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 

Viata lui Albert Einstein - Partea 3: Anul miraculos

Motto : "Sunt doua feluri de a-ti trai viata...unul de a crede ca nu exista miracole, altul...de a crede ca totul este un miracol". (Albert Einstein)

           Catre sfarsitul anului 1902, printr-o cunostinta a tatalui celui mai bun prieten al sau, Marcel Grossman, Einstein reuseste sa se angajeze la Institutul Elvetian de Patentare din Berna. Este promovat rapid de la examinator de gradul trei la examinator de gradul 2, avand un salariu acceptabil.

           Pe 6 ianuarie 1903, Einstein se casatoreste cu Mileva iar in 1904, la Berna, se naste primul lor baiat Hans Albert. La Institutul de Patentare, Einstein examina si evalua inventiile pentru care se solicita brevet. Termina rapid de examinat cererile de brevetare astfel incat ii ramanea suficient timp pentru a studia problema care-l framanta inca din copilarie : "cum ar arata si ce s-ar intampla cu o raza de lumina daca ai alerga alaturi de ea?"

Einstein la varsta de 24 de ani impreuna cu fiul sau Hans Albert

            Deoarece gasea cu greu un laborator liber in care sa poata lucra, Einstein si-a elaborat propria metoda de lucru pe care a numit-o "experiment teoretic", metoda ce avea sa-si puna marcant amprenta asupra evolutiei sale profesionale. Atunci cand era intrebat unde se afla laboratorul sau, Einstein deschidea sertarul biroului spunand : "Pentru experimentul teoretic, nu ai nevoie decat de un stilou si o foaie de hartie".

Apartamentul unde Einstein a locuit impreuna cu Mileva in Berna strada 49 Kramgasse (etajul 1, apartamentul al doilea din stanga)

            Anul 1905 a fost numit si "anul miraculos" al lui Einstein. In acest an el publica in "Annalen der Physik" patru lucrari stiintifice :

1).- "Un punct de vedere euristic privind producerea si transformarea luminii", in care explica efectul fotoelectric.

2).- "Despre miscarea particulelor mici, suspendate in lichide stationare, conform cerintelor teoriei cinetico-moleculare a caldurii", in care demonstreaza experimental existenta atomilor, calculeaza marimea acestora si numarul lui Avogadro.

3).- "Asupra electrodinamicii corpurilor in miscare", prezinta din punct de vedere matematic teoria relativitatii restranse.

4).- "Depinde inertia unui corp de continutul sau energetic?" Aici Einstein arata ca din teoria relativitatii restranse reiese ecuatia E=mc² si ca materia ascunde o energie imensa.

Interiorul apartamentului din Berna de pe 49 Kramgasse. O parte din piesele de mobilier sunt originale, altele dateaza din aceeasi epoca. Baia si bucataria erau folosite in comun cu ceilalti locatari ai cladirii.

Catre bucatarie si baie

Vedere dintr-un balcon al cladirii catre partea dreapta

             La inceput lucrarile au fost ignorate de comunitatea fizicienilor. Einstein este din nou dezamagit. Teoriile sale au zdruncinat comunitatea stiintifica. Conform acestora viteza luminii este singura constanta din Univers iar timpul este relativ. Era greu ca aceste teorii sa fie acceptate de catre oamenii de stiinta, mai ales ca ele nu erau enuntate de catre un profesor universitar ci de un simplu functionar examinator la Institutul de Patentare din Berna.

             Teoriile lui Einstein daramau din temelii legile miscarii lui Newton care afirmau ca timpul este constant. Dupa publicarea lor, Einstein primeste o scrisoare in care expeditor nu era decat nimeni altul, marele fizician...Max Planck, supranumit si "parintele fizicii cuantice". In scrisoare acesta il roaga sa-i explice anumite lucruri pe care nu le intelegea. Planck si-a dat seama de valoarea teoriilor lui Einstein si l-a invitat la Universitatea din Berlin.

             Treptat experimentele incep sa confirme teoriile lui Einstein si acesta incepe sa fie invitat la numeroase conferinte internationale. Cunoaste o ascensiune din ce in ce mai mare si i se ofera catedre la diverse universitati de prestigiu cum sunt : Universitatea din Zurich,Universitatea din Praga, Universitatea din Berlin,etc.

In aceasta camera Einstein si-a terminat cea mai mare parte a studiilor la teoria relativitatii restranse.

(-va urma-)

Viata lui Albert Einstein - Partea 1: Copilaria

Motto : "Când eram tânăr, am observat că degetele mari de la picioare ajung tot timpul să găurească şosetele. Aşa că am încetat să le port".(Albert Einstein)

              Albert Einstein s-a nascut la Ulm (Germania) pe 14 martie 1879. Tatal sau Hermann Einstein conducea o fabrica de electrotehnice. Mamei sale, Pauline, ii placea foarte mult muzica. La insistentele ei tanarul Albert ia lectii de vioara inca de la sase ani, fiind un bun violonist. Se spune ca imediat dupa nastere atunci cand Pauline l-a vazut pe micul Albert era sa lesine !!! Acesta avea capul "patratos si umflat" si cantarea mai mult decat ar fi trebuit. Pe cand avea doar un an, Albert se muta impreuna cu familia la Munchen, oras in care isi va petrece o mare parte din copilarie.

Herman si Pauline Einstein

             Pana la varsta de 3 ani Albert nu a scos nici un cuvant facandu-i pe parinti sa se intrebe daca copilul lor era sau nu normal. Dupa aceasta varsta copilul incepe sa vorbeasca fluent avand chiar un vocabular peste cel al varstei sale.Dupa ce repeta fraza in soapta,rostea cuvintele rar,deoarece dorea sa fie sigur ca pronunta corect.Analiza cuvintele iar apoi se exterioriza. La 5 ani atunci cand tatal sau ii arata pentru prima data o busola, tanarul Albert ramane fascinat : "De ce acul busolei ramane mereu in aceeasi pozitie?".

Albert Einstein la varsta de 5 ani

              La varsta de 11 ani Albert frecventeaza un gimnaziu din Munchen care oferea o educatie de elita insa, Einstein nu reuseste sa se adapteze datorita abuzurilor de putere ale profesorilor. Era o persoana retrasa si careia ii placea foarte mult sa citeasca carti de stiinta si filozofie. Desi nu era un elev stralucit ii placea foarte mult fizica, geometria si muzica.

Casa nasterii lui Einstein din Ulm (Germania)

              In jurul varstei de 12 ani Albert devine foarte religios, compune si fredoneaza cantece religioase, insa cu timpul, dupa ce incepe sa citeasca carti despre stiinta religiozitatea sa se diminueaza. Era de multe ori luat in ras de catre colegii de scoala fiind considerat "indaratnic". Analiza in detaliu orice informatie si pastra tacerea pana cand considera ca a epuizat subiectul. Se spune ca un profesor i-ar fi prezis ca nu se va alege nimic din el.
              Un student la medicina pe nume Max Talmud se pare ca a avut o influenta deosebita asupra evolutiei lui Einstein. Acesta frecventa deseori casa familiei lui Einstein aducand cu el carti despre stiinta pe care de multe ori i le imprumuta si lui Albert. Carti precum "Popular Natural Science" scrisa de catre Aaron Bernstein descria unele fenomene precum magnetismul, electricitatea sau lumina avand o influenta marcanta asupra tanarului Albert. In aceasta carte autorul isi imagina cum ar fi sa calatoreasca alaturi de curentul electric care trecea printr-un fir de telegraf. Ajuns la capitolul "Despre viteza luminii", Albert se hotaraste sa studieze aceasta problema intrebandu-se : "Cum ar arata o raza de lumina daca ai alerga alaturi de ea?".

             La varsta de 16 ani Albert scrie prima sa "lucrare stiintifica" numita "Despre cercetarea starii eterului in campurile magnetice".
             Intre timp afacerile tatalui sau Hermann mergeau din ce in ce mai prost. Acesta pierde un contract de electrificare a orasului Munchen in 1894 si se hotaraste sa-si mute atelierul intr-un mic oras de langa Milano. In timp ce familia se muta in Italia, tanarul Albert ramane intr-un internat din Munchen pentru a-si continua studiile intr-o scoala pe care acesta nu o agrea.

Albert impreuna cu sora sa Maja

             La 16 ani serviciul militar era obligatoriu in Germania. Albert detesta acest lucru si era hotarat sa faca orice pentru a scapa de armata. In cele din urma acesta aranjeaza cu un medic care-i elibereaza o adeverinta medicala in care se specifica ca ramanerea sa in acea scoala era riscanta pentru sanatatea mintala. Albert fuge in Italia la familia sa.
            Fara o scoala terminata sau alte deprinderi care sa-i permita sa-si gaseasca o slujba, viitorul tanarului Albert era destul de sumbru.

(-va urma-)

Einstein la o serata muzicala