Tipărire
Categorie: Teoria relativităţii
Accesări: 11100

EterEinstein s-a arătat suspicios încă din adolescenţă la faptul că se considera că lumina se supunea unui alt set de reguli decât obiectele materiale: nu i se aplica principiul inerţiei al lui Galilei. Se considera că lumină era vibraţia unei substanţe misterioase numite eter. Einstein a invalidat existenţa eterului. Cum? Citeşte mai departe...

 

CUPRINS
4.2 Principiul relativităţii

 

La momentul naşterii lui Einstein trecuseră deja două secole de acceptare a principiului inerţiei al lui Galileo Galilei.  Acest principiu poate fi definit prin aceea că experimentele nu produc rezultate diferite din cauza mişcării cu viteză constantă şi în linie dreaptă a aparatelor (ori, un pic mai clar, observatorii aflaţi în sisteme de referinţă inerţiale înregistrează aceleaşi rezultate ale experimentelor). De pildă, dacă aruncăm o minge în sus în timp ce ne aflăm într-un avion, nu se întâmplă nimic neobişnuit; mingea va cădea înapoi în mâinile noastre. Mişcarea este relativă. Din punctul nostru de vedere, avionul stă în vreme ce oraşele şi fermele trec pe sub noi.

Adolescentul Einstein era însă suspicios pentru că unul dintre profesorii săi îi spusese că undele de lumină se supuneau unui alt set de reguli decât obiectele materiale; în particular, luminii nu i se aplica principiul inerţiei. Se considera că undele de lumină erau în fapt vibraţiile unei substanţe misterioase numite eter, iar viteza luminii ar trebui văzută ca relativă la acest eter. Astfel, deşi piatra de temelie a studiului materiei era de două secole ideea că mişcarea este relativă, ştiinţa luminii părea că conţină conceptul conform căruia un anumit sistem de referinţă era în stare absolută de repaus raportat la acest eter şi era de aceea preferat sistemelor de referinţă aflate în mişcare.

Experimentele au eşuat însă să detecteze misteriosul eter. Aparent acesta înconjura totul şi era prezent chiar şi în obiectele fizice; dacă lumina era o undă vibrând în eter, atunci eterul era până şi în sticlă ori în ochi. S-a dovedit surprinzător de dificilă însă detectarea acestui eter. Lumina poate, de asemenea, călători prin vid (aşa cum fac razele solare prin spaţiul extraterestru în drumul lor către Pământ), aşa că eterul părea imun la pompa de vid (cu ajutorul căreia se extrăgea aerul din recipiente).

 

 

Einstein a decis că nimic din acestea nu au sens. Dacă eterul era imposibil de detectat ori manipulat, atunci poate că putea spune că nu exista deloc. Dacă eterul nu exista, care era semnificaţia faptului că experimentele arătau că viteza luminii este de 3x108 metri pe secundă? Faţă de ce era viteza luminii relativă? Am putea, măcar în teorie, să ne plimbăm pe motocicleta tânărului Einstein şi să călătorim lângă o rază de lumină? În acest sistem de referinţă raza de lumină ar avea viteza zero, dar toate experimentele păreau să arate că viteza luminii era mereu 3x108 metri pe secundă. Einstein a decis că viteza luminii era dictată de legile fizicii, aşa că ea trebuie să fie aceeaşi în toate sistemele de referinţă. Acest lucru a pus lumina şi materia pe picior de egalitate: ambele se supuneau legilor fizicii, care erau aceleaşi în toate sistemele de referinţă.

Principiul relativităţii: rezultatele experimentelor nu se modifică din cauza mişcării constante şi rectilinii a aparatelor; sunt incluse atât materia, cât şi lumina.

Este aproape acelaşi principiu ca cel al inerţiei al lui Galileo, cu menţiunea că este afirmat clar faptul că se aplică şi luminii.

Acest lucru este greu de asimilat. Dacă un câine se îndepărtează de mine cu 5 m/s relativ la trotuar, iar eu alerg după el cu 3 m/s, viteza câinelui în sistemul meu de referinţă este de 2 m/s. În acord cu tot ce am învăţat despre  mişcare, câinele trebuie să aibă viteze diferite în două sisteme de referinţă: 5 m/s în sistemul de referinţă al trotuarului şi 2 m/s în sistemul meu de referinţă. Cum poate, aşadar, o rază de lumină să aibă aceeaşi viteză atunci când este urmărită de cineva?

 

Experimentul Michelson-Morley

 

Michelson

 

 

În fapt, constatarea stranie că viteza luminii este constantă era deja demonstrată în faimosul experiment Michelson-Morley efectuat în 1887. Michelson şi Morley au proiectat un aparat ingenios pentru a măsura diferenţa de viteză dintre razele de lumină călătorind de la est la vest şi de la nord la sud. Mişcarea Pământului în jurul Soarelui, care se face la viteza de 110.000 Km/h (aproximativ 0,01 din viteza luminii) este către vest pe timpul zilei. Michelson şi Morley credeau în ipoteza eterului, aşa că se aşteptau ca viteza luminii să aibă o valoare fixă raportată la eter. Pe măsură ce Pământul se deplasează prin eter, cei doi se aşteptau să observe că viteza luminii este afectată pe linia de deplasare de la est la vest. În fapt, ei se aşteptau ca o rază de lumină direcţionată către vest pe timpul zilei să se îndepărteze cu o viteză mai mică decât cea normală pentru că Pământul călătorea prin eter. De aceea ei au fost surprinşi când au constatat că diferenţa de viteză aşteptată de 0,01% nu a fost detectată.

 

FitzGerald

 

 

Deşi experimentul Michelson-Morley avea o vechime de aproximativ 20 de ani la momentul publicării primei lucrări despre relativitate de către Einstein, în 1905, acesta - foarte probabil - nu a ştiut despre experiment. La acea dată Einstein lucra încă la biroul elveţian de patente şi era izolat de comunitatea fizicienilor importanţi.

 

Lorentz

 

 

Spaţiul şi timpul se comprimă

Cum a explicat Einstein refuzul razelor de lumină de a se supune regulilor uzuale de adăugare şi scădere ale vitezelor? El a avut originalitatea şi curajul să sugereze o soluţie radicală. El a decis că spaţiu şi timpul suferă modificări, se comprimă, în raport cu observatorii din alte sisteme de referinţă. Pentru că distanţa=viteza*timpul, o modificare potrivită a spaţiului şi a timpului permite vitezei luminii să fie aceeaşi în sisteme de referinţă diferite. Această concluzie ar fi putut fi trasă de fizicieni cu două generaţii înainte, dar concepţiile despre spaţiul absolut şi timpul absolut stipulate de Newton erau aşa puternic înrădăcinate, încât o atare abordare radicală ca cea a lui Einstein nu a putut apărea înainte. În fapt, George FitzGerald sugerase că rezultatele negative ale experimentului Michelson-Morley ar putea fi explicate în situaţia în care Pământul, ca orice obiect fizic, s-ar contracta uşor prin tensiunea creată de mişcarea Pământului prin eter; Hendrik Lorentz a elaborat ecuaţii relevante, dar nu a avut inspiraţia de a realiza că nu obiectele fizice, ci timpul şi spaţiul erau cele care erau modificate.

 

 

Articolul de mai sus este parte din cartea Conceptual Physics (rev. 27.12.2009) scrisă de Benjamin Crowell şi aflată sub licenţa Creative Commons.