A principios del siglo XX, se formulóteoría de la relatividad. Qué es y quién es su creador, todo escolar lo sabe hoy. Es tan fascinante que incluso personas alejadas de la ciencia están interesadas en él. Este artículo describe la teoría de la relatividad en un lenguaje accesible: qué es, cuáles son sus postulados y aplicaciones.
Dicen que a Albert Einstein, su creador,la intuición llegó en un instante. El científico parecía estar en un tranvía en Berna, Suiza. Miró el reloj de la calle y de repente se dio cuenta de que este reloj se detendría si el tranvía aceleraba a la velocidad de la luz. En este caso, no habría tiempo. El tiempo juega un papel muy importante en la teoría de la relatividad. Uno de los postulados formulados por Einstein es que diferentes observadores perciben la realidad de manera diferente. Esto se aplica en particular al tiempo y la distancia.
Teniendo en cuenta la posición del observador
Ese día, Albert se dio cuenta de que, en lenguajeciencia, la descripción de cualquier fenómeno o evento físico depende del marco de referencia en el que se encuentre el observador. Por ejemplo, si a un pasajero de un tranvía se le caen las gafas, caerán verticalmente hacia abajo en relación con ella. Si miras desde la posición de un peatón parado en la calle, entonces la trayectoria de su caída corresponderá a una parábola, ya que el tranvía se está moviendo y los puntos están cayendo al mismo tiempo. Por tanto, cada uno tiene su propio marco de referencia. Proponemos considerar con más detalle los postulados básicos de la teoría de la relatividad.
Ley de movimiento distribuido y principio de relatividad
A pesar de que al cambiar los marcos de referenciaLas descripciones de los eventos cambian, hay cosas universales que permanecen sin cambios. Para comprender esto, uno debe preguntarse no por la caída de los vasos, sino por la ley de la naturaleza que causa esta caída. Para cualquier observador, independientemente de si se encuentra en un sistema de coordenadas en movimiento o estacionario, la respuesta permanece sin cambios. Esta ley se llama ley del tráfico distribuido. Funciona igual tanto en el tranvía como en la calle. En otras palabras, si la descripción de los eventos siempre depende de quién los está observando, entonces esto no se aplica a las leyes de la naturaleza. Son, como se acostumbra a expresarse en lenguaje científico, invariables. Este es el principio de relatividad.
Las dos teorías de Einstein
Este principio, como cualquier otra hipótesis,primero era necesario comprobarlo, correlacionándolo con los fenómenos naturales que operan en nuestra realidad. Einstein dedujo 2 teorías del principio de relatividad. Aunque relacionados, se consideran separados.
Teoría de la relatividad privada o especial(SRT) se basa en la proposición de que para todo tipo de marcos de referencia, cuya velocidad es constante, las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas. La teoría general de la relatividad (GR) extiende este principio a cualquier marco de referencia, incluidos aquellos que se mueven con aceleración. En 1905 A. Einstein publicó la primera teoría. El segundo, más complejo en términos de aparato matemático, se completó en 1916. La creación de la teoría de la relatividad, tanto SRT como GRT, se convirtió en una etapa importante en el desarrollo de la física. Detengámonos en cada uno de ellos con más detalle.
Teoría especial de la relatividad
¿Qué es, cuál es su esencia?Respondamos esta pregunta. Es esta teoría la que predice muchos efectos paradójicos que contradicen nuestras ideas intuitivas sobre cómo funciona el mundo. Estos son los efectos que se observan cuando la velocidad del movimiento se acerca a la velocidad de la luz. El más famoso de ellos es el efecto de dilatación del tiempo (reloj). El reloj que se mueve en relación al observador va más lento para él que los que están en sus manos.
En el sistema de coordenadas cuando se mueve con rapidez,cerca de la velocidad de la luz, el tiempo se alarga con respecto al observador y la longitud de los objetos (extensión espacial), por el contrario, se comprime a lo largo del eje de la dirección de este movimiento. Los científicos llaman a este efecto la contracción de Lorenz-Fitzgerald. En 1889, fue descrito por George Fitzgerald, un físico italiano. Y en 1892 Hendrik Lorenz, un holandés, lo complementó. Este efecto explica el resultado negativo del experimento de Michelson-Morley, en el que la velocidad de movimiento de nuestro planeta en el espacio exterior se determina midiendo el "viento de éter". Estos son los postulados básicos de la teoría de la relatividad (especial). Einstein complementó estas ecuaciones con una fórmula de transformación de masa, hecha por analogía. Según ella, a medida que la velocidad de un cuerpo se acerca a la velocidad de la luz, la masa del cuerpo aumenta. Por ejemplo, si la velocidad es de 260 mil km / s, es decir, el 87% de la velocidad de la luz, desde el punto de vista de un observador que se encuentra en el marco de referencia en reposo, la masa del objeto se duplicará.
Confirmaciones de STO
Todas estas disposiciones, no importa cómo se contradigansentido común, desde la época de Einstein encuentran confirmación directa y completa en muchos experimentos. Uno de ellos fue realizado por científicos de la Universidad de Michigan. Esta curiosa experiencia confirma la teoría de la relatividad en física. Los investigadores colocaron un reloj atómico ultrapreciso a bordo de un avión de pasajeros que realizaba vuelos transatlánticos con regularidad. Cada vez que regresó al aeropuerto, las lecturas de estos relojes se compararon con las de control. Resultó que el reloj del avión se retrasó cada vez más con respecto al reloj de control. Por supuesto, estábamos hablando solo de cifras insignificantes, fracciones de segundo, pero el hecho en sí es muy indicativo.
Durante el último medio siglo, los investigadores han estado estudiandopartículas elementales en aceleradores: enormes complejos de hardware. En ellos, los haces de electrones o protones, es decir, partículas subatómicas cargadas, se aceleran hasta que sus velocidades se acercan a la velocidad de la luz. Después de eso, disparan a objetivos nucleares. En estos experimentos, es necesario tener en cuenta el hecho de que la masa de las partículas aumenta, de lo contrario los resultados del experimento desafían la interpretación. En este sentido, SRT ya no es solo una teoría hipotética. Se ha convertido en una de las herramientas que se utilizan en la ingeniería aplicada, junto con las leyes de la mecánica newtoniana. Los principios de la teoría de la relatividad han encontrado una gran aplicación práctica en la actualidad.
SRT y leyes de Newton
Por cierto, hablando de las leyes de Newton (un retrato de estecientífico se presenta arriba), debe decirse que la teoría especial de la relatividad, que aparentemente las contradice, de hecho reproduce las ecuaciones de las leyes de Newton casi exactamente si se usa para describir cuerpos cuya velocidad de movimiento es mucho menor que la velocidad de ligero. En otras palabras, si se aplica la relatividad especial, la física newtoniana no se cancela en absoluto. Esta teoría, por el contrario, la complementa y la amplía.
La velocidad de la luz es una constante universal.
Usando el principio de relatividad, uno puede entenderpor qué en este modelo de la estructura del mundo es la velocidad de la luz la que juega un papel muy importante, y no otra cosa. Esta pregunta la hacen aquellos que recién comienzan a familiarizarse con la física. La velocidad de la luz es una constante universal debido al hecho de que está definida como tal por la ley de las ciencias naturales (puede aprender más sobre esto estudiando las ecuaciones de Maxwell). La velocidad de la luz en el vacío, debido a la acción del principio de relatividad, en cualquier marco de referencia es la misma. Podría pensar que esto es contrario al sentido común. Resulta que la luz llega simultáneamente al observador desde una fuente estacionaria y una en movimiento (independientemente de la velocidad con la que se mueva). Sin embargo, no lo es. La velocidad de la luz, debido a su papel especial, ocupa un lugar central no solo en la relatividad especial, sino también en la general. Hablemos de eso también.
Teoría general de la relatividad
Se usa, como decíamos, para todos.marcos de referencia, no necesariamente aquellos cuya velocidad de movimiento entre sí es constante. Matemáticamente, esta teoría parece mucho más complicada que una especial. Esto explica que hayan pasado 11 años entre sus publicaciones. La relatividad general incluye lo especial como un caso especial. En consecuencia, las leyes de Newton también se incluyen en él. Sin embargo, la relatividad general va mucho más allá que sus predecesoras. Por ejemplo, explica la gravedad de una manera nueva.
Cuarta dimensión
Gracias a la relatividad general, el mundo se vuelve cuatridimensional:el tiempo se suma a tres dimensiones espaciales. Todos ellos son inseparables, por lo que ya no es necesario hablar de la distancia espacial que existe en el mundo tridimensional entre dos objetos. Ahora estamos hablando de intervalos espacio-temporales entre varios eventos, uniendo la lejanía espacial y temporal entre ellos. En otras palabras, el tiempo y el espacio en la teoría de la relatividad se consideran una especie de continuo de cuatro dimensiones. Puede definirse como espacio-tiempo. En este continuo, aquellos observadores que se mueven entre sí tendrán opiniones diferentes incluso sobre si dos eventos ocurrieron simultáneamente o si uno de ellos precedió al otro. Sin embargo, la relación de causa y efecto no se viola. En otras palabras, la existencia de tal sistema de coordenadas, donde dos eventos ocurren en diferentes secuencias y no simultáneamente, ni siquiera permite la relatividad general.
La relatividad general y la ley de la gravitación.
Según la ley de la gravitación universal, descubiertaNewton, la fuerza de atracción mutua existe en el Universo entre dos cuerpos cualesquiera. Desde esta posición, la Tierra gira alrededor del Sol, ya que existen fuerzas de atracción mutua entre ellos. Sin embargo, la relatividad general nos obliga a mirar este fenómeno desde el otro lado. La gravedad, según esta teoría, es una consecuencia de la "curvatura" (deformación) del espacio-tiempo, que se observa bajo la influencia de la masa. Cuanto más pesado es el cuerpo (en nuestro ejemplo, el Sol), más espacio-tiempo se "dobla" debajo de él. En consecuencia, su campo gravitacional es el más fuerte.
Para comprender mejor la esencia de la teoría.relatividad, pasemos a la comparación. La Tierra, según la relatividad general, gira alrededor del Sol como una pequeña bola que rueda alrededor del cono de un embudo creado como resultado de que el Sol "empuja" el espacio-tiempo. Y lo que estamos acostumbrados a considerar la fuerza de la gravedad es de hecho una manifestación externa de esta curvatura, y no una fuerza, en el entendimiento de Newton. Hasta la fecha, no se ha encontrado una explicación del fenómeno de la gravedad mejor que la propuesta en la relatividad general.
Métodos para verificar la relatividad general.
Tenga en cuenta que GRT no es fácil de verificar, ya que sulos resultados en condiciones de laboratorio casi corresponden a la ley de la gravitación universal. Sin embargo, los científicos llevaron a cabo una serie de experimentos importantes. Sus resultados nos permiten concluir que la teoría de Einstein está confirmada. La relatividad general también ayuda a explicar varios fenómenos observados en el espacio. Se trata, por ejemplo, de pequeñas desviaciones de Mercurio de su órbita estacionaria. Desde el punto de vista de la mecánica clásica newtoniana, no se pueden explicar. Esta es también la razón por la que la radiación electromagnética que emana de estrellas distantes se dobla al pasar cerca del Sol.
Los resultados predichos por la relatividad general son de hechodifieren significativamente de las que dan las leyes de Newton (su retrato se presenta arriba), solo cuando hay campos gravitacionales superfuertes. En consecuencia, para una verificación completa de la relatividad general, se necesitan mediciones muy precisas de objetos de gran masa o agujeros negros, ya que nuestras ideas habituales son inaplicables a ellos. Por lo tanto, el desarrollo de métodos experimentales para probar esta teoría es una de las principales tareas de la física experimental moderna.
Las mentes de muchos científicos y personas alejadas de la ciencia.está ocupado por la teoría de la relatividad creada por Einstein. Qué es, le dijimos brevemente. Esta teoría da un vuelco a nuestras ideas habituales sobre el mundo, por lo que el interés por él todavía no se desvanece.
