¿Cuál es una explicación simple y clara para la teoría de la relatividad?

La historia es algo como esto:

A finales de 1800 con la teoría del electromagnetismo de Maxwell estaba bien establecida. La luz era solo otra onda electromagnética. Pero a diferencia de las leyes newtonianas, las ecuaciones de Maxwell (ecuaciones de Maxwell) no eran invariantes galileanas (invariancia galileana). Si la transformación galileana y la ecuación de Maxwell son correctas, entonces la velocidad de la luz calculada a partir de estas ecuaciones es con respecto a un marco de referencia privilegiado.

Esto se combinó con evidencia experimental que indicaba que la velocidad de la luz permanecía constante independientemente del movimiento relativo entre los marcos de referencia apuntados hacia la incompatibilidad entre la ecuación de Maxwell y la transformación galileana. En resumen, aquí no había un marco de referencia preferido en el que la ecuación de Maxwell sea válida.

Entra Einstein.

Para resolver el problema anterior, la relatividad (Einsteinian) fue propuesta por Einstein en 1905 y refinada aún más casi una década después. La teoría propuesta en 1905, ahora conocida como Relatividad Especial (original paper-https: //www.fourmilab.ch/etexts/…), consta de solo dos postulados inocentes (Postulados de relatividad especial) que cambiaron toda la Física a medida que nosotros entiendelo. Estableció la conexión entre el espacio y el tiempo. Con algunos experimentos mentales simples, Einstein demostró la ruptura de la simultaneidad. Esto significa que dos eventos físicos no pueden ser absolutamente simultáneos. Dependería del movimiento relativo entre el marco de referencias de los observadores. Incluso la masa y la longitud son relativas. Esto puede parecer extraño y no intuitivo y lleva algún tiempo acostumbrarse a los no entrenados, pero una serie de experimentos han confirmado una y otra vez que su veracidad está fuera de toda duda. Esto fue un duro golpe para las antiguas leyes de movimiento de Newton que fueron modificadas por Einstein para los límites de alta velocidad. Se encontró que las leyes físicas eran invariantes bajo la transformación de Lorentz (covarianza de Lorentz) y no la transformación galileana.

Los efectos relativistas se vuelven predominantes cuando las partículas se acercan a la velocidad de la luz, por lo que estos efectos no se observarían en nuestra experiencia ordinaria / cotidiana. La velocidad de la luz en el vacío (que es la velocidad de la causalidad) recibe la estatura de la constante universal y sigue siendo la misma sin importar cómo se muevan los observadores.

La teoría de Einstein, como se propuso (en 1905), todavía era incompatible con la ley de gravitación newtoniana. Además, esta teoría solo era aplicable a los marcos de referencia inerciales. La creencia de Einstein en su teoría lo llevó a una búsqueda de una década para refinar su teoría que finalmente condujo a la caída de la gravitación newtoniana. La teoría propuesta en 1915 ahora se conoce como la teoría de la relatividad general . En un nivel superficial, dice que la materia por su mera presencia deforma el espacio-tiempo a su alrededor y la curvatura espacio-tiempo alrededor de la materia “le dice” cómo moverse. La teoría era general en el sentido de que ahora era aplicable a marcos de referencia no inerciales. Esto estaba en marcado contraste con el campo de gravitación newtoniano y mucho más complicado de entender matemáticamente que la gravedad newtoniana. Mientras que la teoría especial de la relatividad se ocupa de los marcos de referencia inerciales, la teoría general de la relatividad se ocupa de todos los marcos de referencia.

Algunas consecuencias de esta teoría (entre otras), que han sido confirmadas por experimentos, son que la gravedad dobla la luz y la gravedad ralentiza el tiempo. De hecho, el tiempo en el sistema GPS tiene que ser corregido por efectos relativistas para mantener la precisión o de lo contrario el sistema se volvería inútil.

Para obtener una lista más completa de hechos interesantes y su validación experimental, lea mi respuesta aquí: ¿Cuáles son los hechos más interesantes que demuestra la relatividad?

La respuesta es bastante simple, es exactamente OPUESTA de lo que aprendes en la física de tu escuela secundaria.

-> En física de secundaria, aprendemos cosas como distancias e intervalos de tiempo que son cantidades absolutas. Si digo que han pasado 5 segundos, significa que han pasado 5 segundos. Lo que significa que han pasado 5 segundos para todos. No diremos a todos, eso es redundante. Diríamos que nos encontraremos después de 2 horas. 2 horas son 2 horas. 2 horas son 2 horas para todos. ¿Derecho?

-> La relatividad dice, eso está mal. La distancia y los intervalos de tiempo NO son iguales para todos. 2 horas para mí, podrían ser 5 segundos para ti. 10 kilómetros para mí, podría decir 5 kilómetros para ti. Eso parece escandaloso. Tienes que ir en contra de toda la intuición que has desarrollado en tu vida, a) estudiar física en la escuela secundaria y, lo que es más importante, b) tus experiencias diarias. Esto va en contra de todo. Tu cerebro intentará resistir eso. Cada uno de los problemas que intente resolver en la relatividad, sus instintos e intuiciones intentarán aferrarse a las ideas anteriores. Entonces la resolución de problemas se vuelve bastante difícil usando la intuición. Debe hacer un método de “callar y calcular”, antes de haber adquirido suficiente práctica, a fin de desarrollar una nueva intuición para este comportamiento aparentemente extraño.

Cuando vas a Relatividad general, las cosas se vuelven súper raras.

-> En la escuela secundaria aprendiste que una manzana se está cayendo debido a la fuerza de la gravedad. La manzana se está acelerando hacia abajo. Nosotros, por otro lado, estamos parados en la tierra, sin fuerza neta sobre nosotros (el suelo nos empuja hacia arriba, cancelando la fuerza gravitacional de la tierra), y también estamos en un marco de referencia inercial.

-> Einstein dice “oye, adivina qué, no hay fuerza gravitacional, lo siento”. ¿QUÉ? sí. Entonces, básicamente, la manzana NO se está cayendo, y NO está acelerando, y está en el marco de referencia inercial. Lo que TAMBIÉN significa, que la fuerza neta sobre nosotros NO ES CERO. Debido a que no hay gravedad, por lo tanto, estamos siendo empujados hacia arriba, así que ESTAMOS ACELERADOS HACIA ARRIBA, Y NO ESTAMOS EN EL MARCO DE REFERENCIA INERCIAL. Esto es indignante, ¿no?

Si aparecía una nueva teoría que decía: “La vieja teoría tenía algo incorrecto, tenemos que corregirla” bien, podemos hacer esa corrección en nuestro cerebro y cambiar nuestras intuiciones en consecuencia.
Pero la relatividad no es así. Dice “La vieja teoría es COMPLETAMENTE y ABSOLUTAMENTE equivocada, y el mundo real casi funciona de manera opuesta a lo que piensas”. Eso NO esta bien. De ningún modo. Cualquiera que tenga suficiente conocimiento de la mecánica newtoniana, encontraría extremadamente difícil revertir completamente su intuición de esta manera.
¡Y ESO ES LO QUE HACE LA RELATIVIDAD TAN DURA!

La naturaleza es tan extraña, solo a velocidades cercanas al límite cósmico, muestra colores verdaderos, a velocidades mucho menores que eso, actúa de manera bastante opuesta. ¿No te hace sentir que algún creador omnipotente de esta simulación llamado universo pensó que sería divertido construir un universo que se comportara de esta manera? 😀

Que me pidan que responda es un desafío para mí porque mis puntos de vista no son lo que le enseñan y pueden parecer extraños para los físicos. Antes de Newton, la gente creía que te movías en el espacio o no te movías. Su principio de relatividad mostró que el movimiento solo es relativo a algún marco de referencia preferido, como su habitación, que realmente gira alrededor de la tierra, alrededor del sol y a través de la galaxia. El universo no parece exhibir ninguna preferencia sobre lo que se detiene y lo que se mueve,

Pero veo relativamente desde la perspectiva de cómo se construyen el espacio y el tiempo en lugar de cómo se descubrió la relatividad. Pensamos que el espacio y el tiempo existen a priori y que el universo existe en una arena de espacio y tiempo. Pero la evidencia sugiere a algunos físicos y a mí mismo que el espacio y el tiempo están restringidos por eventos o interacciones que pueden considerarse como fotones de luz intercambiados entre la materia participante en nuestro mundo creando una estructura de espacio y tiempo. Esta visión hace que lo que de otro modo sería muy extraño, evidente.

Pensamos que el tiempo es independiente del espacio, sin embargo, en un sentido muy real, el espacio es tiempo a la velocidad de la luz. Algo de este espacio lo vemos como distancia, excepto el espacio dentro de los átomos que no vemos. Los átomos son pequeños por fuera pero resultan tener una dimensión interna. La luz es realmente el retraso en el tiempo antes de que un evento pueda afectar a otro. Cuando la luz viaja fuera de los átomos, su tiempo a la velocidad de la luz exhibe la distancia espacial, lo llamamos espacio-tiempo. Cuando la luz viaja por el espacio dentro de los átomos, exhibe el tiempo como un retraso en un lugar. El espacio y el tiempo están relacionados por una velocidad constante y ligera, lo que sugiere que en realidad son lo mismo en diferentes unidades. Esto es difícil de creer porque experimentamos el espacio y el tiempo de manera muy diferente, fuera y dentro de los átomos.

Vemos la velocidad de la luz como constante porque representa la velocidad local de la acción lógica cuántica que permite que una cosa afecte a otra. Desde nuestros relojes, la química del cuerpo y la mente están sincronizados por la velocidad local de los efectos cuánticos localmente. Nunca podríamos notar si fue más rápido o más lento en comparación con alguna otra localidad sin ver cómo se compararon nuestros relojes.

Los ordenamientos de las acciones lógicas cuánticas corresponden a los ordenamientos del espacio y el tiempo. Nuestro mundo es sensible porque las causas siempre vienen antes que los efectos. Si un efecto pudiera pasar por alto los ordenamientos del espacio-tiempo, podrías llegar a algún lugar antes de que te vean venir. Tendría que romper las telas de los pedidos de espacio-tiempo para llegar allí antes de que llegue la luz. Para que nuestro mundo sea sensible, debe ser que no se puede superar la velocidad de la luz. Si el espacio es en sí mismo un ordenamiento lógico cuántico y no hay nada en este mundo que no sea un ordenamiento lógico cuántico, entonces podemos esperar que nuestro mundo esté ordenado. La evidencia está de acuerdo.

Esto apoya la noción de que el espacio es tiempo. Si viaja un año ligero, se deduce que pasó al menos un año para aquellos que no viajaron para que no lo vean venir después de su llegada. Al mismo tiempo, no hay nada que te impida llegar tan rápido como quieras si aceleras lo suficiente. Según Einstein, si viaja un año luz a una velocidad relativa de velocidad de luz de 0.999999, llegaría en medio día con su reloj, pero un año y un día para aquellos que se quedaron en casa.

Newton y Einstein estarían de acuerdo en cuánta energía se necesitaba para llegar allí en medio día, pero Newton calcularía que su velocidad ha sido 707 veces la velocidad de la luz. Einstein podría protestar que no puede exceder la velocidad de la luz debido a la regla de que no puede mezclar marcos de referencia de acuerdo con las reglas de la relatividad especial, pero Newton no sabía nada mejor y podría ponerse del lado de Newton, viajó un año luz en medio día , mucho más rápido que la luz.

Esa relatividad especial calcula que las cosas se vuelven más cortas o más pesadas es principalmente un mecanismo para hacer que las matemáticas sean nuestro derecho. Nada cambia realmente excepto la discrepancia en el tiempo. La velocidad de la luz no es realmente constante, solo se mide de forma local constante. Si su tiempo es más lento que el mío, entonces su luz debe ser más lenta que la mía ya que ambos medimos el mismo tiempo para que la luz pase nuestra propia regla. La regla no cambia de longitud dependiendo de quién está mirando, la velocidad de la luz es relativamente diferente. La masa realmente no aumenta, pero teniendo en cuenta la velocidad relativa de Einstein en lugar de la velosidad adecuada de Newton, parece más difícil alcanzar más velocidad a medida que se acerca la velocidad de la luz. Teniendo en cuenta que la masa aumenta, los números salen bien. Puede ser engañoso considerar cambios relativos en masa y distancia manteniendo la ilusión de que la velocidad de la luz es realmente la misma en todas partes. No lo es. La hora local es diferente relativamente e independiente por la distancia sobre la velocidad de la luz. No hay reloj absoluto global. Las ecuaciones de la relatividad especial son bastante útiles solo cuando se considera un solo marco de referencia. Mezclar marcos de referencia da respuestas incorrectas. Sin embargo, en el mundo real hay más de un marco de referencia.

Gracias por A2A,
Ya hay algunas buenas respuestas aquí, pero aquí hay otra forma de comenzar con el concepto (supongo que así fue como comenzó Einstein, puedo estar equivocado).

Parece largo pero es realmente simple, así que tengan paciencia conmigo por un tiempo 😉

Supongamos que viaja en un automóvil, a la velocidad de, digamos, 10 m / s, con respecto a un marco fijo del suelo (supongamos). Ahora hay otro automóvil que pasa a tu lado a una velocidad de 20 m / s en tierra. Por intuición, diría que vería pasar este automóvil con una velocidad de 10 m / s en su marco de referencia.

Esto significa que, si usted y un observador en el suelo, digamos que el Sr. G miden la distancia recorrida por el automóvil en un segundo en sus propios relojes, el automóvil cubre 20 metros en 1 segundo de tierra y 10 metros en 1 segundo. . Aquí ambos relojes tienen la misma velocidad

Pero Einstein dijo, espera un minuto,
Al usar las leyes del electromagnetismo, maxwell dedujo que la velocidad de una onda em es constante en un medio particular, independientemente del marco de referencia.

Entonces, digamos que otro automóvil era un rayo de luz, y tomemos por ahora la velocidad de la luz en 20 m / s.
Entonces, de acuerdo con las leyes de la física, este otro automóvil viaja con 20 m / s con respecto a usted y con respecto al suelo.
Eso significa que ahora, para ti también cubre 20 metros en tu ‘1 segundo’.
Ahora, si usted dice que el tiempo del Sr. G es correcto, o digamos el tiempo real, entonces lo que está sucediendo es que, aunque el automóvil, su marco debe cubrir 10 metros en 1 segundo real, está cubriendo 20 metros en su segundo.

¿¿Entonces qué pasó??
Dado que las leyes de la física siguen siendo las mismas en todos los marcos de referencia, una explicación simome es que
Tu tiempo se redujo a la mitad para que veas la misma velocidad de la luz.
Y esta es la lógica detrás del tiempo que se ralentiza al aumentar la velocidad.

Einstein calculó la función exacta según la cual la velocidad del tiempo cambia entre dos marcos de referencia diferentes.
t ‘= t / sqroot (1- (v / c) ^ 2)
Donde t ‘es el tiempo wrt nuevo marco de referencia (en nuestro caso, nuestro reloj), t es la hora original (en nuestro caso, el reloj del Sr. G), c es la velocidad de la luz, calculada por maxwell para ser aproximadamente 300000000 m / s

Esa es la razón por la que se dice que si alguien sigue viajando en un cohete de alta velocidad durante algún tiempo y luego regresa a la tierra, habría sentido un paso del tiempo más rápido que nosotros y, por lo tanto, técnicamente habría viajado al futuro.
Esta también es una de las razones por las que la velocidad de la luz es la velocidad límite, porque a medida que te acercas a la velocidad de la luz, tu tiempo se acerca a 0, y por lo tanto pensarías que estás presionando el botón de aceleración en tu nave, pero para el resto del universo eres tan lento que te toma un tiempo infinito para que lo hagas.

Se encuentra en mi libro, en el Apéndice A. Si bien harías bien en leer el libro completo (ver Comprender la física a través de la teoría del campo cuántico), aquí está el resumen de ese apéndice:

RESUMEN

La teoría de la relatividad especial formulada por Einstein en 1905 se basó en el postulado de que las leyes de la física son las mismas independientemente del estado de movimiento del observador, siempre que sea uniforme. Esto se conoce como el Principio de Relatividad, del cual se derivan muchos efectos extraños. Si bien estos comportamientos parecen paradójicos, tienen mucho sentido cuando se ven como resultado del comportamiento de los campos:

· Los objetos se contraen cuando se mueven porque el movimiento afecta la interacción de los campos que mantienen unido al objeto. El espacio mismo se contrae porque el espacio está hecho de campos.

· Las cosas suceden más lentamente en un sistema en movimiento porque los campos que interactúan deben recorrer una distancia mayor (a pesar de la contracción).

· Nada puede ir más rápido que la luz porque todo está hecho de campos que se propagan a una velocidad finita determinada por las ecuaciones de campo.

· La masa aumenta con la velocidad porque la masa significa que la resistencia a la aceleración y la aceleración más allá de la velocidad de la luz son imposibles.

Yo llamo a esto el enfoque de abajo hacia arriba . Aunque la mayoría de los físicos prefieren comenzar con el Principio de Relatividad (enfoque de arriba hacia abajo ), el método de abajo hacia arriba proporciona una idea de por qué suceden estas cosas extrañas. Incluso el Principio de Relatividad se desprende del enfoque ascendente.

De cualquier manera, uno debe hacer frente a una realidad Rashomon en la que los observadores en sistemas que se mueven de manera diferente ven la misma realidad de diferentes maneras.

Richard Muller le ha dado la respuesta más clara y simple desde un punto de vista matemático. La alternativa es el punto de vista inductivo. Esto implica desarrollar lo que necesita de las observaciones.

Aquí, nuevamente, debe asumir que las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia. En realidad no lo sabemos, pero la astronomía nos dice que lo más probable es que sea correcto. (Tenga en cuenta también que si encontramos excepciones, bien podríamos proponer algo para explicar la excepción. Un ejemplo aquí es la energía oscura. En realidad, NO SABEMOS que lo que vemos no se debe a una física ligeramente diferente).

Luego notamos que la velocidad de la luz en el vacío es constante, como lo implican las ecuaciones de Maxwell. Esto fue esencialmente verificado por Michelson y Morley, ciertamente en una parte muy localizada del Universo. Si acepta que eso es cierto, la velocidad de la luz no se puede agregar a la velocidad del emisor, y para que su teoría se ajuste a la observación, debe hacer un poco de geometría para obtener la transformación de Lorentz. En este punto tienes suficiente para llegar a la relatividad especial.

Luego requerimos que el Principio de equivalencia, efectivamente descubierto por Galileo, se aplique en todas partes. Una consecuencia de eso (la equivalencia entre la masa gravitacional y la inercial) es que si estuvieras en una habitación cerrada no podrías decir si estabas en un vehículo acelerado o en una habitación en un planeta (dejando de lado experimentos muy inteligentes que involucran cosas como las mareas). efectivo). Agregue esto y podrá acceder a la Relatividad general, pero con algunas matemáticas bastante horribles.

La idea básica es realmente muy fácil de entender: las leyes de la física serán las mismas para todos los observadores, independientemente de su movimiento. Allí. ¿No es fácil? Lo que hace que la teoría sea “general” es que se aplica a todas las formas de movimiento, no solo al movimiento de inercia como la relatividad especial *.

Para dar sentido a esta idea y poder ponerla a prueba, llegar a ecuaciones específicas que predicen la curvatura de la luz cerca del Sol, el desplazamiento al rojo gravitacional, el desplazamiento del perihelio de Mercurio, lentes, correcciones post-newtonianas a las ecuaciones de movimiento, soluciones exactas como las de Schwarzschild en campos gravitacionales fuertes, la noción de horizontes de eventos y singularidades, o la expansión del cosmos en su conjunto … eso requiere dominar las matemáticas. Sin las matemáticas, en el mejor de los casos verás sombras de la realidad. Serás como una persona con discapacidad visual tratando de imaginar la Mona Lisa después de que alguien describa la pintura por teléfono.

Y esa matemática no es fácil de entender. A Einstein le llevó varios años, y recibió mucha ayuda de su amigo matemático Marcel Grossmann, quien le presentó los conceptos de la geometría riemanniana y el cálculo del tensor. Entonces, si no fue fácil para Einstein (¡Einstein!), No debería sorprendernos que incluso un siglo después, comprender la teoría siga siendo difícil.

Pero si sirve de consuelo, muchos físicos me dijeron, y estoy de acuerdo, que en comparación con la otra teoría fundamental de la física moderna, la teoría del campo cuántico, la relatividad general es casi trivialmente fácil …

* Algunos concluyen erróneamente que esto significa que la relatividad especial no puede lidiar con la aceleración. Puede. Simplemente no trata los marcos de referencia de aceleración en pie de igualdad con los marcos de inercia.

Una explicación simple para la relatividad especial es que, para que a) todas las leyes de la física sean las mismas en todos los marcos de referencia inertes, yb) se mida la luz viajando a la misma velocidad para todos los observadores, cuatro efectos no muy intuitivos tiene que ocurrir

1. El tiempo se dilata por algo que se mueve en relación con usted
2. La longitud se contrae en la dirección de su movimiento.
3. Hay diferencias de tiempo (edad) notadas a lo largo de su distancia contraída
4. Se observa que necesita más energía para acelerar (ganando ‘masa relativista’)

Y lo que es aún menos intuitivo: el viajero observará exactamente estos mismos efectos para el observador ‘estacionario’, y también para cualquier otra materia dentro de diferentes marcos de referencia, ¡sin darse cuenta de estos efectos! La razón por la que ambos pueden notar las mismas cosas sobre el otro sin ninguna discrepancia de causalidad, se debe principalmente al punto número 3: las diferencias de tiempo. O mejor dicho, lo que realmente causa estas diferencias de tiempo, es decir, qué eventos se consideran simultáneos para el viajero.

Para explicar esto un poco, debe comprender que, dado que la luz siempre se mide moviéndose a velocidad constante c, podemos usar la luz para aprender qué eventos a nuestro alrededor ocurrieron simultáneamente para nosotros: si emitimos un pulso de luz a nuestro alrededor en un cierto instantáneo, todos los eventos reflejados que regresan en el mismo instante deben haber estado sucediendo al mismo tiempo y distancia. Además, el evento 0 debe haber estado ocurriendo al mismo tiempo que el evento A en el siguiente ejemplo, ya que el evento 0 está exactamente en el medio del tiempo entre el momento en que se envió el pulso y el momento en que se recibió su reflejo.

Pero cuando vemos que alguien hace este truco mientras viaja a cierta velocidad en relación con nosotros, vemos que obtiene resultados diferentes a los nuestros (la línea es el viajero que se mueve hacia la derecha: la dirección ascendente es tiempo puro): lo que él considera que está sucediendo simultáneamente, el observador considerará suceder en diferentes momentos en el tiempo.

Esto se debe a que la luz que se emite opuesta a su dirección de desplazamiento (a la izquierda en la imagen), se observará separándolo (en relación con su vehículo) más rápido que la velocidad de la luz: el pulso de la luz se mueve hacia la izquierda a la velocidad de la luz, más su propia velocidad de desplazamiento hacia la derecha.

Sin embargo, el viajero no medirá esto como despedirlo más rápido que la velocidad de la luz, debido a la combinación de sus relojes dilatados en el tiempo, su distancia creciente, sus ‘palos de medición’ extendidos de longitud y su opinión diferente sobre lo que está sucediendo simultáneamente (este último dos siempre parecen al observador como longitud contraída con diferencias de tiempo: volveré sobre eso más tarde).

Se observará el retorno reflejado de este pulso trasero, haciéndolo más lento que la velocidad de la luz, en relación con su vehículo: se está alejando del pulso de luz creciente: velocidad de la luz menos Su velocidad de viaje.

El pulso de luz emitido al frente tomará el mismo total tiempo de viaje (de ida y vuelta) como la luz trasera (todos los observadores los verán llegar al viajero en el mismo instante), pero aquí la luz de separación tardará más que la luz reflejada de regreso, como se muestra en la imagen de arriba .

Lo que sucede debido a esto es que, aunque el eje de tiempo del viajero se está angulando y estirando (ct ‘), que es la dilatación del tiempo observada (flechas punteadas que comparan las marcas de la unidad de tiempo);

… el viajero también medirá el reloj del observador moviéndose más lento, debido a su opinión en ángulo sobre lo que sucede simultáneamente en combinación con su distancia creciente (las flechas punteadas ahora paralelas a su plano de simultaneidad).

La siguiente línea de puntos muestra cómo se observará que los planos de simultaneidad en ángulo de la nave espacial en movimiento tienen diferencias de tiempo dentro del barco para el observador: la parte posterior del barco se observa con anticipación, en comparación con el frente;

También muestra por qué su longitud expandida se observará contraída : su tamaño completo en ángulo siempre está parcialmente oculto en la dimensión del tiempo. El viajero también medirá nuestras longitudes contraídas, debido a sus ‘palos de medición expandidos’ (x ‘).

Podríamos pensar que el viajero es parcial o incorrecto, y que el observador “estático” es imparcial o correcto, pero el núcleo de la relatividad especial es que todos siempre tienen la misma razón. Podemos calcular el viajero como estático, y el otro como viajar, obteniendo exactamente los mismos resultados.

Hay tres teorías de la relatividad: newtoniana, especial y general.

Todos ellos son modelos del universo, que suponen que en un ‘marco inercial’, no se puede saber dónde está o qué tan rápido viaja.

La relatividad newtoniana equivale a “todos observan un evento dado que dura el mismo tiempo”, y equivale a un “tiempo absoluto”. Esto es lo que experimentamos habitualmente, y causa mucha confusión al tratar con los otros modelos.

La relatividad especial surge del electromagnetismo, ya que Maxwell demostró que las ondas viajaban a una velocidad fija. Esto no funciona en la relatividad newtoniana. El espacio se convierte en tiempo en una proporción fija, de manera que conserva C para todos los observadores.

La geometría no es la geometría 4d ordinaria, sino la geometría de Minkowski, donde x² + y² + z²-c²t² es la métrica de distancia. Uno viaja por este espacio a la velocidad de la luz c, pero si hay una v aparente, entonces hay una co-velocidad w que v² + w² = c², y la relación w / c = gamma, hace que la longitud del viajero se acorte , y el tiempo se expandió.

La relatividad general es una teoría completamente diferente, diferente de SRT, que supone que el espacio es curvo. La curvatura positiva, como una esfera, tiene círculos de menos de 2pi r, y si usted dejara caer una porción sobre la esfera en un plano, la circunferencia caería plana y el radio sería ondulado, a medida que las ondas se esparcen desde un guijarro.

El espacio está curvado negativamente, lo que significa que c> 2pi r, y una tela negativa, que se deja caer sobre un avión, causaría rayos desde el centro, esto se debe a que está abarrotando c en una distancia menor.

Si supone que la gravedad surge de la curvatura, esto significa que el espacio está en tensión y que la fuerza surge en la dirección donde los grados son más largos en pulgadas. Con GRT, tienes c = 2pi (r + 2GM / c²). Si haces algún tipo de diferenciación sobre r, obtienes a = GM / r² como la primera aproximación.

La luz viaja dividiendo la circunferencia en pulgadas, no en grados, por lo que si hay más pulgadas de protección solar que en otros lugares, hay más tela allí y la luz parecerá doblada. La desviación real es algo así como 4GM / Rc², donde R es el enfoque más cercano. Para el sol, GM / c² = 1475.625 m, y el diámetro es algo así como 864000 millas, o 1,382,400,000 metros. Sin embargo, fue esta desviación muy leve que se observó en el eclipse anular de 1919 lo que demostró que la luz se ve afectada por la gravedad.

¿Cuál es una explicación simple y clara para la teoría de la relatividad? Bueno, hay dos teorías de la relatividad, y cada una resuelve un problema particular.

La teoría de la “relatividad especial” describe la naturaleza de una manera que permite que la velocidad de la luz sea la misma para todos los que la observan. Este es un hecho experimentalmente observable, pero nada actúa de esa manera dentro de la teoría de la mecánica newtoniana (clásica). La relatividad especial explica la velocidad de la luz de una manera que predice una gran cantidad de efectos secundarios no intuitivos (por ejemplo, dilatación del tiempo), pero también se han observado experimentalmente.

La teoría de la “relatividad general” es una teoría que explica el origen de la gravedad. En física, la “masa” aparece en dos contextos aparentemente disjuntos: la inercia (cuanto mayor es la masa, mayor es la fuerza necesaria para mover o detener algo) y la gravedad (la conocida ley del cuadrado inverso). ¿Cómo puede ser que la masa inercial y la masa gravitacional sean iguales para todo? ¡Esa debe ser una pista sobre cómo funciona la naturaleza! La relatividad general une ambos tipos de masas de una manera inteligente, y de nuevo, predice una serie de efectos secundarios no intuitivos (por ejemplo, agujeros negros, desplazamiento rojo gravitacional). Estos también se han observado experimentalmente, una vez que supimos buscarlos.

La física que aprendes en la escuela trata sobre los fenómenos que experimentas en la vida diaria. Ves manzanas que caen de un árbol, bolas de billar chocan, mides el tiempo y las distancias, y los objetos solo pueden estar en un lugar a la vez. Estos fenómenos serían exactamente los mismos para todos los humanos en la historia. Además, los antiguos griegos habrían visto las mismas cosas, pero tendrían dificultades para comprender las matemáticas de Newton y sus ideas de fuerzas y campos. Estos son conceptos modernos para modelar la Naturaleza que fueron inventados por Newton para dar un modelo muy preciso de los eventos que ves a tu alrededor.

Hay dos cosas que hacen que la relatividad de Einstein sea difícil de entender:

1. Su física trata sobre fenómenos que normalmente no experimentamos en la Tierra. No viajas con velocidades comparables a la velocidad de la luz. No vives en un campo gravitacional muy fuerte compatible con estrellas de neutrones o agujeros negros. No naces con una intuición de estos entornos extremos.
2. La relatividad general de Einstein requiere matemáticas y conceptos que no aprendes en la escuela secundaria: tensores, espacio-tiempo, ecuaciones diferenciales parciales.

Ambos factores hacen que la relatividad sea difícil de entender, va en contra de su intuición natural y requiere matemáticas avanzadas.

Lo que queda son ejemplos probados por experimento:

• En la Tierra envejecemos un poquito más lento que si estuviéramos lejos en el espacio, lejos de los cuerpos gravitacionales.
• Las partículas que se mueven a alta velocidad decaen un poco más lentamente que a baja velocidad.
• Los rayos de luz se doblan un poco al pasar una estrella.
• Un protón y un neutrón combinados tienen menos masa que un protón y un neutrón libres, aparte.
• Cuando usted y su hermano gemelo tienen una velocidad constante relativamente alta entre sí, entonces ambos afirman que el reloj del otro se mueve más lento, el medidor del otro es más corto. Pero cuando uno de ustedes dos se da vuelta y vuelve a reunirse, él o ella habrá envejecido menos.

Para comenzar, puede ver este video de 7 minutos: este chico de escuela acaba de ganar $ 250,000 por su película que explica la teoría de la relatividad de Einstein

También eche un vistazo a esta simulación: http: //galileoandeinstein.physic …

Esto representa el efecto de la dilatación del tiempo como se ve en un marco de referencia al observar lo que está sucediendo en otro marco de referencia.

La idea se desprende de los dos postulados de la teoría social o la relatividad:

1. Las leyes de la física deben ser de la misma forma en todos los marcos de referencia en movimiento relativo uniforme entre sí. Eso significa que dos observadores diferentes que se mueven a velocidades constantes entre sí estarían completamente de acuerdo con las leyes de la física y cómo se aplicarían.

2. La velocidad de la luz es la misma en todos los marcos de referencia que están en movimiento relativo uniforme entre sí.

El reloj de luz en la simulación muestra un fotón hipotético que se mueve hacia arriba y hacia abajo entre dos espejos perfectos. En el marco de referencia elegido, el fotón tiene la mínima diferencia de trayectoria. Cuando el otro reloj se mueve hacia la derecha en relación con este primer cuadro, para que la luz siga golpeando sus dos espejos, debe moverse hacia la derecha con todo el otro cuadro, así como hacia arriba y hacia abajo. Eso significa que se mueve más lejos, como lo ve una persona en el primer cuadro, que se mueve como lo ve una persona en el segundo cuadro.

Pero si la luz se moviera más al mismo tiempo, ¡la velocidad de la luz debería ser mayor para que el reloj se mueva en relación con el primer fotograma! Como eso va en contra del segundo postulado, la salida es decir que debe tomar la luz en el segundo reloj más tiempo para recorrer la mayor distancia. Si eso es cierto, la tasa de paso del tiempo en el segundo cuadro debe ser más lenta, según lo medido por la persona en el primer cuadro, que su propia tasa de paso del tiempo. Esa es la dilatación del tiempo. De hecho, esto se ha verificado una y otra vez.

Uno de los descubrimientos clave es que los muones de rayos cósmicos se producen como rayos cósmicos secundarios cuando los rayos cósmicos primarios chocan con núcleos altos en nuestra atmósfera y alcanzan la superficie de la Tierra en grandes cantidades. Lo sorprendente de eso es que se ha encontrado que estos muones tienen vidas medias cercanas a una millonésima de segundo en nuestros laboratorios. Sin embargo, la mayoría de ellos llegan a los cien kilómetros de la superficie. Incluso si se acercaran a la velocidad de la luz, que son, la mitad de ellos debería haberse descompuesto después de viajar (3 x 10 ^ 8 m / s) x (0.000001 s) = 300 m. ¡Eso es menos de un kilómetro!

La mayoría de ellos lo hacen porque desde nuestro marco de referencia el tiempo se mueve más lentamente en el marco de muones. A velocidades cercanas a la velocidad de la luz, esta vez la dilatación es muy grande.

Pero el primer postulado indica que, desde el marco de muones, el tiempo debe ir a la velocidad habitual. Cualquier objeto o partícula está en reposo en su propio marco de referencia y no experimentaría directamente un paso de tiempo reducido. ¿Hay alguna forma de salir de este dilema?

Como ya indicamos que las tasas de paso del tiempo son relativas al movimiento, ¿por qué no considerar también un efecto en el espacio?

Para el muón, es la Tierra la que se mueve hacia ella casi a la velocidad de la luz. Mientras mantengamos los dos postulados de la teoría especial, la única salida es afirmar que la distancia que tiene que recorrer el muón es mucho menos medida en su marco de lo que se mide en el marco de la Tierra. Con menos distancia para viajar en una millonésima de segundo, el muón tiene una mayor probabilidad de llegar a la superficie.

Resulta que el factor de dilatación del tiempo (aumentando la cantidad de tiempo que pasa) para el muón medido en el marco de la Tierra es exactamente el mismo que el factor por el cual la distancia es menor según lo visto por el muón en su marco.

Ahora hay acuerdo en que las probabilidades son buenas de que el muón lo haga independientemente de qué marco de referencia se use.

Esto muestra que las distancias a lo largo de la dirección del movimiento relativo son diferentes para dos observadores en movimiento relativo.

Esa es una introducción a la teoría especial de la relatividad.

La teoría de la relatividad es la consecuencia del principio de la relatividad. Este principio dice que si estamos dentro de una caja cerrada, nunca sabremos nuestra velocidad, a menos que miremos hacia afuera y veamos que nos estamos moviendo en relación con algún objeto afuera.

Pero luego, está este culpable, llamado luz. La luz siempre tiene una velocidad constante c. Entonces, si disparamos una luz ( un fotón ) dentro de nuestra caja, ya que siempre tiene una velocidad constante, podríamos hacer un cálculo simple para saber si estamos en movimiento o no. Por ejemplo, si medimos la velocidad de la luz para que sea 0.9c, entonces sabríamos que estamos en movimiento con la velocidad 0.1c en la dirección de la luz. Esto viola el principio de relatividad.

Por el experimento, sabemos que no es cierto: la velocidad de la luz no solo es constante, sino que siempre debe ser constante pase lo que pase . Dentro de esa caja cerrada, no importa cuán rápido nos muevamos, siempre mediríamos la velocidad de la luz para ser c. Por lo tanto, nunca podríamos usar la luz para conocer nuestra velocidad. El principio de relatividad se cumple nuevamente. Pero, ¿cómo podría la luz siempre tener velocidad c, pase lo que pase ?

La teoría de la relatividad es la solución propuesta por Einstein para explicar ese fenómeno. Él dijo, ¡dale más tiempo! O, en otras palabras, el tiempo en nuestra caja móvil debe estar disminuyendo. Por ejemplo, con la velocidad 0.9c, en un segundo, la luz solo puede viajar una distancia de 0.9c-segundo. Pero si el tiempo en la caja cerrada está disminuyendo, entonces la luz podría usar este tiempo extra para recorrer una distancia completa c. Entonces, pase lo que pase , el tiempo en la caja móvil siempre se ajustará de manera que la velocidad de la luz siempre se mida en c. Y ciertamente tiene razón.

Si supone que las leyes de la física serán las mismas en todos los cuadros de referencia (cuadros que se mueven a una velocidad constante entre sí), entonces puede mostrar que el espacio y el tiempo deben satisfacer las ecuaciones de transformación de Lorentz, con una constante desconocida c . La transformación de Lorentz es la única forma que, cuando se transfiere del cuadro A a B, es exactamente la misma para la transformación de B a A.

¿Qué es c ? Puedes elegir que sea infinito; entonces obtienes la transformación galileana. Si lo hace finito, puede demostrar que es la velocidad límite para partículas con masa real. De hecho, todas las partículas que tienen masa en reposo cero siempre se moverán en c .

Si acepta las ecuaciones de electromagnetismo diseñadas por las ecuaciones de Maxwell, verá que satisfacen la transformación, con c igual a la velocidad de las ondas electromagnéticas.

Aquí hay una explicación simple pero no simplista. Esta es la ciencia del hierro fundido.

Relatividad general
La partícula A está a 1000 km de la tierra y la partícula B está a 2000 km de la tierra. El tiempo en la partícula A avanza a una velocidad diferente que el tiempo en la partícula B.

Relatividad especial
Cuanto más rápido vaya una nave espacial, más lento será el tiempo en la nave espacial.
Cuanto más rápido va una nave espacial, más aumenta su masa y cuanto más rápido va una nave espacial, más aumenta su tasa de aumento de masa.

Observaciones

El hecho de que la luz viaje a una velocidad constante para cada observador es solo eso, ¡un hecho! No está probado ni derivado de la relatividad. Las palabras de Einstein!

No podemos viajar al futuro y no podemos viajar al pasado. No hay absolutamente nada en el mundo real que sugiera vagamente algo así. Tampoco la teoría de la relatividad.

La cosa totalmente alucinante que introdujo la relatividad es el hecho de que el tiempo pasa a diferentes velocidades.

¡Ah, y el resto son solo matemáticas!

La idea detrás de la relatividad especial es que las leyes de la física no dependen de la velocidad absoluta. Es decir que las leyes de la física se ven iguales, independientemente del movimiento del observador. Este principio fue enunciado por primera vez por Galileo y aplicado a sistemas mecánicos. https://en.wikipedia.org/wiki/Ga … En los siglos posteriores a Galileo, las leyes del electromagnetismo fueron formuladas y finalizadas por James Clark Maxwell. Las ecuaciones de Maxwell especifican la velocidad de la luz. Einstein aplicó el principio de relatividad de Galileo a las ecuaciones de Maxwell y se dio cuenta de que esto implicaba una velocidad constante de la luz, independiente de la velocidad del observador.

Por lo tanto, la constancia de la velocidad de la luz es la piedra angular de la relatividad especial. Todo lo demás se deduce de la constancia de la velocidad de la luz: dilatación del tiempo, contracción de la longitud, E = mc ^ 2.

Esta es una pregunta dificil. Si bien hay buenas explicaciones vernáculas en wikipedia y youtube, la falta de profundidad matemática realmente perjudica algo de la belleza del ejercicio.
Gerard t’Hooft tiene algunos enlaces en su sitio web a varios recursos, si tiene uno o dos años libres.
Blandford y Thorne tienen algunos capítulos dedicados a la teórica aritmética, la relatividad especial y general, y es un libro de texto de física clásica bastante bueno. Física clásica moderna:

La relatividad de Albert Einstein , la teoría especial y general: una exposición popular (traducida por Robert W Lawson, 1920) sigue siendo un buen lugar para comenzar. Lo leí hace unos 50 años, mientras estaba en la escuela secundaria. No necesita comprender el cálculo para seguir las explicaciones de Einstein, pero podría ser útil. Algunas ediciones posteriores contienen los apéndices “La estructura del espacio según la teoría general de la relatividad” y “La relatividad y el problema del espacio”, que no he leído, pero se dice que son profundos.

Según las reseñas de los lectores en Amazon, algunas impresiones recientes están llenas de errores tipográficos y figuras faltantes, así que tenga cuidado.

Este sitio sugiere que la Relatividad Especial puede estar mal: Aether

Newton usó v3 = v2 + v1.

Las ecuaciones de Maxwell definieron “c” pero no dijeron a qué velocidad era relativa. Por ejemplo, un automóvil que viaja a 50 MPH viaja tan rápido en relación con la carretera, pero no un avión en el cielo. Einstein estableció “c” para ser una constante fija.

Einstein tenía “c” arreglada para todos los marcos de referencia inerciales (lo que sea que eso signifique). Es como si tuvieras un jet rápido y dijeras que fue Mach 2 en relación con cualquier cosa. No funciona del todo. Le sugiero que lea el sitio Aether, arriba.