¿Qué poderosos hechos experimentales prueban firmemente la exactitud de la relatividad especial?
La fórmula masa-energía (e = mc2) establece que la energía total de una sustancia es equivalente a su masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz. Muestra que la energía y la masa se pueden convertir entre sí y que la velocidad de la luz es constante. Esta fórmula fue propuesta por Einstein cuando publicó su teoría de la relatividad especial en 1905. Se considera la base de la teoría especial de la relatividad y también sentó las bases para una nueva visión del espacio y el tiempo.
Anteriormente, otros físicos habían utilizado varios experimentos indirectos para demostrar la exactitud de la fórmula masa-energía. Sin embargo, los científicos creen que estos experimentos tienen ciertos requisitos previos, lo que puede generar dudas sobre la amplia aplicabilidad de la fórmula masa-energía. Los científicos estadounidenses publicaron un artículo en la revista "Nature" publicado el 22 de febrero de 2010, afirmando que su método puede respaldar directamente la fórmula masa-energía.
El principio de este experimento es: Según la fórmula masa-energía, cuando un núcleo captura un nuevo neutrón, su masa se convertirá en la suma de las masas del pronúcleo y del neutrón, y luego se restará la masa consumida en el proceso energía de enlace de neutrones. La energía de enlace de neutrones incluye la energía de los rayos gamma y la energía de retroceso liberada después de las colisiones nucleares. Por lo tanto, midiendo el cambio de masa del núcleo atómico antes y después del bombardeo de neutrones y la energía liberada durante el bombardeo, y luego comparándolos, se puede verificar la exactitud de la fórmula masa-energía.
Los científicos eligieron átomos de silicio y azufre para realizar experimentos. Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología miden la longitud de onda de un rayo gamma basándose en el ángulo de dispersión en la red cristalina, que determina la energía del rayo gamma. Los científicos del MIT utilizaron trampas electromagnéticas para "fijar" átomos antes y después de capturar neutrones y medir con precisión sus masas.
Los resultados de sus mediciones muestran que la diferencia entre la masa y el producto del cuadrado de la velocidad de la luz (MC2) y la energía (E) es de aproximadamente cuatro diezmilésimas, lo que es suficiente para ilustrar la exactitud de la Fórmula masa-energía. Los científicos afirman en el artículo que ésta es "la verificación directa más precisa de la fórmula masa-energía hasta la fecha", que es 55 veces mayor que la prueba anterior.
Como todos sabemos, el científico italiano Galileo y el científico británico Newton son los fundadores de la mecánica clásica.
1642 65438 Newton nació en el seno de una familia de agricultores en el pueblo de Woolsthorpe, Lincolnshire, el 25 de febrero. A los 12 años, cuando estudiaba en una escuela pública en Grantham, su rendimiento académico no era sobresaliente, pero amaba la lectura y tenía una gran curiosidad por los fenómenos naturales. En 1611, Newton estudió en el Trinity College de la Universidad de Cambridge y se convirtió en un estudiante destacado. En 1669, a la edad de 27 años, se convirtió en profesor de matemáticas en la Universidad de Cambridge. En 1672 fue elegido miembro de la Royal Society. En 1687, Newton publicó sus famosos Principios de Filosofía Natural. Newton utilizó su propio cálculo para resolver con éxito el problema de los dos cuerpos y el problema de los tres cuerpos en la teoría de la gravedad. ¡Se puede decir que la mecánica clásica hizo una enorme contribución al progreso y desarrollo de la humanidad en las condiciones históricas de aquella época!
Existe un término en la mecánica clásica llamado sistema inercial. Se refiere a todos los sistemas de referencia que permiten establecer leyes de movimiento lineal uniforme. Si queremos establecer las leyes de la mecánica, el estado de movimiento del sistema de coordenadas no puede ser arbitrario. No debe haber aceleración (sólo movimiento uniforme) ni rotación (sólo movimiento lineal). Por ejemplo, en el sistema solar, la Tierra no se mueve en línea recta hacia el Sol a una velocidad uniforme, por lo que, estrictamente hablando, la Tierra no es un sistema inercial. Pero cuando consideramos algunos fenómenos de movimiento en la Tierra, el sistema de referencia terrestre todavía puede considerarse como un sistema inercial.
La mecánica clásica cree que las leyes de la mecánica, el tiempo, la longitud, la aceleración, la masa y la simultaneidad son absolutas, y sólo las coordenadas y la velocidad del movimiento del objeto son relativas. Esta es la "visión absoluta del espacio-tiempo" de Newton. Sin embargo, este "concepto absoluto de tiempo y espacio" y las deficiencias de no ser apto para movimientos de alta velocidad no fueron quedando expuestos gradualmente hasta el final de 19 años. En 1891, debido al descubrimiento de los electrones, los científicos se enfrentaron por primera vez a partículas microscópicas que se movían a altas velocidades. En ese momento, la mecánica clásica de Newton parecía impotente. Por tanto, la mecánica clásica es sólo una teoría mecánica que sólo es aplicable a objetos macroscópicos que se mueven a bajas velocidades.
Alberto. Einstein nació en la ciudad alemana de Ulm en marzo de 1879 de padres judíos.
Al igual que Newton, Einstein no mostró una inteligencia extraordinaria en su juventud. Al contrario, no puede hablar ni siquiera cuando tiene más de 4 años, y a su familia incluso le preocupa que sea un imbécil. En 1888, cuando tenía 9 años, ingresó a la escuela secundaria y no destacó en sus estudios. Además de ser bueno en matemáticas, no era muy bueno en otras clases. A la edad de 12 años, Einstein renunció a sus creencias religiosas. Descubrió que a su alrededor había un vasto mundo natural que existía independientemente de los humanos, como un misterio eterno. Por lo tanto, Einstein se apasionó especialmente por la ciencia cuando era niño, con la esperanza de dominar los misterios de la naturaleza.
En 65438-0896, Einstein fue admitido en el Instituto Federal de Tecnología de Zurich. Mientras estaba en la universidad, Einstein estaba fascinado por la física. Leyó las obras de los famosos físicos alemanes Kirchhoff y Hertz, estudió la teoría electromagnética de Maxwell y la mecánica de Mach y, a menudo, iba a casa de un profesor de física teórica en busca de consejo. En 1900, Einstein se graduó en la universidad. En 1902, con la ayuda de su amigo Grossmann, Einstein se convirtió en técnico general en la Oficina Federal Suiza de Patentes en Berna.
El 30 de junio de 1905, los "Anales alemanes de física" aceptaron el artículo de Einstein "Sobre la electrodinámica de los objetos en movimiento" y lo publicaron en septiembre del mismo año. Este artículo fue el primer artículo sobre la relatividad especial, y posteriormente (también en 1905) se publicó otro artículo, ¿Está relacionada la inercia de un objeto con la energía que contiene? 》Además, en 1907, Einstein publicó un largo artículo sobre los principios de la relatividad y las conclusiones extraídas de ellos. Estos tres artículos contienen las ideas básicas y los contenidos principales de la relatividad especial y también son la base de nuestra discusión.
Entonces, ¿cuál es la diferencia entre la teoría especial de la relatividad de Einstein y la mecánica clásica de Newton? Einstein creía que sólo las leyes de la física y la velocidad de la luz en el universo son absolutas, mientras que otras (incluido el tiempo, la longitud, la masa, la simultaneidad, etc.) son relativas. Por lo tanto, tanto la longitud como el tiempo cambian con el movimiento del sistema de referencia, por lo que el espacio y el tiempo son relativos y están relacionados entre sí. Éste es también el origen del término "relatividad". ¿Por qué también se le llama "Relatividad Especial"? Esto se debe a que esta parte de la teoría sólo es aplicable a sistemas inerciales que se mueven de manera relativamente uniforme en línea recta.
2.Repaso de los principales contenidos de la teoría especial de la relatividad.
La teoría especial de la relatividad de Einstein se puede resumir en 10 aspectos principales, a saber, 1 transformación, 2 postulados, 3 fórmulas y 4 corolarios. La siguiente es una breve introducción a los contenidos principales de estos 10 aspectos:
Las transformaciones (1) y (1) son transformaciones de Lorentz, que son diferentes de las transformaciones de Galileo. La transformación galileana cree que en diferentes sistemas de referencia, el tiempo es absoluto y la velocidad (incluida la velocidad de la luz) es relativa. La transformación de Lorentz cree que el tiempo es relativo y la velocidad de la luz es constante. Si la velocidad de un objeto es mucho menor que la velocidad de la luz, entonces la transformación de Lorentz se simplifica a la transformación de Galileo.
(2) Dos postulados: El primer postulado es que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas inerciales, que es lo que solemos llamar el "principio de la relatividad especial". Esto significa que en todos los sistemas inerciales no sólo se cumplen las leyes de la mecánica, sino también las leyes del electromagnetismo, la óptica y los átomos. El segundo postulado es el postulado de la "velocidad constante de la luz": es decir, la velocidad de la luz en el vacío es constante, independiente del movimiento del observador o de la fuente de luz, e independiente del color de la luz. Más específicamente, la velocidad de la luz c en el vacío no tiene nada que ver con la frecuencia de la luz, el movimiento de la fuente de luz y el movimiento del observador, sino que siempre mantiene un valor constante (c=299792458m/s).
(3) Estas tres fórmulas son la fórmula de síntesis de velocidad, la fórmula de velocidad masa y la relación masa-energía:
A. Fórmula de síntesis de velocidad: Cuando un sistema se mueve a velocidad v, si Un objeto en el sistema se mueve en la misma dirección con velocidad u. La velocidad sintética w de la relatividad especial se expresa de la siguiente manera. Obviamente, solo si
b. Fórmula masa-velocidad: m es la masa dinámica de cualquier partícula u objeto, mo es su masa estática. Si su velocidad de movimiento es v > c, entonces m se convierte en imaginaria. número. . Por lo tanto, Einstein creía que la masa virtual no tiene sentido, lo cual es una de las razones por las que la teoría especial de la relatividad dice que "el movimiento superligero es imposible".
c.Relación masa-energía: E = mc? En 1922, Einstein explicó la fórmula de la siguiente manera: Se puede ver que la masa y la energía son similares en naturaleza, simplemente son expresiones diferentes de la misma cosa. La masa de un objeto no es constante, cambia a medida que cambia su energía.
(4) Los cuatro corolarios son que la longitud de la dirección del movimiento se acorta, el reloj de movimiento se ralentiza, la masa en reposo de los fotones es cero y la materia y la información no pueden moverse más rápido que la velocidad de la luz. .
Como se puede ver en la revisión anterior, el contenido principal de la teoría especial de la relatividad se refleja en "1 transformación y 2 postulados", y existe una estrecha conexión entre ellos. En cuanto a las "tres fórmulas y cuatro inferencias", se derivan de las tres anteriores.
3. Principales cuestiones y dudas sobre la teoría especial de la relatividad de Einstein.
La teoría especial de la relatividad tiene una historia de 101 años desde que fue propuesta. En la actualidad, debido a que la relatividad especial no puede explicar completamente muchos problemas de la física moderna, algunos científicos en China, Estados Unidos y Alemania están diseñando varios experimentos para volver a probar la exactitud de la relatividad especial. En los últimos diez años, las dudas de la comunidad científica internacional se han centrado principalmente en los siguientes cuatro aspectos: el postulado de "la velocidad de la luz es constante", la inferencia "la longitud de la dirección del movimiento se acorta", y la "masa en reposo del fotón es cero". Inferencia, inferencia "la materia y la información no pueden moverse más rápido que la velocidad de la luz". En última instancia, el motivo de la duda es la falta de evidencia experimental, mientras que el número de experimentos que lo refutan sigue aumentando.
(1). Cuestionamiento del postulado de la “velocidad constante de la luz”:
La luz es una onda electromagnética, una onda que se propaga en un campo electromagnético. La onda en el campo electromagnético debe tener su velocidad característica, que es igual a la velocidad de la luz, al igual que la velocidad de las ondas sonoras en el aire en calma tiene un valor determinado. Y como la velocidad de la luz no tiene nada que ver con la velocidad de la fuente, la velocidad de la luz es una constante para el sistema de coordenadas absoluto (esto se ha demostrado en la teoría electromagnética de Maxwell y Lorentz). Puede reflejar algunas características del sistema de coordenadas absoluto, por lo que la velocidad de la luz tiene su invariancia.
Además, la teoría especial de la relatividad sostiene que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, y la velocidad de la luz no tiene nada que ver con la velocidad del receptor. Pero creemos que la velocidad de la luz está estrechamente relacionada con la del receptor, es decir, la velocidad del observador afectará directamente a la velocidad de la luz medida por el receptor: la velocidad de la luz medida por el receptor corriendo en la misma dirección que el La luz se reducirá y la velocidad de la luz medida por el receptor que corre en la dirección opuesta a la luz se reducirá. La velocidad de la luz aumentará. Por ejemplo, las observaciones de la radiación de microondas de 3K y las ondas de radio de las radiogalaxias han descubierto una anisotropía significativa en la dirección del movimiento de la Tierra. Estos experimentos astronómicos demostraron que la velocidad de la luz está relacionada con la velocidad del receptor. Entonces la velocidad de la luz es variable.
En definitiva, la velocidad de la luz sigue desempeñando un papel importante y especial. Su importancia significa que es necesario definir algunos conceptos básicos (como el sistema de coordenadas absoluto, etc.), y su particularidad significa que es una cantidad variable e inmutable, etc.
(2) Cuestionar la inferencia de que la masa en reposo de los fotones es cero;
"La masa en reposo de los fotones es cero" es en realidad el segundo postulado de la teoría especial de la relatividad, porque Einstein creía que, en relación con todos los sistemas inerciales, cuando la luz se propaga a una velocidad constante c en el vacío, no habrá ningún sistema en reposo para los fotones, por lo que la masa en reposo de los fotones debe ser cero. Al mismo tiempo, según la inferencia de la teoría especial de la relatividad, los fotones se reducirán a cero y los fotones son partículas sin volumen. Asimismo, los relojes fotónicos se estancarían y perderían el concepto de tiempo. Este asunto siempre ha preocupado a los científicos y se han realizado muchos experimentos. En la década de 1970, cuando el famoso físico experimental Ting Zhaozhong estaba realizando experimentos con fotones y electrones en un acelerador en Hamburgo, descubrió que los fotones no tienen masa en reposo. Cuando los fotones tienen mayor energía, rápidamente se convierten en partículas con una determinada vida útil y masa. A este fenómeno lo llamó fotones pesados. Los resultados experimentales anunciados por el japonés Masatoshi Oshiba en 1998 demostraron que los neutrinos contienen una masa en reposo de unos 10 g y ganaron el Premio Nobel de Física en 2002. Sabemos que los fotones y los neutrinos son muy similares, lo cual es muy destacable. El 28 de febrero de 2003, las "Physical Review Letters" estadounidenses publicaron los nuevos resultados obtenidos por Luo Jun, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en China, y su equipo de investigación en el estudio "Utilizando un Balanza de torsión de precisión para probar el límite superior de la masa estática de fotones".
En cualquier caso, la masa en reposo de un fotón no excederá los 10 kilogramos, que es 1/20 del límite superior de masa del fotón previamente conocido. O masa del electrón 10 elevado a menos 24. Al respecto, el físico estadounidense R. Luck comentó: "Nunca se puede decir con certeza que algo sea cero absoluto".
(3) Cuestionar la inferencia de que no existe la posibilidad de una velocidad superligera.
Sabemos que un grupo de físicos europeos fundó la mecánica cuántica en 1925. Aunque el mundo cuántico que describe es a menudo muy diferente de la experiencia de la vida humana, 81 años de historia científica han demostrado que de ninguna manera es una teoría vacía y poco realista. Ha resuelto muchos problemas prácticos que se necesitan con urgencia para el desarrollo de la ciencia y la ciencia. tecnología. Por lo tanto, es una rama de la ciencia de gran éxito que tiene las características de la teoría científica moderna.
La relatividad especial es esencialmente clásica, macroscópica y localizada, mientras que la mecánica cuántica es no clásica, microscópica y no local, por lo que son fundamentalmente inconsistentes. Por eso Einstein insistió en oponerse a la mecánica cuántica. La relatividad especial no permite estados superluminales, pero la no localización de la mecánica cuántica sugiere que los estados superluminales son posibles. De hecho, el problema de la velocidad de la superluz simplemente ilustra la aguda contradicción entre la relatividad especial y la mecánica cuántica.
En los últimos diez años, muchos científicos han informado sobre experimentos superluminales no materiales (campos electromagnéticos, ondas, pulsos de luz, etc.). ) y sus resultados. Por ejemplo, en el experimento "Photon Racing" realizado por un equipo encabezado por R. Chiao en la Universidad de California, Berkeley, en 1992, la velocidad del fotón obtenida fue 1,7c (c es la velocidad de la luz de 1992 a 1997); , el profesor G. Nimtz de la Universidad de Colonia en Alemania realizó un experimento con microondas. Los resultados medidos fueron 4,7 cy 4,34 c en el primer trimestre de 2003, un grupo de investigación compuesto por el profesor Huang Zhixun, el profesor Kuai y el estudiante graduado Guan Jian de; El Instituto de Radiodifusión de Beijing realizó experimentos de frecuencia de ondas de radio y obtuvo los resultados utilizando un sistema coaxial que simulaba cristales fotónicos. Se determina la velocidad del grupo superluminal de la banda de parada y los datos se distribuyen en (1,5 ~ 2,4) C. En la actualidad, en diferentes países, expertos y académicos de diversos orígenes y disciplinas profesionales están utilizando métodos teóricos o experimentales para estudiar la cuestión de la velocidad de la superluz y han llegado a la conclusión afirmativa de que "existe la posibilidad de la velocidad de la superluz". Esto no es en modo alguno accidental.
En resumen, Einstein fue un gran y destacado científico y colaborador durante toda su vida. Sabemos que en la investigación de las ciencias naturales, "la práctica es el estándar para probar la verdad". En la actualidad, muchos experimentos han demostrado que la teoría especial de la relatividad de Einstein no es una verdad absoluta, sino un sistema teórico que es básicamente correcto, solo aplicable a velocidades subluz y tiene sus propias limitaciones. La relatividad especial sigue siendo hasta cierto punto una teoría clásica y necesita mejorarse y desarrollarse sobre la base de nuevas situaciones y nuevos experimentos.
Referencias
1. Varios temas en el estudio de la relatividad especial, Profesor Huang Zhixun, Instituto de Radiodifusión de Beijing
2. , Profesor del Instituto de Radiodifusión de Beijing, Huang Zhixun.
3. La base teórica de la investigación superluminal es el profesor Huang Zhixun del Instituto de Radiodifusión de Beijing.