Teoria Relativității Restrânse
Cea de-a patra lucrare importantă publicată de Einstein în
1905, "Asupra electrodinamicii corpurilor în mișcare", conținea ceea ce avea să fie cunoscută mai târziu ca
Teoria relativității restrânse, una dintre cele mai celebre contribuții ale sale, în care demonstrează că teoretic nu este posibil să se decidă dacă două evenimente care se petrec în locuri diferite, au loc în același moment sau nu. Ideile de bază au fost formulate de Einstein încă de când avea 16 ani (deci cu 10 ani în urmă).
Încă de la
Newton, filozofii naturali (denumirea sub care erau cunoscuți
fizicienii și
chimiștii) încercaseră să înțeleagă natura
materiei și a radiației, precum și felul în care interacționau într-o imagine unificata a lumii. Ideea că legile
mecanicii sunt fundamentale era cunoscută drept concepția mecanicistă asupra lumii, în timp ce ideea că legile
electricității sunt fundamentale era cunoscută drept concepția
electromagnetică asupra lumii. Totuși, niciuna dintre idei nu era capabilă să ofere o explicație coerentă asupra felului cum
radiația (de exemplu
lumina) și materia interactionează atunci când sunt văzute din
sisteme de referință inerțiale diferite, adică interacțiile sunt urmărite simultan de un observator în repaus și un observator care se mișcă cu o viteză constantă.
În primăvara anului
1905, după ce a reflectat la aceste probleme timp de 10 ani, Einstein și-a dat seama ca esența problemei constă nu într-o teorie a materiei, ci într-o teorie a măsurării. Esența acestei teorii speciale a relativității era constatarea că toate măsurătorile timpului și spațiului depind de judecăți asupra simultaneității a două evenimente diferite. Aceasta l-a condus la dezvoltarea unei teorii bazate pe două postulate:
Numai
viteza luminii este constantă în orice sistem de referință, lucru preconizat și de
teoria lui Maxwell. Tot aici apare pentru prima data celebra sa formulă:
. ("Echivalența masă-energie")
Această ecuație exprimă cantitate imensă de energie ascunsă într-un corp și care poate fi eliberată atât în procesul de
fisiune cât și în cel de
fuziune nucleară, procese care stau la baza funcționării bombei atomice.
Iată câteva din consecințele relativității restrânse:
[16]
- "Contracția Lorentz" sau "contracția lungimilor" însoțită de "dilatarea timpului": Micșorarea aparentă a dimensiunilor obiectelor care se deplasează față de observator cu viteze relativiste.
- "Efectul Doppler": În astronomie, constă în micșorarea frecvenței ("deplasarea spre roșu") radiației emise de corpurile cerești îndepărtate ca urmare a expansiunii Universului.
- "Aberația luminii": Imaginea unui obiect în mișcare (cu viteză apropiată de cea a luminii) apare comprimată asemeni unui con cu vârful indicând sensul deplasării
- Masa nu mai este constantă și nici timpul nu se mai scurge cu aceeași viteză, mai ales la viteze foarte mari.
Teoria relativității restrânse aduce o explicație clară celebrului
experiment Michelson-Morley (
1887) putând fi considerat chiar o generalizare a rezultatelor acestuia.
Einstein a fost primul care a unit mecanica clasică cu electrodinamica lui Maxwell. Elaborând teoria relativității restrânse, Einstein a spart tiparele unor concepții geniale, clădite cu peste două secole în urmă, de către Isaac Newton în a sa Philosophiae naturalis principia mathematica (1686), dovedind o intuiție și un curaj exemplar. Prin aceasta a fost capabil să ofere o descriere consistentă și corectă a evenimentelor fizice din diverse sisteme de referință inerțiale fără a face presupuneri speciale cu privire la natura materiei sau a radiației, sau a felului cum ele interacționează.
Teoria relativității generalizate
Teoria relativității restrânse explică fenomenele ondulatorii, eliminând acțiunea instantanee de la
distanță. Electrodinamica lui Faraday șiMaxwell este compatibilă cu viteza finită de propagare a luminii. Prin generalizarea legilor mecanicii newtoniene și a unor legi ale fizicii, electrodinamica devine relativistă. Dar pentru a pune gravitația in concordanță cu relativitatea a fost nevoie de modificări mult mai profunde ceea ce l-a condus pe Einstein la Teoria relativității generalizate. În această teorie, orice viteză de propagare, inclusiv agravitației, este finită. Teoria Relativității Generalizate, asociază timpului spațiul legând coordonatele evenimentelor de timp și sudându-le în mod unitar, iar gravitația devine o proprietate a acestui reper spațiu-timp, devenind de fapt o deformare a spațiului și a timpului.
Einstein nu desființează concepția newtoniană, ci o înlocuiește cu una mai extinsă, valabilă pentru viteze apropiate de cea a luminii.
Teoria Relativității Generalizate a revoluționat gândirea științifică prin negarea existenței unui timp absolut, stârnind un ecou uriaș în toată lumea, fiind discutată în contradictoriu în cele mai prestigioase centre științifice ca și în cercuri mondene sau în săli de conferințe pentru marele public. A fost combătută cu vehemență de unii, dându-se dovadă de cunoaștere superficială. Epoca ce a urmat a fost marcată de interesul pentru această teorie, considerată ca răsturnătoare a tuturor legilor mișcărilor și fenomenelor fizice admise ca fundamentale.
Mecanica statistică
Unul din subiectele tratate în Annus Mirabilis
1905 se referă la mecanica statistică. Aceasta, spre deosebire de
mecanica clasică, se ocupă de sisteme cu un număr foarte mare de particule, studiind comportamentul mediu al acestora și reprezintă un domeniu care abia fusese studiat de Ludwig Boltzmann și Josiah Willard Gibbs.
Teoria gravitației
O fotografie din 1919 a eclipsei de soare, realizată în cadrul expediției lui
Arthur Eddington și care demonstrează teoria lui Albert Einstein privind curbarea spațiului în prezența unui câmp gravitațional
Una din consecințele teoriei relativității generalizate o constituie "Curbarea spațiului".
Sesizând asemănarea dintre curbarea traiectoriei unui obiect aflat într-un sistem de referință care se mișcă uniform accelerat și curbarea traiectoriei unui obiect lansat în câmpul gravitațional, Einstein trage concluzia că fasciculele luminoase se curbează când se propagă în vecinătatea unui corp ceresc cu masă foarte mare, de unde reprezentarea mai greu de înțeles, cum că spațiul însuși ar fi curb. Pentru a-și susține teoria relativității generalizate, Einstein a atras atenția că există fenomene care o confirmă. Astfel, el a afirmat că frecvența undelor luminoase se modifică atunci când acestea parcurg un câmp gravitațional, pentru că orbitele planetelor și sateliților suferă o rotire suplimentară și că razele de lumină sunt deviate de la linia dreaptă în vecinătatea
Soarelui.
Teoria relativității generalizate a fost confirmată prin diverse observații astronomice. Cea mai importantă dintre ele a fost studierea
eclipsei totale de
Soare din
29 mai 1919, la care a participat o echipă condusă de astronomul Sir
Arthur Stanley Eddington (care avea să devină unul din susținătorii acestei teorii) și care confirmă devierea unghiulară a razelor de lumină în câmpul gravitațional al
Soarelui. Aceasta a confirmat, cu o precizie de 10 % efectul Einstein și, o dată cu aceasta, a dovedit experimental justețea teoriei lui Einstein.
O altă confirmare o constiuie deplasarea spre roșu (către
frecvențe mai joase) a liniilor spectrale emise de
atomi într-un câmp gravitațional intens: "efectul Einstein", similar
efectului Doppler.
Universul configurat de teoriile lui Einstein nu mai este unul cu o metrică euclidiană. Semnificația devierii razelor de lumină în câmpuri gravitaționale intense constă în acel nou model al Universului înzestrat cu un spațiu cvadridimensional.
Contribuțiile lui Einstein determină transformarea rapidă
cosmologiei (mai ales în perioada 1920 - 1970) într-o ramură a
fizicii.
[17]
Astronomii
Alexander Friedmann și
Georges Lemaître au demonstrat, prin anii 1920, că
ecuațiile lui Einstein conduc la ideea unui
Univers aflat în plină expansiune. Încercând să obțină modelul unui Univers staționar, Einstein introdusese, în cadrul celebrelor sale ecuații de câmp, o constantă cosmologică. Ulterior, observațiile lui
Edwin Hubble au dovedit contrariul. Einstein recunoaște că a săvârșit o mare eroare și acceptă modelul cosmologic al Universului în expansiune, pe care tot el îl preconizase.
[18]
Ulterior, pe la jumătatea secolului al XX-lea, se va admite teoria
Big Bang ca explicație a formării Universului.
[modificare]Teoria unitară a câmpului
Totuși teoria relativității nu este acea teorie fizică universală la care visa autorul ei. Einstein a încercat să creeze o teorie fizică capabilă să lege toate câmpurile fizice care există în realitate (gravitațional, electromagnetic ș.a.) și să furnizeze o explicație cât mai completă și detaliată a imaginii fizice a lumii. El n-a reușit însă să creeze o astfel de teorie.
Efectul fotoelectric constituie unul din domeniile tratate în
1905. Pentru a explica acest fenomen, care infirma caracterul ondulatoriu al luminii,
[19] Einstein explică mecanismul emisiei de electroni utilizând ideile recente ale lui
Max Planck, folosind termenul de "cuantă" (pachet de energie). Pentru această lucrare, Einstein va primi
Premiul Nobel pentru Fizică.
Einstein emite o ipoteză revoluționară asupra naturii
luminii, afirmând că, în anumite circumstanțe determinate, radiația electromagnetică are o natură corpusculară (materială), sugerând că energia transportată de fiecare particulă a razei luminoase, pentru care a introdus denumirea de
foton, ar fi proporțională cu
frecvența acelei radiații. De fapt, primul care a demonstrat teoretic că radiația electromagnetică este emisă în cantități precis determinate (cuante) a fost Max Planck care, în anul
1900, a descris matematic așa-numita radiație a corpului negru.
Această ipoteză contrazicea o tradiție de un secol (este vorba de
teoria electromagnetică a lui Maxwell), care consideră emiterea energiei luminoase ca pe un proces continuu. Aproape nimeni nu a acceptat teoria lui Einstein. Fizicianul american
Robert Andrews Millikan, care a confirmat experimental teoria un deceniu mai târziu, a fost el însuși descumpănit de rezultat.
Einstein, a cărui principala preocupare era să înțeleagă natura radiației electromagnetice, a urgentat ulterior dezvoltarea unei teorii care să reflecte
dualismul particulă - undă al luminii.
Într-unul din articolele publicate în
1905, cu titlul "
Mișcarea Browniană"
[20], a făcut predicții semnificative asupra teoriei emise de botanistul englez
Robert Brown privind mișcarea aleatoare a particulelor suspendate într-un fluid. Aceste previziuni au fost confirmate experimental.
[modificare]Ecuațiile lui Einstein
Forma matematică prin care teoria relativității generalizate descrie forța de gravitație o constituie un sistem de zece ecuații numite
ecuațiile de câmp Einstein.
[21]
Acestea au fost descoperite concomitent de Einstein și de matematicianul german
David Hilbert (
1862 -
1943) în anul
1915. Între cei doi savanți a avut loc un schimb de idei, care a condus la forma finală a ecuațiilor de câmp ale Relativității Generalizate.
[modificare]Statistica Bose-Einstein
În
1924, Einstein primește, din partea fizicianului indian
Satyendra Nath Bose, o descriere a unui model statistic prin care lumina putea fi asimilată unui
gaz. Einstein publică acest rezultat, la care ulterior adaugă și contribuțiile sale, la revista
Zeitschrift für Physik.
Statistica Bose-Einstein mai este utilizată și pentru explicare comportamentului
bosonilor.
[modificare]Modelul Schrödinger
Einstein propune fizicianului
Erwin Schrödinger o aplicație a teoriei lui
Max Planck prin a considera nivelul energetic al unui gaz privit ca un întreg, fără a lua în considerare fiecare
moleculă componentă. Utilizând distribuția
Boltzmann, Schrödinger descrie proprietățile "gazului ideal semiclasic".
[modificare]Efectul Einstein - de-Haas
Astfel s-a demonstrat că feromagnetismul se datorează
impulsului unghiular intrinsec al electronului, denumit ulterior
spin.
Einstein a adus îmbunătățiri
girocompasului introducând suspensia electrodinamică a giroscopului.
De asemenea, Einstein a moderat, ca expert, disputa dintre Hermann Anschütz-Kaempfe și Elmer Ambrose Sperry în privința patentării girocompasului. În cele din urmă, primul dintre ei a obținut dreptul de autor în
1915.
[modificare]Refrigeratorul Einstein
Datorită unui accident datorat agentului de răcire din acea perioadă, care era toxic, Einstein și colegul său,
Leó Szilárd au experimentat cu alte tipuri de substanțe, mai puțin periculoase.
[23]
Descoperirea lor a fost patentată pe
11 noiembrie 1930, dar nu a avut prea mare succes deoarece între timp, în
1929, a fost introdus freonul ca agent de răcire.
În
1910, Einstein a scris o lucrare despre "opalescența critică" în care tratează efectul de difuzie al luminii în
atmosferă. Este vorba de acel fenomen explicat și de
John W. S. Rayleigh, conform căruia bolta cerească se vede albăstruie în timpul zilei și roșcată la crepuscul.
Împreună cu Conrad Habicht și Maurice Solovine, Einstein înființează "
Akademie Olympia". Studiile și lecturile includeau:
Henri Poincaré,
Ernst Mach, și
David Hume, autori care au avut o puternică influență științifică și filozofică asupra lui Einstein.
De asemenea, Einstein participă activ la viața științifică internațională.
- 1911: La Bruxelles are loc prima ediție a Conferinței Solvay a Fizicienilor. Einstein constată cu surprindere că este cel mai tânăr dintre invitați (avea numai 32 de ani);
- 5 mai 1921: Einstein este ales membru străin al Royal Society;
- 1921: Einstein ține cursuri la Princeton University asupra Teoriei Relativității;
- 1922: Cursuri în Japonia și China;
- 1923: Cursuri inaugurale la viitoarea locație a Universității The Hebrew din Ierusalim;
- 1927: La a cincea Conferință Solvay, discută cu Niels Bohr și pune bazele Mecanicii Cuantice.
[modificare]Angajament politico-social
După
1919 Einstein în urma observațiilor astronomice ale eclipsei din 1919 devine tot mai cunoscut pe plan mondial. Vizitele sale în orice parte a
Terrei au devenit evenimente naționale;
fotografii și
reporterii îl urmăreau peste tot.
Einstein și-a folosit renumele pentru a-și propaga propriile sale vederi politice și sociale.
În timpul
Primului Război Mondial a fost unul din puținii savanți germani care au condamnat public implicarea Germaniei în război.
[24] Astfel, chiar în anul declanșării războiului,
1914, Einstein semnează o proclamație împotriva acestuia,
Manifest către europeni. În anul următor,
1915, aderă la mișcarea pacifistă "New Fatherland League".
În
1919 articole elogioase în
The Times și
The New York Times îl fac pe Einstein tot mai cunoscut pe plan mondial. Vizitele sale în orice țară
[25] devin evenimente naționale. Marele savant nu ezită să-și folosească renumele pentru a-și propaga propriile sale vederi politice și sociale.
În același an,
1919, Einstein poartă o discuție asupra
sionismului cu Kurt Blumenfeld, lider al Organizației Sioniste Mondiale.
Cu venirea lui
Hitler la putere în
1933, Einstein, care se afla în vizită în
USA s-a decis imediat să emigreze. A primit o funcție la
Institute for Advanced Study, în
Princeton,
New Jersey.
Einstein a regretat profund faptul că descoperirile sale au fost utilizate pentru crearea
bombei atomice, avertizând cu privire la pericolele pe care le prezintă
armele nucleare. Din acest motiv s-a implicat nu numai în promovarea
sionismului, ci și în mișcarea pentru pace. Astfel că în
1933 publică scrierea-manifest
Why War? ("De ce război?").
În
1934 publică colecția de eseuri
The World As I See It („Lumea așa cum o văd").
În fața imensei amenințări la adresa umanității venită din partea regimului
nazist din
Germania, Einstein renunță la poziția sa pacifistă și, în
1939, îndemnat de alți numeroși fizicieni, trimite celebra scrisoare către președintele Americii
Franklin Delano Roosevelt, insistând asupra necesității producerii
bombei atomice, întrucât exista posibilitatea ca și guvernul german să urmeze această cale. Scrisoarea lui Einstein a ajutat la grăbirea eforturilor pentru obținerea bombei atomice în Statele Unite și în
1944 se inițiază
Proiectul Manhattan de cercetare în domeniul atomic. Einstein nu a avut nici un rol direct sau personal în fabricarea acesteia.
În
1944, manuscrisele celebrelor sale lucrări scrise în
1905 privind Teoria Relativității sunt vândute la licitație, în
Kansas City, pentru 6 milioane de dolari, ca o contribuție pentru efortul de război american.
După război, Einstein s-a angajat pentru cauza dezarmării internaționale și a unei guvernări mondiale.
În
1948, Einstein, suporter activ al sionismului, salută cu entuziasm crearea statului
Israel dar, patru ani mai târziu, în
1952, când
David Ben-Gurion îi oferă președinția statului Israel, el o refuză.
[26]
În
1955, Einstein semnează împreună cu
Bertrand Russel, o proclamație împotriva amenințării nucleare.
Einstein primind actul de cetățenie americană din partea lui Phillip Forman
De-a lungul vieții sale, fie forțat de împrejurări, fie pentru a-și atinge anumite deziderate, Einstein și-a schimbat cetățenia în mai multe rânduri:
[27]
- 14 martie 1879: cetățenie germană în momentul nașterii la Ulm (Baden-Wurtenberg)
- 28 ianuarie 1896: Pentru a evita serviciul militar, renunță la cetățenia germană (cu aprobarea tatălui)
- timp de 5 ani este apatrid
- 21 februarie 1901: I se acordă cetățenia elvețiană pe care o pastrează până la sfârșitul vieții
- 1 aprilie 1911 - 30 septembrie 1912: perioada când deține funcția de șef al Catedrei de Fizică teoretică la Universitatea Germană din Praga este asociata cu obținerea cetățeniei austriece
- aprilie 1914 - martie 1933: deține cetățenia germană, o dată cu deținerea funcțiilor de membru (cu drepturi depline) al Academiei Prusace de Științe și de profesor la Universitatea din Berlin până când, intrând în conflict cu noua putere nazistă, este nevoit sa părăsească Germania, pierzând cetățenia acestui stat
- 1933 - 1940: cetățenie elvețiană
- 1 octombrie 1940: Pe langă cetățenia elvețiană, o dobândește și pe cea americană.
[modificare]Concepții privind religia
Concepțiile religioase ale marelui savant sunt bazate pe cercetarea naturii:
-
- „Cred în acel Dumnezeu al lui Spinoza, care se manifestă prin armonia legilor universului, nu într-unul care se ocupă cu destinele și faptele omenirii.”[28]
Mai precis, Spinoza considera că Dumnezeu este un alt nume pentru natură.
[29] Deci, adorația lui Einstein se referea la natură, pe care
panteiștii o numesc Dumnezeu.
Către sfârșitul vieții, într-o scrisoare adresată filozofului Eric Gutkind și datată pe 3 ianuarie 1954, marele fizician afirmă:
„Cuvântul dumnezeu nu este nimic altceva pentru mine decât expresia și produsul slăbiciunii umane,
Biblia este o colecție de legende onorabile, dar primitive, care sunt, în orice caz, destul de copilărești. Niciun fel de interpretare, indiferent cât de subtilă, nu-mi poate schimba opinia.”
[30][31]
Religiozitatea nedefinită a marelui savant se referă mai degrabă la admirația pe care acesta o nutrește față de structura lumii, care se revelează treptat cu ajutorul științei.
[32] În
1926, într-o scrisoare adresată fizicianului
Max Born, Einstein, referindu-se la
principiul incertitudinii, scria: „Eu, în orice caz, sunt convins că El nu se joacă cu zarurile
.”
„Dacă există ceva religios în mine, aceasta este admirația fără limite față de structura lumii atât cât ne-o poate dezvălui știința.”
[modificare]Concepții privind comportamentul etic
Einstein credea că moralitatea nu a fost dictată de Dumnezeu, ci de umanitate:
[33]
„Eu nu cred în imoralitatea individuală și consider etica ca o preocupare exclusiv umană deasupra căreia nu există nici o autoritate superioară.”
În ultima parte a vieții sale, Einstein a urmat o dietă
vegetariană.
[34][35] Potrivit lui Einstein, vegetarianismul a avut o mare importanță pentru umanitate, așa cum se vede din următorul citat pe această temă:
„Nimic nu crește șansa de supraviețuire (a umanității) pe Pământ mai mult decât dieta vegetariană. (... ) Cu influența sa fizică asupra comportamentului uman, stilul de viață vegetarian ar putea influența în mod pozitiv soarta omenirii.”
