La teoría de la relatividad de Einstein siempre me ha parecido abstracta e incomprensible. Intentemos describir la teoría de la relatividad de Einstein en palabras sencillas. Imagínese estar afuera bajo una fuerte lluvia y el viento soplando a su espalda. Si empiezas a correr rápido, las gotas de lluvia no caerán sobre tu espalda. Las gotas serán más lentas o no llegarán a tu espalda en absoluto, esto es un hecho científicamente comprobado y puedes comprobarlo tú mismo bajo una tormenta. Ahora imagina que si te das la vuelta y corres contra el viento bajo la lluvia, las gotas golpearían tu ropa y tu cara con más fuerza que si simplemente estuvieras de pie.
Anteriormente, los científicos pensaban que la luz actuaba como la lluvia en un clima ventoso. Pensaron que si la Tierra se movía alrededor del Sol y el Sol se movía alrededor de la galaxia, entonces sería posible medir la velocidad de su movimiento en el espacio. En su opinión, basta con medir la velocidad de la luz y cómo cambia en relación con dos cuerpos.
Los científicos lo hicieron y encontré algo muy extraño. La velocidad de la luz era la misma, sin importar qué, sin importar cómo se movieran los cuerpos y sin importar en qué dirección se tomaran las medidas.
Fue muy extraño. Si tomamos la situación con una tormenta, entonces en circunstancias normales las gotas de lluvia te afectarán más o menos dependiendo de tus movimientos. De acuerdo, sería muy extraño que una tormenta te golpeara la espalda con la misma fuerza, tanto al correr como al detenerte.
Los científicos han descubierto que la luz no tiene las mismas propiedades que las gotas de lluvia o cualquier otra cosa en el universo. No importa qué tan rápido te muevas ni en qué dirección te dirijas, la velocidad de la luz siempre será la misma. Esto es muy confuso y sólo Albert Einstein pudo arrojar luz sobre esta injusticia.
Einstein y otro científico, Hendrik Lorentz, descubrieron que sólo había una manera de explicar cómo podía ser todo esto. Esto sólo es posible si el tiempo se ralentiza.
Imagínese lo que sucedería si el tiempo se ralentizara para usted y no supiera que se está moviendo más lento. Sentirás que todo lo demás sucede más rápido., todo lo que te rodea se moverá, como en una película en avance rápido.
Ahora imaginemos que estás nuevamente bajo un aguacero ventoso. ¿Cómo es posible que la lluvia te afecte igual aunque estés corriendo? Resulta que si intentabas huir de la lluvia, entonces tu tiempo se ralentizaría y la lluvia se aceleraría. Las gotas de lluvia golpearían tu espalda a la misma velocidad. Los científicos llaman a esto dilatación del tiempo. No importa qué tan rápido te muevas, tu tiempo se ralentiza, al menos para la velocidad de la luz esta expresión es cierta.
Dualidad de dimensiones
Otra cosa que Einstein y Lorentz descubrieron fue que dos personas en diferentes circunstancias pueden obtener diferentes valores calculados y lo más extraño es que ambos tendrán razón. Este es otro efecto secundario de que la luz se mueva siempre a la misma velocidad.
Hagamos un experimento mental
Imagina que estás parado en el centro de tu habitación y has instalado una lámpara justo en el medio de la habitación. Ahora imagina que la velocidad de la luz es muy lenta y puedes ver cómo viaja, imagina que enciendes una lámpara.
Tan pronto como enciendas la lámpara, la luz comenzará a extenderse e iluminarse. Como ambas paredes están a la misma distancia, la luz llegará a ambas paredes al mismo tiempo.
Ahora imagina que hay una ventana grande en tu habitación y pasa un amigo tuyo. Verá algo más. Para él, parecerá que su habitación se mueve hacia la derecha y cuando encienda la lámpara, verá que la pared izquierda se mueve hacia la luz. y la pared derecha se aleja de la luz. Verá que la luz incide primero en la pared izquierda y luego en la derecha. Le parecerá que la luz no ilumina ambas paredes al mismo tiempo.
Según la teoría de la relatividad de Einstein, ambos puntos de vista serán correctos. Desde su punto de vista, la luz incide en ambas paredes al mismo tiempo. Desde el punto de vista de tu amigo, esto no es así. No hay nada malo.
Por eso los científicos dicen que "la simultaneidad es relativa". Si mides dos cosas que se supone que suceden al mismo tiempo, entonces alguien que se mueva a una velocidad diferente o en una dirección diferente no podrá medirlas de la misma manera que tú.
Esto nos parece muy extraño, porque la velocidad de la luz para nosotros es instantánea y, en comparación, nos movemos muy lentamente. Dado que la velocidad de la luz es tan alta, no la notamos hasta que realizamos experimentos especiales.
Cuanto más rápido se mueve un objeto, más corto y pequeño es
Otro efecto secundario muy extraño que la velocidad de la luz no cambia. A la velocidad de la luz, los objetos en movimiento se vuelven más cortos.
Nuevamente, imaginemos que la velocidad de la luz es muy lenta. Imagina que viajas en un tren y tienes instalada una lámpara en medio del vagón. Ahora imagina que enciendes una lámpara, como en una habitación.
La luz se difundirá y llegará simultáneamente a las paredes delante y detrás del coche. De esta manera puedes incluso medir la longitud del carro midiendo cuánto tiempo tardó la luz en llegar a ambos lados.
Hagamos los cálculos:
Imaginemos que tarda 1 segundo en recorrer 10 metros y la luz tarda 1 segundo en propagarse desde la lámpara hasta la pared del vagón. Esto significa que la lámpara está situada a 10 metros de ambos lados del coche. Como 10 + 10 = 20, esto significa que la longitud del auto es 20 metros.
Ahora imaginemos que tu amigo está en la calle viendo pasar un tren. Recuerda que él ve las cosas de otra manera. La pared trasera del carro se acerca a la lámpara y la pared frontal se aleja de ella. De esta forma, la luz no tocará la parte delantera y trasera de la pared del coche al mismo tiempo. La luz llegará primero a la parte trasera y luego al frente.
Así, si tú y tu amigo midéis la velocidad de propagación de la luz desde la lámpara hasta las paredes, obtendréis valores diferentes, pero desde un punto de vista científico, ambos cálculos serán correctos. Solo para ti, según las medidas, el largo del carruaje será del mismo tamaño, pero para un amigo, el largo del carruaje será menor.
Recuerde, se trata de cómo y bajo qué condiciones se toman las medidas. Si estuvieras dentro de un cohete que se mueve a la velocidad de la luz, no sentirías nada inusual, a diferencia de las personas en tierra que miden tu movimiento. No podrías darte cuenta de que el tiempo se estaba moviendo más lento para ti, o que la parte delantera y trasera del barco de repente se habían acercado entre sí.
Al mismo tiempo, si volaras en un cohete, te parecería como si todos los planetas y estrellas pasaran junto a ti a la velocidad de la luz. En este caso, si intentas medir su tiempo y tamaño, entonces lógicamente para ellos el tiempo debería disminuir y sus tamaños deberían disminuir, ¿verdad?
Todo esto era muy extraño e incomprensible, pero Einstein propuso una solución y combinó todos estos fenómenos en una teoría de la relatividad..
El físico revolucionario utilizó su imaginación en lugar de matemáticas complejas para llegar a su ecuación más famosa y elegante. Einstein es conocido por predecir fenómenos extraños pero ciertos, como que los astronautas en el espacio envejecen más lentamente que las personas en la Tierra y que las formas de los objetos sólidos cambian a altas velocidades.
Pero lo interesante es que si tomas una copia del artículo original de Einstein de 1905 sobre la relatividad, es bastante fácil de descifrar. El texto es simple y claro, y las ecuaciones son en su mayoría algebraicas: cualquier estudiante de secundaria puede entenderlas.
Esto se debe a que las matemáticas complejas nunca fueron el punto fuerte de Einstein. Le encantaba pensar visualmente, realizar experimentos en su imaginación y pensar en ellos hasta que las ideas y principios físicos se volvieran claros como el cristal.
Aquí es donde comenzaron los experimentos mentales de Einstein cuando tenía sólo 16 años, y cómo finalmente lo llevaron a la ecuación más revolucionaria de la física moderna.
En este punto de la vida de Einstein, su mal disimulado desdén por sus raíces alemanas y los métodos de enseñanza autoritarios de Alemania ya le habían cobrado su precio, y lo habían expulsado de la escuela secundaria, por lo que se mudó a Zurich con la esperanza de asistir al Instituto Federal Suizo de Ciencias. Tecnología (ETH).
Pero primero, Einstein decidió pasar un año de preparación en una escuela de la vecina ciudad de Aarau. En ese punto, pronto se preguntó cómo sería correr junto a un rayo de luz.
Einstein ya había aprendido en clase de física qué era un haz de luz: un conjunto de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se mueven a 300.000 kilómetros por segundo, la velocidad medida de la luz. Einstein se dio cuenta de que si corría cerca a la misma velocidad, podría ver muchos campos eléctricos y magnéticos oscilantes junto a él, como si estuvieran congelados en el espacio.
Pero esto era imposible. En primer lugar, los campos estacionarios violarían las ecuaciones de Maxwell, las leyes matemáticas que subyacen a todo lo que los físicos saben sobre la electricidad, el magnetismo y la luz. Estas leyes eran (y siguen siendo) bastante estrictas: cualquier onda en estos campos debe viajar a la velocidad de la luz y no puede permanecer quieta, sin excepciones.
Peor aún, los campos estacionarios no encajaban con el principio de la relatividad, que los físicos conocían desde los días de Galileo y Newton en el siglo XVII. Esencialmente, el principio de la relatividad dice que las leyes de la física no pueden depender de qué tan rápido te mueves: solo puedes medir la velocidad de un objeto en relación con otro.
Pero cuando Einstein aplicó este principio a su experimento mental, surgió una contradicción: la relatividad dictaba que cualquier cosa que pudiera ver cuando se movía cerca de un rayo de luz, incluidos los campos estacionarios, debía ser algo mundano que los físicos pudieran crear en el laboratorio. Pero nadie ha observado esto nunca.
Este problema perseguiría a Einstein durante otros 10 años, mientras estudiaba y trabajaba en ETH y se trasladaba a la capital suiza de Berna, donde se convertiría en examinador de la oficina de patentes suiza. Allí resolverá la paradoja de una vez por todas.
1904: Medición de la luz de un tren en movimiento
No fue fácil. Einstein intentó todas las soluciones que se le ocurrieron, pero nada funcionó. Casi desesperado, empezó a pensar en una solución sencilla pero radical. Quizás las ecuaciones de Maxwell servían para todo, pensó, pero la velocidad de la luz siempre había sido constante.
En otras palabras, cuando ves pasar un rayo de luz, no importa si su fuente se está moviendo hacia ti, alejándose de ti, alejándose de ti o en cualquier otro lugar, y no importa qué tan rápido sea su fuente. Moviente. La velocidad de la luz que midas siempre será de 300.000 kilómetros por segundo. Entre otras cosas, esto significó que Einstein nunca vería campos oscilantes estacionarios, ya que nunca podría captar un rayo de luz.
Ésta fue la única manera que vio Einstein de conciliar las ecuaciones de Maxwell con el principio de la relatividad. Sin embargo, a primera vista esta solución tenía su propio defecto fatal. Más tarde lo explicó con otro experimento mental: imagina un rayo que se dispara a lo largo de un terraplén de ferrocarril mientras un tren pasa en la misma dirección a, digamos, 3.000 kilómetros por segundo.
Alguien situado cerca del terraplén tendría que medir la velocidad del haz de luz y obtener la cifra estándar de 300.000 kilómetros por segundo. Pero alguien en un tren verá la luz moviéndose a 297.000 kilómetros por segundo. Si la velocidad de la luz no es constante, la ecuación de Maxwell dentro del vagón debería verse diferente, concluyó Einstein, y entonces se violaría el principio de la relatividad.
Esta aparente contradicción hizo dudar a Einstein durante casi un año. Pero entonces, una hermosa mañana de mayo de 1905, caminaba hacia el trabajo con su mejor amigo Michel Besso, un ingeniero al que conocía desde su época de estudiante en Zurich. Los dos hombres hablaron sobre el dilema de Einstein, como siempre lo hacían. Y de repente Einstein vio la solución. Trabajó en ello toda la noche y, cuando se reunieron a la mañana siguiente, Einstein le dijo a Besso: “Gracias. Resolví completamente el problema."
Mayo de 1905: un rayo cae sobre un tren en movimiento.
La revelación de Einstein fue que los observadores en movimiento relativo perciben el tiempo de manera diferente: es muy posible que dos eventos ocurran simultáneamente desde el punto de vista de un observador, pero en momentos diferentes desde el punto de vista de otro. Y ambos observadores tendrán razón.
Más tarde, Einstein ilustró su punto con otro experimento mental. Imaginemos que un observador se encuentra nuevamente junto a la vía y un tren pasa velozmente a su lado. En el momento en que el punto central del tren pasa junto al observador, un rayo cae en cada extremo del tren. Dado que los rayos caen a la misma distancia del observador, su luz entra en sus ojos al mismo tiempo. Sería justo decir que los rayos caen simultáneamente.
Mientras tanto, otro observador se sienta exactamente en el centro del tren. Desde su punto de vista, la luz de dos rayos recorre la misma distancia y la velocidad de la luz será la misma en cualquier dirección. Pero como el tren está en movimiento, la luz procedente del relámpago trasero tiene que recorrer una distancia mayor, por lo que llega al observador unos instantes más tarde que la luz del principio. Dado que los pulsos de luz llegan en diferentes momentos, podemos concluir que los rayos no son simultáneos, sino que uno ocurre más rápido.
Einstein se dio cuenta de que es precisamente esta simultaneidad la que es relativa. Y una vez que se acepta esto, los extraños efectos que ahora asociamos con la relatividad se resuelven mediante álgebra simple.
Einstein escribió febrilmente sus pensamientos y envió su trabajo para su publicación. El título era "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" y reflejaba el intento de Einstein de conectar las ecuaciones de Maxwell con el principio de la relatividad. Besso recibió un agradecimiento especial.
Septiembre de 1905: masa y energía.
Este primer trabajo, sin embargo, no fue el último. Einstein estuvo obsesionado con la relatividad hasta el verano de 1905, y en septiembre presentó un segundo artículo para su publicación, esta vez en retrospectiva.
Se basó en otro experimento mental. Imagine un objeto en reposo, dijo. Ahora imagine que emite simultáneamente dos pulsos de luz idénticos en direcciones opuestas. El objeto permanecerá en su lugar, pero como cada pulso se lleva una cierta cantidad de energía, la energía contenida en el objeto disminuirá.
Ahora bien, escribió Einstein, ¿cómo sería este proceso para un observador en movimiento? Desde su punto de vista, el objeto simplemente seguirá moviéndose en línea recta mientras los dos pulsos se alejan. Pero incluso si la velocidad de los dos pulsos sigue siendo la misma (la velocidad de la luz), sus energías serán diferentes. Un impulso que avanza en la dirección de la marcha tendrá mayor energía que uno que se mueve en la dirección opuesta.
Añadiendo un poco de álgebra, Einstein demostró que para que esto sea consistente, el objeto no sólo debe perder energía al enviar pulsos de luz, sino también masa. O la masa y la energía deberían ser intercambiables. Einstein escribió una ecuación que los conecta. Y se convirtió en la ecuación más famosa de la historia de la ciencia: E = mc 2.
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 la consecuencia de una “cascada” de descubrimientos científicos realizados durante un período histórico extremadamente corto, que abarcó los últimos años del siglo XIX y las primeras décadas del XX, muchos de los cuales eran completamente inconsistentes con la comprensión de la experiencia humana ordinaria. Un ejemplo sorprendente es la 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.
La SRT explicó cómo interpretar movimientos entre diferentes sistemas de referencia inerciales; en pocas palabras, objetos que se mueven a una velocidad constante 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 abierta la cuestión de la aplicabilidad del principio de relatividad a la óptica y la electrodinámica) a cualquier físico. Se lee: Todos los procesos físicos bajo las mismas condiciones en sistemas de referencia inercial (IRS) proceden 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 de manera uniforme y rectilínea. 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 un desarrollo posterior de la 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 inerte 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; se evaluó la influencia del campo gravitacional del Sol en las comunicaciones por radio con las naves espaciales enviadas 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 desde un punto de vista filosófico es el establecimiento de 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.
En el caso de masas grandes, las trayectorias de los rayos luminosos se desvían. 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 teorías físicas fundamentales que la precedieron es 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. Sobre esta base surgieron varios modelos del Universo.
La teoría especial de la relatividad, creada en 1905 por A. Einstein, fue el resultado de una generalización y síntesis de la mecánica clásica de Galileo-Newton y la electrodinámica de Maxwell-Lorentz. “Describe las leyes de todos los procesos físicos a velocidades de movimiento cercanas a la velocidad de la luz, pero sin tener en cuenta el campo gravitacional. Cuando la velocidad del movimiento disminuye, se reduce a la mecánica clásica, que, por lo tanto, resulta ser su caso especial”. 1
El punto de partida de esta teoría fue el principio de relatividad. El principio clásico de la relatividad fue formulado por G. Galileo: "Si las leyes de la mecánica son válidas en un sistema de coordenadas, también lo serán en cualquier otro sistema que se mueva de manera rectilínea y uniforme con respecto al primero". 2 Estos sistemas se denominan inerciales, ya que el movimiento en ellos está sujeto a la ley de la inercia: "Todo cuerpo mantiene un estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se vea obligado a cambiarlo bajo la influencia de fuerzas en movimiento". 3
Del principio de relatividad se deduce que entre reposo y movimiento, si es uniforme y rectilíneo, no existe una diferencia fundamental. La única diferencia es el punto de vista.
Por tanto, la palabra "relativamente" en nombre del principio de Galileo no esconde nada especial. No tiene otro significado que el que ponemos en movimiento, que el movimiento o el reposo es siempre movimiento o reposo relativo a algo que nos sirve de marco de referencia. Esto, por supuesto, no significa que no exista diferencia entre reposo y movimiento uniforme. Pero los conceptos de reposo y movimiento sólo adquieren significado cuando se indica un punto de referencia.
Si el principio clásico de la relatividad afirmaba la invariancia de las leyes de la mecánica en todos los sistemas de referencia inerciales, en la teoría especial de la relatividad este principio se extendía también a las leyes de la electrodinámica, y la teoría general de la relatividad afirmaba la invariancia de las leyes de la mecánica. leyes de la naturaleza en cualquier sistema de referencia, tanto inercial como no inercial. Los sistemas de referencia no inerciales son aquellos que se mueven con desaceleración o aceleración.
De acuerdo con la teoría especial de la relatividad, que une el espacio y el tiempo en un único continuo espacio-temporal de cuatro dimensiones, las propiedades espacio-temporales de los cuerpos dependen de la velocidad de su movimiento. Las dimensiones espaciales se reducen en la dirección del movimiento a medida que la velocidad de los cuerpos se acerca a la velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/s), los procesos temporales se ralentizan en los sistemas que se mueven rápidamente y la masa corporal aumenta.
Al estar en un sistema de referencia comovil, es decir, moviéndose paralelo y a la misma distancia del sistema medido, es imposible notar estos efectos, que se llaman relativistas, ya que todas las escalas espaciales y partes utilizadas en las mediciones cambiarán exactamente de la misma manera. forma. Según el principio de relatividad, todos los procesos en los sistemas de referencia inerciales se desarrollan de la misma manera. Pero si el sistema no es inercial, entonces los efectos relativistas pueden notarse y modificarse. Por lo tanto, si una nave relativista imaginaria, como un cohete de fotones, se dirige a estrellas distantes, luego de regresar a la Tierra, el tiempo en el sistema de la nave pasará mucho menos que en la Tierra, y esta diferencia será mayor cuanto más lejos se realice el vuelo. , y la velocidad de la nave se acercará más a la velocidad de la luz. La diferencia se puede medir incluso en cientos y miles de años, como resultado de lo cual la tripulación del barco será transportada inmediatamente al futuro cercano o lejano, sin pasar por el tiempo intermedio, desde que el cohete y la tripulación se salieron de su rumbo. del desarrollo en la Tierra.
Procesos similares de ralentización del paso del tiempo en función de la velocidad del movimiento se registran actualmente en las mediciones de la longitud del camino de los mesones que surgen cuando las partículas de radiación cósmica primaria chocan con los núcleos de los átomos de la Tierra. Los mesones existen durante 10 -6 - 10 -15 s (dependiendo del tipo de partículas) y después de su aparición se desintegran a poca distancia del lugar de nacimiento. Todo esto se puede registrar mediante dispositivos de medición basados en las trazas del viaje de las partículas. Pero si el mesón se mueve a una velocidad cercana a la velocidad de la luz, entonces los procesos temporales en él se ralentizan, el período de desintegración aumenta (miles y decenas de miles de veces) y la longitud del camino desde el nacimiento hasta la desintegración aumenta en consecuencia.
Así, la teoría especial de la relatividad se basa en el principio de relatividad ampliado de Galileo. Además, utiliza otra posición nueva: la velocidad de propagación de la luz (en el vacío) es la misma en todos los sistemas de referencia inerciales.
Pero ¿por qué es tan importante esta velocidad que un juicio sobre ella se equipara en importancia al principio de relatividad? El caso es que aquí nos encontramos ante la segunda constante física universal. La velocidad de la luz es la más alta de todas las velocidades de la naturaleza, la velocidad máxima de las interacciones físicas. El movimiento de la luz es fundamentalmente diferente del movimiento de todos los demás cuerpos cuya velocidad es menor que la velocidad de la luz. La velocidad de estos cuerpos siempre se suma a otras velocidades. En este sentido, las velocidades son relativas: su magnitud depende del punto de vista. Y la velocidad de la luz no suma otras velocidades, es absoluta, siempre la misma, y al hablar de ella no hace falta indicar un sistema de referencia.
El carácter absoluto de la velocidad de la luz no contradice el principio de relatividad y es completamente compatible con él. La constancia de esta velocidad es una ley de la naturaleza y, por lo tanto, precisamente de acuerdo con el principio de relatividad, es válida en todos los sistemas de referencia inerciales.
La velocidad de la luz es el límite superior de la velocidad de movimiento de cualquier cuerpo en la naturaleza, de la velocidad de propagación de cualquier onda, de cualquier señal. Es máximo: este es un récord absoluto de velocidad.
“Para todos los procesos físicos, la velocidad de la luz tiene la propiedad de ser infinita. Para impartir a un cuerpo una velocidad igual a la velocidad de la luz, se requiere una cantidad infinita de energía, y por eso es físicamente imposible que cualquier cuerpo alcance esta velocidad. Este resultado fue confirmado por mediciones realizadas en electrones. La energía cinética de una masa puntual crece más rápido que el cuadrado de su velocidad y se vuelve infinita para una velocidad igual a la velocidad de la luz” 1. Por eso, se suele decir que la velocidad de la luz es la velocidad máxima de transferencia de información. Y la velocidad máxima de cualquier interacción física y, de hecho, de todas las interacciones imaginables en el mundo.
La velocidad de la luz está íntimamente relacionada con la solución al problema de la simultaneidad, que también resulta relativa, es decir, según el punto de vista. En la mecánica clásica, que consideraba el tiempo absoluto, la simultaneidad también lo es.
En la teoría general de la relatividad se revelaron nuevos aspectos de la dependencia de las relaciones espacio-temporales de los procesos materiales. Esta teoría proporcionó una base física para las geometrías no euclidianas y relacionó la curvatura del espacio y la desviación de su métrica de la euclidiana con la acción de los campos gravitacionales creados por las masas de los cuerpos. La teoría general de la relatividad se basa en el principio de equivalencia de las masas inercial y gravitacional, cuya igualdad cuantitativa fue establecida hace mucho tiempo en la física clásica. Los efectos cinemáticos que surgen bajo la influencia de las fuerzas gravitacionales son equivalentes a los efectos que surgen bajo la influencia de la aceleración. Entonces, si un cohete despega con una aceleración de 2 g, la tripulación del cohete sentirá como si estuviera en el doble del campo de gravedad de la Tierra. Fue sobre la base del principio de equivalencia de masas que se generalizó el principio de relatividad, que afirma en la teoría general de la relatividad la invariancia de las leyes de la naturaleza en cualquier sistema de referencia, tanto inercial como no inercial.
¿Cómo imaginar la curvatura del espacio descrita por la teoría general de la relatividad? Imaginemos una lámina de goma muy delgada y supondremos que se trata de un modelo del espacio. Coloquemos bolas grandes y pequeñas en esta hoja: modelos de estrellas. Estas bolas doblarán más la lámina de goma cuanto mayor sea la masa de la bola. Esto demuestra claramente la dependencia de la curvatura del espacio de la masa del cuerpo y también muestra que la geometría euclidiana habitual no funciona en este caso (las geometrías de Lobachevsky y Riemann funcionan).
La teoría de la relatividad estableció no sólo la curvatura del espacio bajo la influencia de campos gravitacionales, sino también la desaceleración del tiempo en campos gravitacionales fuertes. Incluso la gravedad del Sol, una estrella bastante pequeña según los estándares cósmicos, afecta el ritmo del tiempo, ralentizándolo cerca de sí mismo. Por tanto, si enviamos una señal de radio a algún punto cuyo camino pasa cerca del Sol, el viaje de la señal de radio tardará más en este caso que cuando no hay nada en el camino de esta señal. La desaceleración cerca del Sol es de aproximadamente 0,0002 s.
Una de las predicciones más fantásticas de la teoría general de la relatividad es la detención total del tiempo en un campo gravitacional muy fuerte. Cuanto más fuerte es la gravedad, mayor es la dilatación del tiempo. La dilatación del tiempo se manifiesta en el corrimiento al rojo gravitacional de la luz: cuanto más fuerte es la gravedad, más aumenta la longitud de onda y disminuye su frecuencia. En determinadas condiciones, la longitud de onda puede precipitarse hasta el infinito y su frecuencia, hasta cero.
Con la luz emitida por el Sol, esto podría suceder si nuestra estrella de repente se contrajera y se convirtiera en una bola con un radio de 3 km o menos (el radio del Sol es de 700.000 km). Debido a esta compresión, la fuerza gravitacional sobre la superficie, de donde proviene la luz, aumenta tanto que el corrimiento al rojo gravitacional es verdaderamente infinito.
En realidad, esto nunca sucederá con nuestro Sol. Pero otras estrellas, cuyas masas son tres o más veces la masa del Sol, al final de sus vidas probablemente experimenten una rápida compresión catastrófica bajo la influencia de su propia gravedad. Esto los llevará a un estado de agujero negro. Un agujero negro es un cuerpo físico que crea una fuerza gravitacional tan fuerte que el corrimiento al rojo de la luz emitida cerca de él puede volverse infinito.
Los físicos y astrónomos están absolutamente seguros de que los agujeros negros existen en la naturaleza, aunque hasta el momento no han sido detectados. Las dificultades de las búsquedas astronómicas están relacionadas con la naturaleza misma de estos objetos inusuales. Después de todo, el corrimiento infinito al rojo, debido al cual la frecuencia de la luz recibida llega a cero, los hace simplemente invisibles. No brillan y, por tanto, en el pleno sentido de la palabra, son negros. Sólo mediante una serie de signos indirectos se puede esperar detectar un agujero negro, por ejemplo, en un sistema estelar binario, donde su compañera sería una estrella ordinaria. A partir de las observaciones del movimiento de una estrella visible en el campo gravitacional común de dicho par, sería posible estimar la masa de la estrella invisible, y si este valor excede la masa del Sol en tres o más veces, sería Sería posible afirmar que hemos encontrado un agujero negro.
Actualmente existen varios sistemas binarios bien estudiados en los que la masa del compañero invisible se estima en 5 o incluso 8 masas solares. Lo más probable es que se trate de agujeros negros, pero hasta que se refinen estas estimaciones, los astrónomos prefieren llamar a estos objetos candidatos a agujeros negros.
La dilatación gravitacional del tiempo, cuya medida y evidencia es el corrimiento al rojo, es muy significativa cerca de una estrella de neutrones, y cerca de un agujero negro, en su radio gravitacional, es tan grande que el tiempo parece congelarse allí.
Para que un cuerpo caiga en el campo gravitacional de un agujero negro formado por una masa igual a 3 masas solares, sólo tarda aproximadamente una hora en caer desde una distancia de 1 millón de kilómetros hasta el radio gravitacional. Pero según el reloj, que se encuentra lejos del agujero negro, la caída libre de un cuerpo en su campo se prolongará en el tiempo hasta el infinito. Cuanto más cerca esté el cuerpo que cae del radio gravitacional, más lento le parecerá este vuelo a un observador distante. Un cuerpo observado desde lejos se acercará indefinidamente al radio gravitacional y nunca lo alcanzará. Aquí es donde el tiempo se ralentiza cerca de un agujero negro. Por tanto, la materia influye en las propiedades del espacio y el tiempo.
Las ideas sobre el espacio y el tiempo formuladas en la teoría de la relatividad de Einstein son, con diferencia, las más consistentes. Pero son macroscópicos, ya que se basan en la experiencia de estudiar objetos macroscópicos, a grandes distancias y largos períodos de tiempo. Al construir teorías que describen los fenómenos del micromundo, esta imagen geométrica clásica, que supone la continuidad del espacio y el tiempo (continuo espacio-temporal), se transfirió a una nueva área sin ningún cambio. No existen datos experimentales que contradigan la aplicación de la teoría de la relatividad en el micromundo. Pero el desarrollo mismo de las teorías cuánticas puede requerir una revisión de las ideas sobre el espacio y el tiempo físicos. La teoría de supercuerdas desarrollada, que representa las partículas elementales como vibraciones armónicas de estas cuerdas y conecta la física con la geometría, se basa en la multidimensionalidad del espacio. Y esto significa que en una nueva etapa en el desarrollo de la ciencia, en un nuevo nivel de conocimiento, volvemos a las predicciones de A. Einstein en 1930: “Estamos llegando a una conclusión extraña: ahora nos empieza a parecer que el espacio juega un papel primordial y que la materia debe obtenerse del espacio, por así decirlo, en la siguiente etapa. Siempre hemos considerado la materia como primaria y el espacio como secundario. El espacio, en sentido figurado, se está vengando y “comiendo” la materia” 1 . Quizás exista un cuanto de espacio, una longitud fundamental L. Al introducir este concepto, podemos evitar muchas de las dificultades de las teorías cuánticas modernas. Si se confirma su existencia, entonces L se convertirá en la tercera constante fundamental (además de la constante de Planck y la velocidad de la luz en el vacío) de la física. La existencia de un cuanto de espacio implica también la existencia de un cuanto de tiempo (igual a L/c), lo que limita la precisión a la hora de determinar los intervalos de tiempo.
Hace cien años, en 1915, un joven científico suizo, que en aquel momento ya había hecho descubrimientos revolucionarios en física, propuso una comprensión fundamentalmente nueva de la gravedad.
En 1915, Einstein publicó la teoría general de la relatividad, que caracteriza la gravedad como una propiedad fundamental del espacio-tiempo. Presentó una serie de ecuaciones que describían el efecto de la curvatura del espacio-tiempo sobre la energía y el movimiento de la materia y la radiación presentes en él.
Cien años después, la teoría general de la relatividad (GTR) se convirtió en la base para la construcción de la ciencia moderna y resistió todas las pruebas con las que los científicos la atacaron.
Pero hasta hace poco era imposible realizar experimentos en condiciones extremas para comprobar la estabilidad de la teoría.
Es sorprendente lo sólida que ha demostrado ser la teoría de la relatividad en 100 años. ¡Todavía usamos lo que escribió Einstein!
Clifford Will, físico teórico, Universidad de Florida
Los científicos ahora tienen la tecnología para buscar física más allá de la relatividad general.
Una nueva mirada a la gravedad
La teoría general de la relatividad describe la gravedad no como una fuerza (como aparece en la física newtoniana), sino como una curvatura del espacio-tiempo debida a la masa de los objetos. La Tierra gira alrededor del Sol no porque la estrella la atraiga, sino porque el Sol deforma el espacio-tiempo. Si pones una bola de bolos pesada sobre una manta estirada, la manta cambiará de forma; la gravedad afecta el espacio de la misma manera.
La teoría de Einstein predijo algunos descubrimientos locos. Por ejemplo, la posibilidad de la existencia de agujeros negros, que curvan el espacio-tiempo hasta tal punto que nada puede escapar de su interior, ni siquiera la luz. Basándose en la teoría, se encontraron pruebas de la opinión generalmente aceptada hoy en día de que el Universo se está expandiendo y acelerando.
La relatividad general ha sido confirmada por numerosas observaciones. El propio Einstein utilizó la relatividad general para calcular la órbita de Mercurio, cuyo movimiento no puede ser descrito por las leyes de Newton. Einstein predijo la existencia de objetos tan masivos que desviaban la luz. Este es un fenómeno de lentes gravitacionales que los astrónomos encuentran a menudo. Por ejemplo, la búsqueda de exoplanetas se basa en el efecto de cambios sutiles en la radiación desviada por el campo gravitacional de la estrella alrededor de la cual orbita el planeta.
Probando la teoría de Einstein
La relatividad general funciona bien para la gravedad ordinaria, como lo demuestran los experimentos realizados en la Tierra y las observaciones de los planetas del sistema solar. Pero nunca se ha probado en condiciones de campos extremadamente intensos en espacios situados en los límites de la física.
La forma más prometedora de probar la teoría en tales condiciones es observando cambios en el espacio-tiempo llamados ondas gravitacionales. Aparecen como resultado de grandes eventos, la fusión de dos cuerpos masivos, como los agujeros negros, u objetos especialmente densos: las estrellas de neutrones.
Un espectáculo de fuegos artificiales cósmicos de esta magnitud sólo reflejaría las ondas más pequeñas en el espacio-tiempo. Por ejemplo, si dos agujeros negros colisionaran y se fusionaran en algún lugar de nuestra galaxia, las ondas gravitacionales podrían estirar y comprimir la distancia entre objetos situados a un metro de distancia en la Tierra en una milésima parte del diámetro de un núcleo atómico.
Han aparecido experimentos que pueden registrar cambios en el espacio-tiempo debidos a tales eventos.
Hay muchas posibilidades de detectar ondas gravitacionales en los próximos dos años.
Clifford Will
El Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), con observatorios cerca de Richland, Washington y Livingston, Luisiana, utiliza un láser para detectar distorsiones diminutas en detectores duales en forma de L. A medida que las ondas del espacio-tiempo pasan a través de los detectores, estiran y comprimen el espacio, lo que hace que el detector cambie de dimensión. Y LIGO puede medirlos.
LIGO inició una serie de lanzamientos en 2002, pero no logró resultados. Se realizaron mejoras en 2010 y el sucesor de la organización, Advanced LIGO, debería estar operativo nuevamente este año. Muchos de los experimentos previstos tienen como objetivo la búsqueda de ondas gravitacionales.
Otra forma de probar la teoría de la relatividad es observar las propiedades de las ondas gravitacionales. Por ejemplo, pueden estar polarizados, como la luz que pasa a través de gafas polarizadas. La teoría de la relatividad predice las características de tal efecto, y cualquier desviación de los cálculos puede convertirse en motivo para dudar de la teoría.
Teoría unificada
Clifford Will cree que el descubrimiento de las ondas gravitacionales sólo fortalecerá la teoría de Einstein:
Creo que debemos seguir buscando evidencia de la relatividad general para estar seguros de que es correcta.
¿Por qué son necesarios estos experimentos?
Una de las tareas más importantes y difíciles de alcanzar de la física moderna es la búsqueda de una teoría que conecte las investigaciones de Einstein, es decir, la ciencia del macrocosmos, y la mecánica cuántica, la realidad de los objetos más pequeños.
Los avances en esta área, la gravedad cuántica, pueden requerir cambios en la relatividad general. Es posible que los experimentos de gravedad cuántica requieran tanta energía que sean imposibles de llevar a cabo. "Pero quién sabe", dice Will, "tal vez haya un efecto en el universo cuántico que sea insignificante, pero que se pueda buscar".
