Dijeron sobre esta teoría que solo tres personas en el mundo la entendían, y cuando los matemáticos intentaron expresar en números lo que se deduce de ella, el propio autor, Albert Einstein, bromeó diciendo que ahora él también había dejado de entenderla.
Especial y teoria general La relatividad es una parte inseparable de la doctrina en la que se basan las opiniones científicas modernas sobre la estructura del mundo.
"Año de los Milagros"
En 1905, la principal publicación científica de Alemania, "Annalen der Physik" ("Anales de la Física"), publicó uno tras otro cuatro artículos de Albert Einstein, de 26 años, que trabajaba como experto de tercera clase, un oficinista, en la Oficina Federal de Patentes. Oficina en Berna. Había colaborado con la revista antes, pero publicar tantas obras en un año fue un acontecimiento extraordinario. Se volvió aún más notable cuando quedó claro el valor de las ideas contenidas en cada uno de ellos.
En el primero de los artículos se expresaron reflexiones sobre la naturaleza cuántica de la luz, se consideraron los procesos de absorción y liberación. radiación electromagnética. Sobre esta base, se explicó por primera vez el efecto fotoeléctrico: la emisión de electrones por una sustancia eliminada por fotones de luz, y se propusieron fórmulas para calcular la cantidad de energía liberada en este caso. Fue por los desarrollos teóricos del efecto fotoeléctrico, que se convirtió en el comienzo de la mecánica cuántica, y no por los postulados de la teoría de la relatividad, por lo que Einstein sería premiado en 1922. premio nobel en física.
Otro artículo sentó las bases para áreas aplicadas de la estadística física basadas en el estudio del movimiento browniano de partículas diminutas suspendidas en un líquido. Einstein propuso métodos para buscar patrones de fluctuaciones: desviaciones desordenadas y aleatorias de cantidades físicas de sus valores más probables.
Y finalmente, en los artículos "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" y "¿Depende la inercia de un cuerpo del contenido de energía que contiene?" contenía los gérmenes de lo que en la historia de la física se denominaría teoría de la relatividad de Albert Einstein, o más bien su primera parte, la TER, teoría especial de la relatividad.
Fuentes y predecesores
EN finales del XIX siglo, muchos físicos pensaron que la mayoría problemas globales El universo está decidido, se han hecho los principales descubrimientos y a la humanidad sólo le queda utilizar el conocimiento acumulado para acelerar poderosamente el progreso técnico. Sólo unas pocas inconsistencias teóricas estropearon la imagen armoniosa del Universo, lleno de éter y que vive según las inmutables leyes newtonianas.
La armonía se vio arruinada por la investigación teórica de Maxwell. Sus ecuaciones, que describían las interacciones de los campos electromagnéticos, contradecían las leyes generalmente aceptadas de la mecánica clásica. Se trataba de la medición de la velocidad de la luz en sistemas de referencia dinámicos, cuando el principio de relatividad de Galileo dejó de funcionar: el modelo matemático de la interacción de tales sistemas cuando se movían a la velocidad de la luz condujo a la desaparición de las ondas electromagnéticas.
Además, el éter, que debía conciliar la existencia simultánea de partículas y ondas, macrocosmos y microcosmos, era indetectable. El experimento, realizado en 1887 por Albert Michelson y Edward Morley, tenía como objetivo detectar el "viento etéreo", que inevitablemente tenía que ser registrado mediante un dispositivo único: un interferómetro. El experimento duró todo un año, el momento de la revolución completa de la Tierra alrededor del Sol. Se suponía que el planeta se movería contra la corriente del éter durante seis meses, se suponía que el éter "soplaría las velas" de la Tierra durante seis meses, pero el resultado fue cero: el desplazamiento de las ondas de luz bajo la influencia del éter fue no detectado, lo que pone en duda el hecho mismo de la existencia del éter.
Lorentz y Poincaré
Los físicos intentaron encontrar una explicación a los resultados de los experimentos sobre la detección de éter. Hendrik Lorenz (1853-1928) propuso su modelo matemático. Devolvió a la vida el llenado etérico del espacio, pero sólo bajo la suposición muy condicional y artificial de que, al moverse a través del éter, los objetos podrían contraerse en la dirección del movimiento. Este modelo fue modificado por el gran Henri Poincaré (1854-1912).
En los trabajos de estos dos científicos aparecieron por primera vez conceptos que formaron en gran medida los principales postulados de la teoría de la relatividad, y esto no permite que amainen las acusaciones de plagio de Einstein. Estos incluyen la convencionalidad del concepto de simultaneidad, la hipótesis de la velocidad constante de la luz. Poincaré admitió que a altas velocidades, las leyes de la mecánica de Newton requieren una reelaboración y concluyó que el movimiento es relatividad, pero en aplicación a la teoría del éter.
Teoría especial de la relatividad - TER
Los problemas de describir correctamente los procesos electromagnéticos se convirtieron en la razón motivadora para elegir un tema para los desarrollos teóricos, y los artículos de Einstein publicados en 1905 contenían una interpretación de un caso especial: uniforme y movimiento rectilíneo. En 1915, se formó la teoría general de la relatividad, que explicaba las interacciones gravitacionales, pero la primera teoría se llamó especial.
La teoría especial de la relatividad de Einstein puede enunciarse brevemente en forma de dos postulados principales. El primero extiende la acción del principio de relatividad de Galileo a todos los fenómenos físicos, y no sólo a los procesos mecánicos. en más forma general dice: Todas las leyes físicas son las mismas para todos los sistemas de referencia inerciales (que se mueven uniformemente en línea recta o en reposo).
La segunda afirmación, que contiene la teoría especial de la relatividad: la velocidad de propagación de la luz en el vacío es la misma para todos los sistemas de referencia inerciales. A continuación, se llega a una conclusión más global: la velocidad de la luz es el valor máximo de la velocidad de transmisión de las interacciones en la naturaleza.
En los cálculos matemáticos de STR se da la fórmula E=mc², que ya había aparecido anteriormente en publicaciones físicas, pero fue gracias a Einstein que se convirtió en la más famosa y popular de la historia de la ciencia. La conclusión sobre la equivalencia de masa y energía es la fórmula más revolucionaria de la teoría de la relatividad. El concepto de que cualquier objeto con masa contiene gran cantidad La energía nuclear se convirtió en la base del desarrollo del uso de la energía nuclear y, sobre todo, condujo a la aparición de la bomba atómica.
Efectos de la relatividad especial
De STR se derivan varias consecuencias, llamadas efectos relativistas (relatividad). La dilatación del tiempo es una de las más llamativas. Su esencia es que en un marco de referencia en movimiento el tiempo pasa Más lento. Los cálculos muestran que en una nave espacial que realiza un vuelo hipotético al sistema estelar Alfa Centauri y regresa a una velocidad de 0,95 c (c es la velocidad de la luz), pasarán 7,3 años, y en la Tierra, 12 años. Estos ejemplos se citan a menudo al explicar la teoría de la relatividad para tontos, así como la paradoja de los gemelos relacionada.
Otro efecto es una reducción de las dimensiones lineales, es decir, desde el punto de vista de un observador, los objetos que se mueven con respecto a él a una velocidad cercana a c tendrán dimensiones lineales más pequeñas en la dirección del movimiento que su propia longitud. Este efecto, predicho por la física relativista, se llama contracción de Lorentz.
Según las leyes de la cinemática relativista, la masa de un objeto en movimiento es mayor que su masa en reposo. Este efecto se vuelve especialmente significativo cuando se desarrollan instrumentos para estudiar partículas elementales; sin tenerlo en cuenta, es difícil imaginar el funcionamiento del LHC (Gran Colisionador de Hadrones).
Espacio-tiempo
uno de componentes esenciales SRT es una representación gráfica de la cinemática relativista, un concepto especial de espacio-tiempo unificado, propuesto por el matemático alemán Hermann Minkowski, quien en un momento fue profesor de matemáticas de un alumno de Albert Einstein.
La esencia del modelo de Minkowski es un enfoque completamente nuevo para determinar la posición de los objetos que interactúan. La teoría especial de la relatividad se centra en el tiempo. atención especial. El tiempo no es sólo la cuarta coordenada del clásico sistema de coordenadas tridimensional; el tiempo no es un valor absoluto, sino una característica inseparable del espacio, que toma la forma de un continuo espacio-temporal, expresado gráficamente en forma de cono. en el que ocurren todas las interacciones.
Este espacio en la teoría de la relatividad, con su desarrollo hacia una naturaleza más general, fue posteriormente sometido a curvatura, lo que hizo que dicho modelo fuera adecuado para describir interacciones gravitacionales.
Mayor desarrollo de la teoría.
La TER no encontró comprensión inmediata entre los físicos, pero gradualmente se convirtió en la principal herramienta para describir el mundo, especialmente el mundo de las partículas elementales, que se convirtió en el principal tema de estudio de la ciencia física. Pero la tarea de complementar la TER con una explicación de las fuerzas gravitacionales era muy urgente, y Einstein no dejó de trabajar, perfeccionando los principios de la teoría general de la relatividad: GTR. El procesamiento matemático de estos principios llevó bastante tiempo: alrededor de 11 años, y en él participaron especialistas de áreas de las ciencias exactas relacionadas con la física.
Así, el destacado matemático de la época, David Hilbert (1862-1943), quien se convirtió en uno de los coautores de las ecuaciones del campo gravitacional, hizo una gran contribución. Fueron la última piedra en la construcción de un hermoso edificio, que recibió el nombre de Teoría General de la Relatividad o GTR.
Teoría General de la Relatividad - Relatividad General
La teoría moderna del campo gravitacional, la teoría de la estructura del "espacio-tiempo", la geometría del "espacio-tiempo", la ley de las interacciones físicas en los sistemas de información no inerciales: todo esto varios nombres, que están dotados de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein.
La teoría de la gravitación universal, que durante mucho tiempo determinó las opiniones de la ciencia física sobre la gravedad, sobre las interacciones de objetos y campos de diversos tamaños. Paradójicamente, su principal inconveniente fue la naturaleza intangible, ilusoria y matemática de su esencia. Entre las estrellas y los planetas había un vacío, una atracción entre cuerpos celestes se explica por la acción de largo alcance de ciertas fuerzas, y además instantáneas. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein llenó la gravedad de contenido físico y la presentó como el contacto directo de varios objetos materiales.
Geometría de la gravedad
La idea principal con la que Einstein explicó las interacciones gravitacionales es muy sencilla. Declara que el espacio-tiempo es una expresión física de las fuerzas gravitacionales, dotado de signos bastante tangibles: métricas y deformaciones, que están influenciadas por la masa del objeto alrededor del cual se forman tales curvaturas. En un momento, a Einstein incluso se le atribuyeron llamamientos para devolver a la teoría del universo el concepto de éter, como un medio material elástico que llena el espacio. Explicó que le resulta difícil llamar vauum a una sustancia que tiene muchas cualidades.
Así, la gravedad es una manifestación de las propiedades geométricas del espacio-tiempo cuatridimensional, que en la TER se designó como no curvado, pero en casos más generales está dotado de curvatura, lo que determina el movimiento de los objetos materiales, a los que se les da el mismo aceleración de acuerdo con el principio de equivalencia declarado por Einstein.
Este principio fundamental de la teoría de la relatividad explica muchos de los "cuellos de botella" de la teoría de la gravitación universal de Newton: la curvatura de la luz que se observa al pasar cerca de objetos cósmicos masivos durante algunos fenómenos astronómicos y, observada por los antiguos, la misma aceleración de la caída. de los cuerpos, independientemente de su masa.
Modelando la curvatura del espacio.
Un ejemplo común utilizado para explicar la teoría general de la relatividad para tontos es la representación del espacio-tiempo en forma de trampolín, una membrana delgada y elástica sobre la cual se colocan objetos (la mayoría de las veces pelotas), que simulan objetos que interactúan. Las bolas pesadas doblan la membrana formando un embudo a su alrededor. Una bola más pequeña lanzada sobre la superficie se mueve en total conformidad con las leyes de la gravedad, rodando gradualmente hacia depresiones formadas por objetos más masivos.
Pero un ejemplo así es bastante convencional. El espacio-tiempo real es multidimensional, su curvatura tampoco parece tan elemental, pero el principio de formación de la interacción gravitacional y la esencia de la teoría de la relatividad quedan claros. En cualquier caso, todavía no existe una hipótesis que explique de forma más lógica y coherente la teoría de la gravedad.
evidencia de la verdad
La Relatividad General rápidamente comenzó a ser percibida como una base poderosa sobre la cual se podía construir la física moderna. Desde el principio, la teoría de la relatividad asombró no solo a los especialistas por su armonía y armonía, y poco después de su aparición comenzó a ser confirmada por observaciones.
El punto más cercano al Sol - perihelio - La órbita de Mercurio cambia gradualmente en relación con las órbitas de otros planetas. sistema solar, que fue descubierto a mediados del siglo XIX. Este movimiento, la precesión, no encontró una explicación razonable en el marco de la teoría de la gravitación universal de Newton, pero se calculó con precisión sobre la base de la teoría general de la relatividad.
El eclipse de Sol ocurrido en 1919 brindó la oportunidad de realizar otra prueba de la relatividad general. Arthur Eddington, que en broma se llamó a sí mismo la segunda persona de tres que comprende los conceptos básicos de la teoría de la relatividad, confirmó las desviaciones predichas por Einstein cuando los fotones de luz pasaron cerca de la estrella: en el momento del eclipse, un cambio en la aparente La posición de algunas estrellas se hizo evidente.
El propio Einstein propuso un experimento para detectar la desaceleración del reloj o el corrimiento al rojo gravitacional, entre otras evidencias de la relatividad general. Sólo más tarde durante muchos años logró preparar el equipo experimental necesario y realizar este experimento. El desplazamiento gravitacional de las frecuencias de radiación del emisor y el receptor, separados en altura, resultó estar dentro de los límites predichos por la Relatividad General, y los físicos de Harvard Robert Pound y Glen Rebka, que realizaron este experimento, posteriormente solo aumentaron la precisión de la mediciones, y la fórmula de la teoría de la relatividad nuevamente resultó ser correcta.
La teoría de la relatividad de Einstein está siempre presente en la justificación de los proyectos de exploración espacial más significativos. Brevemente, podemos decir que se ha convertido en una herramienta de ingeniería para especialistas, en particular aquellos que trabajan con sistemas de navegación por satélite: GPS, GLONASS, etc. Es imposible calcular las coordenadas de un objeto con la precisión requerida, incluso en un espacio relativamente pequeño, sin tener en cuenta las ralentizaciones de la señal predichas por la relatividad general. Especialmente cuando hablamos de objetos separados por distancias cósmicas, donde el error en la navegación puede ser enorme.
Creador de la teoría de la relatividad.
Albert Einstein era todavía un joven cuando publicó los principios de la teoría de la relatividad. Posteriormente, se le hicieron evidentes sus deficiencias e inconsistencias. En particular, lo más problema principal Se ha vuelto imposible que GTR se convierta en mecánica cuántica, ya que para describir las interacciones gravitacionales se utilizan principios radicalmente diferentes entre sí. La mecánica cuántica considera la interacción de objetos en un solo espacio-tiempo, y para Einstein este espacio forma la gravedad.
Escribiendo la "fórmula de todas las cosas" - teoría unificada Un campo que eliminaría las contradicciones de la relatividad general y la física cuántica fue el objetivo de Einstein durante muchos años; trabajó en esta teoría hasta la última hora, pero no logró el éxito. Los problemas de la relatividad general se han convertido en un incentivo para que muchos teóricos busquen más modelos perfectos paz. Así surgieron las teorías de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y muchas otras.
La personalidad del autor de la Relatividad General dejó una huella en la historia comparable a la importancia para la ciencia de la propia teoría de la relatividad. Ella todavía no deja indiferente a nadie. El propio Einstein se preguntaba por qué personas que no tenían nada que ver con la física le prestaban tanta atención a él y a su trabajo. Gracias a sus cualidades personales, famoso ingenio, activo. posición política E incluso con su expresiva apariencia, Einstein se convirtió en el físico más famoso de la Tierra, el héroe de muchos libros, películas y juegos de computadora.
Muchos describen dramáticamente el final de su vida: se sentía solo, se consideraba responsable de la aparición de arma terrible, que se convirtió en una amenaza para toda la vida en el planeta, su teoría del campo unificado permaneció sueño poco realista, pero el mejor resultado pueden considerarse las palabras de Einstein, pronunciadas poco antes de su muerte, de que había completado su tarea en la Tierra. Es difícil discutir eso.
Una de las perlas del pensamiento científico en la tiara del conocimiento humano con la que entramos en el siglo XXI es la Teoría General de la Relatividad (en adelante GTR). Esta teoría ha sido confirmada por innumerables experimentos; diré más, no hay un solo experimento en el que nuestras observaciones difieran ni un poquito, ni siquiera un poquito, de las predicciones de la Teoría General de la Relatividad. Dentro de los límites de su aplicabilidad, por supuesto.
Hoy quiero contaros qué clase de bestia es esta Teoría General de la Relatividad. ¿Por qué es tan difícil y por qué? De hecho ella es tan simple. Como ya entiendes, la explicación irá. en tus dedos™ Por tanto, les pido que no juzguen con demasiada dureza las interpretaciones muy libres y las alegorías no del todo correctas. Quiero que cualquiera lea esta explicación. humanitario, sin ningún conocimiento de cálculo diferencial ni de integración de superficies, pudo comprender los conceptos básicos de la relatividad general. Después de todo, históricamente este es uno de los primeros teorías científicas, comenzando a alejarse de la experiencia humana cotidiana habitual. En la mecánica newtoniana todo es sencillo, tres dedos bastan para explicarlo: aquí está la fuerza, aquí está la masa, aquí está la aceleración. Aquí hay una manzana cayendo sobre tu cabeza (¿todos han visto cómo caen las manzanas?), aquí está la aceleración de su caída libre, aquí están las fuerzas que actúan sobre ella.
Con la relatividad general, no todo es tan simple: curvatura del espacio, dilatación del tiempo gravitacional, agujeros negros, todo esto debería causar (¡y causa!) muchas sospechas vagas en una persona que no está preparada. ¿Estás jugando con mis oídos, amigo? ¿Cuáles son las curvaturas del espacio? ¿Quién vio estas distorsiones, de dónde vienen? ¿Cómo es posible imaginar algo así?
Intentemos resolverlo.
Como se desprende del nombre de la Teoría General de la Relatividad, su esencia es que En general, todo en el mundo es relativo. Broma. Aunque en realidad no.
La velocidad de la luz es la cantidad relativa a la que son relativas todas las demás cosas en el mundo. Cualquier marco de referencia es igual, no importa dónde se muevan, no importa lo que hagan, incluso giren en el lugar, incluso se muevan con aceleración (que es golpe serio(hasta las entrañas de Newton y Galileo, que pensaban que sólo los sistemas de referencia que se movían uniforme y rectilíneamente podían ser relativos e iguales, y aun así sólo en el marco de la mecánica elemental) - de todos modos, siempre se puede encontrar truco inteligente(científicamente esto se llama transformación de coordenadas), con la ayuda del cual será posible pasar sin dolor de un marco de referencia a otro, prácticamente sin perder nada en el camino.
Un postulado ayudó a Einstein a llegar a tal conclusión (permítanme recordarles: una afirmación lógica tomada por fe sin pruebas debido a su obviedad) "sobre la igualdad de la gravedad y la aceleración". (Atención, aquí hay una gran simplificación de la redacción, pero en esquema general Así es: la equivalencia de los efectos del movimiento uniformemente acelerado y la gravedad está en el corazón mismo de la Relatividad General).
Demuestre este postulado, o al menos mentalmente. pruébalo bastante simple. Bienvenido al Elevador Einstein.
La idea de este experimento mental es que si estuvieras encerrado en un ascensor sin ventanas ni puertas, entonces no existe la más mínima, absolutamente ninguna forma de saber en qué situación te encuentras: o el ascensor sigue en pie como está. estaba en el nivel de la planta baja, y usted (y todos los demás contenidos del ascensor) actúa la fuerza de atracción habitual, es decir, la fuerza de gravedad de la Tierra, o de todo el planeta Tierra, desapareció de debajo de tus pies, y el ascensor comenzó a subir, con una aceleración igual a la aceleración de caída libre. gramo=9,8m/s2.
No importa lo que haga, no importa qué experimentos lleve a cabo, no importa qué mediciones de los objetos y fenómenos circundantes realice, es imposible distinguir entre estas dos situaciones, y en el primer y segundo caso, todos los procesos en el ascensor serán ocurrir exactamente igual.
El lector con un asterisco (*) probablemente conozca una salida complicada a esta dificultad. Fuerzas de marea. Si el ascensor es muy (muy, muy) grande, de 300 kilómetros de diámetro, es teóricamente posible distinguir la gravedad de la aceleración midiendo la fuerza de la gravedad (o la magnitud de la aceleración, todavía no sabemos cuál es cuál) en diferentes extremos del ascensor. Un ascensor tan enorme será ligeramente comprimido por las fuerzas de marea en la sección transversal y ligeramente estirado por ellas en el plano longitudinal. Pero estos ya son trucos. Si el ascensor es lo suficientemente pequeño, no podrás detectar ninguna fuerza de marea. Así que no hablemos de cosas tristes.
En total, en un ascensor bastante pequeño podemos suponer que La gravedad y la aceleración son lo mismo.. Parecería que la idea es obvia e incluso trivial. ¿Qué hay de nuevo o complicado aquí? Se podría decir que ¡hasta un niño debería entenderlo! Sí, en principio, nada complicado. No fue Einstein quien inventó esto; esas cosas se conocían mucho antes.
Einstein decidió descubrir cómo se comportaría un rayo de luz en un ascensor de este tipo. Pero esta idea tuvo consecuencias de gran alcance, en las que nadie pensó seriamente hasta 1907. Quiero decir, para ser honesto, muchas personas pensaron en ello, pero solo una decidió involucrarse tan profundamente.
Imaginemos que enfocamos a Einstein con una linterna en nuestro ascensor mental. Un rayo de luz salió volando de una pared del ascensor, desde el punto 0) y voló paralelo al suelo hacia la pared opuesta. Mientras el ascensor está parado, es lógico suponer que el haz de luz incidirá en la pared opuesta, exactamente frente al punto de partida 0), es decir llegará al punto 1). Los rayos de luz viajan en línea recta, todos fueron a la escuela, todos aprendieron esto en la escuela, y el joven Albertik también.
Es fácil adivinar que si el ascensor subiera, durante el tiempo que el rayo volaba a través de la cabina, tendría tiempo de moverse un poco hacia arriba.
Y si el ascensor se mueve con aceleración uniforme, entonces la viga golpeará la pared en el punto 2), es decir cuando se ve desde el lado parecerá que la luz se mueve como en una parábola.
Bueno, está claro que De hecho no hay parábola. El rayo voló recto y todavía lo hace. Es que mientras volaba en línea recta, el ascensor logró subir un poco, así que aquí estamos. Parece que el rayo se movía en parábola.
Todo es exagerado y exagerado, claro. Un experimento mental sobre por qué nuestra luz vuela lentamente y los ascensores se mueven rápidamente. Todavía no hay nada particularmente interesante aquí, todo esto también debería ser comprensible para cualquier escolar. Puedes realizar un experimento similar en casa. Sólo hay que encontrar “vigas muy lentas” y ascensores buenos y rápidos.
Pero Einstein fue verdaderamente un genio. Hoy mucha gente lo regaña, como si no fuera nadie ni nada en absoluto, se sentaba en su oficina de patentes, tejía sus conspiraciones judías y robaba ideas de físicos reales. La mayoría de los que dicen esto no entienden en absoluto quién es Einstein y qué hizo por la ciencia y la humanidad.
Einstein dijo: dado que “la gravedad y la aceleración son equivalentes” (repito una vez más, no dijo exactamente eso, estoy exagerando y simplificando deliberadamente), significa que en presencia de un campo gravitacional (por ejemplo, cerca del planeta Tierra), la luz tampoco volará en línea recta, sino a lo largo de una curva. La gravedad doblará el haz de luz.
Lo cual en sí mismo era una herejía absoluta para esa época. Cualquier campesino debería saber que los fotones son partículas sin masa. Esto significa que la luz “no pesa” nada. Por tanto, a la luz no debería importarle la gravedad; no debería ser “atraída” por la Tierra, como lo son las piedras, las bolas y las montañas. Si alguien recuerda la fórmula de Newton, la gravedad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos y directamente proporcional a sus masas. Si un rayo de luz no tiene masa (y la luz realmente no la tiene), ¡entonces no debería haber atracción! Aquí los contemporáneos comenzaron a mirar de reojo a Einstein con sospecha.
Y él, la infección, fue aún más lejos. Dice que no les romperemos la cabeza a los campesinos. Creemos que los antiguos griegos (¡hola, antiguos griegos!), Dejemos que la luz se propague como antes estrictamente en línea recta. Mejor supongamos que el espacio mismo alrededor de la Tierra (y cualquier cuerpo con masa) se curva. Y no sólo el espacio tridimensional, sino el espacio-tiempo cuatridimensional.
Aquellos. La luz voló en línea recta y todavía lo hace. Sólo que esta línea recta ya no está dibujada sobre un plano, sino sobre una especie de toalla arrugada. Y también en 3D. Y es la presencia cercana de la masa lo que arruga esta toalla. Bueno, más precisamente la presencia de energía-impulso, para ser absolutamente precisos.
Todo para él: “¡Albertik, estás conduciendo, deja de consumir opio lo antes posible! Porque el LSD aún no se ha inventado y definitivamente no se te ocurriría algo así en tu cabeza sobria. ¿de qué estás hablando?"
Y Einstein dijo: "¡Te lo mostraré de nuevo!"
Enciérrate en tu torre blanca (en la oficina de patentes, claro está) y ajustemos las matemáticas a las ideas. Pujé durante 10 años hasta que di a luz esto:
Más precisamente, esta es la quintaesencia de lo que dio a luz. En la versión más detallada hay 10 fórmulas independientes, y en la versión completa hay dos páginas de símbolos matemáticos en letra pequeña.
Si decides realizar un curso real de Relatividad General, aquí parte introductoria termina y luego deben seguir dos semestres de estudio de lenguaje duro. Y para prepararte para estudiar esta matemática, necesitas al menos tres años más de matemáticas superiores, considerando que has completado escuela secundaria y ya están familiarizados con el cálculo diferencial e integral.
Con la mano en el corazón, el matan allí no es tan complicado como tedioso. El cálculo tensorial en el espacio pseudoriemanniano no es un tema muy confuso de entender. Esto no es cromodinámica cuántica ni, Dios no lo quiera, teoría de cuerdas. Aquí todo está claro, todo es lógico. Aquí hay un espacio de Riemann, aquí hay una variedad sin rupturas ni pliegues, aquí hay un tensor métrico, aquí hay una matriz no degenerada, escriba fórmulas usted mismo y equilibre los índices, asegurándose de que las representaciones covariantes y contravariantes de los vectores en ambos lados de la las ecuaciones se corresponden entre sí. No es difícil. Es largo y tedioso.
Pero no lleguemos a tales extremos y volvamos a a nuestros dedos™. En nuestra opinión, de forma sencilla, la fórmula de Einstein significa aproximadamente lo siguiente. A la izquierda del signo igual en la fórmula están el tensor de Einstein más el tensor métrico covariante y la constante cosmológica (Λ). Esta lambda es esencialmente energía oscura que todavía tenemos hoy no sabemos nada, pero amamos y respetamos. Y Einstein ni siquiera lo sabe todavía. Hay uno aquí historia interesante digno de un post aparte.
En pocas palabras, todo lo que está a la izquierda del signo igual muestra cómo cambia la geometría del espacio, es decir cómo se dobla y retuerce bajo la influencia de la gravedad.
Y a la derecha, además de las constantes habituales como π , velocidad de la luz do y constante gravitacional GRAMO hay una carta t- tensor de energía-momento. En términos de Lammer, podemos considerar que esta es la configuración de cómo se distribuye la masa en el espacio (más precisamente, la energía, porque qué masa o energía es la misma). plaza emtse) para crear gravedad y doblar el espacio con ella para que corresponda al lado izquierdo de la ecuación.
Esa, en principio, es toda la Teoría General de la Relatividad. en tus dedos™.
En un discurso pronunciado el 27 de abril de 1900 en la Royal Institution de Gran Bretaña, Lord Kelvin dijo: “La física teórica es un edificio armonioso y completo. En el cielo despejado de la física sólo hay dos pequeñas nubes: la constancia de la velocidad de la luz y la curva de intensidad de la radiación en función de la longitud de onda. Creo que estas dos cuestiones particulares pronto se resolverán y los físicos del siglo XX no tendrán nada más que hacer”. Lord Kelvin tenía toda la razón al señalar las áreas clave de la investigación en física, pero no evaluó correctamente su importancia: la teoría de la relatividad y la teoría cuántica que surgieron de ellas resultaron ser campos interminables de investigación que han ocupado las mentes científicas. durante más de cien años.
Como no describía la interacción gravitacional, Einstein, poco después de su finalización, comenzó a desarrollar una versión general de esta teoría, cuya creación pasó entre 1907 y 1915. La teoría era hermosa por su simplicidad y coherencia con los fenómenos naturales, excepto por una cosa: en el momento en que Einstein compiló la teoría, aún no se conocía la expansión del Universo e incluso la existencia de otras galaxias, por lo que los científicos de esa época creían que el Universo existió indefinidamente y era estacionario. Al mismo tiempo, de la ley de gravitación universal de Newton se deducía que, en algún momento, las estrellas fijas simplemente deberían ser atraídas hacia un punto.
No encontrar un fenómeno para esto. mejor explicación, Einstein introdujo en sus ecuaciones , que compensaban numéricamente y permitían así que existiera el Universo estacionario sin violar las leyes de la física. Posteriormente, Einstein comenzó a considerar la introducción de la constante cosmológica en sus ecuaciones como su mayor error, ya que no era necesaria para la teoría y no estaba confirmada por nada más que el Universo aparentemente estacionario en ese momento. Y en 1965 se descubrió la radiación cósmica de fondo de microondas, lo que significó que el Universo tuvo un comienzo y la constante en las ecuaciones de Einstein resultó ser completamente innecesaria. Sin embargo, la constante cosmológica se encontró en 1998: según los datos obtenidos por el telescopio Hubble, las galaxias distantes no frenaron su expansión debido a la atracción gravitacional, sino que incluso aceleraron su expansión.
Teoría básica
Además de los postulados básicos de la teoría especial de la relatividad, aquí se añadió algo nuevo: la mecánica newtoniana proporcionó una estimación numérica de la interacción gravitacional de los cuerpos materiales, pero no explicó la física de este proceso. Einstein logró describir esto mediante la curvatura del espacio-tiempo tetradimensional por parte de un cuerpo masivo: el cuerpo crea una perturbación a su alrededor, como resultado de lo cual los cuerpos circundantes comienzan a moverse a lo largo de líneas geodésicas (ejemplos de tales líneas son las líneas de la latitud y longitud de la Tierra, que para un observador interno parecen líneas rectas, pero en realidad son ligeramente curvas). De la misma manera, los rayos de luz se curvan, lo que distorsiona imagen visible detrás de un objeto masivo. Con una coincidencia exitosa de las posiciones y masas de los objetos, esto conduce a (cuando la curvatura del espacio-tiempo actúa como una lente enorme, haciendo que la fuente de luz distante sea mucho más brillante). Si los parámetros no coinciden perfectamente, esto puede dar lugar a la formación de una “cruz de Einstein” o un “círculo de Einstein” en imágenes astronómicas de objetos distantes.
Entre las predicciones de la teoría también estaba la dilatación del tiempo gravitacional (que, al acercarse a un objeto masivo, actuaba sobre el cuerpo de la misma manera que la dilatación del tiempo debido a la aceleración), gravitacional (cuando un rayo de luz emitido por un cuerpo masivo pasa hacia la parte roja del espectro como consecuencia de su pérdida de energía por la función de trabajo de salida del “pozo de gravedad”), así como las ondas gravitacionales (perturbación del espacio-tiempo que produce cualquier cuerpo con masa durante su movimiento) .
Estado de la teoría
La primera confirmación de la teoría general de la relatividad la obtuvo el propio Einstein en el mismo año 1915, cuando se publicó: la teoría describía con absoluta precisión el desplazamiento del perihelio de Mercurio, que antes no podía explicarse mediante la mecánica newtoniana. Desde entonces, se han descubierto muchos otros fenómenos que la teoría predijo, pero que en el momento de su publicación eran demasiado débiles para ser detectados. El último descubrimiento de este tipo en en este momento Fue el descubrimiento de las ondas gravitacionales el 14 de septiembre de 2015.
Ya a finales del siglo XIX, la mayoría de los científicos se inclinaban por el punto de vista de que la imagen física del mundo estaba básicamente construida y permanecería inquebrantable en el futuro; sólo quedaban por aclarar los detalles. Pero en las primeras décadas del siglo XX, las opiniones físicas cambiaron radicalmente. Esta fue una consecuencia de la "cascada". descubrimientos científicos hecho en un tiempo extremadamente corto periodo historico, que abarca los últimos años del siglo XIX y las primeras décadas del siglo XX, muchos de los cuales no encajaban en absoluto en la comprensión de la experiencia humana ordinaria. Un ejemplo sorprendente Puede servir como teoría de la relatividad creada por Albert Einstein (1879-1955).
Teoría de la relatividad- teoría física del espacio-tiempo, es decir, una teoría que describe las propiedades universales del espacio-tiempo de los procesos físicos. El término fue introducido en 1906 por Max Planck para enfatizar el papel del principio de relatividad.
en la relatividad especial (y, más tarde, en la relatividad general).
En un sentido estricto, la teoría de la relatividad incluye la relatividad especial y general. Teoría especial de la relatividad(en adelante, SRT) se refiere a procesos en cuyo estudio se pueden despreciar los campos gravitacionales; teoría general de la relatividad(en adelante GTR) es una teoría de la gravitación que generaliza la de Newton.
Especial, o teoría especial de la relatividad
es una teoría de la estructura del espacio-tiempo. Fue introducido por primera vez en 1905 por Albert Einstein en su obra "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento". La teoría describe el movimiento, las leyes de la mecánica, así como las relaciones espacio-temporales que las determinan, a cualquier velocidad de movimiento,
incluidos aquellos cercanos a la velocidad de la luz. Mecánica newtoniana clásica
en el marco de SRT, es una aproximación para bajas velocidades.
Una de las razones del éxito de Albert Einstein es que valoraba los datos experimentales por encima de los datos teóricos. Cuando una serie de experimentos revelaron resultados que contradecían la teoría generalmente aceptada, muchos físicos decidieron que estos experimentos estaban equivocados.
Albert Einstein fue uno de los primeros que decidió construir una nueva teoría basada en nuevos datos experimentales.
A finales del siglo XIX, los físicos buscaban el misterioso éter, un medio en el que, según suposiciones generalmente aceptadas, las ondas de luz deberían propagarse, al igual que las ondas acústicas, para cuya propagación se necesita aire u otro medio, sólido, líquido o gaseoso. La creencia en la existencia del éter llevó a la creencia de que la velocidad de la luz debería variar en función de la velocidad del observador en relación al éter. Albert Einstein abandonó el concepto de éter y asumió que todas las leyes físicas, incluida la velocidad de la luz, permanecen sin cambios independientemente de la velocidad del observador, como lo demostraron los experimentos.
SRT explicó cómo interpretar movimientos entre diferentes marcos de referencia inerciales; en pocas palabras, objetos que se mueven con velocidad constante en relación entre sí. Einstein explicó que cuando dos objetos se mueven a velocidad constante, se debe considerar su movimiento entre sí, en lugar de tomar uno de ellos como marco de referencia absoluto. Entonces, si dos astronautas vuelan en dos naves espaciales y quieren comparar sus observaciones, lo único que necesitan saber es la velocidad relativa entre sí.
La teoría especial de la relatividad considera sólo un caso especial (de ahí el nombre), cuando el movimiento es rectilíneo y uniforme.
Basándose en la imposibilidad de detectar el movimiento absoluto, Albert Einstein concluyó que todos los sistemas de referencia inerciales son iguales. Formuló dos postulados más importantes que formaron la base de una nueva teoría del espacio y el tiempo, llamada Teoría Especial de la Relatividad (STR):
1. El principio de relatividad de Einstein - este principio era una generalización del principio de relatividad de Galileo (establece lo mismo, pero no para todas las leyes de la naturaleza, sino sólo para las leyes de la mecánica clásica, dejando pregunta abierta sobre la aplicabilidad del principio de relatividad a la óptica y la electrodinámica) a cualquier física. Dice: Todo procesos fisicos en las mismas condiciones en sistemas de referencia inercial (IRS) se procede de la misma manera. Esto significa que ningún experimento físico realizado dentro de un ISO cerrado puede determinar si está en reposo o se mueve uniformemente y en línea recta. Por tanto, todas las IFR son completamente iguales y las leyes físicas son invariantes con respecto a la elección de las IFR (es decir, las ecuaciones que expresan estas leyes tienen la misma forma en todos los sistemas de referencia inercial).
2. El principio de la constancia de la velocidad de la luz.- la velocidad de la luz en el vacío es constante y no depende del movimiento de la fuente y el receptor de la luz. Es igual en todas las direcciones y en todos los sistemas de referencia inerciales. La velocidad de la luz en el vacío es la velocidad límite en la naturaleza. esta es una de las constantes físicas más importantes, las llamadas constantes mundiales.
La consecuencia más importante de la TER fue la famosa la fórmula de einstein sobre la relación entre masa y energía E=mc 2 (donde C es la velocidad de la luz), que mostró la unidad del espacio y el tiempo, expresada en un cambio conjunto de sus características en función de la concentración de masas y su movimiento y confirmada por los datos de la física moderna. El tiempo y el espacio dejaron de considerarse independientemente uno del otro y surgió la idea de un continuo cuatridimensional espacio-tiempo.
Según la teoría del gran físico, cuando aumenta la velocidad de un cuerpo material, acercándose a la velocidad de la luz, también aumenta su masa. Aquellos. Cuanto más rápido se mueve un objeto, más pesado se vuelve. Si se alcanza la velocidad de la luz, la masa del cuerpo, así como su energía, se vuelven infinitas. Cuanto más pesado es el cuerpo, más difícil resulta aumentar su velocidad; Acelerar un cuerpo con masa infinita requiere una cantidad infinita de energía, por lo que es imposible que los objetos materiales alcancen la velocidad de la luz.
En la teoría de la relatividad, "dos leyes, la ley de conservación de la masa y la ley de conservación de la energía, perdieron su validez independiente y se encontraron combinadas en una sola ley, que puede denominarse ley de conservación de la energía o de la masa". Gracias a la conexión fundamental entre estos dos conceptos, la materia se puede convertir en energía y viceversa: energía en materia.
Teoría general de la relatividad- una teoría de la gravedad publicada por Einstein en 1916, en la que trabajó durante 10 años. Es mayor desarrollo Teoría especial de la relatividad. Si un cuerpo material acelera o gira hacia un lado, las leyes de STR ya no se aplican. Entonces entra en vigor el GTR, que explica los movimientos de los cuerpos materiales en el caso general.
La teoría general de la relatividad postula que los efectos gravitacionales no son causados por la interacción de fuerzas de cuerpos y campos, sino por la deformación del propio espacio-tiempo en el que se encuentran. Esta deformación está relacionada, en parte, con la presencia de masa-energía.
La relatividad general es actualmente la teoría de la gravedad más exitosa y está bien respaldada por observaciones. GR generalizó SR a los acelerados, es decir. Sistemas no inerciales. Los principios básicos de la relatividad general se reducen a lo siguiente:
- limitación de la aplicabilidad del principio de constancia de la velocidad de la luz a regiones donde las fuerzas gravitacionales pueden despreciarse(donde la gravedad es alta, la velocidad de la luz disminuye);
- extensión del principio de relatividad a todos los sistemas en movimiento(y no sólo los inerciales).
En la relatividad general, o teoría de la gravedad, también parte del hecho experimental de la equivalencia de masas inerciales y gravitacionales, o de la equivalencia de campos inerciales y gravitacionales.
El principio de equivalencia juega un papel importante en la ciencia. Siempre podemos calcular directamente el efecto de las fuerzas de inercia sobre cualquier sistema físico, y esto nos da la oportunidad de conocer el efecto del campo gravitacional, haciendo abstracción de su heterogeneidad, que muchas veces es muy insignificante.
Se obtuvieron varias conclusiones importantes de la relatividad general:
1. Las propiedades del espacio-tiempo dependen de la materia en movimiento.
2. Un rayo de luz, que tiene una masa inercial y, por tanto, gravitacional, debe curvarse en el campo gravitacional.
3. La frecuencia de la luz bajo la influencia del campo gravitacional debería desplazarse hacia valores más bajos.
Durante mucho tiempo hubo poca evidencia experimental de la relatividad general. La concordancia entre teoría y experimento es bastante buena, pero la pureza de los experimentos se ve perturbada por varios efectos secundarios complejos. Sin embargo, los efectos de la curvatura del espacio-tiempo pueden detectarse incluso en campos gravitacionales moderados. Los relojes muy sensibles, por ejemplo, pueden detectar la dilatación del tiempo en la superficie de la Tierra. Para ampliar la base experimental de la relatividad general, en la segunda mitad del siglo XX se llevaron a cabo nuevos experimentos: se comprobó la equivalencia de las masas inercial y gravitacional (incluso mediante la medición con láser de la Luna);
mediante radar se aclaró el movimiento del perihelio de Mercurio; se midió la desviación gravitacional de las ondas de radio por el Sol y se realizaron radares en los planetas del Sistema Solar; la influencia del campo gravitacional del Sol en las comunicaciones por radio con naves espaciales, que fue a los planetas distantes del sistema solar, etc. Todos ellos, de una forma u otra, confirmaron las predicciones obtenidas sobre la base de la relatividad general.
Así, la teoría especial de la relatividad se basa en los postulados de la constancia de la velocidad de la luz y las mismas leyes de la naturaleza en todos los sistemas físicos, y los principales resultados a los que llega son los siguientes: la relatividad de las propiedades del espacio. -tiempo; relatividad de masa y energía; Equivalencia de masas pesadas e inertes.
El resultado más significativo de la teoría general de la relatividad con punto filosófico La visión es establecer la dependencia de las propiedades espacio-temporales del mundo circundante de la ubicación y el movimiento de las masas gravitantes. Es gracias a la influencia de los cuerpos.
Con grandes masas los caminos de los rayos de luz están doblados. En consecuencia, el campo gravitacional creado por tales cuerpos determina en última instancia las propiedades espacio-temporales del mundo.
La teoría especial de la relatividad hace abstracción de la acción de los campos gravitacionales y, por tanto, sus conclusiones sólo son aplicables a pequeñas áreas del espacio-tiempo. La diferencia fundamental entre la teoría general de la relatividad y las fundamentales que la precedieron teorías físicas en el rechazo de una serie de conceptos antiguos y la formulación de otros nuevos. Vale la pena decir que la teoría general de la relatividad ha supuesto una auténtica revolución en la cosmología. A partir de él surgieron varios modelos del Universo.
La teoría de la relatividad especial (STR) o teoría de la relatividad parcial es una teoría de Albert Einstein, publicada en 1905 en la obra “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Páginas 891-921 de junio de 1905).
Explicaba el movimiento entre diferentes sistemas de referencia inerciales o el movimiento de cuerpos que se movían entre sí con velocidad constante. En este caso, ninguno de los objetos debe tomarse como sistema de referencia, sino que deben considerarse entre sí. SRT proporciona solo 1 caso en el que 2 cuerpos no cambian la dirección del movimiento y se mueven de manera uniforme.
Las leyes de la TER dejan de aplicarse cuando uno de los cuerpos cambia su trayectoria o aumenta su velocidad. Aquí tiene lugar la teoría general de la relatividad (GTR), dando interpretación general movimiento de objetos.
Dos postulados sobre los que se construye la teoría de la relatividad:
- El principio de relatividad- Según él, en todos los sistemas de referencia existentes, que se mueven entre sí con velocidad constante y no cambian de dirección, se aplican las mismas leyes.
- El principio de la velocidad de la luz- La velocidad de la luz es la misma para todos los observadores y no depende de la velocidad de su movimiento. Esta es la velocidad más alta y nada en la naturaleza tiene mayor velocidad. La velocidad de la luz es 3*10^8 m/s.
Albert Einstein utilizó como base datos experimentales más que teóricos. Este fue uno de los componentes de su éxito. Nuevos datos experimentales sirvieron de base para la creación de una nueva teoría.
físicos con mediados del 19 Durante siglos se ha estado buscando un nuevo medio misterioso llamado éter. Se creía que el éter puede atravesar todos los objetos, pero no participa en su movimiento. Según las creencias sobre el éter, al cambiar la velocidad del espectador en relación con el éter, también cambia la velocidad de la luz.
Einstein, confiando en los experimentos, rechazó el concepto de un nuevo medio éter y asumió que la velocidad de la luz es siempre constante y no depende de ninguna circunstancia, como la velocidad de una persona misma.
Intervalos de tiempo, distancias y su uniformidad.
La teoría especial de la relatividad conecta el tiempo y el espacio. En el Universo Material existen 3 conocidos en el espacio: derecha e izquierda, adelante y atrás, arriba y abajo. Si les añadimos otra dimensión, llamada tiempo, ésta formará la base del continuo espacio-tiempo.
Si se mueve a baja velocidad, sus observaciones no convergerán con las de las personas que se mueven más rápido.
Experimentos posteriores confirmaron que el espacio, como el tiempo, no se puede percibir de la misma manera: nuestra percepción depende de la velocidad de movimiento de los objetos.
Conectando energía con masa
A Einstein se le ocurrió una fórmula que combinaba energía con masa. Esta fórmula se usa ampliamente en física y es familiar para todos los estudiantes: E=m*c², en el que energía electrónica; m - masa corporal, c - velocidad propagación de la luz.
La masa de un cuerpo aumenta en proporción al aumento de la velocidad de la luz. Si se alcanza la velocidad de la luz, la masa y la energía de un cuerpo se vuelven adimensionales.
Al aumentar la masa de un objeto, se vuelve más difícil lograr un aumento en su velocidad, es decir, para un cuerpo con una masa material infinitamente enorme, se requiere energía infinita. Pero en realidad esto es imposible de lograr.
La teoría de Einstein combinó dos disposiciones separadas: la posición de la masa y la posición de la energía en una ley general. Esto hizo posible convertir energía en masa material y viceversa.