Tipărire
Categorie: Teoria relativităţii
Accesări: 30251

e=mc2Potrivit lui Einstein, totul călătoreşte în Univers prin spaţiu-timp cu viteza luminii, viteza maxim posibil de atins. Dacă staţionaţi în spaţiu, "mergeţi" prin timp cu viteză maximă, iar dacă, asemenea luminii, aţi putea călători prin spaţiu cu viteza "c", timpul dv ar sta în loc.  Incomprehensibil? Explicaţia în articol (video inclus).

ACCESAŢI AICI SECŢIUNEA SCIENTIA DEDICATĂ TEORIEI RELATIVITĂŢII



CUPRINS

Spaţiul şi timpul în universul lui Albert Einstein
Implicaţiile relativităţii
E=mc2 şi echivalenţa masă-energie
Potenţiale surse de energie ale viitorului - heliul-3 de pe Lună.
...mergi direct la videoclip.



SPAŢIUL ŞI TIMPUL. CONTINUUMUL SPAŢIO-TEMPORAL


Vom încerca în cele ce urmează, pentru uşurinţa înţelegerii noţiunilor prezentate, o analogie între deplasarea unei maşini în planul definit de direcţiile nord şi est şi deplasarea unui obiect prin cele patru dimensiuni, cele trei ale spaţiului şi timpul.

 

În prima parte a episodului prezentat în acest articol puteţi vedea un grafic al unei maşini care circulă spre est cu viteza sa maximă: 100 de mile pe oră. Spre nord nu avansează deloc - toată viteza sa este folosită pentru înaintarea înspre est. Înaintează spre est câte 100 de mile în fiecare oră. Dacă schimbăm direcţia de deplasare a maşinii spre nord-est, deşi maşina circulă în continuare cu viteza de 100 de mile pe oră (cea maxim disponibilă), ea parcurge acum mai puţin de 100 de mile pe oră înspre est deoarece o parte din viteza sa este folosită pentru a înainta şi pe direcţia nordului.

nord-est deplasare
Deplasare spre nord-est

 

Spaţiu-timpul este un model matematic care combină cele trei dimensiuni ale spaţiului şi timpul într-un continuum unic. De obicei, timpul joacă rolul celei de-a patra dimensiuni, oarecum diferită de cele trei dimensiuni spaţiale. Prin combinarea spaţiului şi a timpului într-un construct matematic unic, fizicienii au simplificat numeroase teorii, reuşind de asemeni să descrie într-un mod mai uniform funcţionarea universului la nivelul macrocosmosului, dar şi la nivel cuantic. Deşi spaţiu-timpul poate fi privit ca o consecinţă directă a teoriei relativităţii restrânse introduse de Einstein în 1905, un prim model matematic al continuumului spaţio-temporal a fost propus explicit de către unul dintre profesorii lui Einstein, pe numele său Hermann Minkowski, care într-un eseu publicat în 1908 şi care avea la bază lucrările lui Einstein, introducea conceptul de spaţiu Minkowski. Spaţiul Minkowski este cea mai timpurie abordare a perechii spaţiu şi timp ca fiind două aspecte ale unui întreg unificator, idee care reprezintă şi esenţa relativităţii speciale. Ideea de spaţiu Minkowski a condus şi la o interpretare mai geometrică a relativităţii restrânse, abordare cu implicaţii importante şi în relativitatea generalizată.

 

În mod similar ne putem gândi şi la spaţiu şi timp.Totul în Univers călătoreşte prin spaţiu şi timp cu viteza luminii - viteza MAXIMĂ posibilă. Să ne imaginăm că înlocuim estul şi nordul din exemplul anterior cu timpul şi spaţiul (vom reprezenta cele 3 dimensiuni ale spaţiului ca fiind una dintre cele două axe ale planului pe care desenăm graficul nostru, cea corespunzătoare nordului).

spatiu-timp reprezentat in 2 dimensiuni
Spaţiu-timpul "redus" grafic la numai 2 dimensiuni

 

Dacă staţi pe loc în spaţiu (neavansând deci către direcţia nord), asta înseamnă că vă deplasaţi cu viteză maximă prin timp (către ceea ce anterior era estul). Dar dacă începeţi să vă deplasaţi prin spaţiu (către nord), viteza de deplasare prin timp scade deoarece o parte din această viteza a fost deviată pe axa spaţiului. Cu cât vă deplasaţi mai repede pe axa spaţiului, cu atât scade avansul d-voastră pe cea a timpului. Dacă aţi putea călători prin spaţiu, deci raportat la axa spaţiului (nord) cu viteza luminii, nu aţi avansa deloc pe axa timpului, deci timpul "ar îngheţa" pentru d-voastră (aşa cum se întâmplă cu razele de lumină)! Iar dacă aţi putea călători mai repede decât lumina, aţi putea călători înapoi în timp!


IMPLICAŢIILE RELATIVITĂŢII


Amintiţi-vă de faptul că diferiţii observatori trebuie să se pună mereu de acord cu privire la viteza luminii, iar asta înseamnă că vor fi în dezacord cu privire la "componentele vitezei": timpul şi distanţa. Atât timpul cât şi distanţa devin mai scurte pentru observatorii aflaţi în mişcare. Efectele contraintuitive ale relativităţii - dilatarea timpului şi contracţia lungimii - depind în mod dramatic de viteza d-voastră de deplasare. La vitezele cu care ne deplasăm în viaţa cotidiană aceste efecte trec pur şi simplu neobservate. Cele mai mari viteze cu care s-au deplasat vreodată oamenii nu depăşesc câteva mile pe secundă, doar o mică, foarte mică fracţiune din viteza cu care călătoreşte lumina-186,000 de mile pe secundă (ori 300,000 de km/s).



Dar în universul lui Albert Einstein, spaţiul şi timpul nu mai sunt absolute. Nu putem vorbi de un timp unic, la care oricine din Univers să se poată raporta şi nici de distanţe prin spaţiu cu privire la care să se pună toată lumea de acord. Spaţiul şi timpul, asemenea vitezelor în fizica clasică, capătă sens doar relativ la un anumit observator.

 

Einstein a preferat să vorbească despre o singură entitate - spaţiu-timpul (adesea numit şi continuumul spaţiu-timp) - în care evenimentele şi măsurătorile au loc. Un observator poate înregistra două evenimente ca separate printr-o mare distanţă în spaţiu, dar petrecându-se în aproape acelaşi punct în timp (aproape simultan din punctul său de vedere), în timp ce un alt observator vede aceleaşi două evenimente ca având loc în zone vecine ale spaţiului, dar la momente de timp îndepărtate unul de altul. În timp ce separările în timp şi spaţiu între cele două evenimente vor fi diferite în cele două cazuri, ecuaţiile lui Einstein permit celor doi observatori să fie de acord cu privire la distanţa combinată prin spaţiu-timp.

 

E=mc2. ECHIVALENŢA MASĂ-ENERGIE

Nu doar ideile noastre referitoare la spaţiu şi timp au fost radical modificate de teoria relativităţii a lui Einstein. Einstein a înţeles că trebuie să regândim întregul model teoretic existent despre energie. Dacă privim cu atenţie la un proton aflat într-un accelerator de particule, este simplu pentru oamenii de ştiinţă să observe că doar o parte din energia utilizată creşte în mod efectiv viteza particulei. Restul de energie introdusă în sistem creşte masa particulei. Cu cât particula se deplasează mai repede, cu atât ea devine mai grea! Când călătoreşte cu aproape viteza luminii, aproape toată energia folosită se regăseşte într-un  surplus de masă al particulei. Acesta este şi motivul pentru care o particulă cu masa nenulă nu poate atinge niciodată viteza luminii. Ea devine mai grea în loc să se deplaseze mai repede!

Acest fapt este rezumat de cea mai faimoasă ecuaţie a lui Einstein, poate cea mai faimoasă ecuaţie din întreaga istorie a ştiinţei: E = mc2. Dincolo de faptul că defineşte energia unui corp aflat în repaus, semnul egal semnifică şi faptul că materia poate fi transformată în energie  şi viceversa. Factorul de conversie - viteza luminii la pătrat (c2) - reprezintă un număr enorm. Potrivit ecuaţiilor lui Einstein, o cantitate infimă de materie ar putea fi convertită într-o cantitate enormă de energie, lucru reuşit de oameni în practică prin controlarea reacţiei de fisiune nucleară, folosită în cazul bombelor atomice ori pentru producerea energiei în centralele nuclear-electrice. Dar E=mc2 reprezintă mai mult decât bombele atomice. Înţelegerea faptului că masa poate fi convertită în energie a făcut posibilă descifrarea mecanismului fuziunii nucleare, de producere a energiei la nivelul Soarelui şi altor stele, încă un mister în vremea lui Einstein. A deschis şi drumul pentru explorarea misterioaselor tărâmuri din interiorul atomilor şi descoperirea unor întregi familii de noi particule, toate create din energie pură cu ajutorul unor  puternice acceleratoare de particule.

La începutul secolului al XXI-lea, centralele atomoelectrice furnizează în jur de 20% din necesarul energetic al SUA, convertind o mică parte din masa fiecărui atom de uraniu folosit în energie utilizabilă. Faţă de ideile sale despre spaţiu şi timp, ecuaţia care exprimă echivalenţa dintre masă şi energie a lui Einstein a avut un impact chiar mai profund asupra lumii noastre, dar şi asupra modului nostru de viaţă.

 

MINERITUL PE LUNĂ ŞI FUZIUNEA NUCLEARĂ CONTROLATĂ

Există voci din comunitatea ştiinţifică potrivit cărora până la jumătatea secolului al XXI-lea reactoare de fuziune nucleară alimentate cu heliu-3 (un izotop al heliului similar tritiului) extras de pe Lună, unde este disponibil din abundenţă, vor converti şi mai multă masă în energie (cu un randament superior celui atins în reacţiile de fisiune nucleară), iar asta fără a da naştere unor deşeuri periculoase, fie acestea radioactive ori de altă natură.


Teoria relativităţii pe înţelesul tuturor, partea a V-a



Notă: articolul de mai sus, cu excepţia paragrafului marcat cu ghilimele (a cărui sursă este wikipedia.org), reprezintă adaptarea textului folosit în film.
Traducerea şi adaptarea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com