En la teoría general de la relatividad de Einstein, predijo que el tiempo terminará en agujeros negros.

A los 16 años, Einstein aprendió en un libro que la luz es una onda electromagnética muy rápida. Tiene una idea. Si una persona se mueve a la velocidad de la luz, ¿qué tipo de escena mundial verá? No verá la luz avanzando, sino sólo el campo electromagnético oscilando en el espacio pero estancado. ¿Es esto posible?

En relación con esto quería discutir el llamado problema del éter relacionado con las ondas de luz. La palabra éter proviene del griego y se utiliza para referirse a los elementos básicos que componen los objetos en el cielo. Descartes lo introdujo por primera vez en la ciencia en el siglo XVII como medio para transmitir luz. Más tarde, Huygens desarrolló aún más la teoría del éter y creía que el medio por el que se transportaban las ondas de luz era el éter, que debería llenar todo el espacio, incluido el vacío, y penetrar en la materia ordinaria. A diferencia de la visión de Huygens, Newton propuso la teoría de partículas de la luz. Newton creía que un cuerpo luminoso emite una corriente de partículas que se mueven en línea recta y el impacto de una corriente de partículas en la retina provoca la visión. La teoría de las partículas de Newton fue popular en el siglo XVIII, pero la teoría de las ondas fue popular en el siglo XIX y la teoría del éter se desarrolló enormemente. La opinión en ese momento era que la propagación de las ondas depende del medio, porque la luz se puede propagar en el vacío, y el medio para la propagación de las ondas de luz es el éter que llena todo el espacio, también llamado éter de luz. Al mismo tiempo, floreció el electromagnetismo. Con los esfuerzos de Maxwell, Hertz y otros, se formó una teoría dinámica madura de los fenómenos electromagnéticos, la electrodinámica, que unificó la luz y los fenómenos electromagnéticos en la teoría y la práctica, y consideró la luz como ondas electromagnéticas dentro de un cierto rango de frecuencia. de la luz y la teoría electromagnética. El éter no sólo es portador de ondas luminosas, sino también de campos electromagnéticos. Hasta finales de 2019, la gente intentó buscar éter, pero nunca se encontró ningún éter en los experimentos.

Pero la electrodinámica encontró un gran problema, que era inconsistente con el principio de relatividad seguido por la mecánica newtoniana. La idea del principio de relatividad existía ya en la época de Galileo y Newton. El desarrollo del electromagnetismo se incluyó originalmente en el marco de la mecánica newtoniana, pero surgieron dificultades para explicar el proceso electromagnético de los objetos en movimiento. Según la teoría de Maxwell, la velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío, es decir, la velocidad de la luz, es constante. Pero según el principio de suma de velocidades de la mecánica newtoniana, la velocidad de la luz en diferentes sistemas inerciales es diferente, lo que plantea una pregunta: ¿el principio de relatividad aplicable a la mecánica se aplica al electromagnetismo? Por ejemplo, hay dos coches, uno se acerca y el otro se aleja. Ves las luces del coche que tienes delante acercándose y las luces del coche que tienes detrás a lo lejos. Según la teoría de Maxwell, la velocidad de ambas luces es la misma y la velocidad del coche no influye en ello. Pero según la teoría de Galileo, las medidas de estos dos objetos son diferentes. El automóvil que avanza hacia usted acelerará la luz emitida, es decir, la velocidad de la luz del automóvil que va delante = velocidad de la luz + velocidad de la luz que sale del automóvil es más lenta, porque la velocidad de la luz detrás del automóvil = velocidad; de la luz - velocidad de la luz. Las afirmaciones de Maxwell y Galileo sobre la velocidad son claramente opuestas. ¿Cómo solucionamos este desacuerdo?

La física teórica alcanzó su apogeo en el siglo XIX, pero también contuvo una enorme crisis. El descubrimiento de Neptuno mostró el poder teórico incomparable de la mecánica newtoniana. La unidad del electromagnetismo y la mecánica dio a la física una integridad formal, y fue conocida como "un majestuoso sistema arquitectónico y un palacio hermoso y conmovedor". En la mente de la gente, la física clásica ha alcanzado un estado cercano a la perfección. El famoso físico alemán Max Planck le dijo a su maestro cuando era joven que quería dedicarse a la física teórica. El profesor le aconsejó: "Joven, la física es una ciencia terminada y no se desarrollará más. Es una lástima que haya dedicado su vida a esta materia".

Einstein parecía ser el tipo que va a construye un nuevo edificio de física. Durante su estancia en la Oficina de Patentes de Berna, Einstein prestó gran atención a los avances más avanzados en física, pensó profundamente sobre muchos temas y formó sus propios puntos de vista únicos. Durante sus diez años de exploración, Einstein estudió detenidamente la teoría electromagnética de Maxwell, especialmente la electrodinámica desarrollada y elaborada por Hertz y Lorentz. Einstein creía firmemente que la teoría electromagnética era completamente correcta, pero había un problema que lo inquietaba y era la existencia del sistema de referencia absoluto éter. Leyó muchos libros y descubrió que todos los experimentos que demostraban la existencia del éter habían fracasado. Después de la investigación, Einstein descubrió que el éter no tenía ningún significado práctico en la teoría de Lorentz excepto como carga del sistema de referencia absoluto y del campo electromagnético. Entonces pensó: ¿Es necesario tener un marco de referencia absoluto? ¿Es necesario cargar el campo electromagnético?

A Einstein le gustaba leer obras filosóficas y absorber el alimento ideológico de la filosofía. Creía en la unidad y la coherencia lógica del mundo. El principio de la relatividad ha sido ampliamente probado en mecánica, pero no puede establecerse en electrodinámica. Einstein cuestionó la inconsistencia lógica entre los dos sistemas teóricos de la física. Creía que el principio de la relatividad debería ser universalmente cierto, por lo que para cada sistema inercial la teoría electromagnética debería tener la misma forma, pero aquí surge el problema de la velocidad de la luz. Si la velocidad de la luz es constante o variable se ha convertido en la cuestión principal de si el principio de la relatividad es universalmente válido. Los físicos de esa época creían generalmente en el éter, es decir, que existía un sistema de referencia absoluto, que estaba influenciado por el concepto de espacio absoluto de Newton. A finales de 19, Mach criticó la visión absoluta de Newton sobre el espacio y el tiempo en "Desarrollo de la mecánica", lo que dejó una profunda impresión en Einstein. Un día de mayo de 1905, Einstein y un amigo Bezos discutieron este problema que había sido explorado durante diez años. Bezo elaboró ​​sus puntos de vista en términos de machismo y lo discutieron extensamente.

De repente, Einstein se dio cuenta de algo. Fue a casa y pensó en ello una y otra vez, y finalmente lo descubrió. Al día siguiente, volvió a la casa de Bezo y dijo: gracias, mi problema ha sido resuelto. Resulta que Einstein tenía una cosa clara: no existe una definición absoluta del tiempo y existe una relación inseparable entre el tiempo y la velocidad de las señales luminosas. Encontró la llave de la cerradura y, después de cinco semanas de arduo trabajo, Einstein demostró la teoría especial de la relatividad.

El 30 de junio de 1905, el "Anuario Alemán de Física" aceptó el artículo de Einstein "Sobre la electrodinámica de los objetos en movimiento" y lo publicó en septiembre del mismo año. Este artículo es el primer artículo sobre la teoría especial de la relatividad y contiene las ideas básicas y el contenido de la teoría especial de la relatividad. La relatividad especial se basa en dos principios: el principio de la relatividad y el principio de la velocidad constante de la luz. El punto de partida de Einstein para resolver problemas fue su firme creencia en el principio de la relatividad. Galileo fue el primero en desarrollar la idea del principio de relatividad, pero no dio una definición clara de tiempo y espacio. Newton también habló de la teoría de la relatividad cuando estableció el sistema mecánico, pero también definió el espacio absoluto, el tiempo absoluto y el movimiento absoluto. Se contradice en este tema. Einstein desarrolló en gran medida los principios de la relatividad. En su opinión, no existe un espacio absolutamente estático ni un tiempo absolutamente inmutable. Todo el tiempo y el espacio están ligados a objetos en movimiento. Para cualquier sistema de referencia y sistema de coordenadas, solo existe espacio y tiempo que pertenecen a este sistema de referencia y sistema de coordenadas. Para todos los sistemas inerciales, las leyes físicas expresadas por el espacio y el tiempo del sistema de referencia son las mismas en forma. Este es el principio de relatividad. Estrictamente hablando, es el principio de relatividad en un sentido estricto. En este artículo, Einstein no habló mucho sobre la velocidad constante de la luz como base de su principio básico. Propuso que la velocidad de la luz permanece constante, lo cual era una suposición audaz basada en los requisitos de la teoría electromagnética y el principio de la relatividad. Este artículo es el resultado de muchos años de reflexión de Einstein sobre el éter y la electrodinámica. También estableció una nueva teoría del espacio-tiempo desde la perspectiva de la relatividad y dio una forma completa de la electrodinámica de los objetos en movimiento basada en esta nueva teoría del espacio-tiempo. El éter ya no es necesario, la deriva del éter no existe.

¿Qué es la relatividad de la simultaneidad? ¿Cómo sabemos que eventos en dos lugares diferentes están sucediendo al mismo tiempo? Generalmente confirmamos mediante señales. Para conocer la simultaneidad de eventos en diferentes lugares, tenemos que conocer la velocidad de transmisión de la señal, pero ¿por qué no obtenemos esta velocidad? Tenemos que medir la distancia espacial entre dos lugares y el tiempo que tarda la señal en viajar. Medir distancias en el espacio es fácil, pero el problema radica en medir el tiempo. Debemos suponer que hay un reloj alineado en cada ubicación y que el tiempo de propagación de la señal se puede conocer a partir de las lecturas de ambos relojes. Pero, ¿cómo sabemos que los relojes de diferentes lugares son correctos? La respuesta es que se necesita otra señal. ¿Puede esta señal configurar el reloj correctamente? Si seguimos el pensamiento anterior, necesita una nueva señal, por lo que retrocederá infinitamente y no se puede confirmar la simultaneidad en diferentes lugares. Pero una cosa está clara: la simultaneidad debe estar asociada a una señal, de lo contrario no tiene sentido decir que estas dos cosas sucedieron al mismo tiempo.

Las señales luminosas pueden ser las señales más adecuadas para los relojes, pero la velocidad de la luz no es infinita, lo que lleva a la novedosa conclusión de que dos cosas suceden simultáneamente para un observador estacionario y para un observador en movimiento. suceder al mismo tiempo. Imaginemos un tren de alta velocidad que viaja a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando el tren pasó por el andén, A se paró en el andén. Dos relámpagos aparecieron frente a los ojos de A, uno en el extremo delantero del tren y el otro en la parte trasera, dejando huellas en ambos extremos del tren y correspondientes. partes de la plataforma. Mediante la medición, la distancia entre A y los dos extremos del tren es igual. La conclusión es que A vio dos relámpagos al mismo tiempo. Por lo tanto, para A, las dos señales luminosas recibidas recorren la misma distancia en el mismo intervalo de tiempo, llegando a su ubicación al mismo tiempo. Estas dos cosas deben suceder al mismo tiempo y al mismo tiempo. Pero para B en el centro del tren, la situación es diferente. Debido a que B se mueve con el tren de alta velocidad, primero interceptará la señal frontal que se le transmite y luego recibirá la señal óptica trasera. Para B, estos dos eventos son diferentes al mismo tiempo. En otras palabras, la simultaneidad no es absoluta sino que depende del estado de movimiento del observador. Esta conclusión niega el marco del tiempo absoluto y del espacio absoluto basado en la mecánica newtoniana.

La teoría de la relatividad sostiene que la velocidad de la luz es constante en todos los sistemas de referencia inerciales y es la velocidad máxima a la que se mueven los objetos. Debido a los efectos relativistas, la longitud de un objeto en movimiento se acortará y el tiempo de un objeto en movimiento se dilatará. Pero debido a problemas encontrados en la vida diaria, la velocidad del movimiento es muy baja (en comparación con la velocidad de la luz) y no se observan efectos relativistas.

Einstein estableció la mecánica relativista basándose en cambiar completamente la visión del espacio y el tiempo, señalando que la masa aumenta con la velocidad, y cuando la velocidad se acerca a la velocidad de la luz, la masa tiende al infinito. También dio una famosa relación masa-energía: E=mc2, que desempeñó un papel rector en el posterior desarrollo de la energía atómica.

El establecimiento de la teoría general de la relatividad

En 1905, Einstein publicó el primer artículo sobre la teoría especial de la relatividad, que no suscitó inmediatamente una gran respuesta. Pero Planck, la autoridad alemana en física, se dio cuenta de su artículo y creyó que el trabajo de Einstein era comparable al de Copérnico. Fue precisamente gracias a la promoción de Planck que la teoría de la relatividad se convirtió rápidamente en un tema de investigación y discusión, y Einstein también atrajo la atención de la comunidad académica.

En 1907, Einstein siguió el consejo de sus amigos y presentó su famoso artículo para postularse para el puesto de profesor no permanente en el Instituto Federal de Tecnología, pero la respuesta que recibió fue que el artículo no podía entenderse. Aunque Einstein era muy conocido en la comunidad física alemana, en Suiza no pudo obtener un puesto docente en una universidad y muchos personajes famosos comenzaron a quejarse de él. En 1908, Einstein finalmente consiguió el puesto de profesor no titular y al año siguiente se convirtió en profesor asociado. En 1912, Einstein se convirtió en profesor y en 1913, por invitación de Planck, se convirtió en director del recién creado Instituto de Física del Kaiser Wilhelm y en profesor de la Universidad de Berlín.

Al mismo tiempo, Einstein estaba considerando ampliar la teoría aceptada de la relatividad. Para él, había dos preguntas incómodas. El primero es la cuestión de la gravedad. La relatividad especial es correcta para las leyes físicas de la mecánica, la termodinámica y la electrodinámica, pero no puede explicar el problema de la gravitación universal. La teoría de la gravedad de Newton es a distancia. La interacción gravitacional entre dos objetos se transmite instantáneamente, es decir, a una velocidad infinita. Esto entra en conflicto con la visión de campo en la que se basa la teoría de la relatividad y el límite de la velocidad de la luz. El segundo problema son los marcos no inerciales. La relatividad especial, al igual que las leyes físicas anteriores, sólo se aplica a los marcos inerciales. Pero, de hecho, es difícil encontrar un verdadero sistema inercial. Lógicamente hablando, todas las leyes naturales no deberían limitarse a los sistemas inerciales, y también deben considerarse los sistemas no inerciales. La relatividad especial difícilmente puede explicar la llamada paradoja de los gemelos. La paradoja es que hay dos hermanos gemelos. Mi hermano viaja en una nave espacial a una velocidad cercana a la de la luz. Según los efectos de la relatividad, los relojes de alta velocidad se ralentizan. Cuando mi hermano regresó, ya era muy mayor porque llevaba décadas en la tierra. Según el principio de relatividad, la nave espacial se mueve a gran velocidad en relación con la Tierra, y la Tierra también se mueve a gran velocidad en relación con la nave espacial. El hermano menor parece más joven que el hermano mayor, y el hermano mayor debería parecer más joven. Esta pregunta simplemente no puede responderse. De hecho, la teoría de la relatividad especial sólo se ocupa del movimiento lineal uniforme. Mi hermano tuvo que pasar por un proceso de movimiento de velocidad variable antes de poder regresar. Mientras la gente estaba ocupada entendiendo la teoría especial de la relatividad, Einstein estaba llegando a un acuerdo con la finalización de la relatividad general.

En 1907, Einstein escribió un largo artículo sobre la teoría especial de la relatividad, "Sobre los principios de la relatividad y las conclusiones extraídas de ellos". En este artículo, Einstein mencionó por primera vez el principio de equivalencia y, desde entonces, sus ideas sobre el principio de equivalencia han seguido desarrollándose. Basándose en la ley natural de que la masa inercial es proporcional a la masa gravitacional, propuso que un campo gravitacional uniforme dentro de un volumen infinitesimal puede reemplazar completamente el marco de referencia del movimiento acelerado. Einstein también propuso la idea de una caja cerrada: no importa qué método se utilice, un observador en una caja cerrada no puede determinar si todavía está en un campo gravitacional o en un espacio que no tiene campo gravitacional pero que está acelerando. Este es el punto de vista más comúnmente utilizado para explicar el principio de equivalencia. La igualdad de la masa inercial y la masa gravitacional es un corolario natural del principio de equivalencia.

En junio de 1915438+01, Einstein presentó cuatro artículos a la Academia de Ciencias de Prusia. En estos cuatro artículos, propuso nuevas ideas, demostró la precesión del perihelio de Mercurio y dio la ecuación correcta del campo gravitacional. En este punto, los problemas básicos de la relatividad general se resolvieron y nació la relatividad general. En 1916, Einstein completó su extenso artículo "Fundamentos de la Relatividad General". En este artículo, Einstein llamó por primera vez relatividad especial a la teoría de la relatividad que alguna vez se aplicó a los marcos inerciales, y al principio de que sólo las leyes físicas de los marcos inerciales son iguales a los principios de la relatividad especial como relatividad especial, y afirmó además los principios de relatividad general: Para cualquier sistema de referencia en movimiento, las leyes de la física deben cumplirse.

La teoría general de la relatividad de Einstein cree que el espacio-tiempo se curvará debido a la existencia de materia, y el campo gravitacional es en realidad un espacio-tiempo curvo. La teoría de Einstein de que el espacio está curvado por la gravedad del Sol explica muy bien los inexplicables 43 segundos de precesión del perihelio de Mercurio. La segunda predicción de la relatividad general es el corrimiento al rojo gravitacional, es decir, el espectro se mueve hacia el extremo rojo en un fuerte campo gravitacional, lo cual fue confirmado por los astrónomos en la década de 1920. La tercera predicción de la relatividad general es que los campos gravitacionales desvían la luz. El campo gravitacional más cercano a la Tierra es el campo gravitacional del sol. Einstein predijo que si la luz de una estrella distante atravesara la superficie del sol, se desviaría durante 1,7 segundos. En 1919, con el apoyo del astrónomo británico Eddington, Gran Bretaña envió dos expediciones para observar un eclipse solar total en dos lugares. Después de un estudio cuidadoso, la conclusión final fue que la luz de las estrellas se desviaba alrededor del sol durante 1,7 segundos. La Royal Society y la Royal Astronomical Society leyeron oficialmente el informe de observación, confirmando que las conclusiones de la relatividad general son correctas. En la reunión, el famoso físico y presidente de la Royal Society, Tang Musun, dijo: "Este es el logro más significativo en la teoría de la gravedad desde la época de Newton" y "la teoría de la relatividad de Einstein es uno de los mayores logros del pensamiento humano". Einstein se convirtió en una figura periodística. En 1916, escribió un libro "Sobre la teoría general y especial de la relatividad", que se reimprimió 40 veces en 1922, se tradujo a más de una docena de idiomas y tuvo una amplia circulación.

La importancia de la teoría de la relatividad

La teoría especial de la relatividad y la teoría general de la relatividad se han establecido desde hace mucho tiempo. Ha resistido la prueba de la práctica y la historia y es una verdad reconocida. La teoría de la relatividad ha tenido una gran influencia en el desarrollo de la física moderna y en el desarrollo del pensamiento humano moderno. La teoría de la relatividad unifica lógicamente la física clásica y hace de la física clásica un sistema científico completo.

Sobre la base de los principios de la relatividad especial, la relatividad especial unifica la mecánica newtoniana y la electrodinámica de Maxwell, señalando que ambas obedecen a los principios de la relatividad especial y son covariantes de la transformación de Lorentz, mientras que la mecánica newtoniana es sólo un buen método para el movimiento a baja velocidad. de objetos. Leyes de aproximación. Sobre la base de la covarianza general, la teoría general de la relatividad estableció la relación entre la longitud inercial local y el coeficiente de referencia universal a través del principio de equivalencia, obtuvo la forma covariante general de todas las leyes físicas y estableció la teoría covariante general de la gravedad, mientras que la teoría newtoniana gravedad La teoría es sólo una aproximación de primer orden de la misma. Esto resuelve fundamentalmente el problema de que la física se limitara a coeficientes de inercia en el pasado y está organizado de manera lógica y razonable. La teoría de la relatividad examina estrictamente los conceptos básicos de la física como el tiempo, el espacio, la materia y el movimiento, y proporciona una visión científica y sistemática del tiempo, el espacio y la materia, haciendo así de la física un sistema científico lógicamente completo.

La teoría especial de la relatividad da las leyes del movimiento de objetos a alta velocidad, propone que la masa y la energía son equivalentes y da la relación entre masa y energía. Estos dos resultados no son obvios para objetos macroscópicos que se mueven a bajas velocidades, pero son extremadamente importantes en el estudio de partículas microscópicas. Debido a que la velocidad de las partículas microscópicas es generalmente relativamente rápida, y algunas se acercan o incluso alcanzan la velocidad de la luz, la física de partículas es inseparable de la teoría de la relatividad. La relación masa-energía no sólo crea las condiciones necesarias para el establecimiento y desarrollo de la teoría cuántica, sino que también proporciona la base para el desarrollo y aplicación de la física nuclear.

La relatividad general estableció una teoría completa de la gravedad, involucrando principalmente a los cuerpos celestes. Hoy en día, la cosmología relativista se ha desarrollado aún más, la física de las ondas gravitacionales, la astrofísica compacta y la física de los agujeros negros, que son astrofísica relativista, han logrado ciertos avances, lo que ha atraído a muchos científicos a estudiar.

Un físico francés dijo una vez de Einstein: "Einstein estará a la vanguardia de los físicos de nuestro tiempo". Ahora es y será la persona más destacada del universo humano. "En mi opinión, puede ser más grande que Newton, porque su contribución a la ciencia ha entrado más profundamente en la estructura de la esencia básica del pensamiento humano."

Entrevistado: Yao Ge-Scholar Nivel 2 7 - 11 13:13.

La teoría de la relatividad es la teoría básica sobre el espacio-tiempo y la gravedad. Fue fundada principalmente por Einstein y se divide en relatividad especial (relatividad especial) y relatividad general (relatividad general). Los supuestos básicos de la teoría de la relatividad son el principio de velocidad constante de la luz, el principio de relatividad y el principio de equivalencia. La relatividad y la mecánica cuántica son los dos pilares básicos de la física moderna. La mecánica clásica, que sienta las bases de la física clásica, no es adecuada para objetos que se mueven a alta velocidad y objetos en condiciones microscópicas. 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 ha cambiado en gran medida los conceptos de sentido común sobre el universo y la naturaleza, y ha propuesto nuevos conceptos como la relatividad simultánea, el espacio-tiempo de cuatro dimensiones y el espacio curvo.

La relatividad especial es una teoría de la relatividad que se limita a hablar de sistemas inerciales. La visión de Newton del espacio y el tiempo cree que el espacio es un espacio tridimensional plano, isotrópico e isotrópico: el espacio absoluto, y el tiempo es una dimensión única independiente del espacio (y por lo tanto absoluta), es decir, la visión absoluta del espacio y el tiempo. . La relatividad especial cree que el espacio y el tiempo no son independientes entre sí, sino un todo espacio-tiempo unificado de cuatro dimensiones, y que no existe un espacio y un tiempo absolutos. En la teoría especial de la relatividad, todo el espacio-tiempo sigue siendo plano, isotrópico e isotrópico, que es la situación ideal correspondiente al "marco inercial global". La relatividad especial supone que la velocidad de la luz en el vacío es constante. Combinando los principios de la relatividad especial con las propiedades espacio-temporales mencionadas anteriormente, se puede derivar la transformación de Lorentz.

La relatividad general es una teoría publicada por Einstein en 1915. Einstein propuso el "principio de equivalencia" de que la gravedad y las fuerzas de inercia son equivalentes. Este principio se basa en la equivalencia de masa gravitacional y masa inercial (actualmente se ha confirmado experimentalmente que está entre 10 y 12, todavía no existe diferencia entre masa gravitacional y masa inercial). Según el principio de equivalencia, Einstein amplió el principio de la relatividad en sentido estricto al principio de la relatividad general, es decir, la forma de las leyes físicas no cambia en todos los sistemas de referencia. La ecuación de movimiento de un objeto es la ecuación geodésica en el sistema de referencia. La ecuación geodésica no tiene nada que ver con las propiedades inherentes del objeto en sí, sino que solo depende de las propiedades geométricas locales del tiempo y el espacio. La gravedad es una manifestación de las propiedades geométricas locales del espacio-tiempo. La presencia de masa material hace que el espacio-tiempo se curve. En el espacio-tiempo curvo, los objetos todavía se mueven a lo largo de la distancia más corta (es decir, a lo largo de las geodésicas, en el espacio euclidiano). Por ejemplo, el movimiento geodésico de la Tierra en el espacio-tiempo curvo causado por el sol en realidad gira alrededor del sol, produciendo un efecto gravitacional. Al igual que en la superficie curva de la Tierra, si te mueves en línea recta, en realidad estás caminando alrededor de un gran círculo en la superficie de la Tierra.

Teoría de la relatividad inversa: La teoría de la relatividad también ha sido criticada por muchas personas, que creen que es errónea y ha dificultado mucho el desarrollo de la sociedad. Sin embargo, esta opinión no es aceptada por la comunidad científica dominante.

Einstein y su teoría de la relatividad

Además de la teoría cuántica, Einstein publicó un artículo en 1905 titulado "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" que desencadenó otra revolución de 20 años en física. Este artículo estudia el impacto del movimiento de los objetos en los fenómenos ópticos, que era otro problema difícil al que se enfrentaba la física clásica en aquella época.

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 c. A finales del siglo XIX, la teoría de Maxwell fue completamente confirmada por experimentos. .

¿Qué son las ondas electromagnéticas? ¿A quién se propaga a una velocidad c? La opinión popular en ese momento era que todo el universo estaba lleno de una sustancia especial llamada "éter", y las ondas electromagnéticas eran la propagación de las vibraciones del éter. Pero se descubrió que ésta era una teoría llena de contradicciones. Si pensamos que la Tierra se mueve en un 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 refuta esta conclusión. Si pensamos que la Tierra se lleva el éter, obviamente es inconsistente con algunas observaciones astronómicas.

En 1887, Michelson y Morley realizaron mediciones muy precisas utilizando el fenómeno de interferencia de la luz, pero todavía no descubrieron ningún movimiento de la Tierra con respecto al éter. En este sentido, H.A. Lorenz propuso la hipótesis de que todos los objetos que se mueven en el éter deberían encogerse en la dirección del movimiento. A partir de esto demostró que incluso si la Tierra se moviera en relación con el éter, Michelson no podría encontrarlo. Einstein abordó este problema desde una forma de pensar completamente diferente. Señaló que mientras se abandonen los conceptos de Newton de espacio absoluto y tiempo absoluto, todas las dificultades podrán resolverse y no habrá necesidad alguna de éter.

Einstein propuso dos principios básicos como base para discutir los fenómenos ópticos de los objetos en movimiento. 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 si queremos admitir que estos dos principios no están en conflicto, debemos volver a analizar los conceptos físicos de tiempo y espacio.

La ley de síntesis de velocidad en la mecánica clásica en realidad depende de los dos supuestos siguientes: 1. El intervalo de tiempo entre dos eventos no tiene nada que ver con el estado de 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 se deben abandonar ambos supuestos. 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. La distancia también 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' con apóstrofes reemplazarán a las variables espacio-temporales X, Y, Z y T. Cualquier natural La formulación de las leyes seguirá tomando la misma forma que antes. Lo que la gente llama leyes universales de la naturaleza son covariantes con respecto a las transformaciones de Lorentz. Esto es muy importante para que exploremos las leyes universales de la naturaleza.

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 continuo de cuatro dimensiones, generalmente llamado espacio de cuatro dimensiones 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 completamente diferentes y eran cantidades conservadas 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 = mc2, 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. Esta maravillosa fórmula sentó las bases teóricas para que los humanos obtuvieran enormes cantidades de energía, crearan bombas atómicas y bombas de hidrógeno y utilizaran la energía atómica para generar electricidad.

A la mayoría de los físicos, incluido Lorenz, el fundador de la relación de transformación relativista, les resulta difícil aceptar estos nuevos conceptos introducidos por Einstein. Los obstáculos derivados de antiguas formas de pensar impidieron que esta nueva teoría física se convirtiera en familiar para los físicos hasta una generación más tarde. Incluso cuando el Premio de Ciencias de la Real Academia Sueca fue otorgado a Einstein en 1922, sólo se dijo que "por su contribución a la física teórica y por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico" no se mencionó la teoría de la relatividad. .

Einstein estableció además la teoría general de la relatividad en 1915. El principio de relatividad en sentido estricto se limita a dos sistemas de coordenadas de movimiento uniforme, mientras que en el principio de relatividad general se elimina la restricción del movimiento uniforme.

Introdujo un principio de equivalencia, argumentando que es imposible distinguir entre efectos gravitacionales y movimiento no uniforme, es decir, el movimiento no uniforme y la gravedad son equivalentes. Analizó además el fenómeno de que la luz se desvía por la gravedad cuando pasa cerca de una línea, y creía que el concepto de gravedad en sí era completamente innecesario. Se puede pensar que la masa del planeta hace que el espacio cercano a él sea curvo y los rayos de luz tomen el camino más corto. Basándose en estas discusiones, Einstein derivó un conjunto de ecuaciones que determinaron la geometría del espacio curvo debido a la presencia de materia. Usando esta ecuación, Einstein calculó el desplazamiento del perihelio de Mercurio, lo cual era completamente consistente con las observaciones experimentales. Resolvió un problema inexplicable de larga data y entusiasmó mucho a Einstein. Le escribió a Ehrenfest... Esta ecuación da el valor correcto para el perihelio. ¡Puedes imaginar lo feliz que estaba! Durante varios días estuve tan feliz que no sabía qué hacer. ”

1915 165438+El 25 de octubre, Einstein presentó un artículo titulado “La ecuación de la gravitación universal” a la Academia de Ciencias de Prusia en Berlín, que analizaba en profundidad la teoría general de la relatividad. En el artículo, no sólo explicó el misterio del movimiento perihelio de la órbita de Mercurio descubierto en observaciones astronómicas, sino que también predijo que la luz de las estrellas se desviaría después de atravesar el sol, con un ángulo equivalente al doble del valor predicho por la teoría de Newton. La guerra retrasó esto. La determinación de un valor numérico El eclipse solar total del 25 de mayo de 1919 brindó la primera oportunidad de observación después de la guerra. El británico Eddington fue a la isla Príncipe, en la costa occidental de África. El 6 de octubre, Thomson anunció solemnemente en la reunión conjunta de la Royal Society y la Royal Astronomical Society que fue Einstein, no Newton, quien demostró este resultado. Elogió "este es uno de los mayores logros en la historia del pensamiento humano". " "Lo que Einstein descubrió no fue una isla aislada, sino un nuevo continente de pensamiento científico". El Times informó sobre esta importante noticia bajo el título "Revolución en la ciencia". La noticia se extendió por todo el mundo y Einstein se convirtió en una celebridad de fama mundial. La relatividad general también ha sido elevada a un estatus mítico y sagrado.

Desde entonces, la gente ha mostrado un interés cada vez mayor en las pruebas experimentales de la relatividad general. Sin embargo, debido a que el campo gravitacional del sistema solar es muy débil y el efecto gravitacional en sí es muy pequeño, los resultados teóricos de la relatividad general se desvían muy poco de la teoría de la gravedad de Newton, lo que dificulta mucho la observación. Desde la década de 1970, gracias a los avances de la radioastronomía, las distancias de observación se han superado con creces.