¿Existen buenos libros de divulgación científica sobre la relatividad y la mecánica cuántica adecuados para estudiantes de secundaria? (un poco profundo)

1. El principio de relatividad de Galileo y la visión espacio-temporal de la mecánica clásica

Sistema inercial: Objeto sobre el que no actúan fuerzas externas o cuya fuerza neta sí lo es. El cero permanece en reposo o se mueve en línea recta con velocidad constante. Un sistema de referencia de este tipo se denomina sistema de referencia inercial o, para abreviar, sistema inercial.

(Nueva idea: si reconoces la causa de la fuerza no uniforme en experimentos físicos y calculas esta fuerza (fuerza inercial), entonces puedes salir del sistema no inercial y hacer experimentos en el sistema inercial. sistema Con la misma conclusión, un marco no inercial se puede tratar como un marco inercial (esto es similar al principio de relatividad general).

Todos los sistemas inerciales de movimiento lineal uniforme son completamente equivalentes a las leyes mecánicas que describen el movimiento mecánico. Cualquier experimento mecánico realizado "dentro" del sistema inercial no puede determinar si el sistema inercial en sí está estacionario o se mueve en línea recta uniforme. Este principio se llama principio de relatividad mecánica o principio de relatividad de Galileo.

Newton dijo: "El tiempo absoluto, real, matemático transcurre por sí mismo, uniformemente por su naturaleza e independientemente de cualquier objeto externo". "El espacio absoluto, por su propia naturaleza, no tiene nada que ver con nada en él". (Ver "Principios matemáticos de la filosofía natural" de Newton)

2. Antecedentes de la teoría de la relatividad especial

A finales de 19 , la gente sabía que la velocidad de la luz era limitada. Al medir la velocidad de la luz, se descubrió que la luz de las lunas de Júpiter llega a la Tierra al mismo tiempo, independientemente de si la Tierra se acerca o se aleja de los satélites. Esto no se ajusta al principio de superposición de velocidad del movimiento del objeto (la velocidad del cuadro A en relación con el cuadro B es V1, la velocidad del objeto en relación con A es V2 y la velocidad del objeto en relación con B es V1 + V2) , pero es consistente con la naturaleza de las fluctuaciones. Como todas las ondas conocidas en aquella época tenían un medio, la gente suponía que la luz también tenía un medio, por eso se le llamó "éter". La luz se propagaba de forma estable en el éter, por lo que era similar a.

Debido a que la Tierra no es un cuerpo celeste especial en el universo, el éter debería moverse con respecto a la Tierra. Los famosos experimentos de A.A. Michelson y E.W. Morley demostraron que el éter que se mueve con respecto a la Tierra no existe. , es decir, si hay éter, está estacionario con respecto a la tierra. Esto es un poco diferente de algunas personas que piensan que el éter no existe.

En 1905, Einstein propuso dos hipótesis:

1. Principio de relatividad: La física tiene la misma expresión matemática en todos los sistemas de referencia inerciales, es decir, todos los sistemas de referencia inerciales equivalen a describir fenómenos físicos. (Definitivamente suficiente)

2. Principio de velocidad constante de la luz: en cualquier sistema de referencia inercial que se mueve en línea recta con velocidad uniforme entre sí, la velocidad de propagación de la luz medida en el vacío es igual.

De 1964 a 1966, el CERN realizó mediciones experimentales precisas de la velocidad de la luz en el sincrotrón de protones, verificando directamente el principio de que la velocidad de la luz es constante. Los resultados experimentales muestran que un mesón (registrado como una potencia de 0) producido en un sincrotrón vuela a una alta velocidad de 0,99975c. Se desintegra durante el vuelo e irradia fotones con una energía de 6000000000eV. La velocidad del fotón medida en el laboratorio sigue siendo c.

En tercer lugar, la visión espacio-temporal de la teoría especial de la relatividad

La teoría especial de la relatividad proporciona a las personas una visión espacio-temporal que es diferente de la mecánica clásica. Según la mecánica clásica, dos eventos que ocurren simultáneamente en diferentes lugares con respecto a un sistema inercial también ocurren simultáneamente con respecto a otro sistema inercial en movimiento relativo. Pero la teoría de la relatividad señala que la cuestión de la simultaneidad es relativa, no absoluta. Dos eventos que ocurren simultáneamente en diferentes lugares de un sistema inercial no necesariamente ocurren simultáneamente en otro sistema inercial. La mecánica clásica cree que la medida del espacio y el tiempo no cambia con la elección del sistema inercial, lo que significa que la medida del espacio y el tiempo es absoluta. La teoría de la relatividad sostiene que las medidas del espacio y el tiempo son relativas, no absolutas, y diferirán según la elección del sistema inercial. Todo esto es una manifestación concreta de la visión espacio-temporal de la relatividad especial.

Relatividad de la Simultaneidad

Hagamos un experimento hipotético. Un tren que circula a velocidad constante tiene dos señales A1 y B1 en la parte delantera y trasera respectivamente. Cuando coinciden con las dos marcas A y B en el suelo, emiten destellos de luz respectivamente. Los receptores se instalan en el punto medio de C de A y B y en el punto medio de C1 de A1 y B1 respectivamente. El punto C recibirá señales de ambos extremos al mismo tiempo y la transmisión de la señal lleva tiempo. Durante este tiempo el tren avanza de modo que C1 recibe primero la señal del frente y luego la señal de atrás. En otras palabras, diferentes marcos de referencia no consideran que dos eventos ocurran al mismo tiempo. "Al mismo tiempo" es relativo.

En cuarto lugar, transformación de coordenadas de Lorentz

La fórmula de Lorentz fue establecida por Lorentz para compensar los defectos expuestos en la teoría clásica. Lorenz fue un físico teórico y el fundador de la teoría clásica del electrón.

El sistema de coordenadas K1 (O1, X1, Y1, Z1) se mueve en línea recta a una velocidad uniforme con respecto al sistema de coordenadas K (O. El eje X coincide con el eje X1. Cuando T1=T= 0, el origen O1 coincide con O. Sea p un evento "observado" y el observador lo "ve" en el sistema K. Lo que sucede en (x, y, z) en el instante t, pero desde la perspectiva de un observador del sistema K1, es (X1, Y1, Z1) que sucede en el instante T1. Esta transformación entre dos sistemas de coordenadas se llama transformación de coordenadas de Lorentz.

Antes de derivar la transformación de Lorentz, como postulado, debemos asumir que el tiempo y el espacio están unificados, por lo que la relación de transformación entre ellos debe ser lineal. Si las ecuaciones no son lineales, entonces los resultados de la medición de los intervalos espaciales y temporales de dos eventos específicos estarán relacionados con la posición y el tiempo de ese intervalo en el sistema de coordenadas, destruyendo así la unidad del tiempo y el espacio. Por ejemplo, suponiendo que X1 está relacionado con el cuadrado de X, es decir, X 1 = AX ^ 2, entonces la relación entre la distancia de los dos sistemas K1 y sus coordenadas en el sistema K se expresa como XB ^ 2). Ahora suponemos que hay una varilla de longitud unitaria en la serie K, y su punto final cae en Xa=2m, Xb=1m, luego X1a-X1b=3Am. Si los puntos finales de la misma varilla son Xa=5m y Xb=4m, entonces obtenemos X1a-X1b=9Am. De esta forma, la medida de una misma varilla cambiará dependiendo de la posición de la misma en el espacio. Para que la selección del origen de nuestro sistema de coordenadas espacio-temporales no tenga alguna particularidad física respecto a otros puntos, la fórmula de transformación debe ser lineal.

Primero escribe la transformación galileana: X = X 1+vt 1

Según el principio de relatividad especial, K y K1 son equivalentes, y las formas de los dos anteriores; Las ecuaciones deben ser las mismas (excepto los símbolos), por lo que las constantes de proporcionalidad K y k1 en las dos ecuaciones deben ser iguales, es decir, k = k1 existe.

Por lo tanto, X1=k(X-VT).

Para obtener una determinada regla de transformación es necesario encontrar la constante k. Según el principio de velocidad constante de la luz, suponiendo que cuando O y O1 coinciden (T=T1=0), la señal óptica avanzará a lo largo del eje OX desde el punto de coincidencia, luego en cualquier momento T (medido con el sistema de coordenadas K1, que es T1), la señal óptica Las coordenadas del punto de llegada estarán en dos sistemas de coordenadas. X1=CT1

xx1=k^2(x-vt)(x 1+vt 1)

c^2 tt1=k^2 TT 1(c-v)(c+ v )

De esto

k = 1/(1-v^2/c^2)^(1/2)

Por lo tanto

t1=(t-vx/c^2)/(1-v^2/c^2)^(1/2)

t1+vx/c^2)/( 1 -v^2/c^2)^(1/2)

Hipótesis de Einstein:

1. Las leyes que siguen los cambios en el estado de los sistemas físicos están relacionadas con el uso. de dos No importa cuál de los sistemas de coordenadas que se mueven uniformemente describe estos cambios de estado.

2. Cualquier luz se mueve a una determinada velocidad c en el sistema de coordenadas "estacionario", independientemente de si la luz es emitida por un objeto estacionario o en movimiento.

"