¿Qué poderosos hechos experimentales prueban firmemente la exactitud de la relatividad especial?
Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y del Instituto de Tecnología de Massachusetts dicen haber demostrado la famosa fórmula masa-energía en la teoría especial de la relatividad de Einstein en el experimento más directo y preciso hasta el momento.
La fórmula masa-energía (E=MC2) establece que la energía total de una sustancia es equivalente a su masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz. Muestra que la energía y la masa se pueden convertir entre sí, mientras que la velocidad de la luz es constante. Esta fórmula fue propuesta por Einstein cuando publicó la teoría de la relatividad especial en 1905. Se considera la base de la teoría de la relatividad especial y también sentó las bases para una nueva visión del tiempo y el espacio.
Previamente, otros físicos habían utilizado múltiples experimentos indirectos para demostrar la exactitud de la fórmula masa-energía. Sin embargo, los científicos creen que estos experimentos tienen ciertos requisitos previos, lo que puede plantear dudas sobre la amplia aplicabilidad de la fórmula masa-energía. Los científicos estadounidenses publicaron un artículo en la revista "Nature" publicado el 22 de diciembre, diciendo que el método que utilizaron puede respaldar directamente la fórmula masa-energía.
El principio de este experimento es: Según la fórmula masa-energía, cuando un núcleo captura un nuevo neutrón, su masa se convertirá en la suma de las masas del núcleo original y del neutrón, menos esta. Energía de enlace de neutrones consumida en el proceso, que incluye la energía de los rayos gamma emitida y el retroceso después de la colisión nuclear. Por lo tanto, siempre que se mida y luego se compare el cambio de masa del núcleo atómico antes y después de ser bombardeado por neutrones y la energía emitida durante el bombardeo, se puede verificar la precisión de la fórmula masa-energía.
Los científicos eligieron átomos de silicio y azufre para realizar el experimento. Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología miden la longitud de onda de un rayo gamma basándose en el ángulo en el que se dispersa en una red cristalina, lo que determina la energía del rayo gamma. Los científicos del MIT utilizaron trampas electromagnéticas para "fijar" los átomos antes y después de capturar los neutrones y midieron con precisión sus masas.
Los resultados de sus mediciones muestran que la diferencia entre el producto de la masa y el cuadrado de la velocidad de la luz (MC2) y la energía (E) es de aproximadamente cuatro millonésimas, lo que es suficiente para mostrar la exactitud de la masa. -fórmula energética. Los científicos dijeron en el artículo que esta es "la verificación directa más precisa de la fórmula masa-energía hasta la fecha", que es 55 veces más precisa que las pruebas anteriores.
Todo el mundo sabe que el científico italiano Galileo y el científico británico Newton son los fundadores de la mecánica clásica.
El 25 de diciembre de 1642, Newton nació en el seno de una familia de campesinos en el pueblo de Woolsthorpe, Lincolnshire. Cuando estudiaba en la escuela pública de Grantham a la edad de 12 años, su rendimiento académico no era sobresaliente. Simplemente le encantaba leer y tenía una gran curiosidad por los fenómenos naturales. En 1661, Newton estudió en el Trinity College de la Universidad de Cambridge y se convirtió en un estudiante destacado. En 1669, con sólo 27 años, se desempeñó como profesor de matemáticas en Cambridge. En 1672, fue elegido miembro de la Royal Society. En 1687, Newton publicó los famosos "Principios matemáticos de la filosofía natural", completando un descubrimiento histórico: las tres leyes del movimiento, y discutió la gravitación universal y el movimiento de los cuerpos celestes. Newton utilizó su cálculo inventado por él mismo para abordar con éxito el problema de los dos cuerpos y el problema de los tres cuerpos en la teoría de la gravedad. ¡Se puede decir que la mecánica clásica hizo una contribución significativa al progreso y desarrollo de la humanidad en las condiciones históricas de aquella época!
Existe un término en la mecánica clásica llamado sistema inercial. Se refiere a todos los sistemas de referencia que permiten establecer la ley del movimiento lineal uniforme. Si se quieren establecer las leyes de la mecánica, el estado de movimiento del sistema de coordenadas no puede ser arbitrario. No debe haber aceleración (sólo movimiento uniforme) ni rotación (sólo movimiento lineal). Por ejemplo, en el sistema solar, la Tierra no se mueve en línea recta uniforme con respecto al Sol, por lo que, estrictamente hablando, la Tierra no es un sistema inercial. Pero cuando consideramos algunos fenómenos de movimiento en la Tierra, el sistema de referencia terrestre todavía puede considerarse como un sistema inercial.
La mecánica clásica cree que: las leyes mecánicas, el tiempo, la longitud, la aceleración, la masa y la simultaneidad son todas absolutas, y sólo las coordenadas y la velocidad del movimiento de los objetos son relativas. Ésta es la "visión absoluta del espacio-tiempo" de Newton. Sin embargo, las deficiencias de esta "visión absoluta del tiempo y el espacio" y su incompatibilidad con el movimiento de alta velocidad no fueron gradualmente expuestas hasta finales del siglo XIX. Con el descubrimiento de los electrones en 1891, los científicos se enfrentaron por primera vez a partículas microscópicas que se movían a alta velocidad. En ese momento, la mecánica clásica de Newton parecía impotente. Por lo tanto, la mecánica clásica es sólo una teoría mecánica aplicable únicamente a objetos macroscópicos que se mueven a bajas velocidades.
Albert Einstein nació el 14 de marzo de 1879 en la pequeña localidad alemana de Ulm. Sus padres eran ambos judíos.
Al igual que Newton, Einstein no mostró ninguna inteligencia superior cuando era joven. Al contrario, no podía hablar cuando tenía más de 4 años. Su familia incluso temía que fuera un imbécil. En 1888, cuando tenía 9 años, ingresó a la escuela secundaria. No destacó académicamente. Excepto por ser bueno en matemáticas, no fue muy bueno en otras materias. Cuando tenía 12 años, Einstein abandonó su creencia en la religión. Descubrió que había un enorme mundo natural a su alrededor, que existía independientemente de los seres humanos, como un misterio eterno. Por lo tanto, cuando era niño, a Einstein le gustaba especialmente la ciencia y esperaba dominar los misterios del mundo natural.
En 1896, Einstein fue admitido en la Universidad Federal de Tecnología de Zurich. Durante la universidad, Einstein quedó fascinado con la física. Leyó las obras de los famosos físicos alemanes Kirchhoff, Hertz y otros, estudió la teoría electromagnética de Maxwell y la mecánica de Mach y, a menudo, iba a casa de profesores de física teórica en busca de consejo. En 1900, Einstein se graduó en la universidad. En 1902, con la ayuda de su amigo Grossmann, Einstein se convirtió en técnico ordinario en la Oficina Federal Suiza de Patentes en Berna.
El 30 de junio de 1905, los "Anales de Física" alemanes aceptaron el artículo de Einstein "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" y lo publicaron en la revista en septiembre del mismo año. Este artículo fue el primer artículo sobre la teoría especial de la relatividad, y fue seguido más tarde (también en 1905) por otro artículo "¿Está relacionada la inercia de un objeto con la energía que contiene?" 》. Además, en 1907 Einstein publicó otro extenso artículo "Sobre el principio de la relatividad y las conclusiones que se derivan de él". Estos tres artículos contienen las ideas básicas y los contenidos principales de la relatividad especial y también son la base de nuestra discusión.
Entonces, ¿cuál es la diferencia entre las ideas básicas de la "Teoría Especial de la Relatividad" de Einstein y la "Mecánica Clásica" de Newton? Einstein creía que sólo las leyes de la física y la velocidad de la luz son absolutas en el universo, y todo lo demás (incluido el tiempo, la longitud, la masa, la simultaneidad, etc.) es relativo. Por lo tanto, la longitud y el tiempo cambian con el movimiento del sistema de referencia, por lo que el espacio y el tiempo son relativos y están relacionados entre sí. De aquí proviene el término "relatividad". ¿Por qué se llama "Teoría Especial de la Relatividad"? Esto se debe a que esta parte de la teoría sólo es aplicable a sistemas inerciales que se mueven de manera relativamente uniforme en línea recta.
2.Repaso de los contenidos principales de "Teoría Especial de la Relatividad"
La "Teoría Especial de la Relatividad" de Einstein se puede resumir en 10 aspectos principales, a saber, 1 transformación, 2 postulados, 3 fórmulas y 4 inferencias. La siguiente es una breve introducción a los contenidos principales de estos 10 aspectos:
(1) Una transformación es la transformación de Lorentz, que es diferente de la transformación de Galileo. La transformación de Galileo determina ese tiempo en diferentes sistemas de referencia. es absoluta, la velocidad (incluida la velocidad de la luz) es relativa. La transformación de Lorentz determina que el tiempo es relativo y la velocidad de la luz es constante. Si la velocidad de movimiento de un objeto es mucho menor que la velocidad de la luz, entonces la transformación de Lorentz se simplifica a la transformación de Galileo.
(2), 2 postulados: El primer postulado es que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas inerciales, que es lo que solemos llamar el "principio de la relatividad especial". Esto significa que no sólo las leyes de la mecánica también son verdaderas en todos los sistemas inerciales, sino que también son verdaderas las leyes del electromagnetismo, la óptica, las leyes atómicas y otras leyes físicas; el segundo postulado es el postulado de la "invariancia de la velocidad de la luz": es decir, la velocidad de la luz en el vacío es una constante. No tiene nada que ver con el movimiento del observador o la fuente de luz, ni con el color de la luz. Para ser más claro, la velocidad de la luz c en el vacío no tiene nada que ver con la frecuencia de la luz, el movimiento de la fuente de luz y el movimiento del observador, sino que siempre permanece un valor constante (c=299792458m/s).
(3). Las tres fórmulas son la fórmula de síntesis de velocidad, la fórmula de velocidad masa y la fórmula de relación masa-energía:
a. , Si un objeto en el sistema se mueve en la misma dirección con velocidad u, la velocidad resultante w de la relatividad especial se expresa de la siguiente manera. Obviamente, solo cuando u << c, v << c, esta fórmula es consistente con la mecánica newtoniana: w = u + v.
b. Fórmula de velocidad de masa: m es la masa dinámica de cualquier partícula u objeto, mo es su masa estática. Si su velocidad de movimiento v>c, m se convierte en un número imaginario. Por lo tanto, Einstein creía que la masa virtual no tiene sentido, lo cual es una de las razones por las que la teoría especial de la relatividad dice que "el movimiento superligero es imposible".
c. Fórmula relacional masa-energía: E = mc? En 1922, Einstein explicó esta fórmula de la siguiente manera: Se puede ver que la masa y la energía son esencialmente similares, son simplemente la misma cosa, solo que son expresiones diferentes. formas. La masa de un objeto no es constante; cambia a medida que cambia su energía.
(4). Los cuatro corolarios son que la longitud de la dirección del movimiento se acorta, el reloj del movimiento se ralentiza, la masa en reposo de los fotones es cero y la materia y la información no pueden moverse a velocidades superpuestas. velocidad de la luz.
Se puede ver en la revisión anterior que el contenido principal de la "Teoría Especial de la Relatividad" se concentra en "una transformación y dos postulados", y están estrechamente relacionados entre sí. En cuanto a las "tres fórmulas y cuatro inferencias", se derivan de las tres anteriores.
3. Principales cuestiones y dudas de la “Teoría Especial de la Relatividad” de Einstein
Han pasado 101 años desde que se propuso la “Teoría Especial de la Relatividad”. En la actualidad, debido a que la "Teoría Especial de la Relatividad" no puede explicar completamente muchos problemas de la física moderna, algunos científicos en China, Estados Unidos y Alemania están diseñando varios experimentos para volver a probar la exactitud de la "Teoría Especial de la Relatividad". En la última década, la comunidad científica internacional se ha centrado principalmente en: el postulado de la invariancia de la velocidad de la luz, la inferencia de que la longitud de la dirección del movimiento se acorta, la inferencia de que la masa en reposo de los fotones es cero , y que la materia y la información no pueden moverse a velocidades superligeras ” Inferencia y otros cuatro aspectos. El motivo de las dudas se debe en última instancia a la falta de confirmación experimental y al creciente número de experimentos que no lo confirman.
(1) Respecto al cuestionamiento del postulado de la "invariancia de la velocidad de la luz":
La luz es una onda electromagnética, una onda que se propaga en el campo electromagnético. el campo electromagnético debería Tiene su propia velocidad característica, que es igual a la velocidad de la luz, al igual que la velocidad de las ondas sonoras en el aire en calma tiene un valor determinado. Y como la velocidad de la luz no tiene nada que ver con la velocidad de la fuente, la velocidad de la luz es una constante para el sistema de coordenadas absoluto (esto se ha demostrado en la teoría electromagnética de Maxwell y Lorentz). Puede reflejar ciertas características del sistema de coordenadas absoluto, por lo que la velocidad de la luz tiene su invariancia.
Además, la "Teoría Especial de la Relatividad" sostiene que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, y la velocidad de la luz no tiene nada que ver con la velocidad del receptor. Creemos que la velocidad de la luz está estrechamente relacionada con la del receptor, es decir, la velocidad del observador afectará directamente la velocidad de la luz medida por el receptor: la velocidad de la luz medida por el receptor corriendo en la misma dirección que la luz. será menor y la velocidad de la luz medida por el receptor que corre en la dirección opuesta a la luz será menor. La velocidad medida de la luz será mayor. Por ejemplo, las observaciones de la radiación de microondas 3K y las ondas de radio de las radiogalaxias han encontrado una anisotropía obvia en la dirección del movimiento de la Tierra. Estos experimentos astronómicos demostraron de manera concluyente que la velocidad de la luz está relacionada con la velocidad del receptor. Por tanto, la velocidad de la luz vuelve a ser variable.
En definitiva, la velocidad de la luz sigue desempeñando un papel importante y especial. Su importancia significa que es necesario definir algunos conceptos básicos (como el sistema de coordenadas absoluto, etc.), y su particularidad significa que es una cantidad variable e inmutable, etc.
(2) Cuestionar la inferencia de que "la masa en reposo de un fotón es cero":
"La masa en reposo de un fotón es cero" es en realidad un corolario del segundo postulado de la "Teoría Especial de la Relatividad", porque Einstein creía que la luz se propaga a una velocidad constante c respecto de todos los sistemas inerciales en el vacío, por lo que no habrá ningún sistema estacionario para los fotones, por lo que la masa estática de los fotones debe ser cero. Al mismo tiempo, según la inferencia de la "Teoría Especial de la Relatividad", los fotones reducen la regla a cero y los fotones son partículas sin volumen. De manera similar, el reloj de fotones se detendrá y perderá el concepto de tiempo. Este asunto siempre ha preocupado a los científicos, quienes han realizado varios experimentos. En los años 70, cuando el famoso físico experimental Ting Zhaozhong realizaba experimentos con fotones y electrones en el acelerador de Hamburgo, descubrió que los fotones no tienen masa en reposo. Cuando los fotones tienen alta energía, rápidamente se convertirán en partículas con una determinada vida útil y masa. A este fenómeno lo llamó fotones pesados. En 1998, el japonés Masatoshi Oshiba anunció los resultados experimentales: los neutrinos tienen una masa estática de unos 10 gramos, y por ello ganó el Premio Nobel de Física en 2002. Sabemos que los fotones son muy similares a los neutrinos, lo cual es notable. Las "Physics Review Letters" estadounidenses publicadas el 28 de febrero de 2003 publicaron los nuevos resultados obtenidos por el profesor Luo Jun del Departamento de Física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en China y su equipo de investigación en el proyecto de investigación "Usando una balanza de torsión de precisión". para probar el límite superior de la masa en reposo del fotón". En cualquier caso, la masa en reposo del fotón no excederá los 10 kilogramos, que es 1/20 del límite superior de masa del fotón previamente conocido. O en otras palabras, la masa de un electrón es 10 elevada a la 24ª potencia negativa.
El físico estadounidense R. Luck comentó al respecto: "Nunca se puede decir con certeza que algo es absolutamente cero".
(3) Cuestionando la inferencia de que "la velocidad superligera es imposible":
Sabemos que un grupo de físicos europeos fundó la "Mecánica Cuántica" en 1925, aunque El mundo cuántico que describe A menudo es muy diferente de la experiencia de la vida humana, pero 81 años de historia científica han demostrado que de ninguna manera es una teoría vacía y poco realista. Ha resuelto muchos problemas prácticos que deben resolverse con urgencia en el desarrollo de la ciencia y la tecnología. Por lo tanto, se dice que es una rama de la ciencia muy exitosa y que posee plenamente las características de la teoría científica moderna.
La "relatividad especial" es de naturaleza clásica, macroscópica y local, mientras que la "mecánica cuántica" es no clásica, microscópica y no local, por lo que las dos son fundamentalmente diferentes. Precisamente por eso Einstein persistió en su oposición a la "mecánica cuántica". La "Relatividad Especial" no permite estados superlumínicos, pero la no localidad de la "Mecánica Cuántica" significa que las velocidades superluminales son posibles. De hecho, el problema de la velocidad de la superluz simplemente muestra la aguda contradicción entre la "relatividad especial" y la "mecánica cuántica".
Durante la última década, muchos científicos han informado sucesivamente sobre experimentos superluminales y sus resultados relacionados con sustancias no físicas (campos electromagnéticos, ondas, pulsos de luz, etc.). Por ejemplo, en 1992, el experimento "Photon Racing" realizado por un equipo encabezado por R. Chiao en la Universidad de California, Berkeley, obtuvo la velocidad del fotón de 1,7c (c es la velocidad de la luz de 1992 a 1997); El profesor G. Nimtz de la Universidad de Colonia en Alemania midió los resultados en microondas. Son 4,7c y 4,34c en el primer trimestre de 2003, un grupo de investigación del Instituto de Radiodifusión de Beijing compuesto por los profesores Huang Zhixun, el profesor Lu Guizhen y el posgrado; El estudiante Guan Jian realizó experimentos en frecuencias de ondas de radio y obtuvo resistencia usando un sistema coaxial que simulaba cristales fotónicos. La velocidad del grupo superluminal en la banda, los datos se distribuyen en (1,5 ~ 2,4) c. La situación actual es que en varios países hay expertos y académicos con diversas experiencias y disciplinas profesionales que utilizan métodos teóricos o experimentales para estudiar el tema de la velocidad superligera y han llegado a una conclusión positiva sobre la "posibilidad de la velocidad superligera". velocidad de la luz". Esto no es un accidente.
En resumen, si analizamos la vida y las contribuciones de Einstein, podemos comprobar que es un gran y destacado científico. Sabemos que en la investigación de las ciencias naturales, "la práctica es el criterio preciso para comprobar la verdad". En la actualidad, muchos experimentos han demostrado que la "Teoría Especial de la Relatividad" de Einstein no es la verdad absoluta. Es sólo un sistema teórico que es básicamente correcto, sólo aplicable a velocidades subluz y tiene sus propias limitaciones. La "Teoría Especial de la Relatividad" sigue siendo hasta cierto punto una teoría clásica y necesita ser mejorada y desarrollada en base a nuevas situaciones y nuevos experimentos.
Referencias
1. Varios temas en el estudio de la relatividad especial Profesor Huang Zhixun, Instituto de Radiodifusión de Beijing
2 Desarrollo teórico y pruebas experimentales de la relatividad especial. Profesor Huang Zhixun del Instituto de Radiodifusión de Beijing
3. Bases teóricas para la investigación sobre la velocidad de la superluz Profesor Huang Zhixun del Instituto de Radiodifusión de Beijing