Teoria relativitii pe nelesul tuturor - 1 Teoria relativitii este legat indisolubil de Albert Einstein, creatorul acesteia i cel mai faimos om de tiin al secolului al XX-lea. Dar care sunt ideile principale ale acestei teorii i la ce folosesc ele? n acest articol aflai cum funcioneaz Sistemul Global de Poziionare, GPS, i n ce fel este acesta dependent de prediciile relativitii. CUPRINS Preambul Relativitatea pe nelesul tuturor GPS i relativitate Relativitatea clasic nsumarea i scderea vitezelor n concepia clasic despre relativitate Un alt exemplu. Jocul de baseball ntr-un camion n micare rectilinie uniform Bibliografie ...mergi direct la videoclip PREAMBUL Realizatorii mini-documentarului au ales s mbrace ideile tiinifice prezentate ntr-o poveste tiinifico-fantastic - intitulat "N SENS INVERS" - despre cltoria accidental n viitor a lui Kevin i a Dianei, doi oameni de tiin pe care un savant misterios pe nume Chaucer ncearc s i ajute s revin n prezent. Discuiile dintre ei sunt pe diverse teme tiinifice din zone precum teoria relativitii (tema acestui film documentar), teoria evoluiei, genetica ori mecanica cuantic (domenii abordate n cadrul altor serii de scurte videoclipuri, deja prezentate pe scientia.ro) i, dei episoadele acestei mini-serii, n numr de 6, pot fi urmrite i nelese independent unele de altele, v recomandm s vedei toate prile, n ordinea apariiei lor, pentru a putea ine pasul cu evoluia ideilor din fascinantul univers al lui Albert Einstein. Pentru mai buna nelegere a unor concepte i idei prezentate n documentar, uneori am intervenit cu lmuriri suplimentare, care - credem noi - vor reprezenta un adaos reuit la povestea imaginat de realizatorii documentarului. Povestea original rmne ns nealterat sub forma materialelor video. RELATIVITATEA PE NELESUL TUTUROR Una dintre minunile tehnologiei moderne, Sistemul Global de Poziionare (GPS Global Positioning System), i datoreaz uluitoarea precizie unei teorii stranii propuse de Albert Einstein la nceput de secol XX i cunoscut de sub numele de Teoria Relativitii. n continuare vom face o scurt descriere a modului de funcionare al sistemului GPS, tehnologie care probabil va face n curnd parte din existena cotidian a fiecruia dintre noi, dac acest lucru nu s-a ntmplat deja; pentru buna funcionare a acestei tehnologii trebuie nelese i luate n calcul consecinele teoriei relativitii. SISTEMUL GLOBAL DE POZIIONARE I RELATIVITATEA Relativitatea reprezint o metod prin care doi oameni se pun de acord asupra a ceea ce vd atunci cnd unul dintre ei este n micare. Din moment ce noi toi ne deplasm cu regularitate, putem gsi o sumedenie de exemple din viaa cotidian n care relativitatea devine foarte util, chiar dac nu o denumim astfel n discuiile obinuite. Dar s revenim la de Sistemul Global de Poziionare. n mod poate surprinztor pentru unii, un dispozitiv GPS poate indica poziia cuiva, oriunde pe Terra, cu o precizie de doar civa metri. Dei nu se gsesc (nc) n dotarea fiecruia dintre noi, aceste dispozitive exist la bordul avioanelor comerciale de linie i a multor autovehiculele prevzute cu sisteme de navigaie cu hri digitale. Dup cum tii, aceste dispozitive sunt deja comercializate pe scar larg, astfel c oricine i poate achiziiona unul la un pre n jurul a 100 de dolari i poate ti oricnd poziia sa pe Terra cu o precizie de doar civa metri. Tehnologia din spatele acestui veritabil numr de magie depinde n ntregime de existena a dou duzini (24) de satelii, care orbiteaz la 12.000 de mile (20.000 de kilometri) deasupra Pmntului i, de asemenea, depinde de puin relativitate. Pe scurt, iat cum funcioneaz sistemul. Cei 24 de satelii se deplaseaz cu o vitez orbital de 14.000 de km/h, avnd o perioad de orbitare de aproximativ 12 ore (nu sunt geostaionari). Sunt astfel distribuii nct de pe orice punct al Terrei s fie vizibili

http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.htmlhttp://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.html#1http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.html#2http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.html#3http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.html#4http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.html#5http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.html#6http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.html#7http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/467-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-1.html#8

oricnd mcar 4 dintre ei (i maxim 12). Fiecare dintre satelii este dotat cu un ceas atomic care are o precizie foarte bun, cu o eroare de sub 1 secund la 1 milion de ani. Receptorul GPS primete un semnal de sincronizare de la civa dintre aceti satelii de mare nlime (de obicei ntre 6 i 12 satelii, dar 4 sunt teoretic suficieni) i, folosind teoria relativitii a lui Einstein, calculeaz distana la care se afl fa de fiecare dintre acetia. Cu ajutorul metodei triangulaiei se poate calcula ulterior poziia pe Terra a receptorului cu o precizie foarte bun, eroarea fiind de doar 5-10 metri. Conceptul este simplu, dar pentru o implementare de succes, semnalele de sincronizare trebuie s fie extrem de precise, cu o marj de eroare permis de doar cteva miliardimi de secund, astfel nct calculele de distan s poat fi garantate cu o marj de eroare de doar civa metri. Pentru a atinge acest nivel de exactitate, semnalele de sincronizare (practic ora indicat de ceasurile atomice ale sateliilor) trebuie cunoscute cu o precizie de 20-30 de nanosecunde. Dar, deoarece sateliii se deplaseaz ncontinuu fa de observatorii teretri, efectele prezise de teoria relativitii nu pot fi neglijate pentru a atinge aceast precizie. Cele dou teorii reunite generic sub numele de Teoria Relativitii, i despre care vei afla numeroase detalii pe parcursul prezentei serii, relativitatea special i relativitatea generalizat, prezic amndou diferene ntre indicaiile ceasurilor atomice de la bordul sateliilor (aa cum ar fi acestea vzute de pe Terra, de la nivelul observatorului de la sol) i cele ale observatorilor teretri. De pild, relativitatea special presupune apariia unui efect de dilatare a timpului (despre care vei putea citi n prile urmtoare ale seriei) din cauza cruia ceasurile sateliilor vor rmne n urm zilnic cu 7 microsecunde fa de cele terestre. Mai mult, relativitatea generalizat ne spune, printre altele, c ceasurile mai apropiate de un obiect masiv (cum e planeta Pmnt), merg ceva mai ncet (din perspectiv terestr) dect cele de la bordul sateliilor. Aa nct, calculele care in cont de acest efect prezis de relativitatea generalizat indic faptul c ceasurile sateliilor o iau nainte fa de cele de la sol cu 45 de microsecunde zilnic. O alt prezicere a relativitii generalizate este c timpul trebuie s par c trece mai ncet lng un corp masiv ca pmntul. Aceasta deoarece exist o relaie ntre energia luminii i frecvena sa (adic numrul de unde de lumin pe secund): cu ct este mai mare energia cu att este frecvena mai mare. Atunci cnd lumina se propag n sus n cmpul gravitaional ai pmntului, ea pierde energie i astfel frecvena sa scade. (Aceasta nseamn c timpul dintre un vrf al undei i urmtorul crete.) Pentru cineva aflat la nlime ar prea c tot ce se ntmpl jos necesit un timp mai lung. Aceast prezicere a fost testat n 1962, cu ajutorul unei perechi de ceasuri foarte precise montate n vrful i la baza unui turn de ap. S-a descoperit c ceasul de la baz, care era mai aproape de pmnt, mergea mai ncet, n exact concordan cu relativitatea generalizat. Diferena de vitez a ceasurilor la diferite nlimi deasupra pmntului este acum de importan practic considerabil, o dat cu apariia sistemelor de navigaie foarte precise bazate pe semnale de la satelii. Dac se ignor prezicerile relativitii generalizate, poziia calculat va fi greit cu civa kilometri. Extras din "Scurt istorie a timpului" de Stephen Hawking Combinnd aceste dou efecte ale relativitii ajungem la concluzia c ceasurile de la bordul sateliilor ctig zilnic 38 de microsecunde fa de cele de la sol (n realitate se manifest i alte efecte relativiste, dar ne vom limita acum la prezentarea acestora dou). Este o valoare enorm (38.000 de nanosecunde) n comparaie cu precizia de nanosecund necesar bunei funcionri a sistemului GPS. Dac aceste efecte nu ar fi luate n calcul, un raport de poziie al unui dispozitiv GPS ar fi fals dup doar 2 minute de la contactul iniial cu sateliii, i, mai mult, erorile globale de poziionare s-ar acumula cu o rat de 10 kilometri n fiecare zi. Aadar, avnd n vedere micarea i viteza semnalelor folosite, timpii i distanele trebuie msurate cu grij. Fr interpretarea dat de Einstein relativitii, precizia Sistemului Global de Poziionare ar varia cu mai bine de 10 kilometri n fiecare zi. Iar acum, convini fiind pe deplin de faptul c teoria relativitii nu este nicidecum doar un construct matematic complicat fr nicio consecin n vieile noastre cotidiene, s ncepem cltoria noastr n fascinantul univers al lui Albert Einstein. RELATIVITATEA CLASIC Bineneles c relativitatea, ca i concept, nu s-a nscut odat cu Einstein. Problema modului n care doi oameni se pun de acord cu privire la observaiile lor asupra lumii, dac unul dintre ei este n micare, a fost dezbtut de secole. S ptrundem n lumea relativitii cu ajutorul unor exemple concrete din viaa de zi cu zi... Atunci cnd cltorii cu maina cu vitez constant pe o poriune plan i rectilinie de autostrad, nu resimii deloc senzaia c v aflai n micare. Acest lucru nseamn c, de pild, ai putea citi cu uurin o carte, turna

o butur ntr-un pahar ori arunca n aer o moned i totul va prea ca i cnd maina s-ar afla pe loc. Acest lucru se ntmpl deoarece RELATIV LA MAIN - dumneavoastr, cartea, butura i moneda nu v micai. De remarcat c toate acestea sunt valabile doar dac maina nu i modific direcia ori viteza de deplasare. Dac maina i schimb direcia de deplasare ori accelereaz, turnatul buturii n pahar devine o adevrat provocare. ns micarea cu vitez constant i n linie dreapt (cunoscut din fizica de liceu drept micarea rectilinie uniform) este resimit precum repausul. E suficient s ne gndim la micarea planetei Terra prin spaiu pentru a contientiza faptul c ceea ce noi considerm ca fiind n repaus la suprafaa planetei, este n fapt micare ntr-un context diferit. Din cauza micrii de rotaie a Pmntului n jurul propriei axe, ne deplasm cu viteza de circa 1600 de kilometri pe or. Din cauza micrii planetei noastre n jurul Soarelui, Terra ne poart prin spaiu cu o vitez de aproximativ 108,000 de kilometri pe or. Mai mult, datorit micrii sistemului nostru solar n jurul centrului galaxiei Calea Lactee noi ne deplasm cu mai bine de 800.000 de kilometri pe or. Numai c nu este suficient s ne ntrebm ct de repede ne deplasm, ci ntrebarea complet ar suna cam aa: ct de repede ne deplasm RELATIV la un alt lucru? NSUMAREA I SCDEREA VITEZELOR N CONCEPIA CLASIC DESPRE RELATIVITATE. S introducem o regul simpl care permite unor observatori, doi la numr, s se pun de acord cu privire la viteza de deplasare a unui obiect. S ncepem exerciiul nostru pe o band rulant, un trotuar mobil dintr-un aeroport. Banda se mic cu viteza constant de 3 mile pe or. Astfel c dacSusan, una dintre eroinele filmului de mai sus, st pur i simplu nemicat pe trotuarul mobil, ea se va deplasa cu viteza de 3 mile pe or relativ la Sara (cealalt protagonist a micului nostru experiment video), care st i ea nemicat, dar nu pe trotuar. Dac Susan merge pe trotuar cu viteza de 3 mile pe or, ea poate spune, n mod corect, c se deplaseaz cu 3 mile pe or, dar Sara o va vedea micndu-se cu viteza de 6 mile pe or. Iar dac Susan se deplaseaz cu 3 mile pe or n sens contrar benzii trotuarului, Susan va putea susine n continuare c ea se deplaseaz cu 3 mile pe or, dar n acest moment Sara o va vedea n repaus (0 mile pe or). Astfel c prima noastr concluzie spune c doi observatori, pentru a se pune de acord cu privire la msurtorile de vitez efectuate, pot, pur i simplu, s adune ori s scad din rezultatele obinute viteza relativ a unuia fa de cellalt, n cazuri similare celui de fa. Aceast idee reprezint temelia relativitii clasice. UN ALT EXEMPLU. JOCUL DE BASEBALL PE UN CAMION N MICARE RECTILINIE UNIFORM. Iat un alt scenariu, unul care implic jocul de baseball. S presupunem c un camion se deplaseaz pe un drum drept cu viteza constant de 50 de mile pe or. n partea din spate se afl un arunctor, un prinztor i antrenorul lor, dotat cu un aparat de msur al vitezei mingii care funcioneaz pe principiul radarului. Atta vreme ct camionul nu accelereaz ori nu ncetinete i nici nu ntlnete obstacole de mari dimensiuni, cei trei i pot desfura edina de antrenament ca i cum s-ar afla pe un teren de baseball. Cnd prinztorul arunc mingea cu viteza de 100 de mile pe or, radarul antrenorului va nregistra valoarea de 100 de mile pe or. ntr-adevr, mingea se deplaseaz cu viteza de 100 de mile pe or RELATIV LA arunctor, prinztor, antrenor i camion. Dar s presupunem c un spectator se afl pe marginea drumului i nregistreaz viteza aceleiai mingi de baseball. Ce vitez va msura acest observator neimplicat n micarea camionului? Ei bine, mingea se afl deja n micare cu viteza de 50 de mile pe or atunci cnd se gsete n minile arunctorului. Aa c acest spectator va msura o vitez a aruncrii de 150 de mile pe or, viteza mingii relativ la camion plus viteza camionului relativ la spectator.

Teoria relativitii pe nelesul tuturor - 2 Partea a doua a seriei dedicate teoriei relativitii face o trecere n revist a ideilor din fizic la momentul revoluiei iniiate de Einstein. Astfel, vei afla despre J.C.Maxwell i teoria electromagnetismului, despre experimentul Michelson-Morley i semnificaia acestuia, precum i despre experimentul lui Alvger. CUPRINS Un alt exemplu de relativitate clasic Rezist relativitatea clasic la viteze foarte mari? J.C. MAXWELL i teoria electromagnetismului CRIZA de la sfrit de secol XIX

http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.htmlhttp://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.html#1http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.html#2http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.html#3http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.html#4

Scurt perspectiv istoric. Eterul. Experimentul MICHELSON-MORLEY. Experimentul lui ALVGER. Postulatul lui Einstein Bibliografie ...mergi direct la videoclip UN ALT EXEMPLU DE RELATIVITATE CLASIC S ncepem analiza pe tema relativitii i luminii folosind personajele i povestea unui vechi show de televiziune american: SkyKing. Imaginai-v c zburai cu Sky King (eroul seriei de televiziune) n avionul acestuia Songbird - i avei cu d-voastr o puc de calibru 22. tii c zburai cu viteza de 150 de mile pe or i mai tii, de asemeni, c atunci cnd tragei cu puca glontele prsete eava putii cu viteza de numai 100 de mile pe or. Astfel c avionul zboar mai repede dect glonul. Ce se ntmpl oare n momentul n care ndreptai puca n direcia de deplasare a avionului i apsai trgaciul? Prsete glonul vreodat eava putii din moment ce zburai cu viteza de 150 de mile pe or, iar glonul se deplaseaz cu doar 100 de mile pe or? Rspunsul este evident pentru oricine este obinuit cu relativitatea clasic, cea care se aplic n viaa de zi cu zi. Bineneles c glonul va prsi eava putii: viteza glonului relativ la puc se adaug la viteza avionului, astfel c glonul "pleac" cu viteza de 250 de mile pe or fa de sol.

Putei judeca problema i n felul urmtor: glonul "merge" (fa de sol) cu 150 de mile pe or doar stnd nemicat pe eava putii, din moment ce el se mic mpreun cu d-voastr, Sky King i Songbird. Cnd descrcai arma, glonul este propulsat n exteriorul acesteia, spre nainte, cu un SUPLIMENT de vitez de 100 mph. Astfel c glontele prsete eava putii cu viteza de 250 de mile pe or RELATIV la sol, respectiv 100 de mile pe or relativ la d-voastr, SkyKing i Songbird!

Aceasta este relativitatea clasic: pur i simplu se nsumeaz vitezele. n continuare, s facem un pas nainte, nlocuind puca cu o lantern. Vom avea nevoie de un scenariu imaginar. S presupunem c suntei mpreun cu Snoopy (eroul unor benzi desenate) i al su aparat imaginar de zbor, numit Sopwith Camel (de fapt, casa cinelui su). tii cu certitudine faptul c, la sol, lumina lanternei d-voastr cltorete cu viteza de 300,000 de kilometri pe secund. n continuare, din noul aparat de zbor ndreptai lanterna ctre nainte i aprindei-o.

Snoopy i al su Sopwith Camel Va cltori lumina cu 300,000 de kilometri pe secund PLUS viteza "avionului" lui Snoopy? Oricine a avut contact n liceu, prin intermediul unui film documentar ori ntr-o simpl discuie cu vreun prieten pasionat de fizic, cu teoria relativitii, intuiete c avem de-a face cu o ntrebare capcan i cunoate rspunsul (unul negativ), fr ns, de cele mai multe ori, a-l i nelege. REZIST RELATIVITATEA CLASIC LA VITEZE FOARTE MARI ? Exemplul cu nsumarea vitezelor glonului i a avionului este poate cel mai reuit mod de a explica relativitatea clasic. Versiunea clasic a relativitii - simpla nsumare a vitezelor - a funcionat perfect pentru multe secole, pentru descrierea micrii trsurilor, vapoarelor, jocului de baseball i camioanelor, ba chiar i a zborului avioanelor, rachetelor i gloanelor. Numai c relativitatea clasic este doar o foarte bun aproximare a realitii.

http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.html#5http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.html#6http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.html#7http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/475-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-2.html#8

La viteze foarte, foarte mari, relativitatea clasic nu mai funcioneaz. Dar acest lucru nu a devenit clar dect cnd oamenii de tiin au nceput s zboare (imaginar, asemenea lui Einstein) cu "Sopwith Camels" i au examinat natura celui mai rapid lucru cunoscut de om - lumina. JAMES CLERK MAXWELL I TEORIA ELECTROMAGNETISMULUI La mijlocul secolului al XIX-lea, era deja cunoscut de mult vreme faptul c electricitatea putea fi folosit pentru a crea un magnet, respectiv c magneii puteau fi folosii pentru a genera electricitate. Iar omul care a realizat prima fotografie color, James Clerk Maxwell, a unificat toate cunotinele care existau despre electricitate i magnetism sub forma a 4 ecuaii splendide. Aceste ecuaii descriu comportamentul unei unde electromagnetice care cltorete prin vid cu exact viteza msurat a luminii. n fapt, aceast und este reprezentat de nsi lumina. Aadar, potrivit lui Maxwell, lumina este o und electromagnetic care se mic prin spaiul cosmic cu viteza de 300,000 de kilometri pe secund. Numai c, privind problema din punct de vedere al relativitii, se nate, n mod absolut firesc, o ntrebare ... relativ la ce este msurat aceast vitez? Ecuaiile lui Maxwell preau a spune c lumina se deplaseaz cu 300,000 de kilometri pe secund relativ la orice! CRIZA DE LA SFRIT DE SECOL al XIX-lea Aceasta era confuzia cu care se confruntau fizicienii la nceputul secolului XX. Dac Maxwell avea dreptate, atunci lumina se deplaseaz ntotdeauna cu viteza "c", de 300,000 de kilometri pe secund. Dar dac relativitatea clasic este o teorie corect, atunci nu exist viteze absolute, iar viteza luminii ar trebui s depind de cel care face msurtorile i s in cont de micarea acestuia relativ la sursa de lumin. Cum ar putea aceste idei s fie corecte simultan? Fie nelegerea noastr a fenomenului micrii, fie teoriile despre electromagnetism i lumin, erau n pericol. nsi bazele fundamentale ale fizicii se aflau n faa unei crize profunde. Un funcionar de doar 26 de ani de la Biroul de Patente din oraul elveian Berna, pe nume Albert Einstein avea s ofere o cale de a depi aceast criz. SCURT PERSPECTIV ISTORIC. ETERUL. EXPERIMENTUL MICHELSON-MORLEY. EXPERIMENTUL LUI ALVGER.

Pentru o i mai bun nelegere a cadrului istoric care precede revoluia introdus de Albert Einstein n fizica modern, s facem o scurt trecere n revist a ideilor majore din fizica finalului de secol XIX legate de caracterul i viteza luminii. n acea vreme era nc n discuie subiectul naturii luminii, continund dispute vechi de secole ntre adepii ideilor lui Isaac Newton, care susineau c lumina ar un caracter corpuscular, respectiv susintorii ultimelor teorii, i anume electromagnetismul lui Maxwell despre care am pomenit anterior. Balana nclinase n favoarea naturii ondulatorii a luminii, care era privit acum ca o form de radiaie electromagnetic pe care ecuaiile lui Maxwell o descriau ca fiind o und format din cmpuri magnetice i electrice i care are viteza de 186,300 de mile pe secund, aceeai valoare cu cea determinat experimental de Albert Michelson la 1879 (186,350 de mile pe secund, cu o eroare de aprox. 30 de mile pe secund). Prin analogie cu comportamentul undelor sonore, care au nevoie de un mediu prin care s se propage, i sub influena ideilor relativitii clasice, se considera c este nevoie de un mediu prin care s se propage lumina, relativ la care s fie raportat valoarea vitezei acesteia obinut pe cale experimental i aflat n acord i cu valoarea teoretic prezis de ecuaiile lui J.C. Maxwell. Numele dat acestui mediu n epoc era de eter luminifer sau pur i simplu eter. Acest material misterios, care era presupus a fi omniprezent, nconjurnd totul i ptrunznd prin oricare alt material, prezent i n spaiul interstelar, era imaginat ca fiind foarte uor i foarte greu de comprimat pentru a permite luminii s cltoreasc cu aceast vitez uluitoare. Toate aceste proprieti imaginare ale sale l fceau extrem de greu detectabil. Dar era acesta real sau doar un construct necesar pentru a susine relativitatea clasic? i dac era real, cum s l detectm?

Acelai Albert Michelson imagineaz un aranjament experimental folosind un instrument inventat tot de el, interferometrul, cu ajutorul cruia s-ar fi putut detecta viteza eterului relativ la Pmnt. Rezultatele, chiar i dup perfecionarea aranjamentului cu ajutorul lui Edward Morley, au fost complet neconcludente, iar singura consecin acceptabil din punct de vedere logic, dar pe care autorii experimentului cu greu au admis-o ca real, era inexistena eterului. Era astfel eliminat posibilitatea ca viteza luminii determinat experimental s fie una relativ la acest mediu imaginar numit eter. (Despre experimentul Michelson-Morley, n detaliu, ntr-un articol viitor).

http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/487-experimentul-michelson-morley.html

O alt variant luat n calcul la acea vreme a fost ca lumina s aib viteza cunoscut atunci pe baze experimentale relativ la surs. Trebuie s scoatem din nou n eviden ideea c relativitatea clasic era foarte adnc nrdcinat n modul de a gndi al comunitii tiinifice de atunci, de unde i nevoia acut de a raporta viteza msurat a luminii la un sistem de referin. n epoc aceast teorie, care poart numele de "teoria emitorului" a fost respins pe baze greite. Adevrata invalidare a acestei idei avea s vin pe cale experimental de abia n anul 1964, cnd o echip condus de Torsten Alvger, folosind dezagregarea spontan a unor particule numite pioni, a demonstrat fr putin de tgad c lumina nu putea avea (din perspectiva interpretrii clasice a experimentului) o vitez fix fa de sursa sa. Aceste particule neutre numite pioni se descompun n urma unor microexplozii n cadrul crora emit lumin. Accelernd pionii la viteze relativistice (s-a reuit accelerarea lor la 185,000 de mile pe secund), este posibil monitorizarea descompunerii acestora, deci i detectarea luminii emise de ei (care devin emitorii pomenii de teorie), la aceste viteze foarte mari. S-a constatat, aa cum era de ateptat din perspectiv modern, c, n ciuda "impulsului" oferit de emitorul aflat n micare cu o vitez impresionant, viteza luminii emise are valoarea normal, de 186,300 de mile pe secund. i asta pentru observatorul uman. n sistemul de referin al pionului, valoarea nu mai putea fi aceeai, dac judecata s-ar fi fcut n secolul XIX... Aadar, n lumina celor afirmate mai sus, era nevoie de o nou paradigm, iar postulatul introdus n 1905 de Einstein i pe care vi-l vom prezenta n cele ce urmeaz, avea s reprezinte un model teoretic n acord cu toate observaiile experimentale existente pe atunci. Albert Einstein avea s mrturiseasc ulterior c la momentul formulrii relativitii restrnse nu avusese cunotin de experimentul Michelson-Morley. Mai precizm i faptul c relativitatea special nu rezult ca o consecin logic a celor de mai sus. Vorbim n schimb de un construct teoretic la baza cruia st un postulat, o axiom, construct care s-a dovedit a fi n acord cu experimentele i ideile trecute i care a rezistat i testelor experimentale care au urmat. POSTULATUL LUI EINSTEIN Einstein a acceptat ca i corecte aceste dou noiuni aparent contradictorii (relativitatea i electromagnetismul) i a modificat cursul tiinei. El a acceptat ideea de relativitate a micrii, reformulnd-o dup cum urmeaz: Orice persoan aflat n micare cu vitez constant va observa aceleai legi ale fizicii cu un observator staionar. i, din moment ce viteza luminii este parte integrant a acestor legi ale fizicii, Einstein a postulat c toi observatorii vor msura aceeai valoare a vitezei luminii, indiferent de starea lor de micare ori de repaus. Numai c viteza este msura variaiei distanei n timp. Iar pentru a se pune de acord cu privire la viteza luminii, diverii observatori trebuie s fie n dezacord n ceea ce privete distana i timpul! Dac trebuie s fim de acord n ceea ce privete viteza luminii, se pare c va trebui s fim n dezacord n ceea ce privete componentele vitezei, distana i timpul. Ce a spus Einstein n aceast privin, i anume despre fenomenele de dilatare a timpului i contracie a lungimilor, vei afla n episodul urmtor...

Teoria relativitii pe nelesul tuturor - 3 n partea a treia a seriei dedicate teoriei relativitii vorbim despre semnificaia conceptului de an-lumin, despre deformarea timpului i a spaiului, precum i despre experimentul Hafele-Keating, care, folosind curse comerciale i cronometre foarte precise, demonstreaz soliditatea teoriei relativitii. CUPRINS Ce este secunda-lumin? Dilatarea timpului Ce este un ceas? Ceasuri n micare Contracia lungimii Experimentul Hafele-Keating ...mergi direct la videoclip

http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.htmlhttp://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.html#1http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.html#2http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.html#3http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.html#4http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.html#5http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.html#5http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.html#5http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/477-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-3.html#6

CE ESTE SECUNDA-LUMIN ? Probabil suntei familiarizai cu conceptul de "an-lumin", folosit ndeosebi n astronomie ori cosmologie. Anul-lumin reprezint distana pe care lumina o strbate ntr-un an - n jur de 6 trilioane de mile sau 9.46 de trilioane de kilometri. Astfel c am putea afirma c VITEZA luminii este un an-lumin (o distan) pe an (o unitate de msur a timpului). La fel de simplu se poate spune c secunda-lumin este distana pe care lumina o parcurge ntr-o secund - n jur de 186,000 de mile (ori 300,000 de kilometri). Deci, altfel spus, viteza luminii este o secund-lumin (o distan) pe secund (o unitate de msur a timpului). DILATAREA TIMPULUI Putei vedea n cadrul filmului prezentat mai jos dou nave spaiale, una aflat n repaus, iar cealalt n micare. Scenariul ales pentru ilustrarea conceptelor de dilatare a timpului, respectiv de contracie a lungimii, este ca atunci cnd nava aflat n micare trece prin dreptul celei staionare, ambele s i aprind propriul laser.

Potrivit postulatelor lui Einstein, viteza luminii laserelor nu depinde de starea de micare/repaus a navelor. Astfel c putem observa ambele raze cltorind una alturi de cealalt, cu aceeai vitez. Echipajul navei spaiale aflat n repaus observ cum raza laser emis de nava lor cltorete 12 secunde-lumin n 12 secunde i raporteaz, n mod corect, faptul c lumina cltorete cu viteza de 1 secund-lumin pe secund! Dar care este situaia razei laser emise de nava spaial aflat n micare? Parcurge aceasta doar 6 secunde-lumin n 12 secunde i, dac da, va raporta echipajul su c lumina cltorete cu o vitez egal cu doar jumtate din valoarea cunoscut? Nu, nu se va ntmpla aa dar de ce nu? Potrivit lui Einstein, lumina cltorete NTOTDEAUNA cu viteza de o secund-lumin pe secund, indiferent de starea de micare/repaus ori de viteza de deplasare a persoanei care efectueaz msurtorile. Aadar, ce nu este n ordine n cazul de fa? Cum rezolvm problema ivit i care sunt explicaiile corecte? O parte a rspunsului rezid n faptul c ceasurile de pe nava spaial aflat n micare ncetinesc. Aa cum am afirmat la finele prii a doua a prezentei serii, dac trebuie s cdem de acord asupra valorii msurate a vitezei luminii, va trebui s fim n dezacord n ceea ce privete timpul cronometrat! Dac ceasurile de la bordul navei spaiale aflate n micare ar "merge" doar la jumtatea vitezei celor aflate n repaus (deci ar tici ntr-un ritm de dou ori mai lent), problema noastr ar fi complet rezolvat. n acest caz, raza laser emis de nava spaial n micare ar parcurge tot 6 secunde-lumin, fapt care, combinat cu ncetinirea ceasurilor, ar dura doar 6 secunde. Astfel c echipajul n micare ar raporta c lumina cltorete cu exact viteza de 1 secund-lumin pe secund. Dar, n realitate, se dovedete c ceasurile nu ncetinesc deajuns de mult pentru ca acest fenomen s fie suficient pentru a reprezenta rspunsul complet. n cteva clipe vom prezenta i a doua parte a explicaiei, oferind o imagine complet i corect a fenomenului. Trebuie menionat i c cele de mai sus nu se refer EXCLUSIV la ritmul de rotire a limbilor ceasurilor, care ar putea fi modificat prin intervenii de ordin mecanic ori electronic asupra unui ceas (n fapt, rotirea mai lent a limbilor unui ceas aflat n micare, vizibil astfel din perspectiva observatorului uman aflat n repaus, este mai degrab o modalitate metaforic de a prezenta fenomenul, i asta mai ales deoarece e imposibil, cel puin deocamdat, de pus n practic un montaj experimental care s permit vizualizarea limbilor unui ceas aflat n micare la viteze relativiste, de ctre un observator n repaus). Timpul nsui se scurge mai lent pentru cei aflai n micare! n ultimii 100 de ani au fost efectuate nenumrate experimente care au dovedit, n afara oricrei ndoieli, c timpul nsui este cel care trece mai ncet. Dar de ce se ntmpl acest lucru? pentru a oferi o explicaie solid, s nelegem ceva mai bine conceptul de ceas... CE ESTE UN CEAS? Un "ceas" este reprezentat de orice dispozitiv care numr evenimente care au loc la intervale regulate de timp. Evenimentul care pune n micare ceasul poate fi de diverse tipuri: balansarea unui pendul, ricoeurile repetate ale unei mingi, relaxarea i contracia unui arc sau chiar alternana curentului ntr-un circuit electric. Orice eveniment repetitiv poate fi utilizat. S ne imaginm c am putea construi un ceas care folosete o raz de lumin care se reflect n mod repetat ntre dou oglinzi poziionate una deasupra celeilalte. De fiecare dat cnd lumina atinge discul (oglinda) de jos, ceasul avanseaz. Avantajul folosirii unui asemenea ceas este c putem fi siguri c orice observator care l privete va observa mecanismul de cronometrare - raza de lumin - micndu-se cu aceeai vitez. Dac dou asemenea ceasuri sunt n repaus, ne ateptm ca timpii indicai de ele s fie perfect identici.

CEASURI N MICARE Dar ce se ntmpl atunci cnd unul dintre ceasuri este n micare? Vom remarca c, dei ambele ceasuri sunt identice, cel aflat n micare va tici mai lent dect cel aflat n repaus. Pentru a nelege de ce se ntmpl acest lucru, urmrii n film traseele celor dou raze de lumin ale celor dou ceasuri. Lumina ceasului aflat n repaus parcurge o distan vertical, de sus n jos i napoi ctre n sus. Dar raza de lumin a ceasului aflat n micare trebuie s strbat o distan mai mare, pe diagonal. Din moment ce ambele RAZE DE LUMIN cltoresc cu viteza "c", iar raza de sus (cea corespunztoare ceasului aflat n micare) parcurge o distan mai lung, observatorul staionar observ ceasul aflat n micare mergnd mai ncet dect al su. Aceast ncetinire a ceasurilor aflate n micare poart numele de DILATAREA TIMPULUI. Trebuie subliniat c o persoan care se mic alturi de ceasul aflat n micare nu remarc nimic neobinuit n legtur cu trecerea timpului. De fapt nu remarc nimic neobinuit n legtur cu...nimic. Ceasul, dar i trecerea timpului, par s evolueze absolut normal. Potrivit unui asemenea observator, el este cel care se afl n repaus, iar cellalt se afl n micare relativ la acesta. Potrivit lui, cellalt ceas ticiete mai ncet. Curgerea timpului n universul lui Einstein este complet relativ. i acum s revenim la problema cu navele spaiale i razele laser pentru a dezvlui a doua parte a explicaiei prin care rezolvm problema iniial. CONTRACIA LUNGIMII n mod asemntor efectului pe care micarea l are asupra curgerii timpului, se manifest, de asemeni, i un efect relativist care implic distana. Orice obiect aflat n micare devine mai scurt pe direcia sa de naintare. Acest efect poart numele de CONTRACIE A LUNGIMII. Contracia lungimii este a doua consecin necesar a postulatului lui Einstein care spune c viteza luminii este aceeai pentru toi observatorii. tim n prezent c, fr putin de tgad, att contracia lungimilor, ct i dilatarea timpului, sunt efecte reale. Acestea chiar se ntmpl n realitate! Lund n calcul mpreun dilatarea timpului i contracia lungimii, obinem explicaia final pentru modul n care este posibil ca, pe baza postulatelor lui Einstein, cele dou nave spaiale s msoare aceeai vitez a luminii. Pe msur ce nava n micare trece pe lng noi, observm c ceasurile ei ticiesc mai ncet dect cele ale navei aflate n repaus. Remarcm i c acea nav nsi este mai scurt, ori, mai corect spus din punctul observatorului staionar, contractat. Dup ce trec 12 secunde pe ceasul aflat n repaus, observm c au trecut doar 9 secunde conform celui aflat n micare (i nu cele doar 6 secunde pe care le-am presupus n explicaia de mai devreme). Dar, din cauza contraciei lungimii, nava n micare, ct i toate riglele aflate la bordul su sunt contractate cu exact valoarea necesar pentru ca msurtorile s ofere rspunsul corect! Potrivit echipajului aflat n micare, raza de lumin parcurge 9 secunde-lumin n 9 secunde. Membrii acestui echipaj vor raporta acum c raza de lumin va cltori cu viteza - CORECT - a luminii de 1 secund-lumin pe secund. Dar oare chiar aa stau lucrurile n realitate? Rspunsul este unul afirmativ i lipsit de orice urm de ndoial. Mii de experimente au fost efectuate de cnd Einstein a formulat postulatele relativitii speciale i fiecare dintre acestea au scos n eviden faptul c dilatarea timpului i contracia lungimii sunt efecte reale, observabile, msurabile. n 1971, patru ceasuri atomice cu cesiu au fost sincronizate i montate la bordul unor avioane comerciale care au nconjurat Terra de cte dou ori, iar indicaiile lor au fost ulterior comparate cu un ceas folosit ca referin i aflat n dotarea Observatorului Marinei S.U.A. Rezultatul a fost c ceasurile aflate n micare au indicat timpi diferii de cel al referinei staionare cu exact valorile prezise de teoria relativitii. Experimentul Hafele-Keating n octombrie 1971, patru ceasuri atomice cu cesiu au fost montate i au zburat pe curse comerciale regulate, nconjurnd Terra de dou ori, unul spre est i cellalt spre vest, pentru a testa teoria relativitii a lui Einstein cu ceasuri macroscopice. Lund n considerare planul de zbor al fiecrei nave, teoria relativitii prezicea c ceasurile aflate n micare ar fi trebuit s piard n comparaie cu ceasul Observatorului Naval al S.U.A. 40+/-23 nanosecunde n cazul cltoriei spre est, respectiv s ctige 275+/-21 nanosecunde n cazul zborului spre vest. Relativ la ceasurile Observatorului, ceasurile n micare au pierdut 59+/-10 nanosecunde pe parcursul zborului spre est, respectiv au ctigat 273+/-7 nanosecunde n cazul zborului spre vest, cu erorile indicate reprezentnd deviaiile standard. Aceste rezultate ofer o rezolvare experimental lipsit de ambiguitate (aproape imposibil de localizat, credem noi, printre cele disponibile n prezent n form teoretic), cu o marj de eroare de aproximativ 10%, a faimosului paradox al gemenilor (care va fi prezentat pe scientia.ro n curnd), folosind ceasuri macroscopice. Studiul a fost semnat de J.C. Hafele i R. E. Keating i publicat n anul 1972 n revista Science

Teoria relativitii pe nelesul tuturor - 4 Potrivit lui Einstein, totul cltorete n Univers prin spaiu-timp cu viteza luminii, viteza maxim posibil de atins. Dac staionai n spaiu, "mergei" prin timp cu vitez maxim, iar dac, asemenea luminii, ai putea cltori prin spaiu cu viteza "c", timpul dv ar sta n loc. Incomprehensibil? Explicaia n articol (video inclus). CUPRINS Spaiul i timpul n universul lui Albert Einstein Implicaiile relativitii E=mc2 i echivalena mas-energie Poteniale surse de energie ale viitorului - heliul-3 de pe Lun. ...mergi direct la videoclip. SPAIUL I TIMPUL. CONTINUUMUL SPAIO-TEMPORAL Vom ncerca n cele ce urmeaz, pentru uurina nelegerii noiunilor prezentate, o analogie ntre deplasarea unei maini n planul definit de direciile nord i est i deplasarea unui obiect prin cele patru dimensiuni, cele trei ale spaiului i timpul. n prima parte a episodului prezentat n acest articol putei vedea un grafic al unei maini care circul spre est cu viteza sa maxim: 100 de mile pe or. Spre nord nu avanseaz deloc - toat viteza sa este folosit pentru naintarea nspre est. nainteaz spre est cte 100 de mile n fiecare or. Dac schimbm direcia de deplasare a mainii spre nord-est, dei maina circul n continuare cu viteza de 100 de mile pe or (cea maxim disponibil), ea parcurge acum mai puin de 100 de mile pe or nspre est deoarece o parte din viteza sa este folosit pentru a nainta i pe direcia nordului.

Deplasare spre nord-est Spaiu-timpul este un model matematic care combin cele trei dimensiuni ale spaiului i timpul ntr-un continuum unic. De obicei, timpul joac rolul celei de-a patra dimensiuni, oarecum diferit de cele trei dimensiuni spaiale. Prin combinarea spaiului i a timpului ntr-un construct matematic unic, fizicienii au simplificat numeroase teorii, reuind de asemeni s descrie ntr-un mod mai uniform funcionarea universului la nivelul macrocosmosului, dar i la nivel cuantic. Dei spaiu-timpul poate fi privit ca o consecin direct a teoriei relativitii restrnse introduse de Einstein n 1905, un prim model matematic al continuumului spaio-temporal a fost propus explicit de ctre unul dintre profesorii lui Einstein, pe numele su Hermann Minkowski, care ntr-un eseu publicat n 1908 i care avea la baz lucrrile lui Einstein, introducea conceptul de spaiu Minkowski. Spaiul Minkowski este cea mai timpurie abordare a perechii spaiu i timp ca fiind dou aspecte ale unui ntreg

http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/482-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-4.htmlhttp://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/482-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-4.html#1http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/482-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-4.html#1http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/482-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-4.html#1http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/482-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-4.html#2http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/482-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-4.html#3http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/482-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-4.html#4http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/482-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-4.html#5

unificator, idee care reprezint i esena relativitii speciale. Ideea de spaiu Minkowski a condus i la o interpretare mai geometric a relativitii restrnse, abordare cu implicaii importante i n relativitatea generalizat. n mod similar ne putem gndi i la spaiu i timp.Totul n Univers cltorete prin spaiu i timp cu viteza luminii - viteza MAXIM posibil. S ne imaginm c nlocuim estul i nordul din exemplul anterior cu timpul i spaiul (vom reprezenta cele 3 dimensiuni ale spaiului ca fiind una dintre cele dou axe ale planului pe care desenm graficul nostru, cea corespunztoare nordului).

Spaiu-timpul "redus" grafic la numai 2 dimensiuni Dac stai pe loc n spaiu (neavansnd deci ctre direcia nord), asta nseamn c v deplasai cu vitez maxim prin timp (ctre ceea ce anterior era estul). Dar dac ncepei s v deplasai prin spaiu (ctre nord), viteza de deplasare prin timp scade deoarece o parte din aceast viteza a fost deviat pe axa spaiului. Cu ct v deplasai mai repede pe axa spaiului, cu att scade avansul d-voastr pe cea a timpului. Dac ai putea cltori prin spaiu, deci raportat la axa spaiului (nord) cu viteza luminii, nu ai avansa deloc pe axa timpului, deci timpul "ar nghea" pentru d-voastr (aa cum se ntmpl cu razele de lumin)! Iar dac ai putea cltori mai repede dect lumina, ai putea cltori napoi n timp! IMPLICAIILE RELATIVITII Amintii-v de faptul c diferiii observatori trebuie s se pun mereu de acord cu privire la viteza luminii, iar asta nseamn c vor fi n dezacord cu privire la "componentele vitezei": timpul i distana. Att timpul ct i distana devin mai scurte pentru observatorii aflai n micare. Efectele contraintuitive ale relativitii - dilatarea timpului i contracia lungimii - depind n mod dramatic de viteza d-voastr de deplasare. La vitezele cu care ne deplasm n viaa cotidian aceste efecte trec pur i simplu neobservate. Cele mai mari viteze cu care s-au deplasat vreodat oamenii nu depesc cteva mile pe secund, doar o mic, foarte mic fraciune din viteza cu care cltorete lumina-186,000 de mile pe secund (ori 300,000 de km/s).

Dar n universul lui Albert Einstein, spaiul i timpul nu mai sunt absolute. Nu putem vorbi de un timp unic, la care oricine din Univers s se poat raporta i nici de distane prin spaiu cu privire la care s se pun toat lumea de acord. Spaiul i timpul, asemenea vitezelor n fizica clasic, capt sens doar relativ la un anumit observator.

Einstein a preferat s vorbeasc despre o singur entitate - spaiu-timpul (adesea numit icontinuumul spaiu-timp) - n care evenimentele i msurtorile au loc. Un observator poate nregistra dou evenimente ca separate printr-o mare distan n spaiu, dar petrecndu-se n aproape acelai punct n timp (aproape simultan din punctul su de vedere), n timp ce un alt observator vede aceleai dou evenimente ca avnd loc n zone vecine ale spaiului, dar la momente de timp ndeprtate unul de altul. n timp ce separrile n timp i spaiu ntre cele dou evenimente vor fi diferite n cele dou cazuri, ecuaiile lui Einstein permit celor doi observatori s fie de

acord cu privire la distana combinat prin spaiu-timp. E=mc2. ECHIVALENA MAS-ENERGIE Nu doar ideile noastre referitoare la spaiu i timp au fost radical modificate de teoria relativitii a lui Einstein. Einstein a neles c trebuie s regndim ntregul model teoretic existent despre energie. Dac privim cu atenie la un proton aflat ntr-un accelerator de particule, este simplu pentru oamenii de tiin s observe c doar o parte din energia utilizat crete n mod efectiv viteza particulei. Restul de energie introdus n sistem crete masa particulei. Cu ct particula se deplaseaz mai repede, cu att ea devine mai grea! Cnd cltorete cu aproape viteza luminii, aproape toat energia folosit se regsete ntr-un surplus de mas al particulei. Acesta este i motivul pentru care o particul cu masa nenul nu poate atinge niciodat viteza luminii. Ea devine mai grea n loc s se deplaseze mai repede! Acest fapt este rezumat de cea mai faimoas ecuaie a lui Einstein, poate cea mai faimoas ecuaie din ntreaga istorie a tiinei: E = mc2. Dincolo de faptul c definete energia unui corp aflat n repaus, semnul egal semnific i faptul c materia poate fi transformat n energie i viceversa. Factorul de conversie - viteza luminii la ptrat (c2) - reprezint un numr enorm. Potrivit ecuaiilor lui Einstein, o cantitate infim de materie ar putea fi convertit ntr-o cantitate enorm de energie, lucru reuit de oameni n practic prin controlarea reaciei de fisiune nuclear, folosit n cazul bombelor atomice ori pentru producerea energiei n centralele nuclear-electrice. Dar E=mc2 reprezint mai mult dect bombele atomice. nelegerea faptului c masa poate fi convertit n energie a fcut posibil descifrarea mecanismului fuziunii nucleare, de producere a energiei la nivelul Soarelui i altor stele, nc un mister n vremea lui Einstein. A deschis i drumul pentru explorarea misterioaselor trmuri din interiorul atomilor i descoperirea unor ntregi familii de noi particule, toate create din energie pur cu ajutorul unor puternice acceleratoare de particule. La nceputul secolului al XXI-lea, centralele atomoelectrice furnizeaz n jur de 20% din necesarul energetic al SUA, convertind o mic parte din masa fiecrui atom de uraniu folosit n energie utilizabil. Fa de ideile sale despre spaiu i timp, ecuaia care exprim echivalena dintre mas i energie a lui Einstein a avut un impact chiar mai profund asupra lumii noastre, dar i asupra modului nostru de via. MINERITUL PE LUN I FUZIUNEA NUCLEAR CONTROLAT Exist voci din comunitatea tiinific potrivit crora pn la jumtatea secolului al XXI-lea reactoare de fuziune nuclear alimentate cu heliu-3 (un izotop al heliului similar tritiului) extras de pe Lun, unde este disponibil din abunden, vor converti i mai mult mas n energie (cu un randament superior celui atins n reaciile de fisiune nuclear), iar asta fr a da natere unor deeuri periculoase, fie acestea radioactive ori de alt natur.

Teoria relativitii pe nelesul tuturor - 5 Newton a avut revelaia c un mr care cade spre pmnt se afl sub influena unei fore misterioase, numite gravitaie. Einstein vine ns cu o alt teorie: nu exist o "for misterioas" care s trag mrul spre pmnt, ci prezena Pmntului n spaiu duce la curbarea spaiu-timpului dimprejurul planetei (video inclus). CUPRINS Sisteme de referin ineriale i neineriale Principiul echivalenei Spaiu-timpul curb Eclipsa din 1919. Prima confirmare experimental a Relativitii Generalizate ...mergi direct la videoclip SISTEME DE REFERIN Relativitatea se ocup cu modul n care doi oameni se pun de acord cu privire la ceea ce vd cnd unul dintre ei este n micare. Atunci cnd aceast micare se desfoar cu o vitez constant i n linie dreapt (micare rectilinie uniform), spunem c cei doi observatori se afl n sisteme de referin "ineriale". Relativitatea lui Einstein pentru sisteme de referin ineriale poart numele de Teoria Relativitii Restrnse (Relativitatea Special ori Restrns). Aceast teorie postuleaz c orice persoan aflat n micare cu vitez constant va observa aceleai legi ale fizicii ca i una aflat n repaus. Ce se ntmpl ns n cazul sistemelor de referin aflate n micare accelerat ori care ncetinesc sau care i

http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/485-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-5.htmlhttp://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/485-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-5.html#1http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/485-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-5.html#2http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/485-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-5.html#3http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/485-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-5.html#4http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/485-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-5.html#5

schimb direcia de deplasare? Oare principiile lui Einstein vor mai fi valabile i n acest caz? Putem oare spune c legile fizicii sunt aceleai pentru observatorii din sisteme de referin accelerate? Iar lumina va mai cltori oare cu vitez constant i n sistemele de referin neineriale? PRINCIPIUL ECHIVALENEI S ne imaginm pe cineva nchis ntr-o incint izolat undeva n spaiul cosmic, la milioane de kilometri de influena gravitaional a oricrei planete. Persoana respectiv ar pluti prin ncpere fr niciun efort. Obiectele aflate n repaus ar rmne n repaus, iar obiectele aflate n micare ar pluti prin incinta respectiv n linie dreapt pn ce s-ar lovi de un perete. ns n momentul n care motoarele unei rachete ataate incintei ar ncepe s imprime ansamblului o acceleraie prin spaiu (s spunem, de jos n sus, din perspectiva unei ncperi de pe Terra, cu podea i tavan, dei n acea zon a spaiului noiunile de sus i jos i-ar pierde sensul), eroul situaiei imaginate de noi ar simi ceva destul de diferit. S-ar simi mpins de podeaua aflat n micare accelerat. Obiectele aflate n repaus ar prea s cad pe msur ce podeaua ar accelera ctre n sus pn la ntlnirea cu ele. Dac acceleraia ar fi suficient de mare, persoana respectiv ar putea sta n picioare i merge prin ncpere ca i cum s-ar afla pe Terra, supus atraciei gravitaionale a Pmntului. De fapt, Einstein susinea c nu exist nicio modalitate prin care s sesizm diferena ntre starea de repaus sub influena gravitaiei, respectiv deplasarea accelerat prin spaiu. Din moment ce toi observatorii trebuie s se pun de acord cu privire la legile fundamentale ale fizicii, legile fizicii care descriu gravitaia trebuie, ntr-un anume sens, s fie echivalente cu cele care descriu acceleraia prin spaiul cosmic. n plus, din moment ce micarea prin spaiu modific msurtorile noastre asupra timpului i asupra distanelor, la fel prezena unui cmp gravitaional altereaz spaiul i timpul. Acest tip de logic l-a condus pe Einstein la concluzia c trebuie s abandoneze modelul vechi al gravitaiei ca for invizibil de atracie ntre obiecte. n loc, acesta avea s introduc noua perspectiv, n care gravitaia este o distorsiune a spaiu-timpului nsui. SPAIU-TIMPUL CURB Potrivit Relativitii Generalizate, prezena materiei n anumite zone din Univers modific geometria spaiului. Un mod n care putem vizualiza acest lucru este s ne imaginm o minge de bowling plasat pe o plas elastic (n genul celor folosite pentru acrobaii). Mingea de bowling deformeaz plasa, fcnd ca obiectele de pe suprafaa acesteia s se mite spre minge. Un fenomen asemntor este responsabil, n viziunea lui Einstein, i pentru apariia forei de atracie gravitaional. Dei valoarea acceleraiei gravitaionale a fost calculat nc din vremea lui Isaac Newton, pn la Einstein nu a existat o descriere clar a mecanismelor de funcionare ale gravitaiei. Adic: conform lui Newton, am putea spune c un mr cade spre suprafaa terestr deoarece anumite fore invizibile de atracie care se exercit ntre mr i planet fac ca cele dou obiecte s fie mpinse unul spre cellalt. Dar care este cauza apariiei acestei fore gravitaionale? Cum se ntmpl, de fapt, aceast atracie? Nimeni, pn la Einstein, nu tia s rspund la aceste ntrebri. Iar acesta a renunat complet la ideea unei fore invizibile. Nu exist o "for misterioas" care s trag mrul spre Pmnt. Mai degrab prezena Pmntului n spaiu duce la apariia unei curburi a spaiu-timpului dimprejurul planetei. Iar mrul nu face dect s urmeze cel mai uor de parcurs drum disponibil n micarea sa prin acest spaiu curbat, cale ce l poart spre suprafaa planetei... ECLIPSA Dac Einstein are dreptate, iar obiectele masive curbeaz ntr-adevr spaiul, atunci gravitaia ar trebui s afecteze micarea tuturor obiectelor prin spaiu - incluznd aici i lumina. Imaginai-v c lumina de la o stea deprtat cltorete prin apropierea Soarelui. Potrivit lui Isaac Newton, gravitaia reprezint o for de atracie ntre toate obiectele care posed mas, iar din moment ce lumina nu are mas, lumina provenind de la steaua ndeprtat nu ar fi nicicum afectat de gravitaia Soarelui. Dar, n accepiunea lui Einstein, un obiect masiv, aa cum este i cazul Soarelui, curbeaz nsui spaiu-timpul, astfel c lumina stelei deprtate, traversnd acel spaiu deformat din imediata vecintate a Soarelui, ar trebui s fie la rndu-i curbat. Cine are dreptate? Greu de spus, mai ales n 1915, cnd Einstein de-abia i publicase teoriile despre gravitaie, iar muli dintre oamenii de tiin nc se raportau la teoriile lui Newton ca la o veritabil dogm. Deviaia traiectoriei luminii prezis de ecuaiile lui Einstein este extrem de mic i, mai mult dect att, nu putem vedea lumina provenind de la stelele aflate napoia Soarelui deoarece acesta este mult prea strlucitor. Ar fi nevoie de observarea acelor stele pe timpul zilei.

Din fericire, la doar 4 ani dup ce Einstein publicase n 1915 Teoria Relativitii Generalizate, a avut loc o eclips de soare observabil de-a lungul Oceanului Atlantic, din nordul Braziliei i pn pe coastele vestice ale Africii. n ambele locuri au fost organizate expediii conduse de astronomi de renume, echipai cu telescoape i aparate de fotografiat pentru a surprinde pe pelicul stelele pe msur ce acestea devin vizibile n spatele Soarelui acoperit de Lun. Dac Einstein avea dreptate, poziia aparent a acestor stele la acel moment al zilei ar trebui s fie modificat fa de adevrata lor poziie fotografiat cu luni n urm, cnd Soarele se afla n alt parte pe bolta cereasc. Rezultatul? Astronomii au anunat c prediciile lui Einstein fuseser confirmate (un film documentar realizat de BBC i intitulat sugestiv Einstein and Eddington prezint povestea expediiei conduse de sir Arthur Stanley Eddington n insula Principe din vestul Africii). Ulterior acestor confirmri experimentale relativitatea avea s fie acceptat cu rapiditate de ctre comunitatea tiinific internaional i nu avea s dureze prea mult pn cnd Albert Einstein avea s devin o celebritate internaional, prima adevrat vedet provenind din comunitatea tiinific. Putei citi aici despre inelul Einstein, un caz particular al efectului de lentil gravitaional observabil n astronomie i prezis de teoria relativitii generalizate, iar pentru o list a testelor experimentale care confirm prediciile teoretice ale Teoriei Relativitii Generalizate, putei consulta aceast pagin(limba englez).

Teoria relativitii pe nelesul tuturor - 6 n ultima parte a seriei dedicate teoriei relativitii pe nelesul tuturor vorbim despre implicaiile relativitii generalizate. Vedem ce este o gaur neagr, care sunt principalii ei parametri i care sunt prediciile relativitii generalizate care nu au fost deocamdat confirmate experimental (video inclus). CUPRINS Implicaiile relativitii generalizate Ce sunt gurile negre ? Singularitatea i orizontul evenimentelor Tipuri de guri negre Cum detectm o gaur neagr Probleme nc nerezolvate Concluzie ...mergi direct la videoclip IMPLICAIILE RELATIVITII GENERALIZATE n anii de dup confirmarea pe cale experimental a teoriei relativitii generalizate a lui Einstein (n timpul eclipsei din 1919) ali oameni de tiin au nceput s deduc o serie de implicaii i urmri ale relativitii generalizate. GURILE NEGRE Se cunoate faptul c masa distorsioneaz spaiul. tim i c traiectoria luminii este afectat de gravitaie. Mai tim c teoria relativitii generalizate a lui Einstein prezice existena unuia dintre cele mai stranii obiecte imaginate vreodat de fizicieni gurile negre. Dac ar putea fi produs o deformare suficient de mare n structura spaiu-timpului prin plasarea unei mase imense ntr-un volum suficient de mic, atunci continuumul spaiu-timp ar fi att de puternic curbat n acea zon nct nimic, nici mcar lumina, nu ar putea s-i scape. i din moment ce nimic nu poate cltori mai rapid dect lumina, orice ar ptrunde n acea regiune a spaiu-timpului ar fi prins n interiorul acesteia pn cnd diverse efecte cuantice i-ar permite s scape. Gurile negre pot fi de diverse dimensiuni i pot avea diferite mase. Este necesar doar ca suficient materie (mas) s fie concentrat ntr-att de mult nct s se ating punctul n care aceasta s sufere un colaps sub influena propriei gravitaii.

http://www.scientia.ro/univers/47-astronomie/264-ce-este-un-inel-einstein.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativityhttp://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.htmlhttp://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.html#1http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.html#2http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.html#3http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.html#4http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.html#5http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.html#6http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.html#7http://www.scientia.ro/fizica/78-teoria-relativitatii/486-teoria-relativitatii-pe-intelesul-tuturor-6.html#8

Gurile negre stelare se formeaz atunci cnd stele de cel puin 20 de ori mai masive dect Soarele i epuizeaz combustibilul nuclear i nu mai pot ntreine reaciile care au loc n interiorul lor. Acestea se rcesc rapid, sufer un colaps din cauza propriei gravitaii, iar unda de oc astfel generat duce la explozia nveliului exterior al stelei n cadrul unui fenomen cosmic de proporii colosale care poart numele de "supernov". Numai c nucleul dens de mici dimensiuni al stelei poate rmne compact datorit aceleiai fore a gravitaiei. i pe msur ce colapsul continu sub influena greutii proprii, particulele atomice din acest nucleu dens se zdrobesc unele de altele pn cnd tot ceea ce mai rmne este o gaur neagr. SINGULARITATEA I ORIZONTUL EVENIMENTELOR n centrul su exist ceea ce poart numele de "singularitate", masa unei ntregi stele concentrat ntr-un punct al spaiului. n jurul su este un nveli invizibil cunoscut drept "orizontul evenimentelor". Este un punct limit la nivel cosmic. Odat depit aceast grani, nimic, nici mcar lumina, nu mai poate scpa gravitaiei gurii negre dect prin intermediul unor efecte i procese cuantice. TIPURI DE GURI NEGRE Gurile negre super-masive pot ngloba de cteva miliarde de ori mai mult materie dect conine Soarele. Aceti montri cosmici exist n centrul fiecrei galaxii de mari dimensiuni. Gurile negre microscopice au mase minuscule i n acest caz efectele mecanicii cuantice devin foarte importante. Exist teorii care afirm c acest tip de guri negre ar fi aprut la momentul Big Bang-ului i ar fi disprut repede sub influena efectelor cuantice. Se crede c n momentul dispariiei lor acestea ar emite brusc rafale de particule de energii nalte, numai c asemenea evenimente nu au fost detectate, cel puin pn n 2008. CUM DETECTM O GAUR NEAGR ? Ecuaiile care preziceau existena gurilor negre erau considerate corecte, dar ntrebarea care s-a nscut era dac acestea chiar exist n realitate. Exist vreun proces n natur n urma cruia materia s fie comprimat la densitile extreme necesare crerii unei guri negre? Iar rspunsul a fost c DA, ar putea exista, iar locul naterii unui asemenea proces ar putea fi, cum am menionat i mai devreme, nucleul unor sori gigani i muribunzi... Nu este posibil studierea i observarea direct a fenomenelor de dincolo de orizontul evenimentelor unei guri negre. De altfel, despre un obiect care traverseaz aceast grani imaginar se poate spune c a prsit pentru totdeauna Universul nostru. i atunci, din moment ce nimic, nici mcar lumina, nu poate scpa aciunii unei guri negre, cum reuesc astronomii s detecteze asemenea fenomene cosmice.

Localizarea unei guri negre izolate n spaiul cosmic este posibil datorit observrii traiectoriilor curbe pe care lumina provenit de la stelele dinapoia sa le urmeaz. O i mai bun ans de a detecta o gaur neagr ar exista dac aceasta nu ar fi izolat ntr-o regiune a spaiului cosmic, ci ar fi nsoit de o stea pereche care se rotete n jurul su. Acest tip de gaur neagr ar absorbi materie din steaua vecin, care ar orbita n jurul su, la o distan sigur, n exteriorul orizontului de evenimente. Materia provenit din stea s-ar nclzi pe msur ce ar fi atras nspre gaura neagr, fiind astfel emise cantiti imense de radiaie de mare energie. Radiaiile foarte intense care provin din zone mici ale spaiului sau de la stele care graviteaz n jurul unor parteneri invizibili - iat care sunt indiciile cu ajutorul crora putem localiza o gaur neagr. PROBLEME NC NEREZOLVATE Se pare c oricum ar arta o eventual teorie unificatoare din fizic, Relativitatea va juca ntotdeauna un rol central n nelegerea realitii, a mediului nconjurtor i a Universului din care facem parte. Poate prea surprinztor, dar astzi - la mai bine de 100 de ani dup publicarea de ctre Einstein a primelor sale lucrri pe tema Relativitii - exist nc aspecte ale teoriilor sale care nu au fost verificate pe cale experimental. Unul se refer la ideea c producerea n spaiu a unui eveniment violent de proporii cosmice - precum coliziunea a dou guri negre ori explozia unei supernove - ar avea ca efect apariia unor unde care ar trebui s se propage prin structura spaiu-timpului. O asemenea "und gravitaional" ar produce efecte minuscule la nivelul Pmntului, dar oamenii de tiin sper ca ntr-o bun zi s pun la punct experimente suficient de sofisticate, cu aparatur foarte sensibil, astfel nct s poat detecta micile distorsiuni ale spaiului cauzate de aceste aa-numite "unde gravitaionale". O alt predicie a relativitii generalizate care nu fusese testat pn n secolul XXI are legtur cu efectele obiectelor rotative asupra continuumului spaio-temporal. Dac un obiect masiv curbeaz spaiul din vecintatea sa, unul care se nvrtete va face mai mult: va rsuci structura spaiu-timpului. Acest lucru a fost confirmat

recent de observaiile experimentale. Fenomenul despre care se face vorbire mai sus poart numele de "frame-dragging" i se refer la efectul pe care corpurile aflate n micare de rotaie l au asupra spaiu-timpului. Componenta de rotaie a acestui efect (exist i una liniar) a fost derivat pe baza ecuaiilor relativitii generalizate de ctre fizicienii austrieci Josef Lense i Hans Thirring, n anul 1918, din care cauz poart i numele de efect Lense-Thirring. Cei doi austrieci au prezis c rotaia unui obiect altereaz continuumul spaio-temporal, deviind astfel un corp aflat n vecintatea sa de pe poziia prezis de fizica newtonian. Valoarea acestei deviaii este minuscul - n jur de 1 la cteva trilioane fa de poziia prezis de fizica clasic, astfel c detectarea experimental a acestui efect necesit fie examinarea unui corp ceresc foarte masiv, fie construirea unor aparate de msur extrem de sensibile. Domeniul care se ocup cu studierea efectelor generate de masele n micare asupra spaiu-timpului poart numele degravitomagnetism. Dei autorii materialului video afirm c acest efect a fost confirmat experimental, niciunul dintre testele efectuate nu se bucur de o acceptare pe scar larg, majoritatea nscnd controverse. Putei citi detalii despre experimentele deja efectuate n acest domeniu, despre controversele existente, dar i despre ce se pregtete n viitor n acest domeniu, la aceast adres (limba englez). CONCLUZIE ntr-adevr, motenirea lui Albert Einstein este una solid, profund i rsuntoare, iar realizrile sale l plaseaz, alturi de Galileo Galilei i Sir Isaac Newton, n galeria restrns a oamenilor de tiin care au schimbat profund i radical modul n care nelegem i ne raportm la Univers. Dar ideile tiinifice revoluionare au nevoie de timp pentru a ptrunde n contiina publicului larg. Poate peste nc 100 de ani, oamenii vor considera relativitatea spaiului i timpului la fel de normal cum ni se pare nou astzi rotaia zilnic a Pmntului n jurul propriei axe. Poate c pn atunci, cltoria ntre stele va deveni la fel de obinuit cum este n prezent zborul cu avionul. Albert Einstein a fost cu certitudine un om al tuturor timpurilor.

http://en.wikipedia.org/wiki/Frame-dragging#Experimental_tests_of_frame-dragging12834567