Viata lui Albert Einstein - Partea 4: Capodopera marelui fizician

Motto : "Când un cărăbuş orb se târăşte pe suprafaţa unei sfere, el nu  realizează că  drumul pe care merge este curb; eu am avut norocul de a vedea acest lucru".(Albert Einstein)

           Ideea teoriilor lui Einstein este ca timpul si distantele unui eveniment masurate de doi observatori diferiti au valori diferite, insa se supun acelorasi legi fizice.
Prima din cele doua teorii celebre ale lui Einstein, este Teoria Relativitatii Restranse (TRR). Aceasta teorie a fost numita "restransa" deoarece aplica principiul relativitatii numai la sisteme inertiale.
           Pe cand se afla inca la ETH in Zurich (1901-1905), Einstein si-a pus urmatoarele intrebari : Ce s-ar intampla daca as calatori odata cu unda de lumina, la viteza acesteia si...sa zicem ca in mana as tine o oglinda? Daca m-as misca cu viteza luminii si oglinda la fel, atunci lumina reflectata de fata mea nu ar mai ajunge la oglinda !!! Imaginea din oglinda nu ar trebui sa dispara???
Einstein a studiat aceste probleme purtand numeroase discutii cu bunii sai prieteni Marcel Grossmann si Michele Besso. El era de parere ca indiferent cum se deplaseaza lumina dintr-un loc in altul, imaginea din oglinda nu ar trebui sa dispara !!!
           Einstein afirma : "...la inceput cand TRR abia incoltea in mintea mea, am suferit tot felul de caderi nervoase. Cand eram tanar obisnuiam sa am saptamani intregi stari de confuzie....".

Fragment din manuscrisul lui Einstein - Teoria Relativitatii Restranse

            Principiul relativitatii al lui Galilei spune ca toate miscarile uniforme sunt relative. Acestea nu pot fi detectate fara referire la un punct exterior. Spre exemplu daca ne-am afla intr-un vehicul cu obloanele trase si care se misca rectiliniu uniform, nu ne-am putea da seama daca acesta se misca uniform sau sta nemiscat in functie de obiectele aflate in interiorul vehiculului. Cu alte cuvinte...nu putem sti daca ne miscam sau nu uniform fara a ne uita in afara !!! Acesta este principiul relativitatii.                 Bazandu-se pe acest principiu, Einstein spune ca ar trebui sa-si vada imaginea in oglinda, chiar daca se misca cu viteza luminii. Marele fizician, generalizeaza principiul relativitatii al lui Galilei (fenomenele fizice se desfasoara identic in toate sistemele de referinta inertiale) si adauga apoi un nou postulat : viteza luminii in vid are aceeasi valoare in toate sistemele de referinta inertiale (SRI) si in toate directiile, si nu depinde de miscarea sursei de lumina sau a observatorului.

Consecinte ale TRR :

- dilatarea timpului;
- contractia lungimilor;
- impulsul si energia : daca viteza unui obiect se apropie de cea a luminii (c= 299.792.458 m/s), din punctul de vedere al unui observator masa obiectului ar creste. Acest lucru ar face imposibila accelerarea obiectului in sistemul de referinta al observatorului;
- echivalenta masa-energie :  E=mc²  unde E=energia; m=masa; c=viteza luminii. Masa unui corp poate fi convertita in energie, iar degajarea energiei unui corp conduce la scaderea masei lui.

Fragment din manuscris

           Sa luam urmatorul exemplu : presupunem ca doi gemeni se nasc la un moment dat pe Pamant. La data si ora nasterii lor o nava spatiala pleaca de pe Pamant catre cea mai stralucitoare stea observata cu ochiul liber pe cer, Sirius. Distanta pana la aceasta stea este de 8,6 ani-lumina. Unul din cei doi gemeni pleaca in calatorie cu nava iar celalalt ramane pe Pamant. Nava se deplaseaza cu 90% din viteza luminii, v=0,90c (adica v  = 269.813.212 m/s).
Conform TRR, intervalul de timp dintre doua evenimente este relativ.Timpul scurs pentru cel care a plecat cu nava cat si pentru cel ramas pe Pamant poate fi calculat dupa urmatoarea formula :

unde :
t = timpul scurs pentru cel care se deplaseaza cu nava;
t'= timpul scurs pentru cel de pe Pamant pana cand nava se va intoarce;
v= viteza de deplasare a navei;
c= viteza luminii (c=269.813.212 m/s)

Sa calculam ma intai durata calatoriei dupa timpul de pe Pamant. Stim ca v (viteza) este egala cu distanta (d) parcursa impartita la timpul (t) necesar parcurgerii acesteia : v=d/t'

v = d / t'
vt' = d
t' = d / v

Deoarece trebuie sa calculam durata drumului dus-intors vom avea : t' = 2d /v ;
Atunci t' = 2d/v = 2*8,6 ani-lumina / 0,90c = 17,2 ani-lumina / 0,90c = 19,11 ani (durata calatoriei calculata de catre cei aflati pe Pamant).

Asta inseamna ca, atunci cand nava se va intoarce cu unul din cei doi gemeni, cei de pe Pamant vor fi cu 19,11 ani mai in varsta.

Insa, membrii echipajului vor calcula si ei durata calatoriei cu nava spatiala din punctul lor de vedere. Timpul scurs pentru cei care se deplaseaza cu nava va fi :

de unde rezulta:

   

Inlocuind si calculand timpul t, vom obtine 8,3281 ani.
            Acest rezultat ne spune ca timpul scurs pentru cei care se deplaseaza cu nava este de 8,3281 ani. Asadar, calculele echipajului aflat pe nava spatiala arata ca ei vor sosi acasa, pe Pamant dupa acest interval de timp de 8,3281 ani.
Conform acestor calcule, cand cei doi gemeni se vor reintalni pe Pamant, dupa sosirea navei, cel care a plecat in calatorie va avea aproximativ 8 ani (8,3281 ani) iar cel ramas acasa pe Pamant va avea aproximativ 19 ani (19,11 ani) !!!
            Pentru o persoana care s-ar deplasa cu o viteza apropiata de c (viteza luminii), timpul s-ar scurge mai lent decat pentru una care ar stationa, iar daca viteza sa ar atinge valoarea c timpul s-ar opri !!! Totusi, cu tehnologia actuala  este imposibil ca un obiect sa fie accelerat pana la viteza luminii.

Fragment din manuscrisul lui Einstein cu celebra ecuatie E=mc²

            O alta consecinta a TRR este echivalenta masa-energie :  E=mc² , unde E=energia; m=masa; c=viteza luminii. Aceasta relatie prezice ca orice particula de materie contine o cantitate uriasa de energie. Spre exemplu un gram de materie, nu poate elibera o cantitate extrem de mare de energie insa.....1 kg (=1000g) de materie poate elibera o cantitate de energie enorma tinand cont ca, in formula lui Einstein viteza luminii este ridicata la patrat si are o valoare foarte mare !!
            Totusi, E=mc² nu este asa cum cred unii formula bombei atomice !! Einstein a afirmat doar faptul ca inertia are energie iar energia la randul sau are inertie. El nu a precizat cu se poate obtine aceasta energie.

            Faptul ca viteza luminii este constanta in orice sistem de referinta inertial (adica c ramane aceeasi), incalca legile miscarii ale lui Newton deoarece in teoriile lui nu exista viteza absoluta.
TRR avea totusi o problema si anume...aceasta nu implica gravitatia !!! Intre 1905 si 1915 Einstein se va ocupa de aceasta problema desavarsindu-si practic Teoria Relativitatii pe care o considera capodopera sa prin elaborarea Teoriei Relativitatii Generale (TRG).

           Teoria Relativitatii Generale (TRG) a fost publicata de catre Albert Einstein in 1916. Ea unifica TRR cu legea gravitatiei a lui Newton si descrie gravitatia ca o proprietate a geometriei spatiului si timpului (spatiu-timp). Conceptul gravitatiei lui Einstein este diferit de cel al lui Newton. Conform acestei teorii obiectele masive deformeaza spatiul din jurul lor curbandu-l. Orice corp ceresc care ar trece intamplator prin aceasta zona este atras de catre aceasta curbura formata de corpul masiv.

Pamantul deformeaza spatiul din jurul sau

            Spre exemplu si Pamantul poseda o masa care la randul ei provoaca o deformare a spatiului din jurul sau. In jurul curburii spatiului formate de catre Pamant se deplaseaza Luna. De asemenea, meteoritii care cad pe Pamant sunt atrasi de catre curbura creata de acesta. Aceasta este si explicatia lui Einstein pentru care....a cazut marul lui Newton !!!

Deformarea spatiului

            Chiar si lumina stelelor este deformata (desi stim ca lumina se propaga in linie dreapta!!) atunci cand aceasta trece pe langa un corp cu o masa foarte mare (cum este spre exemplu Soarele). Datorita gravitatiei Soarelui traiectoria luminii de la stea este deviata si aceasta va aparea unui observator intr-o pozitie deplasata.
            In timpul noptii pozitia unei stele este foarte usor de stabilit. Insa...in timpul zilei, atunci cand Soarele se afla in apropierea acelei stele pe cer, pozitia ei pare a fi modificata !! Conform lui Einstein acest lucru se intampla deoarece razele de lumina venite de la steaua indepartata urmeaza traiectoria spatiului curbat de catre Soare ceea ce da impresia ca steaua si-a schimbat pozitia fata de cea cunoscuta in urma observatiilor din timpul noptii.
            Pentru ca teoria lui Einstein sa fie confirmata era nevoie de ....o eclipsa de Soare !! Mai intai trebuia facuta o fotografie a campului de stele si apoi in timpul unei eclipse totale de Soare fotografiate acele stele din camp a caror lumina trec pe langa suprafata Soarelui. Daca observand cele doua fotografii realizate este sesizata o mica deplasare intre pozitiile stelei atunci teoria se confirma.

Raza de lumina este deformata (click pentru marire)
( http://davidjarvis.ca/dave/gallery/ )

            Einstein a trebuit sa astepte pana in anul 1919 pentru ca teoria sa fie confirmata, atunci cand  Sir Arthur Stanley Eddington, cu ocazia eclipsei totale de Soare din acelasi an a putut efectua numeroase fotografii.
            Din TRG a lui Einstein rezulta si posibilitatea existentei Gaurilor Negre care sunt regiuni in care spatiul si timpul sunt distorsionate foarte mult. Deformarea spatiu-timpului este atat de mare incat nici lumina nu poate scapa din interiorul ei.

Gaura Neagra

           Totusi TRG nu ofera un raspuns la unificarea teoriei gravitatiei generale cu legile mecanicii cuatice. Aceasta din urma explica modul cum se comporta obiectele subatomice in timp ce teoria relativitatii descrie comportamentul obiectelor macroscopice. Unificarea celor doua teorii intr-o Teorie Unificata a Campurilor ramane marele vis al lui Einstein....o teorie la care va lucra pana la sfarsitul vietii.

           In loc de incheiere.... : Un vechi si foarte bun prieten al lui Einstein, prof.Frank ii face o vizita acestuia in biroul din Praga. Din biroul lui Einstein se putea vedea pe o fereastra copacii umbrosi si o gradina foarte frumoasa. De la fereastra putea vedea grupuri de oameni de tot felul purtand discutii aprinse sau uneori....vorbind singuri. Dupa un anumit timp Einstein descopera ca in zona era un ospiciu, iar oamenii care se plimbau erau pacientii. La un moment dat acesta ii arata prof. Frank spunandu-i : "Astia sunt nebunii care nu-si petrec timpul gandindu-se la teoria cuantica".

Praga