Spaţiu timpCe sunt spaţiul şi timpul? Există ele în mod absolut sau doar în raport cu materia? Constituie un decor fix sau sunt scena pe care se joacă spectacolul vieții? Asemenea întrebări sunt vechi precum însăși filozofia. Cum au văzut fizicienii dinainte de Einstein spaţiu-timpul?

 

 

 

 

Filozoful stoic, Zenon din Citium, 344 – 262 î.e.n (a nu fi confundat cu înaintașul Zenon din Elea, autor al paradoxurilor lui Zenon), susținea că spațiul şi timpul sunt ireale, din moment ce ele nu pot acționa asupra materiei şi nici nu se poate acţiona asupra lor de către materie. Asemenea argumente erau cândva considerate pur metafizice. Dacă este așa, atunci Sonda Gravitațională B („Gravity Probe B” – misiune spațială bazată pe sateliți) dovedește că și propozițiile metafizice pot fi testate prin experimente! Ar fi greu de imaginat o demonstrație mai directă că spațiu-timpul acționează asupra materiei decât efectul geodetic (deformările spațiu-timpului înclină un giroscop care se învârte) sau o dovadă mai convingătoare că materia reacționează asupra spațiu-timpului decât efectul de „tragere” (în procesul său de rotație, Pământul trage spațiul și timpul după el).

 

 

Viziunea lui Zenon a fost o versiunea extremă a viziunii relaționale a spațiului (spațiul există în măsura în care acesta este asociat materiei). De fapt, el a considerat conceptul de „spațiu gol” ca fiind o contradicție în termeni, din moment ce dacă spațiul ar fi fost într-adevăr gol, nu ar mai fi fost nimic, prin urmare, totul era inexistent.

Contrar acestei viziuni este viziunea absolută, conform căreia spațiul există în mod independent față de materie, poate fi urmărită înapoi în timp până la Leucippus din Abdera (în jurul anului 450 î.e.n), primul dintre atomiștii greci (mai târziu epicurienii) care a introdus conceptul unui gol preexistent, asemeni „golului dintre atomi”. Cea mai timpurie afirmație „supraviețuitoare” referitoare la viziunea absolutistă a fost atribuită de către Max Jammer (în „Concepte ale Spațiului”, 1954) filozofului pitagoreic Archytas (428 – 347 î.e.n): „Din moment ce tot ce se mișcă este mișcat într-un anumit loc, este de la sine înțeles că locul în care obiectul este mișcat sau va fi mișcat trebuie întâi să existe”.

Aristotel (384 – 322 î.e.n) a construit o minuțioasă teorie hibridă a viziunilor absolute și relaționale. Acesta a fost destul de disprețuitor faţă de predecesorii săi, scriind (în cartea 4 a „Fizicii”): „Întâmpinăm probleme când încercăm să spunem care este locul exact a unui obiect... Nici predecesorii mei nu au reușit să găsească un răspuns sau măcar să formuleze unele întrebări pe baza acestui subiect”. A acceptat argumente similare cu cele ale lui Archytas, însă nu agrea deloc idea atomistică a golului, „din moment ce nu poate fi preferată o linie de mișcare mai mult decât cealaltă, în măsura în care golul, ca atare, este incapabil de diferențiere... atunci, cum poate exista orice mișcare naturală în golul nelimitat, nediferențiat?”. Pentru a ocoli acest impediment, Aristotel a dezvoltat idea ingenioasă conform căreia spațiul este definit de ceea ce îl conține. Aristotel a progresat în acestă direcție, ajungând la captivanta imagine a unui univers al cărui cadru de referință este definit de firmament, având ca limită superioară stelele, iar ca limită inferioară, centrul Pământului: „Centrul Universului și suprafața interioară a „cerurilor rotative” constituie limitele absolute, inferioare și superioare; prima fiind absolut stabilă, iar a doua, constantă, ca întreg, pe poziția sa”.


Antichitatea târzie până în Evul Mediu

Natura timpului și a spațiului au fost dezbătute cu nerăbdare în această manieră, de către antici. Filozoful epicurian Lucretius (99 – 55 î.e.n) este posibil primul care a argumentat explicit, o viziunea relațională a timpului, notând în „Natura Universului” că: „Timpul ca entitate nu există... Nu trebuie presupus că cineva simte timpul ca entitate separată de mișcarea lucrurilor”.

Claudius Ptolemeu (85 – 165), în esență, a completat sistemul lui Aristotel, folosind numai mișcări circulare și viteze uniforme astfel încât să „salveze fenomenul” în fața creșterii observațiilor precise. Modul în care a făcut aceste lucruri indică viziunea absolută, opusă aspectului relațional al gândirii lui Aristotel, care anticipează principiul lui Mach numai în măsura în care „cadrul stelelor fixe” sau „centrul Pământului” poate fi considerat drept material. Adoptând ideea timpurie a lui Hipparchus, Ptolemeu a deplasat, mai întâi, centrul orbitei Soarelui față de centrul Pământului (excentritate). Apoi, a adăugat unele noțiuni planetare, precum deferent, epiciclu și ecuant (toate acestea erau puncte sau curbe preferate în spațiul gol, unele dintre ele având chiar propriile mișcări). Este posibil să fi intenționat introducerea unor asemenea „puncte vide” pentru a avea poziții definite sau mișcări relative față de un tip de materie divină care pătrundea în gol, deoarece a notat (în lucrarea sa „Almagest”): „Prima cauză a primei mișcări a Universului, dacă cineva o consideră simplă, poate fi imaginată asemeni unei zeități invizibile și nemișcate”. Dacă această ipoteză este adevărată, atunci Ptolemeu l-a anticipat pe Newton, care se va referi la noțiunea de spațiu absolut cu câteva secole mai târziu, în lucrare sa „Opticks”.

Sfântul Augustin (354 – 430) a dat o întorsătură teologică argumentelor lui Lucretius privind natura relațională a timpului, după cum a afirmat în lucrarea „Confessions”, subliniind că „Dumnezeu a creat lume cu timp, nu în timp”. Cu alte cuvinte, timpul a început să existe odată cu apariția materiei, opinie care prevestea teoria big-bang-ului susținută astăzi de cosmologi.

Concepțiile lui Aristotel au fost dominante pentru majoritatea perioadei, însă au fost ocazional combătute de unii liber-cugetători îndrăzneți, asemeni lui John Philoponus (490 – 570), care a susținut o perspectivă mai pur absolută și a reacționat împotriva ideii că spațiul este definit de ceea ce îl conține: „Locul nu este parte adiacentă a corpului înconjurător...Este un interval dat, măsurabil în trei dimensiuni; este distinct față de corpurile din interiorul lui și este, prin natura sa, imaterial. Cu alte cuvinte, este reprezentat doar de acele dimensiuni, fără nici un alt corp”.

Revoluția științifică

Nicolaus Copernicus (1473 – 1543) a re-localizat centrul Universului lui Aristotel ca fiind Soarele, și nu Pământul. Totuși, această re-localizare nu a fost atât de îndrăzneață precum s-a crezut deseori, din moment ce Hipparchus și Ptolemeu au mutat deja „orbita” Soarelui mai departe de centrul Pământului (prin introducerea excentricității). În sprijinul acestei afirmații, însăși Copernicus a notat aproape de începutul lucrării „De Revolutionibus”: „Nimic nu împiedică Pământul să se miște... Pentru că nu este centrul tuturor mişcărilor de revoluţie”. Mai mult, deși a re-centrat Universul pe Soare, Copernicus nu a atașat dinamic spațiul la cadrul de referinţă al Soarelui sau oricărui alt corp, însă l-a urmat pe Aristotel în asocierea metafizică a acestuia cu „sfera stelelor fixe”, despre care (el a notat): „se conține pe sine și tot ce există, fiind astfel inamovibil. Este fără îndoială locul Universului, față de care mișcarea și poziția tuturor celorlalte corpuri celeste sunt comparate”.

 

50 de ani mai târziu, observațiile astronomice nu au mai putut fi reconciliate cu noțiunea de sfere planetare rigide, ceea ce l-a făcut pe Johannes Kepler (1571 – 1630) să declare: „De acum înainte, planetele își urmează traiectoriile prin eter asemeni păsărilor prin aer. Așadar, trebuie să filozofăm în mod diferit despre aceste lucruri”. Opinii precum acestea l-au condus la ideea radicală de atașare a cadrului de repaus al spaţiului la corpuri fizice şi nu la construcții metafizice (concepute prin intermediul forțelor care se extind în afara Soarelui, menținând planetele pe propriile orbite). Legile mișcărilor planetare pe care le-a dedus ulterior, au fost caracterizate de către Julian Barbour, în lucrarea „Descoperirea dinamicii” (1989), ca un „triumf asupra Principiului lui Mach”.

O schimbare subtilă, însă similară a gândirii l-a afectat și pe Galileo Galilei (1564 – 1642). În loc să identifice stelele fixe împreună cu cadrul spațial de repaus, într-un sens abstract, el a afirmat (în lucrarea „Dialogo”) că acestea sunt într-un repaus fizic în spațiu: „Stele fixe (care sunt la fel de mulți sori) sunt în acord cu Soarele nostru de a rămâne într-o stare de repaus perpetuă”. Cu toate acestea, Galileo nu s-a interesat mai departe despre cum poate fi definită această stare de „repaus” și se pare că a adoptat, mai degrabă, o viziune absolutistă a spațiului. De fapt, el a fost primul care a utilizat termenul „mișcare absolută”, în teoria mareelor. De asemenea, și Réné Descartes (1596 – 1650) a crezut, în mod implicit, în spațiul absolut și a folosit conceptul pentru a ajunge la o concluzie similară cu eventuala primă lege a mișcării a lui Newton. Cu toate acestea, după ce a aflat de procesul lui Galileo intentat de Inchiziție, a amânat publicarea rezultatelor sale cu mai mult de un deceniu, pentru ca apoi să le prefațeze (în lucrarea „Principia Philosophiae”) printr-o repudiere care preciza că toate formele de mișcare sunt, până la urmă, relative! Este posibil ca el să fi fost primul care s-a ghidat atât după viziunea absolutistă, cât și după cea relațională, în același timp.


„Găleata lui Newton”

Isaac Newton (1643 – 1727) nu a fost mulțumit cu aceste contradicții și a acuzat (în „De Gravitatione”) că dacă toate formele de mișcare sunt într-adevăr relative, precum a menționat Descartes, atunci „se subînțelege că un corp aflat în mișcare nu are o viteză determinată și nici o traiectorie definită pe care să o urmeze”. Se observa parțiala nevoie de înlăturarea a oricărei confuzii, astfel că și-a exprimat în mod categoric în aceste linii celebre ale lucrării „Principia”: „Timpul absolut, adevărat și matematic, prin însăși natura sa, curge uniform fără nici o legătură cu ceva extern... spațiul absolut, prin natura sa, fără legături cu ceva extern, rămâne mereu similar și inamovibil”. El a mai adăugat că existența spațiului absolut poate fi demonstrată prin suspendarea cu o frânghie a unei găleți cu apă, apoi rotirea acesteia, după cum este arătat în următoarea imagine.

Schița găleții lui Newton:

Găleata lui Newton

 

Faptul că suprafața apei a căpătat, gradual, o formă concavă, a arătat că rotația se producea respectând ceva; cum altfel ar fi știut ce să facă? Cu alte cuvinte, dovada existenței spațiului, ar putea fi găsită în inerția materiei. Cel mai formidabil critic al lui Newton a fost matematicianul și filozoful Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 – 1716), care a replicat într-o dezbatere cu discipolul lui Newton, Samuel Clarke, că „spațiul nu este nimic altceva decât o ordine a existențelor lucrurilor, observate ca existând împreună; astfel că ficțiunea unui univers material finit, care se mișcă într-un spațiu gol infinit, nu poate fi admisă... O asemenea acțiune ar fi fără nici model în ea: ar funcționa fără să facă nimic concret... Nu ar fi nici o schimbare, fapt care ar putea fi observat de orice persoană”.

O afirmație și mai explicită a viziunii relaționale a aparținut filozofului Bishop George Berkely (1685 – 1753), considerat „părinte al idealismului”, care a notat (în „De Motu”) că într-un spațiu gol ar fi imposibil de conceput, de exemplu, două corpuri care să orbiteze în jurul unui centru comun (pentru că un observator care se mișcă în același timp cu corpuri nu ar putea sesiza nici o modificare), însă, „presupunem că este creată bolta stelelor fixe; brusc, prin sesizarea apropierii corpurilor de diferite puncte ale boltei, mișcarea va fi percepută”.


Principiul lui Mach

Dacă afirmația lui Newton a fost definitivă pentru viziunea absolutistă a spațiului, atunci replica sa cea mai notorie a viziunii relaționale a fost Ernst Mach (1838 – 1916), care s-a adresat, în mod direct, argumentului referitor la găleată al lui Newton, notând în „Știința Mecanicii” (1883): „Nimeni nu este destul de competent pentru a spune care ar fi fost rezultatul experimentului dacă marginile vasului ar fi crescut în grosime și masă până când, în final, ar fi avut o grosime de câțiva kilometri”. Cu alte cuvinte, o găleată suficient de masivă ar putea prelua mișcarea inerțială a apei, lăsând suprafața apei să fie plată.


Modelul experimental modificat al lui Mach:

Găleata lui Mach

 

Principiul lui Mach, după cum a început să fie recunoscută această idee, s-a dovedit a fi destul de dificil a fi formulat într-o manieră precisă din punct de vedere fizic și mai dificil de a fi testat experimental. La o conferință pe acest subiect care a avut loc în 1993 la Tübingen, savanții au discutat despre cel puțin 21 de versiuni diferite ale „Principiului lui Mach” apărute în literatura științifică, unele dintre acestea fiind mutual contradictorii. Acesta este probabil motivul pentru care ideile relaționale ale lui Mach s-au dovedit a fi mai puțin prolifice şi mai degrabă surse de inspiraţie în fizică.

Totuși, ele au dus la realizarea unor investigații experimentale fascinante, chiar și înainte de perioada lui Einstein. În 1894, Immanuel Friedlaender (1871 – 1948) a căutat dovezi pentru a evidenția faptul că o roată de moară grea, aflată în rotație, poate exercita o forță de tip Mach asupra unei sensibile balanțe de torsiune, însă a recunoscut (în lucrarea „Mișcare absolută sau relativă?”) că nu a avut nici un rezultat viabil.

Cunoscutul fizician August Föppl (1854 – 1924) a căutat o metodă de asociere între mișcarea de rotație a Pământului și o pereche de volante grele, având alinierea axelor de rotație reglabilă de-a lungul liniilor de latitudine sau de longitudine. Nici el nu a reușit să obțină vreun rezultat, însă a notat că precizia experimentală a fost limitată la aproximativ două procente. Föppl și-a publicat lucrarea în 1904, cu un an înainte de apariția teoriei speciale a relativităţii a lui Einstein.


Experimentul lui Föppl:

Experimentul lui Foppl

 

Chiar și Einstein a fost influențat de viziunea lui Mach, astfel că, în 1918, a notat Principiul lui Mach ca unul dintre cei trei piloni ai teoriei sale generale a relativității. Cu toate acestea, ulterior a devenit clar că relativitatea generală este cel mult parțial „Machiană”, astfel că interesul lui Einstein a scăzut. În 1954, i-a scris unui coleg: „De fapt, nimeni nu ar trebui să mai discute deloc despre Principiul lui Mach”. (De cealaltă parte, entuziasmul inițial al lui Mach referitor la munca lui Einstein a început să scadă, iar în 1913 a declarat: „Trebuie... cu certitudine să neg faptul de a fi un predecesor al relativiștilor”)

Experimentele asemeni Sondei Gravitaționale B nu trebuie imaginate ca teste ale Principiului lui Mach (care nu este definit corect), ci, mai degrabă, ca teste ale unor teorii specifice ale gravitației (care ar putea sau nu să aibă încorporate caracteristici „Machiane” bine definite, cum ar fi fenomenul de „tragere”). Totuși, este posibil să ne imaginăm că Sonda Gravitațională B este o realizarea modernă a experimentului cu găleata al lui Newton, în care vasul rotativ, uriaș și masiv, este planeta noastră, iar rolul suprafeței apei este jucat de giroscoapele orbitale care sunt de milioane de ori mai sensibile decât cele mai bune sisteme giroscopice inerțiale pe Pământ.

Einstein şi spaţiu-timpul (2)

 

 

Traducere după Spacetime before Einstein.
Traducerea: Arseni Ştefan Ciprian
Revizuire: Scientia.ro