Puede haber algún contenido duplicado, pero de ninguna manera es un plagio del anterior.
La teoría de la relatividad es la teoría básica sobre el espacio-tiempo y la gravedad. Fue fundada principalmente por Einstein y se divide en relatividad especial (relatividad especial) y relatividad general (relatividad general). Los supuestos básicos de la teoría de la relatividad son el principio de velocidad constante de la luz, el principio de relatividad y el principio de equivalencia. La relatividad y la mecánica cuántica son los dos pilares básicos de la física moderna. La mecánica clásica, que sienta las bases de la física clásica, no es adecuada para objetos que se mueven a alta velocidad y objetos en condiciones microscópicas. La teoría de la relatividad resuelve el problema del movimiento a alta velocidad; la mecánica cuántica resuelve el problema de las condiciones subatómicas microscópicas. La teoría de la relatividad ha cambiado enormemente los conceptos de "sentido común" de la humanidad sobre el universo y la naturaleza, y ha propuesto conceptos completamente nuevos como "relatividad simultánea", "espacio-tiempo cuatridimensional" y "espacio curvo".
Relatividad General
Un mundo sumamente increíble
Traducción original de Gu Rui: Slaven
Explicación de los conceptos básicos de la relatividad general:
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Antes de comenzar a leer este breve artículo y comprender las características clave de la relatividad general, debemos asumir una cosa: la relatividad especial es correcta. Esto significa que la teoría general de la relatividad se basa en la teoría especial de la relatividad. Si esto último resulta equivocado, todo el edificio teórico se derrumbará.
Para entender la relatividad general, debemos entender cómo se define la masa en la mecánica clásica.
Dos expresiones diferentes de calidad:
Primero, pensemos en lo que representa la calidad en nuestra vida diaria. ¿"Es el peso"? De hecho, pensamos en la masa como algo que se puede pesar, ya que la medimos colocando el objeto cuya masa queremos medir en una balanza. ¿Qué propiedades de calidad estamos aprovechando al hacer esto? Es el hecho de que la Tierra y el objeto que se mide se atraen entre sí. Esta masa se llama "masa gravitacional". Lo llamamos "gravitacional" porque determina el movimiento de todas las estrellas y astros del universo: la masa gravitacional entre la Tierra y el Sol impulsa a la Tierra en un movimiento casi circular alrededor de este último.
Ahora, intenta empujar tu coche sobre una superficie plana. No puedes negar que tu coche resiste fuertemente la aceleración que le quieres dar. Esto se debe a que su coche tiene una masa muy grande. Mover objetos livianos es más fácil que mover objetos pesados. La masa también se puede definir de otra manera: "Resiste la aceleración". Esta masa se llama "masa inercial".
Así que llegamos a esta conclusión: podemos medir la calidad de dos maneras. O lo pesamos (muy sencillo) o medimos su resistencia a la aceleración (usando las leyes de Newton).
Se han realizado muchos experimentos para medir la masa inercial y la masa gravitacional de un mismo objeto. Todos los resultados experimentales llevan a la misma conclusión: la masa inercial es igual a la masa gravitacional.
El propio Newton se dio cuenta de que esta igualdad de masas estaba provocada por algo que su teoría no podía explicar. Pero descartó el resultado como una simple coincidencia. Einstein, por el contrario, descubrió que en esta equivalencia existía un pasaje que reemplazaba la teoría de Newton.
La experiencia cotidiana confirma esta igualdad: dos objetos (uno ligero, otro pesado) "caerán" a la misma velocidad. Sin embargo, los objetos más pesados experimentan una mayor atracción gravitacional de la Tierra que los objetos más ligeros. Entonces, ¿por qué no "cae" más rápido? Porque es más resistente a la aceleración. La conclusión es que la aceleración de un objeto en un campo gravitacional es independiente de su masa. Galileo fue el primero en notar este fenómeno. Es importante que comprendas que todos los objetos en un campo gravitacional "caen a la misma velocidad" son el resultado (en la mecánica clásica) de la igualdad de masa inercial y masa gravitacional.
Ahora centrémonos en la expresión “paradero”. Los objetos "caen" porque la masa gravitacional de la Tierra crea el campo gravitacional de la Tierra. Dos objetos tienen la misma velocidad en los mismos campos gravitacionales. Ya sean lunares o solares, se aceleran al mismo ritmo. Esto significa que sus velocidades aumentan en la misma cantidad por segundo. (La aceleración es el aumento de la velocidad por segundo)
La igualdad de la masa gravitacional y la masa inercial es el tercer supuesto en el argumento de Einstein
Einstein ha estado buscando la "gravedad" La masa es igual a la masa inercial". Para ello, planteó un tercer supuesto conocido como "principio de equivalencia".
Afirma que si un sistema inercial se acelera uniformemente con respecto a un sistema galileano, entonces podemos considerarlo (el sistema inercial) estacionario introduciendo un campo gravitacional uniforme con respecto a él.
Examinemos un sistema inercial K’, que tiene un movimiento uniformemente acelerado con respecto al sistema galileano. Hay muchos objetos alrededor de K y K’. Este objeto es estacionario con respecto a K. Por lo tanto estos objetos tienen el mismo movimiento acelerado con respecto a K'. Esta aceleración es la misma para todos los objetos y es opuesta a la aceleración de K’ con respecto a K. Dijimos que la magnitud de la aceleración de todos los objetos en un campo gravitacional es la misma, por lo que el efecto es equivalente a que K’ sea estacionario y exista un campo gravitacional uniforme.
Así que si establecemos el principio de igualdad, la masa igual de dos objetos es sólo un simple corolario del mismo. Por eso la equivalencia (de calidad) es un argumento importante a favor del principio de equivalencia.
Asumiendo que K’ es estacionario y que existe el campo gravitacional, entendemos K’ como un sistema galileano en el que podemos estudiar las leyes de la mecánica. Einstein estableció así su cuarto principio.
Segunda hipótesis de Einstein
Traducción original de Gu Rui: Slaven
Tiempo y espacio
Llegamos a una conclusión que se contradice en sí misma. La "relatividad del sentido común" que utilizamos para convertir la velocidad de un marco de referencia a otro entra en conflicto con la suposición de Einstein de que "la luz viaja a la misma velocidad en todos los marcos inerciales". La hipótesis de Einstein es correcta sólo en dos casos: o la distancia es diferente con respecto a los dos sistemas inerciales, o el tiempo es diferente con respecto a los dos sistemas inerciales.
En realidad, ambas cosas son ciertas. El primer efecto se llama "contracción de longitud" y el segundo efecto se llama "dilatación del tiempo".
Contracción de longitud:
La contracción de longitud a veces se denomina contracción de Lorentz o FritzGerald. Antes de Einstein, Lorenz y Fritz Grad elaboraron fórmulas matemáticas para describir la contracción. Pero Einstein se dio cuenta de su importancia y la incorporó a su teoría completa de la relatividad. Este principio es:
La longitud de un objeto en movimiento en un sistema de referencia es más corta que su longitud en reposo
La siguiente ilustración gráfica se utiliza para facilitar la comprensión:
Gráfico superior Es la regla que está en reposo en el marco de referencia. La longitud de un objeto estacionario en su marco de referencia se llama "longitud correcta". La longitud correcta de una vara de medir es una yarda. La regla está en movimiento en la imagen inferior. Para decirlo en términos más largos y precisos: en relación con un marco de referencia, encontramos que (la regla) se mueve. El principio de contracción de longitud establece que una regla que se mueve en este marco de referencia debe ser más corta.
Esta contracción no es una ilusión. Cuando la regla nos pasa, cualquier prueba precisa mostrará que su longitud es más corta que cuando está en reposo. La regla no parece más baja, ¡realmente lo es! Sin embargo, sólo se contrae en la dirección de su movimiento. En la imagen inferior la regla se mueve horizontalmente, por lo que se acorta horizontalmente. Habrás notado que la longitud vertical es la misma en ambas imágenes.
Dilatación del tiempo:
El llamado efecto de dilatación del tiempo es muy similar a la contracción de longitud. Funciona así:
Dos eventos en un determinado marco de tiempo. referencia, el intervalo de tiempo cuando ocurren en diferentes lugares es siempre más largo que el intervalo de tiempo cuando los mismos dos eventos ocurren en el mismo lugar.
Esto es más difícil de entender, por lo que todavía usamos ilustraciones para ilustrar:
Los dos despertadores de la imagen se pueden usar para medir el tiempo que tarda en sonar la primera alarma. reloj para pasar del punto A al punto B. hora. Sin embargo, los resultados que dan los dos despertadores no son los mismos. Podemos pensarlo de esta manera: los dos eventos que mencionamos son "el despertador sale del punto A" y "el despertador llega al punto B". En nuestro marco de referencia, estos dos eventos ocurren en diferentes lugares (A y B). Sin embargo, veamos esto desde el marco de referencia del propio despertador en la mitad superior de la imagen. Desde esta perspectiva, el despertador en la mitad superior de la imagen está estacionario (todos los objetos están estacionarios con respecto a sí mismos), mientras que las líneas que marcan los puntos A y B se mueven de derecha a izquierda.
Por lo tanto, "salir del punto A" y "llegar al punto B" ocurren en el mismo lugar. (El tiempo medido por el despertador en la mitad superior de la imagen se llama "hora correcta") Según el punto de vista mencionado anteriormente, el tiempo registrado por el despertador en la mitad inferior de la imagen será más largo que la hora registrada por el despertador en la mitad superior de la imagen de A a B. .
Una declaración más simple pero menos precisa de este principio es: Un reloj en movimiento funciona más lento que un reloj estacionario. La hipótesis más famosa sobre la dilatación del tiempo suele denominarse paradoja de los gemelos. Supongamos que los gemelos Harry y Mary abordan una nave espacial que se aleja de la Tierra a gran velocidad (para que el efecto sea obvio, la nave espacial debe moverse a una velocidad cercana a la de la luz) y regresa muy rápidamente. Podemos pensar en dos cuerpos como un reloj que mide el paso del tiempo en términos de edad. Debido a que Mary se mueve tan rápido, su "reloj" corre más lento que el "reloj" de Harry. El resultado es que cuando Mary regrese a la Tierra, será más joven que Harry. Qué tan joven depende de qué tan rápido y qué tan lejos viaja.
La dilatación del tiempo no es una idea descabellada, está comprobada experimentalmente. El mejor ejemplo son las partículas subatómicas llamadas mesones. Se ha medido con mucha precisión el tiempo que tarda un mesón en desintegrarse. De todos modos, se ha observado que un mesón que se mueve casi a la velocidad de la luz tiene una vida útil más larga que un mesón estacionario o de movimiento lento. Este es el efecto relativista. Desde la perspectiva del propio mesón en movimiento, ya no existe. Esto se debe a que es estacionario desde su propia perspectiva; sólo cuando miramos el mesón en relación con el laboratorio encontramos que su vida útil se ha "extendido" o "acortado". ?
Se debe agregar una frase: Ha habido muchos, muchos experimentos que han confirmado esta inferencia de la teoría de la relatividad. Otros corolarios (de la relatividad) los podremos verificar más adelante. Mi punto es que aunque llamamos a la relatividad una "teoría", no cometa el error de pensar que la relatividad aún no se ha demostrado. Es (en realidad) muy completa.
El primer postulado de Einstein
Toda la teoría especial de la relatividad se basa principalmente en las dos suposiciones de Einstein sobre la naturaleza del universo.
La primera se puede expresar así:
Las leyes físicas en todos los sistemas de referencia inerciales son las mismas
Lo único ligeramente difícil aquí es la -llamado "Marco de referencia inercial". Unos pocos ejemplos aclararán esto:
Supongamos que está en un avión volando nivelado a una velocidad constante de varios cientos de millas por hora sin ningún obstáculo. Un hombre cruza el avión y dice: "¿Puedes tirar tu bolsa de maní aquí?". Tomas la bolsa de maní, pero de repente te detienes y piensas: "Estoy sentado en un avión que gira a unos minutos por hora". ." En un avión que vuela a una velocidad de 100 millas, ¿con qué fuerza debo lanzar esta bolsa de maní antes de que llegue a esa persona? ”
No, no tienes que pensar en este problema en absoluto , solo necesitas usarlo con Simplemente tíralo con el mismo movimiento (y fuerza) que lo harías en el aeropuerto. El movimiento del maní es el mismo que cuando el avión está en tierra.
Verás, si el avión vuela en línea recta a una velocidad constante, las leyes de la naturaleza que gobiernan el movimiento de los objetos son las mismas que si el avión está estacionario. Al interior del avión lo llamamos sistema de referencia inercial. (La palabra "inercia" originalmente se refiere a la primera ley del movimiento de Newton. La inercia es la propiedad inherente de todo objeto de permanecer estacionario o moverse en línea recta a una velocidad uniforme cuando no hay ninguna fuerza externa. El sistema de referencia inercial es una serie de sistemas de referencia en los que esta ley es válida.
Otro ejemplo Consideremos la Tierra misma. La circunferencia de la Tierra es de unos 40.000 kilómetros, ya que la Tierra gira una vez cada 24 horas. El ecuador en realidad se mueve a una velocidad de 1600 kilómetros por hora hacia el este. Pero apuesto a que Steve Young nunca se preocupó por eso cuando lanzó su pase de touchdown a Jerry Rice. Eso se debe a que el suelo se mueve en una línea aproximadamente recta. La Tierra es casi un marco de referencia inercial, por lo que su movimiento tiene poco efecto sobre otros objetos, y el movimiento de todos los objetos se comporta como si la Tierra estuviera en reposo.
De hecho, a menos que seamos conscientes de ello. A menos que la Tierra esté girando, de lo contrario algunos fenómenos serían muy confusos (es decir, la Tierra no se mueve en línea recta, sino que se mueve en un gran círculo alrededor del eje de la Tierra)
Por ejemplo: muchos clima (cambios). Todos los aspectos parecen completamente contrarios a las leyes de la física, a menos que consideremos esto (la rotación de la tierra) como otro ejemplo.
Los proyectiles de largo alcance no se mueven en línea recta como lo hacen en un sistema inercial, sino que se desvían ligeramente hacia la derecha (en el hemisferio norte) o hacia la izquierda (en el hemisferio sur). (Golfistas al aire libre, esto no explica sus errores). Para la mayoría de los propósitos de investigación, podemos pensar en la Tierra como un marco de referencia inercial. Pero ocasionalmente, su representación no inercial será muy seria (quiero decirlo de manera más estricta).
Aquí hay un mínimo: el primer postulado de Einstein sostiene que todas las leyes físicas en tales sistemas permanecen sin cambios. Los ejemplos del avión en movimiento y la superficie de la Tierra son sólo para mostrarle que ésta es una suposición razonable que la gente puede hacer sin siquiera pensar en ello. ¿Quién dijo que Einstein era un genio?
La segunda hipótesis de Einstein
A mediados del siglo XIX, la gente dio un salto revolucionario en su comprensión de la electricidad y el magnetismo, liderado por los logros de James Maxwell como representante. Los dos fenómenos de la electricidad y el magnetismo se consideraron no relacionados hasta que Oersted y Ampere demostraron que la electricidad puede producir magnetismo y Faraday demostró que el magnetismo puede producir electricidad. Ahora sabemos que la electricidad y el magnetismo están tan estrechamente relacionados que cuando los físicos enumeran las fuerzas de la naturaleza, a menudo las tratan como la misma cosa.
El logro de Maxwell fue condensar todo el conocimiento entonces conocido sobre electromagnetismo en cuatro ecuaciones:
(Si no has tomado los tres o cuatro semestres necesarios para comprender el curso de cálculo de estas ecuaciones, luego siéntate y obsérvalas durante unos minutos y aprecia su belleza)
La importancia de las ecuaciones de Maxwell para nosotros es que, además de describir todo el conocimiento electromagnético conocido, también revela algunas cosas que la gente no sabía. No lo sé. Por ejemplo: los campos electromagnéticos que componen estas ecuaciones pueden propagarse por el espacio en forma de ondas vibratorias. Cuando Maxwell calculó la velocidad de estas ondas, descubrió que todas eran iguales a la velocidad de la luz. Esto no es casualidad, Maxwell (ecuaciones) reveló que la luz es una onda electromagnética.
Una cosa importante que debemos recordar es que la velocidad de la luz se deriva directamente de las ecuaciones de Maxwell, que describen todos los campos electromagnéticos.
Ahora volvemos a Einstein.
La primera suposición de Einstein fue que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. Su segunda hipótesis era simplemente extender este principio a las leyes de la electricidad y el magnetismo. Es decir, si la hipótesis de Maxwell es una ley de la naturaleza, entonces (y sus corolarios) deben cumplirse en todos los sistemas inerciales. Uno de estos corolarios es la segunda hipótesis de Einstein: La velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas inerciales.
La primera hipótesis de Einstein parece muy razonable, y su segunda hipótesis continúa la primera. La plausibilidad de los supuestos. ¿Pero por qué no parece razonable?
Experimento en el tren
Para ilustrar la racionalidad de la segunda hipótesis de Einstein, echemos un vistazo a la siguiente imagen en el tren. El tren circula a una velocidad de 100.000.000 metros por segundo. Dave está parado en el tren y Nolan está parado en el suelo junto a la vía. Dave "dispara" fotones con la linterna en la mano.
El fotón se mueve a una velocidad de 300.000.000 metros por segundo con respecto a Dave, y Dave se mueve a una velocidad de 100.000.000 metros por segundo con respecto a Nolan. Entonces obtenemos que la velocidad del fotón en relación con Nolan es 400.000.000 metros/segundo.
Surge el problema: ¡esto es inconsistente con la segunda hipótesis de Einstein! Einstein dijo que la velocidad de la luz en relación con el marco de referencia de Nolan debe ser exactamente la misma que la velocidad de la luz en el marco de referencia de Dave, que es 300.000.000 metros/segundo. Entonces, ¿cuál está mal: nuestro "sentimiento de sentido común" o la hipótesis de Einstein?
Bueno, los experimentos (resultados) de muchos científicos respaldan la hipótesis de Einstein, por lo que también asumimos que Einstein tiene razón y ayudamos a todos a descubrir qué está mal en la teoría de la relatividad del sentido común.
¿Recuerdas? La decisión de sumar las velocidades fue muy fácil. Un segundo después, el fotón se ha movido a 300.000.000 de metros delante de Dave, y Dave se ha movido a 100.000.000 de metros delante de Nolan.
Sólo hay dos posibilidades si la distancia no es 400.000.000 metros:
1 La distancia de 300.000.000 metros para Dave no es también 300.000.000 metros para Nolan
2. diferente por un segundo a Nolan
Por extraño que parezca, ambos tienen razón.
Segundo Postulado de Einstein
Tiempo y Espacio
Llegamos a una conclusión contradictoria. La "relatividad del sentido común" que utilizamos para convertir la velocidad de un marco de referencia a otro entra en conflicto con la suposición de Einstein de que "la luz viaja a la misma velocidad en todos los marcos inerciales". La hipótesis de Einstein es correcta sólo en dos casos: o la distancia es diferente con respecto a los dos sistemas inerciales, o el tiempo es diferente con respecto a los dos sistemas inerciales.
En realidad, ambas cosas son ciertas. El primer efecto se llama "contracción de longitud" y el segundo efecto se llama "dilatación del tiempo".
Contracción de longitud:
La contracción de longitud a veces se denomina contracción de Lorentz o FritzGerald. Antes de Einstein, Lorenz y Fritz Grad elaboraron fórmulas matemáticas para describir la contracción. Pero Einstein se dio cuenta de su importancia y la incorporó a su teoría completa de la relatividad. Este principio es: La longitud de un objeto en movimiento en el sistema de referencia es más corta que su longitud en reposo. La siguiente ilustración gráfica se utiliza para facilitar la comprensión:
El gráfico superior muestra la regla en reposo en el sistema de referencia. sistema. La longitud de un objeto estacionario en su marco de referencia se llama "longitud correcta". La longitud correcta de una vara de medir es una yarda. La regla está en movimiento en la imagen inferior. Para decirlo en términos más largos y precisos: en relación con un marco de referencia, encontramos que (la regla) se mueve. El principio de contracción de longitud establece que una regla que se mueve en este marco de referencia debe ser más corta.
Esta contracción no es una ilusión. Cuando la regla nos pasa, cualquier prueba precisa mostrará que su longitud es más corta que cuando está en reposo. La regla no parece más baja, ¡realmente lo es! Sin embargo, sólo se contrae en la dirección de su movimiento. En la imagen inferior la regla se mueve horizontalmente, por lo que se acorta horizontalmente. Habrás notado que la longitud vertical es la misma en ambas imágenes.
Dilatación del tiempo:
El llamado efecto de dilatación del tiempo es muy similar a la contracción de longitud. Funciona así:
Dos eventos en un determinado marco de tiempo. referencia, el intervalo de tiempo cuando ocurren en diferentes lugares es siempre más largo que el intervalo de tiempo cuando los mismos dos eventos ocurren en el mismo lugar.
Esto es más difícil de entender, por lo que todavía usamos ilustraciones para ilustrar:
Los dos despertadores de la imagen se pueden usar para medir el tiempo que tarda en sonar la primera alarma. reloj para pasar del punto A al punto B. hora. Sin embargo, los resultados que dan los dos despertadores no son los mismos. Podemos pensarlo de esta manera: los dos eventos que mencionamos son "el despertador sale del punto A" y "el despertador llega al punto B". En nuestro marco de referencia, estos dos eventos ocurren en diferentes lugares (A y B). Sin embargo, veamos esto desde el marco de referencia del propio despertador en la mitad superior de la imagen. Desde esta perspectiva, el despertador en la mitad superior de la imagen está estacionario (todos los objetos están estacionarios con respecto a sí mismos), mientras que las líneas que marcan los puntos A y B se mueven de derecha a izquierda. Por lo tanto, "salir del punto A" y "llegar al punto B" ocurren en el mismo lugar. (El tiempo medido por el despertador en la mitad superior de la imagen se llama "hora correcta") Según el punto de vista mencionado anteriormente, el tiempo registrado por el despertador en la mitad inferior de la imagen será más largo que la hora registrada por el despertador en la mitad superior de la imagen de A a B. .
Una declaración más simple pero menos precisa de este principio es: Un reloj en movimiento funciona más lento que un reloj estacionario. La hipótesis más famosa sobre la dilatación del tiempo suele denominarse paradoja de los gemelos. Supongamos que los gemelos Harry y Mary abordan una nave espacial que se aleja de la Tierra a gran velocidad (para que el efecto sea obvio, la nave espacial debe moverse a una velocidad cercana a la de la luz) y regresa muy rápidamente. Podemos pensar en dos cuerpos como un reloj que mide el paso del tiempo en términos de edad. Debido a que Mary se mueve tan rápido, su "reloj" corre más lento que el "reloj" de Harry. El resultado es que cuando Mary regrese a la Tierra, será más joven que Harry. Qué tan joven depende de qué tan rápido y qué tan lejos viaja.
La dilatación del tiempo no es una idea descabellada, está comprobada experimentalmente.
El mejor ejemplo es el de una partícula subatómica llamada mesón. Se ha medido con mucha precisión el tiempo que tarda un mesón en desintegrarse. De todos modos, se ha observado que un mesón que se mueve casi a la velocidad de la luz tiene una vida útil más larga que un mesón estacionario o de movimiento lento. Este es el efecto relativista. Desde la perspectiva del propio mesón en movimiento, ya no existe. Esto se debe a que es estacionario desde su propia perspectiva; sólo cuando miramos el mesón en relación con el laboratorio encontramos que su vida útil se ha "extendido" o "acortado". ?
Se debe agregar una frase: Ha habido muchos, muchos experimentos que han confirmado esta inferencia de la teoría de la relatividad. Otros corolarios (de la relatividad) los podremos verificar más adelante. Mi punto es que aunque llamamos a la relatividad una "teoría", no cometa el error de pensar que la relatividad aún no se ha demostrado. Es (en realidad) muy completa.
Parámetro gamma (γ)
Ahora te estarás preguntando: ¿por qué nunca has notado efectos de contracción de longitud y dilatación del tiempo en tu vida diaria? Por ejemplo, según lo que acabo de decir, si conduce desde Oklahoma City a Kansas City y regresa, cuando llegue a casa, debe restablecer su reloj. Porque cuando conduces, tu reloj debería funcionar más lento que un reloj que está en reposo en casa. Si son las 3 en punto cuando llegas a casa, entonces tu reloj en casa debería mostrar una hora posterior. ¿Por qué nunca te has dado cuenta de que esto sucede?
La respuesta es: Que este efecto sea significativo o no depende de la velocidad de tu movimiento. Y te estás moviendo muy lentamente (puedes pensar que tu auto va muy rápido, pero esto es extremadamente lento según la teoría de la relatividad). Los efectos de la contracción de la longitud y la dilatación del tiempo sólo se notan cuando te acercas a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es de aproximadamente 186.300 millas/segundo (o 300 millones de metros/segundo). En matemáticas, los efectos relativistas suelen describirse mediante un coeficiente, al que los físicos suelen denominar la letra griega γ. Este coeficiente depende de la velocidad del movimiento del objeto. Por ejemplo, si una regla métrica (la longitud correcta es 1 metro) vuela rápidamente frente a nosotros, su longitud relativa a nuestro marco de referencia es 1/γ metro. Si un reloj tarda 3 segundos en moverse del punto A al punto B, entonces, en relación con nuestra desventaja, es /γ segundos.
Para entender por qué no notamos efectos relativistas en la realidad, veamos la fórmula para γ: La clave aquí es v2/c2 en el denominador. v es la velocidad del objeto que estamos discutiendo y c es la velocidad de la luz. Como la velocidad de cualquier objeto de tamaño normal es mucho menor que la velocidad de la luz, v/c es muy pequeña cuando la elevamos al cuadrado es aún más pequeña; Por tanto, para todos los objetos de tamaño normal en la vida real, el valor de γ es 1. Entonces, para velocidades ordinarias, la longitud y el tiempo que obtenemos después de la multiplicación y división no han cambiado. Para ilustrar esto, aquí hay una tabla de valores gamma correspondientes a diferentes velocidades. (Donde) la última columna es la longitud de la regla métrica cuando se mueve a esta velocidad (es decir, 1/γ metro).
C en la primera columna todavía representa la velocidad de la luz. .9c es igual a nueve décimos de la velocidad de la luz. Como referencia, he aquí un ejemplo: el cohete Saturno V viaja a unas 40.000 millas por hora. Verá, para cualquier velocidad razonable, γ es casi siempre 1. Por tanto, hay poca variación en duración y tiempo. En la vida real, los efectos relativistas ocurren sólo en la ciencia ficción (en la que las naves espaciales son mucho más rápidas que el Saturno V) y en la microfísica (donde los electrones y protones a menudo son acelerados a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz). Este efecto no es evidente en un vuelo de Chicago a Denver.
Las aventuras del agente de la ley cósmica
El agente de la ley cósmica AD fue capturado por el malvado Dr. EN en el Planeta A. El Dr. EN le dio a AD un vaso de vino venenoso que ocurriría 13 horas después, y le dijo a AD que el antídoto estaba en el Planeta B, que está a 40.000.000.000 de kilómetros de distancia. Después de que AD se enteró de esta situación, inmediatamente abordó su nave interestelar con 0,95 veces la velocidad de la luz y voló a la Estrella B. Entonces:
¿Podrá AD llegar a la Estrella B y obtener el antídoto?
Hacemos los siguientes cálculos:
La distancia entre los planetas A y B es de 40.000.000.000 kilómetros. La velocidad de la nave espacial es de 1.025.000.000 kilómetros/hora. Dividiendo estos dos números, obtenemos 39 horas desde el Planeta A al Planeta B.
Entonces AD definitivamente morirá.
¡Espera un momento! Esto es sólo para las personas que se encuentran en el Planeta A.
Dado que los venenos deben metabolizarse en el cuerpo de la EA (antes de que puedan surtir efecto), debemos estudiar esta cuestión desde el marco de referencia de la EA. Hay dos maneras en que podemos hacer esto que nos llevarán a la misma conclusión.
1. Imagina una gran regla que se extiende uniformemente desde el planeta A hasta el planeta B. Esta regla tiene 40.000.000.000 de kilómetros de largo. Sin embargo, desde la perspectiva de AD, el gobernante pasó volando a su lado a una velocidad cercana a la de la luz. Ya sabemos que estos objetos sufren una contracción longitudinal. En el marco de referencia AD, la distancia del planeta A al planeta B se reduce con el parámetro γ. Al 95% de la velocidad de la luz, el valor de γ es aproximadamente igual a 3,2. Por lo tanto, AD cree que esta distancia es sólo de 12.500.000.000 de kilómetros (40 mil millones divididos por 3,2). Dividimos esta distancia por la velocidad de AD y obtenemos que 12,2 horas ¡AD llegará al Planeta B casi 1 hora antes!
2. Un observador en el planeta A encontrará que AD tarda aproximadamente 39 horas en llegar a B. Sin embargo, este es un momento posterior a la expansión. Sabemos que el "reloj" de AD se ralentiza según el parámetro γ (3.2). Para calcular el tiempo en el marco de referencia AD, dividimos 39 horas por 3,2 para obtener 12,2 horas. Eso deja aproximadamente 1 hora para el AD (lo cual es bueno porque le da al AD 20 minutos para abandonar el barco y otros 20 minutos para encontrar el antídoto).
AD sobrevivirá y continuará la lucha contra el mal.
Si estudias atentamente mi descripción, encontrarás muchas cosas engañosas y muy sutiles. Cuando lo piensas profundamente, normalmente terminarás haciendo la pregunta: "Espera un minuto, en el marco de referencia de AD, el reloj de EN funciona más lento, por lo que en el marco de referencia de AD, los viajes espaciales deberían costar más tiempo, no menos. ..
Si está interesado o confundido acerca de este tema, probablemente debería leer el siguiente artículo "Las aventuras del agente de la ley espacial - Tiempo sutil". O puede confiar en mi palabra de que "si". descubres toda la causa y el efecto, entonces todo (estos) son correctos" y saltas al capítulo de Masa y Energía
Cosmic Enforcer. Las aventuras del tiempo sutil
Bueno, eso es lo que acabamos de ver. Hemos descubierto la dilatación del tiempo en AD en relación con el marco de referencia EN. En el marco de referencia EN, AD está en movimiento, por lo que el reloj de AD funciona más lento. Como resultado, el reloj de EN funciona 39 horas. este vuelo, y el reloj de AD corre 12 horas. Esto a menudo lleva a la gente a la siguiente pregunta:
Relativamente. En el sistema de AD, EN se está moviendo, por lo que el reloj de EN debería funcionar más lento. Entonces, cuando AD llegue al planeta B, ¿Quién tiene razón?
Buena pregunta. Cuando haces esta pregunta, sé que ya estás entrando en la situación. Antes de comenzar a explicar, debo decir que en la situación que describí, todo está correcto. Podemos conseguir el antídoto a tiempo. Ahora expliquemos esta paradoja. Esto está relacionado con un corolario de "simultaneidad" que no he mencionado todavía: dos eventos en el mismo marco de referencia ocurren al mismo tiempo (pero en lugares diferentes).
Examinemos algunos eventos simultáneos
Primero, supongamos que EN y AD salen del planeta A. Presione el cronómetro. al mismo tiempo, según el reloj de EN, el viaje al Planeta B durará 39 horas. En otras palabras, el reloj de EN marca 39 horas cuando AD llega al Planeta B. Debido a la dilatación del tiempo, el reloj de AD marca 12,2 horas al mismo tiempo.
1. El medidor de EN marcaba 39
2. AD llegó al Planeta B
3. El medidor de AD marca 12.2
Estos eventos ocurren simultáneamente en el marco de referencia de EN
Ahora, en el marco de referencia de AD, los tres eventos anteriores no pueden ocurrir simultáneamente. Además, ya que sabemos que EN. El medidor debe reducir la velocidad según el parámetro γ (donde γ es aproximadamente 3,2), podemos calcular que cuando el medidor de AD indica 12,2 horas, el medidor de EN indica 12,2/3,2 = 3,8 horas.
Por lo tanto, en el sistema de AD, estas cosas suceden al mismo tiempo:
1. AD llega al planeta B
2 el reloj de AD marca 1,2
3. El reloj de EN marca 3.2
Los dos primeros elementos son iguales en ambos sistemas porque ocurren en el mismo lugar: el Planeta B. Dos acontecimientos que ocurren en el mismo lugar ocurren al mismo tiempo o no ocurren al mismo tiempo, y aquí el marco de referencia no juega un papel.
Puede resultar útil analizar este tema desde otra perspectiva. Los eventos que le interesan son desde la salida del planeta A hasta la llegada al planeta B. Una nota importante: AD está presente en ambos eventos. Es decir, en el marco de referencia de AD, estos dos eventos ocurrieron en el mismo lugar. Por lo tanto, los eventos en el marco de referencia AD se denominan "tiempo correcto" y los tiempos en todos los demás marcos serán más largos que en este marco (consulte el principio de dilatación del tiempo). De todos modos, si estás confundido acerca de la dilatación del tiempo en las aventuras de AD, espero que esto aclare un poco las cosas. Si no estabas confundido antes, espero que tampoco lo estés ahora.
Masa y Energía
Además de la contracción de la longitud y la dilatación del tiempo, la teoría de la relatividad tiene muchos corolarios. El más famoso e importante de ellos es el de la energía.
La energía tiene muchos estados. Cualquier objeto en movimiento posee lo que los físicos llaman "energía cinética" debido a su propio movimiento. La cantidad de energía cinética está relacionada con la velocidad y la masa del objeto. ("Masa" es muy similar a "Peso", pero no exactamente igual) Un objeto colocado en un estante tiene "energía potencial gravitacional". Porque si se quita el estante, tiene el potencial de ganar energía cinética (debido a la gravedad).
El calor también es una forma de energía que en última instancia se atribuye a la energía cinética de los átomos y moléculas que componen la materia, y existen muchas otras formas de energía.
La razón que vincula los fenómenos anteriores con la energía, es decir, la conexión entre ellos, es la ley de conservación de la energía. Esta ley dice que si sumamos toda la energía del universo (podemos describir la energía cuantitativamente en unidades como julios o kilovatios hora), la cantidad total nunca cambia. Es decir, las energías nunca se crean ni se destruyen, aunque se pueden transformar de una forma a otra. Por ejemplo, un automóvil es un dispositivo que convierte la energía térmica (en los cilindros del motor) en energía cinética (el movimiento del automóvil) (puede) convertir la energía eléctrica en energía luminosa (que nuevamente son dos formas de energía); energía).
En su teoría de la relatividad, Einstein descubrió otra forma de energía, a veces llamada "energía en reposo". He señalado que un objeto en movimiento posee energía en virtud de su movimiento. Pero Einstein descubrió que el mismo objeto también tiene energía cuando está estacionario. La cantidad de energía estática en un objeto depende de su masa y viene dada por la fórmula E = mc2.