(Albert Einstein la vârsta de 14 ani)
Experimentele de gândire ale lui Einstein ar trebui să ne ofere noi cunoștințe despre lumea naturală. Dar cum este posibil acest lucru atunci când nu există date noi empirice? Norton afirma că experimentele de gândire sunt epistemic de neimaginat. M. R. Visser consideră că sursa epistemică a cunoașterii experimentale a gândirii este dublă, la fel ca cea a cunoașterii obișnuite. Pe de o parte, cunoștințele se bazează pe experiența senzorială și, pe de altă parte, este necesar un act de înțelegere pentru a produce cunoștințe. Astfel, din punct de vedere epistemologic, experimentele de gând funcționează la fel ca alte metode științifice.
Experimentele de gândire sunt experimente realizate doar în imaginație. Ele ne oferă nouă înțelegere a lumii, doar prin gândire. De aceea, experimentele de gândire sunt interesante din punct de vedere filosofic. Experimentele de gândire nu par să se încadreze în viziunea empirică standard a dobândirii de cunoștințe. Potrivit empiriștilor, putem învăța despre lume numai prin experiența senzorială. Experimentele fizice, de exemplu, ne pot oferi noi cunoștințe despre realitate, deoarece implică interacțiunea cu realitatea. În schimb, experimentele de gândire par problematice, deoarece sursa cunoașterii pe care o produc este neclară. Se pare că se poate porni de la o poziție de ignoranță, de a sta și de a gândi și de a dobândi noi cunoștințe, fără noi date empirice.
La vârsta de șaisprezece ani, Einstein și-a imaginat ce s-ar întâmpla dacă urmați un fascicul de lumină cu viteza luminii. El a reamintit mai târziu că acest experiment de gândire conținea deja germenul marii descoperiri pe care a făcut-o cu zece ani mai târziu: relativitatea specială. „Acesta a fost primul experiment de gândire copilăresc legat de teoria specială a relativității.” În ciuda faptului că era „copilăresc” pentru Einstein, experimentul de gândire este mai dificil decât pare la prima vedere. Întrucât au rămas doar trei declarații scurte, neclare, datând de la douăzeci și patruzeci și cincizeci de ani după eveniment, este dificil să înțelegi ce intenționa Einstein să obțină. Se poate spune că există atât de multe interpretări ca și autorii care au scris despre el.
Experimentul de gândire duce la compatibilitatea celor două ipoteze ale relativității speciale: constanța vitezei luminii și principiul relativității, fiind prezentat de Einstein în „Notele autobiografice” din 1949. Aceasta este cea mai cunoscută expunere a experimentului și, probabil, cea pe care Einstein a elaborat-o cu cea mai mare atenție. Interpretarea lui M. R. Visser este că: ”Sunt conștient de faptul că încerc să reconstruiesc ceva într-o manieră rațională, care poate să nu fi început atât de rațional.” Într-unul din conturile sale despre experimentul gândit, Einstein admite acest lucru: „Descoperirea nu este o lucrare de gândire logică, chiar dacă produsul final este obținut în formă logică”.
În notele sale autobiografice, Einstein a reamintit că, la începutul secolului al XX-lea, căuta un „principiu formal universal”, care ar putea duce la cunoașterea adevărată. Inspirat de postulatul lui Planck că energia electromagnetică poate fi emisă și absorbită numai în ‘cuante’ de magnitudine hv, Einstein a căutat o teorie adecvată a materiei, a radiațiilor și a electricității. Nici mecanica clasică, nici electrodinamica lui Maxwell nu puteau umple acest gol: erau în contradicție cu postulatul lui Planck. În ciuda succeselor lui Einstein în evoluțiile timpurii ale mecanicii cuantice, în special ipoteza că energia cuantică a luminii a fost cuantizată, el dispera datorită „posibilității de a descoperi legile adevărate prin eforturi constructive bazate pe fapte cunoscute”, și și-a schimbat atenția spre găsirea primelor principii.
Câmpul pe care-l folosea ca model a fost termodinamica, deoarece avea o bază solidă pe care a fost construite restul. „Principiul general a fost dat în teoremă: legile naturii sunt de așa natură încât este imposibil să se construiască un mobil perpetuum (de primul și al doilea tip)”. Există un alt principiu universal pe care să se poată baza în căutarea unei noi teorii? În autobiografia sa oficială, Einstein a declarat că experimentul de gândire al luminii înghețate, printre altele, la ajutat să găsească acest principiu:
„După zece ani de reflecție, un astfel de principiu a rezultat dintr-un paradox pe care l-am gândit deja la vârsta de șaisprezece ani: dacă urmăresc un fascicul de lumină cu viteza c (viteza luminii în vid), trebuie să observ un astfel de fascicul de lumină ca un câmp electromagnetic oscilant spațial în repaus. Totuși, se pare că nu există așa ceva, fie pe baza experienței, fie în conformitate cu ecuațiile 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 în conformitate cu aceleași legi ca și pentru un observator care, în raport cu pământul, era în repaos. Cum, în caz contrar, primul observator ar trebui să știe, adică să poată determina că este în mișcare uniformă rapidă?
”Se vede că în acest paradox germenul teoriei relativității speciale este deja inclus. Astăzi toată lumea știe, bineînțeles, că toate încercările de a clarifica acest paradox în mod satisfăcător au fost condamnate la eșec, atâta timp cât axioma caracterului absolut al timpului, adică a simultaneității, a fost necunoscută fiind ancorată în inconștient. În mod evident, cunoașterea acestei axiome și a caracterului său arbitrar implică deja rezolvarea problemei „
Cum funcționează acest experiment de gândire? Începe cu situația ipotetică de a urmări o undă de lumină cu viteza luminii c. O undă de lumină este o oscilație sinusoidală a unui câmp electric și magnetic, a cărui formă de undă se propagăcu viteza luminii. Dacă cineva ”se va agăța” de o undă de lumină și se va deplasa cu ea, ca un surfer pe un val de apă, va vedea o undă de lumină înghețată. Radiația de lumină ar apărea apoi ca un câmp electromagnetic static oscilant spațial și proprietățile undei ar dispărea . Acest câmp de undă independent de timp, conform lui Einstein, totuși, nu există, pentru că nu este niciodată experimentat și nu este în concordanță cu teoria lui Maxwell.
Dacă experimentul de gândire ar fi fost doar un argument de reducere la absurd, atunci concluzia lui ar fi că un observator nu poate ajunge niciodată la viteza luminii. Presupunerea (urmărind o undă de de lumină) conduce la o contradicție (unda de lumină independentă de timp), astfel ipoteza se dovedește a fi falsă, datorită modului tollens în logica clasică. Deși este o afirmație adevărată că nu se poate călători cu viteza luminii, pentru că ar necesita o energie infinită, nu este scopul pe care Einstein dorea să îl facă. El a declarat în mod clar că un principiu universal a rezultat din paradox și că problema poate fi rezolvată prin renunțarea la caracterul absolut al timpului.
Într-un alt pasaj, Einstein a definit paradoxul conținut în experimentul de gândire:
„Paradoxul de mai sus poate fi formulat după cum urmează. Conform regulilor de conectare, utilizate în fizica clasică, a coordonatelor spațiale și a timpului evenimentelor în tranziția de la un sistem inerțial la altul, cele două ipoteze
(1) constanta vitezei luminii
(2) independența legilor (deci și a legii constanței vitezei luminii) de alegerea sistemului inerțial (principiul relativității speciale)
sunt reciproc incompatibile (în ciuda faptului că ambele luate separat se bazează pe experiență)”
Conform lui Einstein, paradoxul experimentului de gândire constă în incompatibilitatea celor două ipoteze (1) și (2). Dar de ce principiul relativității este incompatibil cu constanța vitezei luminii din fizica clasică? Einstein sugerează că are ceva de-a face cu „regulile de conectare, folosite în fizica clasică, a coordonatelor spațiale și a timpului evenimentelor în tranziția de la un sistem inerțial”. Aceste „reguli de legătură”, la care se referă Einstein, sunt transformările galileene, folosite în fizica newtoniană pentru a transforma coordonatele unui cadru de referință inerțial în altul. Practic, există o incompatibilitate a fizicii clasice care rezultă din transformările galileene.
În primul rând, se poate demonstra că aceste transformări implică faptul că legile lui Newton din mecanică, dacă sunt valabile într-un sistem inerțial, trebuie să fie valabile pentru toate sistemele inerțiale. Astfel, transformările galileene implică principiul clasic al relativității.
În al doilea rând, aceste transformări întruchipează noțiunea intuitivă de adunare și scădere a vitezelor, numită „regula de însumare a vitezei Galileo”. Un exemplu simplu poate arăta modul în care funcționează această regulă. Să presupunem că un om merge cu 5 km / h pe coridorul unui tren care merge cu 60 km / h; viteza sa netă față de pământ este intuitiv de 65 km / h. Așadar, viteza A (omului) față de C (pământ) este egală cu viteza lui A față de B (trenul) plus viteza lui B față de C:
VAC = VAB + VBC
Dacă A este un fascicul de lumină provenit de la o lanternă pe tren, atunci, conform lui Galileo, viteza sa față de sol ar fi mai mare decât viteza sa față de tren. În acest exemplu, viteza luminii nu este constantă. În general, regulile de însumare a vitezei Galileo – și, de asemenea, legile sale de transformare și principiul relativității, pentru că ele sunt interconectate – sunt în contradicție cu presupunerea constanței vitezei luminii. Astfel, în ipotezele fizicii clasice (1) și (2) sunt incompatibile. Dacă o ipoteză este valabilă, cealaltă nu.
Dar de ce sunt cele două presupuneri incompatibile în acest experiment particular de gândire? Răspunsul la această întrebare depinde de interpretarea primei ipoteze. Presupunerea asupra constanței vitezei luminii poate fi exprimată în două moduri. În prima lucrare privind relativitatea specială, Einstein a definit acest principiu după cum urmează: „Orice rază de lumină se mișcă în sistemul „staționar” al coordonatelor cu viteza determinată c, dacă raza este emisă de un corp staționar sau de un corp în mișcare.” Mai târziu, presupunerea a fost pusă într-un mod diferit, și anume că viteza luminii este aceeași pentru toți observatorii inerțiali. Există motive întemeiate să credem că Einstein a avut prima expresie în minte atunci când a realizat acest experiment de gândire. În primul rând, în lucrarea din 1905, după zece ani după eveniment, viteza luminii este considerată în mod constant „independentă de starea de mișcare a corpului emițător”.
Să presupunem că un observator, care călătorește cu viteza luminii, creează un fascicul de lumină cu o lanternă. Ne-am aștepta ca fasciculul de lumină să călătorească cu viteza luminii. Cu toate acestea, observatorul este convins că fasciculul nu se propagă deloc, că este în repaus. Mai mult, dacă viteza observatorului s-ar reduce, atunci viteza fasciculului luminos față de observator ar crește. În această versiune puțin diferită a experimentului de gândire, rezultatele măsurătorilor vitezei luminii depind de viteza corpului emițător. De aceea, viteza fasciculului de lumină nu este constantă, iar prima ipoteză nu este îndeplinită.
Cu toate acestea, cea de-a doua presupunere (principiul relativității) se află întotdeauna în raport cu toate sistemele inerțiale. Acest lucru este reflectat în declarația lui Einstein: „De la bun început mi s-a părut intuitiv clar că, judecat din punctul de vedere al unui astfel de observator, totul ar trebui să se întâmple conform acelorași legi ca și pentru un observator care, relativ la pământ, era în repaus.” Prin urmare, ipotezele (1) și (2) nu se află simultan în această situație ipotetică. Experimentul de gândire este un exemplu de incompatibilitate a constanței vitezei luminii și a principiului relativității în electrodinamica clasică. Incompatibilitatea constituie un paradox, deoarece este o contradicție aparentă.
Sursa: M. R. Visser, An Epistemological Approach to Einstein’s Thought Experiments
Lasă un răspuns