albert einstein

25
ALBERT EINSTEIN Si contributia sa la dezvoltarea teoriei relativitatii restranse

Upload: adina-baranga

Post on 29-Nov-2015

60 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

Despre Albert Einstein si contributia sa la dezvolatarea teoriei relativitatii restranse

TRANSCRIPT

ALBERT EINSTEIN

Si contributia sa la dezvoltarea teoriei relativitatii restranse

Cuprins: 1. Albert Einstein 2. Teoria relativitatii restranse 3. Postulatele 4. Lipsa unui sistem de referință absolut 5. Consecinte 6. Sisteme de referință, coordonate și transformarea

Lorentz 7. Cauzalitatea și imposibilitatea depășirii vitezei

luminii 8. Masa , impulsul si energia 9. Statutul teoriei 10. Experimente fondatoare 11. Experimente testare teorii alternative

ALBERT EINSTEIN Albert Einstein (n. 14 martie 1879 - d. 18 aprilie 

1955) a fost un fizician teoretician de etnie evreiască, născut în Germania profesor universitar la Berlin și Princeton. Autorul teoriei relativității. În 1921 i s-a decernat Premiul Nobel pentru Fizică.

Cele mai multe dintre contribuțiile sale în fizică sunt legate de teoria relativității restrânse (1905), care unesc mecanica cu electromagnetismul, și de teoria relativității generalizate (1915) care extinde principiul relativității mișcării neuniforme, elaborând o nouă teorie a gravitației.

Alte contribuții ale sale includ cosmologia relativistă, teoria capilarității, probleme clasice ale mecanicii statistice cu aplicații în mecanica cuantică, explicarea mișcării browniene a moleculelor, probabilitatea tranziției atomice, teoria cuantelor pentru gazul monoatomic, proprietățile termice al luminii (al căror studiu a condus la elaborarea teoriei fotonice), teoria radiației (ce include emisia stimulată), teoria câmpurilor unitară și geometrizarea fizicii.

Cea mai cunoscuta formula a lui Einstein este E=mc² , care cuantifică energia disponibilă a materiei. Pe această formulă se bazează atomistica, secțiunea din fizică care studiază energia nucleară.

Einstein nu s-a manifestat doar în domeniul științei. A fost un activ militant al păcii și susținător al cauzei poporului evreu căruia îi aparținea.

Einstein a publicat peste 300 de lucrări științifice și peste 150 în alte domenii.

Teoria relativitatii restranse

Cea de-a patra lucrare importantă publicată de Einstein în 1905, "Asupra electrodinamicii corpurilor în mișcare", conținea ceea ce avea să fie cunoscută mai târziu ca Teoria relativității restrânse, una dintre cele mai celebre contribuții ale sale, în care demonstrează că teoretic nu este posibil să se decidă dacă două evenimente care se petrec în locuri diferite, au loc în același moment sau nu. Ideile de bază au fost formulate de Einstein încă de când avea 16 ani (deci cu 10 ani în urmă).

Teoria a fost numită "restrânsă" deoarece aplică principiul relativității doar la sisteme inerțiale. Einstein a dezvoltat relativitatea generalizată care aplică principiul general, oricărui sistem de referință, și acea teorie include și efectele gravitației. Relativitatea restrânsă nu ține cont de gravitație, dar trateazăaccelerația.Deși teoria relativității restrânse face anumite cantități relative, cum ar fi timpul, pe care ni l-am fi imaginat ca fiind absolut, pe baza experienței de zi cu zi, face absolute unele cantități pe care le-am fi crezut altfel relative. În particular, se spune în teoria relativității că viteza luminii este aceeași pentru toți observatorii, chiar dacă ei sunt în mișcare unul față de celălalt. Relativitatea restrânsă dezvăluie faptul că c nu este doar viteza unui anumit fenomen - propagarea luminii - ci o trăsătură fundamentală a felului în care sunt legate între ele spațiul și timpul. În particular, relativitatea restrânsă afirmă că este imposibil ca un obiect material să fie accelerat până la viteza luminii.

Postulate Primul postulat - Principiul relativității restrânse - Legile 

fizicii sunt aceleași în orice sistem de referință inerțial. Cu alte cuvinte, nu există sistem de referință inerțial privilegiat.

Al doilea postulat - Invarianța lui c - Viteza luminii în vid este o constantă universală, c, independentă de mișcarea sursei de lumină.

Puterea argumentului lui Einstein reiese din maniera în care a dedus niște rezultate surprinzătoare și aparent incredibile din două presupuneri simple bazate pe analiza observațiilor. Un observator care încearcă să măsoare viteza de propagare a luminii va obține exact același rezultat indiferent de cum se mișcă componentele sistemului.

Lipsa unui sistem de referință absolut

Principiul relativității, care afirmă că nu există sistem de referință staționar, datează de pe vremea lui Galileo Galilei, și a fost inclus în fizica newtoniană. Însă, spre sfârșitul secolului al XIX-lea, existența undelor electromagnetice a condus unii fizicieni să sugereze că universul este umplut cu o substanță numită "eter", care ar acționa ca mediu de propagare al acestor unde. Se credea că eterul constituie un sistem de referință absolut față de care se pot măsura vitezele. 

Soluția elegantă dată de Einstein avea să elimine noțiunea de eter și de stare de repaus absolută. Relativitatea restrânsă este formulată de așa natură încât să nu presupună că vreun sistem de referință este special; în schimb, în relativitate, orice sistem de referință în mișcare uniformă va respecta aceleași legi ale fizicii. În particular, viteza luminii în vid este mereu măsurată ca fiind c, chiar și măsurată din sisteme multiple, mișcându-se cu viteze diferite, dar constante.

Consecinte Einstein a spus că toate consecințele relativității restrânse pot

fi derivate din examinarea transformărilor Lorentz. Aceste transformări, și deci teoria relativității restrânse, a

condus la predicții fizice diferite de cele date de mecanica newtoniană atunci când vitezele relative se apropie de viteza luminii. Viteza luminii este atât de mult mai mare decât orice viteză întâlnită de oameni încât unele efecte ale relativității sunt la început contraintuitive:

1. Dilatarea temporală — timpul scurs între două evenimente nu este invariant de la un observator la altul, dar el depinde de mișcarea relativă a sistemelor de referință ale observatorilor (ca înparadoxul gemenilor care implică plecarea unui frate geamăn cu o navă spațială care se deplasează la viteză aproape de cea a luminii și faptul că la întoarcere constată că fratele său geamăn a îmbătrânit mai mult).

2. Relativitatea simultaneității — două evenimente ce au loc în două locații diferite, care au loc simultan pentru un observator, ar putea apărea ca având loc la momente diferite pentru un alt observator (lipsa simultaneității absolute).

3. Contracția Lorentz — dimensiunile (de exemplu lungimea) unui obiect măsurate de un observator pot fi mai mici decât rezultatele acelorași măsurători efectuate de un alt observator (de exemplu, paradoxul scării implică o scară lungă care se deplasează cu viteză apropiată de cea a luminii și ținută într-un garaj mai mic).

4. Compunerea vitezelor — vitezele nu se adună pur și simplu, de exemplu dacă o rachetă se mișcă la ⅔ din viteza luminii pentru un observator, și din ea pleacă o altă rachetă la ⅔ din viteza luminii relativ la racheta inițială, a doua rachetă nu depășește viteza luminii în raport cu observatorul. (În acest exemplu, observatorul vede racheta a doua ca deplasându-se cu 12/13 din viteza luminii.)

5. Inerția și impulsul — când viteza unui obiect se apropie de cea a luminii din punctul de vedere al unui observator, masa obiectului pare să crească făcând astfel mai dificilă accelerarea sa în sistemul de referință al observatorului.

6. Echivalența masei și energiei, E = mc2 — Energia înmagazinată de un obiect în repaus cu masa m este egală cu . Conservarea energiei implică faptul că în orice reacție, o scădere a sumei maselor particulelor trebuie să fie însoțită de o creștere a energiilor cinetice ale particulelor după reacție. Similar, masa unui obiect poate fi mărită prin absorbția de către acesta de energie cinetică.

Sisteme de referință, coordonate și transformarea Lorentz

Teoria relativității depinde de "sisteme de referință". Un sistem de referință este o perspectivă observațională în spațiu în repaus sau în mișcare uniformă, de unde se poate măsura o poziție de-a lungul a 3 axe spațiale. În plus, un sistem de referință are abilitatea de a determina măsurătorile evenimentelor în timp, folosind un 'ceas' (orice dispozitiv de referință cu periodicitate uniformă).

Un eveniment este un lucru căruia i se poate asigna un moment în timp și o locație în spațiu unice în raport cu un sistem de referință: este un "punct" în spațiu-timp. Deoarece viteza luminii este constantă în teoria relativității în orice sistem de referință, impulsurile luminoase pot fi folosite pentru a măsura neambiguu distanțele și a da timpul la care evenimentele au avut loc pentru ceasul sistemului, deși lumina are nevoie de timp pentru a ajunge la ceas după ce evenimentul a trecut.

Să definim evenimentul de coordonate spațiu-timp  în sistemul S și  în S'. Atunci transformările Lorentz specifică faptul că aceste coordonate sunt legate în felul următor:

Masa , impulsul si energia În plus față de modificarea noțiunilor de spațiu și timp, relativitatea

restrânsă forțează reconsiderarea conceptelor de masă, impuls și energie, toate fiind concepte de bază în mecanica newtoniană. Relativitatea restrânsă arată că, de fapt, aceste concepte sunt toate diferite aspecte ale aceleiași cantități fizice cam în același fel în care arată că spațiul și timpul sunt interconectate.

Există câteva moduri echivalente de a defini impulsul și energia în relativitatea restrânsă. O metodă folosește legile de conservare. Dacă aceste legi rămân valide în teoria relativității restrânse, ele trebuie să fie adevărate în orice sistem de referință posibil. Însă, dacă se fac niște simple experimente imaginare folosind definițiile newtoniene ale impulsului și energiei, se vede că aceste cantități nu se conservă în relativitatea restrânsă. Ideea de conservare se poate salva făcând câteva mici modificări ale definițiilor acestora pentru a ține cont de vitezele relativiste. În teoria relativității, aceste definiții sunt considerate definiții corecte pentru impuls și energie.

Statutul teoriei Relativitatea restrânsă este exactă doar când 

potențialul gravitațional este mult mai mic ca c2; într-un câmp gravitațional puternic trebuie să se folosească teoria relativității generalizate (care este, la limită, echivalentă cu cea restrânsă pentru câmpuri gravitaționale slabe). La scară foarte mică (la lungimi de ordinul distanței Planck și mai mici) trebuie să fie luate în calcul și efectele cuantice, de unde rezultă gravitația cuantică. Totuși, la nivel macroscopic și în absența câmpurilor gravitaționale puternice, relativitatea restrânsă a fost testată experimental, obținându-se un grad extrem de înalt de precizie (10-20)  și astfel este acceptată de comunitatea fizicienilor. Rezultatele experimentale care par să o contrazică nu sunt reproductibile și sunt considerate a se datora erorilor experimentale.

Datorită libertății pe care o acordă teoria de a alege cum să se definească unitățile de distanță și timp în fizică, este posibil să se facă unul din postulatele relativității consecință tautologică a definițiilor, dar acest lucru nu poate fi făcut pentru ambele postulate simultan, deoarece, împreună, ele au consecințe independente de alegerea definițiilor pentru distanță și timp.

Relativitatea restrânsă este consistentă cu ea însăși din punct de vedere matematic, și este parte organică din toate teoriile fizice moderne, în primul rând din teoria cuantică de câmp, teoria corzilor, și teoria relativității generalizate (pentru cazul câmpurilor gravitaționale neglijabile).

Mecanica newtoniană derivă matematic din teoria relativității restrânse pentru viteze mici față de cea a luminii - astfel mecanica newtoniană poate fi considerată o relativitate restrânsă a corpurilor lente.

Cauzalitatea și imposibilitatea depășirii vitezei luminii

În diagrama 2, intervalul AB este temporal; cu alte cuvinte, există un sistem de referință în care evenimentul A și evenimentul B au loc în aceeași poziție în spațiu, și sunt separate doar de faptul că au loc la momente de timp diferite. Dacă A precede B în acel sistem de referință, atunci A precede B în toate sistemele de referință. Ipotetic, este posibil ca materia (sau informația) să călătorească de la A la B, astfel că poate exista o relație cauzală între ele (A fiind cauza, iar B efectul).

Intervalul AC din diagramă este 'spațial'; cu alte cuvinte, există un sistem de referință în care evenimentul A și evenimentul C au loc simultan, fiind separate doar de o distanță în spațiu. Însă există și sisteme în care A precede C (după cum se vede) și sisteme în care C precede A. Dacă ar fi posibilă o relație de tip cauză-efect între evenimentele A și C, atunci ar rezulta paradoxuri ale cauzalității. De exemplu, dacă A este cauza, iar C efectul, atunci ar exista sisteme de referință în care efectul precede cauza. Deși acest fapt singur nu dă naștere vreunui paradox, se poate arăta [2] [3] că se pot trimite semnalele cu viteză mai mare decât a luminii în trecut. Atunci se poate construi un paradox cauzal trimițând semnalul dacă și numai dacă anterior nu s-a primit niciun semnal.

Astfel, una din consecințele relativității restrânse este că (presupunând că se păstrează cauzalitatea), nicio informație și niciun obiect material nu pot călători mai repede decât lumina. Pe de altă parte, situația logică nu mai este așa de clară în cazul relativității generalizate, deci rămâne o întrebare deschisă dacă există vreun principiu fundamental care păstrează cauzalitatea (și deci previne mișcarea cu viteză mai mare decât a luminii) în relativitatea generalizată.

Experimente fondatoare Câteva experimente-cheie au condus la

elaborarea teoriei relativității restrânse:

1.Experimentul Trouton–Noble a arătat că momentul unui condensator este independent de poziția sa și de sistemul de referință inerțial

2.Celebrul experiment Michelson-Morley a dat mai mult suport postulatului privind imposibilitatea detectării unei viteze absolute

Experimente testare teorii alternative

O serie de experimente au fost efectuate cu scopul de a testa teoria relativității restrânse în raport cu alte teorii rivale. Printre acestea se numără:

Experimentul lui Kaufmann — devierea electronilor conform predicției Lorentz-Einstein

Experimentul Hamar — absența obstrucției fluxului de eter

Experimentul Kennedy–Thorndike — dilatarea temporală conform cu transformările Lorentz

Experimentul Rossi-Hall — efecte relativiste asupra timpului de înjumătățire a unei particule de mare viteză

Experimentele de test ale teoriei emisiei au demonstrat că viteza luminii este independentă de viteza sursei acesteia.

Bibliografie

www.wikipedia.ro : Albert Einstein si teoria relativitatii restranse

Proiect realizat de : Baranga Adina

Gheorghita Alina

Profesor : Udrea Mihaela

Clasa : a XII-a E