Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Teoria relativității » Cum a ajuns Albert Einstein la elaborarea relativității speciale

Cum a ajuns Albert Einstein la elaborarea relativității speciale

În ceea ce privește descoperirea relativității speciale, Einstein a folosit metoda empirismului orientat spre scop în felul următor. Cele două teorii fizice fundamentale pe care le ia ca punct de plecare (T1 și T2) sunt mecanica newtoniană (MN) și electrodinamica maxwelliană (EM). Aceste două teorii sunt incompatibile, în principal pentru că, având în vedere interpretarea lor cea mai naturală, MN se referă la forțe la distanță între particule punctuale cu masă, în timp ce EM este despre o entitate, câmpul electromagnetic continuu. Mai precis, însă, există următoarea contradicție. MN afirmă că forțele afectează accelerațiile, nu vitezele. Legile dinamice (legi referitoare la forțele și efectele acestora), formulate în cadru MN, nu aleg nicio viteză specială, și nici un loc sau un timp special. EM, totuși, alege o viteză specială: viteza luminii, viteza cu care, conform EM, vibrațiile în intensitatea câmpului electromagnetic călătoresc prin spațiu.

Ambele puncte sunt absolut fundamentale pentru cele două teorii. Este fundamental pentru întreaga structură a MN ca forțele să afecteze accelerațiile, nu vitezele (nu există, prin urmare, niciun rol pentru viteza absolută în cadrul teoriei). Și pentru EM este fundamental ca influențele să se răspândească prin câmp cu o viteză fixă, finită: pentru că aceasta creează nevoia unei teorii a câmpului în primul rând. (Deoarece influențele gravitaționale, în teoria gravitației lui Newton, se răspândesc la viteză infinită, stările fizice instantanee pot fi specificate în termeni de particule punctuale. Când influențele se deplasează cu o viteză finită, ca în EM, acest lucru nu se mai poate face, întrucât impulsul și energia asociată cu variațiile forței care se deplasează la viteză finită prin spațiu nu vor fi specificate.)

O modalitate prin care confruntarea dintre MN și EM poate fi rezolvată este interpretarea EM ca o teorie care presupune existența eterului, stările câmpului electromagnetic fiind stări ale eterului. În acest caz, este rezonabil să se susțină că lumina are o viteză constantă în raport cu eterul, iar contradicția cu MN dispare (constanța vitezei luminii fiind la fel de neproblematică ca și constanta vitezei sunetului în raport cu aerul). În lucrarea sa din 1905 care expune relativitatea specială, Einstein a oferit două motive pentru a respinge această abordare. În primul rând, introduce o asimetrie neplauzibilă în explicația inducției electromagnetice, neplauzibilă din cauza simetriei fenomenelor de explicat. Explicația teoretică pentru curentul într-un conductor care se mișcă lângă un magnet în repaus este izbitor diferită de explicația curentului dacă conductorul este în repaus și magnetul se mișcă, chiar dacă tot ce contează este mișcarea relativă în măsura în care efectul este luat în considerare. În al doilea rând, se confruntă cu dificultăți empirice prin faptul că toate încercările de a detecta mișcarea pământului în raport cu „mediul luminos” – eterul – au eșuat. Einstein a concluzionat că „fenomenele electrodinamicii, precum și cele ale mecanicii nu posedă proprietăți care corespund ideii de odihnă absolută” (Einstein, 1905; tradus în Einstein și colab., 1952, p. 37).

Einstein știa bineînțeles că rezultatul nul al experimentului Michelson-Morley nu demolează în mod decisiv eterul; știa de eforturile lui Lorentz de a folosi ipoteza contracției FitzGerald pentru a dezvolta o versiune a electrodinamicii care presupune atât eterul, cât și că este compatibilă cu observația. Într-o lucrare publicată în 1907, totuși, Einstein a remarcat cu privire la abordarea FitzGerald-Lorentz (cu siguranță cu ceva dreptate) că este „ad hoc” și „artificială” (Holton, 1973, p. 334) – deși, așa cum Grunbaum și Zahar ne reamintește, această abordare nu este atât de grosolană ad-hoc pe cât au presupus unii (Grunbaum, 1963, pp. 386-94; Zahar, 1973).

Știm că în deceniul de dinainte de 1905, Einstein a considerat ipoteza eterului suficient de serioasă pentru a se întreba cum ar putea fi detectată mișcarea prin eter (Pais, 1982, pp. 130-132). Cu toate acestea, se pare că, de la început, Einstein a fost atras de ceea ce s-ar putea numi „interpretarea Faraday” a electromagnetismului, conform căreia, în loc să încerce să interpreteze electromagnetismul în termenii unui tip mai fundamental de materie eterică, ar trebui, dimpotrivă, să încerce să înțeleagă materia în termeni de electromagnetism, care trebuie să fie considerat ca fundamental (întreaga idee a eterului fiind o greșeală). Acest lucru este implicit în „paradoxul” pe care Einstein l-a descoperit la vârsta de șaisprezece ani și pe care l-a văzut mai târziu drept germenul din care a crescut relativitatea specială. În „Notele sale autobiografice”, Einstein descrie paradoxul astfel:

”Dacă urmăresc un fascicul de lumină cu viteza c… ar trebui să observ un astfel de fascicul de lumină ca un câmp electromagnetic oscilant spațial în repaus. Cu toate acestea, se pare că nu există așa ceva, fie pe baza experienței, fie conform ecuațiilor lui Maxwell. De la început mi s-a părut intuitiv clar că, judecat din punctul de vedere al unui astfel de observator, totul ar trebui să se întâmple după aceleași legi ca și pentru un observator care, în raport cu pământul, era în repaus. Căci, altfel, cum ar trebui primul observator să știe, adică să poată determina, că se află într-o stare de mișcare rapidă și uniformă?” (Einstein, 1969, p. 53)

Acest lucru are sens doar intuitiv ca paradox, în măsura în care electromagnetismul este conceput în absența eterului.

Așa cum am argumentat în altă parte, (4) există temeiuri empiriste puternice orientate spre scop, cvasi a priori pentru a favoriza interpretarea Faraday a electrodinamicii în detrimentul interpretării eterului, opinia conform căreia eterul este necesar pentru a face electrodinamica inteligibilă fiind un fel de gafă metafizică. Și există o considerație suplimentară. În conformitate cu empirismul orientat spre scop, acceptabilitatea ipotezei eterului trebuie să fie judecată în funcție de puterea sa euristică și metodologică. Dar pe măsură ce EM a fost dezvoltată, până în 1905, în special de Lorentz, rolul eterului părea să devină din ce în ce mai slab. Acest lucru, conform empirismului orientat spre scop, contează împotriva abordării eterice. Astfel, putem detecta, în adoptarea de către Einstein a interpretării de Faraday a electrodinamicii și în respingerea lui a interpretării eterului, o supunere instinctivă față de empirismul orientat spre scop.

Există, totuși, o altă abordare pentru rezolvarea contradicției dintre MN și EM. Este posibil ca viteza luminii să fie constantă în raport cu sursa. Einstein a încercat această abordare; ne spune că a abandonat-o din cauza complicațiilor la care a dus (Shankland, 1963). Dovezile împotriva acestei ipoteze au început să apară abia mai târziu, în 1913, cu observații ale stelelor duble.

Admițând, deci, că cele două abordări de mai sus pentru rezolvarea conflictului dintre MN și EM trebuie respinse, rămânem cu următoarea situație: EM pare să fie angajat în existența unei viteze fundamentale, absolute – viteza luminii – exact ceea ce MN exclude. Avem aici, așadar, doi buni candidați pentru P1 și P2, extrași din T1 (MN) și T2 (EM) pentru a evidenția conflictul dintre cele două teorii și anume:

P1: Legile naturii au aceeași formă cu privire la toate cadrele de referință inerțiale (neacceleratoare).

P2: Este o lege a naturii că lumina se deplasează cu viteza constantă c (în vid).

P1 și P2 formează împreună, s-ar părea, o contradicție oribilă. Pentru ca P1 și P2 să fie compatibile, ar fi necesar ca un fascicul de lumină să aibă aceeași viteză c față de toate cadrele de referință inerțiale, chiar dacă acestea se mișcă cu toate vitezele posibile unul față de celălalt.

În mod uimitor, Einstein a descoperit cum să facă această absurditate aparent flagrantă în întregime consistentă. Ceea ce trebuie să facem este să ne modificăm ideile despre timp și spațiu, astfel încât lumina să aibă aceeași viteză c în toate cadrele de referință. Postulatele de bază ale relativității speciale sunt doar P1 și P2: numeroasele consecințe ale teoriei apar din cerința ca P1 și P2 să fie consecvente.

Mai precis, Einstein a luat P1 ca unul dintre postulatele sale de bază, dar a modificat P2 pentru a deveni:

P2*: Este o lege a naturii că viteza luminii este o constantă c într-un cadru de referință „în repaus” și este independentă de viteza sursei.

P2 este apoi derivat din P1 și P2*. Este pe deplin de înțeles că Einstein a luat P2* ca axiomă, mai degrabă decât P2 interpretată ca însemnând: legea naturii este că lumina are viteza constantă c în toate cadrele de referință inerțiale. A adopta acest ultim postulat înseamnă a presupune ca fiind înțeles ceea ce devine înțeles doar odată cu dezvoltarea teoriei. P2* nu este inițial de neînțeles în acest fel; dimpotrivă, P2* este un principiu de bază al abordării lorentziane, al abordării eterice larg răspândit în acea vreme.

Cum, atunci, se rezolvă contradicția dintre P1 și P2? În mod obișnuit, presupunem că rata ceasurilor și lungimea tijelor nu sunt afectate de mișcarea uniformă, distanțele temporale și spațiale fiind independente de cadru și absolute. Să presupunem că avem două cadre de referință, R1 și R2, cu axe paralele și cu origini care coincid la t1 = t2 = 0, originea lui R2 călătorind de-a lungul axei x a lui R1 cu viteza v în direcția +ve și coordonatele unui eveniment P fiind (x1, y1, z1, t1) și (x2, y2, z2, t2) în R1 și, respectiv, R2. De fapt, de obicei presupunem că coordonatele sunt legate de transformările „galileene”:

x2 = x1 − vt1 ; y2 = y1 ; z2 = z1 ; t2 = t1 .

Presupunem, adică, faptul că lungimea și timpul nu sunt afectate de mișcare și că dacă un impuls de lumină are viteza c de-a lungul axei x în direcția +ve în R1, atunci viteza sa în R2 este c-v.

Ceea ce a realizat Einstein a fost că, dacă frecvența ceasurilor și lungimile tijelor sunt afectate de mișcarea relativă, astfel încât x2 = x1 – vt2 și t2 = t1 sunt ambele false, atunci este complet posibil ca orice puls de lumină dat să aibă aceeași viteză c atât în ​​R1, cât și în R2 – într-adevăr, aceeași viteză c în toate cadrele de referință inerțiale.

Se dovedește că teza potrivit căreia lumina are aceeași viteză în toate cadrele de referință inerțiale – care este implicată de P1 plus P2 – este suficientă pentru a stabili în mod unic modul în care coordonatele lui R1 și R2 sunt legate. Tot ce ne trebuie, în plus, este ca relația să fie simetrică (care poate fi considerată inerentă în P1 în orice caz), liniară și izotropă. Cu aceste ipoteze, nu este greu să arătăm că coordonatele lui R1 și R2 sunt legate prin următoarele ecuații, transformările „Lorentz”:

x2 = (x1 – vt1)/(1 – v2/c2)1/2 ; y2 = y1 ; z2 = z1 ; t2 = (t1 – vx1/c2)/(1 – v2/c2)1/2

Conform acestor ecuații, determinate în mod unic de P1 plus P2, mișcarea relativă contractă tijele și face ceasurile să meargă încet, dar în așa fel încât viteza luminii să fie c în toate cadrele inerțiale. Miracolul reconcilierii P1 și P2 a fost realizat.

Relativitatea specială are o serie de implicații uimitoare. Una este că masa, împreună cu viteza ceasurilor și lungimea obiectelor, este afectată de mișcarea uniformă, astfel încât m2 = m1/(1 – v2/c2)1/2, unde m1 este masa unui obiect în cadru de repaus R1, în raport cu care obiectul este în repaus, iar m2 este masa unui obiect în R2. O altă implicație – cea mai faimoasă dintre toate – este că masa este o formă de energie, în conformitate cu E = mc2.

Din punctul de vedere al empirismului orientat spre scop, relativitatea specială este de două ori semnificativă. În primul rând, modul în care Einstein a descoperit relativitatea specială exemplifică metoda de descoperire a empirismului orientat spre scop, în măsura în care Einstein a folosit metoda pe care am indicat-o mai sus : și anume, crearea unei noi teorii ca rezultat al rezolvării unei ciocniri între două teorii existente – creând astfel o mai mare unificare conceptuală și teoretică. În al doilea rând, și destul de surprinzător, relativitatea specială în sine exemplifică empirismul orientat spre scop și, într-un sens important, nu poate fi înțeleasă în mod adecvat în cadrul empirismului standard. Căci, după cum remarcă însuși Einstein în „Notele autobiografice”, două pagini din citatul de mai sus:

”Principiul universal al teoriei speciale a relativității este conținut în postulatul: Legile fizicii sunt invariante în raport cu transformările Lorentz… Acesta este un principiu restrictiv pentru legile naturale, comparabil cu principiul restrictiv al inexistenței unui perpetuum mobile care stă la baza termodinamicii.” (Einstein, 1969, p. 57)

Relativitatea specială este astfel o lege a legilor, o metalege, un principiu călăuzitor, o regulă euristică și metodologică, care trebuie folosită în descoperirea și evaluarea teoriilor fizice – mai presus de toate, pentru Einstein în 1905, pentru a fi folosită ca instrument euristic pentru descoperirea noii teorii pentru a unifica mecanica clasică și electrodinamica. (Prin această perspectivă, ceea ce a făcut Einstein în crearea relativității speciale a fost să ia un principiu restrictiv de bază al mecanicii newtoniene, și anume invarianța galileană – modalitatea pre-relativistă de a interpreta P1 – și să-l modifice pentru a-l face compatibil cu P2, formând astfel un nou principiu restrictiv, P3, adică invarianța Lorentz.) Ca principiu euristic și metodologic, relativitatea specială a împlinit din plin speranțele lui Einstein pentru aceasta. A jucat un rol vital în descoperirea teoriei ondulatorii a materiei a lui de Broglie, așa-numita ecuație Klein-Gordon (descoperită pentru prima dată de Schrodinger), ecuația Dirac a electronului, electrodinamica cuantică, teoria cuantică electro slabă și cromodinamica cuantică. Într-o formă modificată, a jucat un rol crucial în descoperirea relativității generale; și continuă să fie relevantă pentru teoria supercorzilor. Iată, așadar, un principiu euristic și metodologic de enormă rodnicie pentru toată fizica teoretică, care poate fi formulat ca o cerere ca teoriile acceptabile să fie invariante Lorentz. Această cerere – echivalentă cu cererea ca spațiu-timp să fie Minkowskian (în formularea teoriilor) – nu este doar un principiu metodologic, deoarece, după cum am văzut, are o fizică substanțială în ea. Relativitatea specială poate fi falsificată și, din punctul de vedere al relativității generale, este falsă. Toate acestea sunt foarte greu de înțeles sau de acceptat în limitele oricărei versiuni de empirism standard, tocmai pentru că empirismul standard respinge ideea că principiile metodologice au fizica sau metafizica încorporată în ele – existența, în cadrul empirismului standard, fără cadru metametodologic (nivelul 2) în care principiile metodologice rivale (nivelul 1) să poată fi evaluate rațional. Din punctul de vedere al empirismului orientat spre scop, nu există nicio diferență de principiu între o regulă metodologică obișnuită, cum ar fi invarianța de poziție (legile și teoriile acceptabile trebuie să fie invariante în ceea ce privește schimbarea poziției în spațiu) și invarianța Lorentz completă. Ambelor le corespund principii fizice sau metafizice substanțiale, și anume „spațiul nu selectează nicio poziție specială” sau „spațiu-timpul nu selectează niciun cadru de referință inerțial special”. Ambele pot fi false și, prin urmare, ambele necesită o examinare critică pe măsură ce știința se dezvoltă, în conformitate cu empirismul orientat spre scop, și nu acceptarea sau respingerea dogmatică, așa cum este cerut de empirismul standard, cu setul său fix de principii metodologice (pe care nimeni nu a fost încă capabil să le formuleze!). Empirismul standard diferențiază puternic între statutul de poziție și invarianța Lorentz – doar prima calificându-se ca o regulă metodologică a fizicii, cea din urmă aparținând exclusiv conținutului fizicii, ca o teorie fizică. Dar acest lucru violează realizările lui Einstein; violează noul mod de a face fizică inspirat de Einstein, care exploatează tocmai interacțiunea fructuoasă dintre noile teorii și noile principii euristice și metodologice (în conformitate cu liniile stipulate de empirismul orientat spre scop).

Sursa: Nicholas Maxwell, Capitolul ”Einstein, aim-oriented empiricism, and the discovery of special and general relativity”, din cartea ”Karl Popper, Science and Enlightenment”, UCL Press. (2017), licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare Nicolae Sfetcu

Teoria relativității - Relativitatea specială și relativitatea generală
Teoria relativității – Relativitatea specială și relativitatea generală

de Albert Einstein Traducere de Nicolae Sfetcu ”Prezenta carte este destinată, pe cât posibil, să ofere o perspectivă exactă asupra teoriei relativității acelor cititori care, din punct de vedere științific și filosofic general, sunt interesați de teorie, dar care nu … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $2,99$3,99 Selectează opțiunile
Teoria generală a relativității
Teoria generală a relativității

Relativitatea generală este o teorie metrică a gravitației. La baza ei sunt ecuațiile lui Einstein, care descriu relația dintre geometria unei varietăți patrudimensionale, pseudo-Riemanniene, reprezentând spațiu-timpul și energia-impulsul conținut în acel spațiu-timp. Fenomenele care în mecanica clasică sunt atribuite acțiunii … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $1,99 Selectează opțiunile
Teoria specială a relativității
Teoria specială a relativității

Teoria relativității speciale a fost propusă în 1905 de Albert Einstein în articolul său “Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”. Titlul articolului se referă la faptul că relativitatea rezolvă o neconcordanță între ecuațiile lui Maxwell și mecanica clasică. Teoria se bazează … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $1,99 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.