¿Qué nos enseña la teoría de la relatividad de Einstein?

Esta es una pregunta muy profunda y la única forma en que sé cómo responder esto sin usar una tonelada de jerga es usar un muro de texto. Dicho esto, aquí está mi muro de texto:

La relatividad especial y general son teorías matemáticas sobre sistemas de coordenadas (muchas teorías en física son teorías matemáticas sobre sistemas de coordenadas). Todas las cosas adicionales (dilatación del tiempo, contracción de la longitud, desplazamiento al rojo, gravedad) son consecuencias de elegir un sistema de coordenadas.

Un ejemplo de un sistema de coordenadas se ve en una hoja de papel cuadriculado. Cada ubicación donde se cruzan las líneas es una coordenada. Una posible coordenada en este sistema de coordenadas es [matemática] (10,13) [/ matemática] que significa 10 intersecciones a la derecha del origen y 13 intersecciones por encima del origen. El origen es la intersección en el papel cuadriculado con el que elegimos comenzar y siempre tiene la coordenada [matemáticas] (0,0) [/ matemáticas].
Editar: he mezclado la idea de vectores y coordenadas en este párrafo. Una forma más razonable de decirlo es que [math] (10,13) [/ math] es un vector formado por las dos coordenadas, [math] 10 [/ math] y [math] 13 [/ math]. Pero eso me pone en una pendiente resbaladiza de usar jerga de álgebra lineal, así que seguiré llamando a todo el asunto una coordenada.

Pero la física tiene que ver con el movimiento, por lo que realmente queremos que nuestro sistema de coordenadas represente el movimiento. Hay dos métodos para representar el movimiento en un sistema de coordenadas:

1. Cambiar los valores de las coordenadas. Si dibujo un objeto en [math] (10,13) [/ math], espera 1 segundo y dibuja en [math] (11,13) [/ math], espera 1 segundo y dibuja en [math] ( 12,13) ​​[/ matemáticas], etc., entonces ese objeto se mueve hacia la derecha a través del papel cuadriculado a una velocidad de 1 intersección por segundo. La distancia entre el origen y el objeto cambia a una velocidad de 1 intersección por segundo.
2. Cambie qué intersección cuenta como “el origen”. Puedo afirmar que la intersección a la derecha del origen es la nueva ubicación del origen. El nuevo origen todavía tiene la coordenada [matemática] (0,0) [/ matemática] pero ahora se desplaza una intersección hacia la derecha. Del mismo modo, un objeto que estaba en [matemáticas] (10,13) [/ matemáticas] todavía está en la coordenada [matemáticas] (10,13) [/ matemáticas] pero ha desplazado una intersección hacia la derecha en el papel cuadriculado. Esta es la segunda forma de representar el movimiento en un sistema de coordenadas y, en este caso, la distancia entre el origen y el objeto no cambia.

El Principio de la relatividad esencialmente establece que ambos métodos son formas matemáticamente válidas para representar el movimiento. Tenga en cuenta que todo lo que he dicho hasta ahora es anterior a Einstein en unos pocos cientos de años.

El principio especial de la relatividad fue enunciado explícitamente por primera vez por Galileo Galilei en 1632 en su Diálogo sobre los dos sistemas mundiales principales , utilizando la metáfora de la nave de Galileo.

La mecánica clásica (leyes de Newton) se escribe con el supuesto de que las dos formas válidas de describir el movimiento siempre darán la misma descripción. Después de todo, si dos métodos diferentes de resolución de problemas son matemáticamente válidos, entonces deberían dar la misma respuesta. Por ejemplo, la velocidad de un campo de béisbol se puede medir con una pistola de radar. Una persona parada detrás del receptor con una pistola de radar medirá una velocidad de bola diferente a la de una persona que vuela por encima en un avión con una pistola de radar. En el suelo, la pelota puede cronometrarse a 80 mph, pero en el avión puede cronometrarse, por ejemplo, a 180 mph debido a la velocidad del avión. Sin embargo , ambos observadores verán la misma trayectoria de la pelota (desde la mano del lanzador hasta el guante del receptor), la misma distancia que recorre la pelota y el mismo tiempo que tarda la pelota en llegar al receptor. En el método uno (parado detrás del receptor) el origen (lanzador) no se mueve y en el método dos (volando en un avión) el origen (lanzador) se mueve. Si el piloto también mide la velocidad del lanzador (origen) con la pistola de radar y resta eso de la velocidad de la bola medida, entonces obtendrá la misma respuesta que la pistola de radar en el suelo.

Resulta que la suposición de que ambos métodos dan la misma respuesta no siempre es cierta. Las ecuaciones de Maxwell se pueden usar para demostrar ejemplos en los que los dos métodos para describir el movimiento no dan la misma descripción física:

Una carga eléctrica produce un campo eléctrico (electricidad estática, baterías, etc.) Pero un campo magnético (brújula, imanes, etc.) no es producido por una “carga magnética”. En cambio, los campos magnéticos se producen al mover cargas eléctricas. Si ejecuta una corriente eléctrica (cargas móviles) a través de un cable, generará un campo magnético. Todos los campos magnéticos son producidos por el movimiento de cargas eléctricas. Pero un campo eléctrico no es lo mismo que un campo magnético. Un imán pegado a un refrigerador o una aguja de una brújula apuntando hacia el norte no es el mismo tipo de cosa que una linterna que se enciende cuando se le colocan las baterías.

Para ver realmente la diferencia en las descripciones dibujemos una carga eléctrica en el papel cuadriculado en el origen. Cuando el origen no se mueve (método uno), entonces solo hay un campo eléctrico. Cuando el origen se mueve (método dos), también hay un campo magnético que no estaba allí en el método uno. Claramente, no podemos seguir asumiendo que los dos métodos siempre darán la misma descripción física. Un método dice que hay un campo magnético y, por lo tanto, una aguja de la brújula se movería, el otro método dice que no hay un campo magnético y, por lo tanto, una aguja de la brújula no se movería. Estas son descripciones físicas diferentes, por lo que para este sistema de coordenadas de papel cuadriculado, el principio de relatividad de Galileo no es válido.

En 1905, Einstein publicó el artículo Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento como un intento de describir una situación como esta con campos magnéticos pero sin violar el principio de relatividad de Galileo, el principio de que ambos métodos de describir el movimiento deberían dar la misma descripción física. Utilizó un tipo diferente de sistema de coordenadas para lograr esto. El sistema de coordenadas que estábamos usando en el papel cuadriculado se llama espacio euclidiano, y el sistema de coordenadas que Einstein usó en su trabajo de 1905 ahora se conoce con el nombre de espacio Minkowski.

La relatividad especial puede considerarse como el conjunto de consecuencias que surgen del uso del espacio Minkowski en lugar del espacio euclidiano. Esto incluye cosas como dilatación del tiempo, contracción de longitud, efecto Doppler relativista y cambios de fuerza que podrían causar, por ejemplo, que una fuerza eléctrica también se vea como una fuerza magnética. En el espacio euclidiano, podríamos describir eventos como el campo de béisbol en términos de intervalos espaciales (los 60 pies desde el montículo hasta el plato), intervalos de tiempo (el tiempo que la pelota estuvo en el aire) o ambos (el camino curvo real que la pelota atraviesa el aire.) Pero en el espacio de Minkowski necesitamos limitarnos a hablar solo de intervalos de espacio-tiempo si queremos asegurarnos de que la descripción del movimiento sea la misma, ya sea que usemos el método uno o el método dos. Entonces, la Relatividad Especial responde a los gritos de “¡pero las descripciones son diferentes!” gritando “¡luego cambia la forma en que lo estás describiendo!”

La relatividad general (GR) es una teoría que genera sistemas de coordenadas que se adhieren al principio de relatividad de Galileo. Las propiedades de estos nuevos sistemas de coordenadas (cómo cambian las coordenadas bajo traslaciones y rotaciones) están determinadas por la cantidad de energía presente. Ese es un concepto muy extraño y, para ser honesto, realmente necesito practicar el uso de GR antes de poder encontrar una forma sensata de decir esa oración. Un caso especial en GR es cuando no hay energía presente. En este caso, se genera un espacio de Minkowski, el sistema de coordenadas que se utiliza en la relatividad especial. Esa es la conexión entre Especial y General.

Entonces, la relatividad especial y general es importante porque nos permite continuar haciendo física sin descripciones inconsistentes. Lo mismo puede decirse de la mecánica cuántica (o realmente la teoría del campo cuántico). Sin estas teorías, todavía tendríamos básicamente la misma tecnología que hace casi 120 años. Casi diría que son tan importantes como nuestra teoría de la genética, que actualmente nos permite apoyar a una población humana que recientemente superó los 7 mil millones.

¿En cuanto a las aplicaciones de la teoría? Por un lado, ahora sabemos que un campo magnético es solo un campo eléctrico más movimiento y podemos pensar en los dos campos como uno solo llamado campo electromagnético. Es por eso que la luz se llama onda electromagnética: es una onda en el campo electromagnético. Por lo tanto, cualquier cosa que use luz, radios, microondas, rayos X o que pueda llamarse un dispositivo electrónico está aprovechando la Relatividad Especial. De hecho, la Relatividad Especial se puede derivar directamente de las ecuaciones de Maxwell, aunque es muuuucho más difícil hacerlo de esa manera que usar el método de experimentos de pensamiento de Einstein.

Aquí hay algunas aplicaciones más y evidencia directa de Relatividad Especial y General:

• [física / 0606188] El muón se descompone en la atmósfera de la Tierra, la dilatación del tiempo y la relatividad de la simultaneidad
• GPS y relatividad
• Aceleradores de partículas (página en stanford.edu)
• Lente gravitacional
• El rayo de un Pulsar
• Precesión del perihelio de mercurio
• La distancia precisa (¡dentro de un milímetro! ) De la Tierra a la Luna (APOLLO)
• muchos otros estoy seguro 🙂

Para una explicación simple, es útil seguir cómo surgió la teoría y comprender de qué se trata. Ya en el año 400 aC, las Empedocies griegas teorizaron que la luz era algo en movimiento, por lo tanto, debe tener una velocidad. Alrededor de 1650, Romer y otros en Holanda e Italia y probablemente otros, lograron mostrar que la luz tenía una velocidad finita al observar las diferencias en los períodos de la luna interior de Júpiter (estimada en 220 000 km / s). Esto se confirmó más tarde utilizando otros métodos como la aberración de la luz como lo hizo Bradely (estimación de velocidad de 301 000 km / s) en Inglaterra y otros en el siglo XVIII. Ahora, dado que la luz viaja en el espacio ‘vacío’ y tiene una velocidad finita, debe estar hecha de partículas de acuerdo con la física de esos días. Esto condujo a la teoría de la luz del corpúsculo de Newton, respaldada por los hechos de que los rayos de luz seguían las leyes normales de la mecánica; en movimiento en línea recta cuando se deja solo, en reflexión y refracción similar a las partículas materiales. La refracción era un poco cuestionable porque no se sabía si la luz era más rápida o más lenta en un medio material. Newton también logró eclipsar la explicación de la onda de la luz y el uso del frente de onda para explicar la refracción como lo adelantó Huygens (1650) en Holanda antes de eso.

Pero cuando se descubrieron la difracción, la interferencia y la polarización, no dejó dudas de que la luz debe ser una onda. La relación entre la luz y el electromagnetismo fue descubierta más tarde por Maxwell, ya que descubrió que los campos eléctrico y magnético se pueden combinar para formar un campo electromagnético y que siguió una ecuación de onda y se propagó a la velocidad de la luz. El problema que quedaba era que las ondas normalmente requieren un medio material que tenga una densidad. En todos los casos de olas, hay un medio que transporta la energía de un punto a otro y una velocidad de onda que es la raíz cuadrada de la relación entre la rigidez y la densidad del medio. Pero el espacio vacío tiene densidad cero, lo que requiere una rigidez infinita para producir una velocidad de luz finita. Esto condujo a la invención de la idea de un éter como una materia que llena todo el espacio y transporta la energía y el impulso de la luz y la onda electromagnética en general.

Los experimentos para medir el cambio en la velocidad de la luz debido al movimiento en este éter fallaron, lo que llevó a la conclusión de que la velocidad de la luz es constante en el espacio vacío. Lorentz sugirió que puede ser el cuerpo del aparato experimental utilizado para medir la velocidad de los contratos de luz que conducen a un efecto de cancelación. Esto se conoció como el factor de contracción de Lorentz, e incluso el mismo Lorentz no estaba convencido de que su sugerencia fuera la respuesta final. Este es uno de los problemas importantes sin resolver que conducen a la teoría de la relatividad.

El segundo problema importante es el hecho de que se descubrió que el campo magnético se relaciona con el movimiento de las cargas (electrones) y que solo afecta las cargas en movimiento (corrientes). Esto equivalía a la conclusión de que un cambio en el campo eléctrico produce un campo magnético y lo contrario es cierto. Aparecieron dos casos distintos. El movimiento de un conductor con respecto a una fuente estática de un campo magnético, y cuando el conductor está estático y la fuente del campo se mueve. Einstein notó que si tal distinción es real, requeriría asimetría en las ecuaciones electromagnéticas, mientras que las ecuaciones de Maxwell son completamente simétricas.

Einstein descubrió que los dos problemas anteriores pueden resolverse, y de una manera algebraica muy simple, olvidando el éter y los problemas asociados con él, y solo asumiendo los hechos conocidos, que la velocidad de la luz es constante, independiente del fuente y el receptor. También considerando solo las velocidades relativas entre cargas y corrientes, en lugar de cuál de las dos se está moviendo. Luego demostró que si toma este punto de vista de la relatividad, encontrará que una carga en movimiento produce un campo magnético … o el campo magnético es en realidad un campo eléctrico observado desde un marco en movimiento. La relación que se transforma entre los dos es la misma fórmula encontrada por Lorentz, el concepto de contracción de longitud. Pero ahora deriva más que una suposición. Este es un gran logro en el momento. Por lo tanto, la teoría de Einstein se basa en dos hechos experimentales para comenzar, pero la implicación completa de la teoría cuando se estudia en profundidad, produjo muchos resultados más interesantes … como dilatación del tiempo, contracción de la longitud (esta vez como resultado del cambio de la velocidad del cuadro), la suma de velocidades, la equivalencia entre masa y energía y más.

La teoría anterior, llamada teoría especial de la relatividad, asumía escenarios de velocidad constante y era natural examinar a continuación lo que sucede en el caso de la aceleración. Aquí Einstein llegó con la idea de que la aceleración en realidad equivalía a la gravedad. Porque si experimentamos una caída libre, es decir, cuando nos movemos a una aceleración igual a la de la Tierra, experimentamos un caso de ingravidez, y esto sería exactamente lo mismo si viajamos afuera en el espacio, lejos de cualquier cuerpo terrestre. Esto lo acuñó como el “principio de equivalencia” y afirma que la gravedad y la aceleración son lo mismo. Estaba en la era espacial por delante de cualquier otra persona.

La complejidad matemática actual que vemos en la formulación de las teorías de Einstein proviene del descubrimiento (en los días de Einstein), de que si desea que sus ecuaciones sean relativas, independientes del movimiento o reposo, correctas en todos los marcos de referencia, entonces primero asegúrese de que sean correctos en uno, luego echelos en forma de tensor covariante. De esta manera, las leyes seguirán siendo correctas para cualquier otro marco de referencia, como cabría esperar si exigimos que las leyes de la naturaleza sean universales.

Las nociones de espacio-tiempo y su curvatura vienen aquí como resultado. El tiempo tal como está, hace que sea difícil escribir ecuaciones que no cambien con diferentes estados de movimiento. Einstein notó que si escribe la ecuación de onda fxx + fyy + fzz = ftt, (f es cualquier variable y xx, yy .. son segundas derivadas parciales wrt las coordenadas del espacio y el tiempo) usando ‘it’ en lugar de ‘t’ ( i ^ 2 = -1, el número imaginario), la ecuación cambia a fxx + fyy + fzz + ftt = 0. La nueva ecuación es del tipo de Laplace, que representa ‘constante’ y no cambia como la ecuación de onda. En matemáticas, tales problemas representan un estado estable, como la distribución de temperatura en una habitación (cuando solo están presentes x, y, z). Esta es también la razón del canto negativo en uno de los términos de la llamada ‘firma’ del espacio. Ahora se vuelve fácil escribir una fórmula que sea adecuada para cualquier momento y en cualquier lugar con el tiempo como cualquier otra dimensión (matemáticamente hablando).

Pero esto también tiene la consecuencia de que el tiempo es imaginario, y el tiempo se convierte en un espacio en el que puedes avanzar y retroceder a voluntad. Estas son propiedades muy nuevas e inusuales para comprender. Este enfoque puede no ser intuitivo, pero es matemáticamente correcto. También es la razón principal por la cual hubo inmensas objeciones e incredulidad en los primeros tiempos de la teoría. Otros también intentaron encontrar una raíz alternativa a la relatividad que no implique ideas tan inusuales, ayudado por la observación de que el tiempo no puede ser como el espacio según nuestra experiencia. El resultado es que ahora hay libros con títulos que proponen alternativas a la ruta de la relatividad. Por supuesto, nada es imposible, solo la simplicidad se convierte en el juez final en esto, ya que si comienza desde las premisas correctas y utiliza una lógica correcta y consistente, seguramente llegará a una forma matemática diferente, pero solo debería conducir a resultados idénticos.

Intenté una de esas alternativas, si te importa saber, eso es así; La velocidad de la luz es la única velocidad que existe y es la velocidad característica del espacio y de cada partícula que se mueve en ella. Estas partículas son el flujo de energía. La velocidad cero es el resultado de dos partículas bloqueadas en dobletes en movimiento circular, lo que resulta en una velocidad cero del centro de masa. Todas las demás velocidades se obtienen al absorber o perder partículas que se mueven en c hacia los dobletes. De esta manera, la velocidad máxima es la de la luz que solo se puede alcanzar asintóticamente, lo que requiere una adición infinita de energía. Luego, olvídate del término ‘fuerza’: eléctrica, magnética o gravitacional, y solo considera las posiciones relativas, las velocidades relativas y la aceleración como variables. La velocidad y la aceleración son las derivadas primera y segunda del tiempo, y el tiempo está representado por un número ‘discreto’ que representa el número de bucles que hace un doblete ‘estándar’ cuando otras partículas se mueven (en c) a lo largo de líneas rectas. Todas las partículas tienen la misma masa real infinitesimal y una masa ‘imaginaria’ similar que llamamos carga. Todas las partículas obedecen una regla en sus movimientos: la regla del ‘desplazamiento equilibrado’. Si se mueve de un lado a otro, debe mover el otro la misma distancia al lado opuesto.

Esta simple idea puede producir todas las leyes básicas de la física que conocemos. ¡Comenzando por la conservación del momento, la ley de interacción del cuadrado inverso, la relación entre masa y energía, la velocidad superior de c que lleva el impulso al infinito, el comportamiento cuántico de las partículas, la dualidad de las partículas de onda, y algunas más! La regla de desplazamiento equilibrado se puede establecer matemáticamente como; Suma (m.dx) = 0 en cualquier dirección, donde m es masa y dx es un movimiento diferencial. Diferenciar con respecto al tiempo manteniendo m constante y obtendrá; Suma (m. V) = Suma (p) = 0, a lo largo de cualquier línea. Donde v es velocidad y p es momento. Diferenciar de nuevo y obtener; Suma (ma) = Suma (f) = 0 a lo largo de cualquier línea, donde a es aceleración yf es fuerza. De esta manera, ha conservado el impulso y ha establecido el principio de acción y reacción, y la energía se conserva como resultado.

Si se conserva el impulso, el movimiento de las partículas aisladas se vuelve plano como lo demostró Newton. Un movimiento plano y un movimiento encuadernado requieren una fuerza cuadrada inversa como se demuestra en el teorema de Bertrand. Esto demostró la existencia del cuadrado inverso de Newton y Coulomb. Si tiene muchas partículas confinadas para moverse solo poco, el cuadrado inverso cambia a la ley de Hook o la llamada ley de resorte espacial, lo que resulta en partículas que se mueven de acuerdo con las reglas para las ondas, de ahí la dualidad onda-partícula de QM.

Trataré de explicar esto más intuitivamente en un breve resumen … un pasaje del desarrollo en la historia de la física que condujo a esta teoría …

Antes de Einstein, se consideraba que el Tiempo y el Espacio eran entidades independientes que no tenían ninguna correlación entre sí …

Tiempo absoluto, verdadero y matemático. . . fluye a una velocidad constante
sin relación con nada externo. . . Espacio absoluto. . . sin
relación a cualquier cosa externa, permanece siempre similar e inamovible.
~ Newton

Este fue principalmente un argumento de Newton que nadie se atrevió a cuestionar antes de Einstein 😉

La historia comienza paralelamente, un hilo comenzó a partir de la ecuación de Maxwell Field y otro hilo comienza a partir de un experimento fallido muy famoso realizado por Michelson y Morley.

1> Comenzará con las ecuaciones de campo de Maxwell:

Maxwell estaba tratando de entender la relación entre los campos eléctricos y magnéticos, es decir … encontró de manera concluyente la prueba matemática de la existencia de ondas electromagnéticas utilizando esto, calculó su velocidad:

https://en.wikipedia.org/wiki/Ma …

En una región sin cargas ( ρ = 0) y sin corrientes ( J = 0 ), como en el vacío, las ecuaciones de Maxwell reducen y calculan la velocidad de las ondas EM

que identifican

Que es la velocidad de la luz. Aquí, si ve que la velocidad de me gusta solo depende de la permisividad y permeabilidad de Medium y no de ningún otro factor. El punto a tener en cuenta es que no tiene en cuenta ningún marco de referencia o sistema de coordenadas o velocidades relativas donde viaja la onda EM.

2> El segundo es el experimento fallido de Michelson y Morley:
Antes de Einstein, la comprensión era la luz es una perturbación de onda que viaja en el espacio que está llena de misterioso éter … como la onda necesita un medio, está viajando.

Para demostrar esto, Michelson y Morley hicieron una configuración ingeniosa: https://en.wikipedia.org/wiki/Mi …

Predecir qué calcular la diferencia de velocidad de la luz que viaja de este a oeste y de norte a sur … Morley instaló un aparato inteligente para medir cualquier diferencia en la velocidad de los rayos de luz que viajan de este a oeste y de norte a sur.

El movimiento de la tierra alrededor del sol a 110,000 km / hora (aproximadamente
0.01% de la velocidad de la luz) está hacia nuestro oeste durante el día. Michelson
y Morley creía en la hipótesis del éter, por lo que esperaban
que la velocidad de la luz sería un valor fijo en relación con el éter.
Mientras la tierra se movía a través del éter, pensaron que lo harían
observe un efecto sobre la velocidad de la luz a lo largo de una línea este-oeste.
Por ejemplo, si liberan un haz de luz en dirección oeste
durante el día, esperaban que se alejara de
ellos a menos de la velocidad normal porque la tierra estaba persiguiendo
a través del éter … es decir, la velocidad debería restarse, lo que solemos hacer en movimientos relativos del objeto.

Pero no encontraron ningún cambio … ¿la velocidad de la luz fue la misma en ambos casos? ¿Cómo explicamos eso? Hubo mucha especulación salvaje defendiendo a Newton Comprensión de los movimientos relativos, pero como sabemos Einstein no compró esos Argumentos.

Así que sumamos ambas historias ahora … Las ecuaciones de campo de Maxwell dicen que la velocidad de la luz en el vacío no depende de ningún marco inercial y es constante … Michelson Morley no pudo establecer la teoría del éter … aún más plantearon una pregunta más grande … La velocidad de la luz sigue siendo la misma independientemente de los marcos de referencias del observador.

Una pregunta que Einstein planteó si viaja a la velocidad de la luz, vería que las ondas EM de maxwell permanecen inmóviles en el espacio … sin moverse, lo que viola la teoría altamente exitosa de las ondas EM de Maxwell.

Esta anomalía también puede explicarse mediante un experimento mental … Como ahora sabemos a través de la ecuación de inducción de Faraday …
un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico, que además es
a cualquier campo eléctrico creado por cargas. (Lo contrario también es cierto:
cualquier campo eléctrico que cambie con el tiempo crea un campo magnético).

El experimento es: supongamos que se mantienen cargas positivas en forma de Linaer en la acera … con un observador A sentado …
El observador A vería un campo eléctrico yendo hacia afuera … lo que es correcto …

Ahora supongamos que otro observador B viaja paralelamente a las aceras mientras está sentado sobre algún objeto … es decir, está inmóvil para sí mismo …, así que observa tres cosas …
1> El observador A viaja enfrente de él
2> Un campo eléctrico que también fue observado por el observador A … que es correcto.
3> Un campo magnético experimentado por él, ya que para él las cargas positivas se mueven frente a él

Es decir … El observador B está experimentando un campo magnético en su marco inercial que no fue experimentado por el observador A … Así que la ley física no permanece igual aquí para diferentes referencias inerciales … lo que está violando los postulados de Newton …

Esto rompe la comprensión de Newton de las leyes para el movimiento relativo que … Las leyes de la física que se aplican cuando estás en reposo en la tierra también se aplican cuando estás en cualquier marco de referencia que se mueve a una velocidad constante con respecto a la tierra.

La materia obedece a las mismas leyes de la física en cualquier marco de referencia inercial, independientemente de la orientación, posición o movimiento de velocidad constante del marco ~ El principio de la relatividad galileana:

Antes de Einstein se le enseñó que la naturaleza relativa del movimiento se aplicaba solo a la mecánica, no a la electricidad y el magnetismo … Einstein lo cambió para agregar ondas EM, es decir … También la luz 🙂

Principio de relatividad de Einstein: tanto la luz como la materia obedecen
las mismas leyes de la física en cualquier marco de referencia inercial, independientemente
de la orientación, posición o movimiento de velocidad constante del cuadro.

Así que ahora tenemos una amplia evidencia de por qué la comprensión newtoniana de las leyes del movimiento y el espacio-tiempo absoluto no funcionaría para siempre …

Einstein explicó toda esta anomalía reconstruyendo la física para agregar el concepto de relatividad del espacio y el tiempo … y alejarse del concepto del tiempo absoluto.

Básicamente, explicó: el espacio y el tiempo deben estirarse
y comprimido como lo ven los observadores en diferentes marcos de referencias.
Como la velocidad es igual a la distancia dividida por el tiempo, una distorsión apropiada
de tiempo y espacio podría causar la velocidad de la luz
fuera lo mismo en un marco móvil.

Preguntó sobre los fundamentos básicos de cómo medimos el tiempo y cómo calculamos las distancias en el espacio …

Dado que observamos algo usando Luz … y la luz tiene un límite de velocidad de c … no puede ser posible que el Evento E1 ocurra en el Tiempo T1 en un marco de referencia que está a una distancia D del Observador O … observará ese Evento E1 aproximadamente a: T1 + D / c … Es decir … La información de que se ha producido un evento a una distancia D llegará a los ojos del observador solo cuando se agregue el tiempo (D / C) … es el tiempo que tarda Light en viajar D Dividido por la distancia …

Este concepto causado de tiempo de dialación y concepto totalmente eliminado del tiempo absoluto.

El álgebra exacta aplicada y la expresión matemática de la distorsión añadida (transformación de Lorentz) en un sistema de coordenadas dado se proporciona aquí:

https://en.wikipedia.org/wiki/Lo …

De la misma manera, hay un concepto de longitud de dialación.
Un objeto en movimiento parece más largo para alguien que está en reposo con
respecto a él, y se acorta a lo largo de la dirección del movimiento como se ve
por otros observadores.

Entonces, vemos desde aquí después de que tal descubrimiento rompe el camino … El concepto de Newton del tiempo absoluto está muerto y más tarde vemos que el impacto de esta teoría ha provocado que los tiempos deben tomarse como una dimensión con el sistema de tres coordenadas existente (x, y, z ) espacio para comprender mejor nuestro universo.

Traté de explicar esto de la manera más simple sin agregar demasiadas matemáticas o física … solo para explicar el concepto … puedes encontrar más detalles fácilmente para la ecuación de campo de Maxwell … las leyes de inducción de Faradías … la transformación de Lorentz … el sistema de coordenadas galileanas … para atar todos los nudos y completar esta imagen grande …
Mi intento fue mostrar esta gran imagen y no muchos detalles … espero que signifique algo …

PD: Perdón por cualquier sintaxis, Symantec, error gramatical … siempre puedes encontrar detalles en el enlace proporcionado provisto … 🙂

Puedo probar.
Antes de Einstein, los físicos abordaron el tiempo y el espacio como dos cosas separadas. Él demostró que deberían considerarse “uno”. Creando espacio-tiempo.
El espacio (incluso el vacío) no es nada y puede afectar la materia (gravedad)
La velocidad de la luz es constante sin importar las condiciones.
La teoría básicamente dice que cuanto más rápido te mueves, más energía necesitas. Y si tienes alguna masa, no podrás alcanzar la velocidad de la luz.
Para entender eso, necesitas saber:
1. ese fotón (partícula de luz) no tiene masa.
2. La velocidad de la luz es un límite no porque nada pueda ser más rápido que la luz, sino porque la luz se mueve a la velocidad máxima que permite el espacio-tiempo. Resiste el movimiento de la misma manera que el aire descansa en un avión que vuela a través de él. Tomaré una explicación de Top Gear: “Cuanto más rápido vayas, más espeso se vuelve el aire. A 100 MPH es como una crema batida aerosolada. A 200 MPH es como una melaza muy espesa. A 250 es como conducir a través de un pastel de frutas”. ” La resistencia crece exponencialmente. En la Tierra conquistamos estos límites en el tiempo. Con más potencia, carrocerías / aviones más elegantes …
En el espacio, y con luz, es de la misma manera. A medida que te acercas a la velocidad de la luz, el espacio-tiempo creará resistencia, empujando contra ti. Cuanto más pesas, más empuja hacia atrás, más rápido vas, más empuja hacia atrás. Si la teoría es correcta, cuando alcanzas la velocidad de la luz en cualquier cosa que tenga masa, necesitarías una cantidad infinita de energía para presionar contra la presión que ejerce el espacio-tiempo.
Teóricamente, esto puede ser engañado con agujeros de gusano y deformación del espacio-tiempo (al igual que engañamos al aire), pero esos son ciencia marginal y ciencia ficción (Star Trek, Star Gate …)

Segunda parte: relatividad
Las velocidades relativistas (fracciones de velocidad de la luz, fe 0,1c y hasta 0,9999999999999999999c) tienden a confundir con qué (y cómo) observas las cosas. El tiempo se ralentiza (exponencialmente, al igual que la resistencia del espacio-tiempo), las distancias parecen más cortas o más largas dependiendo de si estás a bordo de la nave o la estás observando … Es una bolsa de locos contraintuitivos. Para explicarlo simplemente … bueno. Twin Paradox podría funcionar mejor. Toma gemelos, carga uno en una nave espacial y lo dispara al espacio a velocidades cercanas a “c” y el otro permanece en la Tierra. El que vive en la Tierra vive toda su vida, digamos cincuenta años, tiene familia, envejece … Y luego su gemelo regresa después de 50 años (al observador en la Tierra) y ni siquiera es un día mayor que cuando se fue porque a él (en tal alta velocidad) el tiempo se ralentizó. Él es el segundo observador, que observó el tiempo de manera diferente. De eso se trata la “teoría de la relatividad”. Dos observadores observan el mismo evento, pero lo ven de manera diferente porque se mueven a diferentes velocidades.

Datos interesantes:
-Mientras el fotón no tiene masa, teóricamente puedes medir su peso. Es pura energía. PERO, debido a que se mueve al límite de velocidad del universo, el espacio-tiempo se deforma alrededor de él un poquito, lo que le da “peso”. La ciudad de Nueva York durante el día es unos gramos más pesada que durante la noche, debido a todos los fotones que la impactan.

-También explica la gravedad como una distorsión del espacio-tiempo por la masa. Si imagina que el espacio es una sábana (plana) y coloca una bola de boliche en el medio, se crearía un sumidero y todo se caería hacia la pelota. Eso es lo que los planetas y las estrellas le hacen al espacio-tiempo, solo en dimensiones más altas que nuestro mundo 3D.

T = 2L / c ÷ √ [1- (v ^ 2 / c ^ 2)

Tal vez viajar con la velocidad de la luz puede hacer que los humanos sean inmortales.

• ¡Por lo tanto, el tiempo viaja más lento para un objeto con mayor velocidad!
• El ser humano puede viajar todo el universo en la vida, si viaja con la aceleración de 1 g hasta el final.
• la materia determina la curva espacial que determina aún más el movimiento de los objetos.
• Debido a la curvatura natural de la tierra, la distancia más corta entre dos objetos nunca es una línea recta.
• ningún objeto físico puede viajar a la velocidad de la luz o más rápido, es una barrera de velocidad.
• Un segundo es exactamente 9,192,631,770 latidos de un átomo de cesio, muy cerca de 1 / (24 x 60 x 60) de un día de ‘rotación de la Tierra’. Un día de rotación de la tierra es el tiempo variable que le toma a la tierra rotar una vez en relación con el sol.
• La velocidad de la luz en el vacío es exactamente 299,792,458 m / s . La luz llega a todos los objetos desde todas las direcciones a la misma velocidad, independientemente de su movimiento. Incluso si viaja a 240,000 metros / segundo, la luz se le acerca de frente a la misma velocidad que lo alcanza desde atrás. Entonces, independientemente de la velocidad de las fuentes de luz y los receptores, la luz siempre viaja a la misma velocidad. También se deduce que la luz no tiene concepto del tiempo, porque (a la luz) todas las distancias son cero, y por lo tanto percibiría que llega a su destino instantáneamente. Fue este pensamiento el que llevó a Einstein a sus teorías de la relatividad.
• Las 2 definiciones exactas anteriores de un segundo y de la velocidad de la luz definen la longitud exacta de un metro : es la distancia recorrida por la luz en un segundo, dividida por la velocidad de la luz en metros por segundo.

Los científicos no suelen estar motivados por la fama y la gloria, sino por la curiosidad, a la manera de un explorador. Por lo tanto, tienen más la naturaleza del Capitán Cook, que produce mapas para servir al rey y al país, que una fiesta de asalto vikingo.
Así que el joven Einstein no zarpó en su pequeño bote para demostrar que el mundo era redondo. Se propuso ser un buen marinero y explorar. Su talento era que, misteriosamente, siempre sabía las mejores direcciones para el descubrimiento, como un sabueso, se podría decir.
Esto requiere un buen sentido de lo que no se sabe.

Richard Feynman tenía un sentido similar de comprensión adecuada. Cuando produjo una serie de conferencias de pregrado, lo impulsó a examinar de cerca lo que se pensaba que se sabía, pero lo que realmente se sabía. La respuesta más útil en ciencia es simplemente ” No sabemos “. Puede usar el método Feynman para mejorar rápidamente la comprensión de cualquier tema:

Ok, de vuelta a Albert. Albert simplemente eligió los problemas con cuidado, donde había un problema real que resolver. El primer problema real y el avance que hizo fue el trabajo de seguimiento sobre las ideas de Michael Faraday, y la conversión del trabajo de Faraday en ecuaciones por Maxwell, que culminó en una fórmula para la radiación electromagnética. Sabemos que Einstein estaba profundamente interesado en esta avenida, porque él mismo lo dijo, y mantuvo una foto de Faraday y Maxwell en su pared.

Http: //www.rare-earth-magnets.co…

James Clerk Maxwell se tomó en serio las ideas de las líneas de fuerza de Faraday, aunque entendió mal el significado que Faraday pretendía. (O al menos no tenía tiempo para tal abstracción). Maxwell tuvo éxito mediante el uso de modelos mecánicos, para reducir todos los principios conocidos a veinte ecuaciones, y a partir de ahí demostró que había una ecuación de onda en movimiento involucrada.

Las ondas de radio fueron descubiertas más tarde por Marconi. Pero incluso antes de eso, Maxwell, al calcular la velocidad de las olas, descubrió que tenían la misma velocidad que la luz, y pensó que no era una coincidencia. Pero no pudo mostrar nada más, teniendo más la mentalidad de un ingeniero que de un científico como Faraday.

Esto también ilustra un punto similar al anterior. Maxwell no tenía intención de vincular las ideas, pero lo hizo como un descubrimiento matemático.

Faraday, por el contrario, había desarrollado conocimiento enciclopédico y, por ejemplo, había investigado la rotación del magneto óptico, la capacidad de un campo magnético para alterar la polarización de la luz. Y Faraday tenía una comprensión filosófica superior del papel abstracto del lenguaje. Por ejemplo:

Podemos pensar en el calor como una propiedad, o como una cuestión: seguirá siendo de gran beneficio e importancia para nosotros. Podemos diferir con respecto a la forma en que actúa: seguirá actuando de manera efectiva y para nuestro bien; y, después de todo, nuestras diferencias son meras disputas sobre las palabras, ya que la naturaleza, nuestro objeto, es uno y el mismo

La referencia al calor es relevante porque Faraday era amiga de John Tyndall, quien había investigado mucho el calor radiante. Sin duda, Faraday ya sospechaba que el calor radiante también era energía radiante en la naturaleza de la luz. Maxwell también le dio a la termodinámica el mismo tipo de tratamiento matemático que los fenómenos electromagnéticos, tratando el calor y otras variables como fluidos y aplicando el cálculo.
En resumen, Maxwell no entendió la energía como lo hizo Faraday, y como lo hacemos hoy. Lamentablemente, en última instancia, Maxwell entendió mal el genio conceptual de Faraday y el problema a resolver.
http://hermital.org/book/holoprt …

Entonces esto es lo que preparó el escenario para Einstein.

1. La naturaleza de la luz como ondas, su capacidad de moverse a través de un vacío, donde ya no existía un campo eléctrico o magnético preexistente.
2. Y la naturaleza de la luz como energía que se mueve sin requerir cuerpos materiales o cargas involucradas en ese movimiento.

Faraday ya había encontrado alguna evidencia de que sus líneas de fuerza transportaban energía a través del espacio vacío sin materia, ya que concibió que estos campos eran una cosa en sí mismos, y la base de un concepto unificador para toda la energía. http://www.rigb.org/our-history/ …
Armado con una habilidad similar a la de Faraday para pensar en abstracto, aunque nada como la amplitud de conocimiento de Faraday, Einstein abordó las ecuaciones de Maxwell para buscar explicaciones.

(Es una señal de genialidad que muchos problemas relacionados están malabarizados en la mente y sometidos a muchas ideas que se prueban entre sí dentro de ese hipotético teatro de la imaginación. De hecho, Einstein se hizo famoso por su capacidad para realizar el “experimento gedankenexperiment” Un experimento diseñado y realizado completamente en la mente, para ilustrar un principio.

La clave del progreso provino del hecho de que las ecuaciones de Maxwell, aunque elegantes, no eran hermosas. Faraday siempre había sostenido que había una relación profunda y unificadora entre la fuerza electromagnética y el movimiento. Faraday también mantuvo el valor de la conservación de energía como un medio para relacionar el movimiento y los campos.

Einstein descubrió que las ecuaciones de Maxwell contenían una asimetría y, lo más importante, una asimetría de energía. Esta fue la clave. Puedes leer esta historia por ti mismo del propio periódico de Einstein.
“Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”.
https://www.fourmilab.ch/etexts/ …

Mediante el uso de experimentadores del pensamiento, Einstein comenzó a visualizar lo que sucede con las fuerzas, la energía y el movimiento de los fenómenos electromagnéticos cuando los observadores se mueven a diferentes velocidades relativas entre sí. Esta es la única forma de probar cómo se relacionan las ecuaciones. Y para ver qué pasa en casos extremos.

La dramática conclusión que Einstein finalmente se vio obligado a hacer por sus propios poderes de razonamiento, fue que para convertir las ecuaciones de Maxwell en una forma que respetara las leyes de conservación, y de hecho que permitiera que las leyes de la física fueran las mismas en todos los marcos de referencia, era que algo tenía que ceder.

Audazmente, después de haber jugado con todo lo demás, juguetonamente permitió que el espacio y el tiempo cedieran. De repente, mientras viajaba en un tren, se hizo evidente. El espacio y el tiempo deben estar relajados. Las mismas distancias y tiempos deben transformarse según el movimiento del observador.

Ya no era un juego, y esta realización, y su importancia, conmocionó profundamente a Albert. En la medida en que se vio obligado a abandonar el tren y vomitó. Que una interpretación tan radical simplemente explicara los hechos no era lo que él hubiera esperado, sino que requería valentía basada en la convicción para publicar.

Finalmente, el establecimiento giró hacia las apreciaciones de Einstein. El objetivo de Einstein, Maxwell y Faraday por igual era simplemente el de la unificación. Cada uno ayudó a avanzar ese objetivo a su manera, pero ¿alguien podría haber predicho las sorprendentes direcciones que ha tomado esta búsqueda, y todavía lo hace?

Cuando un hombre se sienta con una chica bonita durante una hora, parece un minuto. Pero déjelo sentarse en una estufa caliente por un minuto y es más largo que cualquier hora. Eso es relatividad.

– Albert Einstein

Científicamente hablando, la teoría de la relatividad es un conjunto de reglas que describen matemáticamente el movimiento real de diferentes cuerpos en movimiento.

Galileo fue el primero en formular una teoría de la relatividad. Basado en la teoría de Galileo, Newton formuló su teoría de la relatividad. Pero a ambas teorías les faltaba una cosa, ambas no tenían en cuenta la ley de constancia de la velocidad de la luz. Eso es porque en ese momento nadie había medido la velocidad de la luz. Luego vino Einstein, formuló una teoría de la relatividad teniendo en cuenta la constancia de la velocidad de la luz.

Einstein propuso dos teorías:

• Relatividad especial: describe el movimiento relativo de los cuerpos que se mueven a una velocidad constante entre sí, es decir, con aceleración cero.
• Relatividad general: fue una mejora de la relatividad especial, describe el movimiento real de los cuerpos acelerados además de los cuerpos no acelerados.

La relatividad general también describe la gravedad, porque la gravedad es lo mismo que el movimiento acelerado (el principio de equivalencia, el propio Einstein dijo que era su mejor pensamiento).

La contracción de la longitud (acortamiento de la longitud al moverse), la dilatación del tiempo (ralentización del tiempo al moverse), la masa relativista, la equivalencia de la masa de energía (E = mc²) son todas consecuencia de la teoría de la relatividad de Einstein.

Gracias por leer y feliz fisica .. !!!

Chico, puedo responder esa pregunta. De eso se trata la mitad de mi libro.
Primero, para simplificar, supondré que estamos hablando de la teoría ESPECIAL de la relatividad. (La teoría general trata sobre la gravedad, y es básicamente un conjunto de ecuaciones que describen el campo gravitacional).
La teoría especial de la relatividad es simplemente el descubrimiento, realizado por Einstein en 1905, de que las cosas se comportan igual, no importa cuán rápido te muevas, que las leyes de la física (incluida la velocidad de la luz) son las mismas si estás en el planeta tierra o en un cohete que viaja a 185,000 millas por segundo en relación con la tierra. Einstein llamó a esto el Principio de la Relatividad. En sus palabras, “los fenómenos de la electrodinámica y la mecánica no poseen propiedades correspondientes a la idea del descanso absoluto”. Esto puede no parecer sorprendente hasta que lo pienses. Para citar de mi libro (ver Comprender la física a través de la teoría cuántica de campos):
—-
Fue sorprendente que la velocidad de la luz fuera independiente del movimiento … El lector debería detenerse para apreciar cuán extraño es este resultado. No tiene sentido que un rayo de luz, o cualquier otra cosa, viaje a la misma velocidad independientemente del movimiento del observador. Supongamos, por ejemplo, que está observando un tren muy rápido desde otro tren. La velocidad aparente del tren rápido dependería claramente de su dirección en relación con la suya. Si el otro tren se mueve en la dirección opuesta, pasaría a toda velocidad, pero si se mueve en la misma dirección que usted, pasaría muy lentamente . Sin embargo, Michelson, un pasajero en un tren llamado tierra, descubrió que otro tren llamado luz siempre se mueve a la misma velocidad sin importar en qué dirección se mueva en relación con la tierra.
De este principio simple se siguen algunos resultados sorprendentes, como:
· Los objetos se contraen cuando se mueven.
· El tiempo se ralentiza cuando te mueves.
· La masa aumenta cuando está en movimiento.
· Nada puede ir más rápido que la luz.
Pero seamos sinceros, para la mayoría de las personas estas afirmaciones no tienen sentido. Sin embargo, una vez que comprenda que el mundo está hecho de campos, no de partículas, verá que son una consecuencia natural del comportamiento de los campos. Verá que no solo son comprensibles, sino inevitables.
–
Explicar estos efectos como una consecuencia natural de la forma en que se comportan los campos es lo que yo llamo el enfoque “ascendente” de la relatividad, en oposición al enfoque “de arriba hacia abajo” de Einstein. El enfoque de abajo hacia arriba también fue adoptado por varios contemporáneos de Einstein, como George FitzGerald, Hendrik Lorentz y Henri Poincare. Para citar nuevamente de mi libro:
–
El hecho es que cualquier enfoque es correcto y uno no excluye al otro. Sí, el Principio de Relatividad es elegante y el enfoque de arriba hacia abajo es más fácil de usar; los físicos lo aman por esa razón. Pero las ecuaciones de campo también son elegantes y no solo contienen el Principio de Relatividad dentro de ellas, sino que también proporcionan una explicación física de los efectos que de otra manera serían paradójicos. Nunca podemos saber si Dios comenzó con el Principio de Relatividad y derivó las ecuaciones de campo o si comenzó con las ecuaciones de campo a partir de las cuales sigue el Principio. Si Ella comenzó con el principio de que las leyes de la naturaleza deberían ser las mismas en todos los sistemas móviles, entonces también proporcionaría mecanismos para que esto ocurra. Y si los mecanismos están ahí, ¿por qué no usarlos? Son reales y comprensibles, y no deben ser ignorados. Como dijo Lorentz:
“Einstein simplemente postula lo que hemos deducido, con cierta dificultad y no del todo satisfactoriamente, a partir de las ecuaciones fundamentales del campo electromagnético … Sin embargo, creo que también se puede afirmar algo a favor de la forma en que he presentado la teoría”.

Gravedad. Se trata de la gravedad.

O debería decir espacio y tiempo.

La ley de gravitación de Newton falla en situaciones extremas. En tales situaciones, para explicar y trabajar con la gravedad, necesitamos la Relatividad General (GR). GR se basa en el principio de equivalencia (una implicación muy interesante del principio de equivalencia es esta: el principio de equivalencia: por qué la gravedad deja de funcionar en un observador en caída libre).

Básicamente, GR se basa en el hecho de que la materia y la energía se deforman y curvan el espacio y el tiempo. Esta deformación y curvatura causa gravedad. Lo que hace que GR sea tan hermoso es que explica la gravedad a través de la geometría del espacio y el tiempo.

La curvatura del espacio y el tiempo se muestra en la imagen de arriba.

El GR tiene algunas implicaciones muy importantes. Uno de los resultados más importantes de GR es que el tiempo se ralentiza debido a la gravedad. Entonces, si alguna vez pasas el rato en el horizonte de eventos de un agujero negro, llama a tu madre y dile que llegarás tarde a cenar, porque un año para ti sería millones de años para ella.

Otra implicación importante de GR es que el Universo no puede ser estático. Debe estar expandiéndose o contrayéndose.

Además, la idea de agujeros negros, agujeros blancos y agujeros de gusano surgió de GR, y las tres son soluciones válidas para las ecuaciones de GR.

La materia le dice al espacio cómo comportarse, el espacio le dice a la materia cómo moverse.

Uno podría preguntarse: bien, la teoría explica la gravedad. Pero, ¿por qué se llama entonces la relatividad?

Buena pregunta. La cosa es que, antes de formular GR, Einstein dio otra teoría: la relatividad especial (SR). SR mostró que cantidades físicas fundamentales como la longitud, el tiempo y la masa (más precisamente, la masa relativista ) son relativas, es decir, son diferentes para diferentes observadores.

Aunque, SR solo nos dice lo que sucede en un movimiento de velocidad constante, que es un tipo de movimiento muy especial. GR es una forma más general de SR, que no se limita a situaciones que involucran solo movimiento de velocidad constante. Entonces, ¿cómo llamarías una versión más general de la relatividad especial?

Relatividad general.

Salud.

La teoría de la relatividad es hermosa porque es elegante. Las matemáticas pueden complicarse a veces, pero los principios rectores son simples y de gran alcance.

Relatividad especial

La relatividad especial simplemente surge del hecho de que la velocidad de la luz es independiente del movimiento de la persona o aparato que la observa. Este es un postulado fundamental en la teoría de la relatividad. A partir de esto, podemos decir que las leyes de la física son las mismas, independientemente del movimiento del observador.

Esto nos presenta un desafío. Queremos ahora formular matemáticas que mantengan la velocidad de la luz igual para los observadores que se mueven a diferentes velocidades. Esta construcción matemática se llama las transformaciones de Lorentz .

Las transformaciones de Lorentz tienen una serie de consecuencias contraintuitivas. Para empezar, para los observadores que se mueven a diferentes velocidades, no solo las coordenadas espaciales parecen diferentes, sino también las coordenadas temporales. Lo que parece simultáneo para alguien en reposo, puede no parecerlo a alguien que se mueve con respecto a la primera persona. Esto significa que cada observador tiene su propia medida de tiempo. El concepto de tener un tiempo universal que corre a la misma velocidad para todos y cada uno tiene que ser abandonado.

En la misma línea, vemos cómo las longitudes parecen contraídas y los relojes parecen moverse más lentamente cuando están en movimiento, como se observa desde una posición en reposo.

Avanzando más, podemos formular cómo la energía y el momento son lo mismo que la masa, al vincularlos en relaciones similares como el espacio y el tiempo.

Entonces, la teoría especial nos da herramientas matemáticas para relacionar observaciones en diferentes marcos inerciales. Si veo a este hombre en esta posición mientras estoy en reposo, ¿cuáles serán sus coordenadas si lo observo desde un marco en movimiento?

Alucinantemente, las conclusiones y concepciones de este simple ejercicio han transformado nuestra visión de la naturaleza del espacio y el tiempo.

Relatividad general

Esta tiene que ser la teoría más hermosa de la ciencia. La relatividad general es una teoría de la gravedad. Sí. Es una actualización de la Gravitación de Newton que todos estudiamos. La relatividad general también es puramente una teoría de la geometría. Entonces, he aquí, la relatividad general es una boda de gravedad y geometría. Un hilo de cómo ambos son iguales.

La relatividad general es un marco que proporciona información sobre cómo se genera esta cosa que llamamos gravedad, cuáles son sus fuentes y cuáles son sus consecuencias.

La teoría nos dice cómo la presencia de materia y energía crea distorsiones en la misma geometría del espacio-tiempo. Estas distorsiones son las que causan lo que llamamos gravedad. Entonces, la gravedad no es una fuerza real, es solo el resultado de la perturbación del espacio-tiempo debido a la presencia de materia. Esto está codificado en las ecuaciones de campo de Einstein. Estas son ecuaciones que, por un lado, mantienen una entidad matemática que cuantifica la curvatura (o la distorsión) del espacio-tiempo y la iguala a una entidad matemática que codifica toda la información sobre toda la materia, energía y presión.

Entonces, esta es una ecuación con una fuente y un efecto. El efecto es la curvatura de la estructura misma del espacio-tiempo, y la fuente es la materia.

La segunda parte de la teoría nos dice cómo se mueven las partículas en el espacio curvo. Las líneas de menor distancia en el espacio curvo se llaman geodésicas . Estas son como líneas rectas en el espacio plano normal. La teoría nos dice cómo viajan las partículas a lo largo de la geodésica en el espacio curvo.

Entonces, la presencia de materia curva el espacio-tiempo, y las partículas intentan seguir los caminos más rectos posibles, llamados geodésicas, en este espacio curvo. Así es como funciona la gravedad. El trabajo de la gravedad como fuerza es solo ficción. La gravedad es solo la distorsión del espacio-tiempo, y las partículas “actuadas” por la gravedad son simplemente partículas pobres libres que intentan moverse en los caminos más rectos posibles en ese país curvo.

Entonces, hay dos partes: la que te dice cómo la materia causa la curvatura, que llamamos gravedad, y la segunda parte que te dice cómo se mueven las partículas en estos espacios curvos.

Además, la teoría dice que los cuadros con aceleración uniforme son equivalentes a los efectos de la gravedad: ambos son curvos. Entonces, esta teoría también explica los marcos acelerados. Ahí tienes: la teoría es general, a diferencia de la anterior, que se ocupaba solo de los marcos inerciales.

Para resumir, hay una hermosa cita de John Wheeler:

El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse.

Puedo, reducir la idea en pocos puntos. Aquí van:

1. La luz viaja a una velocidad constante.
Supongamos que conduce a una velocidad de 40 km / h (con respecto a la carretera) y lo adelanto. Obviamente, mi velocidad sería mayor, digamos 50 km / h (nuevamente con respecto a la carretera). Pero me verías adelantándote solo a la velocidad relativa de 10kmph (50-40kmph). Por lo tanto, mi velocidad con respecto a ti es de 10 km / h.

Multa. Pero esto no es cierto para la luz. Digamos que emprendes un viaje en una nave espacial especialmente diseñada para viajar a la mitad de la velocidad de la luz, es decir, viajas a la velocidad c / 2 (de nuevo con respecto al suelo). Luego, cuando enciendes una antorcha y la mantienes frente a la forma en que estás atravesando, la luz que emana de ella viajaría, obviamente, a la velocidad ‘c’ (con respecto al suelo, de nuevo). ¡Pero hey! ¿ya no viajas a velocidad c / 2? Entonces, ¿no debería viajar la luz a la velocidad c / 2 en relación con usted? (como viajaba a la velocidad de 10 km / h en relación con usted?). No; la luz aún dejaría su antorcha a la velocidad designada, es decir

En pocas palabras: la luz viaja solo a la velocidad c, independientemente del marco de referencia.

2. Cuando te mueves a velocidades más altas, el tiempo se ralentiza para ti.
La conclusión del primer punto es difícil de digerir. Pero, es el hecho; Hay varias evidencias circunstanciales para probar esto.

Se necesitó el genio de Albert Einstein para entender esto. Moldeó nuestra comprensión actual sobre el tiempo para encajar en este hecho. ¿Recuerdas cuando viajaste a la velocidad c / 2? Bueno, el tiempo corre más lento para ti ahora.

Entonces, si la velocidad es distancia / tiempo; y su velocidad aumenta y, al mismo tiempo, el tiempo corre lento (el tiempo se ralentizó para usted, por lo que para su marco de referencia los demás ‘vivirán’ más rápido que usted), medirá la velocidad de la luz para que sea la misma. Los físicos llaman a esto “dilatación del tiempo”.

En pocas palabras: no importa qué tan rápido se mueva, el tiempo se ralentiza para que pueda medir la velocidad de la luz exactamente igual, es decir

3. Las cosas que se aceleran se acortan en longitud.
Más raro, ¿no? Imagina que estás viajando en un tren. Está sosteniendo una lámpara exactamente en el extremo delantero (el extremo más cerca del motor) de una de las cabinas. El tren se mueve en línea recta, digamos a 60 km / h. Ahora enciendes la lámpara. En su marco de referencia, la luz tardará un tiempo en viajar desde la lámpara hasta la parte trasera. (La lámpara está exactamente en el extremo delantero de la cabina). Digamos que tomó 1 segundo. Suponga que la velocidad de la luz es de 10 m / s (solo suponga que ambos sabemos que es de 300 millones de metros por segundo, pero no desea leer números gigantes aquí, ¿verdad?); y, por lo tanto, dado que la luz tardó 1 segundo en viajar de un extremo al otro, la cabina tiene 10 metros de largo.

Bueno. Pero estoy parado afuera del tren, viéndote en la cabina. Mi marco de referencia es el suelo. Según yo, la lámpara, el tren, la cabina y sus dos extremos se mueven; digamos hacia mi lado derecho. Veo que el tren (y, por lo tanto, el extremo posterior de la cabina) avanza hacia mi derecha, y la luz de la lámpara se precipita hacia su izquierda para encontrarse con el extremo posterior, por lo que, según yo, la luz debería tomar menos tiempo para llegar al extremo posterior (ya que ese extremo se está moviendo más hacia la luz que emana); en comparación con el tiempo que mediste!

Ahora, los dos tomaremos la velocidad de la luz de la misma manera, porque como se indica en el punto 1, ya sea un marco de referencia, se supone que debemos tomar la velocidad de la luz solo 10 m / s (aquí). Pero vimos que la luz tardó diferentes tiempos en llegar al mismo punto; así que cuando calcule la longitud de la cabina, ¡será un poco más corta! Sin embargo, ambos tenemos razón. No verá que la cabina se está comprimiendo, pero me parecerá que la longitud se reduce.

En pocas palabras: para mantener el hecho de que la luz viaja a la misma velocidad independientemente del marco de referencia, también debemos moldear nuestra percepción sobre la longitud; así que los objetos que se aceleran parecen más cortos.

4. La velocidad de la luz no puede ser superada nunca.
¿Has oído que E es igual a m veces c al cuadrado? Esta famosa ecuación sugiere que masa y energía son lo mismo. Puede convertir cualquiera a la otra. Cualquier partícula que tenga algo de masa, digamos un electrón, necesita energía para acelerar. Esta energía se manifiesta más tarde en su masa, es decir, más rápido viaja el electrón, más pesado se vuelve y, por lo tanto, más energía necesita para acelerar aún más. Este es un ciclo vicioso, y a medida que sale, necesitarás una cantidad infinita de energía para acelerar un electrón hasta la velocidad de la luz.

¡No hay suficiente energía en todo el universo para impulsar un electrón hasta la velocidad de la luz! Y, por lo tanto, el universo mismo plantea este límite de velocidad para nosotros.

En pocas palabras: nada puede viajar a mayor velocidad que c.

En términos simples, estos puntos representan la magnífica teoría de la relatividad especial.
Puede haber más.
Espero que tengas el quid;
¡Gracias por preguntar!

Historia de la relatividad primero:

Las leyes de Newton son invariantes galileas (invariancia galileana), es decir, la forma / estructura de estas leyes no cambia bajo la transformación galileana. A finales de 1800 con la teoría del electromagnetismo de Maxwell en su lugar, los científicos pronto pudieron calcular la velocidad de la luz. Pero había un problema, a diferencia de la ley newtoniana, las ecuaciones de Maxwell no eran invariantes galileanas. Esto se combinó con la observación experimental de que la velocidad de la luz se mantuvo constante independientemente del movimiento relativo entre el marco de referencia apuntado hacia la incompatibilidad de las ecuaciones de Maxwells (ecuaciones de Maxwell) y las Leyes de Newton en un nivel fundamental. En resumen, las cosas no se veían bien en física.

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 de aspecto inocente (Postulados de relatividad especial) que cambiaron toda la Física a medida que nosotros entiendelo. Estableció una 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 como se creía anteriormente.

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 en su forma actual (forma de 1905) era incompatible con la ley de gravitación newtoniana. 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 de 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. Esto estaba en marcado contraste con el campo de gravitación newtoniano y mucho más complicado de entender matemáticamente que la gravedad newtoniana.

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 relatividad especial se deriva de dos ideas básicas:

1. La velocidad de la luz en el vacío es siempre c (constante).
2. Las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia inerciales (básicamente, los puntos de vista que no se aceleran, es decir, obedecen las Leyes de Newton).

Con estos dos puntos se pueden derivar varias conclusiones comprobadas:

1. Dilatación del tiempo : cuando algo se mueve rápido en relación con otra cosa, el tiempo para que el cuerpo se mueva más rápido se ralentiza. No es una ilusión de que el tiempo se desacelere, es real: los átomos individuales que componen el cuerpo funcionan más lentamente, las reacciones químicas funcionan más lentamente y los procesos biológicos (envejecimiento) ocurren más lentamente. Desde la perspectiva del cuerpo en movimiento más rápido, su tiempo avanza al ritmo habitual.
2. Contracción de longitud : los objetos que se mueven rápidamente en relación con otros objetos se contraen a lo largo de la línea de la dirección en la que se mueven.
3. Simultaneidad relativista : no existen eventos simultáneos: dado que el tiempo está sujeto al observador, diferentes personas podrían presenciar 2 eventos que suceden en un orden diferente. La excepción a esto son los eventos “causalmente relacionados”, que son eventos donde el evento A es la causa del evento B.
4. Energía de masa : las matemáticas se describen para describir la masa de los cuerpos en reposo y cómo esa masa cambia a medida que los cuerpos se mueven. A medida que los cuerpos se aceleran, se vuelven “más pesados”. Nada con masa puede viajar más rápido que la luz porque cualquier cuerpo masivo alcanzaría una “masa relativa” infinita a esa velocidad. Puede derivar E = mc2 de esto.

La física clásica, construida sobre el trabajo de personas como Isaac Newton, parecía cubrir todas las bases de la vida cotidiana. Pero personas como Einstein se dieron cuenta de que no funcionaba tan bien en los extremos, cuando las cosas son muy, muy pequeñas, muy, muy grandes o se mueven muy, muy rápido. La teoría de la relatividad se trataba de tratar de encontrar modelos que se ajusten no solo a los ámbitos en que se ajustan las leyes de Newton, sino también a esos extremos.

La teoría de la relatividad es realmente la combinación de dos teorías en las que Einstein trabajó durante varios años. El primero, en 1905, fue la Relatividad Especial, y el segundo, en 1915, fue la Relatividad General.

La relatividad especial establece esencialmente dos postulados:

1) Principio de relatividad: las leyes de la física son las mismas para todos los marcos de referencia inerciales.

2) Principio de constancia de la velocidad de la luz: la luz siempre se propaga a través de un vacío a una velocidad definida, que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor.

Un resultado de la Relatividad Especial es que tenemos que tener en cuenta los efectos relativistas de los objetos que se mueven muy, muy rápido o son muy, muy pequeños. Estos efectos introducen cosas como la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud.

La Relatividad General comenzó con el Principio de Equivalencia, por el cual Einstein se dio cuenta de que podía componer las ecuaciones de un escenario para descuidar la gravedad y que la Relatividad Especial podría cubrir ese escenario y ahora necesitaba pensar en la gravedad. El resultado de ese pensamiento revisó la teoría de la gravitación de Newton al definir la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo, en lugar de como una fuerza. Esto nos permite explicar los efectos que involucran lo realmente, realmente grande.

La teoría de la relatividad incluye dos teorías:

La teoría especial de la relatividad es la teoría física aceptada con respecto a la relación entre el espacio y el tiempo.

Se basa en dos postulados:
(1) El las leyes de la física son invariables (es decir, idénticas) en todos los sistemas inerciales (marcos de referencia no acelerados); y
(2) El La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores, independientemente del movimiento de la fuente de luz.

Fue originalmente propuesto en 1905 por Albert Einstein en el documento ” Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento “. Implica una amplia gama de consecuencias, que se han verificado experimentalmente, incluida la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo, la masa relativista, la equivalencia masa-energía, un límite de velocidad universal y la relatividad de la simultaneidad. Ha reemplazado la noción convencional de un tiempo universal absoluto con la noción de un tiempo que depende del marco de referencia y la posición espacial.

La teoría general de la relatividad es la teoría geométrica de la gravitación publicada por Albert Einstein en 1916 y la descripción actual
de gravitación en la física moderna. Eso generaliza la relatividad especial y la ley de gravitación universal de Newton, proporcionando una descripción unificada de la gravedad como una propiedad geométrica del espacio y el tiempo, o espacio-tiempo.
En particular, la curvatura del espacio-tiempo está directamente relacionada con la energía y el impulso de cualquier materia y radiación presentes. La relación está dada por las ecuaciones de campo de Einstein.

Algunas predicciones de la relatividad general difieren significativamente de las de la física clásica, especialmente en lo que respecta a el paso del tiempo, la geometría del espacio, el movimiento de los cuerpos en caída libre y la propagación de la luz.
Ejemplos de tales diferencias incluyen la dilatación del tiempo gravitacional, la lente gravitacional, el desplazamiento al rojo gravitacional de la luz y el retraso del tiempo gravitacional . Las predicciones de la relatividad general se han confirmado en todas las observaciones y experimentos hasta la fecha.

Issac Newton propuso el concepto de gravedad y su acción sobre otros cuerpos, pero nunca predijo qué causa la gravedad .
La teoría general de la relatividad de Einstein resuelve ese problema.
Según Einstein, el espacio y el tiempo no son más que lo mismo y pueden considerarse como un plano.

Imagine un papel de celofán suspendido firmemente por 4 soportes rígidos. Eso puede considerarse como espacio y tiempo.
Ahora, si mantenemos algo que tiene masa, como una bola de metal, causará una depresión en el papel de celofán. Esto puede considerarse como gravedad. ¿Cómo podemos demostrar que es la gravedad?
Simplemente coloque otro cuerpo más pequeño cerca de él, y se acercará más y más al cuerpo más grande hasta que choque con él. Esto sucede, debido a la curva en el papel de celofán. Lo mismo le sucede al espacio y al tiempo.

Cuanto más pesado es un objeto, mayor es la curvatura en el espacio y el tiempo. Por lo tanto, la Tierra crea una curvatura más pequeña que el Sol, ya que tiene menos masa que el Sol.
Si dejamos un cuerpo más pequeño en un movimiento circular alrededor de un cuerpo más grande, girará tal como lo hace la Tierra alrededor del Sol. Algo como esto…
Una curvatura en el espacio y el tiempo puede incluso doblar la luz como … la gravedad puede doblar la luz. Así como así …
Por lo tanto, incluso hay mucha diferencia entre una órbita de un planeta alrededor de un cuerpo más grande según el movimiento newtoniano y según la relatividad.
La órbita azul muestra las órbitas propuestas de la relatividad y las rojas del movimiento newtoniano.
Ahora, si guardamos algo muy pesado como una campana tonta en el papel de celofán, arrancará el papel de celofán. Este es un agujero negro. Cualquier objeto que sea demasiado pesado para soportar el espacio y el tiempo crea un agujero negro que es una curvatura infinita.
Wormhole puede conectar un extremo del papel de celofán a otro. Así como así …
La relatividad incluso nos dice que la velocidad de la luz es el límite cósmico. Ningún cuerpo en todo el universo puede alcanzar la velocidad de la luz. Puede alcanzar el 99.9999999999999999999999999999999999999999999999999999% (puede agregar tantos 9 s como desee) de la velocidad de la luz, pero nunca el último decimal .
Todo es relativo.
Me gusta, me encanta … ¡siéntelo en tus huesos!

Peter básicamente lo golpeó.

Relatividad: la idea de que el concepto es relativo a la circunstancia.

Cuando dices “el acero es duro”, ¿en relación con qué? Ciertamente no se compara con el diamante. Pero es bastante difícil, por ejemplo, en comparación con la madera.

Básicamente, en física, puede agregar velocidades para una medición relativa. Si usted y yo estuviéramos en un vacío blanco con nada más que nosotros y un avión plano y blanco para pararse, no podría decir cómo nos estábamos moviendo. El único punto de referencia que tendría es usted mismo, desde su perspectiva. Eso significa que si me quedaba quieto y caminabas hacia mí, no podrías decir (si no estabas mirando nuestras piernas) si te estabas moviendo o si me estaba moviendo hacia ti. Si ambos camináramos el uno hacia el otro, entonces parecería ser una velocidad aún más rápida, pero hay que medirla desde algún lugar. Podría ser You = 50 m / sy Me = 50 m / s, por lo que estaríamos cerrando la brecha a 100 m / s. Pero digamos que estábamos caminando en la misma dirección. ¡Entonces estaríamos cerrando la brecha a 0 m / s! Entonces tienes que ser específico.

El sentido común indica que esto debe ser cierto incluso si vas muy rápido. Pero no lo es. Einstein postuló el principio de equivalencia , que todas las leyes de la física deben permanecer igual sin importar dónde se encuentre en el Universo, no importa cuán rápido, no importa qué presión o calor, etc. etc. Cualquier marco de referencia respeta las mismas leyes.

Einstein se dio cuenta de que esto es particularmente extraño porque Maxwell desarrolló sus ecuaciones electromagnéticas con detalles muy explícitos, y siempre que las ondas electromagnéticas deben oscilar precisamente a la velocidad de la luz, no más rápido ni más lento. Un valor exacto. Está predicho por la ley física.

Si se supone que la velocidad de la luz es un valor, eso significa que no puede ser relativa. ¡Eso implicaría que si avanzara y luego encendiera una luz hacia adelante, esa luz sería más rápida que la velocidad de la luz! Por extraño que parezca, ¡se ha verificado experimentalmente! De hecho, la velocidad de la luz es siempre la velocidad de la luz, sin importar cuándo y dónde la mida. No puedes alcanzarlo. Entonces esto causa muchos acertijos extraños a velocidades muy altas.

Sí, este tipo recibe muchos créditos, pero la teoría de la relatividad fue un trabajo realizado por muchos físicos y matemáticos antes que él. Su genio lo trajo todo junto.

Hay dos tipos de relatividad: relatividad especial y relatividad general

RELATIVIDAD ESPECIAL

Incluso antes de la relatividad especial, la gente sabía que el movimiento era relativo. Ese es un principio fácil, el movimiento depende del marco de referencia de uno.

Pero luego aparecieron las ecuaciones de Maxwell, ampliamente exitosas, que describen gran parte del electromagnetismo.

Hubo una consecuencia peculiar: podías hacer algunas ingeniosas matemáticas y calcular la velocidad de la luz. Literalmente, sale un valor, un valor finito:

299 792 458 m / s

¡Qué absurdo!

Si conozco la velocidad “absoluta” de la luz, podría medir la velocidad de la luz en mi marco de referencia y podría deducir mi velocidad “absoluta”. ¡Eso va en contra de toda la física anterior!

Ah buena idea! Vamos a intentarlo. Este fue el objetivo del experimento de Michelson-Morley:

Al hacer que uno de los brazos se mueva a lo largo de la dirección de la velocidad y el otro perpendicular a él, puede detectar la velocidad absoluta. Sin embargo, no midieron ningún cambio, fue un resultado NULO. Lo que esto significaba era que no importaba cuán “rápido” viajaras, la velocidad de la luz era la misma.

Le tomó a Einstein reunir todo para explicar lo que estaba sucediendo. Lo que estaba mal no era la noción de velocidad fija de la luz o incluso el movimiento relativo, sino cómo nos transformamos entre cuadros de referencia, así es como los valores de tiempo y espacio cambian de acuerdo con las características del cuadro en el que lo estás viendo.

Las matemáticas no están más allá de la escuela secundaria, pero algunas de las implicaciones son alucinantes. La noción de tiempo y espacio se convirtió en un concepto local, es decir, depende nuevamente de su marco de referencia.

Las transformaciones se conocen como las transformaciones de Lorentz.

Cuando realmente entiendes estas ecuaciones, prácticamente te EMPIEZAN a “fusionar” el tiempo y el espacio. Así como tiene una fórmula de distancia que es invariable en la geometría euclidiana, obtiene un intervalo espacio-tiempo que es invariante del marco de referencia. Esta es la base del espacio-tiempo. No hay una “cosa” física que represente el espacio-tiempo, es solo que las matemáticas esencialmente nos dicen que unamos los dos.

RELATIVIDAD GENERAL

Lo que molestó a Einstein fue que la Relatividad Especial solo podía explicar el movimiento uniforme sin aceleración.

Imagina una mosca en el disco giratorio de un gramófono

Lo observa moverse en círculo con una distancia de la circunferencia, pero, por otro lado, la mosca experimenta una distancia “contraída”. La mosca realmente no “viaja” con respecto al disco, pero ahora en lugar de movimiento, es una fuerza que es “tipo” de producir el mismo efecto.

El siguiente experimento mental de Einstein:

Lo llevó a mostrar que la aceleración y la gravedad eran indistinguibles. Si está encerrado dentro de una caja, no habría forma de deducir si estaba acelerando o siendo empujado por la fuerza de la gravedad.

A medida que avanzaba el trabajo, las matemáticas nuevamente rogaban por la noción de espacio-tiempo, pero en lugar de centrarse en cómo la masa distorsiona el espacio-tiempo. La esencia principal es:

1. Curvas de masa espacio-tiempo (la parte v mathy)
2. El espacio-tiempo le dice a la masa cómo moverse, que es: moverse en línea recta (no en el espacio sino en el espacio-tiempo)

Hay mucho más que uno no puede explicar sin las matemáticas y que está más allá de mí en este momento. Pero espero que esto arroje algo de luz sobre el tema.

Créditos fotográficos: Google, Wikipedia, National Geographic Genius

A2A: La respuesta obvia es que GR (ecuaciones de campo de Einstein) es una teoría de la gravedad que se utiliza para calcular cómo se mueven las cosas en respuesta a la presencia de energía (la masa es una forma de energía). Esa respuesta es lo que llamamos gravedad.

Pero de lo que realmente se trata es del tipo de matemáticas que fueron utilizadas por la teoría. Básicamente hay dos formas de analizar un problema en álgebra funcional. Entonces, primero tomamos una ligera desviación hacia el método más común, antes de llegar al segundo método que utilizó Einstein.

1) Geometría funcional (¡No GR!):

Un método de análisis es proporcionar un sistema de coordenadas cartesianas ortogonales lineales planas (como una hoja plana de papel cuadriculado) y dibujar curvas funcionales sobre ellas (como una elipse), y luego proporcionar propiedades de esas funciones (parámetros del modelo) para permitir que esa función cambiar de forma y moverse en esa hoja plana (por ejemplo, en función del tiempo).

Por ejemplo, cambiando un parámetro en la fórmula para una elipse, puede transformarlo en un círculo. Y si va a una función de ecuación de campo más general, entonces básicamente la función tiene un valor diferenciable que puede calcularse en cada punto de ese espacio (en este caso, cada punto de la hoja de papel), y tiene una muy útil Herramienta versátil para analizar grandes problemas sistemáticos en física.

Básicamente, la teoría cuántica de campos es una clase muy especial de ecuaciones de campo que permiten que las funciones de onda se muevan y cambien de forma en ese sistema de coordenadas lineal del espacio-tiempo de tal manera que los resultados concuerden con las observaciones en nuestro universo real.

2) Cálculo tensorial (GR!)

La otra forma de analizar problemas es comenzar con el mismo sistema de coordenadas, pero permitir que esas coordenadas sean dobladas por una función. Imagina un poco de papel cuadriculado sobre una hoja de goma, y ​​luego dobla y estira esa goma y obtendrás el punto. Este tipo de análisis se realiza utilizando una rama de las matemáticas llamada cálculo de Tensor.

Entonces, comencemos con una hoja plana y dibujemos esa misma elipse. Ahora, en lugar de definir una función para que la elipse la transforme en un círculo, en su lugar definimos una fórmula para la cantidad de estiramiento de la hoja que necesitamos para que esa elipse se vea como un círculo. No solo eso, sino que puede estirar o contraer la hoja hasta que tenga un círculo de radio unitario. De esa manera, en nuestro análisis, solo tenemos que tratar con círculos, de hecho, solo un círculo particular (con un radio unitario).

Entonces, para las ecuaciones de campo de Einstein: cuando Einstein se enteró del cálculo del tensor, su intuición fue que este segundo tipo de análisis encajaría bien con su forma de pensar sobre la gravedad. En particular, él ya tenía una respuesta espacio-temporal de “hoja plana” para la relatividad especial, y estaba pensando en cómo incluir la masa, manteniendo algunas de las propiedades muy especiales del espacio-tiempo: esa es la constancia de la velocidad de la luz, y La invariancia de la ley física en el espacio y el tiempo.

Su genio fue tal que encontró una fórmula muy simple que usa el cálculo tensorial para expresar la cantidad correcta de flexión de ese sistema de coordenadas espacio-tiempo para cualquier distribución dada de masa (energía) en ese espacio, manteniendo todo el tiempo de relatividad y constancia de la velocidad de la luz, ¡en todas partes! Muy notable

Y una vez que se conocía esa curvatura, se podía utilizar una dinámica muy simple para permitir que esa masa se moviera en respuesta a esa curvatura. Efectivamente, la masa podría moverse “inercialmente” en línea recta a través de este espacio doblado y esto hizo cálculos de cómo evolucionan los sistemas en el tiempo, en principio bastante simple.

Luego, cuando “desdobla” el espacio, de vuelta a las coordenadas de la hoja plana, lo que era una dinámica de línea recta, se dobla y se parece a la órbita de un planeta (por ejemplo).

Por supuesto, no es tan simple, porque una vez que la masa se mueve, entonces tienes que recalcular la curvatura que causa, pero esto es trivial a bajas densidades de energía, y a altas densidades de energía sigue siendo manejable computacionalmente (que es cómo podemos calcular qué sucede cuando los agujeros negros se fusionan, por ejemplo, algo imposible de hacer si se toman enfoques de geometría funcional.

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Entonces, para resumir:

Resulta que a altas densidades de energía, se vuelve demasiado complicado (¡imposible!) Usar geometría funcional para calcular resultados gravitacionales, y se vuelve demasiado complicado (¡imposible!) Usar cálculo de tensor para calcular los resultados de la teoría cuántica de campos. Y esta es la razón fundamental por la que no tenemos una sola teoría unificada para todas las fuerzas. Los físicos expresan esto diciendo que GR a alta densidad de energía simplemente no funciona correctamente si aplica los principios de re-normalización en los que QFT se basa para obtener respuestas correctas a energías más altas.