Einstein; Eter și relativitate; MacTutor Istoria matematicii
Eterul și teoria relativității
Cum se întâmplă că, alături de ideea de materie ponderabilă, care este derivată prin abstractizare din viața de zi cu zi, fizicienii stabilesc ideea existenței unui alt tip de materie, eterul? Explicația este probabil căutată în acele fenomene care au dat naștere teoriei acțiunii la distanță și în proprietățile luminii care au condus la teoria ondulatorie. Să ne dedicăm puțin timp examinării acestor două subiecte.
Doar cu reticență dorința omului de cunoaștere suportă un dualism de acest fel. Cum trebuia păstrată unitatea în înțelegerea forțelor naturii? Fie încercând să privească forțele de contact ca fiind ele însele forțe îndepărtate care, desigur, sunt observabile doar la o distanță foarte mică și acesta a fost drumul pe care adepții lui Newton, care erau în totalitate sub vraja doctrinei sale, au preferat în mare parte să îl ia; sau presupunând că acțiunea newtoniană la distanță este doar o acțiune aparent imediată la distanță, dar în realitate este transmisă de un mediu care pătrunde în spațiu, fie prin mișcări, fie prin deformarea elastică a acestui mediu. Astfel, efortul către o viziune unificată a naturii forțelor duce la ipoteza unui eter. Această ipoteză, cu siguranță, nu a adus la început nici un avans în teoria gravitației sau în fizică în general, astfel încât a devenit obișnuit să se trateze legea forței lui Newton ca o axiomă care nu este mai reductibilă. Dar ipoteza eterului a fost întotdeauna obligată să joace un rol în știința fizică, chiar dacă la început doar un rol latent.
Când în prima jumătate a secolului al XIX-lea s-a dezvăluit asemănarea de amploare care există între proprietățile luminii și cele ale undelor elastice din corpuri ponderabile, ipoteza eterului a găsit un nou sprijin. A apărut fără îndoială că lumina trebuie interpretată ca un proces vibrator într-un mediu elastic, inert, care umple spațiul universal. De asemenea, părea a fi o consecință necesară a faptului că lumina este capabilă de polarizare că acest mediu, eterul, trebuie să fie de natura unui corp solid, deoarece undele transversale nu sunt posibile într-un fluid, ci doar într-un solid. Astfel, fizicienii au fost nevoiți să ajungă la teoria eterului luminifer "cvasi-rigid", ale cărui părți nu pot efectua mișcări relativ una față de alta, cu excepția micilor mișcări de deformare care corespund undelor de lumină.
Această teorie - numită și teoria eterului luminifer staționar - a găsit, de altfel, un sprijin puternic într-un experiment care are, de asemenea, o importanță fundamentală în teoria relativității speciale, experimentul lui Fizeau, din care era obligat să deducem că eterul luminifer să nu ia parte la mișcările corpurilor. Fenomenul aberației a favorizat și teoria eterului cvasirigid.
Acest dualism ne confruntă încă într-o formă neextenuată în teoria lui Hertz, unde materia apare nu numai ca purtătoare de viteze, energie cinetică și presiuni mecanice, ci și ca purtătoare de câmpuri electromagnetice. Deoarece astfel de câmpuri apar și în vid - adică în eter liber-eterul apare și ca purtător de câmpuri electromagnetice. Eterul pare a nu se distinge în funcțiile sale de materia obișnuită. În materie participă la mișcarea materiei și în spațiul gol are peste tot o viteză; astfel încât eterul are o viteză cu siguranță atribuită pe tot spațiul. Nu există nicio diferență fundamentală între eterul lui Hertz și materia ponderabilă (care parțial subzistă în eter) .
Teoria Hertz a suferit nu numai de defectul atribuirii materiei și eterului, pe de o parte stări mecanice și, pe de altă parte, stări electrice, care nu se află într-o relație imaginabilă între ele; a fost, de asemenea, în contradicție cu rezultatul importantului experiment al lui Fizeau asupra vitezei de propagare a luminii în fluidele în mișcare și cu alte rezultate experimentale stabilite.
Așa era starea lucrurilor când H A Lorentz a intrat pe scenă. El a adus teoria în armonie cu experiența prin intermediul unei minunate simplificări a principiilor teoretice. El a realizat acest lucru, cel mai important avans din teoria electricității de la Maxwell, luând din eter calitățile sale electromagnetice și mecanice. Ca și în spațiul gol, la fel și în interiorul corpurilor materiale, eterul, și nu materia privită atomistic, a fost exclusiv sediul câmpurilor electromagnetice. Potrivit lui Lorentz, numai particulele elementare de materie sunt capabile să efectueze mișcări; activitatea lor electromagnetică se limitează în totalitate la transportarea sarcinilor electrice. Astfel Lorentz a reușit să reducă toate întâmplările electromagnetice la ecuațiile lui Maxwell pentru spațiul liber.
În ceea ce privește natura mecanică a eterului lorentzian, se poate spune despre el, într-un spirit oarecum jucăuș, că imobilitatea este singura proprietate mecanică de care nu a fost lipsită de H A Lorentz. Se poate adăuga că întreaga modificare a concepției despre eter pe care a adus-o teoria specială a relativității a constat în îndepărtarea de la eter a ultimei sale calități mecanice, și anume, a imobilității sale. Cum va fi înțeles acest lucru va fi expus imediat.
Următoarea poziție pe care a fost posibil să o iau în fața acestei stări de lucruri părea să fie următoarea. Eterul nu există deloc. Câmpurile electromagnetice nu sunt stări ale unui mediu și nu sunt legate de niciun purtător, ci sunt realități independente care nu pot fi reduse la altceva, exact ca atomii materiei ponderabile. Această concepție se sugerează mai ușor, deoarece, conform teoriei lui Lorentz, radiația electromagnetică, precum materia ponderabilă, aduce cu sine impuls și energie și, conform teoriei speciale a relativității, atât materia, cât și radiația nu sunt decât forme speciale de energie distribuită, masă ponderabilă pierzându-și izolația și apărând ca o formă specială de energie.
O reflecție mai atentă ne învață totuși că teoria specială a relativității nu ne obligă să negăm eterul. Putem presupune existența unui eter; numai că trebuie să renunțăm să îi atribuim o stare de mișcare definită, adică prin abstractizare trebuie să luăm din ea ultima caracteristică mecanică pe care Lorentz o lăsase încă. Vom vedea mai târziu că acest punct de vedere, a cărui concepție pe care o voi încerca imediat să-l fac mai inteligibil printr-o comparație oarecum oprită, este justificat de rezultatele teoriei generale a relativității.
Gândiți-vă la valuri de la suprafața apei. Aici putem descrie două lucruri complet diferite. Fie putem observa cum se modifică suprafața ondulatoare care formează granița dintre apă și aer în decursul timpului; sau, cu ajutorul unor plutitoare mici, de exemplu - putem observa cum se modifică poziția particulelor separate de apă în decursul timpului. Dacă existența unor astfel de plutitoare pentru urmărirea mișcării particulelor unui fluid ar fi o imposibilitate fundamentală în fizică - dacă, de fapt, nimic altceva nu ar fi fost observabil decât forma spațiului ocupat de apă pe măsură ce variază în timp, ar trebui nu au niciun motiv pentru presupunerea că apa constă din particule mobile. Dar totuși l-am putea caracteriza ca un mediu.