¿Qué dice la teoría especial de la relatividad?
Entre ellos, "Sobre la electrodinámica de los objetos en movimiento", publicado el 30 de junio de 1905, más tarde pasó a ser conocido como la teoría especial de la relatividad.
Hoy se cumple 114 aniversario de la publicación de la teoría especial de la relatividad. Esta teoría se desarrolló hace más de 100 años y no hay razón para que no la comprendamos. Hoy les daré una buena charla: ¿Qué dice la teoría especial de la relatividad?
Una disputa que duró 200 años
De hecho, el nacimiento de la teoría especial de la relatividad surgió principalmente de una disputa que abarcó 200 años de historia científica.
Pasemos al siglo XVII. El primer papel secundario es Galileo, conocido como el padre de la física moderna.
¿Galileo propuso una vez una "transformación galileana?":
Las leyes físicas establecidas en un sistema de referencia se pueden aplicar a cualquier sistema de referencia mediante una transformación de coordenadas adecuada.
¿Existe algún sentimiento inconsciente? De hecho, todo esto es un engaño. Por ejemplo, puedes entender que si estás en un tren y hay un tren a tu lado, es difícil para las personas sentadas en el tren distinguir si su propio tren se está moviendo o el tren que está al lado de ellos.
De hecho, se puede entender que el movimiento es relativo. Si se utiliza un modelo simple, es:
a y B están cerca uno del otro. Si elegimos A como sistema de referencia, podemos concluir que A es estacionario y B se mueve. Si se selecciona B como sistema de referencia, B está estacionario y A se mueve.
Sí, este es el "marco de referencia" u "objeto de referencia" del que se hablará en las clases de física de secundaria y preparatoria.
Si te sientas en el vagón y caminas hacia adelante, los niños que están parados en el suelo pensarán:
Tu velocidad = la velocidad del tren + tu velocidad en el vagón, tu velocidad = 15 = 15m/s ¿Has descubierto que en esta teoría la velocidad se puede superponer?
Posteriormente Newton incorporó las transformaciones galileanas a su propio sistema mecánico. Cuando aplicamos las leyes de Newton, primero debemos especificar un marco de referencia.
Sin embargo, debemos tener claro que Newton en realidad hizo una suposición: el espacio y el tiempo son absolutamente independientes.
Para decirlo sin rodeos, todos los objetos de la Tierra sienten lo mismo sobre el tiempo. El espacio es el mismo y la distancia del espacio es la misma para todos. Si tengo que resumirlo simplemente:
¡El espacio y el tiempo no tienen nada que ver con el estado de movimiento de un objeto!
¡El espacio y el tiempo no tienen nada que ver con el estado de movimiento de un objeto!
¡El espacio y el tiempo no tienen nada que ver con el estado de movimiento de un objeto!
(Di cosas importantes tres veces)
La teoría de Newton fue posteriormente ampliamente utilizada e incluso predijo la existencia de Neptuno, convirtiéndose en una firme piedra angular de la teoría de la física.
Más tarde, los científicos comenzaron a estudiar la electricidad y el magnetismo. Especialmente en la era de Maxwell, Maxwell propuso las ecuaciones de Maxwell.
Unificó "electricidad" y "magnetismo", propuso el concepto de ondas electromagnéticas y predijo que la luz es una onda electromagnética.
El físico Hertz verificó el punto de vista de Maxwell mediante experimentos. Pero ese es exactamente el problema. Las ecuaciones de Maxwell no requieren un marco de referencia. Para decirlo sin rodeos:
La velocidad de las ondas electromagnéticas, o la velocidad de la luz, no tiene por qué ser relativa a un determinado marco de referencia. En cualquier sistema de referencia inercial, la velocidad de la luz es 3×108 metros/segundo.
Esto es contradictorio con la mecánica newtoniana. Sin embargo, la mecánica newtoniana es tan correcta que la observación y la teoría coinciden perfectamente. Las ecuaciones de Maxwell también son sólidas como una roca y pueden explicar muy bien los fenómenos electromagnéticos. Entonces, ¿qué salió mal?
El compromiso del científico
Debes saber que Galileo, Newton y Maxwell son los cinco primeros en la historia de la física, dioses absolutos. Cuando los dioses luchan, los físicos comunes y corrientes sólo pueden llevarse la palma. Es sólo que la física siempre tiene que avanzar. No puedes permitirte el lujo de ofender a los grandes maestros, tienes que tener un cuenco de agua para mantener el nivel.
Por ello, los científicos creen que la propagación de las ondas del agua requiere de un medio, es decir, el agua. ¿La luz también necesita un medio para propagarse?
Así que los científicos de la época creían que la velocidad de propagación de la luz debería ser relativa a su medio, no absoluta. Por lo tanto, los científicos creen que el espacio está lleno de una sustancia llamada "éter". El éter es a la luz (ondas electromagnéticas) lo que el agua es a las ondas del agua.
Parece perfecto, ¿no? Pero la ciencia no puede confiar únicamente en la imaginación, necesita encontrar pruebas que demuestren que el "éter" realmente existe.
¿Cuál es el resultado? Lo sentimos, los científicos lo han intentado todo y finalmente han llegado a un resultado: ¡el éter no existe!
Ya se acabó. Mucho más tarde, el conflicto entre Newton y Maxwell no se resolvió. Como resultado, los científicos comenzaron a usar su imaginación y a frenar sus grandes movimientos. Los más famosos son Lorenz y Poincaré. Si hay que encontrar algo en común entre dos personas, debe ser: la persona más cercana a la teoría especial de la relatividad.
Lorenz era un maestro en llegar a fin de mes. Tenía una "transformación galileana" en su mano izquierda y una "velocidad constante de la luz en un marco de referencia inercial" en su mano derecha, y luego las combinó para crear algo que ni siquiera él mismo podía entender. Esto se llama transformación de Lorentz.
Poincaré expuso algunas visiones desde el nivel filosófico, especialmente la relatividad de la simultaneidad. Es el mismo evento, pero es posible que diferentes personas (marcos de referencia) no lo vean suceder al mismo tiempo, dependiendo de su estado de movimiento. Sin embargo, Poincaré también lo pensó, pero nadie pudo llegar a un resultado satisfactorio.
Zhenning Yang escribió una vez en su artículo "Oportunidad y Visión":
Lorenz tenía matemáticas, pero no física; Poincaré tenía filosofía, pero no física. Fue Einstein, de 26 años, quien se atrevió a cuestionar el concepto original de tiempo e insistió en que la simultaneidad era relativa, abriendo así la puerta a un nuevo mundo físico.
Técnico de tercer nivel en la Oficina de Patentes
Sí, después de que un montón de maestros académicos fracasaran, nació el protagonista de nuestra historia. Pero antes de contar su leyenda, conozcámoslo un poco.
El 30 de junio de 1905, Einstein publicó su artículo "Sobre la electrodinámica de los objetos en movimiento". También debería querer equilibrar sus cuentas tal como lo hicieron Lorenz y Poincaré. Por tanto, partiendo de dos supuestos básicos:
1.? Principio de relatividad (transformación galileana)
2.? El principio de la velocidad constante de la luz (la velocidad constante de la luz en el sistema de referencia inercial)
Una de estas dos hipótesis fue propuesta por Galileo y la otra se basa en la teoría de Maxwell. Luego derive la transformación de Lorentz (después de todo, los métodos utilizados son los mismos), y hace un momento Lorentz dijo que no podía entender esto. Pero Einstein, a diferencia de Lorenz y Poincaré, pudo lograr un equilibrio y crear un mundo completamente nuevo.
¿Qué es entonces este nuevo mundo?
La rebelión de Einstein
Cabe decir que la rebelión de Einstein fue que antes que él nadie se atrevió a cuestionar el espacio y el tiempo. Todo el mundo cree que el espacio y el tiempo son absolutos. ¿Qué significa que el espacio y el tiempo son absolutos? Es decir,
Un segundo tuyo es también un segundo del otro, y el segundo de todos es igual.
Pero Einstein pensó que esto estaba mal. Imaginemos una imagen. Estás en la Tierra y tu amigo está en la nave espacial. En este momento, tu amigo saca un reloj de luz, que no existe en la vida real, pero el principio es el mismo que el de un reloj. Después de todo, a Einstein le gustó mucho este tipo de "experimento mental". El método de sincronización de este reloj de luz es:
El tiempo para que la luz suba y baje una vez se establece en un segundo.
De hecho, el principio es el mismo que ejecutarlo una vez. Si asumimos que la velocidad de la luz es la misma en cualquier sistema de referencia (el principio de velocidad constante de la luz), entonces la luz que ven las personas en la nave espacial es hacia arriba y hacia abajo, mientras que la luz que se ve desde la Tierra en realidad está inclinada.
Einstein creía que tiempo = distancia/velocidad de la luz es una constante en cualquier sistema de referencia inercial, y la velocidad de la luz también es una constante. Entonces, a las personas en la nave espacial les toma 1 segundo ver la luz de un lado a otro, mientras que las personas en tierra ven un camino más largo, por lo que suponemos que son 2 segundos.
Si alguien en la nave espacial está haciendo gimnasia por radio al ritmo del "reloj de luz", entonces las acciones que se pueden completar en 1 segundo en la nave espacial tardarán 2 segundos para que las personas en tierra las vean. . Para decirlo sin rodeos, lo que vieron fue retransmisión de gimnasia en cámara lenta.
En cambio, si una persona en el suelo también sostiene un "reloj de luz", la situación será exactamente la contraria porque el movimiento es relativo. Las personas en tierra lo ven durante 1 segundo y las personas en la nave espacial lo ven durante 2 segundos. En otras palabras, si la gente en tierra también hace gimnasia retransmitida al ritmo del "reloj de luz", la gente en la nave espacial también verá la cámara lenta de la gimnasia retransmitida.
Este efecto se llama dilatación del tiempo. Existe y los científicos lo han demostrado mediante subexperimentos μ(miω). Si reemplazamos la nave espacial por un tren de alta velocidad, el reloj del tren de alta velocidad será una milmillonésima de segundo más lento.
Es precisamente por esta pequeña diferencia que no podemos sentirla. Cuando la velocidad es extremadamente rápida, especialmente cuanto más cercana a la velocidad de la luz, el efecto de la dilatación del tiempo se vuelve más obvio.
Este experimento nos dice una verdad:
¡El tiempo está relacionado con el estado de movimiento del objeto!
¡El tiempo está relacionado con el estado de movimiento del objeto!
¡El tiempo está relacionado con el estado de movimiento del objeto!
(Di cosas importantes tres veces)
Einstein decía que no sólo el tiempo está relacionado con el estado de movimiento de los objetos, sino también el espacio. Tomemos como ejemplo la nave espacial de hace un momento. También es distancia. Debido al efecto de dilatación del tiempo, podemos tardar 2 segundos en caminar sobre la Tierra, pero las personas en la nave espacial caminarán en 1 segundo. E independientemente de las personas en la nave espacial o las personas en tierra, la velocidad de la nave espacial en relación con esta distancia es la misma. Esto muestra que la distancia vista por las personas en la nave espacial es en realidad más corta que la distancia vista por las personas en la Tierra. Esta es la contracción de longitud.
Así que encontraremos que cuanto más cerca esté la velocidad de la luz, más grave será la contracción de la longitud. Esto muestra que:
¡El espacio está relacionado con el estado de movimiento de los objetos!
¡El espacio está relacionado con el estado de movimiento de los objetos!
¡El espacio está relacionado con el estado de movimiento de los objetos!
(Di cosas importantes tres veces)
Einstein fue un paso más allá y propuso un concepto muy subversivo: la teoría de la relatividad de la simultaneidad. Específicamente:
Dos cosas que suceden al mismo tiempo en un sistema de coordenadas pueden no suceder al mismo tiempo en otro sistema de coordenadas.
Entonces, ¿qué pasó?
También estamos aquí para aprender de Einstein y hacer un experimento mental. Primero, podemos imaginar dos trenes del mismo tamaño, que van en direcciones opuestas y tienen la misma velocidad con respecto al suelo.
Es solo que los dos trenes no están en la misma vía, sino en una vía paralela de dos pisos, con un tren arriba y otro tren abajo. Estipulamos que el "evento A" es cuando la parte delantera del tren superior se encuentra con la parte trasera del tren inferior; el "evento B" es cuando la parte delantera del tren inferior se encuentra con la parte trasera del tren superior.
Entonces, la pregunta es, ¿cuál ocurre primero, el evento A o el evento B?
Por supuesto, si lo miras desde el suelo, estos dos eventos sucedieron al mismo tiempo.
Sin embargo, si estás en el tren superior, el tren inferior se mueve respecto a ti. También hablamos sobre el efecto de escala arriba. Entonces, lo que ves es que el tren de abajo es más corto que el tuyo. Por lo tanto, la escena que ves se vería así:
En otras palabras, lo que ves en el tren de arriba es que el "evento A" ocurrió antes y el "evento B" ocurrió después.
Si estás en el tren de abajo, el tren de arriba también se mueve con respecto a ti. O por el efecto de escala. Entonces, encontrarás que el tren de arriba es más corto que tu tren. Entonces, lo que verás debería ser algo como esto:
En otras palabras, lo que ves en el tren de abajo es que el "evento B" ocurrió antes y el "evento A" ocurrió después.
Sin embargo, cabe señalar aquí que este efecto será más evidente sólo cuando la velocidad sea muy alta, más cercana a la velocidad de la luz. A bajas velocidades no podemos ver ninguna diferencia a simple vista.
Así que “simultaneidad” es también un concepto relativo, basado en el marco de referencia. Diferentes sistemas de referencia tienen diferentes situaciones.
Basándose en esta comprensión, el ex profesor de matemáticas de Einstein, Minkowski, propuso el concepto de "cono de luz".
Podemos establecer un sistema de coordenadas basado en cualquier evento, representando la abscisa el espacio y la ordenada el tiempo, y dibujar la posición espacio-temporal del evento en el sistema de coordenadas.
Cabe destacar que este cono de luz es específico para el evento. El cono de luz del futuro se refiere a:
El impacto del presente en los eventos futuros.
Por ejemplo, es probable que el evento A en la siguiente figura tenga un impacto en el evento B.
El cono de luz del pasado se refiere a eventos pasados que tienen un impacto en el presente.
Esto significa que sólo los eventos que ocurrieron dentro del "cono de luz del pasado" afectarán el presente. Los acontecimientos pasados fuera del "cono de luz del pasado" no pueden afectar el presente debido a la limitación de la velocidad de la luz.
Por ejemplo: escribo este artículo como evento A y tú consideras este artículo como evento b.
Por eso, hay un dicho famoso:
Dentro del cono de luz está el destino.
Todas las situaciones actuales son causadas por eventos del cono de luz en el pasado. Cosas en el pasado ya sucedieron y no hay nada que podamos hacer para cambiarlas.
Si vamos un paso más allá, descubriremos que nunca podremos vivir en el presente porque lo que llamamos "el presente" es creado por el pasado.
Por ejemplo, cuando te miras al espejo, en realidad ves tu yo pasado, no tu yo actual. Esto se debe a que tu cara refleja la luz hacia el espejo, que a su vez refleja la luz hacia tus ojos. A la luz le toma tiempo viajar esta distancia, por lo que lo que ves es en realidad tu yo pasado.
En otras palabras, todos los eventos que ves realmente sucedieron en el pasado. Se necesita tiempo para que los eventos pasados afecten el presente; y lo que sucede ahora no afecta el presente, sino el futuro. revelación del cono del tiempo. Se puede decir que Einstein sólo unificó el tiempo y el espacio mediante la relatividad especial, pero esto no termina ahí.
La masa es energía.
En septiembre de 1905, después de que Einstein publicara la teoría especial de la relatividad, publicó un artículo "¿Está relacionada la inercia de un objeto con la energía que contiene?" En este artículo, Einstein unificó masa y energía y propuso la famosa ecuación masa-energía:
Entonces, ¿cómo entendemos la ecuación masa-energía?
Antes de Einstein, Lavoisier propuso la ley de conservación de la masa, y en la mecánica newtoniana la energía se conserva. Sin embargo, Einstein creía:
La energía y la masa no son independientes y constantes, en realidad son la misma cosa.
El famoso científico Dr. Dalí dio una vez un ejemplo:
Si tiene cuentas de depósito en China y Estados Unidos, los valores de depósito de las dos cuentas serán no cambiar. Pero como pertenecen a dos países, si deseas transferir dinero de una cuenta a otra, debes convertirlo mediante el tipo de cambio. En este caso, podemos pensar en el RMB como energía y en el dólar estadounidense como calidad. La energía y la masa se pueden convertir si la suma no cambia. Entonces e = MC 2 representa el tipo de cambio de energía y masa, donde la velocidad de la luz c es el sistema de tipo de cambio.
Esta fórmula explica por qué la bomba atómica es tan poderosa, porque la masa antes y después de la explosión nuclear se pierde, y esta masa se convierte en energía.
En realidad, hay mucho sobre la relatividad especial, así que esta vez hablemos de ello. Si desea comprender profundamente la teoría especial de la relatividad, en realidad necesita hacer cálculos matemáticos, porque la teoría de la relatividad es contraintuitiva. ¿Por qué es contradictorio?
Vivimos en un mundo macroscópicamente de baja velocidad. A esta escala, los efectos relativistas son demasiado pequeños. Es invisible para los humanos y difícil de detectar incluso con instrumentos. A bajas velocidades macroscópicas, la relatividad equivale a la mecánica newtoniana. Los efectos relativistas sólo son más pronunciados a velocidades más cercanas a la velocidad de la luz.
Es por esta razón que sentimos que la teoría de la relatividad es muy contraintuitiva. Esto nos dice una verdad:
No te dejes engañar por tu vida actual y mira más al mundo exterior. Sólo saliendo de tu propia vida podrás comprender el mundo más profundamente.