RelativitatePartea a doua a seriei dedicate teoriei relativităţii face o trecere în revistă a ideilor din fizică la momentul revoluţiei iniţiate de Einstein. Astfel, veţi afla despre J.C.Maxwell şi teoria electromagnetismului, despre experimentul Michelson-Morley şi semnificaţia acestuia, precum şi despre experimentul lui Alväger.


ACCESAŢI AICI SECŢIUNEA SCIENTIA DEDICATĂ TEORIEI RELATIVITĂŢII



CUPRINS

Un alt exemplu de relativitate clasică
Rezistă relativitatea clasică la viteze foarte mari?
J.C. MAXWELL şi teoria electromagnetismului
CRIZA de la sfârşit de secol XIX
Scurtă perspectivă istorică. Eterul. Experimentul MICHELSON-MORLEY. Experimentul lui ALVÄGER.
Postulatul lui Einstein
Bibliografie

...mergi direct la videoclip



UN ALT EXEMPLU DE RELATIVITATE CLASICĂ

Să începem analiza pe tema relativităţii şi luminii folosind personajele şi povestea unui vechi show de televiziune american: SkyKing. Imaginaţi-vă că zburaţi cu Sky King (eroul seriei de televiziune) în avionul acestuia – Songbird - şi aveţi cu d-voastră o puşcă de calibru 22. Ştiţi că zburaţi cu viteza de 150 de mile pe oră şi mai ştiţi, de asemeni, că atunci când trageţi cu puşca glontele părăseşte ţeava puştii cu viteza de numai 100 de mile pe oră. Astfel că avionul zboară mai repede decât glonţul.

Ce se întâmplă oare în momentul în care îndreptaţi puşca în direcţia de deplasare a avionului şi apăsaţi trăgaciul? Părăseşte glonţul vreodată ţeava puştii din moment ce zburaţi cu viteza de 150 de mile pe oră, iar glonţul se deplasează cu doar 100 de mile pe oră? Răspunsul este evident pentru oricine este obişnuit cu relativitatea clasică, cea care se aplică în viaţa de zi cu zi. Bineînţeles că glonţul va părăsi ţeava puştii: viteza glonţului relativ la puşcă se adaugă la viteza avionului, astfel că glonţul "pleacă" cu viteza de 250 de mile pe oră faţă de sol.



Puteţi judeca problema şi în felul următor: glonţul "merge" (faţă de sol) cu 150 de mile pe oră doar stând nemişcat pe ţeava puştii, din moment ce el se mişcă împreună cu d-voastră, Sky King şi Songbird. Când descărcaţi arma, glonţul este propulsat în exteriorul acesteia, spre înainte, cu un SUPLIMENT de viteză de 100 mph. Astfel că glontele părăseşte ţeava puştii cu viteza de 250 de mile pe oră RELATIV la sol, respectiv 100 de mile pe oră relativ la d-voastră, SkyKing şi Songbird!

Aceasta este relativitatea clasică: pur şi simplu se însumează vitezele.

În continuare, să facem un pas înainte, înlocuind puşca cu o lanternă. Vom avea nevoie de un scenariu imaginar. Să presupunem că sunteţi împreună cu Snoopy (eroul unor benzi desenate) şi al său aparat imaginar de zbor, numit „Sopwith Camel” (de fapt, casa câinelui său). Ştiţi cu certitudine faptul că, la sol, lumina lanternei d-voastră călătoreşte cu viteza de 300,000 de kilometri pe secundă. În continuare, din noul aparat de zbor îndreptaţi lanterna către înainte şi aprindeţi-o.

snoopy
Snoopy şi al său
Sopwith Camel

 

Va călători lumina cu 300,000 de kilometri pe secundă PLUS viteza "avionului" lui Snoopy? Oricine a avut contact în liceu, prin intermediul unui film documentar  ori într-o simplă discuţie cu vreun prieten pasionat de fizică, cu teoria relativităţii, intuieşte că avem de-a face cu o întrebare capcană şi cunoaşte răspunsul (unul negativ), fără însă, de cele mai multe ori, a-l şi înţelege.

REZISTĂ RELATIVITATEA CLASICĂ LA VITEZE FOARTE MARI ?

Exemplul cu însumarea vitezelor glonţului şi a avionului este poate cel mai reuşit mod de a explica relativitatea clasică. Versiunea clasică a relativităţii - simpla însumare a vitezelor - a funcţionat perfect pentru multe secole, pentru descrierea mişcării trăsurilor, vapoarelor, jocului de baseball şi camioanelor, ba chiar şi a zborului avioanelor, rachetelor şi gloanţelor.

Numai că relativitatea clasică este doar o foarte bună aproximare a realităţii.

La viteze foarte, foarte mari, relativitatea clasică nu mai funcţionează. Dar acest lucru nu a devenit clar decât când oamenii de ştiinţă au început să zboare (imaginar, asemenea lui Einstein) cu "Sopwith Camels" şi au examinat natura celui mai rapid lucru cunoscut de om - lumina.

JAMES CLERK MAXWELL ŞI TEORIA ELECTROMAGNETISMULUI

La mijlocul secolului al XIX-lea, era deja cunoscut de multă vreme faptul că electricitatea putea fi folosită pentru a crea un magnet, respectiv că magneţii puteau fi folosiţi pentru a genera electricitate. Iar omul care a realizat prima fotografie color, James Clerk Maxwell, a unificat toate cunoştinţele care existau despre electricitate şi magnetism sub forma a 4 ecuaţii splendide. Aceste ecuaţii descriu comportamentul unei unde electromagnetice care călătoreşte prin vid cu exact viteza măsurată a luminii. În fapt, această undă este reprezentată de însăşi lumina. Aşadar, potrivit lui Maxwell, lumina este o undă electromagnetică care se mişcă prin spaţiul cosmic cu viteza de 300,000 de kilometri pe secundă.

Numai că, privind problema din punct de vedere al relativităţii, se naşte, în mod absolut firesc, o întrebare ... relativ la ce este măsurată această viteză? Ecuaţiile lui Maxwell păreau a spune că lumina se deplasează cu 300,000 de kilometri pe secundă relativ la orice!

CRIZA DE LA SFÂRŞIT DE SECOL al XIX-lea

Aceasta era confuzia cu care se confruntau fizicienii la începutul secolului XX. Dacă Maxwell avea dreptate, atunci lumina se deplasează întotdeauna cu viteza "c", de 300,000 de kilometri pe secundă. Dar dacă relativitatea clasică este o teorie corectă, atunci nu există viteze absolute, iar viteza luminii ar trebui să depindă de cel care face măsurătorile şi să ţină cont de mişcarea acestuia relativ la sursa de lumină.

Cum ar putea aceste idei să fie corecte simultan? Fie înţelegerea noastră a fenomenului mişcării, fie teoriile despre electromagnetism şi lumină, erau în pericol. Însăşi bazele fundamentale ale fizicii se aflau în faţa unei crize profunde. Un funcţionar de doar 26 de ani de la Biroul de Patente din oraşul elveţian Berna, pe nume Albert Einstein avea să ofere o cale de a depăşi această criză.

SCURTĂ PERSPECTIVĂ ISTORICĂ. ETERUL. EXPERIMENTUL MICHELSON-MORLEY. EXPERIMENTUL LUI ALVÄGER.

Pentru o şi mai bună înţelegere a cadrului istoric care precede revoluţia introdusă de Albert Einstein în fizica modernă, să facem o scurtă trecere în revistă a ideilor majore din fizica finalului de secol XIX legate de caracterul şi viteza luminii. În acea vreme era încă în discuţie subiectul naturii luminii, continuând dispute vechi de secole între adepţii ideilor lui Isaac Newton, care susţineau că  lumina ar un caracter corpuscular, respectiv susţinătorii ultimelor teorii, şi anume electromagnetismul lui Maxwell despre care am pomenit anterior. Balanţa înclinase în favoarea naturii ondulatorii a luminii, care era privită acum ca o formă de radiaţie electromagnetică pe care ecuaţiile lui Maxwell o descriau ca fiind o undă formată din câmpuri magnetice şi electrice şi care are viteza de 186,300 de mile pe secundă, aceeaşi valoare cu cea determinată experimental de Albert Michelson la 1879 (186,350 de mile pe secundă, cu o eroare de aprox. 30 de mile pe secundă).

Prin analogie cu comportamentul undelor sonore, care au nevoie de un mediu prin care să se propage, şi sub influenţa ideilor relativităţii clasice, se considera că este nevoie de un mediu prin care să se propage lumina, relativ la care să fie raportată valoarea vitezei acesteia obţinută pe cale experimentală şi aflată în acord şi cu valoarea teoretică prezisă de ecuaţiile lui J.C. Maxwell. Numele dat acestui mediu în epocă era de eter luminifer sau pur şi simplu eter. Acest material misterios, care era presupus a fi omniprezent, înconjurând totul şi pătrunzând prin oricare alt material, prezent şi în spaţiul interstelar, era imaginat ca fiind foarte uşor şi foarte greu de comprimat pentru a permite luminii să călătorească cu această viteză uluitoare. Toate aceste proprietăţi imaginare ale sale îl făceau extrem de greu detectabil. Dar era acesta real sau doar un construct necesar pentru a susţine relativitatea clasică? Şi dacă era real, cum să îl detectăm?

 

Acelaşi Albert Michelson imaginează un aranjament experimental folosind un instrument inventat tot de el, interferometrul, cu ajutorul căruia s-ar fi putut detecta viteza eterului relativ la Pământ. Rezultatele, chiar şi după perfecţionarea aranjamentului cu ajutorul lui Edward Morley, au fost complet neconcludente, iar singura consecinţă acceptabilă din punct de vedere logic, dar pe care autorii experimentului cu greu au admis-o ca reală, era inexistenţa eterului. Era astfel eliminată posibilitatea ca viteza luminii determinată experimental să fie una relativă la acest mediu imaginar numit eter.
(Despre experimentul Michelson-Morley, în detaliu, într-un articol viitor).


O altă variantă luată în calcul la acea vreme a fost ca lumina să aibă viteza cunoscută atunci pe baze experimentale relativ la sursă. Trebuie să scoatem din nou în evidenţă ideea că relativitatea clasică era foarte adânc înrădăcinată în modul de a gândi al comunităţii ştiinţifice de atunci, de unde şi nevoia acută de a raporta viteza măsurată a luminii la un sistem de referinţă. În epocă această teorie, care poartă numele de "teoria emiţătorului" a fost respinsă pe baze greşite. Adevărata invalidare a acestei idei avea să vină pe cale experimentală de abia în anul 1964, când o echipă condusă de Torsten Alväger, folosind dezagregarea spontană a unor particule numite pioni, a demonstrat fără putinţă de tăgadă că lumina nu putea avea (din perspectiva interpretării clasice a experimentului) o viteză fixă faţă de sursa sa.

Aceste particule neutre numite pioni se descompun în urma unor microexplozii în cadrul cărora emit lumină. Accelerând pionii la viteze relativistice (s-a reuşit accelerarea lor la 185,000 de mile pe secundă), este posibilă monitorizarea descompunerii acestora, deci şi detectarea luminii emise de ei (care devin emiţătorii pomeniţi de teorie), la aceste viteze foarte mari. S-a constatat, aşa cum era de aşteptat din perspectivă modernă, că, în ciuda "impulsului"  oferit de emiţătorul aflat în mişcare cu o viteză impresionantă, viteza luminii emise are valoarea normală, de 186,300 de mile pe secundă. Şi asta pentru
observatorul uman. În sistemul de referinţă al pionului, valoarea nu mai putea fi aceeaşi, dacă judecata s-ar fi făcut în secolul XIX...

Aşadar, în lumina celor afirmate mai sus, era nevoie de o nouă paradigmă, iar postulatul introdus în 1905 de Einstein şi pe care vi-l vom prezenta în cele ce urmează, avea să reprezinte un model teoretic în acord cu toate observaţiile experimentale existente pe atunci. Albert Einstein avea să mărturisească ulterior că la momentul formulării relativităţii restrânse nu avusese cunoştinţă de experimentul Michelson-Morley.  Mai precizăm şi faptul că relativitatea specială nu rezultă ca o consecinţă logică a celor de mai sus. Vorbim în schimb de un construct teoretic la baza căruia stă un postulat, o axiomă, construct care s-a dovedit a fi în acord cu experimentele şi ideile trecute şi care a rezistat şi testelor experimentale care au urmat.

POSTULATUL LUI EINSTEIN

Einstein a acceptat ca şi corecte aceste două noţiuni aparent contradictorii  (relativitatea şi electromagnetismul) şi a modificat cursul ştiinţei. El a acceptat ideea de relativitate a mişcării, reformulând-o după cum urmează: „Orice persoană aflată în mişcare cu viteză constantă va observa aceleaşi legi ale fizicii cu un observator staţionar”. Şi, din moment ce viteza luminii este parte integrantă a acestor legi ale fizicii, Einstein a postulat că toţi observatorii vor măsura aceeaşi valoare a vitezei luminii, indiferent de starea lor de mişcare ori de repaus.

Numai că viteza este măsura variaţiei distanţei în timp. Iar pentru a se pune de acord cu privire la viteza luminii, diverşii observatori trebuie să fie în dezacord în ceea ce priveşte distanţa şi timpul! Dacă trebuie să fim de acord în ceea ce priveşte viteza luminii, se pare că va trebui să fim în dezacord în ceea ce priveşte componentele vitezei, distanţa şi timpul. Ce a spus Einstein în această privinţă, şi anume despre fenomenele de dilatare a timpului şi contracţie a lungimilor, veţi afla în episodul următor...


Teoria relativităţii pe înţelesul tuturor, partea a III-a



Bibliografie:
cassiopeiaproject.com/vid_courses3.php?Tape_Name=Relativity
galileoandeinstein.physics.virginia.edu/lectures/michelson.html