Má bhogann tú gar do luas an tsolais, cuirfidh sé am ar bhealach difriúil don taistealaí i gcoinne an duine a fhanfaidh i bhfráma tagartha leanúnach. Ach níorbh é an cúpla paradacsa ná turgnamh Michelson-Morley a chuir síolta Einstein chun coibhneas a fhorbairt. (TWIN PARADOX, VIA TWIN-PARADOX.COM)

Ní raibh Gaolmhaireacht Miracle Einstein; Bhí sé ag fanacht le radharc soiléir ar feadh 71 bliana

Leagadh amach dlí ionduchtaithe Faraday i 1834, agus ba é an turgnamh a thug ar Einstein coibhneasacht a fháil amach.

Nuair a smaoinímid ar Einstein agus teoiric na coibhneasachta, téann gach cineál finscéal timpeall air. Cad a spreag é chun smaoineamh ar an gcoincheap nach raibh a leithéid de rud ann mar aether, nó meán chun solas taisteal tríd? Cad ba chúis leis an smaoineamh go raibh luas an tsolais seasmhach, gan athrú d’aon bhreathnadóir agus do gach breathnóir, is cuma cén chaoi a raibh siad ag bogadh i gcoibhneas lena chéile?

Is iomaí dul chun cinn mór a thaitníonn le daoine. Bhí turgnamh Michelson-Morley ann, a d’fhéach le gluaiseacht tríd an aether agus nár bhrath aon cheann. Bhí obair Lorentz agus Fitzgerald ann, a léirigh go raibh faid ar conradh agus go raibh an t-am laghdaithe nuair a bhog tú gar do luas an tsolais. Agus bhí obair Maxwell ann, a d’aontaigh leictreachas le maighnéadas scór bliain roimhe sin.

Ach ní raibh sé ar cheann acu seo. De réir Einstein féin, ba thurgnamh é ar chúl Faraday i 1834. Ba é dlí an ionduchtaithe leictreamaighnéadaigh é.

Sonraí faoi lithograph de Michael Faraday ag tabhairt léacht Nollag san Institiúid Ríoga, circa 1856. (ALEXANDER BLAIKLEY)

Bhí Michael Faraday ar cheann de na fisiceoirí ba mhó sa 19ú haois, ach bhí sé go hiontach ar bhealach nach dtuigeann muid go minic. Sa lá atá inniu ann, d’fhéadfaimis é a dhíbhe mar tinkerer lom, toisc go raibh a éachtaí móra bunaithe ní i gcothromóidí nó i dtuartha cainníochtúla follasacha, ach sna torthaí a nocht a chuid tacar turgnamhach seiftiúil.

Ag am nuair a bhí leictreachas á úsáid den chéad uair agus a fheidhmeanna fós ina thús, bhí Faraday ag nochtadh fírinní doimhne faoi nádúr idirnasctha an leictreachais le maighnéadas.

Línte réimse maighnéadacha, mar atá léirithe ag barra-mhaighnéad: dépholl maighnéadach, le cuaille thuaidh agus theas ceangailte le chéile. Fanann na maighnéid bhuana seo maighnéadaithe fiú tar éis aon réimsí maighnéadacha seachtracha a thógáil amach. Níor tugadh faoi deara go raibh maighnéadas agus leictreachas nasctha leis na cianta. (NEWTON HENRY DUBH, HARVEY N. DAVIS (1913) FISIC CLEACHTAIS)

Ní raibh leictreachas agus maighnéadas nasctha le chéile i gcónaí. Déanta na fírinne, caitheadh ​​leo ar dtús mar fheiniméin go hiomlán neamhspleách.

  • Bhí an leictreachas bunaithe ar an gcoincheap cáithníní luchtaithe a d’fhéadfadh a bheith ina stad (áit a tharraingeodh siad nó a n-aischuirfeadh siad) nó a bheadh ​​ag gluaiseacht (áit a gcruthóidís sruthanna leictreacha), agus leictreachas statach mar shampla den chéad cheann agus tintreach mar shampla den dara ceann.
  • Déileáladh le maighnéadas mar fheiniméan buan, áit a bhféadfaí mianraí nó miotail áirithe a mhaighnéadú go buan, agus breathnaíodh ar an Domhan féin mar mhaighnéad buan freisin, rud a cheadaigh treoshuíomh de réir chompáis.

Ní raibh sé ach i 1820, le turgnamh Oerstad, gur thosaigh muid ag tuiscint go raibh nasc idir an dá fheiniméan seo.

Gaireas scoile chun an turgnamh Øersted a dhéanamh ag taispeáint go gcruthaíonn sruthanna leictreacha réimsí maighnéadacha, a rinne an t-eolaí Danmhargach Hans Christian Øersted den chéad uair an 21 Aibreán 1820. Is éard atá ann sreang seolta atá crochta os cionn snáthaide compáis. Nuair a théann sruth leictreach tríd an sreang mar a thaispeántar, sáraíonn snáthaid an chompáis ag dronuillinn leis an sreang. (AGUSTIN PRIVAT-DESCHANEL)

Má chuireann tú snáthaid chompáis taobh le sreang a raibh sruth leictreach tríd, gheofá go sraonadh an tsnáthaid chompáis i gcónaí chun ailíniú ingearach leis an sreang. Déanta na fírinne, ní rabhthas ag súil chomh dona sin leis an gcéad uair a rinneadh an turgnamh, cuireadh an tsnáthaid ar bun ingearach leis an sreang i dtosach, agus níor breathnaíodh aon éifeacht. Bhíothas ag súil go n-ailíneodh an tsnáthaid leis an sruth leictreach, seachas ingearach leis.

Rud maith do tinkerers, ansin, a cheap an turgnamh a dhéanamh leis an tsnáthaid atá ailínithe leis an sreang cheana féin, agus a bhí in ann an chéad nasc idir leictreachas agus maighnéadas a urramú. Léirigh toradh an turgnaimh sin rud réabhlóideach: ghin sruth leictreach, nó muirir leictreacha ag gluaiseacht, réimse maighnéadach. Bheadh ​​an chéad chéim eile, a thóg Faraday, níos réabhlóidí fós.

Coincheap an ionduchtaithe leictreamaighnéadaigh, arna léiriú trí bharra-mhaighnéad agus lúb sreinge. (RICHARD VAWTER OLLSCOIL AN IARTHAIR WASHINGTON)

B’fhéidir gur chuala tú faoi thríú dlí gluaisne Newton: tá imoibriú cothrom agus contrártha ann do gach gníomh. Má bhrúnn tú i gcoinne réada, déanann an réad brú ar ais ort le fórsa cothrom agus contrártha. Má tharraingíonn an Domhan anuas tú mar gheall ar dhomhantarraingt, ansin caithfidh tú an Domhan a tharraingt suas le fórsa cothrom agus contrártha, mar gheall ar dhomhantarraingt freisin.

Bhuel, más féidir le muirear leictreach atá ag gluaiseacht taobh istigh de shreang réimse maighnéadach a ghiniúint, ansin b’fhéidir go bhfuil a mhalairt comhionann: b’fhéidir gur féidir le réimse maighnéadach a ghiniúint ar an mbealach ceart a bheith ina chúis le muirir leictreacha bogadh taobh istigh de shreang, ag cruthú srutha leictreach? Rinne Faraday an turgnamh seo é féin, agus chinn sé dá n-athrófá an réimse maighnéadach taobh istigh de lúb sreinge trí mhaighnéad buan a bhogadh isteach ann nó amach as, mar shampla ghinfeá sruth leictreach sa lúb féin.

Ba é ceann de na feidhmchláir ba luaithe de dhlí ionduchtaithe Faraday ná a thabhairt faoi deara go bhféadfadh corna sreinge, a chruthódh réimse maighnéadach taobh istigh, ábhar a mhaighnéadú, rud a d’fhágfadh athrú ina réimse maighnéadach inmheánach. Ansin spreagfadh an réimse athraitheach seo sruth sa chorna ar an taobh eile den mhaighnéad, rud a d’fhágfadh go sáraíonn an tsnáthaid (ar dheis). Tá ionduchtóirí nua-aimseartha fós ag brath ar an bprionsabal céanna. (WIKIMEDIA COMMONS USER EVIATAR BACH)

Tar éis tinkering leis an socrú turgnamhach ar bhealaí éagsúla, bhí sé in ann a thaispeáint conas a d’oibrigh sé seo go mion.

  • Nuair a d’athraigh tú an réimse maighnéadach taobh istigh de lúb nó corna sreinge, spreagfá sruth leictreach a chuirfeadh i gcoinne an athraithe sa réimse.
  • Má chuireann tú fáinne iarainn timpeall ar dhá lúb sreinge agus rith tú sruth leictreach trí lúb amháin, ghinfeá sruth sa lúb eile.
  • Má rothlaigh tú diosca copair (seolta) gar do bharra-mhaighnéad le luaidhe leictreach, d’fhéadfá sruth leictreach seasmhach a ghiniúint; ba é seo aireagán an chéad ghineadóra leictreachais.
  • Agus má bhog tú corna sreinge a iompraíonn sruth isteach nó amach as an taobh istigh de chorna sreinge gan aon sruth tríd, cruthóidh sé sruth leictreach sa chorna níos mó.
Ceann de thurgnaimh Faraday 1831 ag taispeáint ionduchtaithe. Seolann an ceallraí leachtach (ar dheis) sruth leictreach tríd an gcorna bheag (A). Nuair a bhogtar isteach nó amach as an gcorna mór (B) é, spreagann a réimse maighnéadach voltas móiminteam sa chorna, a bhraitheann an galbhánaiméadar. (J. LAMBERT)

Tugadh dlí ionduchtaithe Faraday air seo, agus thuig sé go maith ag an leibhéal seo faoi 1834. Is trí smaoineamh ar an bhfeiniméan seo a thosaigh Einstein ar dtús prionsabal na coibhneasachta a nochtadh. Samhlaigh an dá shocrú seo a leanas, agus maighnéad barra agus corna sreinge i gceist:

  1. Tá corna sreinge seasta, stadach agat, agus maighnéad barra ar féidir leat bogadh isteach sa chorna sreinge nó amach as. Bogann tú an maighnéad isteach sa chorna ar luas tairiseach, agus féachann tú ar an sruth leictreach le feiceáil sa chorna.
  2. Tá maighnéad barra seasta, stadach agat, agus corna sreinge ar féidir leat bogadh go saor chuig an maighnéad nó uaidh. Bogann tú an corna ar an maighnéad ar luas tairiseach, agus féachann tú ar an sruth leictreach le feiceáil sa chorna.

Má smaoiníonn tú ar an dá chás seo gan choibhneasacht, bheadh ​​impleachtaí an-difriúla acu ar an méid a tharlódh go fisiciúil.

Nuair a bhogann tú maighnéad isteach i lúb nó corna sreinge (nó amach as), bíonn sé ina chúis leis an bpáirc athrú timpeall an tseoltóra, rud a chuireann fórsa ar cháithníní luchtaithe agus a spreagann a ngluaiseacht, ag cruthú srutha. Tá na feiniméin an-difriúil má tá an maighnéad ina stad agus má bhogtar an corna, ach tá na sruthanna a ghintear mar an gcéanna. Ba é seo an pointe tosaigh do phrionsabal na coibhneasachta. (OPENSTAXCOLLEGE AG OPENTEXTBC.CA, FAOI CC-BY-4.0)

Nuair a bhogann tú an maighnéad isteach i gcorna stáiseanóireachta, seolta, feiceann an maighnéad go dtagann réimse leictreach chun cinn le méid áirithe fuinnimh, agus táirgeann an réimse sin sruth sa seoltóir ag brath ar fhuinneamh an réimse a ghineann an maighnéad. Freagraíonn sé seo do chás # 1, thuas.

Ach dá gcoinneofá an maighnéad ina stad agus an seoltóir a bhogadh, ní bheadh ​​aon réimse leictreach ag teacht timpeall ar an maighnéad. Is é an rud a tharlaíonn, ina ionad sin, ná go bhfaigheann tú voltas (nó fórsa leictreamaighnéadach) a eascraíonn sa seoltóir, nach bhfuil fuinneamh comhfhreagrach ann is gné dhílis dó ar chor ar bith. Freagraíonn sé seo do chás # 2, thuas.

Go turgnamhach, áfach, caithfidh an dá shocrú seo a bheith coibhéiseach. táirgeann siad na sruthanna leictreacha céanna den mhéid agus den déine chéanna sna cornaí sreinge. Is é an réadú seo, níos mó ná aon rud eile, a thug Einstein do phrionsabal na coibhneasachta.

Sainmhíneoidh clog solais, arna fhoirmiú ag fótón ag preabadh idir dhá scáthán, am d’aon bhreathnadóir. Cé go mb’fhéidir nach n-aontaíonn an dá bhreathnadóir lena chéile maidir leis an méid ama atá ag dul thart, aontóidh siad ar dhlíthe na fisice agus ar thairisí na Cruinne, amhail luas an tsolais. Nuair a chuirtear coibhneasacht i bhfeidhm i gceart, tuigfear go bhfuil a dtomhais comhionann lena chéile. (JOHN D. NORTON)

Aithníonn an prionsabal, ar an gcéad dul síos, nach bhfuil a leithéid de rud ann agus staid scíthe iomlán. Éilíonn coibhneasacht go bhfeicfidh gach breathnadóir, is cuma cé chomh gasta nó cén treo atá siad ag bogadh, na dlíthe céanna leictreachais agus maighnéadais, chomh maith leis na dlíthe céanna maidir le meicnic.

Nuair a labhraímid faoi choibhneasacht inniu, déanaimid plé i gcónaí ar thurgnamh Michelson-Morley, a léirigh nár athraigh luas an tsolais is cuma má dhíríonn tú air le tairiscint an Domhain (atá ag luas 30 km / s, i gcoibhneas leis an nGrian, nó thart ar 0.01% luas an tsolais) nó ag aon uillinn treallach maidir le gluaisne an Domhain. Cinnte, b’fhéidir go ndéanfadh sé sin níos soiléire dúinn, mar bhealach chun a mhíniú cén fáth go gcaithfidh ciall a bheith ag coibhneas, agus tú ag breathnú siar.

Ach ní raibh anseo ach imní tánaisteach, mar a luaigh Einstein féin sa litríocht agus le Max Born, agus é ag scríobh faoi Einstein blianta ina dhiaidh sin.

Léirigh idirghairmiméadar Michelson (barr) athrú neamhbhríoch i bpatrúin solais (bun, soladach) i gcomparáid leis an méid a rabhthas ag súil leis dá mbeadh coibhneasacht Galilean fíor (bun, ponc). Bhí luas an tsolais mar an gcéanna is cuma cén treo a raibh an t-idirghairmiméadar dírithe, lena n-áirítear, ar uillinn leis, ingearach le, nó i gcoinne ghluaisne an Domhain tríd an spás. (ALBERT A. MICHELSON (1881); AA MICHELSON AGUS E. MORLEY (1887))

Má bhí fráma tagartha ag na Cruinne a bhí difriúil ó na cinn eile go léir, ba cheart go mbeadh tomhas éigin ann a d’fhéadfá a dhéanamh a nochtfadh duit conas a bhí dlíthe an nádúir difriúil nuair a bhog tú ar luas áirithe i dtreo amháin. Ach tá sé sin ar neamhréir leis na Cruinne atá againn. Is cuma cé chomh tapa agus a bhogann tú nó cén treo a mbogann tú isteach, tá dlíthe na fisice mar an gcéanna, agus tabharfaidh aon turgnamh fisiceach is féidir leat a dhéanamh na torthaí intomhaiste céanna agus beidh na feiniméin fhisiciúla chéanna mar thoradh air.

D’fhéadfadh go mbeadh difríocht idir an bealach a fheicimid na feiniméin seo ag brath ar ár bhfráma tagartha, ach tá súil leis sin. Is trí na píosaí seo go léir a chur le chéile, chomh maith le seasmhacht luas an tsolais do gach breathnadóir, a d’fhás an choibhneasacht ó phrionsabal ina theoiric lán-chuimsitheach. I 1905, d’athraigh Einstein go deo an chaoi a bhreathnaíomar ar an Cruinne, ach bhí na síolta ann chomh luath le 1834. Ní míorúilt a bhí sa choibhneasacht. Níor ghlac na síolta ach 71 bliana chun péacadh i gceart.

Tá Starts With A Bang ar Forbes anois, agus athfhoilsithe ar Meán a bhuíochas lenár lucht tacaíochta Patreon. Tá dhá leabhar ag Ethan, Beyond The Galaxy, agus Treknology: The Science of Star Trek ó Tricorders go Warp Drive.