En la "Teoría General de la Relatividad" de Einstein, predijo que el tiempo terminaría en un agujero negro

La creación de la teoría especial de la relatividad

A los 16 años, Einstein aprendió en los libros que la luz es una onda electromagnética que viaja a una velocidad muy rápida. Tuvo una idea. Si una persona se mueve a la velocidad de la luz, ¿qué tipo de mundo verá? No podrá ver la luz avanzando, solo podrá ver el campo electromagnético oscilando pero estancado en el espacio. ¿Es esto posible?

En relación con esto, tenía muchas ganas de explorar el llamado problema del éter relacionado con las ondas de luz. El término éter proviene de los griegos y se utiliza para representar los elementos básicos que componen los objetos celestes. 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, creyendo 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 poder penetrar en la materia ordinaria. A diferencia de la visión de Huygens, Newton propuso la teoría de partículas de la luz. Newton creía que el cuerpo luminoso emite una corriente de partículas que se mueven en línea recta, y la corriente de partículas impacta en la retina, provocando la visión. En el siglo XVIII prevaleció la teoría de partículas de Newton. Sin embargo, en el siglo XIX, la teoría ondulatoria adquirió un dominio absoluto y la teoría del éter también 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, el electromagnetismo se ha desarrollado vigorosamente gracias a los esfuerzos de Maxwell, Hertz y otros, se ha formado una teoría dinámica madura de los fenómenos electromagnéticos, la electrodinámica, y se cree que la luz y los fenómenos electromagnéticos se unifican en la teoría y la práctica. es una onda electromagnética dentro de un cierto rango de frecuencia, unificando así la teoría ondulatoria de la luz con la teoría electromagnética. El éter no sólo es portador de ondas luminosas, sino también de campos electromagnéticos. Hasta finales del siglo XIX se intentó buscar el éter, pero nunca se descubrió experimentalmente.

Sin embargo, la electrodinámica se ha encontrado con un problema importante, y es que es incompatible 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 integró inicialmente en el marco de la mecánica newtoniana, pero encontró 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 una constante. Sin embargo, según el principio de suma de velocidades de la mecánica newtoniana, la velocidad de la luz en diferentes sistemas inerciales es diferente. una pregunta: ¿El principio de relatividad es aplicable a la mecánica? ¿Es aplicable al electromagnetismo? Por ejemplo, hay dos coches, uno que se acerca y otro que se aleja. Ves las luces del coche de delante acercándose y las luces del coche de detrás alejándose. Según la teoría de Maxwell, la velocidad de los dos tipos de luz es la misma y la velocidad del coche no influye en ello. Pero según la teoría de Galileo, estas dos medidas son diferentes. El automóvil que viene hacia usted acelerará la luz emitida, es decir, la velocidad de la luz del automóvil que va delante = velocidad de la luz + velocidad del automóvil, mientras que la velocidad de la luz del automóvil que se aleja es más lenta, porque la velocidad de la luz; del auto de atrás = velocidad de la luz - velocidad del auto. Las afirmaciones de Maxwell y Galileo sobre la velocidad se contradecían claramente. ¿Cómo solucionamos este desacuerdo?

La física teórica alcanzó su apogeo en el siglo XIX, pero también contuvo grandes crisis. El descubrimiento de Neptuno mostró el poder teórico extremadamente poderoso de la mecánica newtoniana. La unidad del electromagnetismo y la mecánica hizo que la física mostrara una integridad formal, y fue elogiada como "un sistema arquitectónico solemne y majestuoso y un templo hermoso y conmovedor". En la mente de la gente, la física clásica ha alcanzado un nivel casi perfecto. Cuando el famoso físico alemán Planck era joven, le dijo a su maestro que se dedicaría a la física teórica. El maestro le aconsejó: "Joven, la física es una ciencia que se ha completado y no habrá más grandes logros". Es una lástima dedicar su vida a este tema."

Einstein parece ser la persona que construirá un nuevo edificio de física. Durante sus días en la Oficina de Patentes de Berna, Einstein prestó gran atención a los avances más avanzados en física, pensó profundamente en muchos temas y formó sus propios y únicos conocimientos. Durante el transcurso de diez años de exploración, Einstein estudió cuidadosamente 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 le inquietaba: la existencia del sistema de referencia absoluto éter. Leyó muchas obras y descubrió que todos los intentos de demostrar la existencia del éter habían fracasado.

Después de investigar, Einstein descubrió que, aparte de servir como sistema de referencia absoluto y una carga de campos electromagnéticos, el éter no tenía ningún significado práctico en la teoría de Lorentz. Entonces pensó: ¿Y es necesario un marco de referencia absoluto? ¿El campo electromagnético tiene que tener carga?

A Einstein le gustaba leer obras filosóficas y absorber el alimento ideológico de la filosofía. Creía en la unidad del mundo y la coherencia de la lógica. El principio de la relatividad ha sido ampliamente probado en mecánica, pero no puede establecerse en electrodinámica. Einstein planteó dudas sobre 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 la teoría electromagnética debería tener la misma forma para cada sistema inercial, pero aquí surge el problema de la velocidad de la luz. Si la velocidad de la luz es una cantidad constante o una cantidad variable se ha convertido en la cuestión principal de si el principio de la relatividad es universalmente válido. Los físicos de aquella época creían generalmente en el éter, es decir, creían en la existencia de un sistema de referencia absoluto. Esto estaba influenciado por el concepto de espacio absoluto de Newton. A finales del siglo XIX, Mach criticó la visión absoluta de Newton sobre el espacio y el tiempo en su libro "Desarrollo de la mecánica", que dejó una profunda impresión en Einstein. Un día de mayo de 1905, Einstein discutió este tema que había sido explorado durante diez años con un amigo. Besso explicó sus puntos de vista basados ​​en el machismo, y los dos discutieron sobre ello durante mucho tiempo. De repente, Einstein se dio cuenta de algo. Después de pensarlo una y otra vez cuando llegó a casa, finalmente descubrió el problema. Al día siguiente vino nuevamente a casa de Besso y le dijo: Gracias, mi problema está resuelto. Resulta que Einstein tenía una cosa clara: no existe una definición absoluta del tiempo y existe una conexión 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 presentó la teoría especial de la relatividad a la gente.

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 es el primer artículo sobre la teoría especial de la relatividad. Contiene las ideas básicas y el contenido básico de la teoría especial de la relatividad. La teoría especial de la relatividad 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 la solución de Einstein al problema fue su firme creencia en el principio de la relatividad. Galileo fue el primero en aclarar la idea del principio de relatividad, pero no dio una definición clara de tiempo y espacio. Newton también habló de la idea de relatividad cuando estableció el sistema mecánico, pero también definió el espacio absoluto, el tiempo absoluto y el movimiento absoluto. Fue contradictorio en este tema. Einstein desarrolló en gran medida el principio de la relatividad. En su opinión, no existe ningún espacio absolutamente estático y no existe un tiempo absolutamente idéntico. Todo el tiempo y el espacio están relacionados con los 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 de este sistema de referencia tienen todas la misma forma. Este es el principio de relatividad, estrictamente hablando, el principio de relatividad en un sentido estricto. En este artículo, Einstein no discutió mucho sobre la base de la velocidad constante de la luz como principio básico. Propuso que la velocidad constante de la luz era una suposición audaz, que se basaba 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 tema del éter y la electrodinámica. Utilizó la relatividad de la simultaneidad como un gran avance para establecer una nueva teoría del tiempo y el espacio, y basándose en la nueva teoría del espacio y el tiempo. Dio la teoría de los cuerpos en movimiento a la electrodinámica en su forma completa, el éter ya no es necesario, la deriva del éter es inexistente.

¿Qué es la relatividad de la simultaneidad? ¿Cómo sabemos que dos eventos en diferentes lugares sucedieron al mismo tiempo? Generalmente confirmamos mediante señales. Para conocer la simultaneidad de eventos en diferentes lugares, necesitamos conocer la velocidad de transmisión de la señal, pero ¿cómo es que no se supera esta velocidad? Debemos medir la distancia espacial entre dos lugares y el tiempo necesario para la transmisión de la señal. Medir la distancia espacial es muy sencillo. Debemos suponer que hay un reloj en cada lugar que se ha ajustado. De los dos relojes, puedes conocer el tiempo de propagación de la señal. Pero, ¿cómo sabemos que el reloj de otro lugar es correcto? La respuesta es que también se necesita una señal. ¿Puede esta señal configurar el reloj correctamente? Si seguimos la línea de pensamiento anterior, sería necesaria una nueva señal. De esta forma, la simultaneidad de diferentes lugares no se puede confirmar de forma infinita. Pero una cosa está clara: la simultaneidad debe estar relacionada con una señal, de lo contrario no tendría sentido decir que estas dos cosas sucedieron al mismo tiempo.

La señal luminosa puede ser la señal más adecuada para el reloj, pero la velocidad de la luz no es infinita, lo que lleva a una conclusión novedosa para un observador estacionario: dos cosas suceden al mismo tiempo, y para un observador en movimiento, dos cosas suceden al mismo tiempo. No es al mismo tiempo. Imaginamos un tren circulando a gran velocidad, su velocidad es cercana a la velocidad de la luz. Cuando el tren pasó por el andén, A se paró en el andén. Dos relámpagos brillaron frente a los ojos de A, uno en el extremo delantero del tren y otro en la parte trasera, dejando huellas en ambos extremos del tren y las partes correspondientes. el andén. A través de la medición, A y La distancia entre los dos extremos del tren es igual, y la conclusión es que A vio dos rayos al mismo tiempo. Por lo tanto, para A, si las dos señales luminosas recibidas recorren la misma distancia dentro del mismo intervalo de tiempo y llegan a su ubicación al mismo tiempo, los dos eventos deben ocurrir al mismo tiempo, son simultáneos. Pero para B, que está 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 propaga hacia él y luego recibirá la señal óptica desde atrás. -fin. Para B, los dos eventos no son simultáneos. Es decir, la simultaneidad no es absoluta sino que depende del estado de movimiento del observador. Esta conclusión niega los marcos de tiempo absoluto y espacio absoluto que subyacen a la mecánica newtoniana.

La teoría de la relatividad sostiene que la velocidad de la luz permanece sin cambios 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. Sin embargo, debido a los problemas que surgen en la vida diaria, la velocidad del movimiento es muy baja (en comparación con la velocidad de la luz) y no se puede observar ningún efecto relativista.

Einstein estableció la mecánica relativista basada en un cambio radical en la visión del espacio y el tiempo, afirmando 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 presentó la famosa relación masa-energía: E=mc2. La relación masa-energía jugó un papel rector en el posterior desarrollo de la energía atómica.

El establecimiento de la teoría general de la relatividad

Después de que Einstein publicara su primer artículo sobre la teoría especial de la relatividad en 1905, no suscitó inmediatamente una gran respuesta. Sin embargo, Planck, una autoridad en física alemana, notó su artículo y creyó que el trabajo de Einstein era comparable al de Copérnico. Fue precisamente debido a la promoción de Planck que la teoría de la relatividad se convirtió rápidamente en un tema de investigación y discusión que también atrajo a Einstein. atención.

En 1907, Einstein siguió el consejo de sus amigos y presentó su famoso artículo para solicitar un puesto de profesor no permanente en la Universidad Federal de Tecnología, pero la respuesta que recibió fue que el artículo era incomprensible. Aunque Einstein ya era muy famoso en la comunidad física alemana, no pudo conseguir un puesto de profesor universitario en Suiza. Muchas personas famosas comenzaron a quejarse de él. En 1908, Einstein finalmente consiguió un puesto de profesor no permanente y se convirtió en profesor asociado. en el segundo año. En 1912, Einstein se convirtió en profesor. En 1913, por invitación de Planck, se desempeñó como director del recién creado Instituto de Física Kaiser Wilhelm y profesor en la Universidad de Berlín.

Durante este período, Einstein se planteaba ampliar la teoría de la relatividad establecida. Para él, había dos problemas que le inquietaban. El primero es el problema 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 gravedad. La teoría de la gravedad de Newton es a distancia. El efecto gravitacional entre dos objetos se transmite instantáneamente, es decir, a una velocidad infinita. Esto entra en conflicto con la visión de campo basada en la teoría de la relatividad y el límite de la velocidad de la luz. El segundo es el problema de los marcos no inerciales. La teoría especial de la relatividad, al igual que las leyes anteriores de la física, 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 sistemas inerciales, sino que deben considerar sistemas no inerciales. Para la relatividad especial es difícil explicar la llamada paradoja de los gemelos. La paradoja es que hay un par de hermanos gemelos navegando en la nave espacial a una velocidad cercana a la velocidad de la luz. El reloj de alta velocidad se ralentiza y espera al hermano. De regreso, el hermano menor se ha vuelto muy viejo, porque la tierra ha experimentado décadas. 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 ve que el hermano mayor se hace más joven y el hermano mayor ve. que el hermano menor también debería ser menor. Simplemente no hay respuesta a esta pregunta. De hecho, la teoría especial de la relatividad sólo se ocupa del movimiento lineal uniforme, pero para que mi hermano regrese, debe pasar por un proceso de movimiento de velocidad variable, que la teoría de la relatividad no puede manejar. Mientras la gente estaba ocupada entendiendo la teoría especial de la relatividad, Einstein estaba completando la teoría general de la relatividad.

En 1907, Einstein escribió un largo artículo sobre la teoría especial de la relatividad, "Sobre el principio de la relatividad y las conclusiones extraídas de él". En este artículo, Einstein mencionó la equivalencia por primera vez. Las ideas de Einstein sobre el principio de equivalencia han seguido desarrollándose. Usó la ley natural de que la masa inercial y la masa gravitacional son proporcionales como base del principio de equivalencia y propuso que un campo gravitacional uniforme en un volumen infinitamente pequeño puede reemplazar completamente el marco de referencia del movimiento acelerado. Einstein también propuso el concepto de caja cerrada: no importa qué método se utilice, un observador en una caja cerrada no puede determinar si está en reposo en un campo gravitacional o en un espacio que se acelera sin campo gravitacional, este es el. afirmación más comúnmente utilizada para explicar el principio de equivalencia, y la igualdad de la masa inercial y la masa gravitacional es un corolario natural del principio de equivalencia.

En noviembre de 1915, Einstein presentó cuatro artículos a la Academia de Ciencias de Prusia. En estos cuatro artículos, presentó nuevas ideas, demostró la precesión del perihelio de Mercurio y obtuvo 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 un extenso artículo "Los fundamentos de la relatividad general". En este artículo, Einstein llamó por primera vez relatividad especial a la teoría de la relatividad, que anteriormente se aplicaba a los sistemas inerciales, y clasificó las leyes físicas que también son válidas sólo para los sistemas inerciales. El principio se llama principio de relatividad especial y establece además el principio de la relatividad general: las leyes de la física deben ser válidas para cualquier sistema de referencia que se mueva de cualquier manera.

La teoría general de la relatividad de Einstein cree que debido a la existencia de la materia, el espacio y el tiempo serán curvos, y el campo gravitacional es en realidad un espacio-tiempo curvo. La teoría de Einstein sobre el uso de la gravedad del Sol para curvar el espacio explica bien los inexplicables 43 segundos de precesión del perihelio de Mercurio. La segunda predicción importante 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. En la década de 1920, los astrónomos lo confirmaron en observaciones astronómicas. La tercera predicción importante de la relatividad general es que los campos gravitacionales desvían la luz. El campo gravitacional más grande y cercano a la Tierra es el campo gravitacional del Sol. Einstein predijo que si la luz de estrellas distantes pasa sobre la superficie del Sol, se desviará durante 1,7 segundos. En 1919, a instancias del astrónomo británico Eddington, el Reino Unido envió dos expediciones a dos lugares para observar el eclipse solar total. Después de una cuidadosa investigación, la conclusión final fue que la luz de las estrellas efectivamente se producía cerca del Sol con 1,7 segundos de desviación. 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 Thomson dijo: "Este es el logro más significativo en la teoría de la gravitación universal desde la época de Newton". "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 una popular introducción a la relatividad, "Una breve introducción a la teoría general y especial de la relatividad". En 1922, se había reimpreso 40 veces y se había traducido a más de una docena de idiomas. ampliamente.

La importancia de la teoría de la relatividad

Ha pasado mucho tiempo desde el establecimiento de la teoría especial de la relatividad y la teoría general de la relatividad ha resistido la prueba de la práctica y. historia y es una verdad generalmente reconocida por la gente. La teoría de la relatividad ha tenido un gran impacto 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 perfecto. La teoría especial de la relatividad unifica los dos sistemas de la mecánica newtoniana y la electrodinámica de Maxwell sobre la base del principio especial de la relatividad, señalando que ambos obedecen al principio especial de la relatividad y son covariantes de la transformación de Lorentz que no es más que una transformación. el movimiento de objetos a bajas velocidades. Una buena aproximación al movimiento. 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 mediante el principio de equivalencia, obtuvo la forma covariante general de todas las leyes físicas y estableció la teoría covariante general de la gravedad y la teoría de Newton. La teoría de la gravedad es sólo su primera aproximación. Esto resuelve fundamentalmente el problema anterior de que la física se limite a coeficientes de inercia y proporciona una disposición lógicamente 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 perfecto.

La teoría especial de la relatividad da las leyes del movimiento de los objetos que se mueven a altas velocidades, y sugiere que la masa y la energía son equivalentes, y da la relación masa-energía.

Estos dos resultados no son obvios para objetos macroscópicos que se mueven a bajas velocidades, pero muestran una importancia extrema cuando se estudian partículas microscópicas. Debido a que las partículas microscópicas generalmente se mueven muy rápido, 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 una base para el desarrollo y aplicación de la física nuclear.

La relatividad general ha establecido una teoría completa de la gravedad, que involucra principalmente a los cuerpos celestes. Hasta ahora, la cosmología relativista se ha desarrollado aún más y la física de ondas gravitacionales, la astrofísica compacta y la física de agujeros negros, todas ramas de la astrofísica relativista, han logrado ciertos avances, lo que ha atraído a muchos científicos a realizar investigaciones.

Un físico francés dijo una vez de Einstein: "Entre los físicos de nuestro tiempo, Einstein estará a la vanguardia. Es y seguirá siendo el físico más influyente del universo humano. "Una de las estrellas brillantes ", "En mi opinión, puede ser más grande que Newton, porque su contribución a la ciencia ha penetrado más profundamente en la estructura de los elementos básicos del pensamiento humano."

Respuesta. Autor: Song Ge - Xiucai 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 Albert Einstein y se divide en relatividad especial (teoría especial de la relatividad). 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 el problema en condiciones subatómicas microscópicas. La teoría de la relatividad ha cambiado enormemente los conceptos de "sentido común" de la humanidad sobre el universo y la naturaleza, y ha propuesto conceptos completamente nuevos como "relatividad simultánea", "espacio-tiempo cuatridimensional" y "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 que es plano, isotrópico y tiene las mismas características en todos los puntos: el espacio absoluto es una dimensión única independiente del espacio (y por lo tanto absoluta), es decir, el espacio. Visión absoluta del espacio y del 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 en todos sus puntos. Esta es una situación ideal correspondiente al "sistema inercial global". La teoría de la relatividad especial parte del supuesto básico de que la velocidad de la luz en el vacío es constante. Combinando el principio de la relatividad especial con las propiedades del espacio y del tiempo 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 (los experimentos actuales han confirmado que dentro de un rango de precisión de 10 a 12, todavía no hay diferencia entre masa gravitacional y masa inercial). Según el principio de equivalencia, Einstein extendió el principio especial de la relatividad al principio general de la relatividad, 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 ese sistema de referencia. La ecuación geodésica no tiene nada que ver con las propiedades físicas del objeto en sí, sino que solo depende de las propiedades geométricas locales del espacio y el tiempo. La gravedad es la manifestación de las propiedades geométricas locales del espacio-tiempo. La existencia de masa material provocará la curvatura del espacio y el tiempo. En el espacio y el tiempo curvos, los objetos todavía se mueven a lo largo de la distancia más corta (es decir, se mueven a lo largo de la línea geodésica; en el espacio euclidiano, es un movimiento en línea recta). Por ejemplo, la Tierra se mueve a lo largo del Sol. El movimiento geodésico en el espacio-tiempo curvo en realidad gira alrededor del Sol, provocando efectos gravitacionales. Al igual que en la superficie curva de la Tierra, si te mueves en línea recta, en realidad estás dando la vuelta a un gran círculo en la superficie de la Tierra.

Teoría de la relatividad invertida: La propuesta de la teoría de la relatividad también ha sido muy criticada. Mucha gente piensa que está equivocada 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, en 1905 Einstein, que acababa de doctorarse, publicó un artículo titulado "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento"' El artículo desencadenó otra revolución en la física del siglo XX. El artículo estudió la influencia del movimiento de los objetos en los fenómenos ópticos, que era otro problema difícil al que se enfrentaba la física clásica de 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, los experimentos habían confirmado plenamente la teoría de Maxwell. ¿Qué son las ondas electromagnéticas? ¿Para quién es su velocidad de propagación 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 la gente descubrió que se trataba de una teoría llena de contradicciones. Si se considera 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 se cree que el éter es arrastrado por la Tierra, esto obviamente contradice algunas observaciones en astronomía.

En 1887, Michelson y Morley realizaron mediciones muy precisas utilizando el fenómeno de interferencia de la luz, y todavía no encontraron ningún movimiento de la Tierra con respecto al éter. En este sentido, H.A. Lorentz propuso la hipótesis de que todos los objetos que se mueven en el éter se contraerán en la dirección del movimiento. Con esto demostró que incluso si la Tierra se hubiera movido en relación con el éter, Michelson no habría podido detectarlo. Einstein abordó el problema desde una línea de pensamiento completamente diferente. Señaló que mientras se abandonen los conceptos de espacio absoluto y tiempo absoluto establecidos por Newton, todas las dificultades podrán resolverse y no se necesitará ningún 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. Significa: Si el sistema de coordenadas K' se mueve a una velocidad uniforme con respecto al sistema de coordenadas K sin girar, entonces cualquier experimento físico realizado con estos dos sistemas de coordenadas no podrá distinguir cuál es el sistema de coordenadas K y cuál es el sistema de coordenadas. sistema. El segundo principio se llama principio de velocidad constante de la luz, lo que significa que la velocidad c de la luz (en el vacío) es constante y no depende de la velocidad del objeto luminoso.

En la superficie, la velocidad constante de la luz parece entrar en conflicto con el principio de relatividad. Porque según la ley de síntesis de la velocidad mecánica clásica, la velocidad de la luz debería ser diferente para los dos sistemas de coordenadas K' y K que se mueven de manera relativamente uniforme. Einstein creía que para admitir que no existe conflicto entre estos dos principios, era necesario volver a analizar los conceptos físicos de tiempo y espacio.

La ley de síntesis de velocidad en la mecánica clásica en realidad se basa en 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 aceptaba como compatible el principio de la velocidad constante de la luz y el principio de la relatividad, ambos supuestos debían abandonarse. En este momento, los eventos que ocurren al mismo tiempo para un reloj no son necesariamente simultáneos para otro reloj, y la simultaneidad se vuelve relativa. 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 se vuelve relativa.

Si un evento en el sistema de coordenadas K puede estar determinado por tres coordenadas espaciales x, y, z y una coordenada de tiempo t, y el mismo evento en el sistema de coordenadas K′ está determinado por x′, y ′, z′ y t′ están determinados, luego Einstein descubrió que x′, y′, z′ y t′ se pueden obtener a partir de x, y, z y t mediante un conjunto de ecuaciones. La velocidad de movimiento relativa de los dos sistemas de coordenadas y la velocidad de la luz c son los únicos parámetros de la ecuación. Esta ecuación fue obtenida 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 cuando está en reposo, y la suma de 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', t' reemplazarán a las variables espacio-temporales x, y, z. , t , y la expresión de cualquier ley natural todavía toma exactamente la misma forma que antes. Las llamadas leyes universales de la naturaleza son covariantes respecto de las transformaciones de Lorentz. Esto es muy importante en nuestra exploración de 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 conecta el tiempo y el espacio. Se cree que el mundo físico real 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. Forman un espacio continuo de cuatro dimensiones, generalmente llamado espacio de cuatro dimensiones de Minkowski. En la teoría de la relatividad, es natural examinar la realidad física en cuatro dimensiones. Otra consecuencia importante de la relatividad especial es la relación entre masa y energía.

Antes de Einstein, los físicos siempre habían creído que la masa y la energía eran completamente diferentes y que eran cantidades conservadas por separado. Einstein descubrió que la masa y la energía son inseparables en la teoría de la relatividad y que las dos leyes de conservación se combinan en una sola ley. Dio una famosa fórmula masa-energía: E=mc2, donde c es la velocidad de la luz. Entonces la masa puede verse como una medida de su energía. Los cálculos muestran que una masa pequeña contiene una energía enorme. 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 Lorentz, el fundador de la relación de transformación de la relatividad, les resulta difícil aceptar estos nuevos conceptos introducidos por Einstein. Los obstáculos de la antigua forma de pensar hicieron que esta nueva teoría física no fuera familiar para la mayoría de los físicos hasta una generación más tarde. Incluso la Real Academia Sueca de Ciencias, cuando concedió el Premio Nobel a Einstein en 1922, sólo dijo "por culpa de". Su contribución a la física teórica se debió a su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico "No se menciona la teoría de la relatividad.

Einstein estableció además la teoría general de la relatividad en 1915. El principio de la relatividad especial se limita a dos sistemas de coordenadas relativas que se mueven a una velocidad uniforme, pero en el principio de la relatividad general esta restricción del movimiento uniforme se cancela. 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 se curva y la luz viaja por el camino más corto. Basándose en estas discusiones, Einstein derivó un conjunto de ecuaciones que determinaron la geometría del espacio curvo resultante de la presencia de materia. Utilizando esta ecuación, Einstein calculó el desplazamiento del perihelio de Mercurio, lo que concordaba completamente con las observaciones experimentales. Resolvió un problema difícil que no había sido explicado durante mucho tiempo. Esto entusiasmó mucho a Einstein. Escribió en una carta a Ehrenfest: "...la ecuación da el valor correcto del perihelio. ¡Puedes imaginar lo feliz que estoy! Durante varios días estuve tan feliz que no sabía qué hacer

El 25 de noviembre de 1915, Einstein presentó un artículo titulado "La ecuación de la gravedad universal" a la Academia de Ciencias de Prusia en Berlín, que discutía completamente la teoría general de la relatividad. En este artículo, no solo explicó el misterio del movimiento del perihelio de la órbita de Mercurio encontrado en las observaciones astronómicas, sino que también predijo que la luz de las estrellas que pasa a través del Sol sería desviada, y el ángulo de desviación era equivalente al doble del valor predicho por la teoría de Newton. La Primera Guerra Mundial retrasó la determinación de este valor. El eclipse solar total del 25 de mayo de 1919 brindó a la gente la primera oportunidad de observarlo después de la guerra. El inglés Eddington fue a la Isla Príncipe en la costa occidental de África e hizo esta observación. El 6 de noviembre, Thomson anunció solemnemente en una reunión conjunta de la Royal Society y la Royal Astronomical Society que eran los resultados predichos por Einstein, no Newton, los que habían sido confirmados. Elogió: "Este es uno de los mayores logros en la historia del pensamiento humano. Lo que Einstein descubrió no fue una pequeña isla, sino todo un nuevo continente de pensamiento científico". El Times publicó este artículo con el título "Revolución en la ciencia". Se informaron noticias de última hora. La noticia se difundió por todo el mundo y Einstein se convirtió en una celebridad nacional. La relatividad general también ha sido elevada a un trono mítico y venerado.

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 dentro 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 los años 70, debido al progreso de la radioastronomía, la distancia de observación se ha superado con creces