Patente de Yanlun
M0 es la masa en reposo, que se llama masa en reposo. La velocidad de cualquier objeto no puede exceder la velocidad de la luz C. ⑤La masa m y la energía E del objeto satisfacen la relación masa-energía E=mc2. La conclusión anterior es consistente con los hechos experimentales actuales, pero el efecto es significativo sólo durante el movimiento a alta velocidad. En general, los efectos relativistas son extremadamente pequeños, por lo que la mecánica clásica puede considerarse una aproximación de la mecánica relativista de baja velocidad. En 1916 se estableció la teoría general de la relatividad. Sus principios básicos son: (1) El principio de la relatividad general, es decir, las leyes de la naturaleza pueden expresarse de la misma forma matemática en cualquier sistema de referencia. (2) Principio de equivalencia, es decir, la fuerza gravitacional en un rango de volumen pequeño y la fuerza de inercia en un sistema acelerado son equivalentes entre sí. Según los principios anteriores, la gravedad es causada por la calidad desigual del espacio-tiempo debido a la existencia y cierta distribución de la materia (se establece la llamada curvatura del espacio-tiempo); La relatividad especial es un caso especial de la relatividad general cuando el campo gravitacional es débil. Se pueden sacar algunas conclusiones importantes de la relatividad general, como la ley de precesión del perihelio de Mercurio; la luz se curva en el campo gravitacional; los relojes se ralentizan en campos gravitacionales fuertes (o las líneas espectrales en el campo gravitacional se mueven hacia el extremo rojo). Estas conclusiones son generalmente consistentes con observaciones posteriores. En los últimos años, las conclusiones de la relatividad general se han confirmado con mayor precisión midiendo los retrasos de las ondas de radar que se propagan hacia adelante y hacia atrás en el campo gravitacional del sol. La teoría de la relatividad tiene una gran importancia histórica, pero aún quedan muchos problemas por estudiar.
Una breve historia de la relatividad
¿Steven? Hawking [erudito estadounidense] Zhai Hongying Traducido por Zhang Lan
A finales del siglo XIX, los científicos pensaban que su descripción completa del universo estaba llegando a su fin. Imaginaron que el espacio estaba lleno de un medio continuo llamado "éter". Al igual que las ondas sonoras en el aire, las señales luminosas y electromagnéticas son ondas en el "éter".
Sin embargo, pronto apareció el resultado opuesto a la idea de que el espacio está completamente lleno de "éter": según la teoría del "éter", la velocidad de propagación de la luz debería ser un valor constante en relación con el "éter". ", entonces, si viajas en la misma dirección en la que viaja la luz, la velocidad de la luz que mides debe ser menor que la velocidad de la luz que mides cuando está en reposo. Por el contrario, si viajas en la En dirección opuesta a la propagación de la luz, la velocidad de la luz que se mide debe ser mayor que la velocidad de la luz que se mide en reposo. Sin embargo, una serie de experimentos no encontraron evidencia de una diferencia en la velocidad de la luz.
¿En estos experimentos, Ahlport? ¿Michelson y Eddie Ward? Las mediciones más precisas y detalladas las realizó Murray en 1887 en el Case Institute de Cleveland, Ohio, EE. UU. Compararon las velocidades de propagación de dos haces en ángulo recto. Debido a que gira alrededor de su eje y gira alrededor del Sol, según el razonamiento, la Tierra debería pasar a través del "éter", por lo que los dos rayos de luz en ángulo recto deben medirse a diferentes velocidades debido al movimiento de la Tierra.
Murray descubrió que el día y la noche, el invierno y el verano, no hacían diferencia en la velocidad de los dos rayos de luz. La luz siempre parece viajar a la misma velocidad con respecto a ti, ya sea que te estés moviendo o no.
¿El físico irlandés George? ¿Fitzgerald y el físico holandés Hentschock? Lorenz fue el primero en creer que el tamaño de un objeto que se movía con respecto al "éter" se reduciría en la dirección del movimiento, y que un reloj que se movía con respecto al "éter" se ralentizaría. En cuanto al "éter", Fitzgerald y Lorenz creían que se trataba de una sustancia real en ese momento.
En aquella época, un hombre llamado Albert trabajaba en la Oficina Suiza de Patentes en Berna, la capital de Suiza. El joven Einstein intervino en la teoría del "éter" y resolvió de una vez por todas el problema de la velocidad de la luz.
Einstein señaló en un artículo de 1905 que debido a que no puedes detectar si te estás moviendo en relación con el "éter", todo el concepto de "éter" es redundante. En cambio, Einstein creía que las leyes científicas deberían tener la misma forma para todos los observadores que actuaban libremente. No importa cómo se mueva el observador, se debe medir la misma velocidad de la luz.
La idea de Einstein requería que la gente abandonara la noción universal de que todos los relojes miden el tiempo. De ahí que cada uno tenga su propio valor temporal: si dos personas están relativamente estacionarias, entonces su tiempo es el mismo; si están en movimiento entre sí, entonces el tiempo que observan es diferente.
Un gran número de experimentos demostraron que la idea de Einstein era correcta. Un reloj preciso que gira alrededor de la Tierra no indica la misma hora que un reloj preciso almacenado en un laboratorio. Si desea prolongar su vida, puede tomar un avión y volar hacia el este, lo que puede superponer la velocidad de rotación de la Tierra. De todos modos, puedes alargar tu vida unas décimas de segundo y también puedes compensar el daño causado por comer comida de avión.
La premisa de Einstein es que las leyes de la naturaleza son las mismas para todos los observadores que se mueven libremente, lo cual es la base de la teoría de la relatividad. La razón es que esta premisa implica que sólo el movimiento relativo es importante. Aunque la perfección y simplicidad de la teoría de la relatividad convencieron a muchos científicos y filósofos, todavía hubo muchas objeciones. En el siglo XIX, Einstein abandonó dos conceptos absolutos de las ciencias naturales: el reposo absoluto implicado por el "éter" y el tiempo absoluto o cósmico medido por todos los relojes. La gente no puede evitar preguntarse: ¿Significa la teoría de la relatividad que todo es relativo y que ya no habrá estándares conceptuales absolutos?
Esta ansiedad duró desde los años 1920 hasta los años 1930. En 1921, Einstein ganó el Premio Nobel de Física por su contribución al efecto fotoeléctrico. Sin embargo, debido a la complejidad y controversia de la teoría de la relatividad, el Premio Nobel se otorgó sin mencionar la teoría de la relatividad.
A día de hoy sigo recibiendo dos o tres cartas a la semana diciéndome que Einstein estaba equivocado. Sin embargo, la teoría de la relatividad ahora es plenamente aceptada por la comunidad científica y sus predicciones han sido confirmadas por innumerables experimentos.
Un resultado importante de la teoría de la relatividad es la relación entre masa y energía. Einstein asumió que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, lo que significa que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. ¿Qué pasaría si suministraras energía continuamente a una partícula o nave espacial? La masa del objeto acelerado aumentará, lo que dificultará seguir acelerando. Acelerar una partícula a la velocidad de la luz es imposible porque requiere energía infinita. La relación de equivalencia entre masa y energía fue resumida por Einstein en su famosa ecuación masa-energía "E = mc2", que es quizás la única ecuación física conocida por las mujeres y los niños de la calle.
Cuando un núcleo de uranio se divide en dos núcleos pequeños, se libera una enorme cantidad de energía debido al diminuto defecto de masa. Ésta es una de las muchas consecuencias de la ecuación masa-energía. En 1939, cuando se cernían las nubes de la Segunda Guerra Mundial, un grupo de científicos que habían descubierto la aplicación de la reacción de fisión persuadieron a Einstein para que superara sus escrúpulos de pacifista y se lo entregaron al entonces presidente estadounidense Franklin. ¿Delano? Roosevelt escribió una carta convenciendo a Estados Unidos de comenzar un programa de investigación nuclear, lo que condujo al Proyecto Manhattan y al bombardeo atómico de Hiroshima en 1945. Algunas personas culpan a Einstein por descubrir la relación entre masa y energía gracias a la bomba atómica, pero este tipo de culpa es como culpar a Newton por descubrir la gravedad gracias al accidente aéreo. Einstein no participó en ninguna parte del Proyecto Manhattan y estaba asustado por la gran explosión.
Aunque la teoría de la relatividad está perfectamente integrada con las leyes relevantes de la teoría electromagnética, es incompatible con la ley de gravitación universal de Newton. La teoría de la gravedad de Newton muestra que si cambias la distribución de la materia en el espacio, el campo gravitacional de todo el universo cambia al mismo tiempo. Esto no sólo significa que puedes enviar señales que viajan más rápido que la velocidad de la luz (que no lo es). permitido por la teoría de la relatividad), también se requiere un concepto absoluto o universal del tiempo, que la relatividad abandona.
Einstein conocía esta dificultad de incompatibilidad desde 1907, cuando todavía trabajaba en la oficina de patentes de Bonn, pero no pensó profundamente en el problema hasta 1911, cuando Einstein trabajaba en Praga, Alemania. . Einstein se dio cuenta de la estrecha relación entre la aceleración y el campo gravitacional. Una persona en un compartimento sellado no puede decir si su propia presión sobre el suelo se debe a que está en el campo de gravedad de la Tierra o a que un cohete lo acelera en un espacio sin gravedad. Todo esto fue antes de los días de Star Trek. Einstein pensaba que la gente estaba en ascensores, no en naves espaciales. Pero sabemos que no se puede acelerar o caer libremente en un ascensor durante largos periodos de tiempo si no se quiere que se estrelle. ) Si la Tierra es completamente plana, la gente puede decir que la manzana cayó sobre la cabeza de Newton debido a la gravedad, lo que equivale a que la cabeza de Newton golpeara la manzana porque Newton y la superficie de la Tierra se aceleraron. Sin embargo, bajo la premisa de que la Tierra es redonda, esta relación equivalente entre aceleración y gravedad ya no es cierta, porque las personas en el lado opuesto de la Tierra experimentarán una aceleración en la dirección opuesta, pero la distancia entre los observadores en ambos lados permanece sin cambios. .
En 1912, cuando regresó a Zurich, Suiza, Einstein se sintió inspirado. Se dio cuenta de que la equivalencia entre gravedad y aceleración podría mantenerse si se introdujeran algunos ajustes en la geometría real. Einstein imaginó que si la entidad espacio-temporal formada por el espacio tridimensional más la cuarta dimensión del tiempo fuera curva, ¿cuál sería el resultado? Su idea, que puede haber sido probada de alguna manera, era que la masa y la energía curvarían el espacio-tiempo. Al igual que los planetas y las manzanas, los objetos tienden a moverse en línea recta, pero sus trayectorias parecen estar curvadas por la gravedad porque el espacio-tiempo está curvado por la gravedad.
¿Después de su amigo Marshall? Con la ayuda de Grossmann, Einstein aprendió la teoría del espacio curvo y las superficies curvas. Estas teorías abstractas, ¿en Bernhard? Cuando Riemann los desarrolló, nunca imaginó que serían relevantes para el mundo real. En un artículo conjunto de 1913, Einstein y Grossmann propusieron la idea de que lo que conocemos como gravedad es simplemente una expresión del hecho de que el espacio-tiempo es curvo. Pero debido a los errores de Einstein (Einstein era una persona real y cometió errores), no lograron encontrar una ecuación que relacionara la curvatura del espacio-tiempo con la masa de energía contenida en él.
Mientras estuvo en Berlín, Einstein continuó trabajando en este problema. No tuvo disputas familiares y la guerra no le afectó en gran medida. En junio de 1915438, Einstein finalmente descubrió la ecuación que relaciona la curvatura del espacio-tiempo con la energía y la masa contenidas en él. En el verano de 1915, durante su visita a la Universidad de Göttingen, Einstein se reunió con el matemático David? Sus ideas fueron discutidas por Hilbert, quien descubrió la misma ecuación días antes que Einstein. Sin embargo, como reconoció Hilbert, el mérito de esta nueva teoría es de Einstein, quien vinculó la gravedad con el espacio-tiempo curvo. También debemos agradecer a la Alemania civilizada, porque fue gracias a ella que durante la guerra de aquella época todavía se podían llevar a cabo este tipo de discusiones e intercambios científicos sin verse afectados, lo que fue diferente de lo que ocurrió 20 años después (refiriéndose a la Segunda Guerra Mundial). , nota del editor) ¡Un gran contraste!
La nueva teoría del espacio-tiempo curvo se llamó "Relatividad General" para distinguirla de la teoría original que no incluía la gravedad, y esa teoría pasó a llamarse "Relatividad Especial". La relatividad general quedó demostrada de manera espectacular en 1919, cuando una expedición científica británica a África occidental observó los pequeños movimientos de una estrella cerca del sol en el cielo durante un eclipse solar. Tal como predijo Einstein, la luz de una estrella se desvía por la gravedad del sol cuando pasa cerca de ella. Esta es una evidencia directa de la curvatura del espacio-tiempo.
Desde que Euclides completó sus Elementos en el año 300 a. C., esta es la actualización más revolucionaria en la percepción que tiene la humanidad de su existencia en el universo.
La “Teoría General de la Relatividad” de Einstein cambió el “espacio-tiempo” de un trasfondo de eventos pasivo a un participante activo en el universo dinámico, lo que generó grandes dificultades en la frontera de la ciencia. Este problema se resolvió en. El siglo XX El final del siglo todavía estaba sin resolver. El universo está lleno de materia, lo que a su vez hace que el espacio-tiempo se curve, provocando que los objetos se agrupen. Mientras utilizaba la Relatividad General para explicar el universo estático, Einstein descubrió que sus ecuaciones no tenían solución. Para adaptar sus ecuaciones a un universo estático, Einstein añadió un término llamado "constante cosmológica", que nuevamente curva el espacio-tiempo para separar todos los objetos. Los efectos repulsivos introducidos por la constante cosmológica equilibrarán la atracción mutua de los objetos y permitirán el equilibrio a largo plazo del universo.
De hecho, esta se ha convertido en una de las mayores oportunidades perdidas para la humanidad en la historia de la física teórica. Si Einstein hubiera continuado trabajando en esta dirección, en lugar de introducir una "constante cosmológica" de manera flexible, podría haber podido predecir si el universo se estaba expandiendo o contrayendo. Sin embargo, no fue hasta la década de 1920, cuando el telescopio de 100 pulgadas del Monte Wilson observó que las galaxias más alejadas de nosotros se alejaban de nosotros a un ritmo más rápido, que se empezó a considerar seriamente la posibilidad de que el universo cambiara con el tiempo. En otras palabras, el universo se expande con el tiempo y la distancia entre dos galaxias cualesquiera aumenta constantemente. Más tarde, Einstein calificó la proposición "constante cosmológica" como el error más grave de su vida.
La "Teoría General de la Relatividad" ha cambiado por completo la dirección de la discusión popular sobre el origen y el destino del universo. El universo estático puede existir para siempre, o puede ser que en algún momento del pasado, cuando se creó este universo estático, ya estuviera en su forma actual. Por otro lado, si las galaxias se están alejando unas de otras ahora, deberían haber estado más cerca unas de otras en el pasado. Hace unos 654.3805 millones de años, es posible que incluso estuvieran en contacto entre sí, superponiéndose, y su densidad puede ser infinita. Según la relatividad general, el Big Bang marca el origen del universo y el comienzo de los tiempos. En este sentido, Einstein no sólo es la figura más importante de los últimos 100 años, sino que también merece el respeto de la gente durante más tiempo.
En un agujero negro, el espacio y el tiempo son tan curvados que el agujero negro absorbe toda la luz y ninguna luz puede escapar. Por lo tanto, la "relatividad general" predice que el tiempo debería terminar en agujeros negros. Sin embargo, las ecuaciones de la relatividad general no se aplican a los dos casos extremos del principio y el fin de los tiempos. Por tanto, esta teoría no puede revelar lo que ocurrió en el Big Bang. Algunos creen que esto es un símbolo de la omnipotencia de Dios, que puede crear el universo como él quiere.
Pero otros (incluyéndome a mí) creemos que el origen del universo debe obedecer a un principio universal que sea válido en todo momento. Hemos logrado algunos avances en esta dirección, pero todavía estamos lejos de comprender completamente los orígenes del universo. La razón por la que la relatividad general no puede aplicarse al Big Bang es que es incompatible con la teoría cuántica, otro gran avance conceptual de principios del siglo XX. La teoría cuántica se propuso por primera vez en 1900, cuando Max? Planck descubrió que la radiación emitida por objetos al rojo vivo podía interpretarse como luz emitida por unidades de energía de un tamaño específico, a las que Planck llamó cuantos. Por ejemplo, la radiación es como bolsas de azúcar. En el supermercado no puedes comprar todo lo que quieres. Sólo puedes comprar un paquete de una libra. En un artículo escrito por Einstein en 1905, la hipótesis cuántica de Planck puede explicar el efecto fotoeléctrico, en el que ciertos metales liberan electrones cuando reciben luz. Este efecto es la base de los modernos detectores de luz y de las aplicaciones de fotografía televisiva, y le valió a Einstein el Premio Nobel en 1921.
¿Einstein estudió ideas cuánticas hasta la década de 1920, cuando Warner estaba en Copenhague? ¿Paul Heisenberg de Cambridge? ¿Dirac y Evan en Zúrich? Schrödinger propuso mecanismos cuánticos, revelando así una nueva imagen de la realidad. Según su teoría, las partículas pequeñas ya no tienen una posición ni una velocidad definidas. Por el contrario, cuanto más precisa sea la posición de una partícula pequeña, menos precisa será su medición de velocidad. viceversa.
Einstein estaba desconcertado por la arbitrariedad e imprevisibilidad de esta ley fundamental y, finalmente, no aceptó los mecanismos cuánticos. Su famoso aforismo "Dios no juega a los dados" expresaba este sentimiento.
No obstante, la mayoría de los científicos han aceptado las nuevas leyes de los mecanismos cuánticos, reconociendo su aplicabilidad porque estas leyes no sólo concuerdan bien con los resultados experimentales sino que pueden explicar muchos fenómenos previamente inexplicables. Estas leyes se han convertido en la base para el desarrollo de la química, la biología molecular y la electrónica contemporáneas, y también son las piedras angulares de la ciencia y la tecnología que han cambiado el mundo entero durante medio siglo.
En 1933, cuando los nazis gobernaban Alemania, Einstein abandonó el país y renunció a su ciudadanía alemana. Pasó los últimos 22 años de su vida en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey. Los nazis lanzaron una campaña contra la "ciencia judía" y los científicos judíos (la expulsión de los científicos judíos fue una de las razones por las que Alemania no pudo construir una bomba atómica), y Einstein y su teoría de la relatividad fueron los principales objetivos de esta campaña. Cuando le dijeron que se había publicado un libro titulado 100 científicos contra Einstein, Einstein respondió: ¿Por qué 100? Uno es suficiente para demostrar que estoy equivocado, si es que estoy equivocado.
Después de la Segunda Guerra Mundial, instó a los aliados a establecer una organización global para controlar las armas nucleares. En 1952, le ofrecieron la presidencia del recién formado Israel, pero la rechazó. "La política es temporal", escribió, "las ecuaciones son eternas". Las ecuaciones de la relatividad general son su mejor epitafio y monumento. Junto con el universo, nunca decaen.
En los últimos 100 años, el mundo ha experimentado cambios sin precedentes. La razón no está en la política o la economía, sino en la ciencia y la tecnología: ciencia y tecnología derivadas directamente de la investigación científica básica avanzada. Ningún científico representa mejor el avance de esta ciencia que Einstein.