» » » » » » » Relativitatea specială

Relativitatea specială

World_lineTeoria specială a relativității este o teorie fizică publicat în 1905 de către Albert Einstein, care a modificat fizica newtoniană pentru a încorpora electromagnetismul așa cum este reprezentat de ecuațiile lui Maxwell. Teoria se numește „specială”, pentru că teoria se aplică numai în cazul special al măsurătorilor efectuate atunci când atât observatorul cât și ceea ce este observat nu sunt afectaţi de gravitaţie. Zece ani mai târziu, Einstein a publicat teoria relativității generale, care este extinderea relativității speciale care încorporează gravitația.

Motivația pentru teoria relativității speciale

Înainte de formularea relativității speciale, Hendrik Lorentz și alții au remarcat deja că electromagnetismul diferă de fizica newtoniană prin aceea că observațiile a unui aceluiaşi fenomen pot fi diferite pentru o persoană care se deplasează în raport cu altă persoană la viteze apropie de viteza luminii. De exemplu, una din persoane poate observa că nu există niciun câmp magnetic, în timp ce cealaltă observă un câmp magnetic în aceeași zonă fizică. Lorentz a sugerat o teorie a eterului, în care obiectele și observatorii care călătoresc faţă de un eter staționar suferă o contracţie fizică (contracţia Lorentz-Fitzgerald) și o modificare a timpului (dilatarea timpului). Acest lucru a permis reconcilierea parțială a electromagnetismului cu fizica newtoniană. Când vitezele implicate sunt mult mai mici decât viteza luminii, legile rezultate se simplifică la legile lui Newton. Teoria, cunoscut sub numele de Teoria Eterului Lorentz, a fost criticată (chiar și de către Lorentz însuși), din cauza naturii sale neelaborate.

În timp ce Lorentz sugera ecuațiile de transformare Lorentz ca o descriere matematică cu exactitate a rezultatelor măsurătorilor, contribuția lui Einstein a fost de a obține aceste ecuații pornind de la o teorie mai fundamentală. Einstein a vrut să afle ce este invariant (neschimbat) pentru toți observatorii. Titlul său original pentru teoria sa a fost (tradus din germană), „Teoria invarianților„. Max Planck a propus termenul de „relativitate”, pentru a sublinia ideea că legile fizicii se schimbă pentru observatori în mișcare unul față de celălalt.

Relativitatea specială se ocupă în principiu cu comportamentul obiectelor și observatorilor care rămân în repaus sau se deplasează cu o viteză constantă. În acest caz, observatorul este declarat a fi într-un cadru inerțial de referință sau pur și simplu că este inerțial. Compararea poziției și timpului evenimentelor înregistrate de observatori inerţiali diferiți se poate face prin utilizarea ecuațiilor de transformare Lorentz. O denaturare comună cu privire la relativitate este că se consideră că relativitatea specială nu poate fi folosită pentru a gestiona cazul obiectelor și observatorilor care sunt în accelerare (cadre de referință non-inerțiale), dar acest lucru este incorect. De exemplu, problema rachetei relativiste. Relativitatea specială poate prezice corect comportamentul componentelor accelerate atâta timp cât nu este vorba de accelerația gravitațională, în care caz trebuie să fie utilizată relativitatea generală.

Invarianţa vitezei luminii

Relativitatea specială a postulat că viteza luminii în vid este aceeași pentru toți observatorii inerțiali, și afirmă că orice teorie fizică ar trebui să fiemodulată sau reformulată, astfel încât să fie la fel matematic pentru fiecare observator inerţial. Acest postulat (care vine de la ecuațiile lui Maxwell pentru electromagnetism), împreună cu cerința, reproduce cu succes ecuațiile de transformare Lorentz, și are mai multe consecințe care au făcut să apară mai multe bizarerii, printre care:

  • Intervalul de timp dintre două evenimente nu este invariant de la un observator la altul, ci depinde de vitezele relative ale reperelor observatorilor.

  • Paradoxul gemenilor este „povestea” unui frate geamăn care zboară pe o navă spațială care călătoresc aproape de viteza luminii. Când se întoarce, el descoperă că fratele său a îmbătrânit mult mai rapid decât el (sau el însuşi a îmbătrânit mul mai lent).

  • Două evenimente care au loc simultan în diferite locuri într-un singur cadru de referință pot să apară unul după altul într-un alt cadru de referință (relativitatea simultaneității).

  • Dimensiunile (de exemplu, lungimea) unui obiect măsurat de către un observator pot fi diferite de cele măsurate de un alt observator.

  • Masa unei particule crește pe măsură ce crește viteza sa. Acest lucru a dus la faimoasa ecuație E = mc2.

Lipsa unui cadru de referință absolut

O altă consecință radicală este respingerea noțiunea de cadru de referință absolut, unic. Anterior s-a sugerat că lumea este umplută cu o substanță cunoscută sub numele de „eter” (spațiul absolut), față de care vitezele pot fi măsurate. Eterul avea unele proprietăţi miraculoase: aceasta ar fi fost suficient de elastic încât să suporte undele electromagnetce, iar aceste unde ar putea interacționa cu materia dar fără a opune nicio rezistență corpurilor care trec prin ea. Diverse rezultate experimente, culminând cu faimosul experiment Michelson-Morley, au sugerat că ori Pământul a fost mereu staționar, ori noțiunea de cadru absolut de referință este greșit și trebuie renunţat la ea.

Simultaneitatea

Relativitatea restrânsă consideră, de asemenea, că noțiunea de simultaneitate relativă este în raport cu observatorul: Un „interval temporal” are puncte finale separate de un drum de-a lungul lor, ceea ce face posibil ca acesat să fie străbătut de o ipotetică materie sau lumină. Un „interval spațial” are puncte finale separate de un drum în spațiu-timp pe care nu ar putea călători nici lumina, nici orice alt semnal mai lent decât lumina. Nicio informație nu poate trece între punctele separate de un interval spaţial. Evenimentele de-a lungul unui interval spațial nu se pot influența între ele prin transmiterea luminii sau materiei, și ar apărea simultane unui observator dintr-un cadru adecvat de referință. Observatorilor în diferite cadre de referință, evenimentul A poate părea că se petrece înaintea evenimentului B sau vice-versa; acest lucru nu se aplică la evenimente separate de intervale temporale.

Evoluţia teoriei relativităţii speciale

Relativitateaspecială este acum universal acceptată de comunitatea fizicienilor, spre deosebire de teoria relativității generale, care este încă insuficient confirmată de experiment pentru a exclude anumite teorii alternative despre gravitație. Cu toate acestea, există câţiva oameni de ştiinţă care s-au opus teoriei relativității pe diferite motive, și care au propus diverse teorii alternative, în special cea a eterului. O teorie alternativă este relativitatea dublă specială, unde se adaugă o lungime caracteristică listei de cantități invariante.

4 Responses

  1. Aeleden
    |

    A ieşit o varză. Scrisesem o formulă, dar observ că nu se afişează. Era vorba de formula ce arată contracţia lungimilor pe direcţia mişcării, respectiv lungimea l (a braţului interferometrului) supra radical din 1 minus v pătrat / c pătrat.

  2. Aeleden
    |

    Pentru ca lucrurile să fie reconsiderate este nevoie să ne reîntoarcem la modul cum au fost gândite ele de către cei care le-au creat. În acest sens ar trebui ca lumea, înainte de a se închina atât de aprobator la ecuaţiile relativităţii lui Einstein, să ştie că şi el a făcut unele concesii pentru a-i ieşi „pasienţa”. În interpretarea experienţei lui Mihcelson şi Morley, alături de ipoteza constanţei vitezei luminii este inclusă şi ipoteza lui Fitzgerald, a contracţiei braţului interferometrului (pe direcţia mişcării) pentru a elimina din ecuaţie un factor de forma:

    .

    Ori, ipoteza lui Fitzgerald nu are nimic a face cu teoria relativităţii, dar Lorentz, iniţiatorul transformărilor (care îi poartă numele), a încorporat această ipoteză în teoria sa, înscriind-o în grupul său de transformări.

    Demn de amintit este şi faptul că oricât se cramponează relativiştii consecvenţi că TRG este o teorie care explică totul, corecţia perioadei de revoluţie a Pământului adusă de această teorie este de 100 secunde per secol, ceea ce nu se verifică în plan observaţional.

    După lansarea sateliţilor GPS sau Glonas (ai ruşilor) ori Galileo (ai Europei) s-a observat că sunt necesare recalibrări semianuale ale ceasornicelor plasate pe aceşti sateliţi şi nu toate abaterile sunt explicate de TRG.

    De asemenea, deoarece nici TRG şi nici mecanica clasică nu pot argumenta posibilitatea existenţei unei precesii a planului orbitelor planetare, acest gen de mişcări sunt trecute cu vederea, deşi nutaţia poate fi interpretată şi prin considerarea unei precesii a planului orbital al Terrei.

    Asemenea argumentaţii sunt posibile prin teoria gravitodinamică, care calculează pentru corecţia adusă anului tropic doar 11 secunde per secol, adică exact cantitatea ce se adaugă în calendar pentru a pune „ceasornicul Pământ” în acord cu mişcarea observată.

  3. Nicolae Sfetcu
    |

    Ca de obicei, completari interesante si bine documentate. Multumesc!

  4. Aeleden
    |

    Pe asta cu adăugarea unui nou invariant relativist nu o ştiam. E de tot râsul că se încearcă orice, numai pentru a păstra fundamentele relativiste. Ar fi de ajuns să se renunţe la principiul echivalenţei pentru ca totul să devină clar în fizica gravitaţiei.
    Iar bătaia de cap a fizicienilor se datorează chiar lui… Newton. El fiind un pionier în domeniu fizicii (şi singurul, căci toată fizica devenită clasică stă pe umerii lui) atunci când a formulat legea a doua a dinamicii a întâmpinat dificultăţi din cauza acelei constante de integrare ce intervine în principiul II al dinamicii (Forţa = masa inertă x acceleraţia x constanta de integrare). Singura rezolvare la acel moment a fost aceea de a defini unităţile de măsură pentru forţă, masă şi acceleraţie astfel încât constanta în discuţie să devină unitară. A fost un fel de a ascunde un termen al relaţiei, ce părea inutil, sub preşul matematicii, căci o mărime egală cu unu devine „inofensivă” în economia ecuaţiei. Şi de atunci masa grea a fost făcută egală cu masa inertă. De aceea principiul echivalenţei nici nu va putea fi dovedit experimental în câmp gravitaţional şi la suprafaţa Pământului (unde Newton a făcut experienţele şi a definit unităţile de bază de forţă, masă şi acceleraţie).

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *