La teoría de la relatividad de Einstein

La importancia de proponer la teoría de la relatividad: La propuesta de la teoría de la relatividad fue una gran revolución en el campo de la física. Niega la visión absoluta del espacio-tiempo de la mecánica clásica y revela profundamente las propiedades esenciales del tiempo y el espacio. También desarrolló la mecánica newtoniana, resumió la mecánica newtoniana con la mecánica relativista e impulsó el desarrollo de la física a nuevas alturas.

La creación de la teoría especial de la relatividad: Ya a los 16 años, Einstein aprendió en los libros que la luz es una onda electromagnética muy rápida. Tuvo una idea: si una persona se mueve a la velocidad de. luz, ¿Qué clase de mundo verá? No vería la luz avanzando, sólo vería el campo electromagnético oscilando en el espacio, pero quieto. ¿Podría pasar algo como esto? Como resultado, se interesó mucho en explorar las cuestiones llamadas "éter" relacionadas con las ondas de luz. La palabra éter se originó en Grecia y representa los elementos básicos que constituyen los cuerpos celestes. Descartes y más tarde Huygens en el siglo XVII fueron pioneros y desarrollaron la teoría del éter. Creían que el éter es el medio a través del cual se propagan las ondas de luz y llena todo el espacio. incluido el vacío y puede penetrar materiales. Contrariamente a la teoría del éter, Newton propuso una teoría de partículas de la luz. Newton creía que un cuerpo luminoso emite una corriente de partículas que se mueven en línea recta y que la corriente de partículas golpea la retina para producir la visión. En el siglo XVIII prevaleció la teoría de partículas de Newton, pero en el siglo XIX la teoría ondulatoria era absolutamente dominante. También se ha desarrollado mucho la teoría del éter: la propagación de ondas requiere un medio, y el medio para la propagación de la luz en el vacío es el éter, también conocido como éter ligero. Al mismo tiempo, el electromagnetismo también 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 ha demostrado teórica y prácticamente que la luz está dentro de una determinada frecuencia. rango de ondas electromagnéticas, unificando así la teoría ondulatoria de la luz y la teoría electromagnética. El éter no sólo es portador de ondas luminosas, sino también de campos electromagnéticos. Hasta finales del siglo XIX se siguió intentando encontrar el éter, pero nunca se descubrió ningún éter en los experimentos; al contrario, el experimento de Michelson-Morley reveló que el éter no podía existir; El desarrollo del electromagnetismo se incorporó inicialmente al marco de la mecánica newtoniana, sin embargo, al explicar el proceso electromagnético de los objetos en movimiento, se encontró que era inconsistente con los principios de la relatividad seguidos por la mecánica newtoniana. Según la teoría de Maxwell, la velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío, es decir, la velocidad de la luz, es una constante pero según el principio de suma de velocidades de la mecánica newtoniana, la velocidad de la luz es diferente en diferentes sistemas inerciales; Por ejemplo, dos automóviles, uno que se dirige hacia usted y otro que se aleja de usted. Ves los faros del primer coche dirigiéndose hacia ti y los faros del segundo coche dirigiéndose hacia ti. Según la teoría de Galileo, la velocidad de la luz emitida por un coche que se acerca a ti es mayor que C (velocidad de la luz en el vacío 3,0x10^8m/s), es decir, la velocidad de la luz emitida por el coche de delante = velocidad de la luz + velocidad del automóvil; mientras que la velocidad de la luz emitida por el automóvil que se aleja es La velocidad de la luz es menor que C, es decir, la velocidad de la luz emitida por el automóvil de atrás = velocidad de la luz - velocidad del automóvil. Pero según la teoría, la velocidad de los dos tipos de luz es la misma, porque en la teoría de Maxwell, la velocidad del automóvil no afecta la propagación de la luz. Para decirlo sin rodeos, la velocidad de la luz es igual a C independientemente. de la velocidad del auto. Las opiniones de Maxwell y Galileo sobre la velocidad eran claramente contradictorias. ¿Cómo resolver este desacuerdo? Einstein parecía ser el hombre que iba a construir un nuevo edificio de la física. Einstein estudió detenidamente la teoría electromagnética de Maxwell, especialmente la electrodinámica desarrollada y elaborada por Hertz y Lorentz. Einstein creía firmemente que la teoría electromagnética era completamente correcta, pero había un problema que le preocupaba, y era 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 la investigación, Einstein descubrió que el éter no tenía ningún significado práctico en la teoría de Lorentz excepto como un marco de referencia absoluto y una carga eléctrica en el campo electromagnético. Entonces pensó: ¿es necesario el sistema de referencia absoluto del éter? ¿El campo electromagnético tiene que tener carga? En ese momento comenzó a dudar de la necesidad de la existencia del éter. A Einstein le gustaba leer obras filosóficas y absorber ideas filosóficas. Creía en la unidad y la coherencia lógica del mundo. El principio de la relatividad ha sido ampliamente probado en mecánica, pero no puede establecerse en electrodinámica. Einstein se mostró escéptico sobre la inconsistencia lógica de estos dos sistemas teóricos físicos. Creía que el principio de la relatividad debería ser universalmente cierto, por lo que la teoría electromagnética debería tener la misma forma para todos los sistemas inerciales, pero aquí surge el problema de la velocidad de la luz. Si la velocidad de la luz es una variable invariante o variable se ha convertido en la cuestión principal de si el principio de la relatividad es universalmente válido. A finales del siglo XIX, Mach criticó la visión absoluta de Newton sobre el espacio y el tiempo en su libro "Mecánica del desarrollo", 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 su amigo Besso, elaboró ​​sus puntos de vista de acuerdo con el machismo, y los dos discutieron sobre ello durante mucho tiempo. De repente, Einstein se dio cuenta de algo. Después de pensar una y otra vez en casa, finalmente descubrió el problema. Al día siguiente, volvió a la casa de Besso y dijo: "Gracias, mi problema está resuelto: Gracias, mi problema está resuelto. Resulta que Einstein descubrió una cosa: no existe una definición absoluta del tiempo". y la velocidad de la señal de la luz están indisolublemente ligadas. Encontró la llave para abrir la puerta. Después de cinco semanas de arduo trabajo, Einstein mostró a la gente la teoría especial de la relatividad. El 30 de junio de 1905, los "Anales de la Física" alemanes la aceptaron. El artículo de Einstein "Sobre la electrodinámica de los objetos en movimiento" se publicó en la edición de septiembre del mismo año. Este artículo fue el primer artículo sobre la teoría especial de la relatividad y contenía las ideas y elementos básicos de la teoría especial de la relatividad. Basado en dos principios: el principio de la relatividad y el principio de la velocidad constante de la luz, el punto de partida de Einstein para resolver el problema fue su firme creencia en el principio de la relatividad. Galileo fue el primero en elaborar la idea del principio de la relatividad. relatividad, pero no dio una definición clara de tiempo y espacio. Newton también habló de la idea de relatividad al establecer el sistema mecánico, pero luego definió el espacio absoluto, el tiempo absoluto y el movimiento absoluto. Fue contradictorio en este tema. mientras que Einstein desarrolló en gran medida el principio de la relatividad, en su opinión, no existe un espacio absolutamente estático y no existe un tiempo absolutamente inmutable. Todo el tiempo y el espacio están relacionados con cualquier sistema de referencia y sistema de coordenadas. esta referencia. El espacio y el tiempo del sistema de referencia y el sistema de coordenadas. Para todos los sistemas inerciales, las leyes físicas expresadas por el espacio y el tiempo del sistema de referencia tienen la misma forma. es el principio especial de la relatividad. Principio de la relatividad En este artículo, Einstein no discutió demasiado la base de la invariancia de la velocidad de la luz como principio básico. Propuso que la invariancia de la velocidad de la luz era un principio audaz. Suposición basada en los requisitos de la teoría electromagnética y el principio de la relatividad. Es el resultado de muchos años de pensamiento de Einstein sobre los problemas del éter y la electrodinámica. Utilizó la teoría de la simultaneidad de la relatividad como un gran avance para establecer un nuevo espacio-tiempo. teoría, y basándose en la nueva teoría del espacio-tiempo, le dio a la electrodinámica de los cuerpos en movimiento una forma completa. En la nueva teoría del espacio-tiempo, el éter ya no es necesario y la deriva del éter no existe. de simultaneidad? ¿Cómo sabemos que dos eventos en diferentes lugares ocurren al mismo tiempo? Generalmente lo confirmamos a través de señales para saber si eventos en diferentes lugares están sucediendo al mismo tiempo, debemos conocer la velocidad de propagación de la señal. , pero ¿cómo medimos esta velocidad? Debemos medir la distancia espacial entre dos lugares y el tiempo que tarda la señal en viajar. Medir la distancia espacial es fácil. El problema radica en la medición del tiempo. Un reloj alineado en cada lugar. Según las lecturas de los dos relojes, podemos saber el tiempo que tarda la señal en propagarse. Pero, ¿cómo sabemos que los relojes en los dos lugares están alineados? ¿Puede esta señal alinear los relojes? Si seguimos la idea anterior, necesitaremos una nueva señal. De esta manera, la simultaneidad remota es realmente imposible de confirmar. Pero una cosa está clara, al mismo tiempo hay que vincularla. una señal, de lo contrario no tiene sentido decir que dos cosas suceden al mismo tiempo. Las señales luminosas pueden ser las mejores señales para usar contra relojes, 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, para un observador en movimiento, pero no al mismo tiempo. al mismo tiempo. Imaginemos un tren que viaja a gran velocidad, acercándose 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 el extremo trasero del tren, dejando huellas en ambos extremos del tren y correspondientes. partes del andén se concluye mediante medición que A está equidistante de ambos extremos del tren y A ve dos relámpagos al mismo tiempo. Por lo tanto, para A, las dos señales luminosas recibidas viajaron la misma distancia en el mismo intervalo de tiempo y llegaron a su ubicación al mismo tiempo. Estos dos eventos deben haber ocurrido al mismo tiempo; Pero para B ubicado en el centro del tren, la situación es diferente. Debido a que B se mueve con el tren de alta velocidad, primero interceptará la señal frontal que se le transmite y luego recibirá la señal luminosa de la parte trasera. Para B, estos dos eventos no ocurren simultáneamente.

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 son la base de la mecánica newtoniana. La teoría de la relatividad sostiene que la velocidad de la luz es constante en todos los sistemas de referencia inerciales y es la velocidad máxima a la que se mueven los objetos. Debido al efecto relativista, la longitud de un objeto en movimiento se acorta y el tiempo de un objeto en movimiento se alarga. Sin embargo, debido a problemas encontrados en la vida diaria, la velocidad del movimiento es muy baja (en comparación con la velocidad de la luz) y los efectos relativistas no son obvios. Einstein estableció la mecánica relativista basándose en cambiar completamente la visión del espacio y el tiempo, señalando que la masa aumenta con la velocidad, y cuando la velocidad se acerca a la velocidad de la luz, la masa tiende al infinito. También mencionó la famosa relación masa-energía: E=mc^2, que desempeñó un papel rector en el posterior desarrollo de la energía atómica. Establecimiento de la Teoría General de la Relatividad: En 1905, Einstein publicó el primer artículo sobre la teoría especial de la relatividad, que no provocó mucha reacción inmediata. Pero Planck, la autoridad alemana en física, se dio cuenta de su artículo y consideró que el trabajo de Einstein era comparable al de Copérnico. Fue precisamente gracias a la promoción de Planck que la teoría de la relatividad se convirtió rápidamente en un tema de investigación y discusión, y Einstein también atrajo la atención de la comunidad académica. En 1907, Einstein siguió el consejo de un amigo y presentó este famoso artículo para solicitar un puesto de profesor titular en el Instituto Federal de Tecnología (BTH), pero la respuesta que recibió fue que el artículo era difícil de entender. Aunque Einstein ya era muy conocido en la comunidad física alemana, no pudo obtener un puesto de profesor universitario en Suiza y muchas personas prestigiosas comenzaron a luchar por él. En 1908, Einstein finalmente consiguió un puesto como profesor no titular y se convirtió en profesor asociado al año siguiente. En 1912, Einstein se convirtió en profesor. En 1913, por invitación de Planck, se convirtió en director del recién fundado Instituto Kaiser Wilhelm de Física y profesor en la Universidad de Berlín. En 1913, por invitación de Planck, se desempeñó como director del recién creado Instituto Kaiser Wilhelm de Física y profesor en la Universidad de Berlín. Durante este período, Einstein estaba considerando una generalización de la teoría de la relatividad establecida, y había dos problemas que le preocupaban. El primero es el problema de la gravitación universal; la relatividad especial es correcta para las leyes físicas de la mecánica, la termodinámica y la electrodinámica, pero no puede explicar la gravitación universal. La teoría de la gravitación universal de Newton actúa a distancia, y el efecto gravitacional entre dos objetos se transmite instantáneamente, es decir, infinito. Esto entra en conflicto con la visión del campo en la que se basa la teoría de la relatividad, y también entra en conflicto con la velocidad máxima de la luz. . El segundo es el problema de los sistemas no inerciales; la relatividad especial, al igual que las leyes físicas anteriores, sólo se aplica a los sistemas inerciales. Pero, de hecho, es difícil encontrar un verdadero sistema inercial. Lógicamente hablando, todas las leyes de la naturaleza no deben limitarse a sistemas inerciales, sino que deben considerar sistemas no inerciales. A la relatividad especial le resulta difícil explicar la llamada paradoja de los gemelos. Se dice que, según el efecto de la relatividad, hay un par de gemelos que viajan en una nave espacial. , el reloj de alta velocidad se ralentiza. Cuando el hermano mayor regresa, el hermano menor ya es tan viejo como lo ha sido la tierra durante décadas. Según el principio de relatividad, la nave espacial se mueve a gran velocidad en relación con la Tierra, y la Tierra se mueve a gran velocidad en relación con la nave espacial. El hermano menor se vuelve más joven cuando ve a su hermano mayor, y el hermano mayor también debería hacerlo. rejuvenece cuando ve a su hermano menor. Esta pregunta simplemente no puede responderse. De hecho, la teoría de la relatividad especial sólo implica un movimiento lineal uniforme. El hermano menor debe pasar por un proceso de movimiento de velocidad variable antes de poder regresar, y la teoría de la relatividad no puede resolver este problema. Mientras la gente estaba ocupada entendiendo la teoría especial de la relatividad, Einstein celebraba la finalización de su teoría general de la relatividad. En 1907, Einstein escribió un largo artículo sobre la teoría especial de la relatividad, "Sobre los principios de la relatividad y las conclusiones extraídas de ella". En este artículo, Einstein mencionó por primera vez el principio de equivalencia. El principio de equivalencia siguió desarrollándose. Tomó la ley natural de que la masa inercial y la masa gravitacional son proporcionales como base del principio de equivalencia y propuso que en un volumen infinitamente pequeño, un campo gravitacional uniforme puede reemplazar completamente el marco de referencia del movimiento acelerado. Einstein también propuso el argumento de la caja cerrada: no importa qué método se utilice, un observador en una caja cerrada no puede determinar si se encuentra en un estado estacionario con un campo gravitacional o en un espacio acelerado sin un campo gravitacional. Este es el más utilizado. El argumento para explicar el principio de equivalencia es también un corolario natural del principio de que la masa inercial y la masa gravitacional son iguales. En noviembre de 1915, Einstein presentó cuatro artículos a la Academia de Ciencias de Prusia en los que proponía nuevas ideas, demostraba el movimiento perihelio de Mercurio y daba las ecuaciones correctas para el campo gravitacional.

En 1916, Einstein completó un extenso artículo "Los fundamentos de la relatividad general". En este artículo, por primera vez, llamó relatividad especial a la teoría de la relatividad, previamente aplicada a los sistemas inerciales, y denominó el principio de que las leyes de la física son verdaderas. sólo para sistemas inerciales es el principio de la relatividad especial, y propone además el principio de la relatividad general: las leyes de la física deben cumplirse para el sistema de referencia que se mueve en cualquier dirección. La teoría general de la relatividad de Einstein establece que debido a la existencia de la materia, el espacio y el tiempo son 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 hace un buen trabajo al explicar los 43 segundos de progresión del perihelio de Mercurio que han permanecido sin explicación. La segunda predicción importante de la relatividad general es el corrimiento al rojo gravitacional, el desplazamiento del espectro hacia el extremo rojo en campos gravitacionales fuertes, que los astrónomos confirmaron en observaciones astronómicas en la década de 1920. La tercera predicción importante de la relatividad general es que los campos gravitacionales desvían la luz. El campo gravitacional más cercano a la Tierra es el campo gravitacional del Sol. Einstein predijo que si la luz de una estrella distante atraviesa la superficie del Sol, se desviará durante un minuto y siete segundos. En 1919, impulsados ​​por el astrónomo británico Eddington, dos equipos de expedición fueron a dos lugares para observar un eclipse solar total. Después de un estudio cuidadoso, finalmente concluyeron que la luz de las estrellas efectivamente se desviaba durante un minuto y siete segundos cerca del sol. La Royal Society y la Royal Astronomical Society leyeron oficialmente el informe de observación, confirmando que las conclusiones de la relatividad general son correctas. El famoso físico y presidente de la Royal Society Thomson dijo en la reunión: "Este es el logro más significativo en la teoría de la gravedad 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 un creador de noticias en 1916 cuando escribió su popular introducción a la teoría de la relatividad, "Introducción a la teoría general y especial de la relatividad", que en 1922 se había reimpreso 40 veces y se tradujo a una docena de idiomas más. El significado de la teoría de la relatividad:

La imagen de Einstein en "Einstein y Eddington" (12 imágenes) El establecimiento de la teoría especial de la relatividad y la teoría general de la relatividad ha pasado por un largo período de tiempo y ha resistido la práctica y la práctica. La prueba de la historia es una verdad universalmente reconocida. 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 la física clásica en términos de pensamiento lógico y hace de la física clásica un sistema científico completo. La teoría de la relatividad especial unifica los dos sistemas principales de la mecánica newtoniana y la electrodinámica de Maxwell sobre la base de los principios de la relatividad especial, señalando que todos obedecen a los principios de la relatividad especial y son covariantes de la transformación de Lorentz. buena aproximación de las leyes del movimiento de objetos a baja velocidad. 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, Newtoniana. La gravedad La teoría es sólo una primera aproximación a la misma. Esto resuelve fundamentalmente el problema de que la física anterior se limitara a coeficientes de inercia y lo racionaliza lógicamente. 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 completo y lógico. La teoría especial de la relatividad proporciona las leyes del movimiento de objetos a alta velocidad, propone que la masa es igual a la energía y proporciona la ecuación masa-energía. Estos dos resultados no son obvios para objetos macroscópicos que se mueven a bajas velocidades, pero son extremadamente importantes cuando se estudian partículas microscópicas. Dado que las partículas microscópicas suelen moverse muy rápido, algunas acercándose o incluso alcanzando la velocidad de la luz, la física de partículas es inseparable de la teoría de la relatividad. La ecuación relativista masa-energía no sólo crea las condiciones necesarias para el establecimiento y desarrollo de la teoría cuántica, sino que también proporciona la base para el desarrollo y aplicación de la física nuclear. La mayoría de los físicos del planeta de aquella época, incluido Lorentz, el fundador de la relación de transformación relativista, tuvieron dificultades para aceptar estos conceptos novedosos propuestos por Einstein. Algunos incluso decían: "Sólo dos personas y media en el mundo entendían la teoría de la relatividad en aquel momento". 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 cuando la Real Academia Sueca de Ciencias otorgó el Premio Nobel de Física a Einstein en 1922, solo dijo: "Debido a". su contribución a la física teórica, y más aún por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico." La teoría de la relatividad de Einstein no fue mencionada en su discurso del Premio Nobel. (Nota: una razón importante por la que la teoría de la relatividad no ganó el Premio Nobel es que todavía falta mucha verificación fáctica).