¿Qué es la "relatividad"?
Li Wei, Clase 0011, Departamento de Física, Universidad Xiangfan.
Resumen: Einstein fundó la teoría de la relatividad. La relatividad especial y la relatividad general se utilizan ampliamente en todos los aspectos de la física moderna. Desde la teoría especial de la relatividad hasta la teoría general de la relatividad, ha pasado por un largo proceso de desarrollo y mejora.
Palabras clave: teoría especial de la relatividad, teoría general de la relatividad, antecedentes históricos, concepto de espacio y tiempo, inercia.
En primer lugar, los antecedentes históricos de la teoría de la relatividad.
Einstein creó la teoría de la relatividad. De hecho, el establecimiento de la teoría de la relatividad se viene gestando desde hace mucho tiempo y es el resultado del esfuerzo de innumerables personas. La teoría de la relatividad a veces se llama teoría del espacio, el tiempo y la gravedad.
La quiebra del concepto clásico de espacio y tiempo llevó al establecimiento de la teoría de la relatividad. Desde la antigüedad, el concepto de espacio proviene de la amplitud de los objetos, y el concepto de tiempo proviene de la continuidad de los procesos. El Mo Jing del Período de los Reinos Combatientes en mi país dice: "Yu: su diferencia". Aquí "yu" es el término general para el espacio y "jiu" es el término general para el tiempo. "Mi" tiene un significado universal, "Mi Yisuo" se refiere al "nombre general de diferentes lugares" y "Mi Yisuo" se refiere al "término general de diferentes momentos", que es un concepto de espacio-tiempo abstraído de lo específico. proceso. Newton básicamente tuvo la misma idea. Consideraba el espacio y el tiempo como portadores o marco de acontecimientos físicos, y todo estaba descrito en términos de coordenadas espaciales y temporales relativas a ellos. Específicamente, el espacio no es sólo la expresión de la naturaleza ubicacional del mundo material, sino también el contenedor de todos los objetos materiales. Partiendo de la combinación de estos dos conceptos espaciales, Newton formuló una suposición adicional: en el sistema de referencia de coordenadas espaciales existe un "sistema inercial" superior. Para este sistema inercial el movimiento de los objetos obedece a la ley de la inercia. , sin fuerza El objeto permanece en su estado original de reposo o movimiento lineal uniforme. Cuando un objeto es sometido a una fuerza F, se produce una aceleración A según la ley de Newton F=ma. En la mecánica newtoniana, el espacio y el tiempo no sólo se consideran existencias independientes como la materia, sino que también desempeñan un papel de importancia absoluta, actuando como un sistema inercial en todos los objetos materiales.
El sistema de referencia conectado a la superficie de la Tierra puede considerarse como un sistema de referencia aproximado, pero además de su rotación, la Tierra también se mueve alrededor del Sol a una velocidad de 30 km/s. "Sentado en el suelo, viajando ochenta mil millas por día, contemplando el cielo y viendo miles de ríos, parece que el sistema solar es un mejor sistema inercial". Sin embargo, es importante señalar que incluso en sentido estricto existe más de un sistema inercial.
De algunos fenómenos físicos en nuestras vidas, podemos concluir que dos puntos están estrechamente relacionados: (1) Un sistema de referencia que se mueve a una velocidad uniforme en relación con un sistema inercial también es un sistema inercial (2; ) Es imposible pasar un marco inercial. Todos los experimentos mecánicos en el sistema se utilizan para determinar el estado de movimiento lineal uniforme de este sistema inercial en relación con otro sistema inercial.
Si estamos limitados al movimiento rectilíneo, podemos describir el teorema de la suma de velocidades en la mecánica clásica de esta manera: si la velocidad de un sistema inercial (etiquetado K') en relación con otro sistema inercial (etiquetado K ') es v, si la velocidad de un objeto relativa a K' es u, entonces su velocidad relativa a K es u v (tome "+" cuando u y v están en la misma dirección, y "-" cuando están en direcciones opuestas instrucciones).
Para describir el movimiento de una partícula, tomamos dos sistemas inerciales K y K', sus ejes X y X' están a lo largo de la dirección del movimiento, el eje Y y el eje X. Los ejes 'son paralelos, entonces un punto en el espacio. Las coordenadas de P se expresan como (X, Y, Z) en el sistema K' y (X', Y', Z') en el sistema K', como se muestra en la figura. Tienen la siguiente relación:
Aquí se ha supuesto que en el momento t=0, el origen O' del sistema K' coincide con el origen O del sistema K también hay un muy; Suposición importante: el tiempo t′ es el mismo que el tiempo t′ del sistema K′, es decir, t = t′(1.2).
Esto significa que los observadores de la serie K pueden usar un reloj. Este reloj es diferente de las coordenadas espaciales. Las coordenadas de tiempo son absolutas. La combinación de (1.1) y (1.2) se llama transformación galileana, que conecta las coordenadas espacio-temporales entre dos sistemas inerciales.
Es fácil derivar el teorema de la suma de velocidades de la mecánica clásica a partir de la transformación de Galileo. Si una partícula se mueve con velocidad constante a lo largo de la
u = u′+v(1.3)
Por otro lado, es fácil demostrar que las leyes del movimiento mecánico de los objetos, concretamente la ecuación de Newton F=ma, son invariantes en la transformación galileana F ..La forma de la ecuación es la misma en el sistema K y en el sistema K'. En el sistema K, la ecuación de movimiento de una partícula a lo largo de la dirección X es ma=m =Fx (1.4).
Como t'=t, el negocio de WeChat en el momento se obtiene de la primera fórmula de (1.1).
Es decir (1.3). Derivada nuevamente, ya que v es una constante, se obtiene.
Esto significa que la aceleración a en el coeficiente k es igual a la aceleración en el sistema k′. Suponiendo que la fuerza en el sistema K′ es igual a la fuerza medida en el sistema K y M permanece sin cambios, obtenemos (1.4) de (1.4).
Su forma es similar a (1.4), por lo que es equivalente al principio de la relatividad mecánica: las ecuaciones de movimiento de Newton son invariantes bajo transformación galileana.
Por lo tanto, podemos reformular las dos oraciones anteriores de la siguiente manera:
En un sistema inercial de movimiento uniforme, todas las leyes mecánicas son las mismas. Este es el llamado principio de relatividad mecánica.
Los principios de la relatividad mecánica son consistentes (o compatibles) con la transformación galileana entre sistemas inerciales. Evidentemente, se basan en el concepto de espacio y tiempo absolutos. Sin embargo, si realmente existe un espacio absolutamente estático y se lo considera un sistema inercial superior, no se puede descubrir mediante ningún experimento mecánico, porque las leyes de la mecánica son las mismas para todos los sistemas inerciales.
De la discusión anterior se puede ver que la existencia del espacio-tiempo absoluto, la transformación galileana, el teorema clásico de la suma de velocidades, el principio de la relatividad mecánica y el sistema de inercia infinita no son contradictorios.
2. El proceso de la relatividad especial
(1) Las bases de la relatividad especial:
1. Principio de la relatividad: Las leyes de la física son las mismas. en cualquier forma de sistema inercial.
2. La velocidad de la luz es constante: En cualquier sistema de coordenadas inercial, ya sea que la luz provenga de una fuente de luz estacionaria o en movimiento, la velocidad de la luz es constante.
(2) Los dos experimentos de Einstein:
1: Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales (ejemplo de prueba)
Imagina que estás en un avión. El avión vuela nivelado y sin turbulencias a una velocidad constante de varios cientos de kilómetros por hora. Un hombre pasa por la cabina y dice: "¿Puedes tirar tu bolsa de maní aquí?". Tomas la bolsa de maní, pero de repente te detienes y piensas: "Estoy en un avión que viaja a cientos de millas por hora. ¿Con qué fuerza deberías arrojarle la bolsa de maní a esa persona? "No, no tienes que pensar en eso en absoluto. Sólo necesitas lanzarlo con el mismo movimiento (y fuerza) que lo harías en el aeropuerto. El movimiento del maní es el mismo que el de un avión apoyado en el suelo. Verá, si el avión vuela en línea recta a una velocidad constante, las leyes naturales que gobiernan el movimiento de los objetos son las mismas que cuando el avión está estacionario. Al interior del avión lo llamamos sistema de referencia inercial. El término "inercia" originalmente se refería a la primera ley del movimiento de Newton. La inercia es la propiedad inherente de todo objeto de permanecer en reposo o moverse en línea recta a una velocidad uniforme en ausencia de fuerzas externas. Un sistema de referencia inercial es una serie de sistemas de referencia para los cuales se cumple esta ley. )
2. La velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas inerciales: Einstein hizo el siguiente "experimento en el tren (para ser precisos, debería ser una hipótesis, no un experimento, porque sus datos) se derivan)".
Prueba en el tren
El tren viaja a una velocidad de 100 millones de metros por segundo. A está parado en el tren y B está parado en el suelo al lado del ferrocarril. a usa la linterna que tiene en la mano para "emitir" fotones.
El fotón se mueve a una velocidad de 300.000.000 m/s con respecto a A (esta conclusión la sacó Einstein basándose en el supuesto de que la velocidad de la luz es constante en todos los sistemas inerciales), A con respecto a B se mueve a una velocidad de 100.000.000 m/s. Entonces concluimos que la velocidad del fotón en relación con Nolan es 400.000.000 m/s (esto es lo que Einstein dedujo basándose en el principio de relatividad).
Surge la pregunta: ¿Por qué la velocidad del fotón con respecto a B (400.000.000 m/s) difiere de la segunda hipótesis de Einstein (la velocidad de la luz es constante: en cualquier sistema de coordenadas inercial, independientemente de si la luz proviene de una fuente de luz estacionaria o en movimiento, la velocidad de la luz es siempre la misma) ¡no coincide! Einstein dijo que la velocidad de la luz en relación con el sistema de referencia B debe ser exactamente la misma que la velocidad de la luz en el sistema de referencia de Dave, que es 300.000.000 de metros por segundo.
Después de tal contradicción, Einstein no se preguntó si este hipotético "experimento" carecía de condiciones. En cambio, analizó apresuradamente los resultados de la hipótesis y continuó infiriendo.
(3) Conclusión:
Así, a través de la hipótesis del "experimento en el tren", dos suposiciones y datos poco confiables, surgió la teoría especial de la relatividad de Einstein: solo Einstein podía hacer Ambos supuestos son correctos en dos circunstancias: o la distancia difiere de los dos marcos inerciales, o el tiempo difiere de los dos marcos inerciales. Negó audazmente los conceptos absolutos de tiempo y espacio y creía que los conceptos relativos de tiempo, espacio, materia, energía y movimiento estaban determinados por los sentimientos del observador. Como resultado, apareció el fenómeno de "pies cortos y reloj lento", es decir, el primer efecto se denomina "contracción de longitud" y el segundo efecto se denomina "dilatación del tiempo".
En 1905, en un artículo titulado "Electrodinámica en objetos en movimiento", Einstein resumió las experiencias exitosas y fallidas de sus predecesores en este campo, y propuso sistemáticamente una teoría posterior conocida como "Relatividad Especial". ¿Por qué se llama "relatividad"? Debido a que el punto de partida de su teoría son dos supuestos principales, el primero se llama "principio de relatividad", y sus palabras originales son las siguientes: La ley de cambio de estado de un sistema físico no tiene nada que ver con los cambios en estos estados. .Cuál en el sistema es la referencia.
Expliquemos: Si un observador está encerrado en un vagón de tren cerrado y el tren se mueve hacia el suelo a una velocidad constante, puede hacer varios experimentos físicos en el interior y resumir las leyes físicas correspondientes, pero no tenía forma de saber si el automóvil se estaba moviendo hacia el suelo, y mucho menos a qué velocidad se movía. El hecho de que el tren que se mueve a velocidad constante sea más rápido, más lento o esté detenido no tiene ningún efecto en sus experimentos y conclusiones.
Tenga en cuenta que si este observador sólo hace experimentos mecánicos, la afirmación anterior es el "principio de relatividad de la mecánica". Ahora no hay restricciones, puede realizar todos los experimentos físicos, especialmente los electromagnéticos (incluidos los ópticos). Por lo tanto, el actual "principio de relatividad" es un resumen del pasado "principio de relatividad de la mecánica". Este principio establece claramente que no existe un sistema inercial particularmente superior.
La segunda hipótesis propuesta por Einstein: el principio de la velocidad constante de la luz. En sus palabras originales, cualquier luz siempre se mueve a una cierta velocidad C en un sistema de coordenadas "estacionario", ya sea luz emitida por un objeto estacionario o en movimiento. Cabe señalar que c aquí se refiere a la velocidad de la luz en el vacío. Debido a que la velocidad de la fuente de luz parece ser diferente en dos sistemas inerciales que se mueven uniformemente, el principio de velocidad de la luz constante se puede expresar como: la velocidad de propagación de la luz en el vacío es siempre isotrópica y no tiene nada que ver con la velocidad de la fuente de luz. fuente de luz.
La velocidad constante de la luz es un corolario de las ecuaciones de Maxwell en el vacío. Este conjunto de ecuaciones es una expresión matemática de la regularidad de los fenómenos electromagnéticos, por lo que se requiere que el principio de invariancia de la velocidad de la luz sea verdadero. Es decir, las ecuaciones de Maxwell también son verdaderas en dos sistemas inerciales que se mueven a velocidad uniforme en. un vacío, lo que significa que el principio de la relatividad general es verdadero. Se puede observar que los dos principios de Einstein están relacionados entre sí y no son contradictorios. Además, una vez reconocido el principio de que la velocidad de la luz es constante, la velocidad de la luz es, por supuesto, isotrópica en el sistema inercial de la superficie terrestre.
En tercer lugar, la teoría especial de la relatividad y la mecánica relativa.
Después del gran éxito de la mecánica clásica, la gente está acostumbrada a atribuir todos los fenómenos al movimiento mecánico. Después de que se propuso el concepto de campo electromagnético, la gente supuso que existía un medio llamado "éter", que penetraba en todo el universo y en todos los objetos, era absolutamente inmóvil, no tenía masa, no producía ninguna resistencia al movimiento de los objetos y no fue afectado por la gravedad. Tai puede considerarse como un sistema de referencia absolutamente estacionario, por lo que los sistemas de referencia que se mueven a una velocidad uniforme con respecto al éter son todos sistemas de referencia inerciales.
Observado en el marco de referencia inercial, la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas debería cambiar con la dirección de propagación de la onda. Sin embargo, los experimentos muestran que en diferentes sistemas de referencia inerciales que se mueven de manera relativamente uniforme, la velocidad medida de la luz no tiene nada que ver con la dirección de propagación. Esto ha sido demostrado fehacientemente por los experimentos muy precisos llevados a cabo en particular por Michelson y Morley. Este hecho experimental contradice claramente los conceptos de tiempo, espacio y éter de la física clásica. Basándose en estos hechos experimentales, Einstein analizó profundamente los conceptos de espacio y tiempo y propuso la teoría especial de la relatividad, estableciendo así una nueva visión del espacio y el tiempo.
En la relatividad especial, el espacio y el tiempo están estrechamente relacionados. La distancia espacial es relativa, al igual que el tiempo. Entonces, la longitud de la regla es relativa a la duración del tiempo. Pero en la relatividad especial no todo es relativo.
Otra conclusión importante de la mecánica relativista es que la masa y la energía se pueden convertir entre sí.
Si la masa es una medida de la cantidad de materia y la energía es una medida del movimiento, entonces la conclusión anterior es que la materia y el movimiento están inseparablemente vinculados. Sin movimiento, no habría materia, y sin materia, no habría movimiento. Los dos pueden transformarse el uno en el otro. Esta ley ha sido confirmada en la investigación y práctica de la energía nuclear.
Cuando la velocidad de un objeto es mucho menor que la velocidad de la luz, las leyes de la mecánica relativista se aproximan a las leyes de la mecánica clásica. Por lo tanto, cuando se mueve a bajas velocidades, las leyes clásicas de la mecánica siguen siendo buenas verdades relativas y muy adecuadas para resolver problemas mecánicos en tecnología de ingeniería.
La teoría especial de la relatividad innova los conceptos de espacio y tiempo, niega el concepto de éter y afirma que el campo electromagnético es una forma independiente y especial de existencia material. Dado que el espacio y el tiempo son formas universales de materia, la relatividad especial ha tenido un impacto amplio y de gran alcance en la física.
La teoría especial de la relatividad de Einstein es uno de los mayores logros de la física en este siglo. Cambia fundamentalmente la visión tradicional del tiempo y el espacio, establece una nueva visión del tiempo y el espacio, revela la relación intrínseca entre masa y energía y proporciona las leyes de movimiento de los objetos que se mueven a alta velocidad. Esta teoría no sólo ha sido confirmada por un gran número de experimentos, sino que también se ha convertido en una base teórica indispensable para la ciencia y la tecnología modernas.
La teoría de la relatividad se produjo en el proceso de estudiar la óptica de los objetos en movimiento y la electrodinámica de los objetos en movimiento; se produjo a partir de serias y profundas contradicciones en la antigua teoría, fue Einstein quien trabajó en ella; El trabajo de sus predecesores básicamente se completó después de 10 años de deliberación y exploración. Estudiar el origen y la historia del desarrollo de la teoría de la relatividad es de gran importancia para nuestra investigación, de la cual podemos obtener ricas lecciones e inspiraciones en metodología científica.
Cuatro. Introducción a la Relatividad General
La relatividad especial se ha utilizado ampliamente en todos los aspectos de la física moderna. Pero cuando se trata de la teoría de la relatividad, tenemos que introducir la llamada teoría general de la relatividad. La relatividad general es la teoría de la gravedad establecida por Einstein entre 1915 y 1916. La teoría especial de la relatividad es correcta y la teoría general de la relatividad se basa en la teoría especial de la relatividad. Si esto último resulta equivocado, todo el edificio teórico se derrumbará.
Una de las características de la mecánica clásica es que debe considerar el espacio y el tiempo como realidades objetivas independientes como la materia. Allí, la velocidad o aceleración de la partícula es relativa al espacio absoluto y las ecuaciones de Newton sólo son válidas para el sistema inercial.
Newton dijo: "El espacio absoluto, por su naturaleza, no tiene nada que ver con nada del mundo exterior. Siempre es igual y estático". "El tiempo absoluto, real o matemático es en sí mismo, por su naturaleza". Por naturaleza, siempre fluye uniformemente, independientemente de cualquier cosa externa. "Newton demostró una vez la existencia de un espacio absoluto como este (experimento del cubo):
Hacemos girar un cubo lleno de agua. Cuando el balde ha girado y el agua no se mueve, la superficie del agua sigue siendo la misma superficie plana que cuando está estacionario, pero eventualmente, cuando el agua gira con el balde, la superficie del agua se vuelve cóncava; Este experimento muestra que cuando el agua está estacionaria, la superficie del agua es plana independientemente de si se mueve con respecto al balde; cuando el agua está girando, ya sea que esté estacionaria con respecto al balde o no, la superficie del agua es una superficie cóncava; . Desde esta perspectiva, dependiendo de la altura o dirección de la superficie del agua, se puede juzgar si el agua está estacionaria o gira en el espacio absoluto.
En definitiva, en la mecánica newtoniana se reconoce el movimiento absoluto. Sin embargo, según el principio de la relatividad mecánica, este movimiento absoluto aparece como un movimiento relativo entre sistemas inerciales. En particular, la velocidad absoluta a lo largo de una línea recta no se puede medir mecánicamente; la velocidad siempre es significativa en relación con un sistema de referencia específico.
En la teoría especial de la relatividad, el principio de la relatividad mecánica se extiende al principio de la relatividad. La velocidad del sistema inercial en relación con el espacio absoluto no se puede medir por ningún medio físico. Se puede ver que el nombre "relatividad" está relacionado con el siguiente concepto: desde un punto de vista empírico, el movimiento siempre aparece como el movimiento relativo de un objeto con respecto a otro objeto, y todo movimiento absoluto es inobservable. En el sentido más amplio, este "principio de relatividad" puede enunciarse de la siguiente manera: todos los fenómenos físicos tienen características tales que no proporcionan ninguna base para la introducción del concepto de "movimiento absoluto". O, para decirlo de manera más breve y menos precisa, no hay movimiento absoluto.
En la teoría especial de la relatividad, a partir de esta afirmación "negativa", se llega a una conclusión "positiva": todas las leyes de la naturaleza son verdaderas para todos los sistemas inerciales o, por el contrario, todos los sistemas inerciales lo son. equivalente en la descripción de las leyes de la naturaleza.
Naturalmente, esto nos lleva a las siguientes preguntas: Dado que el movimiento no sólo se describe por la velocidad, sino también por la aceleración, si el concepto de velocidad sólo puede tener un significado relativo, ¿deberíamos seguir considerando la aceleración como un concepto absoluto? Todos sabemos que el sistema de referencia que acelera con respecto al sistema inercial ya no es un sistema inercial. Por lo tanto, Einstein creía que una mayor promoción del principio de la relatividad no sólo requiere que la velocidad sea relativa, sino que también requiere que la aceleración sea relativa. Esto requerirá inevitablemente abandonar las limitaciones que aún existen en la teoría especial de la relatividad, es decir, la teoría especial de la relatividad. fundamento restante de la mecánica clásica, es decir, las leyes naturales sólo son válidas para los sistemas inerciales, y se ha comenzado a reconocer que "las leyes de la naturaleza también se aplican a todos los sistemas no inerciales de movimiento arbitrario". Tal "principio de la relatividad general" se llama "relatividad general".
Para entender la relatividad general, debemos entender cómo se define la masa en la mecánica clásica.
Dos expresiones diferentes de calidad: Primero, pensemos en ello, ¿qué representa la calidad en nuestra vida diaria? "¿Es el peso"? De hecho, pensamos en la masa como algo que se puede pesar, tal como la medimos: colocamos el objeto cuya masa queremos medir en una balanza. ¿Qué cualidades utilizamos para hacer esto? Es el hecho de que la Tierra y el objeto que se mide se atraen entre sí. Esta masa se llama "masa gravitacional". Lo llamamos "gravedad" porque determina el movimiento de todas las estrellas del universo: la masa gravitacional entre la Tierra y el Sol impulsa a la Tierra en un movimiento casi circular alrededor de este último.
Ahora, intenta empujar tu coche sobre un terreno plano. No puedes negar que tu coche resiste fuertemente la aceleración que le quieres dar. Esto se debe a que tu coche tiene mucha masa. Es más fácil mover objetos livianos que pesados. La masa también se puede definir de otra manera: "Se opone a la aceleración". Esta masa se llama "masa inercial".
Así que concluimos que podemos medir la calidad de dos maneras. O lo pesamos (muy sencillo) o medimos su resistencia a la aceleración (usando las leyes de Newton).
Se realizaron muchos experimentos para medir la masa inercial y la masa gravitacional de un mismo objeto. Todos los resultados experimentales llevan a la misma conclusión: la masa inercial es igual a la masa gravitacional.
El propio Newton se dio cuenta de que esta equivalencia de masas estaba causada por algo que su teoría no podía explicar. Pero descartó el resultado como una simple coincidencia. En cambio, Einstein descubrió que había un canal en esta ecuación que podría reemplazar la teoría de Newton.
La experiencia cotidiana comprueba esta equivalencia: dos objetos (uno ligero, otro pesado) "caerán" a la misma velocidad. Sin embargo, los objetos más pesados experimentan una mayor atracción gravitacional que los objetos más ligeros. Entonces, ¿por qué no “cae” más rápido? Porque es más resistente a la aceleración. La conclusión es: la aceleración de un objeto en un campo gravitacional no tiene nada que ver con su masa. Galileo fue el primero en notar este fenómeno. Es importante que comprendas que todos los objetos en un campo gravitacional “caen a la misma velocidad” son resultado de la equivalencia de masa inercial y masa gravitacional.
Ahora centrémonos en la expresión “paradero”. Los objetos "caen" porque la masa gravitacional de la Tierra crea el campo gravitacional de la Tierra. Dos objetos en el mismo campo gravitacional tienen la misma velocidad. Ya sea la luna o el sol, sus tasas de aceleración son las mismas. Es decir, su velocidad aumenta en la misma cantidad cada segundo. (La aceleración es el incremento de la velocidad por segundo)
La igualdad de la masa gravitacional y la masa inercial es el tercer supuesto en el argumento de Einstein.
Einstein ha estado buscando una explicación para que "la masa gravitacional es igual a la masa inercial". Para ello propuso una tercera hipótesis llamada "principio de equivalencia". Muestra que si un sistema inercial está uniformemente acelerado con respecto a un sistema galileano, entonces podemos considerarlo (el marco inercial) estacionario introduciendo un campo gravitacional uniformemente acelerado con respecto a él.
Examinemos un sistema inercial K’, que tiene una aceleración uniforme con respecto al sistema galileano. Hay muchos objetos alrededor de K y K'. Este objeto está en reposo con respecto a K, por lo tanto, estos objetos tienen el mismo movimiento acelerado con respecto a K'. Esta aceleración es la misma para todos los objetos y es opuesta a la aceleración de K' respecto a K. Ya hemos dicho que la aceleración de todos los objetos en un campo gravitacional es la misma, por lo que el efecto es equivalente a que K' esté estacionario, con un campo gravitacional uniforme.
Entonces, si se establece el principio de equivalencia, entonces la masa igual de dos objetos es solo una simple inferencia.
Por eso la equivalencia (de calidad) es un argumento importante a favor del principio de equivalencia.
Suponiendo que K′ es estacionario y existe el campo gravitacional, K′ puede entenderse como un sistema galileano, por lo que se pueden estudiar las leyes mecánicas en él. Por tanto, Einstein estableció su cuarto principio.
verbo (abreviatura de verbo) discusión de varios temas de la teoría de la relatividad
¿Cuáles son los problemas científicos con la teoría de la relatividad especial?
La práctica es el único criterio para comprobar la verdad. La teoría especial de la relatividad no fue aceptada por todos tan pronto como fue establecida. El conocimiento sólo se reconoce como verdadero cuando se demuestra que es correcto mediante un gran número de prácticas científicas. Por supuesto, de lo que estamos hablando no es de la verdad absoluta, sino de la verdad relativa aplicable dentro de un cierto rango y bajo ciertas condiciones. Parece que todas las áreas de la física moderna, excepto la astrofísica, deben tener en cuenta la gravedad, a la que se puede aplicar la relatividad especial. En el proceso de ampliar su aplicación, la gente ha diseñado especialmente algunos experimentos para probar directamente su exactitud. Hasta el momento no se han encontrado hechos ni signos que contradigan claramente las predicciones teóricas.
Pero como teoría, hay una segunda pregunta: ¿hay lagunas lógicas en el sistema teórico mismo? y cómo profundizar su comprensión. Después de más de 70 años de discusión, se puede decir que la teoría de Einstein no es lógicamente contradictoria, pero sí contiene algunos bucles lógicos.
Einstein dijo una vez que el principio de la velocidad constante de la luz era un "acuerdo" que hizo subjetivamente. Algunas personas dicen que esto es idealismo. Esta crítica es demasiado superficial. Deberíamos preguntarnos: ¿Por qué Einstein hizo esto? ¿Qué debería decir? En nuestra opinión, la clave está en definir teóricamente las coordenadas espacio-temporales (x, t y x’, t’) en dos sistemas inerciales que se mueven a velocidad constante entre sí, y al mismo tiempo dar una definición clara. Sin esta definición, el principio de la relatividad no es válido: no se puede escribir la expresión matemática correspondiente. Hay una manera de definir (x, t) en un sistema inercial, que apenas es transitable con una regla y un reloj. Pero si desea ir al segundo sistema inercial, debe confiar en cierta invariancia; de lo contrario, (x ', t') no puede tener una definición clara y la relación entre (x, t) y (x ', t') No se puede establecer. En la transformación galileana, si t′ = t, la regla en movimiento no se acortará, lo cual es una suposición de "invariancia". De modo que la cuestión es sustituirla por una suposición más realista. Cabe decir que Einstein se esforzó mucho en suponer que la velocidad de la luz es constante:
(1) Había una cierta base experimental en ese momento.
(2) Está muy claro en un sentido macro.
(3) La transformación de Lorentz es sencilla.
Pero de esta manera, las deficiencias de la teoría de Einstein quedaron inmediatamente expuestas. La expresión matemática del principio de covarianza de la relatividad-Lorentz combinado con las ecuaciones de Maxwell lleva inmediatamente a la conclusión de que la velocidad de la luz es constante, por lo que parece redundante proponerlo como principio al principio, lo que constituye un llamado ciclo lógico.
No sólo eso, también hay que preguntarse: Antes de que se definieran las coordenadas espacio-temporales, ¿de dónde venía el concepto de "velocidad"? ¿Cómo se mide la velocidad? En otras palabras, utilizar la velocidad constante de la luz para definir las coordenadas espacio-temporales ha caído en un bucle lógico.
En resumen, sin introducir la suposición de que la velocidad de la luz es constante, el primer paso de la teoría: la derivación de la transformación de Lorentz no se puede lograr, y mucho menos el segundo paso de establecer toda la teoría usando el principio de relatividad; la introducción del supuesto de velocidad constante de la luz caerá inevitablemente en un bucle lógico. Sin duda, Einstein era plenamente consciente de este dilema. Después de sopesar los pros y los contras, decidió tomar este último camino, dándole a "la velocidad de la luz no cambia" un significado incondicional y absoluto, es decir, elevándolo a la posición de un "principio" que no puede ser alcanzado por métodos lógicos. razonamiento, al mismo tiempo defendió que este principio es sólo una “convención””, con el fin de obligar a interrumpir en este punto el ciclo lógico teórico y evitar una mayor investigación.
Durante los últimos 70 años, muchas personas han estado insatisfechas con este ciclo lógico implícito. Al mismo tiempo, sienten que sólo el principio de la relatividad es la única esencia de la relatividad especial y el principio de la relatividad especial. Es mejor eliminar la velocidad constante de la luz, o al menos debilitarla mucho. Entonces, algunas personas introdujeron el "principio de velocidad límite" y otras agregaron algunas "simetrías" además de la isotropía uniforme del espacio y el tiempo. Finalmente, la fórmula de transformación lineal de Lorentz derivada matemáticamente solo muestra una "velocidad límite" ω, y luego se dice que según el experimento ω = c (velocidad de la luz), una vez que se logra esto, la teoría posterior no es diferente de la de Einstein. .
En nuestra opinión, si se descubre que la velocidad de la luz no es la velocidad máxima y ω es un valor mayor que la velocidad de la luz C, esta teoría sin duda será una mejora con respecto a la teoría de Einstein porque Es un marco con una mayor capacidad. Y si la velocidad de la luz es la velocidad límite reconocida por la mayoría de la gente, entonces esta teoría está al revés. La razón es que a menudo comienzan a discutir la relación de transformación antes de definir (x, t) y (x’, t’). De hecho, si una variable matemática no tiene propiedades de conservación, o al menos no puede medirse en principio, no es una cantidad física significativa. Pregunta: Si el último ω es igual a la velocidad del sonido, ¿(x′, t′) sigue siendo la coordenada espacio-temporal del sistema K′? Se debe suponer inmediatamente que ω = c, y ésta es una suposición "física" y "relativa". Contando todos los supuestos explícitos e implícitos, no es menos que los supuestos de Einstein, pero es peor porque las coordenadas espacio-temporales son borrosas.
Por lo tanto, no es casualidad que Einstein haya introducido dos "principios de la relatividad", a saber, el "principio de la velocidad constante de la luz" y el "principio de la relatividad", como marco básico para establecer la teoría especial. de la relatividad. Hizo el mejor trabajo en las condiciones de su época. Hoy, 70 años después, no deberíamos unirnos a él en el ciclo lógico para encontrar lagunas, sino que deberíamos utilizar este ciclo para reflejar la autoconsistencia de la teoría. Así pues, en esencia, sólo existe un "principio de relatividad" en lugar de dos, y la experiencia ha demostrado que es imposible simplemente cortar uno y conservar el otro, ni mover sólo "la mitad" de la teoría. Sólo resumiendo la nueva experiencia en la investigación en física de los últimos 70 años podremos mejorar fundamentalmente.
Sexto, el alcance y la importancia de la teoría de la relatividad
La teoría de la relatividad ha logrado logros notables en el estudio del movimiento de objetos a alta velocidad. Fue construido antes de la mecánica cuántica y adoptó un conjunto de métodos de demostración macroscópicos. Da la impresión de que es esencialmente una teoría macroscópica y una obra maestra que hereda la tradición de la física clásica del siglo XIX. Posteriormente, la combinación de la relatividad especial y la mecánica cuántica produjo la fructífera teoría de las partículas elementales. La gente piensa que esto también es algo natural, aprender de las fortalezas de los demás y complementar las debilidades de los demás, y confiar en la relatividad para ser incluido en la categoría microscópica. ¿Pero no es extraño que la combinación de dos cosas que se dice que son esencialmente diferentes pueda en realidad producir algo vivo? ¿No vale la pena reflexionar?
La investigación sobre la relatividad general ha sido muy activa en los últimos años, y la investigación en astrofísica también es inseparable de ella, por lo que está más sujeta a pruebas prácticas, lo cual es una gran cosa. Pero tenemos que ver que el movimiento material es infinitamente rico en calidad. Cuando se deriva de ecuaciones, la conclusión en realidad está oculta en la premisa principal. Aunque las premisas de la conclusión son correctas, no pueden ser exhaustivas.
La importancia trascendental de la teoría de la relatividad en la historia de la física sólo puede ser igualada por la mecánica cuántica, que se debe en gran medida a Einstein.