Αρχή Ισοδυναμίας
Equivalence principle, Laws of physics
- Ακριβέστερα, είναι ένας νόμος της Βαρυτικής Φυσικής και της Σχετικότητας.
Ετυμολογία[]
Η ονομασία "Αρχή Ισοδυναμίας" σχετίζεται ετυμολογικά με την λέξη "Ισοδυναμία ".
Εισαγωγή[]
Η αρχή της ισοδυναμίας πρεσβεύει ότι η κίνηση ενός σώματος, όπως παρατηρείται από ένα μη αδρανειακό (επιταχυνόμενο) Σύστημα Αναφοράς, είναι ισοδύναμη με την κίνησή του σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς, παρουσία όμως ενός (κατάλληλου) Βαρυτικού Πεδίου.
Με άλλα λόγια, ένα μη αδρανειακό σύστημα αναφοράς είναι ισοδύναμο με ένα βαρυτικό πεδίο ορισμένης μορφής.
Η αρχή απορρέει από μια χαρακτηριστική ιδιότητα του Βαρυτικού Πεδίου, ότι δηλαδή όλα τα σώματα κινούνται μέσα σ' αυτό κατά τον ίδιο τρόπο, ανεξαρτήτως της μάζας τους, εφόσον βέβαια εκκίνησαν με τις ίδιες αρχικές συνθήκες.
Για παράδειγμα, όλα τα σώματα, ελαφρά ή βαρέα, πίπτουν με τον ίδιο ρυθμό μέσα σε Βαρυτικό Πεδίο, γεγονός που επισήμανε πρώτος ο Γαλιλαίος.
Αντίθετα, στο Ηλεκτρομαγνητικό Πεδίο, η κίνηση των σωμάτων διαφοροποιείται ανάλογα με τον λόγο του φορτίου προς τη μάζα τους, έτσι ώστε, ξεκινώντας από τις ίδιες συνθήκες, βαθμιαία αποχωρίζονται.
Ας σημειωθεί ότι η αρχή της ισοδυναμίας ισχύει πλήρως μόνο για ένα ομογενές Βαρυτικό Πεδίο, δηλ. ένα πεδίο που έχει την ίδια ένταση και κατεύθυνση σε όλο το χώρο.
Διαφορετικά, ισχύει μόνον τοπικά, δηλ. σε περιοχές αρκετά μικρές και για χρονικά διαστήματα «πτώσης» αρκετά σύντομα ώστε το πεδίο να μπορεί να θεωρηθεί κατά προσέγγιση ομογενές.
Για να γίνει κατανοητό αυτό, ας φανταστούμε μια άπειρη «επίπεδη Γη». Σε μια τέτοια Γη, δεν θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε αν τα σώματα επιταχύνονται προς τα κάτω λόγω του βάρους τους ή αν, αντίθετα, τα σώματα κινούνται ελεύθερα και η ίδια η Γη επιταχύνεται προς τα πάνω με ίση και αντίθετη (σταθερή) επιτάχυνση.
Στην πραγματική, σφαιρική Γη, αν παρατηρούμε μια αρκετά μεγάλη περιοχή, βλέπουμε τα σώματα που πίπτουν να πλησιάζουν μεταξύ τους (αφού συγκλίνουν προς το κέντρο). Επομένως, η ισοδυναμία ισχύει μόνο τοπικά.
Ανάλυση[]
Η Αρχή της ισοδυναμίας στη Σχετικότητα[]
Όλα τα αντικείμενα πέφτουν κατά τον ίδιο τρόπο με την επίδραση της βαρύτητας. Συνεπώς, τοπικά δεν μπορούμε να διακρίνουμε μεταξύ ενός επιταχυνόμενου συστήματος αναφοράς και ενός μη επιταχυνόμενου.
Ας θεωρήσουμε το γνωστό παράδειγμα ενός ανθρώπου μέσα σ ένα ασανσέρ που πέφτει ελεύθερα. Ο άνθρωπος αιωρείται στο μέσον του ασανσέρ που πέφτει μέσα σε ένα φρεάτιο.
Τοπικά, δηλαδή κατά τη διάρκεια αρκετά μικρού χρονικού διαστήματος, ή ισοδύναμα σε μια αρκετά μικρή χωρική περιοχή, ο άνθρωπος που πίπτει δεν μπορεί να διακρίνει
- αν εκτελεί Ελεύθερη Πτώση (μέσα σε Βαρυτικό Πεδίο ή
- αν εκτελεί Ομαλά Επιταχυνόμενη Κίνηση σε χώρο όπου δεν υπάρχει βαρύτητα.
Θα μπορούσαμε να φανταστούμε δύο μήλα που αιωρούνται δίπλα του. Καθώς ο ανελκυστήρας πίπτει ελεύθερα μέσα στο φρεάτιο, τα μήλα πλησιάζουν μεταξύ τους. Αυτό συμβαίνει γιατί οι τροχιές τους, συγκλίνουν προς το κέντρο της Γης.
Αν όμως το πείραμα γίνει τοπικά όπως αναφέραμε προηγουμένως, δεν θα μπορούσαμε να αντιληφθούμε αυτή τη σύγκλιση που απαιτεί εκτεταμένο χωρικό διάστημα για να εκδηλωθεί. Αυτός είναι ο λόγος που η ισοδυναμία των συστημάτων αναφοράς ισχύει μόνον όταν τα πειράματά μας γίνονται τοπικά.
Η διατύπωση αυτή της αρχής της ισοδυναμίας έχει ένα σημαντικό επακόλουθο. Στην Ειδική Σχετικότητα και σε στην Κλασσική Μηχανική τα διάφορα σώματα κινούνται σε ευθύγραμμες τροχιές με σταθερή ταχύτητα, εκτός αν ενεργεί επί αυτών κάποια δύναμη.
Αν τώρα δεν είμαστε σε θέση να διακρίνουμε τοπικά τη διαφορά μεταξύ της ελεύθερης πτώσης σε βαρυτικό πεδίο και της μετακίνησης με σταθερή ταχύτητα, τότε τοπικά, τα δύο αυτά πράγματα πρέπει να είναι ένα και το αυτό.
Οι τροχιές των ελεύθερων σωμάτων ορίζουν αυτό που αποκαλούμε ォευθείες γραμμέςサ και συνεπώς αν παρατηρήσουμε ένα αντικείμενο να αποκλίνει από την κίνηση με σταθερή ταχύτητα, αυτό πρέπει να οφείλεται στην καμπύλωση του χωροχρόνου.
Η διατύπωση της αρχής της ισοδυναμίας γίνεται κατά τον εξής τρόπο:
Σε οποιοδήποτε τοπικά αδρανειακό σύστημα αναφοράς Lorentz, πρέπει να ισχύουν οι νόμοι της ειδικής σχετικότητας. Από αυτό συμπεραίνουμε ότι τα μόνα πράγματα τα οποία μπορούν να καθορίσουν τη γεωμετρική δομή του χωροχρόνου είναι οι τροχιές των ελεύθερων σωμάτων.
Η ισχυρή και η ασθενής αρχή ισοδυναμίας[]
Συχνά κανείς βρίσκει αναφορές στην ォισχυρήサ ή την ォασθενήサ αρχή της ισοδυναμίας.
- Η ασθενής αρχή διατυπώνεται με την ισότητα της αδρανειακής και της βαρυτικής μάζας των σωμάτων, καθώς και με την απαίτηση ότι όλοι οι νόμοι της ειδικής σχετικότητας ισχύουν σε κάθε τοπικό σύστημα αναφοράς Lorentz, αρκεί να περιοριστούμε στους νόμους των σωμάτων που πέφτουν ελεύθερα.
- Η ισχυρή αρχή της ισοδυναμίας ισχύει για όλους τους νόμους της φύσης και λέει ότι ακόμα και η βαρυτική ενέργεια των σωμάτων πρέπει να υπακούει στην αρχή της ισοδυναμίας.
Πειραματική Επαλήθευση[]
Για να ελέγξουμε την αρχή της ισοδυναμίας της Γενικής Σχετικότητας, συγκρίνουμε τον λόγο των βαρυτικών δυνάμεων επί των μαζών που κρέμονται από τον ζυγό στρέψης, με τον λόγο των αδρανειακών φυγόκεντρων δυνάμεων επί των ιδίων μαζών που οφείλονται στην περιστροφή της Γης. Αν οι λόγοι δεν είναι ίσοι, τότε η αδρανειακή φυγόκεντρη δύναμη και η βαρύτητα δεν επιδρούν στην ίδια φυσική ποσότητα των σωμάτων στο ζυγό. Και αφού οι λόγοι των συνιστωσών του ενός διανύσματος δεν είναι ίσοι με τους αντίστοιχους του άλλου διανύσματος, θα υπάρχει μια γωνία μεταξύ των δυνάμεων, την οποία θα πρέπει να θεωρήσουμε ως ροπή επί του νήματος του ζυγού.
Κάτι τέτοιο βέβαια δεν παρατηρήθηκε στο πείραμα και για αυτό εξακολουθούμε να δεχόμαστε την ισχύ της ασθενούς τουλάχιστον αρχής της ισοδυναμίας.
Στον πραγματικό τώρα κόσμο τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Σιωπηρά υποθέσαμε ότι το Βαρυτικό Πεδίο είναι ομογενές. Σε ένα μη ομογενές πεδίο, ακόμα και αν οι μάζες-υποθέματα είναι όμοια, θα υπάρχει μια γωνία μεταξύ των δυνάμεων που ασκούνται στις μάζες.
Πρέπει λοιπόν να μεριμνήσουμε ώστε να μην υπάρχουν τοπικά βαθμίδες στο Βαρυτικό Πεδίο, και πρέπει να κάνουμε το εκκρεμές στρέψης, όσο πιο αναίσθητο γίνεται στις βαθμίδες του βαρυτικού πεδίου.
Υποσημειώσεις[]
Εσωτερική Αρθρογραφία[]
- Επιστημονικός Νόμος
- Φυσικός Νόμος
- Νόμοι Διατήρησης
- Νόμοι Νεύτωνα
- Μάζα
- Βαρυτικό Πεδίο
- Γενική Σχετικότητα
Βιβλιογραφία[]
Ιστογραφία[]
Κίνδυνοι Χρήσης |
---|
Αν και θα βρείτε εξακριβωμένες πληροφορίες "Οι πληροφορίες αυτές μπορεί πρόσφατα Πρέπει να λάβετε υπ' όψη ότι Επίσης, |
- Μην κάνετε χρήση του περιεχομένου της παρούσας εγκυκλοπαίδειας
αν διαφωνείτε με όσα αναγράφονται σε αυτήν
- Όχι, στις διαφημίσεις που περιέχουν απαράδεκτο περιεχόμενο (άσεμνες εικόνες, ροζ αγγελίες κλπ.)