¿Qué es la teoría de la relatividad?
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---La Cometa Frustrada
Teoría de la Relatividad (Principio de la Relatividad)
La teoría de la relatividad es la teoría básica sobre el espacio-tiempo y la gravedad, Propuesta principalmente por Albert Einstein (Albert Einstein), se divide en relatividad especial (teoría especial de la relatividad) y relatividad general (teoría general de la relatividad). 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 teoría de la relatividad resuelve el problema del movimiento a alta velocidad; la mecánica cuántica resuelve el problema de las condiciones subatómicas microscópicas. La teoría de la relatividad ha cambiado en gran medida el concepto de "sentido común" de la humanidad sobre el universo y la naturaleza, y propuso "relatividad simultánea", "espacio-tiempo de cuatro dimensiones", "espacio curvo", etc.
Einstein Los dos principios fundamentales propuestos sirven como base para las discusiones sobre los fenómenos ópticos en 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.
A primera vista, 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.
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 ambos supuestos deben 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 el mundo físico 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=mc^2, 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.
Einstein estableció además la teoría general de la relatividad en 1915. El principio de la relatividad especial se limita a dos sistemas de coordenadas que se mueven a una velocidad uniforme entre sí, 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.
Teoría Especial de la Relatividad
Las filosofías de Mach y Hume tuvieron una gran influencia en Einstein. Mach creía que las medidas del tiempo y el espacio estaban relacionadas con el movimiento de la materia. Los conceptos de espacio y tiempo se forman a través de la experiencia. El tiempo y el espacio absolutos no pueden captarse sin importar qué experiencia se utilice. Hume dijo más específicamente: El espacio y la extensión no son más que objetos visibles distribuidos en un cierto orden que llenan el espacio. Y el tiempo siempre se descubre a través de los cambios perceptibles de los objetos cambiantes. En 1905, Einstein señaló que los experimentos de Michelson y Morley en realidad demostraban que todo el concepto de "éter" era redundante y que la velocidad de la luz era constante. El concepto de Newton de espacio y tiempo absolutos es erróneo. No existe un objeto de referencia absolutamente estacionario y la medición del tiempo varía según los diferentes sistemas de referencia. Propuso la transformación de Lorentz utilizando la velocidad constante de la luz y el principio de relatividad. Fundó la teoría especial de la relatividad.
La relatividad especial es una teoría basada en la visión del espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Por lo tanto, para comprender el contenido de la teoría de la relatividad, primero debemos tener una comprensión general de la visión del espacio-tiempo. de la teoría de la relatividad. Hay varios espacios multidimensionales en matemáticas, pero hasta ahora, el mundo físico que conocemos es sólo de cuatro dimensiones, es decir, un espacio tridimensional más una dimensión de tiempo. El espacio de alta dimensión mencionado en la microfísica moderna tiene otro significado, que solo tiene un significado matemático y no se discutirá aquí.
El espacio-tiempo de cuatro dimensiones es la dimensión más baja que constituye el mundo real. Nuestro mundo resulta ser de cuatro dimensiones. En cuanto al espacio real de alta dimensión, al menos por ahora, no podemos percibirlo. Mencioné un ejemplo en una publicación. Cuando se gira una regla en un espacio tridimensional (excluyendo el tiempo), su longitud permanece sin cambios. Sin embargo, cuando se gira, sus valores de coordenadas cambian y hay diferencias entre las coordenadas. . contacto. El significado del espacio-tiempo de cuatro dimensiones es que el tiempo es la coordenada de la cuarta dimensión, que está relacionada con las coordenadas espaciales, es decir, el espacio-tiempo es un todo unificado e indivisible. Están en una relación de "uno encerado". y mengua y el otro crece".
El espacio-tiempo de cuatro dimensiones no se limita a esto. Desde la relación masa-energía, la masa y la energía son en realidad la misma cosa. La masa (o la energía) no es independiente, sino que está relacionada con el estado de. movimiento. Por ejemplo, cuanto mayor es la velocidad, mayor es la velocidad, mayor es la masa. En el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, la masa (o energía) es en realidad el componente de cuatro dimensiones del impulso de cuatro dimensiones. El momento es una cantidad que describe el movimiento de la materia, por lo que es natural que la masa esté relacionada con el estado de movimiento. . En el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, el impulso y la energía están unificados y se denominan los cuatro vectores de energía y impulso. Además, la velocidad cuatridimensional, la aceleración cuatridimensional, la fuerza cuatridimensional, la forma cuatridimensional de las ecuaciones del campo electromagnético, etc., también se definen en el espacio-tiempo cuatridimensional. Vale la pena mencionar que la forma tetradimensional de las ecuaciones del campo electromagnético es más perfecta y unifica completamente la electricidad y el magnetismo. El campo eléctrico y el campo magnético se describen mediante un tensor de campo electromagnético unificado. Las leyes físicas del espacio-tiempo cuatridimensional son mucho más perfectas que las leyes tridimensionales, lo que demuestra que nuestro mundo es efectivamente cuatridimensional. Se puede decir que al menos es mucho más perfecta que la mecánica newtoniana. Al menos por su perfección, no podemos dudarlo.
En la teoría de la relatividad, el tiempo y el espacio constituyen un todo indivisible: el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. La energía y el impulso también constituyen un todo indivisible: el impulso de cuatro dimensiones.
Esto muestra que puede haber conexiones profundas entre algunas cantidades aparentemente no relacionadas en la naturaleza. Cuando analicemos la relatividad general en el futuro, también veremos que existe una conexión profunda entre el espacio y el tiempo y los cuatro vectores de energía y momento.
Principios Básicos de la Relatividad Especial
Las materias están en eterno movimiento en interacción. No hay materia que no se mueva, y no hay movimiento sin materia ya que la materia está interconectada e interactúa. entre sí, por lo tanto, el movimiento debe describirse en la interrelación de sustancias, y es imposible describir el movimiento de forma aislada. En otras palabras, el movimiento debe tener un objeto de referencia, y este objeto de referencia es el sistema de referencia.
Galileo señaló una vez que el movimiento de un barco en movimiento es indistinguible del de un barco estacionario, es decir, cuando estás en una cabina cerrada y completamente aislado del mundo exterior, incluso si estás. tiene la mente más desarrollada, la más Incluso los instrumentos más avanzados no pueden detectar si su nave se mueve a una velocidad constante o está estacionaria. Es aún más difícil percibir la magnitud de la velocidad porque no hay ninguna referencia. Por ejemplo, no conocemos el estado de movimiento general de todo nuestro universo porque el universo está cerrado. Einstein lo citó como el primer principio básico de la relatividad especial: el principio especial de la relatividad. Su contenido es: los sistemas inerciales son completamente equivalentes e indistinguibles.
El famoso experimento de Michelson-Morley negó por completo la teoría del éter de la luz y concluyó que la luz no tiene nada que ver con el marco de referencia. En otras palabras, ya sea que estés parado en el suelo o en un tren a toda velocidad, la velocidad medida de la luz es la misma. Este es el segundo principio básico de la relatividad especial, el principio de la velocidad constante de la luz.
A partir de estos dos principios básicos, podemos derivar directamente la fórmula de transformación de coordenadas, la fórmula de transformación de velocidad y otros contenidos de la teoría especial de la relatividad. Por ejemplo, los cambios de velocidad contradicen las leyes tradicionales, pero la práctica ha demostrado ser correcta. Por ejemplo, la velocidad de un tren es de 10 m/s y la velocidad de una persona en el tren en relación con el tren también es de 10 m/s. en el suelo vea que la velocidad del tren es de 10 m/s. La velocidad de la persona no es de 20 m/s, sino de aproximadamente (20-10^(-15))m/s. En circunstancias normales, este efecto relativista puede ignorarse por completo, pero cuando se acerca a la velocidad de la luz, este efecto aumenta significativamente, por ejemplo, si la velocidad de un tren es 0,99 veces la velocidad de la luz y la velocidad de una persona también lo es. 0,99 veces la velocidad de la luz, entonces la conclusión del observador terrestre no es 1,98 veces la velocidad de la luz, sino 0,999949 veces la velocidad de la luz. La persona en el auto vio que la luz que venía desde atrás no disminuía, y para él también era la velocidad de la luz. Por tanto, en este sentido, la velocidad de la luz es insuperable porque es constante sin importar en qué sistema de referencia. Numerosos experimentos en física de partículas han demostrado que la transformación de velocidad es impecable. Debido a esta propiedad única de la luz, fue elegida como el único regente del espacio-tiempo de cuatro dimensiones.
La teoría de la relatividad deriva la relación entre el progreso del tiempo entre diferentes sistemas inerciales y encuentra que el progreso del tiempo de los sistemas inerciales en movimiento es lento. Este es el llamado efecto de lentitud del reloj. En general, se puede entender que un reloj en movimiento funciona más lento que un reloj estacionario. Además, cuanto más rápida es la velocidad del movimiento, más lento es el reloj. Cuando se acerca a la velocidad de la luz, el reloj casi se detiene.
De la afirmación anterior, podemos ver que el principio de lentitud del reloj y contracción de la regla es que el progreso del tiempo es relativo. Es decir, el avance del tiempo está relacionado con el marco de referencia. Esto niega fundamentalmente la visión de Newton sobre el espacio y el tiempo absolutos. La teoría de la relatividad sostiene que el tiempo absoluto no existe, pero el tiempo sigue siendo una cantidad objetiva. Por ejemplo, en el experimento del gemelo ideal que se analizará en el próximo número, el hermano mayor tenía 15 años cuando regresó de la nave espacial, y el hermano menor puede tener 45 años. Esto demuestra que el tiempo es relativo, pero. el hermano mayor sí vivió 15 años, y el hermano menor sí pensó que vivió 45 años, lo que no tiene nada que ver con el sistema de referencia, y el tiempo es "absoluto". Esto muestra que no importa cuál sea el estado de movimiento de un objeto, el tiempo que experimenta es una cantidad objetiva y absoluta. Esto se llama tiempo propio. En otras palabras, no importa qué forma de ejercicio hagas, crees que la velocidad a la que tomas café es normal y tu rutina de vida no se ve alterada. Sin embargo, otros pueden ver que te lleva 100 años tomar café, y desde entonces. el momento en que dejaste la taza Solo tomó un segundo para morir.
Paradoja del reloj o paradoja de los gemelos
Después del nacimiento de la teoría de la relatividad, surgió un problema muy interesante y difícil: la paradoja de los gemelos.
Un par de gemelos A y B, A está en la tierra, y B toma un cohete para viajar entre las estrellas, y regresa a la tierra después de mucho tiempo. Einstein afirmó desde la teoría de la relatividad que dos personas vivieron momentos diferentes, y B será más joven que A cuando se reencuentren. Mucha gente tiene preguntas, pensando que A ve a B en movimiento y B ve a A en movimiento. ¿Por qué A no puede ser más joven que B? Dado que la Tierra puede aproximarse como un sistema inercial, B tiene que experimentar procesos de aceleración y desaceleración. es un sistema de referencia de aceleración variable, la discusión real es muy complicada, por lo que esta cuestión que Einstein ha discutido claramente ha sido confundida por muchas personas como una teoría de la relatividad autocontradictoria. Sería mucho más fácil discutir este tema utilizando los conceptos de diagramas espacio-temporales y líneas mundiales, pero se necesitarían muchos conocimientos y fórmulas matemáticas. Aquí sólo utilizamos el lenguaje para describir la situación más simple. Sin embargo, las palabras por sí solas no pueden explicar los detalles con más detalle. Si está interesado, consulte algunos libros sobre relatividad. Nuestra conclusión es que B es más joven que A en cualquier marco de referencia.
Para simplificar el problema, solo discutiremos esta situación. El cohete acelera a una velocidad subluz en muy poco tiempo, vuela durante un período de tiempo, gira en muy poco tiempo y vuelve a volar. durante un período de tiempo, y desacelera en un tiempo muy corto. El propósito de este procesamiento es ignorar los efectos de la aceleración y desaceleración. Es fácil de discutir en el sistema de referencia de la Tierra, el cohete siempre está en movimiento y B es más joven que A en la reunión. En el marco de referencia del cohete, la Tierra se mueve a una velocidad constante y el proceso de tiempo es más lento que en el cohete, pero el punto más crítico es el proceso de giro del cohete. Durante el cambio de sentido, la Tierra viaja desde un lugar muy detrás del cohete a un lugar muy delante del cohete en muy poco tiempo. Este es un proceso "súper ligero". Es solo que esta velocidad de la superluz no es incompatible con la teoría de la relatividad. Esta "velocidad de la superluz" no puede transmitir ninguna información y no es la velocidad de la superluz en el verdadero sentido. Sin este proceso de cambio de sentido, el cohete y la Tierra no pueden encontrarse. Dado que no existe un tiempo unificado en diferentes sistemas de referencia, sus edades no se pueden comparar. Sólo se pueden comparar cuando se encuentran. Después de que el cohete gira, B no puede recibir directamente la información de A porque la transmisión de información lleva tiempo. El proceso real que B vio fue que durante el cambio de sentido, el progreso del tiempo de la Tierra se aceleró repentinamente. Desde la perspectiva de B, A es en realidad más joven que B, y luego envejece rápidamente cuando se da la vuelta. Al regresar, A envejece más lentamente que él. Cuando nos volvimos a encontrar, yo todavía era más joven que A. En otras palabras, no existen contradicciones lógicas en la teoría de la relatividad.
Resumen de la Teoría Especial de la Relatividad
La teoría de la relatividad requiere que las leyes físicas permanezcan sin cambios bajo transformación de coordenadas (cambio de Lorentz). La teoría electromagnética clásica puede incorporarse al marco de la relatividad sin modificaciones, mientras que la mecánica newtoniana sólo permanece sin cambios durante la transformación de Galileo, y la forma originalmente simple se vuelve extremadamente complicada con la transformación de Lorentz. Por lo tanto, es necesario modificar la mecánica clásica. El sistema mecánico modificado permanece sin cambios bajo la transformación de Lorentz, lo que se denomina mecánica relativista.
Después del establecimiento de la teoría especial de la relatividad, ésta jugó un papel muy importante en la promoción de la física. Y ha penetrado en el ámbito de la mecánica cuántica, convirtiéndose en una teoría indispensable para el estudio de partículas de alta velocidad, y ha logrado resultados fructíferos. Sin embargo, detrás del éxito quedan dos cuestiones fundamentales que siguen sin resolverse. La primera es la dificultad provocada por el marco inercial. Tras abandonar el espacio y el tiempo absolutos, el sistema inercial se convierte en un concepto indefinible. Podemos decir que un sistema inercial es un sistema de referencia en el que se cumplen las leyes de la inercia. La ley de la inercia establece que un objeto sin fuerza externa permanece en reposo o moviéndose en línea recta con velocidad uniforme. Pero, ¿qué significa "libre de fuerzas externas"? Sólo se puede decir que "libre de fuerzas externas" significa que un objeto puede estar en reposo o moverse en línea recta con velocidad uniforme en un sistema inercial. De esta manera, la definición de sistema inercial cae en un bucle lógico y dicha definición es inútil. Siempre podemos encontrar sistemas inerciales muy aproximados, pero no existe ningún sistema inercial real en el universo. Toda la teoría es como estar construida en la playa. La segunda es la dificultad provocada por la gravedad. La ley de la gravitación universal está estrechamente relacionada con el espacio y el tiempo absolutos y debe modificarse, pero cualquier intento de modificarla a una situación invariante bajo la transformación de Lorentz ha fracasado y la gravitación universal no puede incluirse en el marco de la relatividad especial. En aquella época, el mundo de la física sólo había descubierto dos fuerzas: la gravitación y el electromagnetismo. Si alguna de ellas pareciera causar problemas, la situación seguramente no sería satisfactoria.
A Einstein solo le llevó unas semanas establecer la teoría especial de la relatividad. Sin embargo, para resolver estas dos dificultades, hizo falta una década completa para establecer la teoría de la relatividad general. Para resolver el primer problema, Einstein simplemente canceló el estatus especial de los marcos inerciales en la teoría y amplió el principio de la relatividad a los marcos no inerciales. Por tanto, el primer problema se transforma en el problema de la estructura espacio-temporal de sistemas no inerciales. El primer obstáculo que se encuentra en un sistema no inercial es la fuerza de inercia. Después de un estudio en profundidad de las fuerzas de inercia, se propuso el famoso principio de igualdad y se descubrió que el problema del sistema de referencia podía resolverse junto con el problema de la gravedad. Después de muchas idas y vueltas, Einstein finalmente estableció una teoría completa de la relatividad general. La relatividad general sorprendió a todos los físicos. La gravedad es mucho más complicada de lo que se imaginaba. Hasta ahora, las ecuaciones de campo de Einstein sólo han obtenido unas pocas soluciones definitivas. Su hermosa forma matemática todavía sorprende a los físicos. Si bien la relatividad general ha logrado grandes logros, la mecánica cuántica, fundada y desarrollada por la Escuela de Copenhague, también ha logrado grandes avances. Sin embargo, los físicos pronto descubrieron que las dos teorías principales eran incompatibles y que al menos una necesitaba ser revisada. Esto desencadenó el famoso debate: Einstein versus la Escuela de Copenhague. El debate no ha cesado hasta ahora, pero cada vez más físicos se inclinan más hacia la teoría cuántica. Einstein pasó el resto de su vida treinta años intentando resolver este problema pero no encontró nada. Pero su trabajo marcó el camino para los físicos: establecer una teoría superunificada que involucra cuatro fuerzas. Los candidatos más prometedores reconocidos actualmente por la comunidad académica son la teoría de supercuerdas y la teoría de supermembranas.
Relatividad General
Cuando salió la teoría de la relatividad, la gente vio las siguientes conclusiones: espacio-tiempo curvo de cuatro dimensiones, universo finito e infinito, ondas gravitacionales, lentes gravitacionales, grandes Teoría del universo Bang y el siglo XXI. El tema principal: el agujero negro, etc. Todo esto sucedió tan repentinamente que la gente sintió que la teoría de la relatividad era misteriosa e impredecible. Por lo tanto, en los primeros años después de que salió a la luz la teoría de la relatividad, algunas personas afirmaron que "sólo doce personas en el mundo entienden la teoría de la relatividad". " Algunas personas incluso dicen que "sólo hay dos personas y media en el mundo que entienden la teoría de la relatividad". Algunos incluso comparan la teoría de la relatividad con el "espiritualismo" y el "espiritualismo". De hecho, la teoría de la relatividad no es misteriosa. Es la teoría más realista, una verdad que ha sido probada miles de veces en la práctica y no es inalcanzable.
La geometría utilizada en la teoría de la relatividad no es la geometría euclidiana ordinaria, sino la geometría riemanniana. Creo que mucha gente conoce la geometría no euclidiana, que se divide en dos tipos: la geometría de Roche y la geometría de Rietzsche. Riemann unificó tres geometrías desde una perspectiva superior, llamada geometría riemanniana. En la geometría no euclidiana se obtienen muchos resultados extraños. La suma de los ángulos interiores de un triángulo no es 180 grados, ni la razón pi es 3,14, etc. Por lo tanto, cuando se introdujo por primera vez, fue ridiculizada y considerada la teoría más inútil. No se tomó en serio hasta que se descubrió su aplicación en la geometría esférica.
Si no hay materia en el espacio, el espacio-tiempo es plano y la geometría euclidiana es suficiente. Por ejemplo, lo que se utiliza en la relatividad especial es el espacio pseudoeuclidiano de cuatro dimensiones. Se agrega una palabra ficticia porque hay una unidad imaginaria i delante de la coordenada de tiempo. Cuando la materia existe en el espacio, la materia interactúa con el espacio-tiempo, haciendo que el espacio-tiempo se curve, lo que requiere el uso de geometría no euclidiana.
La teoría de la relatividad predice la existencia de ondas gravitacionales, y descubre que tanto los campos gravitacionales como las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz, negando la acción a distancia de la ley de la gravitación universal. Cuando la luz es emitida por una estrella y se encuentra con un cuerpo celeste masivo, la luz volverá a converger. En otras palabras, podemos observar la estrella bloqueada por el cuerpo celeste. Normalmente, lo que ves es un anillo, que se llama anillo de Einstein. Cuando Einstein aplicó sus ecuaciones de campo al universo, descubrió que el universo no era estable; se estaba expandiendo o contrayendo. En aquella época, la cosmología creía que el universo era infinito y estacionario, y que las estrellas también eran infinitas. Así que no dudó en modificar las ecuaciones de campo, añadió un término cosmológico, obtuvo una solución estable y propuso un modelo de universo finito e ilimitado. Pronto Hubble descubrió la famosa ley de Hubble y propuso la teoría de la expansión del universo. Einstein se arrepintió y abandonó el término cósmico, calificándolo del mayor error de su vida. En estudios posteriores, los físicos se sorprendieron al descubrir que el universo no sólo se estaba expandiendo, sino que incluso estaba explotando.
Naturalmente, fue completamente criticado por la mecánica newtoniana, pero la teoría de la relatividad lo resucitó. El planeta es de hecho un movimiento inercial, pero no es un círculo uniforme estándar.
La geometría de las hormigas y las abejas
Imagina que hay una hormiga plana que vive en una superficie bidimensional. Debido a que es una criatura bidimensional, no tiene sentido de. la tercera dimensión. Si las hormigas viven en un plano grande, cree geometría euclidiana a partir de la práctica. Si viviera en una esfera, crearía una geometría esférica en la que la suma trigonométrica es mayor que 180 grados y el pi es menor que 3,14. Sin embargo, si una hormiga vive en una esfera grande, su "ciencia" no está lo suficientemente desarrollada y su rango de actividades no es lo suficientemente grande como para descubrir la curvatura de la esfera. La pequeña esfera en la que vive es aproximadamente un plano, por lo que lo hará. Primero fundó la geometría euclidiana. Cuando su "ciencia y tecnología" se desarrolle, descubrirá "hechos experimentales" como que la suma de los triángulos es mayor que 180 grados y pi es menor que 3,14. Si la hormiga es lo suficientemente inteligente, concluirá que su universo es un espacio bidimensional curvo. Cuando mida su "universo" por todas partes, concluirá que su universo está cerrado (todavía es posible rodearlo en uno). círculo). volverá al lugar original), finito, y debido a que el grado de curvatura (curvatura) del "espacio" (superficie) es el mismo en todas partes, compararán el universo con el círculo en su propio universo y pensarán que el El universo es "circular". Como no tiene sentido tridimensional, no puede imaginar cómo su universo está curvado en una bola, y mucho menos cómo su universo "ilimitado" es una esfera de área finita que existe en un espacio plano tridimensional. Les resulta difícil responder preguntas como "¿Qué hay en el universo?" Debido a que su universo es un espacio bidimensional cerrado, finito e ilimitado, es difícil formar el concepto de "exterior".
En cuanto a los hechos abstractos que las hormigas deben utilizar "tecnología desarrollada" para descubrir, una abeja puede describirlos fácilmente de forma intuitiva. Debido a que las abejas son criaturas en el espacio tridimensional, pueden "comprender claramente" la superficie curva bidimensional incrustada en el espacio tridimensional, y es fácil formar el concepto de esfera. Las hormigas confiaron en su propia "tecnología científica" para llegar a la misma conclusión, pero era muy inimaginable y estrictamente matemática.
Se puede ver que no solo las criaturas en el espacio de alta dimensión pueden descubrir la situación en el espacio de baja dimensión, también las hormigas inteligentes pueden descubrir la curvatura de la superficie esférica y finalmente establecer una perfecta. geometría esférica. La profundidad de su comprensión no es mucho peor que la de las abejas.
La geometría de Riemann es un enorme sistema de axiomas geométricos especialmente utilizado para estudiar diversas propiedades de espacios curvos. La geometría esférica es sólo una rama muy pequeña de ella. Puede utilizarse no sólo para estudiar superficies bidimensionales como esferas, elipses e hiperboloides, sino también para estudiar espacios curvos de alta dimensión. Es la herramienta matemática más importante de la relatividad general. Cuando Riemann estableció la geometría riemanniana, predijo que el universo real puede ser curvo y que la existencia de materia es la causa de la curvatura del espacio. Este es en realidad el contenido central de la relatividad general. Es solo que Riemann no tenía un conocimiento tan rico de física como Einstein en ese momento, por lo que no pudo establecer la teoría general de la relatividad.
Verificación experimental de la relatividad general
Cuando Einstein estableció la teoría general de la relatividad, propuso tres experimentos, que fueron rápidamente verificados: (1) Desplazamiento gravitacional al rojo ( 2) Deflexión de la luz ( 3) Precesión del perihelio de Mercurio. Sólo recientemente se ha añadido una cuarta verificación: (4) retardo de tiempo de los ecos del radar.
(1) Desplazamiento gravitacional al rojo: La relatividad general demuestra que el tiempo intrínseco transcurre lentamente donde el potencial gravitacional es bajo. En otras palabras, cuanto más cerca estás de un cuerpo celeste, más lento es el tiempo. De esta manera, el período de luz emitido por los átomos en la superficie del cuerpo celeste se vuelve más largo. Dado que la velocidad de la luz permanece sin cambios, la frecuencia correspondiente se vuelve más pequeña y se mueve hacia la luz roja en el espectro, lo que se llama corrimiento al rojo gravitacional. . Hay muchos cuerpos celestes densos en el universo. La frecuencia de la luz emitida por ellos se puede medir y comparar con la luz emitida por los átomos correspondientes de la Tierra. Se descubre que el corrimiento al rojo es consistente con el lenguaje de la relatividad. A principios de la década de 1960, la gente utilizó el efecto de absorción vibratoria sin retroceso (efecto Mössbauer) de los rayos gamma en el campo gravitacional de la Tierra para medir el desplazamiento hacia el rojo producido por la propagación vertical de la luz a 22,5 M. Los resultados fueron consistentes con las predicciones de la teoría. de la relatividad.
(2) Deflexión de la luz: Según la teoría ondulatoria de la luz, la luz no debería tener ninguna desviación en el campo gravitacional. Según el producto mixto de la "teoría cuántica más la teoría de la gravedad newtoniana" semiclásica. Use la fórmula de Planck E = hr y la fórmula masa-energía E = MC ^ 2 para encontrar la masa del fotón. Luego use la ley de gravitación universal de Newton para obtener que el ángulo de desviación de la luz cerca del sol sea de 0,87 segundos. según la relatividad general es 1,75 segundos, el doble del ángulo anterior. En 1919, justo después de la Primera Guerra Mundial, el científico británico Eddington envió dos equipos de expedición para aprovechar la oportunidad de un eclipse solar para observar. El resultado de la observación fue de aproximadamente 1,7 segundos, lo que estaba justo dentro del rango de error experimental de la teoría. de la relatividad. La principal causa del error es la desviación de la luz por la atmósfera solar. Recientemente, se pueden utilizar radiotelescopios para observar la desviación de las ondas de radio del quásar en el campo gravitacional del sol, sin tener que esperar una oportunidad única como un eclipse solar. Las mediciones de precisión confirmaron aún más las conclusiones de la teoría de la relatividad.
(3) Precesión del perihelio de Mercurio: Las observaciones astronómicas han registrado que el perihelio de Mercurio se mueve 5.600 segundos cada cien años. Según la teoría de Newton, solo se pueden explicar 5.557 segundos, quedando solo 43. segundos. Los resultados de los cálculos de la relatividad general se desvían de la ley de la gravitación universal (ley del cuadrado inverso). Esta desviación hace que el perihelio de Mercurio se mueva 43 segundos cada cien años.
(4) Experimento de eco de radar: transmite señales de radar desde la Tierra a los planetas, recibe las señales reflejadas por los planetas y mide el tiempo de ida y vuelta de las señales para probar si el espacio es curvo ( probar la suma de los ángulos interiores de un triángulo) en la década de 1960, los físicos estadounidenses superaron muchas dificultades para realizar este experimento, y los resultados son consistentes con las predicciones de la teoría de la relatividad.