În ce măsură este susținută de experiență teoria specială a relativității? La această întrebare nu este ușor de răspuns pentru motivul deja menționat în legătură cu experimentul fundamental al lui Fizeau. Teoria specială a relativității s-a cristalizat din teoria Maxwell-Lorentz a fenomenelor electromagnetice. Astfel, toate faptele de experiență care susțin teoria electromagnetică susțin și teoria relativității. Întrucât este de o importanță deosebită, menționez aici faptul că teoria relativității ne permite să anticipăm efectele produse asupra luminii care vine de la stelele fixe. Aceste rezultate sunt obținute într-o manieră extrem de simplă, iar efectele indicate, care se datorează mișcării relative a pământului cu referire la acele stele fixe, se dovedesc a fi în concordanță cu experiența. Se referă la mișcarea anuală a poziției aparente a stelelor fixe care rezultă din mișcarea pământului în jurul soarelui (aberație) și la influența componentelor radiale ale mișcărilor relative ale stelelor fixe față de pământ asupra culorii luminii care ajunge de la ele. Ultimul efect se manifestă printr-o ușoară deplasare a liniilor spectrale ale luminii transmise de la o stea fixă, în comparație cu poziția acelorași linii spectrale atunci când acestea sunt produse de o sursă terestră de lumină (efectul Doppler). Argumentele experimentale în favoarea teoriei Maxwell-Lorentz, care sunt în același timp argumente în favoarea teoriei relativității, sunt prea numeroase pentru a fi prezentate aici. În realitate, acestea limitează posibilitățile teoretice într-o asemenea măsură, încât nicio altă teorie cu excepția celei a lui Maxwell și Lorentz nu a reușit să aibă propria experiență atunci când este testată.
Dar există două clase de fapte experimentale obținute până în prezent, care pot fi reprezentate în teoria lui Maxwell-Lorentz numai prin introducerea unei ipoteze auxiliare, care, în sine, fără a folosi teoria relativității – pare a nu avea o legătură.
Se știe că razele catodice și așa-numitele radiații β emise de substanțe radioactive constau din particule electrificate negativ (electroni) cu o inerție foarte mică și o viteză mare. Prin examinarea deformării acestor raze sub influența câmpurilor electrice și magnetice, putem studia foarte bine legea mișcării acestor particule.
În studiul teoretic al acestor electroni, ne confruntăm cu dificultatea că teoria electrodinamică în sine nu este capabilă să ofere o explicație despre natura lor. Din moment ce masele electrice ale unui semn se resping reciproc, masele electrice negative care alcătuiesc electronul ar fi în mod necesar împrăștiate sub influența repulsiei lor reciproce, cu excepția cazului în care există forțe de alt tip care operează între ele, a cărui natură până în prezent a rămas obscură nouă. 13) Dacă presupunem acum că distanțele relative dintre masele electrice care constituie electronul rămân neschimbate în timpul mișcării electronului (conexiune rigidă în sensul mecanicii clasice), ajungem la o lege a mișcării electronului care nu este de acord cu experiența. Ghidat de puncte de vedere pur formale, H. A. Lorentz a fost primul care a introdus ipoteza că forma electronului are o contracție în direcția mișcării în urma acestei mișcări, lungimea contractată fiind proporțională cu expresia
√(1 – v2/c2)
Această ipoteză, care nu este justificată de fapte electrodinamice, ne furnizează apoi acea lege particulară de mișcare, care a fost confirmată cu mare precizie în ultimii ani.
Teoria relativității conduce la aceeași lege a mișcării, fără a necesita nicio ipoteză specială în ceea ce privește structura și comportamentul electronului. Am ajuns la o concluzie similară în secțiunea 13 în legătură cu experimentul lui Fizeau, rezultat care este prezis de teoria relativității fără necesitatea de a se baza pe ipoteze cu privire la natura fizică a lichidului.
A doua clasă de fapte la care am făcut aluzie se referă la întrebarea dacă mișcarea pământului în spațiu poate fi sau nu perceptibilă în experimentele terestre. Am observat deja în secțiunea 5 că toate încercările de acest gen au dus la un rezultat negativ. Înainte de a prezenta teoria relativității, a fost dificil să se reconcilieze cu acest rezultat negativ, din motive care trebuie discutate acum. Predicțiile moștenite despre timp și spațiu nu au permis să apară nicio îndoială cu privire la importanța primordială a transformării galileene pentru trecerea de la un corp de referință la altul. Acum, presupunând că ecuațiile Maxwell-Lorentz sunt pentru un corp de referință K, atunci constatăm că ele nu sunt aceleași pentru un corp de referință K’ care se mișcă uniform față de K, dacă presupunem că relațiile transformării galileene există între coordonatele K și K’. Se pare că, din toate sistemele de coordonate galileene, există fizic unul singur (K) care corespunde unei anumite stări de mișcare. Acest rezultat a fost interpretat fizic prin considerarea K ca fiind în repaus cu privire la un ipotetic eter al spațiului. Pe de altă parte, toate sistemele de coordonate K’ care se deplasează relativ la K trebuiau considerate ca fiind în mișcare în raport cu eterul. La această mișcare a lui K’ față de eter („deviația eterului” față de K’) i s-au atribuit legi mai complicate care ar fi trebuit să corespundă relativ la K’. Strict vorbind, o astfel de deviație ar trebui, de asemenea, să fie asumată față de pământ și, de mult timp, eforturile fizicienilor s-au dedicat încercărilor de a detecta existența unei alte deviații a eterului la suprafața pământului.
Într-una dintre cele mai notabile dintre aceste încercări, Michelson a conceput o metodă care pare a fi decisivă. Imaginați-vă două oglinzi astfel aranjate pe un corp rigid încât suprafețele de reflexie sunt față în față. O rază de lumină necesită un timp perfect definit T pentru a trece de la o oglindă la alta și înapoi din nou, dacă întregul sistem este în stare de repaus față de eter. Totuși, prin calcul, se constată că pentru acest proces este necesar un timp ușor diferit T’, dacă corpul, împreună cu oglinzile, se deplasează relativ la eter. Și încă un alt punct: se arată prin calcul că, pentru o viteză dată v cu referință la eter, acest timp T’ este diferit atunci când corpul se mișcă perpendicular pe planurile oglinzilor față de cel care rezultă atunci când mișcarea este paralelă cu aceste planuri. Deși diferența estimată dintre aceste două situații este extrem de mică, Michelson și Morley au efectuat un experiment care implică interferențe în care această diferență ar fi putut fi detectată în mod clar. Dar experimentul a dat un rezultat negativ – un fapt foarte derutant pentru fizicieni. Lorentz și FitzGerald au salvat teoria din această dificultate presupunând că mișcarea corpului în raport cu eterul produce o contracție a corpului în direcția mișcării, valoarea contracției fiind suficientă pentru a compensa diferența în timp menționată mai sus. Comparația cu discuția din secțiunea 11 arată că, din punctul de vedere al teoriei relativității, această rezolvare a dificultății a fost cea corectă. Dar, pe baza teoriei relativității, metoda de interpretare este incomparabil mai satisfăcătoare. Conform acestei teorii, nu există un sistem de coordonate „special favorizat” (unic) care să ofere ocazia introducerii acestei idei a eterului și, prin urmare, nu poate exista nicio deviație a eterului, niciun experiment cu care să se demonstreze. Aici contracția corpurilor în mișcare rezultă din cele două principii fundamentale ale teoriei, fără introducerea unor ipoteze particulare; și ca principalul factor implicat în această contracție găsim, nu mișcarea în sine, la care nu putem atașa niciun sens, ci mișcarea în raport cu corpul de referință ales în cazul particular în cauză. Astfel, pentru un sistem de coordonate care se deplasează cu pământul, sistemul oglindă al lui Michelson și Morley nu este mai scurt, dar este mai scurt pentru un sistem de coordonate în repaus relativ la soare.
Note
13) Teoria generală a relativității face posibil ca masele electrice ale unui electron să fie ținute împreună de forțele gravitaționale.
Lasă un răspuns