La teoría de la relatividad E=mc2 resuelve el problema: ¿puede realmente detenerse el tiempo cuando la velocidad alcanza la velocidad de la luz? Cuando la velocidad supera la velocidad de la luz, el tiempo se puede invertir, ¿qué opinas?

Texto/Gan Xinfeng

El objeto de investigación de la teoría de la relatividad es el mundo en movimiento a alta velocidad y el vasto universo más allá de nuestra experiencia diaria. Esta es la razón principal por la que lo es. Nos resulta difícil entender la teoría de la relatividad.

Desde el nacimiento de la teoría de la relatividad, la revolución en el tiempo y el espacio que trajo ha ampliado enormemente la comprensión del universo por parte de la humanidad. A partir de la teoría de la relatividad, la gente ha descubierto el misterio de los viajes en el tiempo, la enorme energía de la fisión atómica, el origen y fin del universo, los agujeros negros y la energía oscura, y otros fenómenos maravillosos. Casi todos los misterios del universo están ocultos en las sencillas fórmulas de la relatividad.

Viaje en el tiempo

El viaje en el tiempo puede significar que puedes corregir o cambiar el desarrollo del destino, o ser testigo de grandes acontecimientos históricos con personas de la historia; también es posible que las personas viajen en él; el futuro, por ejemplo, comprender el mercado de valores y explorar nuevos descubrimientos científicos. El viaje en el tiempo abre una puerta al pasado y al futuro.

Sería un error pensar que los viajes en el tiempo son sólo un tema de ciencia ficción, porque la idea de la relatividad demuestra que viajar en el tiempo es posible.

La relatividad especial demuestra que los viajes a alta velocidad ralentizan el tiempo. Suponiendo que en algún momento en el futuro, la gente haya resuelto todos los problemas técnicos y pueda construir una nave espacial que pueda volar a una velocidad inferior a la de la luz, entonces, en cierto sentido, el viaje en el tiempo será posible. Si una nave espacial vuela desde la Tierra hasta una galaxia lejana a una velocidad inferior a la de la luz, el viaje de ida y vuelta sólo durará unos pocos años (según el tiempo que lleva la nave), pero durante este período han pasado miles de años en la Tierra. tierra, y todo ha sufrido cambios trascendentales. Si la civilización humana

La relatividad general muestra que el espacio-tiempo puede ser curvo, no plano. Podemos cortar un agujero de gusano entre la Tierra y la parte distante del universo, y luego usar algún tipo de "materia extraña" para abrir el agujero, convirtiéndolo en una tubería hiperespacial que aparece repentinamente en el universo, permitiéndonos llegar a la costa distante. en seguida. Luego, cuando regresamos, las extrañas propiedades del agujero de gusano nos hicieron mucho más jóvenes.

Según la relatividad general, una masa suficientemente grande puede cambiar y distorsionar el espacio-tiempo. El matemático Frank Deppler concibió un método de viaje en el tiempo que acumularía el espacio y el tiempo. Creía que si un objeto enorme en el espacio giraba a la mitad de la velocidad de la luz, el espacio-tiempo retrocedería. Entonces, en el futuro, siempre que alguien construya un cilindro enorme, su longitud sea aproximadamente 10 veces su diámetro, y luego haga que el cilindro gire a una velocidad de 150.000 km/s, este cilindro se utilizará como una máquina del tiempo. las naves espaciales deben viajar hasta el centro del cilindro y volar a lo largo de la pared interior del cilindro: navegar en contra de la dirección de rotación del cilindro significa navegar hacia el pasado, y navegar a lo largo de la dirección de rotación del cilindro significa navegar hacia el futuro. Con cada órbita, la nave espacial se adentra más en el pasado o el futuro. Cuando el viajero en el tiempo llegue a la hora de destino, abandonará el cilindro. Es importante entender que, como todas las máquinas del tiempo teóricas, es imposible llegar a una época anterior a la de fabricación del cilindro.

Los viajes en el tiempo son un tema maravilloso y fascinante. Durante mucho tiempo, los científicos han propuesto un plan tras otro y ha habido acaloradas discusiones sobre los problemas que pueden surgir en los viajes en el tiempo. Un día, la fascinante luz de la relatividad brillará sobre nosotros y nos permitirá viajar en tiempo real.

Fisión atómica

En junio de 1905, Einstein también publicó su segundo artículo sobre la relatividad especial en la revista alemana de Física: "La inercia de un objeto está relacionada con su ¿La energía contenida es materia? ? Este es un artículo breve. En este artículo, afirma que la masa de un objeto no es constante sino que aumenta a medida que aumenta la velocidad del movimiento. Este es el "efecto de aumento de masa" de un objeto en movimiento. >Ahora imaginemos que estamos empujando un patinete pequeño, muy ligero, sin nada encima, suponiendo que se trata de un patinete "ideal" en el vacío, sin fricción ni resistencia, mientras sigamos empujando. Se volverá cada vez más rápido, pero a medida que pasa el tiempo, su masa se hará cada vez más grande. Al principio, es como un automóvil lleno de acero, y luego parece que hay un Himalaya. Luego parece que hay una tierra. , un sistema solar, una galaxia... Cuando el scooter se acerca a la velocidad de la luz, parece que todo el universo cabe en él: su masa llega al infinito.

En este momento, no importa cuánto lo presiones, no importa cuánto lo presiones, no puede ir más rápido.

Por lo tanto, como un fotón viaja a la velocidad de la luz, su masa en reposo debe ser igual a cero, de lo contrario su masa en movimiento será infinita.

Cuando un objeto se mueve cerca de la velocidad de la luz, continuamos aplicando fuerzas externas al objeto y suministrando energía, pero se vuelve cada vez más difícil aumentar la velocidad del objeto. ¿Dónde está la energía que aplicamos? De hecho, la energía no desaparece, simplemente se convierte en masa. En otras palabras, el aumento de masa de un objeto está estrechamente relacionado con el aumento de energía cinética, o en otras palabras, la masa y la energía de un objeto están estrechamente relacionadas. En el proceso de explicar esta relación, Einstein propuso la famosa relación masa-energía: E=mc2.

La energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado, lo cual resulta emocionante incluso para los físicos puramente teóricos a quienes no les importa mucho su valor práctico. A los ojos de la mayoría de las personas, la energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz, lo que significa que la energía es 9 millones de veces la masa. ¡Qué perspectiva tan tentadora! Si la masa de una sustancia del tamaño de una uña desaparece por completo, la energía liberada se calcula en decenas de miles de toneladas de carbón.

Desafortunadamente, nadie puede reducir la masa a voluntad, como una piedra. Podemos romperlo en pedazos pequeños con un martillo y luego molerlo en pedazos, pero cuando recoja estos pedazos con cuidado, encontrará que su masa no ha cambiado.

Sin embargo, más de diez años después, en 1939, tres científicos - Orio Curie, Fermi y Szilard - descubrieron de forma independiente la reacción en cadena, que permitió a la humanidad encontrar la manera de liberar la enorme energía atómica. El núcleo de uranio-235 se dividirá en dos nuevos núcleos de masa media, liberando de 1 a 3 neutrones, liberando una enorme energía, que puede activar otros núcleos de uranio.

La reacción en cadena convierte a la energía atómica en una nueva arma con un enorme poder destructivo. Pocos años después, la primera bomba atómica de la humanidad explotó con éxito en los Estados Unidos. Luego, los japoneses sufrieron el castigo más cruel en la historia de la humanidad. Cientos de miles de personas murieron o resultaron heridas, y algunas de ellas se convirtieron instantáneamente en partículas elementales. Fueron realmente transformados. Se les quitaron vidas. Antes de traer esperanza al mundo, E=mc2 trajo un trauma fatal. Este fue sin duda un duro golpe para Einstein, quien amó la paz hasta su muerte.

El Big Bang

Lo que sorprende a nuestros contemporáneos es que todavía en 1917, los cerebros más inteligentes de la humanidad todavía creían que nuestra Vía Láctea es el universo entero, y esta galaxia del tamaño de El universo siempre ha sido estable, sin crecer ni contraerse; se trata de una cosmología de estado estacionario que ha ciclado durante miles de años.

En 1917, Einstein intentó derivar un modelo de todo el universo basado en las ecuaciones de la relatividad general, pero descubrió que en tal modelo con solo gravedad, el universo se expandía o se contraía. Para mantener estacionario su modelo del universo, Einstein añadió un nuevo concepto a sus ecuaciones: la constante cosmológica, que representa una fuerza repulsiva. A diferencia de la gravedad, aumenta con la distancia entre los cuerpos celestes.

Sin embargo, Einstein pronto descubrió que estaba equivocado. ¡Porque los científicos pronto descubrieron que el universo en realidad se está expandiendo!

Hubble, el padre de la astronomía del siglo XX, nació en Missouri, Estados Unidos, en 1889 y se graduó en el Departamento de Astronomía de la Universidad de Chicago. En 1929, Hubble descubrió que todas las galaxias se están alejando de nosotros, lo que indica que el universo se está expandiendo. Esta expansión es una expansión uniforme en todo el espacio, por lo que un observador en cualquier punto verá exactamente la misma expansión desde cualquier punto.

La expansión del universo significa que en los primeros días, las estrellas estaban más cerca unas de otras, y en algún momento en el pasado más lejano, parecían estar en la misma área pequeña.

Cuando la noticia de la expansión del universo llegó al famoso físico Gamov, inmediatamente despertó el interés del estudioso. George Gamov nació en Rusia y desde pequeño tuvo un gran interés por la poesía, la geometría y la física. Se convirtió en discípulo del físico Friedman en la universidad. Friedman propuso una vez un importante modelo de expansión cósmica después de que Einstein se convirtiera en uno de los entusiastas partidarios de la teoría de la expansión cósmica. La primera bomba atómica de la historia de la humanidad explotó con éxito. 18960.888688888617 Al mirar la foto de la nube en forma de hongo elevándose, Gamov de repente tuvo una inspiración: "ampliar" el tamaño de la bomba atómica hasta el infinito, ¿no sería una explosión cósmica? Combinó el conocimiento de la física nuclear con la teoría de la expansión cósmica y gradualmente formó su propio sistema teórico del universo del big bang.

En 1948, Gamow y su alumno Alpha coescribieron un famoso artículo en el que proponían sistemáticamente la teoría del origen y la evolución del universo. Al contrario de lo que solemos pensar, el Big Bang que creó el universo no fue un evento único que ocurrió en un punto y luego se extendió al aire circundante. Más bien, el espacio mismo se expandió y la materia galáctica se separó a medida que el espacio se expandía.

Según la cosmología del Big Bang, el universo primitivo era un enorme gas uniforme compuesto de partículas microscópicas, con una temperatura extremadamente alta, una densidad extremadamente alta y una velocidad de expansión extremadamente alta. Gamow también hizo una predicción extraordinaria: nuestro universo todavía está bañado por la radiación residual del universo primitivo de alta temperatura, pero la temperatura ha bajado a aproximadamente 6 K, como un horno, incluso sin fuego, todavía puede emitir un poco de calor.

En 1964, los jóvenes ingenieros Penzias y Wilson de la American Bell Telephone Company descubrieron accidentalmente la radiación residual del universo primitivo predicha por Gamow. Después de la medición y el cálculo, se descubrió que la temperatura de esta radiación residual es de 2,7 K (inferior a la temperatura predicha por Gamow), que generalmente se denomina radiación cósmica de fondo de microondas de 3 K. Este descubrimiento apoya firmemente la teoría del Big Bang.

La sabiduría de la relatividad general es que puede describir todo el universo desde su nacimiento, incluso aquellas zonas desconocidas. Tratar con un campo espacio-temporal pequeño y ordinario como el sistema solar es realmente excesivo.

La constante cosmológica proviene de la energía oscura muerta

Después de que Einstein descubrió el hecho de que el universo se estaba expandiendo, rápidamente eliminó el término constante cosmológica de sus ecuaciones, creyendo que la constante cosmológica era "Es el mayor error de mi vida". Posteriormente, la constante cosmológica fue enviada al basurero de la historia.

Décadas después, sin embargo, la constante cosmológica volvió a la vida como un fantasma, gracias al descubrimiento de la energía oscura.

En 1998, los astrónomos descubrieron que el universo no sólo se está expandiendo, sino que también se está expandiendo hacia afuera a una aceleración sin precedentes, y que todas las galaxias distantes se están alejando de nosotros cada vez más rápido. Entonces debe haber alguna fuerza oculta acelerando en la oscuridad para destrozar galaxias. Esta es una forma de energía repulsiva que los científicos llaman "energía oscura". En los últimos años, los científicos lo han confirmado mediante diversas observaciones y cálculos. La energía oscura no sólo existe, sino que domina el universo. Su cantidad total representa alrededor del 73% del universo, mientras que la materia oscura representa alrededor del 23% y la materia ordinaria sólo alrededor del 4%. Siempre pensamos que hay suficientes estrellas en el cielo. ¿Qué más en el universo se puede comparar con ellos? Ahora, encontramos que las estrellas en el cielo son las "desvalidas" y la mayoría del resto son de quienes sabemos poco o nada. ¿Cómo podría esto no ser emocionante?

De hecho, ya en 1930, los astrofísicos señalaron que la ecuación cosmológica de Einstein con la constante cosmológica no podía conducir a un universo completamente estático: porque la gravedad y la constante cosmológica son inestables. Una pequeña perturbación en el equilibrio de El espacio puede hacer que el universo se expanda y contraiga incontrolablemente. El descubrimiento de la energía oscura nos dice que la constante cosmológica de Einstein, como contrapeso a la gravedad, no sólo existe realmente, sino que también perturba enormemente nuestro universo, provocando que la tasa de expansión del universo sea grave.

Hoy, la constante cosmológica aparece frente al mundo en forma de energía oscura, ¡y la creciente fuerza repulsiva que genera ha cambiado el color de todo el universo! Desde el nacimiento del universo, la lucha entre la energía oscura y la gravedad nunca ha cesado. En esta larga batalla, lo más importante es la densidad de unos y otros. La densidad de la materia disminuye a medida que aumenta el espacio debido a la expansión del universo. Sin embargo, a medida que el universo se expande, la densidad de la energía oscura cambia muy lentamente o permanece igual. Hace mucho tiempo, la densidad de la materia era relativamente alta, por lo que el universo en ese momento se encontraba en una etapa de expansión desacelerada. Actualmente, la densidad de la energía oscura es mayor que la densidad de la materia y la fuerza repulsiva le ha arrebatado por completo el control a la gravedad; , empujando al universo a expandirse a una velocidad sin precedentes. Según las predicciones de algunos científicos, dentro de más de 20 mil millones de años, el universo marcará el comienzo de un final turbulento. La aterradora energía oscura eventualmente destrozará todas las galaxias, estrellas y planetas una por una, dejando al universo con un frío y una oscuridad sin fin. .

El descubrimiento de la energía oscura también refleja plenamente que el proceso cognitivo humano ha entrado en un "círculo de paradoja": es decir, el universo representa la mayor proporción, pero es el último y más difícil de entender para nosotros. . Por un lado, los humanos ahora comprenden cada vez más los misterios del universo. Por otro lado, tenemos que enfrentarnos a más y más incógnitas, que continúan estimulando a los humanos a explorar la verdad detrás del universo.

¿De dónde viene la energía oscura? ¿Cómo se desarrollará? Ésta ha sido una de las cuestiones más importantes a las que se enfrenta la cosmología en el siglo XXI.

Descubrimiento de los agujeros negros

La relatividad general muestra que el campo gravitacional puede hacer que el espacio se doble, y un campo gravitacional fuerte puede hacer que el espacio se doble. ¿Qué pasaría con un campo gravitacional infinitamente fuerte?

Poco después de que Einstein publicara su teoría general de la relatividad en 1916, el físico alemán Karl Schwarzschild utilizó la teoría para describir cómo se comportan el espacio y el tiempo alrededor de una hipotética estrella completamente esférica. Demostró que si la masa de la estrella se concentra en un área esférica lo suficientemente pequeña, como un cuerpo celeste con la misma masa que el Sol y un radio de sólo 3 kilómetros, entonces la fuerte compresión gravitacional aumentará la densidad de ese astro. cuerpo infinitamente, y luego se producirá un colapso catastrófico. Sin la conexión de señales luminosas, este espacio-tiempo se divide en dos áreas con propiedades diferentes del espacio-tiempo exterior, y la esfera dividida es el horizonte.

Este es el agujero negro que conocemos hoy en día, pero en aquel momento casi nadie creía que existiera un cuerpo celeste tan extraño. Incluso maestros de la relatividad como el propio Einstein y Eddington expresaron claramente su oposición a este gigante. Einstein también dijo que podía demostrar que ninguna estrella podía alcanzar una densidad infinita. Incluso el nombre del agujero negro no fue nombrado por el físico estadounidense Wheeler hasta 1967.

Por supuesto, la historia no dejará de avanzar por esto. En la década de 1930, el astrónomo estadounidense Chandrasekhar propuso el famoso "límite de Chandrasekhar", es decir, cuando la masa de una estrella, después de quemar su núcleo de hidrógeno, supere 1,44 veces la masa del Sol, será imposible convertirse en una enana blanca. , continúa colapsando y se convierte en una estrella más pequeña y densa que una enana blanca. Es decir, una estrella de neutrones. En 1939, el físico estadounidense "Oppenheimer" demostró además que cuando la masa del núcleo de hidrógeno de una estrella es más de tres veces la masa del sol, su propia gravedad impedirá que la luz escape del alcance de la luz. la estrella.

Con la acumulación de experiencia, la teoría sobre los agujeros negros ha madurado. La gente ha rechazado por completo a este monstruo y poco a poco cree en él. En la década de 1960, la gente había aceptado en general el concepto de agujeros negros y poco a poco se estaban estudiando sus misterios.

Estrictamente hablando, un agujero negro no es una "estrella" en el sentido habitual, sino simplemente una región del espacio. Esta es un área que está desconectada de nuestro mundo cotidiano. El horizonte de sucesos del agujero negro separa estas dos regiones y, fuera del horizonte de sucesos, pueden conectarse mediante señales ópticas a cualquier distancia. Este es el universo normal en el que vivimos. Pero dentro del horizonte de sucesos, la luz no puede viajar libremente de un lugar a otro, sino que toda se concentra hacia el centro y las conexiones entre los sucesos están estrictamente restringidas. Este es un agujero negro.

Dentro del agujero negro, a medida que cae hacia el agujero negro, la fuerza de marea se vuelve cada vez más fuerte. En la región central, las fuerzas de gravedad y de marea son infinitas. Entonces, en el centro de un agujero negro, excepto la masa, la carga y el momento angular, todas las demás propiedades de la materia se pierden y los átomos, moléculas, etc., ¡ya no existirán! En este caso, no se habla en absoluto de las partes del agujero negro, ¡el agujero negro es una unidad!

En el centro del agujero negro, toda la materia está comprimida en un punto geométrico donde el volumen infinito se acerca a cero, y es imposible que ninguna fuerza poderosa los separe. Este es el llamado estado de "singularidad". La relatividad general no puede examinar esto, pero debe ser reemplazada por una nueva teoría correcta: la teoría cuántica. Irónicamente, la Relatividad General nos dio un agujero negro, pero falló en la singularidad del agujero negro, y la teoría cuántica tomó el relevo, y la teoría cuántica y la relatividad fueron fundamentalmente reemplazadas.