Teoría de la Relatividad – El genio de Einstein

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Teoría de la Relatividad – El genio de Einstein
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La gran baza de Einstein era su imaginación, que se caracterizaba por la fantasía infantil, sin las restricciones de los patrones impuestos por la madurez realista.

Para Einstein, la descripción del funcionamiento del mundo, proporcionada por la física de entonces, no era suficiente. Él preguntó «¿por qué?» y tanto tiempo buscó respuestas hasta que un modelo surgió en su mente para explicar las leyes de la naturaleza. Así que creó la teoría de la relatividad, una hipótesis científica que no se puede entender sin dejar volar la imaginación.

Velocidad constante de la luz

Es posible que la primera inspiración del científico haya sido el tren que se dirigía a la estación de Zúrich, donde entonces vivía y trabajaba Albert Einstein. Mientras nos alejamos lentamente de la estación, mirando por la ventana, vemos que el andén se aleja. Un adulto comprenderá inmediatamente que no es un andén lo que se mueve, sino un tren. Sin embargo, Einstein se preguntó: ¿cómo sabemos esto?

La respuesta es la Tierra. Esto es lo que consideramos estacionario, y por tanto atribuimos velocidad a los objetos con respecto a él. Pero, ¿y si la Tierra no existiera? ¿Cómo sabemos si nuestra nave espacial se está moviendo o la estación espacial se está alejando de nosotros? Lo primero que viene a la mente son las leyes de la física. ¿Quizás hay algunas reglas que tienen en cuenta la velocidad, y de esta manera aprendemos del curso de los fenómenos si estamos parados o en movimiento?

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El mejor candidato son los campos magnéticos y eléctricos. En la escuela, aprendimos que realmente es una fuerza: el electromagnetismo. El trabajo del físico holandés Hendrik Lorenz muestra que la luz, que en realidad es un campo electromagnético alterno, debe moverse siempre a la misma velocidad, independientemente de nuestro movimiento.

¿Como revisar? Dado que sabemos que la Tierra se mueve (bastante rápido) alrededor del Sol y alrededor de su eje, entonces, si la velocidad de la luz depende del movimiento, un rayo de luz se mueve de oeste a este, y por lo tanto en la dirección del movimiento de la Tierra. debe seguir el mismo camino, diferente al segundo, de norte a sur. Tal experimento fue realizado por los científicos estadounidenses Albert A. Michelson y Edward Morley. Y resultó que la velocidad de la luz realmente no depende de la dirección de su movimiento.

Einstein, conociendo los resultados del trabajo de Lorentz, Michelson y Morley, así como muchos otros físicos de la época, llegó a la conclusión de que entonces generalmente es imposible distinguir los sistemas en movimiento de los estacionarios. .

Relatividad Especial

El movimiento existe solo en el contexto de dos observadores que comparan sus sistemas, siempre es mutuo y no tiene sentido definir sistemas en reposo. Por lo tanto, todas las teorías físicas correctas deben ser independientes de la velocidad y la posición, y también del tiempo. Si fuera de otro modo, sería posible distinguir entre sistemas móviles y estacionarios.

¿Cómo llegar a un acuerdo con esta velocidad constante de la luz? Después de todo, esto significa que si la «baliza» espacial enviara una señal de luz, y chocamos contra un cohete que vuela a una velocidad cercana a la de la luz, y perseguimos esta señal, se alejaría rápidamente de nosotros y del faro. . Esto es paradójico, pero no la imaginación de un niño.

Albert Einstein
Albert Einstein. Fotografía: polzam.ru

Si es así, entonces la distancia entre nosotros y el rayo aumenta, o el tiempo se ralentiza para nosotros. El grado de estiramiento del espacio o dilatación del tiempo es proporcional a la velocidad relativa. En el caso de la búsqueda de la luz, el espacio se extenderá indefinidamente y el tiempo se detendrá.

Llegamos a un punto en el que nuestra imaginación puede no ser suficiente para nosotros. ¿Qué significa que el tiempo se detendrá? ¿Nos congelaremos en una posición? Bueno, no, viviremos normalmente en nuestro marco de referencia, pero nos sentiremos como dioses que existen fuera del tiempo del resto del universo. Pero como el movimiento es relativo y mutuo, podemos decir lo mismo del mundo exterior a nosotros. Entonces, ¿qué es la simultaneidad? ¿Cómo reconcilias el principio de causa y efecto con esto?

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Aún no se comprenden todas las implicaciones de la teoría de la relatividad. Einstein nombró dos de los más importantes. Primero, es imposible alcanzar la velocidad de la luz. La energía requerida para aumentar la velocidad aumenta inversamente con la diferencia entre ésta y la velocidad de la luz. Un objeto que se mueve a la velocidad de la luz tendrá energía infinita. Pero como el movimiento es relativo, ¿qué es esta energía? Como recordamos de la escuela, la energía del movimiento es proporcional a la velocidad y la masa. Entonces, Einstein dijo que debería ser masivo. A partir de esto derivó su ecuación más famosa. E=mc^2 – la masa es una forma de energía en reposo.

La segunda conclusión de la constancia de la velocidad de la luz es la necesidad de integrar el tiempo como cuarta dimensión en el espacio tridimensional que conocemos, ya descrito en la antigüedad por Euclides. Solo el espacio-tiempo creado de esta manera, definido por primera vez por el matemático alemán Hermann Minkowski, describirá correctamente la física. Un punto en el espacio-tiempo es una ubicación específica en el espacio en un punto específico en el tiempo. El segmento de espacio-tiempo que conecta dos de sus puntos es la distancia entre dos eventos.

Cabe señalar que puede ser espacial (por ejemplo, Cracovia-Varsovia), temporal (por ejemplo, 2010-2016), pero también espacio-temporal. Cada una de estas formas significa lo mismo. Además, resulta que el postulado de la velocidad de la luz como valor máximo lleva a que el espacio-tiempo para cada observador se divida en una parte que puede conocer y una parte que le es inaccesible.

Relatividad General

La masa no es solo una medida de la fuerza que debe aplicarse para poner un objeto en movimiento y, por lo tanto, su grado de inercia. La masa es también la fuente de la gravedad. Estas definiciones se refieren a fenómenos completamente diferentes. ¿Pueden contener la misma cantidad física? Tales «incidentes» no ocurren en la naturaleza.

El experimento correspondiente fue realizado por el geofísico húngaro Lorand Eötvös utilizando un péndulo de torsión. Resultó que las masas inercial y gravitacional son absolutamente iguales. Para Einstein, esto era una prueba de que, al igual que los campos eléctrico y magnético, la gravedad y la inercia deben seguir el mismo patrón. Bajo la influencia de una fuerza, cambiamos el valor o la dirección de nuestra velocidad, lo que en física se llama aceleración. La aceleración es un cambio en la velocidad, y la velocidad siempre es relativa. Dado que el movimiento en sí mismo es relativo, la aceleración también debe ser relativa.

Albert Einstein
Albert Einstein. Fotografía: habr.com

Inspirándose en el ejemplo de la Tierra, la superficie curva sobre la que vivimos y medimos, Einstein sabía que una superficie plana no era la única posibilidad que permitía la geometría. Si el espacio-tiempo tetradimensional no fuera un plano, entonces las trayectorias de los objetos desprovistos de cualquier interferencia externa y, por tanto, moviéndose en línea recta según las leyes clásicas de la física, tendrían que ser curvas.

En algunos sistemas, esto podría explicarse por la gravedad, en otros, por inercia, y en el modelo, simplemente por la curvatura del espacio. Dos trenes que viajan en vías paralelas adyacentes, o en la misma vía pero a un intervalo constante, pueden chocar.

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Era necesario repensar los conceptos de paralelismo y directo, así como el concepto de tiempo. Dado que el espacio es curvo, la luz también debe estar curvada en tales curvas. Dado que la curvatura debe causar efectos como la gravedad, cada masa debe crear inhomogeneidades en el espacio-tiempo y así, por ejemplo, influir en el paso del tiempo.

Muchas de estas conclusiones han sido confirmadas experimentalmente, como el flujo desigual del tiempo en el punto más cercano y más lejano de la órbita de Mercurio, lo que lleva a sus cambios lentos, o la capacidad de ver estrellas escondidas detrás de otros cuerpos cósmicos masivos. Muchos otros aún están esperando confirmación.

Por el momento, la teoría de la relatividad formulada por Einstein hace un siglo ha resistido todas las pruebas y ha sido confirmada con gran precisión. Y pensar que todo pudo haber comenzado con un tren suizo…
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Ratmir Belov
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