¿Qué experimentos demuestran la superioridad de la teoría de la relatividad sobre la mecánica newtoniana?

¿Qué experimentos demuestran la superioridad de la teoría de la relatividad sobre la mecánica newtoniana?

En la actualidad, la relatividad especial ha pasado de largo siendo una teoría extraña que requiere una validación extensa antes de que pueda creerse. Más bien, ha alcanzado el estado de una consideración de ingeniería de rutina. Por ejemplo:

  • Los microscopios electrónicos de alto rendimiento ahora pueden alcanzar resoluciones de 1 Å, lo que les permite visualizar átomos de hidrógeno individuales. (vea la ilustración a continuación) El diseño de los sistemas ópticos avanzados en estos microscopios debe tener en cuenta los efectos de la relatividad especial

  • Los aceleradores de partículas simplemente no pueden funcionar sin tener en cuenta la relatividad especial. La velocidad de la partícula no solo está limitada por la velocidad de la luz, sino que las nuevas tecnologías de aceleración que podrían proporcionar alternativas a la aceleración convencional de radiofrecuencia de partículas, como la aceleración de partículas impulsada por láser, dependen de manera crítica de la validez de la relatividad especial.

La relatividad general también tiene importantes consecuencias prácticas:

  • La difusión mundial de mediciones de tiempo de alta precisión requiere que se tenga en cuenta la relatividad general. Las organizaciones de estándares nacionales que contribuyen a UTC mantienen sus relojes atómicos a diferentes elevaciones dentro del pozo gravitacional de la Tierra, y por lo tanto marcan a diferentes velocidades que deben compensarse. Los satélites que transmiten el tiempo de una organización estándar a otra están en movimiento en relación con los usuarios con destino a la Tierra, por lo tanto, están en diferentes marcos de referencia.
  • Los sistemas de posicionamiento global como GPS, GLONASS y Galileo utilizan la relatividad en su funcionamiento. El meme de Internet es que si los satélites GPS no se corrigen por efectos relativistas, las mediciones de posición del GPS se degradarán rápidamente con el tiempo. Esta pieza de sabiduría convencional ampliamente repetida es inexacta. La verdad es que si no se aplicaran correcciones relativistas, el sistema GPS se rompería desde el principio. Vea la respuesta de Thomas Yee a ¿Cuál es la distancia (en metros) que una lectura de satélite GPS estaría desactivada si no se corrige durante un año para las teorías de relatividad especial y general?

Sin embargo, la validación experimental de la relatividad especial y la relatividad general es muy importante, ya que las hipotéticas “teorías de todo” predicen que la relatividad general y especial finalmente se romperá con cierto nivel de precisión en sus pruebas.

Se han publicado cientos de pruebas que validan diversos aspectos de la relatividad especial, sin contar las miles de repeticiones de pruebas clásicas de relatividad especial que se realizan cada año en laboratorios universitarios de física de pregrado.

Para ver un resumen de varios cientos de pruebas publicadas de relatividad especial, vea Bases experimentales de relatividad especial

Las pruebas de relatividad general son, en general, más difíciles de realizar que las pruebas de relatividad especial. Sin embargo, se han publicado cientos de pruebas de varios aspectos de la relatividad general, que se resumen en La confrontación entre la relatividad general y el experimento. Clifford Will (2014)


La reciente detección de ondas gravitacionales por LIGO y Virgo ha proporcionado una validación espectacular de ciertos aspectos de la relatividad general que la gravitación newtoniana simplemente no puede acomodar.


Estamos aquí en un momento muy emocionante en la investigación gravitacional. Los experimentos orbitales, tanto uno actualmente en órbita como un experimento de planificación para el futuro intermedio, han esperado niveles de sensibilidad tales que existe una posibilidad muy realista de que se detecten violaciones de un principio fundamental subyacente a la relatividad general. Vea la respuesta de Thomas Yee a ¿Hay alguna predicción de la relatividad general que no coincida con los resultados experimentales?

En primer lugar, me gustaría señalar que compararé la mecánica newtoniana con la mecánica relativista como se describe en la Teoría especial de la relatividad; Por lo tanto, no hablaré sobre la gravedad. Si desea que compare la teoría de la gravedad newtoniana y relativista, escríbala en respuesta a esta respuesta y la consideraré. 🙂

En segundo lugar, la principal diferencia entre las teorías está en los supuestos básicos sobre la naturaleza del espacio y el tiempo, aunque algunos de los principios son compartidos por ambas historias. Ambos suponen que hay un cierto grupo de sistemas de referencia, los llamamos sistemas inerciales, en los que los objetos permanecen en movimiento a velocidad constante, a menos que apliquemos una fuerza sobre ellos. Ambas teorías también suponen que las leyes de la física y las ecuaciones que las describen son las mismas en todos los sistemas de inercia.

El tercer principio de la Teoría Especial de la Relatividad establece que la velocidad de la luz permanece constante en cada marco de referencia inercial. Por otro lado, la mecánica newtoniana no permite que ninguna velocidad sea invariable, se supone que el tiempo fluye de la misma manera para todos los observadores en diferentes (no solo) marcos de referencia inerciales.

Sin embargo, estaba preguntando acerca de algunos resultados experimentales, así que vamos a presentarlos. Lo primero que me gustaría mencionar fue el famoso experimento de Michelson-Morley. En 1865, JC Maxwell formuló las ecuaciones que describen el campo electromagnético. Entre otros fenómenos, estas ecuaciones predicen que la velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío siempre debe ser la misma, lo que contradice la mecánica newtoniana. Los físicos en ese momento no estaban dispuestos a rechazar la mecánica newtoniana, por lo que concluyeron que las ecuaciones de Maxwell solo se mantienen en algún tipo de marco de referencia “absoluto”, al que llamaron “éter”. En 1887, AA Michelson y EW Morley construyeron un interferómetro, que comparaba la velocidad de la luz en dos direcciones perpendiculares, e intentaban calcular la velocidad a la que la Tierra se movía a través del éter. Michelson-Morley podría ser el experimento fallido más famoso en la historia de la física, ya que no midieron absolutamente nada. Estaba casi claro que la mecánica newtoniana y las ecuaciones de Maxwell eran mutuamente excluyentes.

En 1905, A. Einstein publicó su artículo Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, en el que propuso los conceptos básicos de la Teoría especial de la relatividad. Esta teoría no está en conflicto con la teoría de Maxwell. Los científicos comenzaron a estudiar la relatividad especial y descubrieron muy pronto que, de acuerdo con él, el tiempo debe pasar de manera diferente en los marcos de referencia que se mueven entre sí. Este fenómeno fue probado experimentalmente en 1971 cuando JC Hafele y RE Keaton midieron la dilatación del tiempo en un par de reloj atómico de haz de cesio.

La mecánica relativista predice que la masa de un objeto debería aumentar si el objeto se mueve a una velocidad cercana a la de la luz y que es imposible acelerar cualquier objeto con una masa en reposo distinta de cero a la velocidad de la luz. La mecánica newtoniana afirma que la masa de un objeto no cambia con su velocidad y que si aplicamos una fuerza durante el tiempo suficiente podemos hacer que el objeto sea arbitrariamente rápido. La teoría especial de la relatividad dice que lo mejor que podemos esperar es acercarnos cada vez más a la velocidad de la luz. Esto se prueba con bastante frecuencia en el Gran Colisionador de Hadrones (LHO) en Suiza, ya que las partículas aquí son aceleradas por campos magnéticos masivos y luego colisionan. Hasta ahora, los científicos nunca pudieron superar la velocidad de la luz.

El último experimento del que me gustaría hablar también trata sobre la física de partículas. Algunas partículas tienen una vida media muy corta. Por ejemplo, los muones tienen una vida media de aproximadamente 2 μs. El Sol emite millones de muones cada minuto. Sin embargo, incluso si los muones viajaran a una velocidad cercana a la de la luz, lo que son, según la mecánica newtoniana, no podrían alcanzar la superficie de la Tierra en este momento. Y sin embargo, podemos detectarlos aquí. Esto se debe a que los muones también experimentan la dilatación del tiempo y, por lo tanto, pueden viajar distancias más grandes.

Hoy casi ningún físico serio duda de que la mecánica newtoniana sea solo una aproximación del verdadero comportamiento de la naturaleza a pequeñas velocidades. La teoría especial de la relatividad nos permite explicar muchos más fenómenos. Sin embargo, debemos tener en cuenta que cada teoría es tan buena como sus supuestos básicos. Los científicos deben estar preparados para que algún día se pueda hacer un experimento que contradiga sus predicciones. Pero al menos por ahora la física relativista junto con la física cuántica son nuestras mejores herramientas para tratar de responder varias preguntas sobre la naturaleza del mundo que nos rodea.

Hay muchos defectos en la teoría de la relatividad, creo.

* E = M x C ^ 2. Nadie sabe cómo convertir la masa en energía. Los procesos nucleares (fusión y fisión) convierten solo la fuerza de unión (es decir, la fuerza fuerte entre los nucleones) en energía, no en masa. Los neutrones y los protones no se convierten en energía. Se escapan tal como son y encierran un elemento en otro que necesita una fuerza menos fuerte en el núcleo. El positrón es otra forma de electrón con carga positiva. Solo la antimateria puede destruir la materia (masa). Afortunadamente, la antimateria no existe en este Universo por nuestro propio bien. Los fotones tienen masa cero. Según esta fórmula, tiene cero energía. Pero sabemos que los fotones transportan energía. Energía y masa son lo mismo. Si es así, ¡entonces esta ecuación no tiene ningún sentido! Muchas personas en todo el mundo estaban muy emocionadas después de escuchar y aprender esta ecuación. Pero incluso después de más de 100 años, nadie ha convertido la energía en masa para evitar la minería. La gente está decepcionada.

* El Big Bang ocurrió en el espacio que existía en aquel entonces y dio a luz al Universo. El Big Bang lanzó mucha energía que se convirtió en partículas como protones, neutrones y electrones. La gravedad apareció en la escena y comenzó a unir partículas para fusionarlas en estrellas y galaxias. El tiempo comenzó a fluir con energía (objetos). Fluyen juntos en todas las direcciones como una esfera gigante. No había flecha del tiempo y los objetos se movían solo hacia adelante. Esto dio la forma de este universo como un megáfono que está mal. El universo visible es esférico como lo muestra el telescopio Hubble. La gravedad no afecta el tiempo. No hay dilatación del tiempo. Los relojes hechos por el hombre pueden verse afectados por la gravedad o el movimiento, pero esos relojes no saben qué hora es en absoluto. La velocidad de la luz no puede decidir el tiempo del Universo. El tiempo es muy único en cada objeto específico del Universo. Hay tantas veces como hay objetos en el Universo. Todos vivimos en el planeta Tierra, que se mueve a su propia velocidad que usamos como tiempo. La duración de la existencia de todos los objetos varía de un objeto a otro. No vivimos ni morimos a la misma edad. El tiempo en Júpiter, Saturno, Plutón son diferentes entre sí. Podemos hacer relojes de la manera que más nos guste. Los relojes no muestran la hora por sí solos. El tiempo no depende de los observadores. No pueden decidir el tiempo de ningún objeto en el Universo. El tiempo es una medida del cambio en el tamaño de los objetos o el cambio en la distancia entre los objetos. Es una medida de la duración de los pares en los objetos. También es una medida de la existencia de objetos.

* No existen las dimensiones especiales x, y y z. El espacio no tiene ninguna dimensión, ya que no tiene forma, bordes o límites. No hay tiempo en el espacio, ya que no se producen cambios en el espacio. El espacio es eterno. El tiempo no está relacionado con el espacio en absoluto. Es la energía que sigue cambiando de una forma a otra. Es la energía que mantiene el movimiento de los objetos en el Universo. Entonces el tiempo está relacionado solo con los objetos. Solo los objetos tienen dimensiones como x, y y z. Podemos llamarlos dimensiones objetivas. El tiempo se expresa principalmente en unidades de distancia, es decir, en la Tierra, contamos un segundo como 30 KM, para la luz, un segundo como 300,000 KM. Sabemos lo que le sucede a una teoría basada en parámetros ficticios.

* La masa no cambia con la velocidad. Es una ilusión, mito. Si la masa cambia con el aumento de la velocidad, la humanidad puede haber descubierto una súper máquina inteligente para cosechar este aumento de masa. Entonces puede que no haya necesidad de hacer minería, lo cual es arriesgado y muchos hombres han perdido la vida. Solo la energía cinética aumenta al aumentar la velocidad.

* La masa de los objetos no se dobla, deforma, deforma ni expande el espacio. Nada en el Universo puede afectar el espacio. La gravedad es una fuerza vinculante, como una fuerza fuerte y es una propiedad de la masa. La gravedad exige que toda la masa del cuerpo se concentre en su centro. La gravedad actúa radialmente apuntando hacia el centro del cuerpo. La gravedad no es cero dentro de los objetos esféricos. La gravedad (presión) es máxima en el centro del cuerpo. El centro de gravedad también se encuentra en el centro del cuerpo.

Los fotones no tienen masa. Los fotones transportan energía electromagnética como creen muchos físicos. Esto no ha sido probado. La luz se refracta cuando pasa a través de un medio diferente. Cuando la luz pasa cerca del Sol durante el eclipse de luna, se refracta dando la ilusión de que la gravedad del Sol dobla la luz. El Sol emite billones y billones de partículas cada momento creando un medio. Las mismas cosas suceden cuando la luz pasa a través del cierre del espacio al cúmulo de galaxias. Todas las galaxias tienen una cúpula de gas a su alrededor que no vemos. Cuando la luz pasa a través del espacio muy cerca del cúmulo de galaxias, se dobla dando la ilusión de lentes gravitacionales. Pero en realidad es una lente refractiva, creo.

Hay otra propiedad de la luz. La luz se produce como ondas esféricas de energía y se propaga como ondas. A medida que estas ondas se hacen más y más grandes, se encuentran con muchos objetos, que dividen las ondas en segmentos cada vez más pequeños. La luz se vuelve roja después de perder amplitud, longitud de onda y frecuencia. Hay billones de olas en solo un segundo. Cada onda de luz empuja a la del frente. La luz también se vuelve huérfana justo después de ser emitida por la fuente. Las ondas de luz avanzan. Cada ola de gravedad patea al que está detrás hacia el centro del objeto. Es por eso que pensamos que la gravedad ralentiza la luz y da la impresión de que dobla la luz. Esto aparece como lente gravitacional. La gravedad es una fuerza real, fuerza de unión ejercida por la masa. Todos nos sentimos en la vida cotidiana. Es la naturaleza de las ondas de energía de la luz y la gravedad lo que da efecto a la gravedad que afecta la luz. Es por eso que la luz se ralentiza en el Sol que viene del interior del Sol. La luz proveniente del Sol se vuelve más rápida en la Tierra debido a la gravedad.

* El gran genio Isaac Newton dio fórmulas para calcular la fuerza de gravedad son correctas y es aplicable en este universo. La fuerza de la gravedad no es cero dentro de la esfera. Está en su apogeo en el centro del objeto. Podemos usar Fig = m X g. El valor de ‘g’ no es aplicable dentro de la esfera ya que nada puede penetrar en la Tierra. Esta fuerza aumenta a medida que bajamos hacia el centro. La fuerza que actúa sobre toda la masa desde la superficie hasta el centro está empujando radialmente hacia el centro. En la superficie de la Tierra, somos empujados por la fuerza de gravedad que actúa sobre nosotros y por la masa de gas en la atmósfera radialmente. También podemos usar la fórmula Fig = G x M1xM2 / D ^ 2 y llegar a la misma conclusión. Es esta fuerza la que inicia la fusión en el vientre de las estrellas y las mantiene trabajando. La gravedad no es solo una distorsión o aceleración especial y no dobla el espacio o el tiempo.

Lamento escribir todo esto, pero mi objetivo es sacar el verdadero conocimiento que está más cerca de la realidad.

La razón por la que Einstein propuso la relatividad se basaba en la electrodinámica de Maxwell y los desarrollos que surgieron de ella. Por supuesto, hubo varios experimentos que demostraron partes de él, como la electrostática, la magnetostática, la ley de inducción y la corriente de desplazamiento de Maxwell, pero el resultado más sorprendente se produjo cuando se demostró teóricamente que las perturbaciones en la electricidad y el magnetismo viajaban juntas, en un onda electromagnética. Si este descubrimiento no fue lo suficientemente sorprendente, se demostró que la luz, así como los rayos X, los rayos gamma, etc., eran solo ondas electromagnéticas, lo que simplificaba enormemente nuestra comprensión del universo. Joseph Henry demostró esta propagación de las ondas electromagnéticas, donde generó una chispa entre las esferas cargadas y descubrió que se generaría una chispa más pequeña en un par de esferas cercanas, por ondas electromagnéticas que viajan hacia afuera desde la primera chispa.

Hubo un tema muy curioso que surgió de este descubrimiento. La ecuación de onda derivada de la ecuación de Maxwell tenía una velocidad constante para la onda. No es una ecuación de onda tan inusual, la mayoría de las ecuaciones de onda que estudiamos son así. Pero esas ecuaciones de onda, para ondas de agua, ondas de sonido, ondas en una cuerda, todas tenían un medio, en el cual las ondas se propagaban, y con respecto a las cuales la velocidad de las ondas era constante. Si el observador se moviera con respecto al medio, entonces la velocidad de la onda tendría que transformarse de acuerdo con las reglas de la mecánica newtoniana.

Pero si el descubrimiento de que la luz era simplemente una onda electromagnética era lo suficientemente sorprendente, el descubrimiento de que había un medio, insospechado, hecho de alguna sustancia completamente desconocida, que nos rodea y lo impregna todo (de modo que la luz y los campos magnéticos y eléctricos puede propagarse), fue una sugerencia aún más sorprendente. Naturalmente, los físicos comenzaron a buscar este misterioso medio, pero se demostró, a través de una serie de experimentos que culminaron en el Experimento Michelson-Morley, que de hecho no había tal medio, que el medio era de alguna manera el vacío del espacio mismo, pero más Es importante destacar que no tenía marco de referencia.

Fue este resultado incomprensible lo que llevó a Einstein a proponer una revisión de las Leyes de Newton, para incorporar la restricción adicional de que la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia.

Los efectos de la relatividad se pueden ver en la forma en que las vidas de las partículas de rayos cósmicos son más largas cuando se mueven que estacionarias, exactamente por el factor predicho por Einstein. La invariancia relativista también requería la existencia del positrón, realizado por Dirac a finales de los años 20, y encontrado solo unos años más tarde. Como se menciona en otra publicación, también predice la cinemática de las partículas en los aceleradores de partículas, que la mecánica de Newton se equivocaría.

Pero la razón por la que se propuso en primer lugar fue conciliar la cinemática newtoniana con la electrodinámica, de ahí el título del artículo de Einstein, “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”.

Muchos experimentos; más notablemente, podemos acelerar partículas pequeñas hasta muy cerca de la velocidad de la luz, y se hacen más pesadas a medida que se mueven más rápido; los aceleradores no funcionarían correctamente si no lo hicieran, y exactamente en el grado correcto.

Para más experimentos cotidianos, la mecánica newtoniana funciona bien con varios decimales, pero si necesita más precisión, debe usar la Relatividad; La mecánica newtoniana es esencialmente una versión simplificada de la relatividad. Por ejemplo, hemos volado relojes atómicos alrededor del mundo en diferentes direcciones y los hemos encontrado fuera de sincronía con la cantidad correcta de nanosegundos. Del mismo modo, los relojes en la parte superior e inferior de una torre verifican la relatividad general, así como los relojes en la estación espacial.

Finalmente, la programación de satélites GPS requiere relatividad para obtener posiciones con una precisión suficientemente buena, por lo que todos lo usamos todos los días. ¡Sin embargo, las fallas en el GPS no son culpa de Einstein!

La mecánica de Newton nunca es más precisa. Es mucho más simple y suficiente en muchos casos.

Por el contrario, los datos del GPS estarían totalmente equivocados sin tener en cuenta 2 efectos relativistas opuestos (que casi se cancelan, pero no totalmente).

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