobijete napon (ili elektromotornu silu) koji nastaje u vodiču, a koji uopšte nema svojstvenu energiju. To odgovara slučaju br. 2, gore.

Međutim, eksperimentalno, obje ove postavke moraju biti jednake. oni proizvode iste električne struje iste veličine i intenziteta u zavojnicama žice. Upravo je ta spoznaja, više od bilo koje druge, dovela Einsteina do načela relativnosti.

Svjetlosni sat, formiran fotonom koji se odbija između dva zrcala, definirat će vrijeme za svakog promatrača. Iako se dva promatrača neće međusobno složiti koliko vremena prolazi, složit će se o zakonima fizike i konstantama svemira, poput brzine svjetlosti. Kada se relativnost pravilno primijeni, ustanovit će se da su njihova mjerenja jednaka jedna drugoj. (JOHN D. NORTON)

Princip priznaje, prije svega, da ne postoji to stanje apsolutnog mirovanja. Relativnost nalaže da će svi promatrači, bez obzira na to koliko se brzo ili u kojem smjeru kreću, vidjeti iste zakone električne energije i magnetizma, kao i iste zakone mehanike.

Kada danas govorimo o relativnosti, gotovo uvijek raspravljamo o eksperimentu Michelson-Morley, koji je pokazao da se brzina svjetlosti ne mijenja bez obzira na to usmjeravate li je gibanjem Zemlje (koja je brzinom od 30 km / s, u odnosu na Sunce, ili otprilike 0,01% brzine svjetlosti) ili pod bilo kojim proizvoljnim kutom u odnosu na gibanje Zemlje. Naravno, to bi nam moglo postati jasnije, kao način da objasnimo zašto relativnost mora imati smisla, unazad.

Ali to je bila samo sekundarna briga, što su i Einstein naveli u literaturi i Max Born pišući o Einsteinu godinama kasnije.

Michelson-ov interferometar (vrh) pokazao je zanemariv pomak u uzorcima svjetla (dno, čvrsto) u usporedbi s onim što se očekivalo ako je Galileova relativnost istinita (dno, točkasto). Brzina svjetlosti bila je ista bez obzira na smjer orijentacije interferometra, uključujući kut prema, okomito na ili protiv kretanja Zemlje kroz svemir. (ALBERT A. MICHELSON (1881); A. A. MICHELSON i E. MORLEY (1887))

Ako bi Svemir imao referentni okvir različit od svih ostalih, tada biste trebali izvršiti neko mjerenje koje bi vam otkrilo kako su zakoni prirode različiti kada ste se kretali jednom određenom brzinom u jednom određenom smjeru. Ali to nije u skladu s Univerzumom koji imamo. Bez obzira koliko se brzo krećete ili u kojem se pravcu krećete, zakoni fizike su isti, a svaki fizički eksperiment koji možete izvesti dat će iste mjerljive rezultate i rezultirati istim fizičkim pojavama.

Način na koji opažamo te pojave može se razlikovati ovisno o našem referentnom okviru, ali to je za očekivati. Tek spajanjem svih ovih komada, zajedno s postojanošću brzine svjetlosti za sve promatrače, ta relativnost izrasla je iz principa u potpuno teoriju. 1905. Einstein je zauvijek promijenio način na koji smo gledali Svemir, ali sjeme je bilo tamo već 1834. Relativnost nije čudo. Sjemenu je samo trajalo 71 godina da bi pravilno klijalo.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.