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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Teoría especial de la relatividad. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. En 1905, en la revista científica alemana Annalen der Physicist, apareció un breve artículo de 30 páginas impresas en un libro de veintiséis años. Albert Einstein "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento", en el que se expuso casi por completo la teoría especial de la relatividad, que pronto hizo famoso al joven experto de la oficina de patentes. En el mismo año, apareció en la misma revista el artículo "¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía contenida en él?", como complemento del primero. La teoría especial de la relatividad no apareció de la nada, surgió de la solución del problema electrodinámico de los cuerpos en movimiento, en el que muchos físicos han estado trabajando desde mediados del siglo XIX. Intentaron descubrir la existencia de un medio de éter en el que se propagaban las ondas electromagnéticas. Se suponía que el éter penetra a través de todos los cuerpos, pero no toma parte en su movimiento. Se construyeron varios modelos del éter luminífero, se propusieron hipótesis sobre sus propiedades. Parecía que el éter inmóvil podía servir como ese marco de referencia en reposo absoluto, en relación con el cual Newton consideraba los movimientos "verdaderos" de los cuerpos. Según el punto de vista de Newton, hay "relojes normales" en el Universo que cuentan el curso del "tiempo absoluto" desde cualquier punto. Además, existe el "movimiento absoluto", es decir, "el movimiento de un cuerpo de un lugar absoluto a otro lugar absoluto". Durante doscientos años, los principios de Newton se consideraron correctos e inquebrantables. Ningún físico los ha cuestionado. Ernst Mach fue el primero en criticar abiertamente los principios de Newton. Comenzó su carrera científica en el Departamento de Física Experimental y tenía su propio laboratorio en Austria. Mach realizó experimentos con ondas sonoras y estudió el fenómeno de la inercia. Mach trató de refutar los conceptos de "espacio absoluto", "movimiento absoluto", "tiempo absoluto". Einstein estaba familiarizado con el trabajo de Mach, y este conocido desempeñó un papel importante en su trabajo sobre la teoría de la relatividad. En la física experimental también se cuestionaron los dogmas newtonianos. La tierra se mueve en su órbita alrededor del sol. A su vez, el sistema solar vuela en el espacio mundial. En consecuencia, si el éter ligero está en reposo en el "espacio absoluto" y los cuerpos celestes lo atraviesan, entonces su movimiento con respecto al éter debería causar un "viento etéreo" perceptible que podría detectarse utilizando instrumentos ópticos sensibles. Un experimento para detectar el "viento etéreo" fue establecido en 1881 por el estadounidense Albert Michelson sobre la base de una idea expresada 12 años antes. Maxwell. Michelson razonó de la siguiente manera: si el globo se mueve a través de un éter absolutamente inmóvil, entonces un rayo de luz lanzado desde la superficie de la Tierra, bajo ciertas condiciones, será llevado de regreso por el "viento etéreo", que sopla hacia el movimiento del Tierra. El "viento etéreo" debería surgir solo debido al desplazamiento de la Tierra en relación con el éter. Michelson construyó y probó la primera configuración experimental en Berlín, todos los instrumentos se montaron en una losa de piedra y se podían girar como uno solo. Luego, los experimentos se trasladaron a Estados Unidos y se llevaron a cabo con la participación del amigo cercano y colaborador de Michelson, Edward Morley. Los científicos han creado un interferómetro de espejo, que podría registrar incluso el "viento de éter" más débil. Los resultados de todos los experimentos realizados tanto en 1881 como en 1887 negaron la existencia de cualquier "viento etéreo". El experimento de Michelson todavía puede considerarse uno de los más famosos y destacados de la historia de la física. Según el propio Einstein, fue de gran importancia para el nacimiento de la teoría de la relatividad. Pero no todos los físicos estaban de acuerdo en que el éter no existía y que los principios de Newton no solo debían ser cuestionados, sino descartados para siempre. físico holandés hendrik lorenz en 1895 trató de "salvar" el éter. Sugirió que los cuerpos que se mueven rápidamente experimentan una contracción. Incluso antes de Lorentz, en 1891, el físico irlandés George Fitzgerald hizo una sugerencia similar, que Lorentz desconocía. Lorentz y Fitzgerald escribieron que todos los objetos "bajo la presión" del éter se aplanan, se acortan. La placa, en la que se encuentran todos los dispositivos, y los propios dispositivos se acortan. Tanto el globo como las personas en su superficie se acortan, y la magnitud de todos estos acortamientos y aplanamientos es igual a tal magnitud como para equilibrar el efecto del "viento etéreo". Los científicos también introdujeron una corrección para el tiempo de propagación del "viento etéreo". Estas ideas fueron solo especulaciones con poco o ningún apoyo. En el otoño de 1904, Henri Poincaré también trató de "salvar" el éter absolutamente inmóvil. Trató de formular los cálculos de Lorentz en forma de una teoría más o menos coherente, pero esta "teoría" era sólo una formalidad. Las mentes más grandes estaban tristes, parecía que no había salida a esta situación. Pero la salida la encontró Albert Einstein, sacó a la física del callejón sin salida y la dirigió en una nueva dirección. Einstein, cuando todavía estaba en la escuela en Aarau, a menudo realizaba un experimento mental: lo que una persona podía ver moviéndose detrás de una onda de luz a la velocidad de la luz. Fue esta pregunta la que sirvió de inicio a las reflexiones sobre lo que luego se denominó teoría de la relatividad. Sobre el inicio de su razonamiento, Einstein escribió: “Era necesario tener una idea clara de lo que significan en física las coordenadas espaciales y el tiempo de algún evento”. Einstein comenzó explorando el concepto de simultaneidad. Así, la mecánica newtoniana afirma que, en principio, es posible la propagación de interacciones (es decir, la transmisión de señales, información) con velocidad infinita. Y según la teoría de Einstein, la velocidad de la luz, que es la velocidad máxima de transmisión de señales, sigue siendo finita y, además, tiene el mismo valor para todos los observadores de trescientos mil kilómetros por segundo. Por lo tanto, el concepto de "simultaneidad absoluta" está desprovisto de cualquier significado físico y no se puede aplicar. Einstein llega a la conclusión de que la simultaneidad de eventos espacialmente separados es relativa. La razón de la relatividad de la simultaneidad es la finitud de la velocidad de propagación de las señales. Es cierto que no podemos imaginar esto claramente, ya que la velocidad de la luz es mucho mayor que las velocidades con las que nos movemos. Si la "simultaneidad absoluta" es imposible, entonces no puede existir el "tiempo absoluto", que es el mismo en todos los marcos de referencia. La noción de "tiempo absoluto", que fluye de una vez por todas a un ritmo determinado, completamente independiente de la materia y su movimiento, resulta ser errónea. Cada marco de referencia tiene su propia "hora local". La doctrina del tiempo de Einstein fue un paso completamente nuevo en la ciencia. Se descartó el "tiempo absoluto" y, dado que el tiempo y el movimiento están estrechamente relacionados, se hizo necesario eliminar el concepto newtoniano de "movimiento absoluto". Esto es lo que hizo Einstein. El primer y principal postulado de la teoría de Einstein, el principio de la relatividad, establece que en todos los marcos de referencia que se mueven uniforme y rectilíneamente entre sí, operan las mismas leyes de la naturaleza. Así, el principio de relatividad de la mecánica clásica se extrapola a todos los procesos de la naturaleza, incluidos los electromagnéticos. Si es necesaria una transición de un marco de referencia a otro, entonces se deben usar las transformaciones de Lorentz. Einstein nombró estas ecuaciones como una señal de profundo respeto por el trabajo de su predecesor. Einstein en su teoría de la relatividad reemplazó el éter de luz con un campo electromagnético. Muchos científicos reaccionaron muy dolorosamente ante tal giro, no pudieron aceptar el hecho de que el éter no existe. Incluso el gran holandés Lorenz creyó en la existencia del éter hasta su muerte. El segundo postulado de Einstein establece que la velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los marcos de referencia inerciales. No depende ni de la velocidad de la fuente ni de la velocidad del receptor de la señal luminosa. La velocidad de la luz es el límite superior para todos los procesos que ocurren en la naturaleza. La velocidad de la luz es la velocidad límite, ninguno de los procesos en la naturaleza puede tener una velocidad mayor que la velocidad de la luz. Dos famosas paradojas o consecuencias se derivan de la constancia de la velocidad de la luz: la relatividad de las distancias y la relatividad de los intervalos de tiempo. La relatividad de las distancias radica en el hecho de que la distancia no es un valor absoluto, sino que depende de la velocidad del cuerpo en relación con un marco de referencia dado. Las dimensiones de los cuerpos en movimiento rápido se reducen en comparación con la longitud de los cuerpos en reposo. ¡Al acercar la velocidad del cuerpo a la velocidad de la luz, sus dimensiones se acercarán a cero! Lorentz también expresó algo similar cuando trató de "salvar" el éter en el experimento de Michelson. La relatividad de los intervalos de tiempo consiste en ralentizar la velocidad de los relojes en un marco de movimiento rápido en comparación con los relojes en un marco de referencia en reposo en relación con el primero. Los efectos descritos anteriormente son llamados relativistas por los físicos, es decir, se observan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. ¿Qué sucederá si tratamos de acelerar un cuerpo material a velocidades cercanas a la velocidad de la luz? La teoría de la relatividad afirma la equivalencia de masa y energía de acuerdo con la ahora famosa fórmula, que se puede expresar en palabras de la siguiente manera: "La energía es igual a la masa por el cuadrado de la velocidad de la luz". Inicialmente, un aumento de la energía del cuerpo va acompañado de un sutil aumento de la masa y, en consecuencia, de la inercia del cuerpo. Por lo tanto, se vuelve un poco más difícil acelerarlo más. A medida que la velocidad se acerca a la velocidad de la luz, este efecto, cada vez más impresionante, hace que sea imposible superar la velocidad de la luz. La fórmula de Einstein recibió una brillante confirmación a finales de los años treinta en las reacciones de fisión del uranio. Al mismo tiempo, una milésima parte de la masa total desapareció para revelarse completamente nuevamente en forma de energía atómica. Incluso en las reacciones químicas ordinarias, se observa la relación de Einstein, pero las cantidades de materia que aparecen o desaparecen durante la reacción son menos de una diez mil millonésima parte de la masa total, por lo que es imposible detectarlas incluso con balanzas muy precisas. Es importante enfatizar que en la teoría especial de la relatividad se considera un movimiento uniforme, es decir, un movimiento a una velocidad constante, en el que la dirección del movimiento no cambia. Si el movimiento se produce con una aceleración debida a fuerzas externas, como la atracción gravitatoria, entonces ya no se puede aplicar la teoría especial de la relatividad. Lo que Einstein descubrió e introdujo en la física fue verdaderamente revolucionario, por lo que pocos físicos se dieron cuenta de inmediato de que la teoría especial de la relatividad es un descubrimiento brillante. Entre los que entendieron estaba Max Planck, quien escribió: "El concepto de tiempo de Einstein supera en audacia todo lo que hasta este momento se ha creado en las ciencias naturales especulativas e incluso en la teoría filosófica del conocimiento". En 1908, el matemático alemán Hermann Minkowski, quien enseñó a Einstein en el Politécnico de Zúrich, creó un aparato matemático para la teoría especial de la relatividad. En su famoso discurso en el Congreso de Naturalistas y Médicos Alemanes el 21 de septiembre de 1908, Minkowski dijo: "Los conceptos de espacio y tiempo que estoy a punto de desarrollar ante ustedes han crecido en el suelo de la física experimental. Esta es su fuerza. Conducirán a consecuencias radicales. A partir de ahora, el espacio mismo y el tiempo mismo desaparecerán por completo en el reino de las sombras, y solo una especie de unión de ambos conceptos conserva una existencia independiente. Desde entonces, el "mundo de Minkowski" se ha convertido en una parte integral de la teoría especial de la relatividad. Einstein le dijo una vez a James Frank: "¿Por qué exactamente creé la teoría de la relatividad? Cuando me hago esta pregunta, me parece que la razón es la siguiente. Un adulto normal no piensa en el problema del espacio y el tiempo al mismo tiempo". todo. Según él, ya había pensado en este problema en la infancia. Me desarrollé intelectualmente tan lentamente que el espacio y el tiempo ocuparon mis pensamientos cuando me convertí en un adulto. Naturalmente, pude penetrar más profundamente en el problema que un niño con inclinaciones normales. " Einstein no tenía la confianza "adulta" de que los problemas globales del mundo ya habían sido resueltos. Este sentimiento no fue reprimido por la acumulación de conocimientos e intereses especiales. Reflexionó sobre el concepto de movimiento y volvió a la idea inherente a la infancia de la humanidad, a la antigua idea de la relatividad, que luego fue oscurecida por el concepto de éter como un cuerpo de referencia absoluto. Cuando se descartó el concepto de éter, Einstein concluyó que el movimiento no puede ser absoluto. Autor: Samin D.K.
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