En segundo lugar,
La teoría de la relatividad se divide en teoría de la relatividad general y teoría de la relatividad especial.
Explicación de los conceptos básicos de la relatividad general;
La relatividad general es la teoría de la relatividad del campo gravitacional de Einstein, que fue propuesta en 1913 después de su teoría de la relatividad especial. Esta teoría es completamente diferente de la teoría de la gravedad de Newton. Atribuye el campo gravitacional a la curvatura del espacio-tiempo alrededor del objeto y atribuye el movimiento del objeto bajo la influencia de la gravedad al movimiento libre del objeto a lo largo de la geodésica en el espacio-tiempo curvo. Por ello, la relatividad general también se denomina dinámica geométrica del espacio-tiempo, que atribuye la gravedad a las características geométricas del espacio-tiempo.
¿Cómo entender la curvatura espacio-temporal de la relatividad general? Aquí tomamos prestada una analogía del modelo para ilustrar. Si hay dos bolas de acero con masas muy grandes, según el punto de vista de Newton, estarán cerca una de otra debido a la atracción de la gravedad. La teoría general de la relatividad de Einstein no cree que exista una fuerza gravitacional entre las dos bolas de acero. Están cerca uno del otro porque cuando no hay una bola de acero, el espacio-tiempo circundante es como una red plana. Ahora las dos bolas de acero han doblado la red espacio-temporal, por lo que las dos bolas de acero ruedan a lo largo de la red curva. Esto equivale a un objeto que se mueve a lo largo de una línea corta debido a la curvatura del espacio-tiempo. Entonces, la teoría general de la relatividad de Einstein es una teoría de la gravedad sin "gravedad".
Además, la teoría se basa en dos supuestos básicos: el principio de equivalencia y el principio de covarianza generalizada. El principio de equivalencia se basa en el hecho básico de que la masa inercial y la masa gravitacional de un objeto son iguales. Sostiene que la fuerza gravitacional y la fuerza inercial en el sistema de aceleración son equivalentes y, en principio, las dos son indistinguibles. El principio de covarianza generalizada puede verse como una expresión matemática del principio de equivalencia, es decir, todas las ecuaciones diferenciales que reflejan leyes físicas deben mantener la misma forma en todos los sistemas de referencia. También se puede decir que todos los sistemas de referencia son iguales, por tanto. ruptura Se reconoció el estatus especial del sistema inercial en la teoría especial de la relatividad, y se nombró la teoría de la relatividad general debido a la arbitrariedad en la elección del sistema de referencia.
Sabemos que la ley de gravitación universal de Newton sostiene que todos los objetos con masa se atraen entre sí, lo cual es un efecto estático a distancia.
En la teoría general de la relatividad, la ley del campo gravitacional generado por la materia se expresa mediante la ecuación de campo de Einstein. El efecto gravitacional que refleja es dinámico y se propaga a la velocidad de la luz.
La relatividad general es una teoría más amplia que la teoría de la gravedad de Newton, que es sólo una aproximación de campo débil de la relatividad general. El llamado campo débil significa que la energía gravitacional de los objetos en el campo de fuerza guía es mucho menor que la energía intrínseca y la diferencia entre las dos se refleja en el campo de fuerza. En este momento se debe aplicar la relatividad general para manejar correctamente el problema de la gravedad.
Tras el establecimiento de la teoría general de la relatividad en 1915, Einstein propuso que su exactitud podía comprobarse desde tres aspectos, los llamados tres experimentos. Se trataba de la desviación de la luz cerca del Sol, la precesión del perihelio de Mercurio y el cambio de frecuencia de las líneas espectrales en el campo gravitacional, que fueron rápidamente confirmados por observaciones experimentales de la época. Más tarde, alguien diseñó un experimento de retardo del eco del radar, que pronto confirmó la teoría general de la relatividad con mayor precisión. Una serie de nuevos descubrimientos en astronomía en la década de 1960: nuevas observaciones astrofísicas como la radiación de fondo de microondas de 3K, púlsares, quásares y fuentes de rayos X apoyaron firmemente la teoría general de la relatividad, haciendo que el interés de la gente por la relatividad general pasara del frío. En particular, la aplicación de la relatividad general a la astrofísica y la cosmología se ha convertido en un punto de frontera en la física.
Einstein siempre consideró la relatividad general como el logro científico más importante de su vida. Dijo: "Si yo no hubiera descubierto la relatividad especial, alguien más la habría descubierto y el problema estaría maduro. Pero creo que la relatividad general es diferente. De hecho, la relatividad general contiene ideas más profundas que la relatividad especial, esta nueva teoría". de gravedad Sigue siendo el más hermoso. Sin un espíritu audaz de innovación y perseverancia, una aguda intuición teórica y una sólida base matemática, sería imposible establecer la teoría general de la relatividad. El gran científico Thomson llamó una vez a la teoría general de la relatividad uno de los mayores logros de la historia de la humanidad.
La teoría especial de la relatividad es
La teoría especial de la relatividad es una teoría basada en la visión cuatridimensional del espacio y el tiempo. Por tanto, es necesario comprender el contenido de la teoría de la relatividad especial. relatividad, primero debes tener una comprensión general de su visión del espacio y el tiempo. 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, que solo tiene un significado matemático y no se discutirá 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. 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 los 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.
Las cosas siempre están en movimiento durante la 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 experimento de Michelson-Morley negó por completo la teoría del éter de la luz 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 en la práctica se ha demostrado que es correcto. 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 (-65438)). En circunstancias normales, este efecto relativista puede ignorarse por completo, pero cuando está cerca de la velocidad de la luz, como cuando la velocidad de un tren es cero, este efecto aumenta significativamente. de una persona también es 99 veces la velocidad de la luz, por lo que la conclusión del observador terrestre no es 1.
98 veces la velocidad de la luz, pero 0,999949 veces la velocidad de la luz. La persona en el auto no disminuyó la velocidad cuando vio la luz que venía detrás, que también era la velocidad de la luz para él. 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. ¡La ciencia debe ser tratada con rigor! ! !