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Publicação da Teoria da Relatividade - História

Publicação da Teoria da Relatividade - História


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(30/06/05) Albert Einstein, que na época era um físico alemão residente na Suíça, publicou a Teoria da Relatividade.

Publicação da Teoria da Relatividade - História

A velocidade da luz, foi a questão central que deu origem à teoria da relatividade. A velocidade da luz é muito grande em comparação com as velocidades que experimentamos. Não temos nenhuma intuição física sobre a aproximação das velocidades. Podemos, no entanto, medir a velocidade da luz com um espelho giratório.

Em que quadro está a velocidade da luz? As leis de Newton são independentes de qual referencial inercial é escolhido. A velocidade da luz vai quebrar essa simetria da física?

As equações de Maxwell prevêem a velocidade da luz a partir de algumas medições básicas de como os campos são produzidos a partir de cargas e correntes.

Como as correntes são apenas cargas móveis, elas também predizem essencialmente como os campos se transformam à medida que nos transformamos de um referencial inercial para outro. Essas transformações eram problemáticas.

Havia uma saída simples. Pode haver um quadro em que o meio no qual as ondas EM se propagam esteja em repouso. As equações de EM eram consistentes se a velocidade da luz fosse constante em um referencial fixo. Os físicos pensaram que as ondas EM devem se propagar em algum meio. Os físicos postularam o "éter" (éter). Eles pensaram que o espaço é preenchido com "o éter" no qual as ondas EM se propagam a uma velocidade fixa. Ether deu uma estrutura fixa para EM. Mas os experimentos, especialmente Michelson-Morley, discordaram. E perderíamos a simetria encontrada nas leis de Newton "qualquer referencial inercial".

A teoria do éter era testável. Devemos ver alguma velocidade do éter. Devemos ver uma variação sazonal. Michelson e Morley começaram a ser sensíveis até mesmo ao movimento da Terra.

Albert Abraham Michelson (1852-1931) foi um físico americano nascido na Alemanha (na Caltech) que estabeleceu a velocidade da luz como uma constante fundamental. Ele recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1907. Em 1878, Michelson começou a trabalhar na paixão de sua vida, a medição da velocidade da luz. Sua tentativa de medir o efeito da velocidade da Terra através do suposto éter lançou a base para a teoria da relatividade. Ele foi o primeiro cientista americano a ganhar o Prêmio Nobel.

Edward Williams Morley (1838-1923) foi um químico americano cuja reputação de experimentador habilidoso atraiu a atenção de Michelson. Em 1887, a dupla realizou o que ficou conhecido como o experimento Michelson-Morley para medir o movimento da Terra através do éter. A figura abaixo mostra o interferômetro de Michelson em um bloco de granito. Um feixe de luz dividido e refletido por dois espelhos interfere.

Oliver Heaviside (1850-1925) era telégrafo, mas a surdez o obrigou a se aposentar e se dedicar às investigações sobre eletricidade. Ele se tornou um recluso excêntrico, amigo de FitzGerald e (por correspondência) de Hertz. Em 1892, ele introduziu o cálculo operacional (transformadas de Laplace) para estudar correntes transitórias em redes e aspectos teóricos de problemas na transmissão elétrica. Em 1902, depois que a telegrafia sem fio se mostrou eficaz em longas distâncias, Heaviside teorizou que existia uma camada condutora da atmosfera que permite que as ondas de rádio sigam a curvatura da Terra. Ele inventou a análise vetorial e escreveu as equações de Maxwell como as conhecemos hoje. Ele mostrou como os campos EM se transformaram em novos quadros inerciais.

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), professor de física da Universidade de Leiden, procurou explicar a origem da luz pelas oscilações de partículas carregadas dentro dos átomos. Sob essa suposição, um forte campo magnético afetaria o comprimento de onda. A observação desse efeito por seu pupilo, Zeeman, ganhou o prêmio Nobel em 1902 pela dupla. No entanto, a teoria de Lorentz não poderia explicar os resultados do experimento de Michelson-Morley. Influenciado pela proposta de Fitzgerald, Lorentz chegou às fórmulas (aproximadas) conhecidas como transformações de Lorentz para descrever a relação de massa, comprimento e tempo para um corpo em movimento. (Poincaré fez isso com mais precisão, mas se referiu a isso como a transformação de Lorentz). Essas equações formam a base da teoria da relatividade especial de Einstein.

George Francis FitzGerald (1851-1901), professor do Trinity College, Dublin, foi o primeiro a sugerir que uma corrente elétrica oscilante produziria ondas de rádio, estabelecendo a base para a telegrafia sem fio. Em 1892, FitzGerald sugeriu que os resultados do experimento Michelson-Morley poderiam ser explicados pela contração de um corpo ao longo de sua direção de movimento.

O artigo "Sobre a eletrodinâmica de corpos em movimento" de Einstein introduziu a Relatividade Especial. Einstein tinha lido o livro de Lorentz e trabalhou alguns anos no problema. Ele não acreditava que deveria haver uma estrutura fixa.

Albert Einstein (1879-1955) cresceu em Munique, onde seu pai e seu tio tinham uma pequena usina elétrica e obras de engenharia. A teoria da relatividade especial de Einstein, impressa pela primeira vez em 1905 com o título "Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento", teve seu início em um ensaio que Einstein escreveu aos dezesseis anos. A teoria especial é freqüentemente considerada como a pedra angular da teoria eletrodinâmica clássica.

Einstein não ganhou o prêmio Nobel de Relatividade Especial. Ele recebeu um por contribuições à física teórica, incluindo o efeito fotoelétrico. O comitê não achava que a Relatividade Especial havia se provado correta até os anos 1940.

Einstein queria que a velocidade da luz fosse a mesma em todos os quadros. Isso funcionaria para equações E & ampM e a maneira como os campos devem se transformar. Concordaria com o experimento. Einstein considerou a experiência, mas talvez não Michelson Morley. Mas a adição de velocidade não fazia sentido para ninguém. Como poderia um observador em um referencial inercial movendo-se na medida da luz se mover na mesma velocidade que fazemos em nosso referencial em repouso?

No que chamou de "O Passo", Einstein percebeu que, ao descartar o conceito de um tempo universal, a velocidade da luz poderia ser a mesma em todos os quadros. Ao ir de um referencial inercial para outro, ambos se transformam. O tempo é diferente em diferentes sistemas de referência inerciais. Ele derivou a transformação de Lorentz previamente declarada do requisito de que a velocidade da luz é a mesma em todos os referenciais inerciais.


História

Antes de Einstein, os astrônomos (em sua maioria) entendiam o universo em termos de três leis do movimento apresentadas por Isaac Newton em 1686. Essas três leis são:

(1) Objetos em movimento (ou em repouso) permanecem em movimento (ou em repouso) a menos que uma força externa imponha mudança.

(2) Força é igual à mudança no momento por mudança de tempo. Para uma massa constante, a força é igual à massa vezes a aceleração.

(3) Para cada ação, há uma reação igual e oposta.

Mas houve rachaduras na teoria por décadas antes da chegada de Einstein em cena, de acordo com a Enciclopédia Britânica. Em 1865, o físico escocês James Clerk Maxwell demonstrou que a luz é uma onda com componentes elétricos e magnéticos e estabeleceu a velocidade da luz (186.000 milhas por segundo). Os cientistas supuseram que a luz deveria ser transmitida por algum meio, que eles chamaram de éter. (Agora sabemos que nenhum meio de transmissão é necessário e que a luz no espaço se move no vácuo.)

Vinte anos depois, um resultado inesperado colocou isso em questão. Físico A.A. Michelson e o químico Edward Morley (ambos americanos na época) calcularam como o movimento da Terra através desse "éter" afetava a forma como a velocidade da luz é medida e descobriram que a velocidade da luz é a mesma, não importa qual seja o movimento da Terra. Isso levou a mais reflexões sobre o comportamento da luz & mdash e sua incongruência com a mecânica clássica & mdash pelo físico austríaco Ernst Mach e o matemático francês Henri Poincare.

Einstein começou a pensar no comportamento da luz quando tinha apenas 16 anos, em 1895. Ele fez um experimento mental, disse a enciclopédia, em que cavalgava em uma onda de luz e olhava para outra onda de luz movendo-se paralelamente a ele.

A física clássica deveria dizer que a onda de luz que Einstein estava olhando teria uma velocidade relativa de zero, mas isso contradiz as equações de Maxwell que mostravam que a luz sempre tem a mesma velocidade: 186.000 milhas por segundo. Outro problema com as velocidades relativas é que elas mostrariam que as leis do eletromagnetismo mudam dependendo do seu ponto de vista, o que contradiz a física clássica também (que dizia que as leis da física eram as mesmas para todos).

Isso levou a eventuais reflexões de Einstein sobre a teoria da relatividade especial, que ele dividiu no exemplo cotidiano de uma pessoa ao lado de um trem em movimento, comparando observações com uma pessoa dentro do trem. Ele imaginou o trem em um ponto da linha igualmente entre duas árvores. Se um raio atingir ambas as árvores ao mesmo tempo, devido ao movimento do trem, a pessoa no trem verá o raio atingir uma árvore antes da outra. Mas a pessoa ao lado da pista veria golpes simultâneos.

"Einstein concluiu que simultaneidade são eventos relativos que são simultâneos para um observador e podem não ser para outro", afirma a enciclopédia. "Isso o levou à ideia contra-intuitiva de que o tempo flui de maneira diferente de acordo com o estado do movimento e à conclusão de que a distância também é relativa."


Luz

Se a luz fosse uma onda, supunha-se que a onda deveria ser transportada por algum meio, assim como as ondas sonoras são transportadas pelo ar e as ondas de água são transportadas pela água. De que outra forma o pico e o vale de duas ondas poderiam se aniquilar para produzir os padrões de interferência se a onda não fosse um deslocamento em algum meio? Esse meio era conhecido como éter luminífero (= portador de luz). A terra em movimento agora deveria estar se movendo por um meio que deve fluir além da terra, da mesma forma que a água flui por um barco em movimento no oceano.


Surgem problemas

No entanto, no início do século XX, os físicos começaram a notar discrepâncias entre a mecânica newtoniana e as transformações galileanas, e a teoria do eletromagnetismo proposta por James Clerk Maxwell em seu artigo de 1873, Um Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo. As transformações galileanas e a teoria do eletromagnetismo foram consideradas incompatíveis por duas razões. Primeiro, quando as equações de Maxwell e # 8217s, que descrevem o eletromagnetismo, foram submetidas a transformações galileanas, as equações produziram resultados absurdos. 3 Por exemplo, as equações de Maxwell e # 8217s mudaram de forma e não conseguiram continuar a descrever com precisão o comportamento eletromagnético. As divergências pareciam indicar que ou a teoria do comportamento eletromagnético estava errada ou que as transformações galileanas eram inadequadas para ondas eletromagnéticas. Em segundo lugar, as equações de Maxwell e # 8217s produzem matematicamente um valor para a velocidade das ondas eletromagnéticas, mais comumente chamadas de velocidade da luz: 186.000 milhas por segundo. Na época, pensava-se que as ondas eletromagnéticas, como todas as outras ondas, requerem um meio pelo qual se propaguem. De acordo com essas suposições, o movimento desse meio peculiar (chamado de éter) através do qual as ondas eletromagnéticas se propagam deve afetar a velocidade das ondas eletromagnéticas. No entanto, as equações de Maxwell e # 8217 não deram nenhuma indicação de que a velocidade da luz deveria mudar devido a uma mudança no referencial ou ao movimento de um meio. 4

Em 1887, a fim de investigar se a velocidade da luz muda ou não com o movimento do éter, os físicos Albert Michaelson e Edward Morley realizaram um experimento na Case Western Reserve University projetado para detectar o movimento do éter. 5 O experimento envolveu o disparo de pulsos de luz perpendiculares uns aos outros na mesma distância e medição se um pulso de luz percorreu a distância em menos tempo que o outro (Figura 2). Uma discrepância no tempo decorrido indicaria que o movimento do éter afetou a velocidade da luz que passou por ele. No entanto, em testes repetidos, Michelson e Morley não detectaram nenhuma diferença no tempo necessário para que os dois pulsos de luz cobrissem a mesma distância. 6 Os resultados do experimento Michelson-Morley indicam que não há éter e a velocidade da luz é invariante. Claramente, outra explicação era necessária.


Publicação da Teoria da Relatividade - História

Quando tinha 16 anos, Albert Einstein, tendo sido reprovado nos exames, tirou um ano sabático. Ele lia livros de filosofia, assistia a palestras em universidades e sonhava com experimentos mentais - é assim que ele se tornaria um gênio. Ele pensou em perseguir a luz.

Perseguir a luz é o tipo de experimento que os físicos teóricos realizam no laboratório mental. O adolescente Einstein se imaginou correndo atrás de um feixe de luz, e isso se tornou o começo de se fazer perguntas diabólicas - sobre a velocidade da luz, sobre o espaço e o tempo, sobre como a gravidade realmente trabalho. Isso foi cerca de uma década antes de E = mc 2.

Em 1905, Einstein publicou os quatro artigos que o mereceriam aclamação, incluindo a teoria da relatividade especial e aquele que contém a equação mais famosa do mundo. No entanto, algo o incomodava sobre a relatividade especial: era muito ... teórica. Provou a validade de todas as leis naturais, exceto uma: a lei da gravidade universal de Isaac Newton. Esta lei formou a base da física por 220 anos, então uma teoria do universo que não a levasse em consideração era, nas próprias palavras de Einstein, "insatisfatória".

Ele estava sentado em seu escritório alguns anos depois, olhando para os telhados do lado de fora da janela. “De repente, um pensamento me ocorreu”, ele recordaria. “Se um homem caísse livremente, não sentiria seu peso. Este simples experimento de pensamento causou uma profunda impressão em mim. ” Demorou mais oito anos para resolver o problema. Sua teoria geral da relatividade foi publicada em Annalen der Physik, o jornal de física alemão que publicou todos os seus artigos, em 20 de março de 1916.

Visão matemática do mundo

Eu sei o que você está pensando: telhados, vigas de luz - o que tudo isso significa? Boa pergunta! Como o próprio Einstein disse: “O importante é não parar de questionar”.

Os físicos usam a matemática para descrever o universo. Considere o teorema de Pitágoras (a 2 + b 2 = c 2). Use-o no triângulo ilustrado aqui, e você pode prever que c é de 5 cm. Em seguida, desenhe um triângulo para essas medidas e você verá que sua previsão estava certa. Faça os dois lados retos de qualquer comprimento e o teorema sempre, sempre dizer-lhe o comprimento do terceiro lado. Esse é o ponto principal - a beleza - da visão de mundo matemática.

É por isso que Einstein levava uma década a cada vez para formular suas duas teorias: elas tinham que prever medidas tão vastas quanto o cosmos, sem falar em conformidade com as teorias de pensadores anteriores, como Newton e Galileu. Bem, exceto quando sua teoria dizia que a de Newton estava obsoleta. A mecânica clássica precisava de uma atualização.

Durante dois séculos, a gravidade foi apresentada como uma força entre dois objetos, como a maçã e a Terra ou a Terra e o sol, viajando pelo espaço “vazio”. Mas de onde veio essa força misteriosa? A matemática newtoniana não explicava. Então, Einstein reinventou a gravidade.

Certos físicos falam sobre o espaço-tempo, não os dois separadamente, porque cada objeto ocupa tanto o tempo quanto o espaço. Considere a lua. O que vemos é sempre o que a coisa real era 1,25 segundo atrás, porque é quanto tempo a luz leva para nos alcançar a partir daí. Já que todos nós estamos viajando no tempo continuamente, do passado ao presente, estamos viajando pelo espaço sem parar também.

Isso fica mais estranho. Objetos astronômicos dobram essa multidimensionalidade como um cobertor ao redor de si. É por isso que a lua orbita a Terra, e a Terra orbita o Sol - como uma bola de gude ao redor de uma bola de boliche em um trampolim. Nosso mundo está disparando através da parte do espaço-tempo que envolve a massa mais densa do sistema e está nos levando para um passeio. Experimentamos esse movimento como gravidade.

Então, de acordo com a relatividade geral, um homem não cai porque a gravidade o puxa para o chão, mas porque a Terra está sempre viajando continuamente em um espaço-tempo curvo. Se fosse plano, o homem poderia flutuar no ar até chegar ao próximo telhado. Em vez disso, ele segue essa trajetória distorcida até que o solo a interrompa. A ilustração aproximada aqui (não desenhada em escala nenhuma) tenta mostrar instantâneos desse processo.

Maluco, eu sei ... mesmo que pudéssemos entender. Quando foi verificado pela primeira vez, três anos depois, até mesmo colegas cientistas tiveram que admitir que a teoria era inescrutável! Essa primeira verificação mostrou que até mesmo a luz de estrelas distantes se curva ao redor do sol enquanto viaja pelo universo para nos alcançar.

Com essa teoria, esse estupendo experimento mental apoiado por 10 equações de campo impenetráveis, Einstein previu vários fenômenos astrofísicos quando ninguém tinha os instrumentos para provar que existiam. Agora considere a recente palestra de Allan Adams no TED sobre uma descoberta feita no observatório LIGO em setembro de 2015. Os detectores do observatório captaram o som de ondas gravitacionais feitas por um par de buracos negros quando eles colidiram entre si em uma galáxia distante 1.3 bilhão anos atrás. As equações de Einstein calcularam que, quando estrelas moribundas colidem ou colidem, elas ondulam o espaço-tempo, criando ondas gravitacionais. As ondas ouvidas em LIGO ondularam pela Terra, finalmente anunciando sua existência para nós.

Os físicos estavam em êxtase e eu simplesmente não conseguia entender o porquê - até ler sobre a relatividade geral. Cem anos depois, a visão de mundo matemática de Einstein ainda está correta.


Como Albert Einstein desenvolveu a Teoria da Relatividade Geral

Em 1907, dois anos após a publicação de sua teoria da relatividade especial, Albert Einstein chegou a uma conclusão chave: a relatividade especial não podia ser aplicada à gravidade ou a um objeto em aceleração. Imagine alguém dentro de uma sala fechada sentado na Terra. Essa pessoa pode sentir o campo gravitacional da Terra. Agora coloque essa mesma sala no espaço, longe da influência gravitacional de qualquer objeto, e dê a ela uma aceleração de 9,8 metros por segundo (a mesma que a aceleração gravitacional da Terra). Não haveria como alguém dentro da sala distinguir se o que estava sentindo era gravidade ou apenas aceleração uniforme.

Einstein então se perguntou como a luz se comportaria na sala de aceleração. Se alguém direcionasse uma lanterna para o outro lado da sala, a luz pareceria inclinar-se para baixo. Isso aconteceria porque o piso da sala estaria chegando ao feixe de luz em uma velocidade cada vez mais rápida, de modo que o piso alcançaria a luz. Como a gravidade e a aceleração são equivalentes, a luz se dobraria em um campo gravitacional.

Encontrar a expressão matemática correta dessas idéias levou mais alguns anos para Einstein. Em 1912, o amigo de Einstein, o matemático Marcel Grossman, o apresentou à análise tensorial de Bernhard Riemann, Tullio Levi-Civita e Gregorio Ricci-Curbastro, o que lhe permitiu expressar as leis da física da mesma maneira em diferentes sistemas de coordenadas. Seguiram-se mais três anos de voltas erradas e trabalho árduo, mas em novembro de 1915 o trabalho estava concluído.

Em seus quatro artigos, publicados em novembro de 1915, Einstein lançou as bases da teoria. No terceiro em particular, ele usou a relatividade geral para explicar a precessão do periélio de Mercúrio. O ponto em que Mercúrio tem sua abordagem mais próxima do Sol, seu periélio, se move. Este movimento não pode ser explicado pela influência gravitacional do Sol e de outros planetas. Era um mistério tão grande que, no século 19, um novo planeta, Vulcano, orbitando perto do Sol, tivesse sido proposto. Nenhum planeta foi necessário. Einstein poderia calcular a mudança no periélio de Mercúrio a partir dos primeiros princípios.

No entanto, o verdadeiro teste de qualquer teoria é se ela pode prever algo que ainda não foi observado. A relatividade geral previu que a luz se curvaria em um campo gravitacional. Em 1919, expedições britânicas à África e América do Sul observaram um eclipse solar total para ver se a posição das estrelas perto do Sol havia mudado. O efeito observado foi exatamente o que Einstein havia previsto. Einstein instantaneamente se tornou mundialmente famoso. (Leia O eclipse solar que tornou Albert Einstein uma celebridade da ciência para mais informações.)


Einstein: Éter e Relatividade

Como é que, ao lado da ideia de matéria ponderável, que é derivada por abstração da vida cotidiana, os físicos colocam a ideia da existência de outro tipo de matéria, o éter? A explicação provavelmente deve ser buscada nos fenômenos que deram origem à teoria da ação à distância e nas propriedades da luz que conduziram à teoria ondulatória. Dediquemos um pouco à consideração desses dois assuntos.

Fora da física, não sabemos nada sobre ação à distância. Quando tentamos conectar causa e efeito nas experiências que os objetos naturais nos proporcionam, parece à primeira vista como se não houvesse outras ações mútuas além das de contato imediato, por exemplo, a comunicação do movimento por impacto, empurrar e puxar, aquecer ou induzir a combustão por meio de uma chama, etc. É verdade que mesmo na experiência cotidiana o peso, que em certo sentido é uma ação à distância, desempenha um papel muito importante. Mas, uma vez que na experiência diária o peso dos corpos nos encontra como algo constante, algo não ligado a qualquer causa que seja variável no tempo ou no lugar, não especulamos na vida cotidiana quanto à causa da gravidade e, portanto, não nos tornamos conscientes de seu caráter como ação à distância. Foi a teoria da gravitação de Newton que primeiro atribuiu uma causa para a gravidade, interpretando-a como uma ação à distância, proveniente de massas. A teoria de Newton é provavelmente o maior passo já feito no esforço em direção ao nexo causal dos fenômenos naturais. E, no entanto, essa teoria evocou uma sensação viva de desconforto entre os contemporâneos de Newton, porque parecia estar em conflito com o princípio que brotava do resto da experiência, de que só pode haver ação recíproca por meio do contato, e não por meio da ação imediata à distância.

É apenas com relutância que o desejo do homem por conhecimento suporta um dualismo desse tipo. Como a unidade deveria ser preservada em sua compreensão das forças da natureza? Quer por tentar ver as forças de contato como sendo elas próprias forças distantes que são reconhecidamente observáveis ​​apenas a uma distância muito pequena e esta foi a estrada que os seguidores de Newton, que estavam inteiramente sob o feitiço de sua doutrina, preferiram seguir ou assumindo que a ação newtoniana à distância é apenas uma ação aparentemente imediata à distância, mas na verdade é veiculada por um meio que permeia o espaço, seja por movimentos, seja por deformação elástica desse meio. Assim, o esforço em direção a uma visão unificada da natureza das forças leva à hipótese de um éter. Essa hipótese, com certeza, não trouxe consigo nenhum avanço na teoria da gravitação ou na física em geral, de modo que se tornou comum tratar a lei da força de Newton como um axioma não mais redutível. Mas a hipótese do éter sempre teve de desempenhar algum papel na ciência física, mesmo que a princípio apenas um papel latente.

Quando, na primeira metade do século XIX, foi revelada a semelhança de longo alcance que subsiste entre as propriedades da luz e as das ondas elásticas em corpos ponderáveis, a hipótese do éter encontrou novo suporte. Parecia fora de questão que a luz deve ser interpretada como um processo vibratório em um meio elástico e inerte que preenche o espaço universal. Também parecia ser uma conseqüência necessária do fato de a luz ser capaz de polarizar que esse meio, o éter, deva ser da natureza de um corpo sólido, porque ondas transversais não são possíveis em um fluido, mas apenas em um sólido. Assim, os físicos foram obrigados a chegar à teoria do éter luminífero "quase rígido", cujas partes não podem realizar nenhum movimento relativo entre si, exceto os pequenos movimentos de deformação que correspondem a ondas de luz.

Essa teoria - também chamada de teoria do éter luminífero estacionário - encontrou, além disso, um forte suporte em um experimento que também é de importância fundamental na teoria da relatividade especial, o experimento de Fizeau, do qual se foi obrigado a inferir que o éter luminífero não participa dos movimentos dos corpos. O fenômeno da aberração também favoreceu a teoria do éter quase rígido.

O desenvolvimento da teoria da eletricidade ao longo do caminho aberto por Maxwell e Lorentz deu ao desenvolvimento de nossas idéias sobre o éter uma virada bastante peculiar e inesperada. Para o próprio Maxwell, o éter de fato ainda tinha propriedades puramente mecânicas, embora de um tipo muito mais complicado do que as propriedades mecânicas de corpos sólidos tangíveis. Mas nem Maxwell nem seus seguidores conseguiram elaborar um modelo mecânico para o éter que pudesse fornecer uma interpretação mecânica satisfatória das leis de Maxwell do campo eletromagnético. As leis eram claras e simples, as interpretações mecânicas desajeitadas e contraditórias. Quase imperceptivelmente, os físicos teóricos se adaptaram a uma situação que, do ponto de vista de seu programa mecânico, era muito deprimente. Eles foram particularmente influenciados pelas investigações eletrodinâmicas de Heinrich Hertz. Pois enquanto eles haviam exigido de uma teoria conclusiva que ela deveria se contentar com os conceitos fundamentais que pertencem exclusivamente à mecânica (por exemplo, densidades, velocidades, deformações, tensões), eles gradualmente se acostumaram a admitir a força elétrica e magnética como conceitos fundamentais lado a lado com os da mecânica, sem exigir uma interpretação mecânica para eles. Assim, a visão puramente mecânica da natureza foi gradualmente abandonada. Mas essa mudança levou a um dualismo fundamental que, a longo prazo, era insuportável. Uma forma de escapar foi buscada na direção reversa, reduzindo os princípios da mecânica aos da eletricidade, e isso especialmente porque a confiança na validade estrita das equações da mecânica de Newton foi abalada pelos experimentos com raios b e cátodo rápido raios.

Esse dualismo ainda nos confronta de forma não extensa na teoria de Hertz, onde a matéria aparece não apenas como portadora de velocidades, energia cinética e pressões mecânicas, mas também como portadora de campos eletromagnéticos. Uma vez que tais campos também ocorrem in vacuo - isto é, no éter livre - o éter também aparece como portador de campos eletromagnéticos. O éter parece indistinguível em suas funções da matéria comum. Na matéria, ele participa do movimento da matéria e, no espaço vazio, tem em toda parte uma velocidade de modo que o éter tem uma velocidade definida em todo o espaço. Não há diferença fundamental entre o éter de Hertz e a matéria ponderável (que em parte subsiste no éter).

A teoria de Hertz não sofria apenas do defeito de atribuir à matéria e ao éter, por um lado, estados mecânicos e, por outro lado, estados elétricos, que não têm qualquer relação concebível entre si, mas também estava em desacordo com o resultado. do importante experimento de Fizeau sobre a velocidade de propagação da luz em fluidos em movimento, e com outros resultados experimentais estabelecidos.

Esse era o estado de coisas quando H A Lorentz entrou em cena. Ele harmonizou a teoria com a experiência por meio de uma maravilhosa simplificação dos princípios teóricos. Ele conseguiu esse, o mais importante avanço na teoria da eletricidade desde Maxwell, ao tirar do éter suas qualidades mecânicas e da matéria suas qualidades eletromagnéticas. Como no espaço vazio, também no interior dos corpos materiais, o éter, e não a matéria vista atomisticamente, era exclusivamente a sede dos campos eletromagnéticos. Segundo Lorentz, apenas as partículas elementares da matéria são capazes de realizar movimentos, sua atividade eletromagnética está inteiramente confinada ao transporte de cargas elétricas. Assim, Lorentz conseguiu reduzir todos os acontecimentos eletromagnéticos às equações de Maxwell para o espaço livre.

Quanto à natureza mecânica do éter lorentziano, pode-se dizer, com um espírito um tanto lúdico, que a imobilidade é a única propriedade mecânica de que não foi privado por H A. Lorentz. Pode-se acrescentar que toda a mudança na concepção do éter que a teoria da relatividade especial trouxe, consistiu em tirar do éter sua última qualidade mecânica, a saber, sua imobilidade. Como isso deve ser entendido, será explicado em seguida.

A próxima posição que era possível assumir diante desse estado de coisas parecia ser a seguinte. O éter não existe de forma alguma. Os campos eletromagnéticos não são estados de um meio, e não estão vinculados a nenhum portador, mas são realidades independentes que não são redutíveis a mais nada, exatamente como os átomos da matéria ponderável. Esta concepção se sugere tanto mais prontamente quanto, de acordo com a teoria de Lorentz, a radiação eletromagnética, como a matéria ponderável, traz consigo impulso e energia, e como, de acordo com a teoria da relatividade especial, tanto a matéria quanto a radiação são apenas formas especiais de energia distribuída , massa ponderável perdendo seu isolamento e aparecendo como uma forma especial de energia.

Uma reflexão mais cuidadosa nos ensina, entretanto, que a teoria da relatividade especial não nos obriga a negar o éter. Podemos presumir a existência de um éter, mas devemos desistir de atribuir a ele um estado de movimento definido, ou seja, devemos, por abstração, tirar dele a última característica mecânica que Lorentz ainda deixara. Veremos mais tarde que esse ponto de vista, cuja concebibilidade imediatamente tentarei tornar mais inteligível por meio de uma comparação um tanto hesitante, é justificado pelos resultados da teoria geral da relatividade.

Pense nas ondas na superfície da água. Aqui podemos descrever duas coisas totalmente diferentes. Podemos observar como a superfície ondulante que forma a fronteira entre a água e o ar se altera com o passar do tempo ou então - com a ajuda de pequenos flutuadores, por exemplo - podemos observar como a posição das partículas separadas de água se altera no curso de tempo. Se a existência de tais flutuadores para rastrear o movimento das partículas de um fluido fosse uma impossibilidade fundamental na física - se, de fato, nada mais fosse observável do que a forma do espaço ocupado pela água conforme ela varia no tempo, deveríamos não têm fundamento para supor que a água consiste em partículas móveis. Mas, mesmo assim, podemos caracterizá-lo como um médium.

Temos algo assim no campo eletromagnético. Pois podemos imaginar o campo como consistindo em linhas de força. If we wish to interpret these lines of force to ourselves as something material in the ordinary sense, we are tempted to interpret the dynamic processes as motions of these lines of force, such that each separate line of force is tracked through the course of time. It is well known, however, that this way of regarding the electromagnetic field leads to contradictions.

Generalising we must say this:- There may be supposed to be extended physical objects to which the idea of motion cannot be applied. They may not be thought of as consisting of particles which allow themselves to be separately tracked through time. In Minkowski's idiom this is expressed as follows:- Not every extended conformation in the four-dimensional world can be regarded as composed of world-threads. The special theory of relativity forbids us to assume the ether to consist of particles observable through time, but the hypothesis of ether in itself is not in conflict with the special theory of relativity. Only we must be on our guard against ascribing a state of motion to the ether.

Certainly, from the standpoint of the special theory of relativity, the ether hypothesis appears at first to be an empty hypothesis. In the equations of the electromagnetic field there occur, in addition to the densities of the electric charge, only the intensities of the field. The career of electromagnetic processes in vacuo appears to be completely determined by these equations, uninfluenced by other physical quantities. The electromagnetic fields appear as ultimate, irreducible realities, and at first it seems superfluous to postulate a homogeneous, isotropic ether-medium, and to envisage electromagnetic fields as states of this medium.

But on the other hand there is a weighty argument to be adduced in favour of the ether hypothesis. To deny the ether is ultimately to assume that empty space has no physical qualities whatever. The fundamental facts of mechanics do not harmonize with this view. For the mechanical behaviour of a corporeal system hovering freely in empty space depends not only on relative positions ( distances ) and relative velocities, but also on its state of rotation, which physically may be taken as a characteristic not appertaining to the system in itself. In order to be able to look upon the rotation of the system, at least formally, as something real, Newton objectivises space. Since he classes his absolute space together with real things, for him rotation relative to an absolute space is also something real. Newton might no less well have called his absolute space "Ether" what is essential is merely that besides observable objects, another thing, which is not perceptible, must be looked upon as real, to enable acceleration or rotation to be looked upon as something real.

It is true that Mach tried to avoid having to accept as real something which is not observable by endeavouring to substitute in mechanics a mean acceleration with reference to the totality of the masses in the universe in place of an acceleration with reference to absolute space. But inertial resistance opposed to relative acceleration of distant masses presupposes action at a distance and as the modern physicist does not believe that he may accept this action at a distance, he comes back once more, if he follows Mach, to the ether, which has to serve as medium for the effects of inertia. But this conception of the ether to which we are led by Mach's way of thinking differs essentially from the ether as conceived by Newton, by Fresnel, and by Lorentz. Mach's ether not only conditions the behaviour of inert masses, but is also conditioned in its state by them.

Mach's idea finds its full development in the ether of the general theory of relativity. According to this theory the metrical qualities of the continuum of space-time differ in the environment of different points of space-time, and are partly conditioned by the matter existing outside of the territory under consideration. This space-time variability of the reciprocal relations of the standards of space and time, or, perhaps, the recognition of the fact that "empty space" in its physical relation is neither homogeneous nor isotropic, compelling us to describe its state by ten functions ( the gravitation potentials g m n g_ g m n ​ ) , has, I think, finally disposed of the view that space is physically empty. But therewith the conception of the ether has again acquired an intelligible content although this content differs widely from that of the ether of the mechanical undulatory theory of light. The ether of the general theory of relativity is a medium which is itself devoid of all mechanical and kinematical qualities, but helps to determine mechanical ( and electromagnetic ) events.

What is fundamentally new in the ether of the general theory of relativity as opposed to the ether of Lorentz consists in this, that the state of the former is at every place determined by connections with the matter and the state of the ether in neighbouring places, which are amenable to law in the form of differential equations whereas the state of the Lorentzian ether in the absence of electromagnetic fields is conditioned by nothing outside itself, and is everywhere the same. The ether of the general theory of relativity is transmuted conceptually into the ether of Lorentz if we substitute constants for the functions of space which describe the former, disregarding the causes which condition its state. Thus we may also say, I think, that the ether of the general theory of relativity is the outcome of the Lorentzian ether, through relativation.

As to the part which the new ether is to play in the physics of the future we are not yet clear. We know that it determines the metrical relations in the space-time continuum, e.g. the configurative possibilities of solid bodies as well as the gravitational fields but we do not know whether it has an essential share in the structure of the electrical elementary particles constituting matter. Nor do we know whether it is only in the proximity of ponderable masses that its structure differs essentially from that of the Lorentzian ether whether the geometry of spaces of cosmic extent is approximately Euclidean. But we can assert by reason of the relativistic equations of gravitation that there must be a departure from Euclidean relations, with spaces of cosmic order of magnitude, if there exists a positive mean density, no matter how small, of the matter in the universe.

In this case the universe must of necessity be spatially unbounded and of finite magnitude, its magnitude being determined by the value of that mean density.

If we consider the gravitational field and the electromagnetic field from the standpoint of the ether hypothesis, we find a remarkable difference between the two. There can be no space nor any part of space without gravitational potentials for these confer upon space its metrical qualities, without which it cannot be imagined at all. The existence of the gravitational field is inseparably bound up with the existence of space. On the other hand a part of space may very well be imagined without an electromagnetic field thus in contrast with the gravitational field, the electromagnetic field seems to be only secondarily linked to the ether, the formal nature of the electromagnetic field being as yet in no way determined by that of gravitational ether. From the present state of theory it looks as if the electromagnetic field, as opposed to the gravitational field, rests upon an entirely new formal motif, as though nature might just as well have endowed the gravitational ether with fields of quite another type, for example, with fields of a scalar potential, instead of fields of the electromagnetic type.

Since according to our present conceptions the elementary particles of matter are also, in their essence, nothing else than condensations of the electromagnetic field, our present view of the universe presents two realities which are completely separated from each other conceptually, although connected causally, namely, gravitational ether and electromagnetic field, or - as they might also be called - space and matter.

Of course it would be a great advance if we could succeed in comprehending the gravitational field and the electromagnetic field together as one unified conformation. Then for the first time the epoch of theoretical physics founded by Faraday and Maxwell would reach a satisfactory conclusion. The contrast between ether and matter would fade away, and, through the general theory of relativity, the whole of physics would become a complete system of thought, like geometry, kinematics, and the theory of gravitation. An exceedingly ingenious attempt in this direction has been made by the mathematician H Weyl but I do not believe that his theory will hold its ground in relation to reality. Further, in contemplating the immediate future of theoretical physics we ought not unconditionally to reject the possibility that the facts comprised in the quantum theory may set bounds to the field theory beyond which it cannot pass.

Recapitulating, we may say that according to the general theory of relativity space is endowed with physical qualities in this sense, therefore, there exists an ether. According to the general theory of relativity space without ether is unthinkable for in such space there not only would be no propagation of light, but also no possibility of existence for standards of space and time ( measuring-rods and clocks ) , nor therefore any space-time intervals in the physical sense. But this ether may not be thought of as endowed with the quality characteristic of ponderable media, as consisting of parts which may be tracked through time. The idea of motion may not be applied to it.


General relativity

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General relativity, part of the wide-ranging physical theory of relativity formed by the German-born physicist Albert Einstein. It was conceived by Einstein in 1916. General relativity is concerned with gravity, one of the fundamental forces in the universe. Gravity defines macroscopic behaviour, and so general relativity describes large-scale physical phenomena.

General relativity follows from Einstein’s principle of equivalence: on a local scale it is impossible to distinguish between physical effects due to gravity and those due to acceleration. Gravity is treated as a geometric phenomenon that arises from the curvature of space-time. The solution of the field equations that describe general relativity can yield answers to different physical situations, such as planetary dynamics, the birth and death of stars, black holes, and the evolution of the universe. General relativity has been experimentally verified by observations of gravitational lenses, the orbit of the planet Mercury, the dilation of time in Earth’s gravitational field, and gravitational waves from merging black holes. (For a more detailed treatment of general relativity, see relativity: General relativity.)

This article was most recently revised and updated by Erik Gregersen, Senior Editor.


When testing Einstein's theory of general relativity, small modeling errors add up fast

Small modeling errors may accumulate faster than previously expected when physicists combine multiple gravitational wave events (such as colliding black holes) to test Albert Einstein's theory of general relativity, suggest researchers at the University of Birmingham in the United Kingdom. The findings, published June 16 in the journal iScience, suggest that catalogs with as few as 10 to 30 events with a signal-to-background noise ratio of 20 (which is typical for events used in this type of test) could provide misleading deviations from general relativity, erroneously pointing to new physics where none exists. Because this is close to the size of current catalogs used to assess Einstein's theory, the authors conclude that physicists should proceed with caution when performing such experiments.

"Testing general relativity with catalogs of gravitational wave events is a very new area of research," says Christopher J. Moore, a lecturer at the School of Physics and Astronomy & Institute for Gravitational Wave Astronomy at the University of Birmingham in the United Kingdom and the lead author of the study. "This is one of the first studies to look in detail at the importance of theoretical model errors in this new type of test. While it is well known that errors in theoretical models need to be treated carefully when you are trying to test a theory, we were surprised by how quickly small model errors can accumulate when you start combining events together in catalogs."

In 1916, Einstein published his theory of general relativity, which explains how massive celestial objects warp the interconnected fabric of space and time, resulting in gravity. The theory predicts that violent outer space incidents such as black hole collisions disrupt space-time so severely that they produce ripples called gravitational waves, which zoom through space at the speed of light. Instruments such as LIGO and Virgo have now detected gravitational wave signals from dozens of merging black holes, which researchers have been using to put Einstein's theory to the test. So far, it has always passed. To push the theory even further, physicists are now testing it on catalogs of multiple grouped gravitational wave events.

"When I got interested in gravitational wave research, one of the main attractions was the possibility to do new and more stringent tests of general relativity," says Riccardo Buscicchio, a Ph.D. student at the School of Physics and Astronomy & Institute for Gravitational Wave Astronomy and a co-author of the study. "The theory is fantastic and has already passed a hugely impressive array of other tests. But we know from other areas of physics that it can't be completely correct. Trying to find exactly where it fails is one of the most important questions in physics."

However, while larger gravitational wave catalogs could bring scientists closer to the answer in the near future, they also amplify the potential for errors. Since waveform models inevitably involve some approximations, simplifications, and modeling errors, models with a high degree of accuracy for individual events could prove misleading when applied to large catalogs.

To determine how waveform errors grow as catalog size increases, Moore and colleagues used simplified, linearized mock catalogs to perform large numbers of test calculations, which involved drawing signal-to-noise ratios, mismatch, and model error alignment angles for each gravitational wave event. The researchers found that the rate at which modeling errors accumulate depends on whether or not modeling errors tend to average out across many different catalog events, whether deviations have the same value for each event, and the distribution of waveform modeling errors across events.

"The next step will be for us to find ways to target these specific cases using more realistic but also more computationally expensive models," says Moore. "If we are ever to have confidence in the results of such tests, we must first have as a good an understanding as possible of the errors in our models."


Assista o vídeo: Teoria da Relatividade de Albert Einstein (Pode 2022).