El supuesto básico de la teoría de la relatividad es el principio de relatividad, es decir, la elección de leyes físicas y sistemas de referencia. Los objetos sin masa distorsionan el espacio-tiempo, cambiando la dirección de los objetos.
Cerrar. 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, cualquier objeto será sometido a 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. Tradicionalmente, en los primeros días de la teoría de la relatividad de Einstein, la gente usaba si el problema en cuestión involucraba un sistema de referencia no inercial como marcador de clasificación entre la relatividad especial y la general. Con el desarrollo de la teoría de la relatividad, este método de clasificación ha mostrado cada vez más sus deficiencias: el sistema de referencia está relacionado con el observador y se cree que el uso de un objeto físico tan relativo para dividir teorías físicas no puede reflejar la esencia del problema. Actualmente se cree generalmente que la diferencia entre la relatividad especial y la relatividad general radica en si el problema discutido involucra gravedad (espacio-tiempo curvo), es decir, la relatividad especial solo involucra aquellos problemas donde no hay gravedad o la gravedad es insignificante, mientras que La relatividad general analiza la física con la gravedad. En el lenguaje de la relatividad, el espacio-tiempo de fondo de la relatividad especial es plano, es decir, el patrón de flujo ordinario de cuatro dimensiones coincide con la escala Min y su tensor de curvatura es cero, también llamado espacio-tiempo de fondo; El tiempo de la relatividad general es curvo y su curvatura El tensor no es cero.
El proceso de edición de este párrafo.
Relación de inferencia
Un corolario muy importante de la teoría de la relatividad es la relación entre masa y energía. La teoría de la velocidad de la luz de Einstein debería parecerse a la teoría de la relatividad de Einstein para cualquiera.
Lo mismo. Esto significa que nada puede moverse más rápido que la luz. Cuando se utiliza energía para acelerar cualquier objeto, ya sea una partícula o una nave espacial, lo que realmente sucede es que su masa aumenta, lo que dificulta una mayor aceleración. Acelerar una partícula a la velocidad de la luz es imposible porque consume energía infinita. Como resume la famosa fórmula de Einstein E = MC2, masa y energía son equivalentes. Además de la teoría cuántica, un artículo titulado "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" publicado por Einstein en 1905 desencadenó otra revolución en la física en el siglo XX. 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.
Teoría del campo electromagnético
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 hacia finales del siglo c. En el 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.
Diagrama esquemático del experimento de Michelson-Morley
En 1887, Michelson y Morley utilizaron el fenómeno de interferencia de la luz para realizar mediciones muy precisas, 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 abandone el concepto de tiempo absoluto de Newton, todas las dificultades podrán resolverse y no habrá necesidad alguna de éter. (Éter: propuesto por los eruditos griegos y considerado el medio de propagación de la luz)
Proponer los principios básicos de la óptica.
Poincaré 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 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. A primera vista, 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.
Dos supuestos
La ley de síntesis de velocidad en la mecánica clásica en realidad depende de los dos supuestos siguientes: 1. El intervalo de tiempo entre dos eventos no tiene nada que ver con el estado de 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 se deben abandonar ambos supuestos. 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 determinarse mediante 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', love 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 cuando esté en movimiento que cuando esté 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.
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 continuo de cuatro dimensiones, generalmente llamado espacio de cuatro dimensiones de Minkowski. En la teoría de la relatividad, es natural ver la realidad 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. 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 las relaciones de transformación relativistas, les resultó 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 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 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 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. "
Gravedad Universal
1915 165438 El 25 de octubre, Einstein presentó un artículo titulado "La ecuación de la gravedad universal" a la Academia de Ciencias de Prusia en Berlín. Este artículo llevó a cabo el estudio general. Teoría de la relatividad, discusión completa. En este artículo, no solo 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 pasar por el sol, y el ángulo de desviación era equivalente. al doble del valor predicho por la teoría de Newton La Primera Guerra Mundial retrasó la determinación de este valor. El eclipse solar total del 25 de mayo de 1919 brindó a la gente la primera oportunidad de observarlo después de la guerra. 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. "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 estudiante Halls del MIT descubrieron una estrella binaria púlsar utilizando un gran radiotelescopio con un diámetro de 305 metros. Se trata de una estrella de neutrones y su estrella compañera que orbitan 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. Este es un laboratorio imposible para probar la teoría 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 Halls ganaron el Premio Nobel de Física en 1993.
Editar esta teoría
El concepto de relatividad especial
Las filosofías de Mach y Hume tuvieron una gran influencia en Einstein. Mach creía que la medición del espacio y del tiempo está relacionada con el movimiento de la materia.
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, las transformaciones de velocidad contradicen las leyes tradicionales, pero se ha demostrado que son correctas en la práctica. Entonces, en este sentido, la velocidad de la luz es insuperable porque es constante sin importar en qué marco de referencia se encuentre. La transformación de la velocidad ha sido demostrada de manera impecable mediante innumerables experimentos en física de partículas. Precisamente por esta propiedad única de la luz, se la eligió como única escala del espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Transformación de Lorentz, inglés (transformación de Lorentz). Dado que la hipótesis de Einstein niega la transformación galileana, es necesario encontrar una transformación que satisfaga los principios básicos de la relatividad. Einstein derivó esta transformación, comúnmente conocida como transformación de Lorentz.
Efecto estrecho