¿Qué es la teoría de la relatividad?
Principios de la relatividad (teoría de la relatividad)
La teoría de la relatividad es la teoría básica sobre el espacio-tiempo y la gravedad. Fue fundada principalmente por Einstein y se divide en especiales. relatividad (relatividad especial) y relatividad general (relatividad general). Los supuestos básicos de la teoría de la relatividad son el principio de velocidad constante de la luz, el principio de relatividad y el principio de equivalencia. La relatividad y la mecánica cuántica son los dos pilares básicos de la física moderna. La mecánica clásica, que sienta las bases de la física clásica, no es adecuada para objetos que se mueven a alta velocidad ni para campos microscópicos. La relatividad resuelve el problema del movimiento a alta velocidad; la mecánica cuántica resuelve los problemas en condiciones subatómicas microscópicas. La teoría de la relatividad ha cambiado en gran medida los conceptos de sentido común sobre el universo y la naturaleza, y ha propuesto nuevos conceptos como la relatividad simultánea, el espacio-tiempo de cuatro dimensiones y el espacio curvo.
El concepto de relatividad general
Tan pronto como surgió la teoría de la relatividad, la gente vio las siguientes conclusiones: espacio-tiempo curvo de cuatro dimensiones, universo finito e infinito, ondas gravitacionales. , lente gravitacional, cosmología del big bang, siglo XXI. El tema principal: el agujero negro, etc. Todo esto sucedió tan repentinamente que la gente sintió que la teoría de la relatividad era un misterio. Por lo tanto, en los primeros años después de la aparición de la teoría de la relatividad, algunas personas afirmaron que "sólo doce personas en el mundo entienden la teoría de la relatividad". Algunas personas incluso dicen que "sólo hay dos personas y media en el mundo que entienden la teoría de la relatividad". Algunos incluso comparan la teoría de la relatividad con el "espiritualismo" y el "idealismo". De hecho, la teoría de la relatividad no es misteriosa. Es la teoría más realista y una verdad que ha sido probada miles de veces. No es inalcanzable.
La geometría utilizada en la teoría de la relatividad no es la geometría euclidiana ordinaria, sino la geometría riemanniana. Creo que mucha gente sabe acerca de la geometría no euclidiana. La geometría no euclidiana se puede dividir en geometría de Roche y geometría de Riemann. Riemann unificó tres geometrías desde una perspectiva superior, llamada geometría riemanniana. La geometría no euclidiana tiene muchas consecuencias extrañas. La suma de los ángulos interiores de un triángulo no es 180 grados y la razón de pi no es 3,14. Por eso, cuando se propuso por primera vez, fue ridiculizada y considerada la teoría más inútil. No se tomó en serio hasta que se descubrió su aplicación en la geometría esférica.
Si no hay materia en el espacio y el espacio-tiempo es plano, entonces la geometría euclidiana es suficiente. Por ejemplo, la aplicación en la relatividad especial es el espacio pseudoeuclidiano de cuatro dimensiones. Como hay una unidad imaginaria I delante de la coordenada de tiempo, se añade una palabra ficticia. Cuando hay materia en el espacio, la interacción entre la materia y el espacio-tiempo hace que el espacio-tiempo se curve, lo que significa utilizar geometría no euclidiana.
La teoría de la relatividad predice la existencia de ondas gravitacionales y encuentra que tanto los campos gravitacionales como las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz, negando el efecto de sobredistancia de la ley de la gravitación universal. Cuando la luz proviene de las estrellas y encuentra cuerpos celestes masivos, convergerá nuevamente, lo que significa que podemos observar estrellas bloqueadas por cuerpos celestes. En términos generales, lo que ves es un anillo, llamado anillo de Einstein. Cuando Einstein aplicó sus ecuaciones de campo al universo, descubrió que el universo no era estable; se estaba expandiendo o contrayendo. La cosmología de aquella época creía que el universo era infinito y estacionario, y que las estrellas eran infinitas. Así que modificó las ecuaciones de campo sin dudarlo, añadió un término cósmico, obtuvo una solución estable y propuso un modelo de universo finito-infinito. Pronto Hubble descubrió la famosa ley de Hubble y propuso la teoría de la expansión del universo. Einstein se arrepintió y abandonó el término cósmico, calificándolo del mayor error de su vida. En estudios posteriores, los físicos se sorprendieron al descubrir que el universo no sólo se estaba expandiendo, sino también explotando. El universo primitivo se extendió sobre un área muy pequeña. Los cosmólogos necesitan estudiar el contenido de la física de partículas para proponer un modelo más completo de la evolución del universo, y los físicos de partículas necesitan las observaciones y teorías de los cosmólogos para enriquecer y desarrollar la física de partículas. De esta manera se combinan las dos ramas más activas de la física: la física de partículas y la cosmología. Como dice el prefacio de Física de la escuela secundaria, es como una extraña pitón que se muerde la cola. Vale la pena mencionar que aunque el universo estático de Einstein ha sido abandonado, su modelo de universo finito e ilimitado es uno de los tres destinos posibles del universo futuro y también el más prometedor. En los últimos años el término cósmico se ha revalorizado. La cuestión de los agujeros negros se abordará en un artículo futuro. Aunque los agujeros negros y el big bang son predicciones de la teoría de la relatividad, su contenido ha superado las limitaciones de la teoría de la relatividad y está estrechamente integrado con la mecánica cuántica y la termodinámica. Esperemos que las teorías futuras puedan encontrar un gran avance aquí.
El concepto de relatividad especial
Las filosofías de Mach y Hume tuvieron una gran influencia en Einstein. Mach creía que la medición del espacio y del tiempo está relacionada con el movimiento de la materia. El concepto de espacio y tiempo se forma a través de la experiencia. El tiempo y el espacio absolutos no pueden captarse sin importar en qué experiencia se basen. Más específicamente, Hume dijo: El espacio y la extensión no son más que objetos visibles distribuidos en un cierto orden que llenan el espacio.
Y el tiempo siempre se descubre a través de los cambios perceptibles de los objetos mutables. En 1905, Einstein señaló que los experimentos de Michelson y Morley en realidad demostraban que todo el concepto de "éter" era redundante y que la velocidad de la luz era constante. El concepto de Newton de espacio y tiempo absolutos era erróneo. No existe un objeto de referencia absolutamente estacionario y la medición del tiempo varía según los diferentes marcos de referencia. Propuso la transformación de Lorentz basada en la velocidad constante de la luz y el principio de la relatividad. Fundó la teoría especial de la relatividad.
La relatividad especial es una teoría basada en la visión espacio-temporal de cuatro dimensiones, por lo que para comprender el contenido de la teoría de la relatividad, primero se debe tener una comprensión general de su visión espacio-temporal. Hay varios espacios multidimensionales en matemáticas, pero hasta ahora el mundo físico que conocemos tiene sólo cuatro dimensiones, que son tres dimensiones de espacio más una dimensión de tiempo. El espacio de alta dimensión mencionado en la microfísica moderna tiene otro significado. Solo tiene un significado matemático y no lo discutiremos aquí.
El espacio-tiempo de cuatro dimensiones es la dimensión más baja que constituye el mundo real, y nuestro mundo resulta ser de cuatro dimensiones. En cuanto al espacio real de alta dimensión, al menos todavía no podemos percibirlo. Mencioné un ejemplo en una publicación. Cuando una regla gira en un espacio tridimensional (excluyendo el tiempo), su longitud no cambia, pero cuando se gira, todos sus valores de coordenadas cambian y las coordenadas están relacionadas. La importancia del espacio-tiempo de cuatro dimensiones es que el tiempo es la coordenada de cuarta dimensión, que está relacionada con las coordenadas espaciales, es decir, el espacio-tiempo es un todo unificado e indivisible, y son un "cambio único". relación de "un cambio".
El espacio-tiempo cuatridimensional no se limita a esto. Según la relación entre masa y energía, la masa y la energía son en realidad lo mismo. La masa (o energía) no es independiente, sino que está relacionada con el estado de movimiento. Por ejemplo, cuanto mayor es la velocidad, mayor es la masa. En el espacio y el tiempo de cuatro dimensiones, la masa (o energía) es en realidad el cuarto componente del impulso de cuatro dimensiones. El momento es la cantidad que describe el movimiento de la materia, por lo que es natural que la masa esté relacionada con el estado de movimiento. En el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, el impulso y la energía están unificados y se denominan los cuatro vectores de energía y impulso. Además, las ecuaciones de velocidad de cuatro dimensiones, aceleración de cuatro dimensiones, fuerza de cuatro dimensiones y campo electromagnético de cuatro dimensiones se definen en el espacio y el tiempo de cuatro dimensiones. Vale la pena mencionar que la ecuación del campo electromagnético de cuatro dimensiones es más completa. Unifica completamente la electricidad y el magnetismo, y los campos eléctricos y magnéticos. Descrito por un tensor de campo electromagnético unificado. Las leyes físicas del espacio-tiempo cuatridimensional son mucho más perfectas que las del espacio tridimensional, lo que demuestra que nuestro mundo es efectivamente cuatridimensional. Se puede decir que es al menos mucho más perfecta que la mecánica newtoniana. Al menos por su perfección, no podemos dudarlo.
En la teoría de la relatividad, el tiempo y el espacio constituyen un todo indivisible: el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. La energía y el impulso también constituyen un todo indivisible: el impulso de cuatro dimensiones. Esto muestra que puede haber conexiones profundas entre algunas cantidades aparentemente no relacionadas en la naturaleza. Cuando hablemos de la relatividad general en el futuro, también veremos que existe una conexión profunda entre los cuatro vectores del espacio-tiempo, la energía y el impulso.