Artículo filosófico sobre el problema del tren.
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 relatividad especial (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 y objetos en condiciones microscópicas. 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 proceso de propuesta de la teoría de la relatividad
Además de la teoría cuántica, Einstein publicó un artículo en 1905 titulado "Sobre la electrodinámica de los objetos en movimiento" que desencadenó el desarrollo del siglo XX. La física. Otra revolución. Este artículo estudia el impacto del movimiento de los objetos en los fenómenos ópticos, que era otro problema difícil al que se enfrentaba la física clásica en aquella época.
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, la teoría de Maxwell fue completamente confirmada por experimentos. . ¿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 una sustancia especial llamada "éter", y las ondas electromagnéticas eran la propagación de las vibraciones del éter. Pero se descubrió que ésta era una teoría llena de contradicciones. Si pensamos que la Tierra se mueve en un 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 refuta esta conclusión. Si pensamos que la Tierra se lleva el éter, obviamente es inconsistente con algunas observaciones astronómicas.
En 1887, Michelson y Morley realizaron mediciones muy precisas utilizando el fenómeno de interferencia de la luz, pero todavía no descubrieron 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 contraerse 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 abandonen los conceptos de Newton de espacio absoluto y tiempo absoluto, todas las dificultades podrán resolverse y no habrá necesidad alguna de éter.
Einstein propuso dos principios básicos como base para discutir los fenómenos ópticos de los objetos en movimiento. 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 cuál es el sistema de coordenadas K y cuál es el sistema de coordenadas 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 si queremos admitir que estos dos principios no están en conflicto, debemos volver a analizar los conceptos físicos de tiempo y espacio.
La ley de composición de la velocidad en la mecánica clásica en realidad depende de los dos supuestos siguientes:
1. El intervalo de tiempo entre dos eventos y el estado de movimiento del reloj utilizado para medir el tiempo. Irrelevante;
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. La distancia también 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' pueden resolverse 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' con apóstrofes reemplazarán a las variables espacio-temporales X, Y, Z y T. Cualquier natural La formulación de las leyes seguirá tomando la misma forma que antes. Lo que la gente llama leyes universales de la naturaleza son covariantes con respecto a las transformaciones de Lorentz. Esto es muy importante para que exploremos las leyes universales de la naturaleza.
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 continuo de cuatro dimensiones, generalmente llamado espacio de cuatro dimensiones 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 completamente diferentes y eran cantidades conservadas 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 = mc2, 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. Esta maravillosa fórmula sentó las bases teóricas para que los humanos obtuvieran enormes cantidades de energía, crearan bombas atómicas y bombas de hidrógeno y utilizaran la energía atómica para generar electricidad.
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. .
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, argumentando que es imposible distinguir entre efectos gravitacionales y movimiento no uniforme, es decir, el movimiento no uniforme y la gravedad son equivalentes. Analizó además el fenómeno de que la luz se desvía por la gravedad cuando pasa cerca de una línea, 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 los rayos de luz tomen 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 Ehrenfest... Esta 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. ”
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 analizaba en profundidad la teoría general de la relatividad. En el artículo, no sólo explicó el misterio del movimiento perihelio de la órbita de Mercurio encontrado en observaciones astronómicas, sino que también predijo que la luz de las estrellas se desviaría después de atravesar el sol, con un ángulo equivalente al doble del valor predicho por la teoría de Newton. La guerra retrasó esto. La determinación de un valor numérico El eclipse solar total del 25 de mayo de 1919 brindó a la gente la primera oportunidad de observación después de la guerra. El británico Eddington fue a la Isla Príncipe, en la costa occidental de África. El 6 de octubre, Thomson anunció solemnemente en la 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 relatividad general también ha sido elevada a un estatus mítico y sagrado.
Desde entonces, la gente ha mostrado un interés cada vez mayor 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 muy pequeño, los resultados teóricos de la relatividad general se desvían muy poco de la teoría de la gravedad de Newton, lo que dificulta mucho la observación. Desde la década de 1970, debido al avance de la radioastronomía, la distancia de observación ha superado con creces la del sistema solar y la precisión de las observaciones también ha mejorado considerablemente. Precisamente en septiembre de 1974, Taylor y su alumno Whistler del MIT utilizaron un gran radiotelescopio de 305 metros para realizar observaciones y descubrieron un púlsar binario, que es una estrella de neutrones y su estrella compañera orbitan entre sí bajo la influencia de la gravedad. período de sólo 0,323 días. La gravedad en su superficie es 100.000 veces más fuerte que la de la superficie del Sol, lo que lo convierte en un laboratorio imposible para probar teorías de la gravedad en la Tierra o incluso en el sistema solar. Después de más de diez años de observación, obtuvieron un resultado muy bueno, que está en línea con las predicciones de la relatividad general. Gracias a esta enorme contribución, Taylor y Whistler ganaron el Premio Nobel de Física en 1993.
Teoría Especial de la Relatividad
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 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.
Principios básicos de la relatividad especial
La materia siempre está en movimiento en interacción. No hay materia que no esté en movimiento, y no hay materia que no esté en movimiento. Como la materia se mueve en interacciones, es necesario describir el movimiento en la relación entre la materia y es imposible describir el movimiento de forma aislada.
En otras palabras, el movimiento debe tener un objeto de referencia, y este objeto de referencia es el marco de referencia.
Galileo señaló una vez que el movimiento de un barco en movimiento es inseparable del movimiento de un barco estacionario. Es decir, cuando estás completamente aislado del mundo exterior en una cabina cerrada, incluso si tienes la mente más desarrollada y los instrumentos más avanzados, no puedes sentir si tu nave se mueve a una velocidad constante o está parada. No hay manera de percibir la velocidad porque no hay referencia. Por ejemplo, no conocemos todo el estado de movimiento de todo nuestro universo porque el universo está cerrado. Einstein lo citó como el primer principio básico de la relatividad especial: el principio de la relatividad especial. Su contenido es: los sistemas inerciales son completamente equivalentes e indistinguibles.
¿El famoso Michelson? El experimento de Morey negó por completo la teoría de la luz del éter y concluyó que la luz no tiene nada que ver con el marco de referencia. En otras palabras, la velocidad medida de la luz es la misma ya sea que estés parado en el suelo o en un tren a toda velocidad. Este es el segundo principio básico de la relatividad especial, el principio de la velocidad constante de la luz.
A partir de estos dos principios básicos, podemos derivar directamente todos los contenidos de la teoría especial de la relatividad, como la fórmula de transformación de coordenadas y la fórmula de transformación de velocidad de la teoría de la relatividad. Por ejemplo, el cambio de velocidad es contrario a la ley tradicional, pero ha demostrado ser correcto en la práctica. Por ejemplo, la velocidad de un tren es de 10 m/s, y la velocidad de una persona en el tren también es de 10 m/s. Las personas en el suelo ven que la velocidad de la persona en el tren no es de 20 m/s, pero (. 20-10-15. En circunstancias normales, este efecto relativista se puede ignorar por completo, pero cuando se acerca a la velocidad de la luz, este efecto aumenta significativamente. Por ejemplo, la velocidad de un tren es 0,99 veces la velocidad de la luz. La velocidad de una persona también es 0,99 veces la velocidad de la luz. Entonces la conclusión del observador terrestre no es 1,98 veces la velocidad de la luz 0,999949 veces la velocidad de la luz. viniendo desde atrás, que para él también es la velocidad de la luz, entonces en este sentido, la velocidad de la luz no se puede exceder, porque no importa en qué sistema de referencia, la velocidad de la luz es constante. impecablemente mediante innumerables experimentos Es precisamente por esta propiedad única de la luz que se elige como el único efecto de escala del espacio-tiempo de cuatro dimensiones
Según la relatividad especial. Según el principio de relatividad en un sentido especial, los sistemas inerciales son completamente equivalentes, por lo que en un mismo sistema inercial existe un tiempo unificado, que se llama tiempo simultáneo. La teoría de la relatividad demuestra que no hay diferencia en diferentes sistemas inerciales. Existe simultaneidad unificada, es decir, dos eventos (puntos de tiempo y espacio) que son simultáneos en un sistema relacional pueden ser diferentes en otro sistema inercial. Esta es la relatividad de la simultaneidad en un sistema inercial.
La teoría de la relatividad deduce la relación de progreso del tiempo entre diferentes sistemas inerciales y encuentra que el sistema inercial en movimiento es lento en el progreso del tiempo, lo que es el llamado efecto de lentitud del reloj. Un reloj en movimiento se mueve más lento que. un reloj estacionario. Se mueve más rápido y más lento. Cuando se acerca a la velocidad de la luz, casi se detiene.
Las longitudes de las reglas se obtienen "simultáneamente" en el marco inercial. Debido a la relatividad de la "simultaneidad", las longitudes medidas en diferentes sistemas inerciales también son diferentes. La teoría de la relatividad demuestra que una regla que se mueve en la dirección longitudinal de la regla es más corta que una regla estacionaria. Este es el llamado efecto de escala. Cuando la velocidad es cercana a la velocidad de la luz, la regla se reduce a un punto. De la afirmación anterior se puede ver que el principio de la lentitud del reloj y la contracción de la escala es el mismo. El progreso del tiempo es relativo. La tabla está relacionada con el sistema de referencia. Esto niega fundamentalmente la teoría del tiempo y el espacio absolutos de Newton. Sin embargo, el tiempo sigue siendo una cantidad objetiva, como el experimento del gemelo ideal que se discutirá en el próximo número. el hermano regresa de la nave espacial tiene 15 años y el hermano mayor puede tener 45 años, lo que demuestra que el tiempo es relativo, pero el hermano mayor vive hasta los 15 años y el hermano mayor sí cree que tiene 15 años. Ha vivido hasta los 45 años, esto no tiene nada que ver con el marco de referencia, y el tiempo es "absoluto" independientemente del estado de movimiento, el tiempo que tarda es una cantidad objetiva y es absoluto. es el llamado tiempo intrínseco, es decir, no importa qué forma de ejercicio hagas, crees que la velocidad a la que tomas café es normal. Sí, tu patrón de vida no se ha visto alterado, pero otros pueden notarlo. Te tomó 100 años tomar café, y solo te tomó un segundo dejar la taza hasta morir.
Paradoja del Reloj o Paradoja de los Gemelos
Después del nacimiento de la teoría de la relatividad, surgió un problema muy interesante y difícil: la paradoja de los gemelos. Un par de gemelos A y B, A está en la Tierra, y B toma un cohete para realizar un viaje interestelar y regresa a la Tierra mucho tiempo después. Einstein afirmó desde la teoría de la relatividad que dos personas vivieron momentos diferentes, y B será más joven que A cuando se reencuentren. Mucha gente tiene dudas, pensando que A observa a B hacer ejercicio y B observa a A hacer ejercicio. ¿Por qué A no puede ser menor que B? Debido a que la Tierra puede aproximarse como un sistema inercial, B tiene que pasar por un proceso de aceleración y desaceleración y es un sistema de referencia con aceleración variable, la discusión real es muy complicada. Por lo tanto, esta cuestión que Einstein ha discutido claramente es confundida por mucha gente como una teoría contradictoria de la relatividad. Sería mucho más fácil discutir este problema utilizando los conceptos de diagramas espacio-temporales y líneas mundiales, pero requiere muchos conocimientos y fórmulas matemáticas. Aquí, simplemente usamos el lenguaje para describir la situación más simple. Sin embargo, los detalles no se pueden explicar con más detalle utilizando únicamente palabras. Si está interesado, puede consultar algunos libros sobre relatividad. Nuestra conclusión es que B es más joven que A en cualquier marco de referencia.
Para simplificar el problema, sólo comentaremos este caso. Después de un rato, el cohete aceleró hasta alcanzar la velocidad subluz. Voló por un tiempo, giró por un tiempo, voló por un tiempo y desaceleró por un tiempo para encontrarse con la tierra. El propósito de este tratamiento es ignorar los efectos de la aceleración y desaceleración. Es fácil discutir en el sistema de referencia terrestre que el cohete es siempre un reloj en movimiento y que B es más joven que A cuando se vuelven a encontrar. En el marco de referencia del cohete, la Tierra es un reloj en movimiento en proceso de movimiento uniforme. El proceso del tiempo es más lento que en el cohete, pero el punto más crítico es el proceso de rotación del cohete. Durante el cambio de sentido, la Tierra recorrió medio círculo desde la distancia detrás del cohete hasta la distancia delante del cohete en un período de tiempo muy corto. Este es un proceso "súper ligero". Es solo que esta velocidad de la superluz no es incompatible con la teoría de la relatividad. Esta velocidad superligera no puede transmitir ninguna información y no es una verdadera velocidad superligera. Sin este proceso de cambio de sentido, el cohete y la Tierra no se habrían encontrado. Debido a que no existe un tiempo unificado en los diferentes sistemas de referencia, sus edades no se pueden comparar. Sólo se pueden comparar cuando se encuentran. Después de que el cohete gira, B no puede recibir directamente el mensaje de A porque la entrega lleva tiempo. El proceso real que vio B fue que durante el cambio de sentido, el progreso del tiempo de la Tierra se aceleró dramáticamente. Desde el punto de vista de B, A es más joven que B en realidad, y luego envejece rápidamente cuando se da la vuelta, y A envejece más lentamente que él mismo cuando regresa. Cuando nos volvamos a encontrar, todavía somos más jóvenes que a. En otras palabras, no existe ninguna contradicción lógica en la teoría de la relatividad.
Descripción general de la relatividad especial
La teoría de la relatividad requiere que las leyes de la física permanezcan sin cambios bajo transformación de coordenadas (cambio de Lorentz). La teoría electromagnética clásica puede incorporarse al marco de la relatividad sin modificaciones, mientras que la mecánica newtoniana sólo permanece sin cambios bajo la transformación galileana, y la forma originalmente simple se vuelve extremadamente compleja bajo la transformación de Lorentz. Por lo tanto, es necesario revisar la mecánica clásica. El sistema mecánico revisado permanece sin cambios bajo la transformación de Lorentz. Esto es la mecánica relativista.
Después del establecimiento de la teoría especial de la relatividad, ésta jugó un papel muy importante en la promoción de la física. Y ha penetrado en el ámbito de la mecánica cuántica y se ha convertido en una teoría indispensable para estudiar partículas de alta velocidad, y ha logrado resultados fructíferos. Sin embargo, detrás del éxito hay dos cuestiones principales pendientes. La primera es la dificultad provocada por el marco inercial. Tras abandonar el espacio y el tiempo absolutos, el sistema inercial se convierte en un concepto indefinido. Podemos decir que el sistema inercial es el sistema de referencia sobre el que se establece la ley de inercia. La ley de inercia establece esencialmente que un objeto permanece en reposo o moviéndose en línea recta a una velocidad constante en ausencia de fuerzas externas. Sin embargo, ¿qué significa “libre de fuerzas externas”? Sólo se puede decir que no está sujeto a fuerzas externas, lo que significa que un objeto puede estar en reposo o moverse en línea recta a una velocidad uniforme en un sistema inercial. De esta manera, la definición de sistema inercial cae en un bucle lógico y dicha definición es inútil. Siempre podemos encontrar sistemas inerciales muy similares, pero no existe un sistema inercial real en el universo. Toda la teoría es como construir sobre arena. La segunda es la dificultad provocada por la gravedad. La ley de la gravitación universal está estrechamente relacionada con el espacio y el tiempo absolutos y debe revisarse. Sin embargo, cualquier intento de convertirla en una situación invariante bajo la transformación de Lorentz ha fracasado y la gravedad no puede incorporarse al marco de la relatividad especial. En ese momento, sólo se descubrieron dos fuerzas en el mundo físico, la gravedad y el electromagnetismo. Si una de ellas causara problemas, la situación definitivamente no sería satisfactoria.
A Einstein sólo le llevó unas semanas establecer la teoría de la relatividad especial, pero le llevó diez años establecer la teoría de la relatividad general para resolver estas dos dificultades. Para resolver el primer problema, Einstein simplemente canceló el estatus especial de los sistemas inerciales en teoría y amplió el principio de la relatividad a los sistemas no inerciales. Por tanto, el primer problema se transforma en el problema de la estructura espacio-temporal de sistemas no inerciales.
El primer obstáculo que se encuentra en un sistema no inercial es la fuerza de inercia. Después de un estudio en profundidad de las fuerzas de inercia, se propuso el famoso principio de igualdad y se descubrió que el problema del sistema de referencia puede resolverse junto con el problema de la gravedad. Después de muchas idas y vueltas, Einstein finalmente estableció una teoría completa de la relatividad general. La relatividad general sorprendió a todos los físicos y reveló que la gravedad es mucho más compleja de lo que se imaginaba. Hasta ahora, las ecuaciones de campo de Einstein sólo tienen unas pocas soluciones definidas. Su hermosa forma matemática todavía sorprende a los físicos. Si bien la relatividad general ha logrado grandes logros, la mecánica cuántica, fundada y desarrollada por la Escuela de Copenhague, también ha logrado grandes avances. Sin embargo, los físicos pronto descubrieron que las dos teorías eran incompatibles y que al menos una de ellas necesitaba ser modificada. Esto llevó al famoso debate: Einstein versus la Escuela de Copenhague. El debate aún no ha cesado, pero cada vez más físicos se inclinan más por la teoría cuántica. Einstein pasó los últimos 30 años de su vida intentando resolver este problema, pero no encontró nada. Pero su trabajo señaló el camino a los físicos: construir una teoría superunificada de las cuatro fuerzas. Los candidatos más prometedores reconocidos actualmente por la comunidad académica son la teoría de supercuerdas y la teoría de supermembranas.
Teoría de la Relatividad
Tan pronto como apareció la teoría de la relatividad, la gente vio las siguientes conclusiones: espacio-tiempo curvo de cuatro dimensiones, universo finito e infinito, ondas gravitacionales, gravedad. lentes, cosmología del big bang, el tema principal del siglo XXI: agujeros negros y más. 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 lo tanto, 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. Debido a que hay una unidad imaginaria I delante de la coordenada de tiempo, se agrega una palabra ficticia. Cuando existe 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. Espero que las teorías futuras puedan encontrar un gran avance aquí.
Principios básicos de la relatividad general
Dado que los sistemas inerciales no pueden definirse, Einstein extendió los principios de la relatividad a los sistemas no inerciales y propuso el primer principio de la relatividad general: el principio de relatividad general. relatividad. Su contenido es que al describir las leyes de la naturaleza, todos los marcos de referencia son equivalentes. Esto es muy diferente del principio de relatividad en sentido estricto. En diferentes sistemas de referencia, todas las leyes físicas son completamente equivalentes y no hay diferencia en la descripción. Pero en todos los marcos de referencia esto es imposible. Sólo se puede decir que diferentes sistemas de referencia pueden describir las leyes de la naturaleza con la misma eficacia. Esto requiere que encontremos mejores métodos de descripción para cumplir con este requisito. Mediante la relatividad especial, es fácil demostrar que el pi de un disco giratorio es mayor que 3,14. Por tanto, el sistema de referencia general debe describirse mediante geometría de Riemann. El segundo principio es el principio de que la velocidad de la luz es constante: la velocidad de la luz es constante en cualquier sistema de referencia. El punto espacio-temporal equivalente a la luz está fijado en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. El espacio-tiempo es recto y la luz se mueve en línea recta a la velocidad de la luz en el espacio tridimensional. Cuando el espacio-tiempo es curvo, la luz se mueve a lo largo del espacio curvo en un espacio tridimensional. Se puede decir que la gravedad puede desviar la luz, pero no puede acelerar los fotones. El tercer principio es el principio de reciprocidad más famoso. Hay dos cualidades. La masa inercial es una medida de la inercia de un objeto y fue definida originalmente por la segunda ley de Newton. La masa gravitacional es una medida de la carga gravitacional de un objeto, definida originalmente por la ley de gravedad de Newton. Estas son dos leyes no relacionadas. La masa inercial no es igual a la carga y hasta ahora ni siquiera importa. Entonces la masa inercial y la masa gravitacional (carga gravitacional) no deberían tener relación en la mecánica newtoniana. Sin embargo, las diferencias entre ellos no pueden descubrirse mediante los experimentos más sofisticados. La masa inercial y la masa gravitacional son estrictamente proporcionales (la elección de los coeficientes apropiados puede hacerlas estrictamente iguales). La relatividad general toma la masa inercial y la masa gravitacional como contenidos del principio de equivalencia. La masa inercial está relacionada con la fuerza de inercia y la masa gravitacional está relacionada con la gravedad. De esta forma se establece la relación entre marcos no inerciales y la gravedad. Entonces se puede introducir un sistema de referencia de caída libre muy pequeño en cualquier punto del campo gravitacional. Dado que la masa inercial es igual a la masa gravitacional, no hay inercia ni gravedad en este marco de referencia, y se pueden utilizar todas las teorías de la relatividad especial. Cuando las condiciones iniciales son las mismas, las partículas con igual masa y diferentes cargas tienen diferentes órbitas en el mismo campo eléctrico, pero todas las partículas tienen una sola órbita en el mismo campo gravitacional. El principio de equivalencia hizo que Einstein se diera cuenta de que el campo gravitacional probablemente no sea un campo externo del espacio-tiempo, sino un campo geométrico, que es una propiedad del propio espacio-tiempo. Debido a la existencia de materia, el espacio-tiempo originalmente plano se ha convertido en un espacio-tiempo curvo de Riemann. Al inicio del establecimiento de la relatividad general, existía un cuarto principio, la ley de la inercia: los objetos sin fuerza (excepto la gravedad, porque la gravedad no es una fuerza verdadera) se mueven inercialmente. En el espacio-tiempo de Riemann se mueve a lo largo de geodésicas. Una geodésica es una generalización de una línea recta. Es la línea recta más corta (o más larga) entre dos puntos y es única. Por ejemplo, la geodésica de una esfera es el arco de un círculo máximo cortado por un plano que pasa por el centro de la esfera y la esfera. Pero una vez establecidas las ecuaciones de campo de la relatividad general, esta ley se puede deducir de las ecuaciones de campo, por lo que la ley de inercia se convierte en ley de inercia. Vale la pena mencionar que Galileo alguna vez creyó que el movimiento circular uniforme es un movimiento inercial y que el movimiento lineal uniforme siempre se cerrará en un círculo. Esto fue propuesto para explicar el movimiento planetario. Naturalmente, fue criticada por la mecánica newtoniana, pero fue resucitada por la teoría de la relatividad. El planeta está en movimiento inercial, pero no en un movimiento circular uniforme estándar.
(continuación)