Segunda teoría de la relatividad de Einstein (1916). Esta teoría sostiene que la gravedad es causada por distorsiones en la geometría del espacio-tiempo (es decir, una geometría que tiene en cuenta no sólo las distancias entre puntos en el espacio, sino también las distancias entre puntos en el espacio-tiempo), de modo que la gravedad El campo afecta el tiempo y la medición de la distancia.
Relatividad General: Teoría de Einstein de que todos los observadores (independientemente de cómo se muevan) deben pensar lo mismo basándose en leyes científicas. Explica la gravedad en términos de la curvatura del espacio-tiempo de cuatro dimensiones
¿Relatividad general? ) es una teoría de la gravedad establecida por Einstein en 1915 utilizando lenguaje geométrico. Combina la teoría especial de la relatividad y la ley de gravitación universal de Newton, cambiando la gravedad para describir el espacio-tiempo curvado por materia y energía, reemplazando la tradición de que la gravedad es una fuerza. . Punto de vista. Por tanto, la relatividad especial y la ley de la gravitación universal son sólo casos especiales de la relatividad general en circunstancias especiales. La teoría especial de la relatividad trata de la situación en la que no hay gravedad; la ley de la gravitación universal trata de la situación en la que la distancia es cercana, la gravedad es pequeña y la velocidad es lenta.
Antecedentes
En 1907, Einstein publicó un artículo sobre los efectos de la gravedad y la aceleración sobre la luz en su teoría especial de la relatividad, y el prototipo de la teoría general de la relatividad comenzó a tomar forma. En 1912, Einstein publicó otro artículo en el que analizaba cómo describir el campo gravitacional utilizando un lenguaje geométrico. En este punto apareció la cinemática de la relatividad general. En 1915 se publicaron las ecuaciones de campo de Einstein y finalmente se completó la dinámica de toda la teoría general de la relatividad.
A partir de 1915, el desarrollo de la relatividad general se centró mayoritariamente en la resolución de ecuaciones de campo, y la explicación física de la solución y la búsqueda de posibles experimentos y observaciones también supusieron una gran parte. Sin embargo, debido a que la ecuación de campo es una ecuación diferencial parcial no lineal, es difícil de resolver, por lo que antes de que se usaran las computadoras en la ciencia, solo se resolvían unas pocas soluciones. Hay tres soluciones más famosas: la solución de Schwarzschild (1916), la de Reissner-Nordstr? solución m y solución de Kerr.
También ha habido muchos avances en las observaciones de la relatividad general. La precesión de Mercurio fue la primera evidencia de que la relatividad general era correcta. Se midió antes de la teoría de la relatividad y no se explicó teóricamente hasta el descubrimiento de Einstein. El segundo experimento fue la medición de Eddington de la desviación de la luz de las estrellas causada por el campo gravitacional del sol durante el eclipse solar africano en 1919, que era completamente consistente con las predicciones de la relatividad general. En ese momento, la relatividad general era ampliamente aceptada por el público y por la mayoría de los físicos. Posteriormente, se realizaron muchos experimentos para probar la teoría de la relatividad general y confirmar su exactitud.
Además, la expansión del universo también ha creado otro clímax de la teoría general de la relatividad. A partir de 1922, los investigadores descubrieron que la solución a las ecuaciones de campo sería un universo en expansión. Einstein, naturalmente, no creía que el universo subiría o bajaría en ese momento, por lo que añadió una constante cosmológica a las ecuaciones de campo, creando la solución. se hace posible una solución universal implícitamente definida. Pero hay dos problemas con esta solución. En teoría, la solución a un universo oculto es inestable en los litigios. Además, en 1929, Hubble descubrió que el universo en realidad se estaba expandiendo. Este resultado experimental llevó a Einstein a abandonar la constante cosmológica y la declaró el mayor error de su vida.
Pero según recientes observaciones de una supernova, la expansión del universo se está acelerando. Por tanto, parece que la constante cosmológica puede resucitar y la energía oscura del universo puede explicarse por la constante cosmológica.
Supuesto básico
Principio de equivalencia: Las fuerzas de gravedad e inercia son completamente equivalentes.
Principio de la relatividad general: La forma de las leyes físicas no cambia en todos los sistemas de referencia.
Contenido principal
Einstein propuso el "principio de equivalencia", es decir, las fuerzas de gravedad e inercia son equivalentes. Este principio se basa en la equivalencia de masa gravitacional y masa inercial. Según el principio de equivalencia, Einstein amplió el principio de la relatividad en sentido estricto al principio de la relatividad general, es decir, la forma de las leyes físicas no cambia en todos los sistemas de referencia. La ecuación de movimiento de un objeto es la ecuación geodésica en el sistema de referencia. La ecuación geodésica no tiene nada que ver con las propiedades inherentes del objeto en sí, sino que solo depende de las propiedades geométricas locales del tiempo y el espacio. La gravedad es una manifestación de las propiedades geométricas locales del espacio-tiempo. La presencia de masa material hace que el espacio-tiempo se curve. En el espacio-tiempo curvo, los objetos todavía se mueven a lo largo de la distancia más corta (es decir, a lo largo de las geodésicas, en el espacio euclidiano). Por ejemplo, el movimiento geodésico de la Tierra en el espacio-tiempo curvo causado por el sol en realidad gira alrededor del sol, produciendo un efecto gravitacional. Al igual que en la superficie curva de la Tierra, si te mueves en línea recta, en realidad estás caminando alrededor de un gran círculo en la superficie de la Tierra.
La gravedad es una expresión de las propiedades geométricas locales del tiempo y el espacio. Aunque la Relatividad General fue creada por Einstein, sus fundamentos matemáticos se remontan a los axiomas de la geometría euclidiana y a siglos de esfuerzos para demostrar el quinto postulado de Euclides, de que las líneas paralelas son siempre equidistantes. Este esfuerzo culminó en el trabajo de Lobachevsky, Bolyo y Gauss: demostraron que el quinto postulado de Euclides no podía ser probado por los primeros cuatro postulados. Riemann, alumno de Gauss, desarrolló la teoría matemática general de la geometría no euclidiana. Por eso también se le llama geometría de Riemann o geometría de superficies. Antes de que Einstein desarrollara la relatividad general, se pensaba que la geometría no euclidiana no podía aplicarse al mundo real.
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 y fue 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 considera 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.