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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Teoria especial da relatividade. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes Em 1905, na revista científica alemã Annalen der Physicist, um pequeno artigo de 30 páginas impressas apareceu em um jornal de XNUMX anos. Albert Einstein "Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento", em que a teoria da relatividade especial foi exposta quase completamente, o que logo tornou famoso o jovem especialista do escritório de patentes. No mesmo ano, o artigo “A inércia de um corpo depende da energia contida nele?” apareceu na mesma revista, complementando o primeiro. A teoria da relatividade especial não surgiu do zero, ela surgiu da solução do problema eletrodinâmico dos corpos em movimento, no qual muitos físicos vêm trabalhando desde meados do século XIX. Eles procuraram descobrir a existência de um meio etéreo no qual as ondas eletromagnéticas se propagavam. Supunha-se que o éter penetra em todos os corpos, mas não participa de seu movimento. Foram construídos vários modelos do éter luminífero, levantadas hipóteses sobre as suas propriedades. Parecia que o éter imóvel poderia servir como esse quadro de referência absolutamente em repouso, em relação ao qual Newton considerados os movimentos "verdadeiros" dos corpos. De acordo com a visão de Newton, existem "relógios normais" no Universo que contam o curso do "tempo absoluto" a partir de qualquer ponto. Além disso, há "movimento absoluto", ou seja, "o movimento de um corpo de um lugar absoluto para outro lugar absoluto". Por duzentos anos, os princípios de Newton foram considerados corretos e inabaláveis. Nenhum físico os questionou. Ernst Mach foi o primeiro a criticar abertamente os princípios de Newton. Começou sua carreira científica no Departamento de Física Experimental e tinha seu próprio laboratório na Áustria. Mach realizou experimentos com ondas sonoras e estudou o fenômeno da inércia. Mach tentou refutar os conceitos de "espaço absoluto", "movimento absoluto", "tempo absoluto". Einstein estava familiarizado com o trabalho de Mach, e esse conhecimento desempenhou um papel importante em seu trabalho sobre a teoria da relatividade. Na física experimental, os dogmas newtonianos também foram questionados. A terra se move em sua órbita ao redor do sol. Por sua vez, o sistema solar voa no espaço mundial. Consequentemente, se o éter de luz está em repouso no "espaço absoluto" e os corpos celestes passam por ele, então seu movimento em relação ao éter deve causar um "vento etéreo" perceptível que pode ser detectado usando instrumentos ópticos sensíveis. Um experimento para detectar o "vento etéreo" foi montado em 1881 pelo americano Albert Michelson sobre a ideia expressa 12 anos antes. Maxwell. Michelson raciocinou da seguinte forma: se o globo se move através de um éter absolutamente imóvel, então um feixe de luz lançado da superfície da Terra, sob certas condições, será levado de volta pelo "vento etéreo", que sopra em direção ao movimento do Terra. O "vento etéreo" deve surgir apenas devido ao deslocamento da Terra em relação ao éter. A primeira configuração experimental foi construída e testada por Michelson em Berlim, todos os instrumentos foram montados em uma laje de pedra e podiam ser girados como um. Em seguida, os experimentos foram transferidos para a América e realizados com a participação do amigo íntimo e colaborador de Michelson, Edward Morley. Os cientistas criaram um interferômetro de espelho, que pode registrar até mesmo o "vento de éter" mais fraco. Os resultados de todos os experimentos realizados tanto em 1881 quanto em 1887 negaram a existência de qualquer "vento etéreo". O experimento de Michelson ainda pode ser considerado um dos mais famosos e marcantes da história da física. Segundo o próprio Einstein, ele foi de grande importância para o nascimento da teoria da relatividade. Mas nem todos os físicos concordaram que o éter não existia e que os princípios de Newton deveriam não apenas ser questionados, mas também descartados para sempre. físico holandês Hendrik Lorenz em 1895 ele tentou "salvar" o éter. Ele sugeriu que corpos em movimento rápido experimentam contração. Mesmo antes de Lorentz, em 1891, o físico irlandês George Fitzgerald havia feito uma sugestão semelhante, que Lorentz desconhecia. Lorentz e Fitzgerald escreveram que todos os objetos "sob a pressão" do éter são achatados, encurtados. A placa, na qual todos os dispositivos estão localizados, e os próprios dispositivos são encurtados. Tanto o globo quanto as pessoas em sua superfície são encurtados, e a magnitude de todos esses encurtamentos e achatamentos é igual a tal magnitude que equilibra o efeito do "vento etéreo". Os cientistas também introduziram uma correção para o tempo de propagação do "vento etéreo". Essas ideias eram apenas especulações com pouco ou nenhum apoio. No outono de 1904, Henri Poincaré também tentou "salvar" o éter absolutamente imóvel. Ele tentou formular os cálculos de Lorentz na forma de uma teoria mais ou menos coerente, mas essa "teoria" era apenas uma formalidade. As maiores mentes ficaram tristes, parecia que não havia saída para essa situação. Mas a saída foi encontrada por Albert Einstein, ele tirou a física do impasse e a direcionou para uma nova direção. Einstein, enquanto ainda estava na escola em Aarau, costumava realizar um experimento mental: o que uma pessoa podia ver se movendo atrás de uma onda de luz na velocidade da luz. Foi essa questão que serviu de início de reflexões sobre o que mais tarde foi chamado de teoria da relatividade. Sobre o início de seu raciocínio, Einstein escreveu: “Era necessário ter uma ideia clara do que significam na física as coordenadas espaciais e o tempo de algum evento”. Einstein começou explorando o conceito de simultaneidade. Assim, a mecânica newtoniana afirma que, em princípio, é possível propagar interações (ou seja, a transmissão de sinais, informações) a uma velocidade infinita. E de acordo com a teoria de Einstein, a velocidade da luz, que é a velocidade máxima de transmissão do sinal, ainda é finita e, além disso, tem o mesmo valor para todos os observadores de trezentos mil quilômetros por segundo. Portanto, o conceito de "simultaneidade absoluta" é desprovido de qualquer significado físico e não pode ser aplicado. Einstein chega à conclusão de que a simultaneidade de eventos separados espacialmente é relativa. A razão para a relatividade da simultaneidade é a finitude da velocidade de propagação dos sinais. É verdade que não podemos imaginar isso com clareza, pois a velocidade da luz é muito maior do que a velocidade com que nos movemos. Se a "simultaneidade absoluta" é impossível, então o "tempo absoluto" não pode existir, que é o mesmo em todos os referenciais. A noção de "tempo absoluto", que flui de uma vez por todas em um determinado ritmo, completamente independente da matéria e de seu movimento, revela-se equivocada. Cada quadro de referência tem sua própria "hora local". A doutrina do tempo de Einstein foi um passo completamente novo na ciência. O "tempo absoluto" foi descartado e, como tempo e movimento estão intimamente relacionados, tornou-se necessário eliminar o conceito newtoniano de "movimento absoluto". Foi isso que Einstein fez. O primeiro e principal postulado da teoria de Einstein - o princípio da relatividade - afirma que em todos os referenciais que se movem de forma uniforme e retilínea uns em relação aos outros, operam as mesmas leis da natureza. Assim, o princípio da relatividade da mecânica clássica é extrapolado para todos os processos da natureza, inclusive os eletromagnéticos. Se for necessária uma transição de um quadro de referência para outro, as transformações de Lorentz devem ser usadas. Einstein nomeou essas equações como um sinal de profundo respeito pelo trabalho de seu antecessor. Einstein em sua teoria da relatividade substituiu o éter de luz por um campo eletromagnético. Muitos cientistas reagiram muito dolorosamente a essa virada, não conseguiram aceitar o fato de que o éter não existe. Até o grande holandês Lorentz acreditou na existência do éter até sua morte. O segundo postulado de Einstein afirma que a velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os referenciais inerciais. Não depende nem da velocidade da fonte nem da velocidade do receptor do sinal de luz. A velocidade da luz é o limite superior para todos os processos que ocorrem na natureza. A velocidade da luz é a velocidade limite, nenhum dos processos na natureza pode ter uma velocidade maior que a velocidade da luz. Dois famosos paradoxos ou consequências decorrem da constância da velocidade da luz: a relatividade das distâncias e a relatividade dos intervalos de tempo. A relatividade das distâncias reside no fato de que a distância não é um valor absoluto, mas depende da velocidade do corpo em relação a um dado referencial. As dimensões dos corpos em movimento rápido são reduzidas em comparação com o comprimento dos corpos em repouso. Ao aproximar a velocidade do corpo à velocidade da luz, suas dimensões se aproximarão de zero! Lorentz também expressou algo semelhante quando tentou "salvar" o éter no experimento de Michelson. A relatividade dos intervalos de tempo consiste em diminuir a velocidade dos relógios em um quadro de movimento rápido em relação aos relógios em um quadro de referência em repouso em relação ao primeiro. Os efeitos descritos acima são chamados de relativísticos pelos físicos, ou seja, são observados em velocidades próximas à velocidade da luz. O que acontecerá se realmente tentarmos acelerar um corpo material a velocidades próximas à velocidade da luz? A teoria da relatividade afirma a equivalência de massa e energia de acordo com a agora famosa fórmula, que pode ser expressa em palavras como segue: "Energia é igual a massa vezes o quadrado da velocidade da luz". Inicialmente, um aumento na energia do corpo é acompanhado por um aumento sutil da massa e, consequentemente, da inércia do corpo. Portanto, torna-se um pouco mais difícil acelerá-lo ainda mais. À medida que a velocidade se aproxima da velocidade da luz, esse efeito, cada vez mais impressionante, torna impossível superar a velocidade da luz. A fórmula de Einstein recebeu uma confirmação brilhante no final dos anos XNUMX nas reações da fissão do urânio. Ao mesmo tempo, um milésimo da massa total desapareceu para ser totalmente revelado novamente na forma de energia atômica. Mesmo em reações químicas comuns, a proporção de Einstein é observada, mas as quantidades de matéria que aparecem ou desaparecem durante a reação são inferiores a um décimo bilionésimo da massa total, então é impossível detectá-las mesmo com balanças muito precisas. É importante enfatizar que na teoria da relatividade especial, o movimento uniforme é considerado, ou seja, o movimento a uma velocidade constante, na qual a direção do movimento não muda. Se o movimento ocorre com uma aceleração devido a forças externas, como atração gravitacional, a teoria da relatividade especial não pode mais ser aplicada. O que Einstein descobriu e introduziu na física foi verdadeiramente revolucionário, então poucos físicos perceberam imediatamente que a teoria especial da relatividade é uma descoberta brilhante. Entre os que entenderam estava Max Planck, que escreveu: "O conceito de tempo de Einstein supera em ousadia tudo o que até agora foi criado na ciência natural especulativa e mesmo na teoria filosófica do conhecimento". Em 1908, o matemático alemão Hermann Minkowski, que ensinou Einstein na Politécnica de Zurique, criou um aparato matemático para a teoria da relatividade especial. Em seu famoso discurso no Congresso dos Naturalistas e Médicos Alemães em 21 de setembro de 1908, Minkowski disse: “Os conceitos de espaço e tempo que estou prestes a desenvolver antes de vocês crescerem no solo da física experimental. Esta é a força deles. Eles levarão a consequências radicais.De agora em diante, o próprio espaço e o próprio tempo desaparecem completamente no reino das sombras, e apenas uma espécie de união de ambos os conceitos mantém uma existência independente. Desde então, o "mundo Minkowski" tornou-se parte integrante da teoria da relatividade especial. Certa vez, Einstein disse a James Frank: "Por que exatamente eu criei a teoria da relatividade? Quando me faço essa pergunta, parece-me que a razão é a seguinte. Um adulto normal não pensa no problema do espaço e do tempo ao mesmo tempo. Segundo ele, ele já pensou sobre esse problema na infância. Eu me desenvolvi intelectualmente tão lentamente que o espaço e o tempo ocuparam meus pensamentos quando me tornei adulto. Naturalmente, eu poderia penetrar mais fundo no problema do que uma criança com inclinações normais. " Einstein não tinha a confiança "adulta" de que os problemas globais do mundo já haviam sido resolvidos. Esse sentimento não foi reprimido pelo acúmulo de conhecimentos e interesses especiais. Ele pensou no conceito de movimento e retornou à ideia inerente à infância da humanidade - à antiga ideia de relatividade, que mais tarde foi obscurecida pelo conceito de éter como corpo de referência absoluto. Quando o conceito de éter foi descartado, Einstein concluiu que o movimento não pode ser absoluto. Autor: Samin D. K.
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