Specialusis reliatyvumas ir bendrasis reliatyvumas
Šis palyginimas suskaido du Alberto Einšteino revoliucinio darbo ramsčius, tyrinėdamas, kaip specialioji reliatyvumo teorija iš naujo apibrėžė judančių objektų erdvės ir laiko santykį, o bendroji reliatyvumo teorija išplėtė šias sąvokas, kad paaiškintų esminę gravitacijos prigimtį kaip pačios Visatos kreivumą.
Akcentai
- Specialusis reliatyvumas pateikė idėją, kad laikas nėra absoliutus, o priklauso nuo greičio.
- Bendroji reliatyvumo teorija įrodė, kad šviesos trajektorijas išlenkia masyvių objektų gravitacija.
- Be bendrosios reliatyvumo teorijos GPS sistemų tikslumas kasdien prarastų kilometrus.
- Specialusis reliatyvumas iš esmės yra bendrojo reliatyvumo „poaibis“ plokščiai erdvei.
Kas yra Specialusis reliatyvumas?
Dėmesys sutelkiamas į fiziką „plokščiame“ erdvėlaikyje be gravitacijos.
- Išleista: 1905 m. (Annus Mirabilis)
- Pagrindinis postulatas: pastovus šviesos greitis
- Pagrindinė lygtis: E = mc²
- Pagrindinė taikymo sritis: inerciniai judėjimo rėmai
- Pagrindinis poveikis: laiko išsiplėtimas ir ilgio susitraukimas
Kas yra Bendroji reliatyvumo teorija?
Geometrinė gravitacijos teorija išlenktame erdvėlaikyje.
- Išleista: 1915 m.
- Pagrindinis postulatas: lygiavertiškumo principas
- Pagrindinė lygtis: Gμν + Λgμν = 8πG/c⁴ Tμν
- Pagrindinė taikymo sritis: pagreitinti kadrai ir gravitacija
- Pagrindinis poveikis: Gravitacinis laiko išsiplėtimas
Palyginimo lentelė
| Funkcija | Specialusis reliatyvumas | Bendroji reliatyvumo teorija |
|---|---|---|
| Gravitacijos įtraukimas | Visiškai neįtraukia gravitacijos | Apibrėžia gravitaciją kaip erdvėlaikio kreivumą |
| Judesio tipas | Vienodas (pastovaus greičio) judėjimas | Pagreitintas judėjimas ir sukimasis |
| Erdvėlaikio geometrija | Butas (Minkovskio erdvė) | Išlenktas (Riemanno geometrija) |
| Atskaitos rėmai | Tik inerciniai rėmai | Neinercinės ir inercinės sistemos |
| Nuspėjamoji galia | Masės ir energijos ekvivalentiškumas | Juodosios skylės ir gravitacinės bangos |
| Matematinis pagrindas | Algebros ir Lorenco transformacijos | Tenzorių skaičiavimas ir lauko lygtys |
Išsamus palyginimas
Gravitacijos vaidmuo
Specialioji reliatyvumo teorija daro prielaidą, kad visatoje gravitacijos nėra arba jos poveikis yra nereikšmingas, sutelkdama dėmesį tik į tai, kaip erdvė ir laikas keičiasi objektams, judantiems dideliu greičiu. Priešingai, bendroji reliatyvumo teorija iš esmės yra gravitacijos teorija, apibūdinanti ją ne kaip jėgą, o kaip masės ir energijos, iškreipiančios patį erdvėlaikio audinį, rezultatą.
Matematinis pagrindas
Specialiosios reliatyvumo teorijos matematika yra gana paprasta – ji remiasi Lorentzo transformacijomis, siekiant apskaičiuoti, kaip lėtėja laikas arba trumpėja ilgiai. Bendrajai reliatyvumo teorijai reikia žymiai sudėtingesnio tenzorinio skaičiavimo, kad būtų galima apibūdinti, kaip keturių matmenų visatos geometrija keičiasi esant materijai.
Laiko išsiplėtimo efektai
Specialioji reliatyvumo teorija prognozuoja, kad stebėtojui, judančiam dideliu greičiu kito stebėtojo atžvilgiu, laikas sulėtėja. Bendroji reliatyvumo teorija prideda antrą sluoksnį, parodydama, kad laikas taip pat teka lėčiau stipresniuose gravitaciniuose laukuose, pavyzdžiui, arčiau masyvios planetos paviršiaus.
Taikymo sritis
Specialusis reliatyvumas yra būtinas norint suprasti dalelių greitintuvus ir šviesos elgesį, tačiau jis nepaaiškina planetų orbitų ar Visatos plėtimosi. Bendrasis reliatyvumas suteikia pagrindą šiuolaikinei kosmologijai, paaiškindamas tokius reiškinius kaip Didysis sprogimas, juodųjų skylių egzistavimas ir žvaigždžių šviesos lenkimas.
Privalumai ir trūkumai
Specialusis reliatyvumas
Privalumai
- +Lengviau apskaičiuoti
- +Paaiškina branduolinę energiją
- +Universalus greičio apribojimas
- +Dalelių fizikos standartas
Pasirinkta
- −Ignoruoja gravitacines jėgas
- −Apribotas iki pastovaus greičio
- −Neišsamus kosminis modelis
- −Negaliu paaiškinti pagreičio
Bendroji reliatyvumo teorija
Privalumai
- +Pilnas gravitacijos modelis
- +Prognozuoja juodąsias skyles
- +Paaiškina kosminį plėtimąsi
- +Didžiausias įmanomas tikslumas
Pasirinkta
- −Nepaprastai sudėtinga matematika
- −Sunku išbandyti
- −Nesuderinama su kvantiniu
- −Skaičiavimo intensyvumas
Dažni klaidingi įsitikinimai
Bendroji reliatyvumo teorija specialiąją reliatyvumo teoriją pavertė pasenusia.
Jie veikia kartu; specialioji reliatyvumo teorija išlieka visiškai tiksli esant dideliems greičiams, kai gravitacija silpna, ir yra pagrindas, ant kurio buvo sukurta bendroji teorija.
Gravitacija yra traukos jėga tarp dviejų objektų.
Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, nėra jokios „traukos“; vietoj to, toks objektas kaip Saulė sukuria erdvėlaikio įdubimą, o Žemė tiesiog juda tiesiausiu įmanomu keliu per tą išlenktą erdvę.
Laiko išsiplėtimas tėra optinė iliuzija.
Tai fizinė realybė; atominiai laikrodžiai lėktuvuose ir palydovuose fiziškai fiksuoja trumpesnį laiką nei ant žemės, įrodydami, kad laikas iš tikrųjų bėga skirtingu greičiu.
Einšteino teorijos svarbios tik mokslinės fantastikos kosminėms kelionėms.
Jie aktyvūs jūsų kišenėje; išmaniųjų telefonų procesoriai ir pasaulinės telekomunikacijos sinchronizavimas veikia remdamiesi abiejų teorijų pataisomis.
Dažnai užduodami klausimai
Ar galima turėti bendrąją reliatyvumo teoriją be specialiosios reliatyvumo teorijos?
Kuo bendrasis reliatyvumas gravitaciją paaiškina kitaip nei Niutonas?
Kuri teorija paaiškina, kodėl E=mc²?
Ar šviesa turi masę, nes jai įtakos turi bendrasis reliatyvumas?
Kodėl taip sunku suderinti bendrąją reliatyvumo teoriją su kvantine mechanika?
Kas yra ekvivalentiškumo principas bendrojoje reliatyvumo teorijoje?
Kaip šios teorijos veikia Visatos amžių?
Kas yra gravitacinės bangos?
Nuosprendis
Naudokite specialiąją reliatyvumo teoriją, kai skaičiuojate didelio greičio kelionių tolimoje kosmose arba dalelių fizikos, kurioje nėra gravitacijos, poveikį. Perjunkite į bendrąją reliatyvumo teoriją bet kokiam scenarijui, susijusiam su masyviais dangaus kūnais, planetų orbitomis arba palydovinėms navigacijos sistemoms reikalingu tikslumu.
Susiję palyginimai
AC vs DC (kintamoji srovė ir nuolatinė srovė)
Šiame palyginime nagrinėjami esminiai kintamosios srovės (AC) ir nuolatinės srovės (DC) – dviejų pagrindinių elektros energijos srautų – skirtumai. Jame aptariamas jų fizinis elgesys, generavimo būdas ir kodėl šiuolaikinė visuomenė, teikdama energiją viskam – nuo nacionalinių elektros tinklų iki nešiojamųjų išmaniųjų telefonų, – pasikliauja strateginiu abiejų deriniu.
Atomas prieš molekulę
Šis išsamus palyginimas paaiškina skirtumą tarp atomų, pavienių pagrindinių elementų vienetų, ir molekulių, kurios yra sudėtingos struktūros, susidarančios cheminių jungčių būdu. Jame pabrėžiami jų stabilumo, sudėties ir fizinio elgesio skirtumai, suteikiant pagrindinį materijos supratimą tiek studentams, tiek mokslo entuziastams.
Atspindys ir refrakcija
Šiame išsamiame palyginime nagrinėjami du pagrindiniai šviesos sąveikos su paviršiais ir terpėmis būdai. Atspindys apima šviesos atspindėjimą nuo ribos, o refrakcija apibūdina šviesos lenkimąsi jai pereinant į kitą medžiagą, ir abu šiuos būdus lemia skirtingi fizikiniai dėsniai ir optinės savybės.
Banga ir dalelė
Šiame palyginime nagrinėjami esminiai skirtumai ir istorinė įtampa tarp materijos ir šviesos bangų ir dalelių modelių. Nagrinėjama, kaip klasikinė fizika juos laikė vienas kitą paneigiančiais dariniais, kol kvantinė mechanika nepristatė revoliucinės bangų ir dalelių dualumo koncepcijos, kai kiekvienas kvantinis objektas, priklausomai nuo eksperimentinės aplinkos, pasižymi abiejų modelių savybėmis.
Centripetalinė jėga ir išcentrinė jėga
Šis palyginimas paaiškina esminį skirtumą tarp įcentrinių ir išcentrinių jėgų sukimosi dinamikoje. Nors įcentrinė jėga yra reali fizinė sąveika, traukianti objektą link jo trajektorijos centro, išcentrinė jėga yra inercinė „tariamoji“ jėga, jaučiama tik besisukančioje atskaitos sistemoje.