Actas de ciencia y tecnología física
El supuesto básico de la teoría de la relatividad es el principio de la relatividad, es decir, la elección de las leyes físicas y los sistemas de referencia está relacionada con el hecho de que los objetos masivos no distorsionan el espacio-tiempo ni cambian su dirección. de viaje. La diferencia entre la relatividad especial y la relatividad general es que la primera analiza las leyes físicas entre sistemas de referencia (sistemas de referencia inerciales) con movimiento lineal uniforme, mientras que la segunda se extiende a sistemas de referencia con aceleración (sistemas de referencia no inerciales en su equivalente). El principio se utiliza ampliamente en campos gravitacionales bajo supuestos. La relatividad y la mecánica cuántica son los dos pilares básicos de la física moderna. La mecánica clásica se basa en la física clásica y no es adecuada para objetos en movimiento a alta velocidad ni 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 subvierte los conceptos de sentido común sobre el universo y la naturaleza y propone nuevos conceptos como la relatividad del espacio y el tiempo, el espacio y el tiempo de cuatro dimensiones y el espacio curvo. La teoría especial de la relatividad se propuso en 1905 y la teoría general de la relatividad se propuso en 1915 (Einstein completó la creación de la teoría general de la relatividad a finales de 1915 y publicó oficialmente artículos relacionados a principios de 1916).
Porque las leyes de Newton plantean dificultades a la teoría especial de la relatividad, es decir, sobre cualquier objeto actuará una fuerza en cualquier posición del espacio. Por tanto, no existe ningún observador inercial en todo el universo. Einstein propuso la teoría general de la relatividad para resolver este problema.
El corolario más famoso de la relatividad especial es la fórmula masa-energía, que establece que la masa aumenta a medida que aumenta la energía. También puede utilizarse para explicar la enorme energía liberada por las reacciones nucleares, pero no es la razón del nacimiento de la bomba atómica. Las lentes gravitacionales y los agujeros negros predichos por la relatividad general son consistentes con algunos fenómenos astronómicos.
Según la ecuación masa-energía, es fácil deducir que “la velocidad de la luz es la velocidad más rápida del universo”. Porque cuando un objeto alcanza la velocidad de la luz, su masa se vuelve infinita, lo cual no es cierto. Sin embargo, también se ha propuesto que existen dos universos, un "universo rápido" y un "universo lento". Todas las partículas elementales son más rápidas que la velocidad de la luz en el universo rápido, es decir, los taquiones, por lo que la materia que las compone también es más rápida que la velocidad de la luz, y viceversa. Además, algunos astrónomos también han observado sorprendentemente fenómenos superligeros, incluida la velocidad de separación de las galaxias, el desperdicio de la expansión de los cuásares, etc. Sin embargo, hasta el momento no existe ningún argumento convincente, ningún argumento que anule la teoría de la relatividad.
Concepto absoluto de espacio y tiempo
El llamado concepto de espacio y tiempo es la comprensión de las propiedades físicas del tiempo y el espacio. La transformación galileana es una descripción matemática del principio de relatividad en mecánica. Refleja el concepto absoluto de espacio-tiempo en la mecánica clásica.
1. El intervalo de tiempo no tiene nada que ver con la elección del sistema inercial.
Si dos eventos ocurren uno tras otro, el intervalo de tiempo medido por los observadores en dos sistemas inerciales diferentes es el mismo.
2. El intervalo espacial no tiene nada que ver con la elección del sistema inercial.
La distancia entre dos puntos cualesquiera en el espacio no tiene nada que ver con la elección del sistema inercial.
Podemos ver que en la mecánica clásica las coordenadas y la velocidad de los objetos son relativas, y un mismo lugar también lo es. Pero las tres cantidades físicas de tiempo, longitud y masa son absolutas al mismo tiempo; Éste es el concepto absoluto de espacio-tiempo en la mecánica clásica.
¿Éter?
A mediados del siglo XIX, Maxwell estableció la teoría del campo electromagnético y predijo la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban a la velocidad de la luz c. A finales del siglo XIX, los experimentos confirmaron completamente la teoría de Maxwell. ¿Qué son las ondas electromagnéticas? ¿A quién se propaga a una velocidad c? La opinión popular en ese momento era que todo el universo estaba lleno de un medio continuo llamado "éter" en el que fluctuaban las señales de luz y radio. Una teoría completa requeriría mediciones cuidadosas de las propiedades elásticas del éter. Con este fin, la Universidad de Harvard creó el Laboratorio Jefferson. Todo el edificio no requiere clavos para evitar interferencias con las mediciones magnéticas.
Sin embargo, no se esperaba que el experimento se llevara a cabo según lo planeado porque los planificadores ignoraron las grandes cantidades de hierro contenidas en los ladrillos granates. Hacia finales de siglo comenzó a surgir el concepto de desviación que penetraba todo el éter. Si pensamos que la Tierra se mueve en el éter estacionario, entonces, según el principio de superposición de velocidades, la velocidad de la luz que se propaga en diferentes direcciones en la Tierra debe ser diferente, pero el experimento niega esta conclusión si pensamos que el éter; Cuando la Tierra se lo lleva, obviamente es diferente de algunas observaciones astronómicas que son inconsistentes. En este sentido, la gente encontró que se trataba de una teoría llena de contradicciones.
Diagrama esquemático del experimento de Michelson-Morley en 1887. Albert Michelson y Edward Morley utilizaron el fenómeno de interferencia de la luz para realizar mediciones muy precisas, pero aún no encontraron ningún movimiento de la Tierra con respecto al éter. En este sentido, H.A. Lorenz propuso la hipótesis de que todos los objetos que se mueven en el éter deberían encogerse en la dirección del movimiento. A partir de esto demostró que incluso si la Tierra se moviera en relación con el éter, Michelson no podría encontrarlo. Einstein abordó este problema desde una forma de pensar completamente diferente. Señaló que mientras se abandone el concepto de tiempo absoluto de Newton, todas las dificultades podrán resolverse y no habrá necesidad alguna de éter.
★Nota: Éter: propuesto por los eruditos griegos y considerado el medio de propagación de la luz.
Teoría del éter fijo: si la luz es una onda en una sustancia elástica llamada éter, entonces la velocidad de la luz parece aumentar para una persona (a) en una nave espacial que se mueve hacia ella, y para una nave espacial para una persona (b) se mueve en la misma dirección que la luz, la velocidad de la luz se vuelve menor.
Dos supuestos básicos
1. Las leyes de la física tienen la misma forma en todos los sistemas inerciales.
2. En todos los sistemas inerciales, la velocidad de propagación de la luz en el vacío tiene el mismo valor c.
El primero se llama principio de relatividad. Esto significa que si el sistema de coordenadas K ' se mueve a una velocidad uniforme con respecto al sistema de coordenadas K sin girar, entonces en cualquier experimento físico realizado con respecto a estos dos sistemas de coordenadas, es imposible distinguir qué sistema de coordenadas es K y cuál es K. sistema es K'.
El segundo principio se llama principio de velocidad constante de la luz, lo que significa que la velocidad de la luz c (en el vacío) es constante y no depende de la velocidad de movimiento del objeto luminoso.
En la superficie, la velocidad constante de la luz parece entrar en conflicto con el principio de relatividad. Porque según la clásica ley mecánica de síntesis de la velocidad, la velocidad de la luz debería ser diferente para los dos sistemas de coordenadas K' y K que se mueven a una velocidad relativamente constante. Einstein creía que para admitir que estas dos hipótesis no estaban en conflicto, debíamos volver a analizar los conceptos físicos de tiempo y espacio.
Sin embargo, se puede demostrar que el experimento de Michelson-Morley es incorrecto por la sencilla razón de que la precisión experimental está lejos de ser suficiente. Suponiendo que la longitud de onda de la onda de luz experimental es de 600 nm (1 nm es igual a 10 elevado a menos 9), entonces, para obtener una diferencia de fase de interferencia de 90 grados, las dos ondas de interferencia necesitan obtener una diferencia de tiempo. de 150 nm. El problema es que 150 nm es muy pequeño y la vibración del instrumento causada por el ruido de fondo ambiental es mucho mayor que 65438.
Transformación de Lorentz
La ley de composición de la velocidad en la mecánica clásica en realidad depende de los dos supuestos siguientes:
1 El tiempo entre dos eventos El intervalo no tiene nada que ver. ver con el movimiento del reloj utilizado para medir el tiempo.
2. La distancia espacial entre dos puntos no tiene nada que ver con el estado de movimiento de la regla utilizada para medir la distancia.
Einstein descubrió que si se admite que el principio de la velocidad constante de la luz y el principio de la relatividad son compatibles, entonces ambos supuestos deben abandonarse. En este momento, los eventos que ocurren al mismo tiempo en un reloj no necesariamente son simultáneos con el otro reloj, y son relativos al mismo tiempo. En dos sistemas de coordenadas con movimiento relativo, los valores obtenidos al medir la distancia entre dos puntos específicos ya no son iguales y la distancia es relativa.
Si un evento en el sistema de coordenadas K puede estar determinado por tres coordenadas espaciales X, Y, Z y una coordenada temporal T, y el mismo evento en el sistema de coordenadas K está determinado por X', Y' , Z' y T' están determinados, y Einstein descubrió que X', Y', Z' y T' se pueden encontrar mediante un conjunto de ecuaciones. La velocidad relativa de los dos sistemas de coordenadas y la velocidad de la luz c son los únicos parámetros de la ecuación. Esta ecuación fue deducida por primera vez por Lorentz, por lo que se llama transformación de Lorentz.
Utilizando la transformación de Lorentz, es fácil demostrar que el reloj se ralentizará debido al movimiento, la regla será más corta en movimiento que en reposo y la suma de las velocidades satisface una nueva ley. El principio de relatividad también se expresa como una condición matemática clara, es decir, bajo la transformación de Lorentz, las variables espacio-temporales X', Y', Z' y T' reemplazarán a las variables espacio-temporales X, Y, Z y T. La expresión de cualesquiera leyes naturales seguirá adoptando la misma forma. Lo que la gente llama leyes universales de la naturaleza son covariantes con respecto a las transformaciones de Lorentz. Esto juega un papel muy importante en la exploración de las leyes universales de la naturaleza.
La conexión entre el tiempo y el espacio
Además, en la física clásica el tiempo es absoluto. Siempre ha jugado un papel independiente de las tres coordenadas espaciales. La teoría de la relatividad de Einstein trata del tiempo y el espacio. Se cree que el mundo real de la física se compone de varios eventos y cada evento se describe mediante cuatro números. Estos cuatro números son sus coordenadas espacio-temporales T y X, Y, Z, formando un espacio-tiempo continuo rígido de cuatro dimensiones, a menudo llamado espacio-tiempo plano de Minkowski. En la teoría de la relatividad, es natural mirar el mundo real de la física en cuatro dimensiones. Otro resultado importante que surge de la relatividad especial tiene que ver con la relación entre masa y energía. Antes de Einstein, los físicos siempre habían creído que la masa y la energía eran cantidades completamente diferentes que se conservaban por separado. Einstein descubrió que en la teoría de la relatividad, la masa y la energía son inseparables y las dos leyes de conservación se fusionan en una. Dio una famosa fórmula masa-energía: e = MC ^ 2, donde c es la velocidad de la luz. Por tanto, se puede considerar la masa como una medida de su energía. Los cálculos muestran que una pequeña cantidad de masa contiene una enorme cantidad de energía. Esto se demostró en posteriores pruebas de reacción nuclear.
A la mayoría de los físicos, incluido Lorenz, el fundador de la relación de transformación relativista, les resulta difícil aceptar estos nuevos conceptos introducidos por Einstein. Los obstáculos derivados de antiguas formas de pensar impidieron que esta nueva teoría física se convirtiera en familiar para los físicos hasta una generación más tarde. Incluso cuando el Premio de Ciencias de la Real Academia Sueca fue otorgado a Einstein en 1922, sólo se dijo que "por su contribución a la física teórica y por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico" no se mencionó la teoría de la relatividad. .
Establecimiento de la teoría general de la relatividad
Einstein estableció además la teoría general de la relatividad en 1915. El principio de relatividad en sentido estricto se limita a dos sistemas de coordenadas de movimiento uniforme, mientras que en el principio de relatividad general se elimina la restricción del movimiento uniforme. Introdujo un principio de equivalencia según el cual los efectos gravitacionales y el movimiento no uniforme son indistinguibles, es decir, cualquier aceleración y gravedad son equivalentes. Analizó además el fenómeno de la luz que se desvía por la gravedad al pasar cerca de un planeta y creía que el concepto de gravedad en sí era completamente innecesario. Se puede pensar que la masa del planeta hace que el espacio cercano a él sea curvo y la luz tome el camino más corto. Basándose en estas discusiones, Einstein derivó un conjunto de ecuaciones que determinaron la geometría del espacio curvo debido a la presencia de materia. Usando esta ecuación, Einstein calculó el desplazamiento del perihelio de Mercurio, lo cual era completamente consistente con las observaciones experimentales. Resolvió un problema inexplicable de larga data y entusiasmó mucho a Einstein. Le escribió a Alan Fast: "La ecuación da el valor correcto para el perihelio. ¡Puedes imaginar lo feliz que estaba! Durante varios días estuve tan feliz que no sabía qué hacer".
Verificación experimental
1915 165438 El 25 de octubre, Einstein presentó un artículo titulado "La ecuación de la gravitación universal" a la Academia de Ciencias de Prusia en Berlín, que desarrolló completamente la discusión de la teoría general de la relatividad. En este artículo no sólo explicó el misterio del movimiento perihelio de la órbita de Mercurio descubierto en observaciones astronómicas, sino que también predijo que la luz de las estrellas se desviaría después de pasar por el Sol. El ángulo de desviación era el doble del valor predicho por la teoría de Newton, sólo durante el tiempo. Se observa un eclipse solar total. Einstein preparó fondos y el astrónomo Freundlich fue a Crimea a observar. Desafortunadamente, Alemania declaró la guerra a Rusia y se sospechaba que Freundlich era un espía. Estuvo detenido hasta finales de agosto, cuando él y su equipo fueron intercambiados con altos oficiales militares rusos detenidos en Alemania. [1]
Los datos relacionados con el eclipse solar medidos por Eddington ese año (3 fotos) 1965438 El eclipse solar total del 25 de mayo de 2009 brindó a las personas una oportunidad de observación.
El inglés Eddington fue a la Isla Príncipe en la costa occidental de África e hizo esta observación. 165438 El 6 de octubre, Thomson anunció solemnemente en una reunión conjunta de la Royal Society y la Royal Astronomical Society que fue Einstein, no Newton, quien demostró este resultado. Elogió "este es uno de los mayores logros en la historia del pensamiento humano". Lo que Einstein descubrió no fue una isla aislada, sino un nuevo continente de pensamiento científico. "El Times informó sobre esta importante noticia bajo el título "Revolución en la ciencia". La noticia se difundió por todo el mundo y Einstein se convirtió en una celebridad de fama mundial. La teoría general de la relatividad también fue elevada a un nivel mítico. Estado.
Desde entonces, la gente ha mostrado un interés creciente en las pruebas experimentales de la relatividad general. Sin embargo, debido a que el campo gravitacional del sistema solar es muy débil y el efecto gravitacional en sí es pequeño, los resultados teóricos de la relatividad general son inconsistentes con los de Newton. La teoría gravitacional se desvía muy poco, lo que hace que la observación sea muy difícil. Desde la década de 1970, debido al avance de la radioastronomía, la distancia de las observaciones superó la distancia del sistema solar y la precisión de las observaciones también mejoró considerablemente, especialmente en septiembre de 1974. En Massachusetts, Taylor y sus estudiantes Halls del Instituto Politécnico observaron con un gran radiotelescopio de 305 metros de diámetro y descubrieron una estrella binaria púlsar. Se trata de una estrella de neutrones y su estrella compañera orbitando entre sí bajo la influencia de la gravedad. con un período de sólo 0,323 días La gravedad en su superficie es 100.000 veces más fuerte que la superficie del sol. Se trata de un laboratorio donde es imposible probar la teoría de la gravedad en la Tierra o incluso en el sistema solar. Después de diez años de observación, obtuvieron un muy buen resultado, que es consistente con la teoría general de la predicción. Debido a esta gran contribución, Taylor y Halls ganaron el Premio Nobel de Física en 1993.