La teoría de la relatividad, ¿qué es? Los postulados de la teoría de la relatividad. Tiempo y espacio en la teoría de la relatividad

A principios del siglo XX,teoría de la relatividad. Qué es y quién es su creador, conoce hoy a todos los escolares. Es tan fascinante que hasta las personas que están lejos de la ciencia están interesadas en ello. En este artículo, el lenguaje disponible describe la teoría de la relatividad: qué es, cuáles son sus postulados y su aplicación.

Se dice que Albert Einstein, su creador,La iluminación llegó en un santiamén. El científico supuestamente montó un tranvía en el Berna suizo. Miró el reloj de la calle y de repente se dio cuenta de que este reloj se detendría si el tranvía estaba acelerando a la velocidad de la luz. En este caso, el tiempo no sería. El tiempo en la teoría de la relatividad juega un papel muy importante. Uno de los postulados formulados por Einstein es que diferentes observadores perciben la realidad de diferentes maneras. Esto se aplica en particular al tiempo y la distancia.

Contabilizando la posición del observador

Ese día, Albert se dio cuenta de que, en términos de lenguajeciencia, la descripción de cualquier fenómeno físico o evento depende del sistema de referencia en el que se encuentra el observador. Por ejemplo, si un pasajero del tranvía se cae las gafas, caerán verticalmente hacia ella. Si miras desde el punto de vista de un peatón parado en la calle, la trayectoria de su caída corresponderá a la parábola, mientras el tranvía se mueve y al mismo tiempo caen las gafas. Por lo tanto, cada uno tiene su propio marco de referencia. Proponemos considerar con más detalle los postulados básicos de la teoría de la relatividad.

La ley del movimiento distribuido y el principio de la relatividad

A pesar de que al cambiar los marcos de referenciaLas descripciones de los eventos varían, y hay cosas universales que permanecen sin cambios. Para entender esto, debemos preguntarnos no la caída de las gafas, sino la ley de la naturaleza que causa esta caída. Para cualquier observador, independientemente de si está en un sistema de coordenadas fijo o en movimiento, la respuesta permanece inalterada. Esta ley se llama la ley del movimiento distribuido. Actúa igualmente en el tranvía y en la calle. En otras palabras, si la descripción de los eventos siempre depende de quién los observa, entonces esto no se aplica a las leyes de la naturaleza. Son, como dicen en el lenguaje científico, invariantes. Este es el principio de la relatividad.

Dos teorías de Einstein

Este principio, como cualquier otra hipótesis,fue necesario verificar primero, correlacionándolo con los fenómenos naturales que operan en nuestra realidad. Einstein dedujo 2 teorías del principio de la relatividad. Aunque están relacionados, se los considera separados.

Teoría de la relatividad privada o especial(SRT) se basa en la proposición de que para todos los marcos de referencia posibles cuya velocidad de movimiento es constante, las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas. La teoría general de la relatividad (GTR) 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 ha convertido en una etapa importante en el desarrollo de la física. Permítanos detenernos en más detalles sobre cada uno de ellos.

Teoría especial de la relatividad

¿Qué es, cuál es su esencia? Vamos a responder esta pregunta. Es esta teoría la que predice muchos efectos paradójicos que contradicen nuestras nociones intuitivas de cómo funciona el mundo. Estos son los efectos que se observan cuando la velocidad del movimiento se aproxima a la velocidad de la luz. El más famoso de ellos es el efecto del tiempo de ralentización (el transcurso de las horas). Las horas que se mueven en relación con el observador, para él son más lentas que las que están en sus manos.

En el sistema de coordenadas cuando se mueve a una velocidad,Aproximadamente a la velocidad de la luz, el tiempo se estira con relación 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. Este efecto los científicos llaman la contracción de Lorentz-Fitzgerald. En 1889, fue descrito por George Fitzgerald, un físico italiano. Y en 1892 Hendrik Lorentz, un holandés, lo complementó. Este efecto explica el resultado negativo dado por el experimento de Michelson-Morley, en el cual la velocidad del movimiento de nuestro planeta en el espacio exterior está determinada por la medición del "viento de éter". Estos son los postulados básicos de la teoría de la relatividad (especial). Einstein complementó estas ecuaciones con la fórmula para la transformación de la masa, hecha por analogía. Según ella, a medida que la velocidad del cuerpo se acerca a la velocidad de la luz, el peso corporal aumenta. Por ejemplo, si la velocidad es de 260 mil km / s, que es el 87% de la velocidad de la luz, desde el punto de vista del observador, que está en el marco de referencia estacionario, la masa del objeto se duplicará.

Confirmaciones de SRT

Todas estas disposiciones, sin importar cómo contradicensentido común, ya que el tiempo de Einstein se confirma directa y completamente en una variedad de 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 a bordo de un avión comercial, que regularmente realiza vuelos transatlánticos, un reloj atómico ultra preciso. Cada vez que regresaba al aeropuerto, el testimonio de este reloj se contrastaba con el control. Resultó que el reloj en el avión cada vez más quedaba rezagado detrás del control. Por supuesto, solo se trataba de cifras menores, fracciones de segundo, pero el hecho es muy revelador.

Los últimos investigadores de medio siglo están estudiandopartículas elementales en los 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 aproximan a la velocidad de la luz. Después de eso, están disparando objetivos nucleares. En estos experimentos, uno debe tener en cuenta el hecho de que la masa de partículas aumenta, de lo contrario, los resultados experimentales no pueden interpretarse. En este sentido, SRT ha sido durante mucho tiempo una mera teoría hipotética. Se ha convertido en una de las herramientas utilizadas en la ingeniería aplicada, junto con las leyes newtonianas de la mecánica. Los principios de la teoría de la relatividad han encontrado una gran aplicación práctica en nuestros días.

SRT y las leyes de Newton

Por cierto, hablando de las leyes de Newton (un retrato de estoel científico se presenta arriba), debería decirse que la teoría especial de la relatividad, que parece contradecirla, realmente 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 la luz. En otras palabras, si se usa una teoría de la relatividad especial, la física newtoniana no se suprime del todo. Esta teoría, por el contrario, lo complementa y lo expande.

La velocidad de la luz es una constante universal

Usando el principio de la relatividad,¿Por qué en este modelo de la estructura del mundo es muy importante el papel que juega la velocidad de la luz, y no algo más? Esta pregunta es formulada por aquellos que recién comienzan a familiarizarse con la física. La velocidad de la luz es una constante universal debido al hecho de que se define como tal por la ley científico-natural (para más detalles, ver las ecuaciones de Maxwell). La velocidad de la luz en el vacío, en virtud de la acción del principio de la relatividad, es la misma en cualquier marco de referencia. Puede pensar que esto contradice el sentido común. Resulta que tanto la fuente estacionaria como la luz en movimiento llegan al observador simultáneamente (independientemente de cuán rápido se muevan). Sin embargo, este no es el caso. La velocidad de la luz, debido a su papel especial, se le da un lugar central no solo en el especial, sino también en el OTO. También hablaremos de eso.

Teoría general de la relatividad

Se usa, como ya dijimos, para todosmarcos de referencia, no necesariamente aquellos cuya velocidad de movimiento relativa entre sí es constante. Matemáticamente, esta teoría parece mucho más complicada que la especial. Esto explica el hecho de que hayan transcurrido 11 años entre sus publicaciones. GTR incluye uno especial como un caso especial. En consecuencia, las leyes de Newton también entran en él. Sin embargo, la UTO va mucho más allá que sus predecesores. Por ejemplo, explica la gravedad de una nueva manera.

La cuarta dimensión

Gracias a OTO, el mundo se vuelve tetradimensional: el tiempo se agrega a tres dimensiones espaciales. Todos ellos son inseparables, por lo tanto, no debemos hablar ya de la distancia espacial existente en un mundo tridimensional entre dos objetos. Ahora es una cuestión de intervalos de tiempo-espacio entre varios eventos que unen tanto la distancia espacial como temporal entre sí. En otras palabras, el tiempo y el espacio en la teoría de la relatividad se consideran como una especie de continuo cuatridimensional. Se puede definir 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 a otro. Sin embargo, la relación causal no se viola. En otras palabras, incluso una relatividad general no permite la existencia de un sistema de coordenadas en el que dos eventos ocurren en secuencias diferentes y no simultáneamente.

OTO y la ley de la gravitación universal

De acuerdo con la ley de la gravitación universal, abraNewton, la fuerza de atracción mutua existe en el universo entre dos cuerpos cualquiera. La Tierra desde esta posición gira alrededor del Sol, porque entre ellos hay fuerzas de atracción mutua. Sin embargo, la OTO nos obliga a mirar este fenómeno desde el otro lado. La gravitación, de acuerdo con esta teoría, es una consecuencia de la "curvatura" (deformación) del espacio-tiempo, que se observa bajo la influencia de la masa. El cuerpo es más pesado (en nuestro ejemplo, el Sol), más espacio-tiempo se "dobla" debajo de él. En consecuencia, su campo gravitacional es más fuerte.

Para entender mejor la teoríarelatividad, pasemos a una comparación. La tierra, de acuerdo con la relatividad general, gira alrededor del sol, como una pequeña bola que rueda alrededor del cráter del cono, formado como resultado de "forzar" el sol espacio-tiempo. Y el hecho de que hemos utilizado para tomar la fuerza de la gravedad es en realidad la manifestación exterior de la curvatura, y no por la fuerza, en el sentido de Newton. Una mejor explicación del fenómeno de la gravedad de lo propuesto en TRB, hasta la fecha no se encuentra.

Métodos para probar GRT

Observamos que no es fácil verificar el TRB, ya que eslos resultados en condiciones de laboratorio casi se corresponden con la ley de la gravitación universal. Sin embargo, los científicos aún llevaron a cabo una serie de experimentos importantes. Sus resultados nos permiten concluir que la teoría de Einstein está confirmada. GTR, además, ayuda a explicar los diversos fenómenos observados en el espacio. Esto, por ejemplo, pequeñas desviaciones de Mercurio desde su órbita estacionaria. Desde el punto de vista de la mecánica clásica newtoniana, no pueden explicarse. Esta es también la razón por la cual la radiación electromagnética que emana de estrellas distantes se deforma cuando pasa cerca del Sol.

Los resultados predichos por GTR, de hechoesencialmente difieren de aquellos que dan las leyes de Newton (su retrato se presenta arriba), solo cuando hay campos gravitacionales superstrong. En consecuencia, para una verificación completa de la relatividad general, se necesitan medidas muy precisas de objetos de enorme masa o agujeros negros, ya que nuestras ideas habituales con respecto a ellos son inaplicables. 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, e incluso de personas alejadas de la cienciaLa teoría de la relatividad, creada por Einstein, ocupa. ¿Qué es? Se nos dice brevemente. Esta teoría cambia nuestras nociones habituales sobre el mundo, por lo que el interés por él todavía no se apaga.