La relatividad especial es una teoría basada en la visión del espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Por lo tanto, para comprender el contenido de la teoría de la relatividad, primero debemos tener una comprensión general de la visión del espacio-tiempo. de la teoría de la relatividad. Hay varios espacios multidimensionales en matemáticas, pero hasta ahora, el mundo físico que conocemos es sólo de cuatro dimensiones, es decir, un espacio tridimensional 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. Nuestro mundo resulta ser de cuatro dimensiones. En cuanto al espacio real de alta dimensión, al menos no podemos percibirlo todavía. Mencioné un ejemplo en una publicación. Cuando se gira una regla en un espacio tridimensional (excluyendo el tiempo), su longitud permanece sin cambios. Sin embargo, cuando se gira, sus valores de coordenadas cambian y hay diferencias entre las coordenadas. . contacto. El significado del espacio-tiempo de cuatro dimensiones es que el tiempo es la coordenada de la cuarta dimensión, que está relacionada con las coordenadas del espacio, es decir, el espacio-tiempo es un todo unificado e indivisible. Están en una relación de "uno". crece y mengua y el otro crece."
El espacio-tiempo de cuatro dimensiones no se limita a esto. Desde la relación masa-energía, la masa y la energía son en realidad la misma cosa. La masa (o la energía) no es independiente, sino que está relacionada con el estado de. movimiento. Por ejemplo, cuanto mayor es la velocidad, mayor es la velocidad, mayor es la masa. En el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, la masa (o energía) es en realidad el componente de cuatro dimensiones del impulso de cuatro dimensiones. El momento es una 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, la velocidad cuatridimensional, la aceleración cuatridimensional, la fuerza cuatridimensional, la forma cuatridimensional de las ecuaciones del campo electromagnético, etc., también se definen en el espacio-tiempo cuatridimensional. Vale la pena mencionar que la forma tetradimensional de las ecuaciones del campo electromagnético es más perfecta y unifica completamente la electricidad y el magnetismo. El campo eléctrico y el campo magnético se describen mediante 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 al menos es 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 analicemos la relatividad general en el futuro, también veremos que existe una conexión profunda entre el espacio y el tiempo y los cuatro vectores de energía y momento.
3 Principios Básicos de la Relatividad Especial
Las materias están en eterno movimiento en la interacción. No hay materia que no se mueva, y no hay movimiento sin materia ya que la materia está interconectada. Por lo tanto, lo que se mueve en acción debe describir el movimiento en la interrelación de la materia y no puede describir el movimiento de forma aislada. En otras palabras, el movimiento debe tener un objeto de referencia, y este objeto de referencia es el sistema de referencia.
Galileo señaló una vez que el movimiento de un barco en movimiento es indistinguible del de un barco estacionario, es decir, cuando estás en una cabina cerrada y completamente aislado del mundo exterior, incluso si estás. tiene la mente más desarrollada, la más Incluso los instrumentos más avanzados no pueden detectar si su nave se mueve a una velocidad constante o está estacionaria. Es aún más difícil percibir la magnitud de la velocidad porque no hay ninguna referencia. Por ejemplo, no conocemos el estado de movimiento general de todo nuestro universo porque el universo está cerrado. Einstein lo citó como el primer principio básico de la relatividad especial: el principio especial de la relatividad. 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, ya sea que estés parado en el suelo o en un tren a toda velocidad, la velocidad medida de la luz es la misma. 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 la fórmula de transformación de coordenadas, la fórmula de transformación de velocidad y otros contenidos de la teoría especial de la relatividad.
Por ejemplo, los cambios de velocidad contradicen las leyes tradicionales, pero la práctica ha demostrado ser correcta. Por ejemplo, la velocidad de un tren es de 10 m/s y la velocidad de una persona en el tren en relación con el tren también es de 10 m/s. en el suelo vea que la velocidad del tren es de 10 m/s. La velocidad de la persona no es de 20 m/s, sino de aproximadamente (20-10^(-15))m/s. En circunstancias normales, este efecto relativista puede ignorarse 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 y la velocidad de una persona también es 0,99. veces la velocidad de la luz. Luego observación terrestre La conclusión del autor no es 1,98 veces la velocidad de la luz, sino 0,999949 veces la velocidad de la luz. La persona en el auto vio que la luz que venía desde atrás no disminuía, y para él también era la velocidad de la luz. Por tanto, en este sentido, la velocidad de la luz es insuperable porque es constante sin importar en qué sistema de referencia. La transformación de velocidad ha sido probada mediante innumerables experimentos en física de partículas y es impecable. Debido a esta propiedad única de la luz, fue elegida como el único regente del espacio-tiempo de cuatro dimensiones.
4 Efecto de la Relatividad Especial
Según el principio de la relatividad especial, los sistemas inerciales son completamente equivalentes, por lo tanto, en un mismo sistema inercial existe un tiempo unificado, lo que se llama simultaneidad. , y la teoría de la relatividad demuestra que en diferentes sistemas inerciales no existe una simultaneidad unificada, es decir, dos eventos (puntos espacio-temporales) que son sincrónicos en un sistema relacional pueden no serlo en otro sistema inercial. Relatividad, en el sistema inercial, el curso temporal del mismo proceso físico es exactamente el mismo. Si se utiliza el mismo proceso físico para medir el tiempo, se puede obtener un tiempo unificado en todo el sistema inercial. En la futura teoría general de la relatividad podremos saber que en los sistemas no inerciales el espacio-tiempo no es uniforme, es decir, en un mismo sistema no inercial no existe un tiempo unificado, por lo que la simultaneidad unificada no puede ser establecido.
La teoría de la relatividad deriva la relación entre el progreso del tiempo entre diferentes sistemas inerciales y encuentra que el progreso del tiempo de los sistemas inerciales en movimiento es lento. Este es el llamado efecto de lentitud del reloj. En general, se puede entender que un reloj en movimiento funciona más lento que un reloj estacionario. Además, cuanto más rápida es la velocidad del movimiento, más lento es el reloj. Cuando se acerca a la velocidad de la luz, el reloj casi se detiene.
La longitud de la regla es la diferencia entre los valores de coordenadas de los dos puntos finales obtenidos "simultáneamente" en un sistema 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 telescopio. Cuando la velocidad se acerca a la velocidad de la luz, la regla se reduce a un punto.
5 Efecto de la Relatividad Especial 2
De la afirmación anterior, podemos ver que el principio de lentitud del reloj y contracción de la regla es que el progreso del tiempo es relativista. Es decir, el avance del tiempo está relacionado con el marco de referencia. Esto niega fundamentalmente la visión de Newton sobre el espacio y el tiempo absolutos. La teoría de la relatividad sostiene que el tiempo absoluto no existe, pero el tiempo sigue siendo una cantidad objetiva. Por ejemplo, en el experimento del gemelo ideal que se analizará en el próximo número, el hermano mayor tenía 15 años cuando regresó de la nave espacial, y el hermano menor puede tener 45 años. Esto demuestra que el tiempo es relativo, pero. el hermano mayor sí vivió 15 años, y el hermano menor sí pensó que vivió 45 años, lo que no tiene nada que ver con el sistema de referencia, y el tiempo es "absoluto". Esto muestra que no importa cuál sea el estado de movimiento de un objeto, el tiempo que experimenta es una cantidad objetiva y absoluta. Esto se llama tiempo propio. En otras palabras, no importa qué forma de ejercicio hagas, crees que la velocidad a la que tomas café es normal y tu rutina de vida no se ve alterada. Sin embargo, otros pueden ver que te lleva 100 años tomar café, y desde entonces. el momento en que dejaste la taza Solo tomó un segundo para morir.
Paradoja de los 6 Relojes 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 viajar entre las estrellas, y regresa a la tierra después de mucho tiempo. 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 preguntas, pensando que A ve a B en movimiento y B ve a A en movimiento. ¿Por qué A no puede ser más joven que B? Dado que la Tierra puede aproximarse como un sistema inercial, B tiene que experimentar procesos de aceleración y desaceleración. es un sistema de referencia de aceleración variable, la verdadera discusión es muy complicada, por lo que esta cuestión que Einstein ha discutido claramente ha sido confundida por muchas personas como una teoría de la relatividad autocontradictoria.
Sería mucho más fácil discutir este tema utilizando los conceptos de diagramas espacio-temporales y líneas mundiales, pero se necesitarían muchos conocimientos y fórmulas matemáticas. Aquí sólo utilizamos el lenguaje para describir la situación más simple. Sin embargo, las palabras por sí solas no pueden explicar los detalles con más detalle. Si está interesado, consulte algunos libros sobre relatividad. Nuestra conclusión es que B es más joven que A en cualquier marco de referencia.
Para simplificar el problema, solo discutiremos esta situación. El cohete acelera a una velocidad subluz en un tiempo muy corto, vuela durante un período de tiempo, gira en un tiempo muy corto, vuela durante un tiempo. otro período de tiempo, y desacelera en un tiempo muy corto con la Tierra. El propósito de este procesamiento es ignorar los efectos de la aceleración y desaceleración. Es fácil discutir que en el sistema de referencia de la Tierra, el cohete siempre está en movimiento y B es más joven que A en la reunión. En el marco de referencia del cohete, la Tierra se mueve a una velocidad constante y el proceso de tiempo es más lento que en el cohete, pero el punto más crítico es el proceso de giro del cohete. Durante el cambio de sentido, la Tierra recorre medio círculo desde muy por detrás del cohete hasta muy por delante del mismo en muy poco tiempo. 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 de la superluz" no puede transmitir ninguna información y no es la velocidad de la superluz en el verdadero sentido. Sin este proceso de cambio de sentido, el cohete y la Tierra no pueden encontrarse. Dado que no existe un tiempo unificado en 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 la información de A porque la transmisión de información lleva tiempo. El proceso real que B vio fue que durante el cambio de sentido, el progreso del tiempo de la Tierra se aceleró repentinamente. Desde la perspectiva de B, A es en realidad más joven que B, y luego envejece rápidamente cuando se da la vuelta. Al regresar, A envejece más lentamente que él. Cuando nos volvimos a encontrar, yo todavía era más joven que A. En otras palabras, no existen contradicciones lógicas en la teoría de la relatividad.
7 Resumen de la Teoría Especial de la Relatividad
La teoría de la relatividad requiere que las leyes físicas 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 durante la transformación de Galileo, y la forma originalmente simple se vuelve extremadamente complicada con la transformación de Lorentz. Por lo tanto, es necesario modificar la mecánica clásica. El sistema mecánico modificado permanece sin cambios bajo la transformación de Lorentz, lo que se denomina 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, convirtiéndose en una teoría indispensable para el estudio de partículas de alta velocidad, y ha logrado resultados fructíferos. Sin embargo, detrás del éxito quedan dos cuestiones fundamentales que siguen sin resolverse. 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 indefinible. Podemos decir que un sistema inercial es un sistema de referencia en el que se cumplen las leyes de la inercia. La ley de la inercia establece que un objeto sin fuerza externa permanece en reposo o moviéndose en línea recta con velocidad uniforme. Pero, ¿qué significa "libre de fuerzas externas"? Sólo se puede decir que "libre de fuerzas externas" 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 aproximados, pero no existe ningún sistema inercial real en el universo. Toda la teoría es como estar construida en la playa. 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 modificarse, pero cualquier intento de modificarla a una situación invariante bajo la transformación de Lorentz ha fracasado, y la gravitación universal no puede incluirse en el marco de la relatividad especial. En aquella época, el mundo de la física sólo había descubierto dos fuerzas: la gravitación y el electromagnetismo. Si alguna de ellas pareciera causar problemas, la situación seguramente no sería satisfactoria.
A Einstein solo le llevó unas semanas establecer la teoría especial de la relatividad. Sin embargo, para resolver estas dos dificultades, hizo falta una década completa para establecer la teoría general de la relatividad. Para resolver el primer problema, Einstein simplemente canceló el estatus especial de los marcos inerciales en la teoría y amplió el principio de la relatividad a los marcos 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 podía resolverse junto con el problema de la gravedad. Después de muchas idas y vueltas, Einstein finalmente estableció una teoría completa de la relatividad general.
Aunque los agujeros negros y el Big Bang son predicciones de la teoría de la relatividad, sus contenidos han superado las limitaciones de la teoría de la relatividad y están bastante estrechamente integrados con la mecánica cuántica y la termodinámica. Se espera que las teorías futuras encuentren aquí un gran avance.
9 Principios Básicos de la Relatividad General
Dado que el sistema inercial no se puede definir, Einstein extendió el principio de la relatividad a sistemas no inerciales y propuso el primer principio de la relatividad general: la Relatividad General. principio del sexo. El contenido es que todos los marcos de referencia son equivalentes al describir las leyes de la naturaleza. Esto es muy diferente del principio de relatividad especial. En diferentes sistemas de referencia, todas las leyes físicas son completamente equivalentes, sin diferencias descriptivas. Pero en todos los sistemas 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 un mejor método de descripción para adaptarnos a este requisito. Mediante la relatividad especial, es fácil demostrar que el pi de un disco giratorio es mayor que 3,14. Por lo tanto, los sistemas de referencia ordinarios deben describirse mediante geometría de Riemann. El segundo principio es el principio de la velocidad constante de la luz: la velocidad de la luz es constante en cualquier sistema de referencia. Es equivalente al hecho de que el punto de luz espacio-temporal es estacionario en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Cuando el espacio y el tiempo son planos, la luz se mueve en línea recta a la velocidad de la luz en el espacio tridimensional; cuando el espacio y el tiempo son curvos, la luz se mueve a lo largo del espacio curvo en el espacio tridimensional. Se puede decir que la gravedad puede desviar la luz, pero no puede acelerar los fotones. El tercer principio es el más famoso de los principios de equivalencia. Hay dos tipos de masa. La masa inercial se utiliza para medir la inercia de un objeto. Fue definida originalmente por la segunda ley de Newton. La masa gravitacional mide el tamaño de la carga gravitacional de un objeto y fue definida originalmente por la ley de gravitación universal de Newton. Son dos leyes independientes. 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 ninguna relación en la mecánica newtoniana. Sin embargo, la diferencia entre ellas no se puede encontrar mediante los experimentos contemporáneos más sofisticados. La masa inercial y la masa gravitacional son estrictamente proporcionales (la elección de los coeficientes apropiados puede hacerlas estrictamente iguales). La teoría general de la relatividad toma como contenido del principio de equivalencia la completa igualdad de la masa inercial y la masa gravitacional. La masa inercial está relacionada con la fuerza de inercia y la masa gravitacional está relacionada con la gravedad. De esta manera se establece también una conexión entre el marco no inercial y la gravedad. Entonces se puede introducir un pequeño marco de referencia de caída libre en cualquier punto del campo gravitacional. Dado que la masa inercial y la masa gravitacional son iguales, no hay fuerza de inercia ni fuerza gravitacional en este sistema de referencia, y se pueden utilizar todas las teorías de la relatividad especial. Cuando las condiciones iniciales son las mismas, las partículas de igual masa y carga desigual tienen órbitas diferentes 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 en el espacio-tiempo, sino un campo geométrico y una propiedad del propio espacio-tiempo. Debido a la existencia de materia, el espacio-tiempo originalmente recto 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 real) se mueven inercialmente. En el espacio-tiempo de Riemann se mueve a lo largo de la geodésica. Una geodésica es una generalización de una línea recta. Es la línea 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 interceptado por un plano que pasa por el centro de la esfera y la esfera. Sin embargo, una vez establecidas las ecuaciones de campo de la relatividad general, esta ley se puede derivar de las ecuaciones de campo, por lo que la ley de inercia se convierte en el teorema 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 completamente criticado por la mecánica newtoniana, pero la teoría de la relatividad lo resucitó. El planeta es de hecho un movimiento inercial, pero no es un círculo uniforme estándar.
10 Geometría de hormigas y abejas
Imagínese una hormiga plana viviendo en una superficie bidimensional. Debido a que es una criatura bidimensional, no tiene sensación de tercera dimensión. Si las hormigas viven en un plano grande, cree geometría euclidiana a partir de la práctica. Si viviera en una esfera, crearía una geometría esférica en la que la suma trigonométrica es mayor que 180 grados y el pi es menor que 3,14.
Sin embargo, si una hormiga vive en una esfera grande, su "ciencia" no está lo suficientemente desarrollada y su rango de actividades no es lo suficientemente grande como para descubrir la curvatura de la esfera. La pequeña esfera en la que vive es aproximadamente un plano, por lo que lo hará. Primero fundó la geometría euclidiana. Cuando su "ciencia y tecnología" se desarrolle, descubrirá "hechos experimentales" como que la suma de los triángulos es mayor que 180 grados y la proporción pi es menor que 3,14. Si la hormiga es lo suficientemente inteligente, llegará a la conclusión de que su universo es un espacio bidimensional curvo. Cuando mida su "universo" por todas partes, concluirá que su universo es cerrado (todavía se necesita un círculo completo). , volverá al lugar original), finito, y debido a que el grado de curvatura (curvatura) del "espacio" (superficie) es el mismo en todas partes, compararán el universo con el círculo en su propio universo y pensarán que el universo es. "circular". Como no tiene sentido tridimensional, no puede imaginar cómo su universo está curvado en una bola, ni puede imaginar que su universo "ilimitado" sea una esfera con un área limitada que existe en un espacio plano tridimensional. Les resulta difícil responder preguntas como "¿Qué hay en el universo?" Debido a que su universo es un espacio bidimensional cerrado, finito e ilimitado, es difícil formar el concepto de "afuera".
En cuanto a los hechos abstractos que las hormigas deben utilizar "tecnología desarrollada" para descubrir, una abeja puede describirlos fácilmente de forma intuitiva. Debido a que las abejas son criaturas en el espacio tridimensional, pueden "comprender claramente" la superficie curva bidimensional incrustada en el espacio tridimensional, y es fácil formar el concepto de esfera. Las hormigas confiaron en su propia "ciencia y tecnología" para llegar a la misma conclusión, pero era muy inimaginable y estrictamente matemática.
Se puede ver que no solo las criaturas en el espacio de alta dimensión pueden descubrir la situación en el espacio de baja dimensión, también las hormigas inteligentes pueden descubrir la curvatura de la superficie esférica y finalmente establecer una perfecta. geometría esférica. La profundidad de su comprensión No es mucho peor que las abejas.
La geometría de Riemann es un enorme sistema de axiomas geométricos especialmente utilizado para estudiar diversas propiedades de espacios curvos. La geometría esférica es sólo una rama muy pequeña de ella. Puede utilizarse no sólo para estudiar superficies bidimensionales como esferas, elipses e hiperboloides, sino también para estudiar espacios curvos de alta dimensión. Es la herramienta matemática más importante de la relatividad general. Cuando Riemann estableció la geometría riemanniana, predijo que el universo real puede ser curvo y que la existencia de materia es la causa de la curvatura del espacio. Este es en realidad el contenido central de la relatividad general. Es solo que Riemann no tenía un conocimiento tan rico de física como Einstein en ese momento, por lo que no pudo establecer la teoría general de la relatividad.
11 Verificación experimental de la relatividad general
Cuando Einstein estableció la teoría general de la relatividad, propuso tres experimentos, que fueron rápidamente verificados: (1) Desplazamiento gravitacional al rojo (2) Deflexión de la luz (3) Precesión del perihelio de Mercurio. Sólo recientemente se ha añadido una cuarta verificación: (4) retardo de tiempo de los ecos del radar.
(1) Desplazamiento gravitacional al rojo: La relatividad general demuestra que el tiempo intrínseco transcurre lentamente donde el potencial gravitacional es bajo. En otras palabras, cuanto más cerca estás de un cuerpo celeste, más lento es el tiempo. De esta manera, el período de luz emitido por los átomos en la superficie del cuerpo celeste se vuelve más largo. Dado que la velocidad de la luz permanece sin cambios, la frecuencia correspondiente se vuelve más pequeña y se mueve hacia la luz roja en el espectro, lo que se llama corrimiento al rojo gravitacional. . Hay muchos cuerpos celestes densos en el universo. La frecuencia de la luz emitida por ellos se puede medir y comparar con la luz emitida por los átomos correspondientes de la Tierra. Se descubre que el corrimiento al rojo es consistente con el lenguaje de la relatividad. A principios de la década de 1960, la gente utilizó el efecto de absorción vibratoria sin retroceso (efecto Mössbauer) de los rayos gamma en el campo gravitacional de la Tierra para medir el desplazamiento hacia el rojo producido por la propagación vertical de la luz a 22,5 M. Los resultados fueron consistentes con las predicciones de la teoría. de la relatividad.
(2) Deflexión de la luz: Según la teoría ondulatoria de la luz, la luz no debería tener ninguna desviación en el campo gravitacional. Según el producto mixto de la "teoría cuántica más la teoría de la gravedad newtoniana" semiclásica. Use la fórmula de Planck E = hr y la fórmula masa-energía E = MC ^ 2 para encontrar la masa del fotón. Luego use la ley de gravitación universal de Newton para obtener el ángulo de desviación de la luz cerca del sol, que es de 0,87 segundos. calculado según la teoría general de la relatividad es de 1,75 segundos, el doble del ángulo anterior. En 1919, justo después de la Primera Guerra Mundial, el científico británico Eddington envió dos equipos de expedición para aprovechar la oportunidad de un eclipse solar para observar. Los resultados de la observación fueron de aproximadamente 1,7 segundos, lo que estaba justo dentro del rango de error experimental de la teoría. de la relatividad.
La principal causa del error es la desviación de la luz por la atmósfera solar. Recientemente, se pueden utilizar radiotelescopios para observar la desviación de las ondas de radio del quásar en el campo gravitacional del sol, sin tener que esperar una oportunidad única como un eclipse solar. Las mediciones de precisión confirmaron aún más las conclusiones de la teoría de la relatividad.
(3) Precesión del perihelio de Mercurio: Las observaciones astronómicas han registrado que el perihelio de Mercurio se mueve 5.600 segundos cada cien años. Según la teoría de Newton, solo se pueden explicar 5.557 segundos, quedando solo 43. segundos. Los resultados de los cálculos de la relatividad general se desvían de la ley de la gravitación universal (ley del cuadrado inverso). Esta desviación hace que el perihelio de Mercurio se mueva 43 segundos cada cien años.
(4) Experimento de eco de radar: transmite señales de radar desde la Tierra a los planetas, recibe las señales reflejadas por los planetas y mide el tiempo de ida y vuelta de las señales para probar si el espacio es curvo ( probar la suma de los ángulos interiores de un triángulo) en la década de 1960, los físicos estadounidenses superaron muchas dificultades para realizar este experimento, y los resultados son consistentes con las predicciones de la teoría de la relatividad.
Basarse únicamente en estos experimentos no es suficiente para demostrar la exactitud de la teoría de la relatividad. Sólo puede demostrar que es una teoría más precisa que la teoría de la gravedad de Newton, porque no solo contiene la teoría de la gravedad de Newton. gravedad, pero también puede explicar fenómenos que no pueden ser explicados por la teoría de Newton. Pero no hay garantía de que ésta sea la mejor teoría, ni tampoco de que la teoría de la relatividad sea cierta en regiones donde el espacio y el tiempo son extremadamente curvados (como los agujeros negros). Por lo tanto, la relatividad general aún enfrenta pruebas.
12 Charla sobre agujeros negros: Introducción a los agujeros negros convencionales
Con agujeros negros en ebullición, ¿hacia dónde conducirá la física? A través de la extraña oscuridad que irradia el amanecer del nuevo siglo.
A finales del siglo XIX y principios del XX, dos nubes oscuras aparecieron en el mundo de la física: la radiación del cuerpo negro y el experimento de Michelson. Un año después, la primera nube oscura dio origen a la teoría cuántica, y cinco años después, la segunda nube oscura dio origen a la teoría de la relatividad. Después de un siglo de desarrollo, a principios de este siglo, dos nubes oscuras emergieron en el mundo de la física: la dificultad de los puntos singulares y la dificultad de cuantificar el campo gravitacional. Estas dos dificultades pueden resolverse mediante el estudio de los agujeros negros y el big bang.
Las partículas elementales, la evolución de los cuerpos celestes y el origen de la vida son los tres grandes temas de las ciencias naturales contemporáneas. El estudio de los agujeros negros y la cosmología está estrechamente relacionado con las partículas elementales y la evolución de los cuerpos celestes. En particular, el estudio de los agujeros negros implica algunas cuestiones fundamentales que nos ayudan a obtener una comprensión más profunda de la naturaleza. Por tanto, los agujeros negros son la máxima prioridad de esta serie.
La teoría de Newton también predijo los agujeros negros, que tratan la luz como una partícula. Cuando la luz es arrastrada hacia atrás por la gravedad, se convierte en un agujero negro. A diferencia del agujero negro predicho por la teoría moderna, el agujero negro de Newton es una estrella muerta y el destino final de la evolución de los cuerpos celestes. Pero los agujeros negros modernos son sólo una etapa intermedia en la evolución de los cuerpos celestes. Los agujeros negros también están cambiando, y algunos cambios son incluso extremadamente drásticos. Los agujeros negros pueden emitir luz, emitir calor e incluso explotar. Los agujeros negros no son estrellas de la muerte, incluso están llenos de vida. Los agujeros negros son producto de la teoría de la relatividad, pero están más allá del alcance de la teoría de la relatividad y tienen profundas conexiones con la teoría cuántica y la termodinámica. Los agujeros negros formados por la evolución de los cuerpos celestes se denominan agujeros negros convencionales.
En 1972, Bekenstein, un joven estudiante de posgrado de la Universidad de Princeton en Estados Unidos, propuso el "teorema sin pelo" de los agujeros negros: después de que la estrella colapsa en un agujero negro, sólo se conservan las tres cantidades básicas de la masa, el momento angular y la carga siguen desempeñando un papel. Todos los demás elementos ("pelo") desaparecen al entrar en el agujero negro. Este teorema fue posteriormente demostrado rigurosamente por Hawking y otros cuatro.
Según este teorema, los agujeros negros se pueden dividir en cuatro categorías. (1) Un agujero negro no giratorio y sin carga. Su estructura espacio-temporal fue calculada por Schwarzschild en 1916 y fue denominada agujero negro de Schwarzschild. (2) Un agujero negro cargado que no gira se llama agujero negro R-N. La estructura del espacio-tiempo fue resuelta por Reissner y Nordstrom en 1916-1918. (3) Un agujero negro sin carga en rotación se llama agujero negro de Kerr. Kerr descubrió la estructura del espacio-tiempo en 1963. (4) Los agujeros negros generales se denominan agujeros negros de Kerr-Newman. La estructura del espacio-tiempo fue resuelta por Newman en 1965.
Los más importantes son los agujeros negros de Schwarzschild y los agujeros negros de Kerr. Debido a que los agujeros negros generalmente no tienen carga eléctrica, en su mayoría giran a alta velocidad y solo necesitan unas milésimas de segundo o menos para girar una vez. En términos generales, la densidad media de los agujeros negros es muy grande, pero cuanto mayor es la masa del agujero negro, menor es la densidad.
La densidad de un agujero negro con la masa del Sol es de 10 mil millones de toneladas/centímetro cúbico, pero la densidad de un agujero negro con la masa del universo es sólo de 10^(-23) gramos/metro cúbico, lo cual no es mucho. diferente de la densidad del universo actual. Por lo tanto, algunas personas especulan que el universo puede ser un agujero negro.
Los agujeros negros provocan dificultades de singularidad. La singularidad matemática con volumen cero y densidad infinita no debería aparecer en el mundo físico. Sin embargo, realmente no existe otra fuerza en la naturaleza que pueda resistir la fuerte gravedad. Puede haber interacciones o leyes físicas que aún no se han descubierto cerca de la singularidad que impidan la formación de la singularidad. Ésta es también una de las ventajas del estudio de los agujeros negros.
13 Charla sobre agujeros negros: Agujeros negros neutros estáticos
Utilizando la teoría de Newton, se puede observar que cuando la velocidad de escape alcanza la velocidad de la luz, la luz no puede emitirse desde la superficie de el planeta Este es un agujero negro newtoniano. Después de que la teoría ondulatoria de la luz venciera a la teoría de las partículas, la gente olvidó los agujeros negros newtonianos porque las ondas no se ven afectadas por la gravedad. Curiosamente, las condiciones del agujero negro calculadas a partir de la relatividad general son exactamente las mismas que las calculadas por la teoría de Newton. Desde una perspectiva moderna, la derivación de la teoría de Newton cometió dos errores: (1) La energía cinética del fotón MC^2 se escribe como (1). / 2) MC^2, (2) Trate la curvatura del espacio y el tiempo como gravedad universal. Los dos errores se anulan mutuamente y conducen a la conclusión correcta. Por lo tanto, el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro neutro estático es exactamente el mismo que el radio de un agujero negro newtoniano. El horizonte es la frontera (en el contexto clásico, la relatividad pertenece a la física clásica) de la que ninguna materia puede escapar.
El tamaño del agujero negro del que hablamos se refiere al tamaño de su horizonte de sucesos. Básicamente no hay nada dentro del agujero negro, excepto una singularidad. El volumen de este punto es infinitesimal y la densidad es infinita, y toda la materia está comprimida en este punto. Dijimos antes que la singularidad puede no existir, podemos tratarla simplemente como un punto muy pequeño. Veamos la escena de un agujero negro que traga materia: supongamos que hay dos personas A y B en dos naves espaciales. A está lejos del agujero negro y B es atraído por el agujero negro. Desde la perspectiva de B, sigue acercándose al agujero negro, sigue acelerando, atraviesa el horizonte de sucesos a una velocidad cercana a la velocidad de la luz y golpea la singularidad central en muy poco tiempo. Es aplastado, e incluso el atómico. el núcleo está aplastado. Desde el punto de vista de A, no puede ver el proceso real de B. Ve que B primero acelera, luego desacelera y finalmente se detiene en el horizonte, se oscurece gradualmente y finalmente desaparece. Lo que A ve es sólo el comportamiento de la luz emitida desde la capa exterior de la nave espacial de B. La parte real de B ya ha impactado en la singularidad central sin que A lo sepa. La razón por la que hay un proceso de desaceleración es porque la dilatación del tiempo al acercarse al agujero negro hace que la velocidad vista por A disminuya o incluso se acerque a cero. La luz vista por A se detiene en el horizonte no contradice el principio de la velocidad constante de la luz. El principio de la velocidad constante de la luz se refiere a las cuatro dimensiones por las que viaja la luz en el espacio-tiempo cuatridimensional.