Einstein creía que la velocidad de la luz no puede alcanzarla ni superarla, por lo que no habrá viajes en el tiempo
La relatividad general cree que la velocidad de la luz puede superarla, pero no lo hará viajar a través del tiempo y el espacio.
La Teoría de la Relatividad (inglés: Theory of relativity) es una teoría sobre el espacio-tiempo y la gravedad, creada principalmente por Albert Einstein. Según los diferentes objetos de investigación, se puede dividir en relatividad especial (relatividad especial) y relatividad general (relatividad general).
Introducción básica
El supuesto básico de la teoría de la relatividad es el principio de la relatividad, es decir, las leyes de la física no tienen nada que ver con la elección del sistema de referencia. 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, sobre cualquier objeto actuará 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.
Proceso de demostración
Concepto absoluto de espacio y tiempo
El llamado concepto de espacio y tiempo es la comprensión de las propiedades físicas del tiempo y el espacio. La transformación galileana es una descripción matemática del principio de relatividad en mecánica. Refleja el concepto absoluto de espacio-tiempo en la mecánica clásica.
1. El intervalo de tiempo no tiene nada que ver con la elección del sistema inercial.
Si dos eventos ocurren uno tras otro, el intervalo de tiempo medido por los observadores en dos sistemas inerciales diferentes es el mismo.
2. El intervalo espacial no tiene nada que ver con la elección del sistema inercial.
La distancia entre dos puntos cualesquiera en el espacio no tiene nada que ver con la elección del sistema inercial.
Se puede observar que en la mecánica clásica las coordenadas y la velocidad de un objeto son relativas, y el mismo lugar también lo es. Pero las tres cantidades físicas de tiempo, longitud y masa son absolutas al mismo tiempo; Éste es el concepto absoluto de espacio-tiempo en la mecánica clásica.
Éter
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. A finales del siglo XIX c. , los experimentos confirmaron completamente la teoría de Maxwell. Todo el espacio está lleno de un medio continuo llamado "éter", en el que fluctúan las señales de luz y radio. Una teoría completa requeriría mediciones cuidadosas de las propiedades elásticas del éter. Con este fin, la Universidad de Harvard creó el Laboratorio Jefferson. Todo el edificio no requiere clavos para evitar interferencias con las mediciones magnéticas. Sin embargo, no se esperaba que el experimento se llevara a cabo según lo planeado porque los planificadores ignoraron las grandes cantidades de hierro contenidas en los ladrillos granates. A finales de siglo, comenzó a surgir el concepto de desviación que penetraba todo el éter. Si pensamos que la Tierra se mueve en el 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 niega esta conclusión si pensamos que el éter; Cuando la Tierra se lo lleva, obviamente es diferente de algunas observaciones astronómicas que son inconsistentes. En este sentido, la gente encontró que se trataba de una teoría llena de contradicciones.
Dos supuestos básicos
1. Las leyes de la física tienen la misma forma en todos los sistemas inerciales.
2. En todos los sistemas inerciales, la velocidad de propagación de la luz en el vacío tiene el mismo valor c.
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.
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 para admitir que estas dos hipótesis no estaban en conflicto, debíamos volver a analizar los conceptos físicos de tiempo y espacio.
Transformación de Lorentz
La ley de composición de la velocidad en la mecánica clásica en realidad depende de los dos supuestos siguientes:
1 El tiempo entre dos eventos El intervalo no tiene nada que ver. ver con el 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 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 y la distancia 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' 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 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' reemplazarán a las variables espacio-temporales X, Y, Z y T. La expresión de cualesquiera leyes naturales seguirá adoptando la misma forma. Lo que la gente llama leyes universales de la naturaleza son covariantes con respecto a las transformaciones de Lorentz. Esto juega un papel muy importante en la exploración de 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-tiempo continuo rígido de cuatro dimensiones, a menudo llamado espacio-tiempo plano 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 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. Esto se demostró en posteriores pruebas de reacción nuclear.