Teoria geral e especial da relatividade. Teoria especial da relatividade

A teoria da relatividade especial (STR) ou teoria da relatividade parcial é uma teoria de Albert Einstein, publicada em 1905 na obra “Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento” (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Página 891-921 junho de 1905).

Explicava o movimento entre diferentes referenciais inerciais ou o movimento de corpos movendo-se uns em relação aos outros com velocidade constante. Neste caso, nenhum dos objetos deve ser tomado como sistema de referência, mas devem ser considerados relativos entre si. O SRT fornece apenas 1 caso em que 2 corpos não mudam a direção do movimento e se movem uniformemente.

As leis do SRT deixam de ser aplicáveis ​​quando um dos corpos muda sua trajetória ou aumenta sua velocidade. Aqui ocorre a teoria da relatividade geral (GTR), dando uma interpretação geral do movimento dos objetos.

Dois postulados nos quais a teoria da relatividade se baseia:

1. O princípio da relatividade- Segundo ele, em todos os sistemas de referência existentes, que se movem em relação uns aos outros a uma velocidade constante e não mudam de direção, aplicam-se as mesmas leis.
2. O princípio da velocidade da luz- A velocidade da luz é a mesma para todos os observadores e não depende da velocidade do seu movimento. Esta é a velocidade mais alta e nada na natureza tem velocidade maior. A velocidade da luz é 3*10^8 m/s.

Albert Einstein usou dados experimentais em vez de teóricos como base. Este foi um dos componentes de seu sucesso. Novos dados experimentais serviram de base para a criação de uma nova teoria.

Desde meados do século XIX, os físicos têm procurado um novo meio misterioso chamado éter. Acreditava-se que o éter pode passar por todos os objetos, mas não participa de seu movimento. Segundo as crenças sobre o éter, ao alterar a velocidade do observador em relação ao éter, a velocidade da luz também muda.

Einstein, confiando nos experimentos, rejeitou o conceito de um novo meio éter e assumiu que a velocidade da luz é sempre constante e não depende de nenhuma circunstância, como a velocidade da própria pessoa.

Intervalos de tempo, distâncias e sua uniformidade

A teoria da relatividade especial liga tempo e espaço. No Universo Material existem 3 conhecidos no espaço: direita e esquerda, para frente e para trás, para cima e para baixo. Se adicionarmos a eles outra dimensão, chamada tempo, esta formará a base do continuum espaço-tempo.

Se você estiver se movendo em velocidade lenta, suas observações não convergirão com as pessoas que estão se movendo mais rápido.

Experimentos posteriores confirmaram que o espaço, assim como o tempo, não pode ser percebido da mesma forma: nossa percepção depende da velocidade de movimento dos objetos.

Conectando energia com massa

Einstein criou uma fórmula que combinava energia com massa. Esta fórmula é amplamente utilizada em física e é familiar a todos os estudantes: E=m*c², em que E-energia; m - massa corporal, c - velocidade propagação da luz.

A massa de um corpo aumenta proporcionalmente ao aumento da velocidade da luz. Se você atingir a velocidade da luz, a massa e a energia de um corpo tornam-se adimensionais.

Ao aumentar a massa de um objeto, torna-se mais difícil conseguir um aumento em sua velocidade, ou seja, para um corpo com uma massa material infinitamente grande, é necessária energia infinita. Mas na realidade isso é impossível de conseguir.

A teoria de Einstein combinou duas disposições distintas: a posição da massa e a posição da energia em uma lei geral. Isso possibilitou converter energia em massa material e vice-versa.

O trabalho de Newton é um exemplo de uma grande revolução científica, uma mudança radical em quase todas as ideias científicas nas ciências naturais. Desde a época de Newton, o paradigma da física clássica surgiu e se tornou o principal e definidor sistema de pontos de vista da ciência por quase 250 anos.

Os seguidores de Newton começaram a refinar significativamente as constantes que ele descobriu. Gradualmente, escolas científicas começaram a se formar, métodos de observação e análise e classificação de vários fenômenos naturais foram estabelecidos. Instrumentos e equipamentos científicos passaram a ser produzidos em fábrica. Os periódicos começaram a ser publicados em muitos ramos das ciências naturais. A ciência se tornou o ramo mais importante da atividade humana.

Assim, a mecânica e a cosmologia newtonianas estabeleceram-se como base de uma nova visão de mundo, substituindo o ensino de Aristóteles e as construções escolásticas medievais que dominaram por mais de mil anos.

No entanto, no final do século XIX, começaram a aparecer factos que contradiziam o paradigma dominante. E as principais inconsistências foram novamente observadas na física, a ciência com desenvolvimento mais dinâmico na época.

Um exemplo clássico desta situação é a afirmação de Lord Kelvin (William Thomson), que no final do século XIX observou que “no céu claro e brilhante da física clássica daqueles anos havia apenas duas pequenas nuvens”. Um deles está associado ao resultado negativo do experimento de Michelson para determinar a velocidade absoluta da Terra, o outro está associado à contradição entre dados teóricos e experimentais sobre a distribuição de energia no espectro de um corpo negro absoluto.

Kelvin mostrou uma visão extraordinária. Esses problemas não resolvidos levaram ao surgimento da teoria da relatividade e da teoria quântica de Einstein, que formaram a base de um novo paradigma das ciências naturais.

Também pode ser notado que o uso da física newtoniana clássica não permitiu calcular com precisão a órbita de Mercúrio, e as equações da eletrodinâmica de Maxwell não correspondiam às leis clássicas do movimento.

O pré-requisito para a criação da teoria da relatividade foram justamente as contradições já mencionadas. A sua resolução tornou-se possível com a introdução de uma nova abordagem relativista nas ciências naturais.

O que normalmente não é claramente compreendido é o facto de o desejo geral de uma abordagem relativa (ou relativista) das leis físicas ter começado a aparecer numa fase muito precoce do desenvolvimento da ciência moderna. Começando com Aristóteles, os cientistas consideraram a Terra o ponto central do espaço, e o momento inicial do tempo foi considerado o impulso inicial que colocou a matéria primitiva em movimento. As ideias de Aristóteles foram aceitas como absolutas na consciência medieval, mas no final do século XV já haviam entrado em conflito com os fenômenos naturais observados. Especialmente muitas inconsistências se acumularam na astronomia.

A primeira tentativa séria de resolver as contradições foi feita por Copérnico, simplesmente aceitando que os planetas se movem em torno do Sol, e não em torno da Terra. Ou seja, pela primeira vez ele retirou a Terra do centro do Universo e privou o espaço de seu ponto de partida. Este foi, de facto, o início de uma reestruturação decisiva de todo o pensamento humano. Embora Copérnico tenha colocado o Sol neste centro, ele ainda deu um grande passo para garantir que mais tarde as pessoas percebessem que mesmo o Sol poderia ser apenas uma entre muitas estrelas e que nenhum centro poderia ser encontrado. Então, naturalmente, surgiu um pensamento semelhante sobre o tempo, e o Universo passou a ser visto como infinito e eterno, sem nenhum momento de criação e sem nenhum “fim” para o qual se move.

É esta transição que leva à origem da teoria da relatividade. Como não existem posições privilegiadas no espaço e momentos privilegiados no tempo, então as leis físicas podem ser igualmente aplicadas a qualquer ponto tomado como centro, e delas resultarão as mesmas conclusões. A este respeito, a situação é fundamentalmente diferente daquela que ocorre na teoria de Aristóteles, onde, por exemplo, foi atribuído ao centro da Terra um papel especial como o ponto para onde tende toda a matéria. A tendência à relativização refletiu-se mais tarde nas leis de Galileu e Newton

Galileu expressou a ideia de que o movimento é de natureza relativa. Ou seja, o movimento uniforme e retilíneo dos corpos só pode ser determinado em relação a um objeto que não participa de tal movimento.

Imaginemos mentalmente que um trem passa por outro em velocidade constante e sem solavancos. Além disso, as cortinas estão fechadas e nada é visível. Os passageiros podem saber qual trem está em movimento e qual está parado? Eles só podem observar o movimento relativo. Esta é a ideia principal do princípio clássico da relatividade.

A descoberta do princípio da relatividade do movimento é uma das maiores descobertas. Sem ele, o desenvolvimento da física teria sido impossível. De acordo com a hipótese de Galileu, o movimento inercial e o repouso são indistinguíveis nos seus efeitos sobre os corpos materiais. Para passar à descrição dos eventos em um referencial móvel, foi necessário realizar transformações de coordenadas, chamadas "Transformações de Galileu", em homenagem ao seu autor.

Tomemos, por exemplo, algum sistema de coordenadas X, associado a um sistema de referência fixo. Vamos agora imaginar um objeto movendo-se ao longo do eixo X em velocidade constante v. Coordenadas X " , t"tomados em relação a este objeto são então determinados pela transformação galileana

x" = x - ut
você" = você
z" = z
t" = t

Particularmente digna de nota é a terceira equação ( t" = t) segundo o qual a frequência do clock não depende do movimento relativo. A mesma lei se aplica tanto no antigo como no novo quadro de referência. Este é o princípio limitado da relatividade. Dizemos isto porque as leis da mecânica são expressas pelas mesmas relações em todos os sistemas de referência interligados por transformações galileanas.

Segundo Newton, que desenvolveu a ideia de Galileu sobre a relatividade do movimento, todos os experimentos físicos realizados em um laboratório que se move de maneira uniforme e retilínea (um referencial inercial) darão o mesmo resultado como se estivesse em repouso.

Como mencionado anteriormente, apesar dos sucessos da física clássica daqueles anos, acumularam-se alguns fatos que a contradizem.

Estes novos dados, descobertos no século XIX, levaram ao conceito relativista de Einstein.

A revolução na física começou com a descoberta de Roemer. Descobriu-se que a velocidade da luz é finita e igual a aproximadamente 300.000 km/s. Bradry então descobriu o fenômeno da aberração estelar. Com base nessas descobertas, foi estabelecido que a velocidade da luz no vácuo é constante e não depende do movimento da fonte e do receptor.

A velocidade colossal, mas ainda não infinita, da luz no vazio levou a um conflito com o princípio da relatividade do movimento. Vamos imaginar um trem se movendo a uma velocidade enorme - 240.000 quilômetros por segundo. Estejamos na frente do trem e uma lâmpada se acenda na cauda. Vamos pensar sobre quais poderiam ser os resultados da medição do tempo que a luz leva para viajar de uma extremidade à outra do trem.

Desta vez, ao que parece, será diferente daquela que embarcamos num trem em repouso. Na verdade, em relação a um comboio que se desloca a uma velocidade de 240.000 quilómetros por segundo, a luz teria uma velocidade (para a frente ao longo do comboio) de apenas 300.000 - 240.000 = 60.000 quilómetros por segundo. A luz parece estar alcançando a parede frontal do carro principal que foge dela. Se você colocar uma lâmpada na cabeceira de um trem e medir o tempo que a luz leva para chegar ao último vagão, então pareceria que a velocidade da luz na direção oposta ao movimento do trem deveria ser 240.000 + 300.000 = 540.000 quilômetros por segundo (o carro leve e o carro traseiro se movem um em direção ao outro).

Assim, verifica-se que num comboio em movimento, a luz teria de se espalhar em direções diferentes a velocidades diferentes, enquanto num comboio parado esta velocidade é a mesma em ambas as direções.

É por esta razão que, nas transformações de Galileu, as equações de Maxwell para o campo eletromagnético não possuem forma invariante. Eles descrevem a propagação da luz e de outros tipos de radiação eletromagnética com velocidades iguais à velocidade da luz C. Para resolver a contradição no âmbito da física clássica, foi necessário encontrar um referencial privilegiado no qual as equações de Maxwell seriam exatamente satisfeito, e a velocidade da luz seria igual a C em todas as direções. Portanto, os físicos do século XIX postularam a existência de um éter, cujo papel se reduzia, na verdade, à criação de uma base física para um quadro de referência tão privilegiado.

Experimentos foram realizados para determinar a velocidade do movimento da Terra através do éter (como o experimento de Michelson-Morley). Para fazer isso, um feixe de luz de uma fonte, passando por um prisma, foi dividido na direção do movimento da Terra e perpendicular a ela. Segundo as ideias, se as velocidades forem iguais, os dois feixes chegarão ao prisma ao mesmo tempo e a intensidade da luz aumentará. Se as velocidades forem diferentes, a intensidade da luz enfraquecerá. O resultado do experimento foi zero; foi impossível determinar a velocidade da Terra em relação ao éter.

Quando os experimentos não confirmaram as previsões da teoria simples do éter sobre as propriedades deste sistema de referência, H. Lorentz, novamente com o objetivo de salvar a física clássica, propôs uma nova teoria que explicava os resultados negativos de tais experimentos como um consequência das mudanças que ocorrem nos instrumentos de medição quando eles se movem em relação ao éter. Ele explicou a discrepância entre os resultados da observação e as leis de Newton pelas mudanças que ocorrem com os instrumentos quando se movem a velocidades próximas de C.

Lorentz sugeriu que ao se mover em velocidades próximas à velocidade da luz, as transformações galileanas não podem ser utilizadas, pois não levam em consideração o efeito das altas velocidades. Suas transformações, para velocidades próximas à velocidade da luz, são chamadas de “transformações de Lorentz”. As transformações Galileanas são um caso especial das transformações de Lorentz para sistemas com baixas velocidades.

As transformações de Lorentz têm a forma:

De acordo com as transformações de Lorentz, as grandezas físicas - a massa de um corpo, seu comprimento na direção do movimento e o tempo dependem das velocidades de movimento dos corpos de acordo com as seguintes relações:

	Onde M- massa corporal	O significado dessas transformações de Lorentz diz: aumento do peso corporal em velocidades próximas à luz redução no comprimento do corpo ao se mover em uma direção que coincide com o vetor velocidade aumentando o tempo entre dois eventos ou diminuindo o tempo
	Onde eu- comprimento do corpo
	Onde ∆t – intervalo de tempo entre dois eventos

Tentando encontrar o significado físico dos padrões descobertos por Lorentz, podemos supor que na direção x, coincidindo com o vetor velocidade, todos os corpos são comprimidos, e quanto mais forte, maior é a velocidade de seu movimento. Ou seja, os corpos sofrem contração devido ao achatamento das órbitas dos elétrons. Quando as velocidades subluz são atingidas, podemos falar sobre a dilatação do tempo em um sistema em movimento. O conhecido paradoxo dos gêmeos baseia-se neste princípio. Se um dos gêmeos fizer uma viagem espacial por um período de cinco anos em uma nave em velocidade abaixo da luz, ele retornará à Terra quando seu irmão gêmeo já for uma pessoa muito idosa. O efeito do aumento da massa em um objeto que se move a velocidades próximas à velocidade da luz pode ser explicado pelo aumento da energia cinética de um corpo em movimento rápido. De acordo com as ideias de Einstein sobre a identidade de massa e energia, parte da energia cinética de um corpo é convertida em sua massa durante o movimento.

Se aplicarmos as transformações de Lorentz às equações da eletrodinâmica de Maxwell, verifica-se que elas são invariantes sob tais transformações.

Einstein usou as transformações de Lorentz para desenvolver sua teoria da relatividade.

Um pré-requisito importante para a criação da teoria da relatividade foram novas ideias sobre as propriedades do espaço e do tempo.

Na consciência comum, o tempo consiste em uma coordenação natural objetivamente existente de fenômenos sucessivos. As características espaciais são as posições de alguns corpos em relação a outros e as distâncias entre eles.

No sistema teórico de Newton, o primeiro conceito científico de tempo como uma entidade objetiva e independente foi claramente formulado - o conceito substancial de tempo. Este conceito origina-se dos antigos atomistas e floresce na doutrina de Newton sobre espaço e tempo absolutos. Depois de Newton, foi esse conceito que liderou a física até o início do século XX. Newton adotou uma abordagem dupla para definir tempo e espaço. De acordo com esta abordagem, existe tempo absoluto e relativo.

O tempo absoluto, verdadeiro e matemático em si, sem qualquer relação com nada externo, flui uniformemente e é chamado de duração.

O tempo relativo, aparente ou comum é uma medida de duração usada na vida cotidiana em vez do tempo matemático - é uma hora, mês, ano, etc.

O tempo absoluto não pode ser alterado em seu fluxo.

No nível cotidiano, é possível um sistema para contar longos períodos de tempo. Se prevê a ordem de contagem dos dias de um ano e a época está indicada nele, então é um calendário.

O conceito relacional de tempo é tão antigo quanto o conceito substancial. Foi desenvolvido nas obras de Platão e Aristóteles. Aristóteles foi o primeiro a dar uma ideia detalhada deste conceito de tempo na sua Física. Neste conceito, o tempo não é algo que existe independentemente, mas é algo derivado de uma entidade mais fundamental. Para Platão, o tempo foi criado por Deus, para Aristóteles é o resultado do movimento material objetivo. Na filosofia dos tempos modernos, começando com Descartes e terminando com os positivistas do século XIX, o tempo é uma propriedade ou relação que expressa vários aspectos da atividade da consciência humana.

O problema do espaço, examinado mais de perto, também se revela difícil. O espaço é uma forma logicamente concebível que serve como um meio no qual existem outras formas e certas estruturas. Por exemplo, na geometria elementar, um plano é um espaço que serve como meio onde são construídas várias figuras, mas planas.

Na mecânica clássica de Newton, o espaço absoluto, pela sua própria essência, independentemente de qualquer coisa externa, permanece sempre o mesmo e imóvel. Atua como um análogo do vazio de Demócrito e é a arena da dinâmica dos objetos físicos.

A ideia de espaço isotrópico de Aristóteles partiu da homogeneidade e da infinidade do espaço de Demócrito. Segundo Aristóteles e seus seguidores, o espaço adquiriu um centro - a Terra, com esferas girando em torno dela, com a esfera celeste de estrelas mais distante servindo como limite do espaço mundial final. Aristóteles rejeita o infinito do espaço, mas adere ao conceito de tempo infinito. Esse conceito se expressa em sua ideia do espaço esférico do Universo, que, embora limitado, não é finito.

O espaço newtoniano clássico baseia-se na ideia de sua homogeneidade. Esta é a ideia básica da física clássica, desenvolvida de forma consistente nas obras de Copérnico, Bruno, Galileu e Descartes. Bruno já abandonou a ideia de centro do Universo e o declarou infinito e homogêneo. Essa ideia foi concluída com Newton. Em um espaço homogêneo, muda a ideia de movimento absoluto, ou seja, o corpo nele contido se move por inércia. As forças inerciais não surgem na ausência de aceleração. O significado do movimento retilíneo e uniforme se resume a uma mudança na distância entre um determinado corpo e um corpo de referência escolhido arbitrariamente. O movimento retilíneo e uniforme é relativo.

Historicamente, o primeiro e mais importante espaço matemático é o espaço euclidiano plano, que representa uma imagem abstrata do espaço real. As propriedades deste espaço são descritas usando 5 postulados principais e 9 axiomas. Havia um ponto fraco na geometria de Euclides, o chamado quinto postulado sobre linhas paralelas que não se cruzam. Os matemáticos dos tempos antigos e modernos tentaram, sem sucesso, provar esta posição. Nos séculos XVIII e XIX, D. Saccheri, Lambert e A. Legendre tentaram resolver este problema. Tentativas malsucedidas de provar o 5º postulado trouxeram grandes benefícios. Os matemáticos seguiram o caminho de modificar os conceitos da geometria do espaço euclidiano. A modificação mais séria foi introduzida na primeira metade do século XIX por N. I. Lobachevsky (1792 - 1856).

Ele chegou à conclusão de que em vez do axioma de duas retas paralelas, pode-se propor uma hipótese diretamente oposta e, com base nela, criar uma geometria consistente. Nesta nova geometria, algumas afirmações pareciam estranhas e até paradoxais. Por exemplo, o axioma euclidiano diz: num plano, através de um ponto que não pertence a uma determinada reta, uma e apenas uma reta pode ser traçada paralela à primeira. Na geometria de Lobachevsky este axioma é substituído pelo seguinte: em um plano, através de um ponto que não pertence a uma determinada linha, pode-se traçar mais de uma linha reta que não cruze a dada. Nesta geometria, a soma dos ângulos de um triângulo é menor que duas linhas retas, etc. Mas, apesar do paradoxo externo, logicamente estas afirmações são completamente iguais às euclidianas. Eles mudaram radicalmente as ideias sobre a natureza do espaço. Quase simultaneamente com Lobachevsky, o matemático húngaro J. Bolyai e o famoso matemático K. Gauss chegaram a conclusões semelhantes. Os contemporâneos dos cientistas eram céticos em relação à geometria não euclidiana, considerando-a pura fantasia. Porém, o matemático romano E. Beltrami encontrou um modelo para a geometria não euclidiana, que é a pseudoesfera:

Figura 1. Pseudoesfera

O próximo grande passo na compreensão da natureza do espaço foi dado por B. Riemann (1826 - 1866). Tendo se formado na Universidade de Göttingen em 1851, já em 1854 (28 anos) apresentou um relatório “Sobre as hipóteses subjacentes à geometria”, onde deu uma ideia geral do espaço matemático, em que as geometrias de Euclides e Lobachevsky foram casos especiais. No espaço de Riemann n-dimensional, todas as linhas são divididas em segmentos elementares, cujo estado é determinado pelo coeficiente g. Se o coeficiente for 0, então todas as retas deste segmento são retas - os postulados de Euclides funcionam. Em outros casos, o espaço será curvo. Se a curvatura for positiva, então o espaço é denominado esférico Riemanniano. Se negativo, é um espaço pseudoesférico de Lobachevsky. Assim, em meados do século XIX, o lugar do espaço euclidiano tridimensional plano foi ocupado pelo espaço curvo multidimensional. Os conceitos do espaço Riemanniano serviram, em última análise, como um dos principais pré-requisitos para a criação da teoria geral da relatividade por Einstein.

Fig 2 Espaço esférico Riemanniano

A preparação final do contexto geométrico-espacial da teoria da relatividade foi dada pelo professor imediato de Einstein, G. Minkowski (1864 - 1909), que formulou a ideia de continuum espaço-tempo quadridimensional, unificando o espaço e o tempo tridimensionais físicos. Ele esteve ativamente envolvido na eletrodinâmica de meios em movimento com base na teoria eletrônica e no princípio da relatividade. As equações que ele obteve, mais tarde chamadas de equações de Minkowski, são um pouco diferentes das equações de Lorentz, mas são consistentes com os fatos experimentais. Eles constituem uma teoria matemática dos processos físicos no espaço quadridimensional. O espaço de Minkowski permite interpretar visualmente os efeitos cinemáticos da teoria da relatividade especial e é a base do aparato matemático moderno da teoria da relatividade.

Essa ideia de um espaço e tempo únicos, mais tarde chamada espaço-tempo, e sua diferença fundamental em relação ao espaço e tempo independentes newtonianos, aparentemente, capturou Einstein muito antes de 1905 e não está diretamente relacionada nem ao experimento de Michelson nem à teoria de Lorentz-Poincaré.

Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo “Sobre a eletrodinâmica de corpos em movimento” na revista “Annals of Physics” e outro pequeno artigo onde a fórmula foi mostrada pela primeira vez E=mc2. Como mais tarde começaram a dizer, esta é a fórmula principal do nosso século.

O artigo sobre eletrodinâmica apresenta uma teoria que exclui a existência de um sistema de coordenadas privilegiado para movimento retilíneo e uniforme. A teoria de Einstein exclui o tempo independente do sistema de referência espacial e abandona a regra clássica de adicionar velocidades. Einstein presumiu que a velocidade da luz é constante e representa o limite de velocidade na natureza. Ele chamou essa teoria "Teoria especial da relatividade".

Einstein desenvolveu sua teoria com base nos seguintes postulados básicos:

• as leis segundo as quais os estados dos sistemas físicos mudam não dependem de qual dos dois sistemas de coordenadas, movendo-se um em relação ao outro de maneira uniforme e retilínea, essas mudanças se referem. Consequentemente, não existe um referencial preferido para o movimento uniforme e retilíneo - princípio da relatividade
• Cada raio de luz se move em um sistema de coordenadas estacionário com uma certa velocidade, independentemente de esse raio de luz ser emitido por uma fonte estacionária ou em movimento. Esta velocidade é a velocidade máxima das interações na natureza - postular sobre a constância da velocidade da luz

Dois corolários emergem desses postulados:

• se os eventos no referencial 1 ocorrem em um ponto e são simultâneos, então eles não são simultâneos em outro referencial inercial. Este é o princípio da relatividade da simultaneidade
• para quaisquer velocidades 1 e 2, sua soma não pode ser maior que a velocidade da luz. Esta é a lei relativística da adição de velocidades

Esses postulados - o princípio da relatividade e o princípio da constância da velocidade da luz - são a base da teoria da relatividade especial de Einstein. Destes ele obtém a relatividade dos comprimentos e a relatividade do tempo.

A essência da abordagem de Einstein foi a rejeição das ideias sobre espaço e tempo absolutos, nas quais se baseia a hipótese do éter. Em vez disso, foi adotada uma abordagem relacional aos fenômenos eletromagnéticos e à propagação da radiação eletromagnética. As leis do movimento de Newton foram expressas pelas mesmas relações em todos os sistemas em movimento uniforme interligados por transformações galileanas, e a lei da invariância do valor observado da velocidade da luz foi expressa pela mesma relação em todos os sistemas em movimento uniforme interligados por transformações de Lorentz.

No entanto, as leis do movimento de Newton não são invariantes nas transformações de Lorentz. Segue-se que as leis de Newton não podem ser leis verdadeiras da mecânica (elas são apenas aproximadas, válidas no caso limite quando a razão v/c tende a zero).

No entanto, a teoria da relatividade especial também é válida para condições limitadas – para sistemas em movimento uniforme.

Einstein continuou o desenvolvimento da teoria da relatividade especial em seu trabalho “A Lei da Conservação do Movimento do Centro de Gravidade e Inércia de um Corpo”. Ele tomou como base a conclusão de Maxwell de que um feixe de luz tem massa, ou seja, ao se mover exerce pressão sobre um obstáculo. Esta suposição foi comprovada experimentalmente por P.N. Em seu trabalho, Einstein fundamentou a relação entre massa e energia. Ele chegou à conclusão de que quando um corpo emite energia L, sua massa diminui em uma quantidade igual a L/V2. Disto foi tirada uma conclusão geral - a massa de um corpo é uma medida da energia contida nele. Se a energia muda em uma quantidade igual a L, então a massa muda correspondentemente em uma quantidade L dividida pelo quadrado da velocidade da luz. É assim que aparece pela primeira vez a famosa relação de Einstein E = MC2.

Em 1911-1916, Einstein conseguiu generalizar a teoria da relatividade. A teoria, criada em 1905, como já mencionado, foi chamada de teoria da relatividade especial, porque. era válido apenas para movimento retilíneo e uniforme.

Na teoria geral da relatividade, novos aspectos da dependência das relações espaço-temporais e dos processos materiais foram revelados. Esta teoria forneceu uma base física para geometrias não euclidianas e conectou a curvatura do espaço e o desvio de sua métrica da euclidiana com a ação dos campos gravitacionais criados pelas massas dos corpos.

A teoria geral da relatividade baseia-se no princípio da equivalência das massas inerciais e gravitacionais, cuja igualdade quantitativa foi estabelecida há muito tempo na física clássica. Os efeitos cinemáticos que surgem sob a influência das forças gravitacionais são equivalentes aos efeitos que surgem sob a influência da aceleração. Portanto, se um foguete decolar com uma aceleração de 3 g, a tripulação do foguete se sentirá como se estivesse no triplo do campo gravitacional da Terra.

A mecânica clássica não conseguia explicar por que a inércia e o peso são medidos pela mesma quantidade - massa, por que a massa pesada é proporcional à massa inercial, por que, em outras palavras, os corpos caem com a mesma aceleração. Por outro lado, a mecânica clássica, explicando as forças de inércia pelo movimento acelerado no espaço absoluto, acreditava que esse espaço absoluto atua sobre os corpos, mas não é afetado por eles. Isto levou à identificação dos sistemas inerciais como sistemas especiais nos quais apenas as leis da mecânica são observadas. Einstein declarou que o movimento acelerado de um sistema fora de um campo gravitacional e o movimento inercial em um campo gravitacional eram fundamentalmente indistinguíveis. A aceleração e a gravidade produzem efeitos fisicamente indistinguíveis.

Este facto foi essencialmente estabelecido por Galileu: todos os corpos movem-se num campo gravitacional (na ausência de resistência ambiental) com a mesma aceleração, as trajetórias de todos os corpos com uma determinada velocidade são igualmente curvas no campo gravitacional. Devido a isso, nenhum experimento pode detectar um campo gravitacional em um elevador em queda livre. Em outras palavras, em um referencial que se move livremente em um campo gravitacional em uma pequena região do espaço-tempo, não há gravidade. A última afirmação é uma das formulações do princípio da equivalência. Este princípio explica o fenômeno da ausência de peso nas espaçonaves.

Se estendermos o princípio da equivalência aos fenómenos ópticos, isso levará a uma série de consequências importantes. Este é o fenômeno do desvio para o vermelho e deflexão de um feixe de luz sob a influência de um campo gravitacional. O efeito redshift ocorre quando a luz é direcionada de um ponto com maior potencial gravitacional para pontos com menor potencial gravitacional. Ou seja, neste caso a sua frequência diminui e o comprimento de onda aumenta e vice-versa. Por exemplo, a luz solar que incide sobre a Terra chegará aqui com uma frequência alterada, na qual as linhas espectrais se deslocarão em direção à parte vermelha do espectro.

A conclusão sobre a mudança na frequência da luz no campo gravitacional está associada ao efeito da dilatação do tempo próximo a grandes massas gravitacionais. Onde os campos de sombra são maiores, o relógio funciona mais devagar.

Assim, um novo resultado fundamental foi obtido - a velocidade da luz não é mais um valor constante, mas aumenta ou diminui no campo gravitacional, dependendo se a direção do feixe de luz coincide com a direção do campo gravitacional.

A nova teoria mudou pouco quantitativamente a teoria de Newton, mas introduziu profundas mudanças qualitativas. A inércia, a gravidade e o comportamento métrico dos corpos e dos relógios foram reduzidos a uma única propriedade do campo, e a lei generalizada da inércia assumiu o papel da lei do movimento. Ao mesmo tempo, foi demonstrado que o espaço e o tempo não são categorias absolutas - os corpos e as suas massas influenciam-nos e alteram a sua métrica.

Como imaginar a curvatura do espaço e a dilatação do tempo, discutidas na teoria geral da relatividade?

Vamos imaginar um modelo de espaço em forma de folha de borracha (mesmo que não seja todo o espaço, mas sim sua fatia plana). Se esticarmos esta folha horizontalmente e colocarmos bolas grandes sobre ela, então elas dobrarão a borracha, quanto mais, maior será a massa da bola. Isto demonstra claramente a dependência da curvatura do espaço na massa de um corpo e também mostra como as geometrias não euclidianas de Lobachevsky e Riemann podem ser representadas.

A teoria da relatividade estabeleceu não apenas a curvatura do espaço sob a influência de campos gravitacionais, mas também a desaceleração do tempo num campo gravitacional forte. A luz viajando ao longo das ondas do espaço leva mais tempo do que para se mover ao longo de uma fatia plana do espaço. Uma das previsões mais fantásticas da teoria geral da relatividade é a parada completa do tempo num campo gravitacional muito forte. A dilatação do tempo se manifesta no desvio gravitacional para o vermelho da luz: quanto mais forte a gravidade, maior o comprimento de onda e menor a frequência. Sob certas condições, o comprimento de onda pode tender ao infinito e sua frequência – a zero. Aqueles. a luz desaparecerá.

Com a luz emitida pelo nosso Sol, isto poderia acontecer se a nossa estrela encolhesse e se transformasse numa bola com um diâmetro de 5 km (o diâmetro do Sol é de » 1,5 milhões de km). O sol se transformaria em um “buraco negro”. No início, os “buracos negros” foram previstos teoricamente. No entanto, em 1993, dois astrônomos, Hulse e Taylor, receberam o Prêmio Nobel pela descoberta de tal objeto no sistema Buraco Negro-Pulsar. A descoberta deste objeto foi mais uma confirmação da teoria geral da relatividade de Einstein.

A relatividade geral foi capaz de explicar a discrepância entre as órbitas calculadas e verdadeiras de Mercúrio. Nele as órbitas dos planetas não são fechadas, ou seja, após cada revolução o planeta retorna para um ponto diferente do espaço. A órbita calculada de Mercúrio deu um erro de 43??, ou seja, foi observada a rotação de seu periélio (periélio é o ponto da órbita do planeta que orbita em torno dele mais próximo do Sol).

Somente a teoria da relatividade geral poderia explicar esse efeito pela curvatura do espaço sob a influência da massa gravitacional do Sol.

As ideias sobre espaço e tempo formuladas na teoria da relatividade são as mais consistentes e consistentes. Mas eles contam com o macrocosmo, com a experiência de estudar objetos grandes, grandes distâncias, grandes períodos de tempo. Na construção de teorias que descrevem os fenômenos do micromundo, a teoria de Einstein pode não ser aplicável, embora não haja dados experimentais que contradigam seu uso no micromundo. Mas é possível que o próprio desenvolvimento dos conceitos quânticos exija uma revisão da compreensão da física do espaço e do tempo.

Atualmente, a teoria geral da relatividade é uma teoria geralmente aceita no mundo científico que descreve processos que ocorrem no tempo e no espaço. Mas, como qualquer teoria científica, corresponde ao nível de conhecimento de um determinado período. Com o acúmulo de novas informações e a aquisição de novos dados experimentais, qualquer teoria pode ser refutada.

A teoria da relatividade geral e especial (a nova teoria do espaço e do tempo) levou ao fato de que todos os sistemas de referência se tornaram iguais, portanto todas as nossas ideias fazem sentido apenas em um determinado sistema de referência. A imagem do mundo adquiriu um caráter relativo, relativo, as ideias-chave sobre espaço, tempo, causalidade, continuidade foram modificadas, a oposição inequívoca entre sujeito e objeto foi rejeitada, a percepção passou a ser dependente do quadro de referência, que inclui ambos o sujeito e o objeto, o método de observação, etc.)

Com base em uma nova abordagem relativista da percepção da natureza, foi formulado um novo e terceiro paradigma das ciências naturais na história da ciência. É baseado nas seguintes ideias:

• Ø Relativismo– o novo paradigma científico abandonou a ideia de conhecimento absoluto. Todas as leis físicas descobertas pelos cientistas são objetivas num determinado momento. A ciência lida com conceitos limitados e aproximados e apenas se esforça para compreender a verdade.
• Ø Neodeterminismo- determinismo não linear. O aspecto mais importante da compreensão do determinismo como não linear é a rejeição da ideia de causalidade forçada, que pressupõe a presença de uma chamada causa externa para os processos naturais em curso. Tanto a necessidade quanto o acaso recebem direitos iguais ao analisar o curso dos processos naturais.
• Ø Evolucionismo global– a ideia da natureza como um sistema dinâmico e em constante desenvolvimento. A ciência passou a estudar a natureza não apenas do ponto de vista de sua estrutura, mas também dos processos que nela ocorrem. Ao mesmo tempo, é dada prioridade à investigação dos processos da natureza.
• Ø Holismo- visão do mundo como um todo. O caráter universal da ligação entre os elementos deste todo (ligação obrigatória).
• Ø Sinergia– como método de pesquisa, como princípio universal de auto-organização e desenvolvimento de sistemas abertos.
• Ø Estabelecer um equilíbrio razoável entre análise e síntese ao estudar a natureza. O ensinamento entendia que é impossível esmagar indefinidamente a natureza nos menores tijolos. Suas propriedades só podem ser compreendidas através da dinâmica da natureza como um todo.
• Ø A afirmação de que a evolução da natureza ocorre em um continuum espaço-tempo quadridimensional.

SRT, também conhecida como teoria da relatividade especial, é um modelo descritivo sofisticado para as relações entre espaço-tempo, movimento e as leis da mecânica, criado em 1905 pelo ganhador do Prêmio Nobel Albert Einstein.

Entrando no departamento de física teórica da Universidade de Munique, Max Planck pediu conselhos ao professor Philipp von Jolly, que na época chefiava o departamento de matemática desta universidade. Ao que recebeu o conselho: “nesta área já está quase tudo em aberto e só falta resolver alguns problemas não muito importantes”. O jovem Planck respondeu que não queria descobrir coisas novas, mas apenas compreender e sistematizar conhecimentos já conhecidos. Como resultado, de um desses “problemas não muito importantes” emergiu posteriormente a teoria quântica, e de outro, a teoria da relatividade, pela qual Max Planck e Albert Einstein receberam o Prêmio Nobel de física.

Ao contrário de muitas outras teorias que se baseavam em experiências físicas, a teoria de Einstein baseou-se quase inteiramente nas suas experiências mentais e só mais tarde foi confirmada na prática. Então, em 1895 (com apenas 16 anos de idade), ele pensou no que aconteceria se ele se movesse paralelamente a um feixe de luz na sua velocidade? Em tal situação, descobriu-se que, para um observador externo, as partículas de luz deveriam ter oscilado em torno de um ponto, o que contradizia as equações de Maxwell e o princípio da relatividade (que afirmava que as leis físicas não dependem do lugar onde você está e do velocidade com que você se move). Assim, o jovem Einstein chegou à conclusão de que a velocidade da luz deveria ser inatingível para um corpo material, e o primeiro tijolo foi lançado na base da futura teoria.

A experiência seguinte foi realizada por ele em 1905 e consistiu no fato de que nas extremidades de um trem em movimento existem duas fontes de luz pulsada que acendem ao mesmo tempo. Para um observador externo passando por um trem, ambos os eventos ocorrem simultaneamente, mas para um observador localizado no centro do trem, esses eventos parecerão ter ocorrido em momentos diferentes, já que o flash de luz do início do vagão chegará mais cedo do que o seu fim (devido à velocidade constante da luz).

Disto ele tirou uma conclusão muito ousada e de longo alcance de que a simultaneidade dos eventos é relativa. Ele publicou os cálculos obtidos com base nesses experimentos na obra “Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento”. Além disso, para um observador em movimento, um desses pulsos terá maior energia que o outro. Para que a lei da conservação do momento não fosse violada em tal situação ao passar de um referencial inercial para outro, era necessário que o objeto simultaneamente com a perda de energia também perdesse massa. Assim, Einstein chegou a uma fórmula que caracteriza a relação entre massa e energia E=mc 2 - que talvez seja a fórmula física mais famosa da atualidade. Os resultados deste experimento foram publicados por ele no final daquele ano.

Postulados básicos

Constância da velocidade da luz– em 1907, foram realizadas experiências para medir com uma precisão de ±30 km/s (que era superior à velocidade orbital da Terra) e não detectaram as suas alterações durante o ano. Esta foi a primeira prova da invariabilidade da velocidade da luz, que foi posteriormente confirmada por muitos outros experimentos, tanto por experimentadores na Terra quanto por dispositivos automáticos no espaço.

O princípio da relatividade– este princípio determina a imutabilidade das leis físicas em qualquer ponto do espaço e em qualquer referencial inercial. Ou seja, independentemente de você estar se movendo a uma velocidade de cerca de 30 km/s na órbita do Sol junto com a Terra ou em uma nave espacial muito além de suas fronteiras - quando você realiza um experimento físico, você sempre chegará ao mesmos resultados (se o seu navio estiver neste momento não acelera nem desacelera). Este princípio foi confirmado por todas as experiências na Terra, e Einstein sabiamente considerou este princípio verdadeiro para o resto do Universo.

Consequências

Através de cálculos baseados nesses dois postulados, Einstein chegou à conclusão de que o tempo para um observador se movendo em um navio deveria diminuir com o aumento da velocidade, e ele, junto com o navio, deveria diminuir de tamanho na direção do movimento (para compensando assim os efeitos do movimento e mantendo o princípio da relatividade). Da condição de velocidade finita para um corpo material, seguiu-se também que a regra para somar velocidades (que tinha uma forma aritmética simples na mecânica newtoniana) deveria ser substituída por transformações de Lorentz mais complexas - neste caso, mesmo se somarmos duas velocidades a 99% da velocidade da luz, obteremos 99,995% dessa velocidade, mas não a ultrapassaremos.

Status da teoria

Como Einstein levou apenas 11 anos para formar uma versão geral de uma teoria específica, nenhum experimento foi realizado para confirmar diretamente a TRS. No entanto, no mesmo ano em que foi publicado, Einstein também publicou os seus cálculos que explicavam a mudança no periélio de Mercúrio para uma fração de um por cento, sem a necessidade de introduzir novas constantes e outras suposições que eram exigidas por outras teorias que explicou esse processo. Desde então, a correção da relatividade geral foi confirmada experimentalmente com uma precisão de 10 -20, e muitas descobertas foram feitas com base nela, o que prova claramente a correção desta teoria.

Campeonato na abertura

Quando Einstein publicou seus primeiros trabalhos sobre a teoria da relatividade especial e começou a escrever sua versão geral, outros cientistas já haviam descoberto uma parte significativa das fórmulas e ideias subjacentes a esta teoria. Então, digamos que as transformações de Lorentz na forma geral foram obtidas pela primeira vez por Poincaré em 1900 (5 anos antes de Einstein) e foram nomeadas em homenagem a Hendrik Lorentz, que recebeu uma versão aproximada dessas transformações, embora mesmo nessa função estivesse à frente de Waldemar Vogt.

RELATIVIDADE ESPECIAL E GERAL

Um dos aspectos mais importantes da física moderna que é diretamente relevante para a nossa análise da teologia é o conceito de tempo – sua origem e a ausência de uma medida única, ou constante e imutável, de seu fluxo. Pela importância da cronologia na interpretação da Bíblia, é muito importante tentar entender como a teoria da relatividade interpreta a nossa percepção do Universo, sua idade e tudo o que nele acontece. fóton quântico da relatividade temporal

É difícil nomear outra teoria que teria um impacto tão profundo na nossa compreensão do mundo e na sua criação como a teoria da relatividade (tanto especial como geral). Antes do surgimento desta teoria, o tempo sempre foi considerado uma categoria absoluta. O tempo decorrido desde o início até a conclusão de um processo foi considerado independente de quem mediu sua duração. Mesmo há 300 anos, Newton formulou esta crença de forma muito eloquente: “O tempo absoluto, verdadeiro e matemático, por si mesmo e em virtude da sua natureza, flui uniformemente e independentemente de quaisquer fatores externos”. Além disso, tempo e espaço foram considerados categorias não relacionadas que não se influenciavam de forma alguma. E, de fato, que outra ligação poderia existir entre a distância que separa dois pontos do espaço e a passagem do tempo, além do fato de que uma distância maior requeria mais tempo para ser superada; lógica simples e pura.

Os conceitos propostos por Einstein na sua teoria da relatividade especial (1905) e mais tarde na sua teoria da relatividade geral (1916) mudaram a nossa compreensão do espaço e do tempo tão fundamentalmente como a luz de uma lâmpada acesa muda a nossa percepção de uma sala anteriormente escura. .

A longa viagem até à descoberta de Einstein começou em 1628, quando Johannes Kepler descobriu um fenómeno curioso. Ele notou que as caudas dos cometas estão sempre direcionadas na direção oposta ao Sol. As estrelas cadentes que traçam o céu noturno têm uma cauda resplandecente, como deveria ser, atrás delas. Da mesma forma, a cauda se estende atrás de um cometa quando ele se aproxima do Sol. Mas depois que o cometa passa pelo Sol e inicia seu vôo de retorno às regiões distantes do sistema solar, a situação muda da maneira mais dramática. A cauda do cometa está na frente do seu corpo principal. Esta imagem contradiz decisivamente o próprio conceito de cauda! Kepler propôs que a posição da cauda do cometa em relação ao seu corpo principal é determinada pela pressão da luz solar. A cauda tem menos densidade que o próprio cometa e, portanto, é mais suscetível à pressão da radiação solar do que o corpo principal do cometa. A radiação do sol na verdade atinge a cauda e a empurra para longe do sol. Se não fosse pela atração gravitacional do corpo principal do cometa, as minúsculas partículas que compõem a cauda seriam arrastadas. A descoberta de Kepler foi a primeira indicação de que a radiação – como a luz – poderia ter uma força mecânica (neste caso repulsiva). Esta foi uma mudança muito importante na nossa compreensão da luz, pois segue-se que a luz, que sempre foi considerada algo imaterial, pode ter peso ou massa. Mas foi apenas 273 anos depois, em 1901, que a pressão exercida por um fluxo de luz foi medida. E.F. Nichols e J. F. Hull, lançando um poderoso feixe de luz sobre um espelho suspenso no vácuo, mediu o deslocamento do espelho como resultado da pressão da luz. Esta foi uma analogia de laboratório da cauda de um cometa sendo afastada pela luz solar.

Em 1864, explorando as descobertas de Michael Faraday sobre a electricidade e o magnetismo, James Clerk Maxwell propôs que a luz e todas as outras formas de radiação electromagnética se movem através do espaço como ondas à mesma velocidade fixa7. As micro-ondas do forno de micro-ondas da nossa cozinha, a luz sob a qual lemos, os raios X que permitem ao médico ver um osso quebrado e os raios gama liberados por uma explosão atômica são todos ondas eletromagnéticas, diferindo apenas umas das outras. em comprimento de onda e frequência. Quanto maior a energia da radiação, menor será o comprimento de onda e maior será a frequência. Em todos os outros aspectos eles são idênticos.

Em 1900, Max Planck propôs uma teoria da radiação eletromagnética que era fundamentalmente diferente de todas as anteriores. Anteriormente, acreditava-se que a energia emitida por um objeto aquecido, como o brilho vermelho do metal quente, era emitida de maneira uniforme e contínua. Também foi assumido que o processo de radiação continuou até que todo o calor fosse completamente dissipado e o objeto retornasse ao seu estado original - e isso foi totalmente confirmado pelo resfriamento do metal aquecido à temperatura ambiente. Mas Planck mostrou que a situação era completamente diferente. A energia não é emitida em um fluxo uniforme e contínuo, mas em porções discretas, como se um metal incandescente cedesse seu calor, expelindo um fluxo de minúsculas partículas quentes.

Planck propôs uma teoria segundo a qual essas partículas representam porções únicas de radiação. Ele os chamou de “quanta” e foi assim que nasceu a mecânica quântica. Como qualquer radiação se move na mesma velocidade (velocidade da luz), a velocidade de movimento dos quanta deve ser a mesma. E embora a velocidade de todos os quanta seja a mesma, nem todos têm a mesma energia. Planck propôs que a energia de um quantum individual é proporcional à frequência das suas oscilações à medida que se move através do espaço, como uma pequena bola de borracha que se contrai e se expande continuamente à medida que voa ao longo da sua trajetória. Na faixa visível, nossos olhos podem medir a frequência de pulsação de um quantum, e chamamos essa medida de cor. É devido à emissão quantizada de energia que um objeto levemente aquecido começa a brilhar em vermelho, depois, à medida que a temperatura aumenta, passa a emitir outras cores do espectro correspondentes a energias e frequências mais altas. No final, sua radiação se transforma em uma mistura de todas as frequências, que percebemos como a cor branca de um corpo quente.

E aqui nos deparamos com um paradoxo - a mesma teoria que descreve a luz como um fluxo de partículas chamadas quanta descreve simultaneamente a energia da luz usando frequência (ver Fig. 1). Mas a frequência está associada a ondas, não a partículas. Além disso, sabemos que a velocidade da luz é sempre constante. Mas o que acontece se o objeto que emite luz, ou o observador que detecta essa luz, se move? A velocidade deles será adicionada ou subtraída da velocidade da luz? A lógica nos diz que sim, deve ser adicionado ou subtraído, mas então a velocidade da luz não será constante! A pressão que a luz exerce na cauda do cometa ou no espelho na experiência de Nichols-Hull significa que há uma mudança no momento (também chamado de momento) da luz à medida que atinge a superfície. É por esta razão que qualquer objeto em movimento exerce pressão sobre o obstáculo. Um jato de água saindo de uma mangueira impulsiona uma bola pelo solo porque a água tem massa e essa massa tem uma velocidade que chega a zero no momento em que o jato atinge a bola. Neste caso, o momento da água é transferido para a bola e a bola rola para trás. A própria definição de momento (momentum) como o produto da massa (t) ou peso de um objeto e a velocidade de seu movimento (v), ou mv, exige que a luz em movimento tenha massa. De alguma forma, essas partículas de luz semelhantes a ondas têm massa, embora nenhum vestígio material seja deixado na superfície sobre a qual a luz incide. Depois que a luz “derramou” na superfície, não sobrou nenhuma “sujeira” que pudesse ser limpa. Até agora, ainda estamos tentando criar uma teoria unificada que explicaria completamente esse fenômeno da luz e de qualquer outra radiação.

Simultaneamente ao estudo da natureza da energia radiante, foram realizadas pesquisas relacionadas à propagação da luz. Parecia lógico que, como a luz e outros tipos de radiação eletromagnética são, em certo sentido, ondas, precisariam de algum tipo de meio no qual essas ondas pudessem se propagar. Acreditava-se que as ondas não poderiam se propagar no vácuo. Assim como o som precisava de uma certa substância material, como o ar, para transportar sua energia ondulatória, a luz parecia exigir alguma substância especial para propagá-la. Ao mesmo tempo, foi sugerido que o Universo deveria ser preenchido com um meio invisível e intangível, que garantisse a transferência de energia de radiação através do espaço sideral - por exemplo, luz e calor do Sol para a Terra. Esse meio era chamado de éter, que deveria preencher até mesmo o vácuo do espaço.

O postulado da propagação da luz através do éter permitiu explicar o paradoxo da constância de sua velocidade. De acordo com esta explicação, a luz deve viajar a uma velocidade constante, não em relação à fonte de luz ou observador, mas em relação a este éter onipresente. Para um observador movendo-se através do éter, a luz pode viajar mais rápido ou mais devagar dependendo da direção do seu movimento em relação à direção da luz, mas em relação ao éter estacionário, a velocidade da luz deve permanecer constante.

Arroz. 1.

O mesmo se aplica à propagação do som. O som viaja pelo ar parado ao nível do mar a uma velocidade constante de cerca de 300 metros por segundo, independentemente de a fonte sonora estar em movimento ou não. O som semelhante ao de uma explosão que um avião faz ao cruzar a barreira do som é, na verdade, o resultado do avião atingir sua própria onda sonora ao ultrapassá-lo, viajando a mais de 300 metros por segundo. Neste caso, a fonte do som, o avião, move-se mais rapidamente do que o som que produz. A natureza dual da luz é tal que se colocarmos um buraco de pequeno diâmetro no seu caminho, a luz comporta-se exactamente como uma onda oceânica que passa através de uma entrada estreita de um porto. Tanto a luz quanto a onda do oceano, tendo passado pelo buraco, espalham-se em círculos do outro lado do buraco. Por outro lado, se a luz ilumina a superfície de algum metal, ela se comporta como uma corrente de minúsculas partículas bombardeando essa superfície. A luz expulsa os elétrons do metal, um de cada vez, da mesma forma que pequenos pellets que atingem um alvo de papel arrancam pedaços de papel dele, um pedaço por pellet. A energia de uma onda de luz é determinada pelo seu comprimento. A energia das partículas de luz é determinada não pela sua velocidade, mas pela frequência com que as partículas de luz - fótons - pulsam enquanto se movem na velocidade da luz.

Quando os cientistas discutiram as supostas propriedades do éter, que ainda não haviam sido descobertas, ninguém suspeitou que a passagem do tempo estivesse ligada ao movimento da luz. Mas esta descoberta estava ao virar da esquina.

Em 1887, Albert Michelson e Edward Morley publicaram os resultados de sua tentativa de observar experimentalmente o que se seguiu à teoria do éter8. Eles compararam o tempo total que a luz leva para percorrer a mesma distância para frente e para trás em duas direções – paralela e perpendicular ao movimento da Terra em sua órbita ao redor do Sol. Como a Terra se move em sua órbita ao redor do Sol a uma velocidade de aproximadamente 30 quilômetros por segundo, presumiu-se que ela se move na mesma velocidade em relação ao éter. Se a radiação luminosa obedecesse às mesmas leis que governam todas as outras ondas, o movimento da Terra em relação ao éter deveria ter afetado o tempo de viagem da luz medido em seus experimentos. Este efeito não deveria ser diferente do efeito de um vento forte levando o som.

Para surpresa de todos, Michelson e Morley não registraram o menor vestígio do impacto dessa velocidade de 30 quilômetros por segundo. O experimento inicial, bem como as versões subsequentes, tecnicamente mais avançadas, do mesmo experimento, levaram a uma conclusão completamente inesperada - o movimento da Terra não tem efeito sobre a velocidade da luz.

Isso causou confusão. A velocidade da luz (c) é sempre 299.792,5 quilômetros por segundo, independentemente de a fonte de luz ou o observador estar em movimento ou estacionário. Além disso, um mesmo feixe de luz se comporta tanto como onda quanto como partícula, dependendo da forma como é observado. Era como se estivéssemos parados em um píer observando as ondas vindo do oceano e, de repente, em um piscar de olhos, as cristas habituais das ondas e as depressões entre elas se transformariam em um fluxo de bolas de água individuais. , movendo-se, pulsando, no ar acima do nível do mar. E no momento seguinte as bolas desapareceriam e as ondas apareceriam novamente.

Em 1905, no meio desta confusão, Albert Einstein apareceu no cenário científico com a sua teoria da relatividade. Durante aquele ano, Einstein publicou uma série de artigos que mudaram literalmente a compreensão da humanidade sobre o nosso universo. Cinco anos antes, Planck havia proposto a teoria quântica da luz. Usando a teoria de Planck, Einstein conseguiu explicar um fenômeno interessante. A luz que atinge a superfície de alguns metais libera elétrons, resultando em uma corrente elétrica. Einstein postulou que esse efeito “fotoelétrico” resulta de quanta de luz (fótons) literalmente expulsando os elétrons de suas órbitas ao redor do núcleo atômico. Acontece que os fótons têm massa quando estão em movimento (lembre-se de que eles se movem à velocidade da luz c), mas sua “massa de repouso” é zero. Um fóton em movimento tem as propriedades de uma partícula - a cada momento ele está em um determinado ponto do espaço e também tem massa e, portanto, como Kepler sugeriu uma vez, pode atuar sobre objetos materiais, por exemplo, a cauda de um cometa; ao mesmo tempo, possui propriedades de onda - é caracterizada por uma frequência de oscilação proporcional à sua energia. Descobriu-se que matéria e energia estão intimamente ligadas no fóton. Einstein descobriu esta conexão e formulou-a numa equação amplamente conhecida. Einstein concluiu que esta equação se aplica a todos os tipos de massa e formas de energia. Essas disposições tornaram-se a base da teoria da relatividade especial.

A percepção dessas ideias não é tão simples e requer um esforço mental considerável. Por exemplo, vamos pegar um determinado objeto. A massa (o que normalmente chamamos de “peso”) de um objeto estacionário é chamada, em termos científicos, de massa de repouso. Agora vamos dar um forte empurrão neste objeto. Ele começará a se mover a uma determinada velocidade e, como resultado, adquirirá energia cinética, tanto maior quanto maior for sua velocidade. Mas como o e em E=mc2 refere-se a todas as formas de energia, a energia total de um objeto será a soma da sua energia de repouso (associada à massa de repouso) e da sua energia cinética (a energia do seu movimento). Em outras palavras, a equação de Einstein exige que a massa de um objeto realmente aumente à medida que sua velocidade aumenta.

Assim, de acordo com a teoria da relatividade, a massa de um objeto muda à medida que muda a sua velocidade. Em baixas velocidades, a massa do objeto praticamente não difere da massa restante. É por isso que, em nossas atividades diárias, a descrição das leis da natureza feita por Newton revela-se bastante precisa. Mas para as galáxias que viajam pelo espaço ou para as partículas subatómicas num acelerador, a situação é completamente diferente. Em ambos os casos, a velocidade destes objetos pode ser uma grande fração da velocidade da luz e, portanto, a mudança nas suas massas pode ser muito, muito significativa.

Este intercâmbio entre massa e energia é discutido de forma muito eloquente tanto por Steven Weinberg em seu livro The First Three Minutes quanto por Nachmanides em seu comentário sobre Gênesis. Ambos falam sobre o dualismo massa-energia ao descrever os primeiros minutos de vida do Universo.

A teoria da relatividade especial é baseada em dois postulados: o princípio da relatividade e a constância da velocidade da luz. O princípio da relatividade, postulado por Galileu Galilei há 300 anos, foi refinado por Einstein. Este princípio afirma que todas as leis da física (que nada mais são do que as leis da natureza) atuam igualmente em todos os sistemas que se movem sem aceleração, ou seja, de maneira uniforme e retilínea. Tais sistemas são chamados de sistemas de referência inerciais na linguagem dos físicos.

O referencial determina a relação do observador com o mundo exterior. O princípio da relatividade nos diz que, estando em um referencial inercial, não podemos, usando as leis da física, determinar se o próprio sistema está se movendo, uma vez que seu movimento não afeta de forma alguma os resultados das medições feitas dentro do sistema . É por isso que não sentimos movimento quando voamos a uma velocidade constante em tempo calmo. Mas, balançando-nos em uma cadeira de balanço, nos encontramos em um referencial não inercial; Como a velocidade e a direção do movimento da cadeira de balanço mudam constantemente, podemos sentir nosso movimento.

Todos nós encontramos exemplos da impossibilidade de medir o movimento absoluto. Por exemplo, estamos diante de um semáforo e o carro à nossa frente começa a andar lentamente para trás. Ou estamos avançando? A princípio é difícil entender quem exatamente está se movendo. Nosso trem começa a se mover lenta e suavemente ao longo da plataforma. Acordando do sono, notamos que o trem parado nos trilhos adjacentes começa a recuar lentamente. Ou pelo menos parece-nos que é esse o caso. Até que nosso referencial - nosso carro ou trem - comece a se mover com aceleração (deixe de ser um referencial inercial), não está claro o que está se movendo e o que está em repouso.

Pode parecer haver aqui uma contradição: Einstein ensinou-nos que a massa de um objecto é uma função da sua velocidade, e agora afirmamos que não podemos determinar o movimento medindo como a massa muda sob a sua influência. Mas há uma diferença muito sutil aqui. Dentro do referencial inercial, todas as quantidades permanecem inalteradas. Quando medidos a partir de outro sistema de referência, que se move em relação ao primeiro, os valores de tamanho e massa mudarão. Se todas as partes do Universo se movessem de maneira igual e uniforme, a teoria da relatividade não teria nada a ver com o tema do nosso estudo. Mas este não é o caso. É a capacidade de observar os mesmos eventos a partir de diferentes quadros de referência que desempenha um papel significativo na análise bíblica da cosmologia que empreendemos.

O segundo elemento dos fundamentos da relatividade especial é ainda mais difícil de compreender. Poderíamos até dizer que ele é incompreensível ao extremo. Ele afirma que a velocidade da luz, c, é uma quantidade constante (c = 2,997925 x 108 metros por segundo no vácuo - sempre) e a mesma em todos os referenciais. Este fato foi revelado a partir dos resultados do experimento Michelson-Morley. Se você pensar no significado desta afirmação, poderá apreciar sua audácia. Einstein decidiu declarar que, independentemente da velocidade de movimento do observador em direção ou afastamento da fonte de luz, a velocidade da luz permanece igual à mesma c. Nenhuma outra forma de movimento (como uma onda sonora) possui esta propriedade. Isto parece altamente ilógico.

Se um arremessador lança uma bola para um receptor a 90 milhas por hora, o receptor vê a bola vindo em sua direção a 90 milhas por hora. Agora, se, contrariamente a todas as regras, o receptor correr em direção ao arremessador a 20 milhas por hora, a velocidade da bola em relação ao receptor será de 110 milhas por hora (90 + 20). A velocidade da bola em relação ao arremessador será a mesma de antes, 90 milhas por hora. Da próxima vez, em vez de lançar a bola, o arremessador mostra ao receptor uma foto da bola. Ele se move em direção ao receptor na velocidade da luz (c), ou seja, aproximadamente 300 milhões de metros por segundo. O veloz apanhador, por sua vez, corre em direção ao arremessador a uma velocidade igual a um décimo da velocidade da luz, ou seja, 30 milhões de metros por segundo. E o que esse nosso apanhador verá? A imagem de uma bola se aproximando dele a 330 milhões de metros por segundo? Não! Este é precisamente o paradoxo da luz - causando confusão, incomodando, às vezes até enfurecendo, mas ao mesmo tempo nos libertando.

O apanhador vê a imagem da bola aproximando-se dele exatamente à velocidade da luz, 300 milhões de metros por segundo, embora esteja correndo em direção a ela e, assim, adicionando sua própria velocidade à velocidade da luz. A luz, independente da velocidade de movimento do observador em relação à fonte de luz, sempre se move com velocidade c. Sempre. E que velocidade de movimento da imagem da bola um arremessador parado registra? Isso mesmo, também s. Como é que dois observadores, um em movimento e outro parado, registam a mesma velocidade da luz? A lógica e o bom senso dizem que isso é impossível. Mas a relatividade diz que isso é realidade. E esta realidade foi confirmada na experiência de Michelson-Morley.

Ambos os observadores registram a mesma velocidade da luz, pois o fato das mudanças na massa, no espaço e no tempo - por mais incompreensível que pareça - é uma lei fundamental da mecânica relativística e do Universo em que vivemos. As leis que regem estas mudanças são tais que nada acontece dentro de um determinado sistema que pareça absurdo. Quem está dentro dele não percebe nenhuma mudança. Mas, observando outro sistema passando por nós, vemos que as dimensões do objeto ao longo da direção do movimento diminuem em relação às mesmas dimensões do objeto quando ele está em repouso. Além disso, os relógios que mostravam a hora exata em que estavam em repouso, em movimento, começam a ficar atrás dos relógios “em repouso” em nosso referencial.

A combinação da constância da velocidade da luz e do princípio da relatividade acarreta inevitavelmente a dilatação do tempo. A dilatação do tempo pode ser demonstrada usando um experimento mental semelhante ao usado por Einstein quando desenvolveu os princípios básicos da relatividade. Um exemplo de tal experimento mental é dado por Taylor e Wheeler em seu livro clássico "Física do Espaço e do Tempo"0.

Consideremos dois sistemas de referência, um dos quais está estacionário e o outro está em movimento. Um sistema estacionário é um laboratório físico comum. O segundo sistema é um foguete que se move em alta velocidade, totalmente transparente e permeável, dentro do qual está uma tripulação composta por cientistas absolutamente transparentes e permeáveis. O foguete, pela sua total transparência e permeabilidade, pode passar pelo nosso laboratório sem entrar em qualquer interação com ele e seu conteúdo. No laboratório, a partir do ponto A (Fig. 2), ocorre um flash de luz, que se move diagonalmente até o espelho localizado no ponto M. A luz refletida do espelho também passa diagonalmente até o ponto B. O tempo de chegada do foguete para o laboratório é determinado de tal forma que no momento do ponto de fulgor A do foguete coincida com o ponto A do laboratório. Seja a velocidade do foguete tal que o ponto A do foguete coincida com o ponto B do laboratório no exato momento em que o flash de luz atinge o ponto B. Para os observadores no foguete, parecerá que a luz enviada do ponto A no foguete passa diretamente para o ponto B M e retorna ao ponto A do foguete. Como a velocidade do foguete é constante (é um sistema inercial), as pessoas no foguete não sabem que ele está se movendo.

A distância percorrida pela luz, percebida pelos passageiros do foguete, é 2y (do ponto A ao ponto M e vice-versa). O mesmo caminho da luz, visível para quem está no laboratório, é a soma dos dois lados do triângulo - do ponto A ao ponto M e do ponto M ao ponto B. Obviamente, esse caminho deve ser maior que o caminho visível para os passageiros do foguete. Podemos calcular com precisão a diferença entre eles usando o teorema de Pitágoras. Assim, concluímos que o caminho da luz observado no foguete é mais curto que o caminho da luz observado no laboratório.

Arroz. 2.

Lembremos que a velocidade da luz em ambos os sistemas é a mesma. Este é um dos princípios fundamentais firmemente estabelecidos da teoria da relatividade. Sabe-se também que em todos os casos o tempo gasto em movimento é igual à distância percorrida dividida pela velocidade do movimento. O tempo necessário para viajar 160 quilômetros a 80 quilômetros por hora é de duas horas. Como a velocidade da luz tanto para os cientistas no laboratório quanto para os cientistas que se movem no foguete é igual ao mesmo c, e a distância percorrida pela luz no laboratório é maior que a distância percorrida por ela no foguete, o intervalo de tempo entre No flash deveria haver mais luz no ponto A e na chegada da luz no ponto B no laboratório do que no foguete.

Apenas um evento ocorreu. Houve apenas um flash de luz, e a luz observada em dois referenciais completou sua jornada uma vez. No entanto, a duração deste evento foi diferente quando medida em dois quadros de referência diferentes.

Esta diferença no tempo medido é chamada de dilatação relativística do tempo, e é esta dilatação que alinha de forma convincente os seis dias da Criação com os 15 mil milhões de anos da cosmologia.

Os conceitos subjacentes à relatividade geral são um desenvolvimento de ideias da relatividade especial, mas são mais complexos. Enquanto a relatividade especial trata de sistemas inerciais, a relatividade geral trata de sistemas inerciais e não inerciais (acelerados). Em sistemas não inerciais, forças externas – como as forças gravitacionais – influenciam o movimento dos objetos. Uma propriedade relativística especial da gravidade, que está diretamente relacionada ao problema que estamos estudando, é que a gravidade – assim como a velocidade – causa a dilatação do tempo. O mesmo relógio na Lua funciona mais rápido do que na Terra porque a gravidade da Lua é mais fraca. Como veremos, a gravidade desempenha um papel crucial na reconciliação da Criação e do Big Bang.

As forças de atração gravitacional são sentidas exatamente da mesma forma que as forças que causam aceleração. Por exemplo, ao subirmos um elevador sentimos a força com que o chão pressiona os nossos pés; ela realmente nos empurra junto com o elevador. Isto é percebido como a força que sentiríamos se estivéssemos em um elevador estacionário se de alguma forma a atração gravitacional da Terra aumentasse repentinamente. Einstein raciocinou que, como a gravidade é percebida como qualquer outra força que causa uma mudança no movimento, ela deveria produzir os mesmos resultados. Como as forças aceleradoras causam mudanças no movimento e na dilatação do tempo, as mudanças na gravidade também devem causar a dilatação do tempo.

Visto que o aspecto da dilatação do tempo da teoria da relatividade é muito significativo para o problema da unificação dos calendários cosmológico e bíblico, é muito importante mostrar que a dilatação do tempo realmente existe. Afinal, as mudanças relativísticas tornam-se perceptíveis apenas nos casos em que as velocidades relativas do movimento se aproximam da velocidade da luz. Mesmo a 30 milhões de metros por segundo, um décimo da velocidade da luz, a dilatação do tempo é inferior a um por cento.

Velocidades próximas à velocidade da luz são raras na vida cotidiana, mas são comuns na cosmologia e na física de altas energias. Contudo, deve-se notar que a possibilidade real de medir a dilatação do tempo não torna a ideia em si mais acessível à compreensão. No entanto, isto permite-nos passar da categoria de um conceito puramente teórico para o domínio dos factos empíricos. Uma gama bastante ampla de atividades humanas – desde experimentos em laboratórios de física de alta energia até voos regulares de companhias aéreas comerciais – nos permite demonstrar a dilatação do tempo.

Uma das muitas partículas elementares que surgem durante experimentos em laboratórios de física é o méson mu. Tem meia-vida de um microssegundo e meio. Os mésons Mu, entretanto, aparecem não apenas em laboratórios de física de alta energia, mas também nas camadas superiores da atmosfera terrestre quando os raios cósmicos colidem com os núcleos dos átomos dos gases atmosféricos. Como a energia da radiação cósmica é muito alta, os mésons mu no momento de sua formação adquirem uma velocidade quase igual à velocidade da luz. Em velocidades tão altas, ocorre dilatação do tempo, que pode ser medida. Mesmo quando se movem perto da velocidade da luz, os mésons mu levam 200 microssegundos para percorrer os 60 quilômetros desde a camada da atmosfera em que se originam até a superfície da Terra. Como o méson mu tem meia-vida de um microssegundo e meio, um tempo de trânsito de 200 microssegundos cobre 133 de suas meias-vidas. Lembremos que durante cada meio período metade das partículas restantes decaem. Após 133 semiciclos, a fração de mésons mu que devem sobreviver e atingir a superfície da Terra será igual a "/2 x 1/2 x "/2 e assim por diante 133 vezes, o que é um milionésimo de um milionésimo de um bilionésimo de bilionésimo do número de mésons mu que iniciaram sua jornada para a superfície da Terra. Esse número é tão pequeno que quase nenhum méson mu deveria atingir a Terra. A grande maioria deles desmoronará ao longo do caminho. No entanto, se compararmos o número de mésons mu produzidos na atmosfera superior com o número de mésons mu que atingem a superfície da Terra, ficamos surpresos ao descobrir que “/8 do seu número inicial chega com sucesso ao seu destino”. 1/8 múons significa que durante sua jornada de 60 km apenas três meios períodos são completados. Assim, para um méson mu movendo-se próximo à velocidade da luz, o tempo decorrido (relativístico) é de apenas três meio ciclos. (3 x 1,5 microssegundos). Para um observador na superfície da Terra, passarão pelo menos 200 microssegundos - o tempo mínimo necessário para viajar 60 quilômetros da alta atmosfera até a superfície e o mesmo evento ocorrer em dois tempos diferentes. intervalos - 4,5 microssegundos no referencial de um méson mu em movimento rápido e 200 microssegundos no referencial de um observador na superfície. Lembremos mais uma vez que estamos falando de um evento. Mas devido ao fato de que o observador e o objeto observado estão se movendo um em relação ao outro, para este evento existem dois períodos de tempo diferentes. E ambos são absolutamente verdadeiros!

Mas os mésons mu são partículas bastante exóticas, e um cético poderia muito bem rir e balançar a cabeça, incrédulo. Afinal, nenhum observador pode viajar na companhia de múons. Confiamos apenas na sua meia-vida como um relógio que se move com eles.

Que tal um relógio real e uma pessoa movendo-se com ele e medindo a dilatação do tempo da maneira mais direta? Obviamente, isso pareceria mais convincente. E foi exatamente isso que foi relatado na prestigiada revista Science por Hafele e Keating12 da Universidade de Washington e do Laboratório Naval dos EUA. Eles enviaram quatro conjuntos de relógios de césio em aeronaves Boeing 707 e Concorde de propriedade da TWA e da Pan Am e que faziam voos comerciais regulares em todo o mundo. Esses relógios foram escolhidos porque são extremamente precisos.

A terra gira de oeste para leste. Se olharmos para a Terra do espaço, estando acima de seu pólo norte, veremos que ao voar para o leste, a velocidade da aeronave se soma à velocidade da Terra. Conforme previsto pela teoria da relatividade, os relógios a bordo do avião estavam atrás dos mesmos relógios localizados no Laboratório Naval dos EUA em Washington, D.C. (todos os relógios utilizados nesta experiência foram fornecidos pelo laboratório). Ao voar para oeste, a velocidade do avião é subtraída da velocidade de rotação da Terra e, em plena concordância com a teoria da relatividade, os relógios a bordo deste avião avançaram. De acordo com Haefele e Keating, “Na ciência, os fatos empíricos relevantes são mais poderosos do que os argumentos teóricos. Estes resultados fornecem uma solução empírica inequívoca para o famoso paradoxo do relógio."3

Não apenas a percepção do tempo, mas também a passagem real do tempo muda dependendo do movimento relativo dos observadores. Dentro de qualquer quadro de referência, tudo parece normal. Mas quando dois sistemas são primeiro separados e depois reconectados e as leituras do relógio são comparadas, a passagem do tempo neles acaba sendo diferente (“envelhecimento” real).

Um aspecto particularmente interessante dos experimentos de dilatação do tempo de Hefele-Keating foi que eles testaram tanto a relatividade especial quanto a geral. De acordo com a relatividade geral, as diferenças na força da gravidade afetam a duração da mesma forma que as diferenças na velocidade relativa, conforme postulado pela relatividade especial. O efeito de um campo gravitacional sobre qualquer objeto é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os objetos. À medida que a distância duplica, a atração gravitacional diminui por um fator de quatro. Quanto mais longe um objeto estiver da Terra, mais fraca será a atração da Terra por ele. Como os aviões em voo estão muito acima da superfície da Terra (a altitude típica de voo de um Boeing 707 é de 10 km e de um Concorde é de 20 km), o efeito gravitacional da Terra nos relógios a bordo da aeronave foi diferente do efeito sobre os relógios que estavam na superfície da Terra nos laboratórios da Marinha. As mudanças no tempo do relógio registradas no experimento foram consistentes com as previsões da relatividade geral (que leva em conta a influência do movimento e da gravidade).

Esta experiência, como todas as outras semelhantes, provou que as teorias da relatividade especial e geral de Einstein descrevem corretamente as características reais do nosso Universo. A relatividade não é mais uma teoria pura. A relatividade é um fato comprovado e empiricamente comprovado. Em outras palavras, a teoria da relatividade tornou-se a lei da relatividade.

E agora, com base nesta lei, fundamentada por uma das ciências naturais que descrevem o Universo, podemos continuar a discutir os primeiros seis dias da Criação - aquele período em que a ciência natural e a teologia, à primeira vista, se contradizem.

Consideremos as mudanças na relação entre o Criador, o Universo e o homem que ocorreram desde aquele momento que chamamos de “o começo”. Ao mesmo tempo, não devemos perder de vista nem por um momento que a diferença na passagem do tempo só pode ser registada se compararmos a observação dos mesmos acontecimentos a partir de dois sistemas de referência diferentes. Mas isso não basta - é também necessário que ou as forças gravitacionais nestes dois sistemas de referência difiram significativamente entre si, ou que a velocidade relativa do seu movimento se aproxime de 300 milhões de metros por segundo, ou seja, a velocidade da luz. Dentro de cada sistema, independente de sua velocidade relativa ou da força gravitacional atuante nele, tudo acontece em plena conformidade com as leis de Newton, ou seja, tudo parece normal e lógico, assim como aqui na Terra, embora corramos pelo espaço em alta velocidade.

O Criador teve e ainda tem certo interesse em criar o Universo. Podemos assumir isso com base no fato de que o Universo existe. Porém, não sabemos qual é esse interesse. No entanto, podemos encontrar alguns indícios disso analisando a interação entre o Criador e o Universo ao longo de todo o tempo de sua criação e existência. A teologia tradicional sustenta que se o Criador tivesse desejado criar o universo de uma só vez, ele o teria feito. Mas fica claro no relato bíblico que seu plano não era criar um universo totalmente formado através de um único ato. Por alguma razão, o método de desenvolvimento gradual foi escolhido. E os dois primeiros capítulos do livro “Gênesis” são dedicados precisamente à descrição da formação faseada do Universo.

Se seguirmos as regras segundo as quais o Universo opera hoje - e essas regras são as leis físicas que conhecemos - então o desenvolvimento gradual do Universo a partir da substância primária que existia no momento do Big Bang foi absolutamente necessário para o surgimento do homem. Mas a própria Terra e tudo o que nela existe não são produtos diretos do Big Bang. Dizem-nos claramente que no início a Terra era sem forma e vazia, ou em hebraico gohu e bohu. Os principais físicos de partículas nucleares referem-se agora a T e B (tohu e bohu) como os dois “tijolos” originais a partir dos quais toda a matéria é construída. A força do Big Bang comprimiu literalmente esses GiBs em hidrogênio e hélio - naquele momento quase nenhum outro elemento foi formado. E somente a alquimia do cosmos criou posteriormente todos os outros elementos a partir desses hidrogênio e hélio primordiais.

A Terra e todo o sistema solar são um amontoado de matéria que chegou até nós após incontáveis ​​ciclos de supercompressão nas profundezas das estrelas. Essa pressão comprimiu o hidrogênio e o hélio com tanta força que seus núcleos se uniram e se separaram novamente, formando elementos mais pesados ​​como o carbono (verdadeira substância da vida), o ferro, o urânio e os outros 89 elementos que compõem o Universo. As estrelas então explodiram e expeliram seus elementos recém-formados no Universo, que os absorveu avidamente, usando-os para criar outras estrelas. O nascimento das estrelas e a sua morte foram necessários para eventualmente transformar o hidrogénio e o hélio formados nos primeiros momentos após o Big Bang nos elementos necessários para criar a vida na forma com a qual estamos familiarizados. Nas suas interpretações da Bíblia, comentaristas como Maimônides e Rashi explicaram que Deus criou e destruiu muitos mundos no processo de criação da vida na Terra. Mas aqui não estou confiando em Maimônides; Obtive as informações acima dos astrofísicos Woosley e Phillips.

Então, se temos tudo para fazer nos seis dias antes do aparecimento de Adão, como podemos espremer todos os ciclos de formação e destruição do mundo nesse período de tempo? Os comentaristas bíblicos em quem confiamos afirmam claramente que os primeiros seis dias da Criação são seis dias de 24 horas cada. Isso significa que alguém que acompanhasse o tempo teria que registrar a passagem dessas mesmas 24 horas por dia. Mas quem poderia estar presente naquele momento para medir a passagem do tempo? Até o momento em que Adão apareceu depois de seis dias, somente o Senhor Deus poderia controlar o relógio. E esse é o ponto principal.

Quando nosso Universo foi criado - até o momento do aparecimento do homem - Deus não estava intimamente ligado à Terra. Durante o primeiro ou dois dias dos seis dias da Criação, a Terra ainda nem existia! Embora Gênesis 1:1 afirme que “No princípio Deus criou os céus e a terra”, o versículo seguinte afirma que a Terra era vazia e sem forma. O primeiro versículo do livro de Gênesis é, na verdade, uma afirmação muito geral, significando que logo no início foi criada uma substância primária, a partir da qual, durante os próximos seis dias, os céus e a terra seriam formados. Abaixo, no versículo 31:17 do livro “Êxodo”, isso é dito com mais clareza: “...em seis dias criou o Senhor os céus e a terra...”. De que foram “feitos” os céus e a Terra durante esses seis dias? Da substância criada “no início” daqueles seis dias. Como não existia Terra no Universo primitivo e como não havia possibilidade de uma ligação estreita ou interpenetração de sistemas de referência, não existia um calendário comum para Deus e para a Terra.

A lei da relatividade ensinou-nos que nem sequer é possível a Deus escolher um calendário que seja justo para todas as partes do Universo, ou pelo menos para um número limitado delas, que desempenhou um papel no surgimento da humanidade. A lei da relatividade, uma das leis fundamentais do Universo estabelecida na sua criação, impossibilita a existência de um quadro de referência comum para o Criador e para cada parte dessa totalidade de matéria que finalmente se transformou na humanidade e no planeta Terra em que vive.

Sabemos que, de acordo com a lei da relatividade, num Universo em expansão é impossível descrever o tempo que abrange uma determinada sequência de acontecimentos numa parte do Universo de tal forma que seja igual ao tempo dos mesmos acontecimentos. observado de outra parte do Universo. As diferenças no movimento e nas forças gravitacionais de diferentes galáxias ou mesmo de estrelas na mesma galáxia transformam o tempo absoluto em um fenômeno puramente local. O tempo flui de maneira diferente em diferentes partes do Universo.

A Bíblia é um guia que descreve a jornada da humanidade através da vida e do tempo. Para incutir no homem uma apreciação pela maravilha física do Universo, este guia inclui uma descrição do processo que o levou de um Universo vazio e sem forma a um lar onde a humanidade pode existir. Mas é quase impossível escolher um único período de tempo para descrever esse processo, uma vez que muitos fatores afetam diretamente a velocidade do tempo. Esses fatores incluem forças gravitacionais em muitas estrelas, em cujas profundezas o hidrogênio e o hélio primordiais foram transformados nos elementos subjacentes à vida, e o movimento do gás intergaláctico, condensando-se no processo de movimento na nebulosa, e depois em estrelas, e supernovas explosões, marcando a morte e posterior renascimento das estrelas que compõem a Via Láctea e a massa da Terra. A passagem do tempo era um aspecto da vida que, antes da visão de Einstein, pensávamos erroneamente ser imutável. Não é realista, não, é simplesmente impossível que o mesmo relógio em todos os séculos meça a idade de toda aquela substância cósmica de que somos compostos.

A odisseia da matéria desde a substância do Big Bang até ao seu estado actual foi demasiado complexa, demasiado diversa para que a passagem do tempo nela pudesse ser medida pelo mesmo relógio. Quem pode dizer agora quantas galáxias ou quais supernovas específicas deram origem aos elementos que constituem os nossos corpos físicos? Nós, humanos, e tudo o mais no sistema solar, incluindo o Sol e os planetas, somos fragmentos de estrelas há muito desaparecidas. Somos literalmente feitos de poeira estelar. A quais átomos de carbono, nitrogênio ou oxigênio esse tempo verbal se refere? Aos seus ou aos átomos do seu vizinho? Os que fazem parte de uma partícula da sua pele ou os que estão em uma gota do seu sangue? É provável que cada um deles tenha começado nas profundezas de estrelas diferentes e, portanto, cada um deles tenha sua idade única. As transformações da matéria cósmica que ocorreram antes da formação da Terra ocorreram em miríades de estrelas, simultânea e sequencialmente. Cada estrela, cada supernova tinha sua própria gravidade e sua própria velocidade de movimento e, portanto, seu próprio referencial espaço-temporal.

Bilhões de relógios cósmicos funcionaram (e ainda funcionam), cada um em seu próprio ritmo localmente correto. Todos eles começaram a funcionar em um momento - o momento do Big Bang, e todos atingiram simultaneamente o período em que Adam apareceu. Mas o tempo local absoluto que decorreu desde o “início” até ao momento em que cada uma destas partículas de matéria contribuiu para a criação da humanidade foi muito diferente para cada estrela e para cada partícula. Embora as transformações da matéria tenham começado e terminado ao mesmo tempo, segue-se da teoria de Einstein que a idade de cada partícula de matéria difere muito significativamente da idade de outras partículas de matéria com as quais ela eventualmente se uniu, formando o sistema solar, e então a humanidade. Nosso raciocínio não é mais nem menos sofisticado do que, digamos, detectar 200 microssegundos nos 4,5 microssegundos que passam enquanto os mésons mu, formados na alta atmosfera sob os impactos da radiação cósmica, atingem a superfície da Terra. Em 4,5 microssegundos, passam 200 microssegundos. Este facto comprovado pode ser melhor compreendido através da experiência mental de Einstein, na qual cientistas a bordo de um foguetão de alta velocidade e cientistas num laboratório estacionário registam dois períodos de tempo diferentes para o mesmo evento. Esta situação nada tem a ver com a declaração do falecido W.K. Fields, que disse que durante uma longa noite morou na Filadélfia por uma semana inteira15. Sua afirmação refere-se ao domínio da sensação emocional; no nosso caso estamos lidando com um fato físico. Quando falamos de mil milhões de anos, não queremos dizer que os vivenciamos como mil milhões de anos. Um bilhão de anos realmente se passaram! Se durante esses mesmos seis dias existisse um relógio naquela parte do Universo que hoje é ocupada pela Terra, não registraria necessariamente 15 bilhões de anos. No Universo primitivo, a curvatura do espaço e do tempo neste lugar era provavelmente completamente diferente da que é agora.

Para descrever o desenvolvimento consistente do Universo, foi necessário encontrar algum tipo de compromisso. Como tal compromisso, o Criador escolheu para o tempo anterior ao aparecimento de Adão o seu próprio quadro de referência, no qual todo o Universo era percebido como um todo único.

A criação de Adão foi qualitativamente diferente de todos os outros eventos que acompanharam a criação do Universo. Sinalizou uma mudança fundamental no relacionamento de Deus com o universo. Sabemos que todos os objetos do Universo, orgânicos e inorgânicos, animados e inanimados, são compostos de matéria, cuja origem remonta à criação primordial. Nesse sentido, a humanidade não é exceção. Foi-nos explicado claramente que a fonte material da nossa origem é o “pó da terra”. Todos os seres vivos (Gênesis 1:30), incluindo os humanos (Gênesis 2:7), receberam uma alma vivente (nefesh em hebraico). No entanto, apenas Adão recebeu algo novo, único para todo o Universo – o sopro vivo de Deus (Gênesis 2:7).

E foi nesse momento, quando Deus soprou em Adão seu sopro de vida (em hebraico, neshamah), ambos - o Criador e sua criação - tornaram-se inextricavelmente ligados um ao outro. Foi neste momento que, de bilhões de horas possíveis, apenas uma foi irrevogavelmente escolhida, pela qual a partir de agora seria necessário medir o curso de todos os acontecimentos futuros.

No jargão dos físicos relativistas, no momento do aparecimento de Adão, aquela parte do Universo que se tornou o habitat do homem começou a funcionar no mesmo quadro de referência espaço-temporal que seu Criador. A partir deste ponto, a cronologia da Bíblia e o fluxo do tempo na Terra tornaram-se unificados - a relação espaço-temporal geral entre Deus e o homem foi doravante fixada.

Os resultados desta nova ligação são evidentes à primeira vista no texto bíblico. Existe um paralelismo entre as datas a que a Bíblia se refere aos acontecimentos que ocorreram após a criação de Adão e as correspondentes estimativas arqueológicas da cronologia dos mesmos acontecimentos. A Idade do Bronze do calendário bíblico e a Idade do Bronze da arqueologia coincidem. Segundo a Bíblia, Hazor foi destruído por Josué há 3.300 anos; a arqueologia, como se descobriu após pesquisas detalhadas, data esse evento no mesmo período. A parte do calendário bíblico que começa com a criação de Adão parece bastante lógica aos nossos olhos, e a descoberta dos Manuscritos do Mar Morto prova que a Bíblia descreve corretamente eventos milhares de anos antes de os achados arqueológicos modernos os confirmarem. Se não soubéssemos a lei da relatividade e se tentássemos datar os eventos que ocorreram na Terra no tempo após Adão a partir de outro ponto do Universo, nos perguntaríamos agora por que em nossa percepção o tempo passado difere do que está registrado por um relógio na Terra.

Nos primeiros seis dias de existência do nosso Universo, o Relógio Eterno mediu 144 horas. Sabemos agora que este período de tempo não coincide necessariamente com o mesmo período de tempo medido noutra parte do Universo. Como habitantes deste Universo, avaliamos a passagem do tempo com a ajuda de relógios localizados no nosso referencial local; Esses relógios incluem datação radioativa, dados geológicos e medições de velocidades e distâncias no Universo em expansão. É com estes relógios que a humanidade viaja no tempo e no espaço.

Quando a Bíblia descreve como o nosso universo se desenvolve dia a dia durante os primeiros seis dias após a Criação, na verdade está falando de seis dias de 24 horas cada. Mas o quadro de referência no qual esses dias foram calculados incluía todo o Universo. Esta primeira semana da Criação não é de forma alguma um conto de fadas pensado para satisfazer a curiosidade de uma criança para ser posteriormente descartado como desnecessário, com o advento da sabedoria de um adulto. Muito pelo contrário - contém indícios de acontecimentos que a humanidade só agora começa a compreender.

Os sábios da Bíblia há muito alertam que a nossa compreensão dos acontecimentos dos primeiros seis dias da Criação não corresponderá à nossa compreensão da natureza nos tempos seguintes ao aparecimento de Adão. Eles entenderam isso pela descrição do descanso sabático contida nos Dez Mandamentos. Se compararmos o texto de Êxodo 20:11 com o texto de Zacarias 5:11 e 2 Samuel 21:10, vemos que ambos os textos usam a mesma palavra para descanso, mas com matizes diferentes. Pela forma como a palavra é usada ali, pode-se concluir que Deus na verdade não “descansou” no primeiro sábado. Em vez disso, o Criador fez uma pausa no seu trabalho para examinar o Universo que foi criado nos primeiros seis dias. A nossa percepção desta ruptura, segundo Maimônides, é que em todos os momentos, a partir deste primeiro sábado, as leis da natureza, incluindo a passagem do tempo, funcionarão de forma “normal”. Em contraste, o curso dos acontecimentos ocorridos durante os primeiros seis dias poderia parecer ilógico, como se tivesse havido uma violação das leis da natureza e do tempo. Como podemos ver, a previsão dos sábios de que perceberíamos as imagens bíblicas e científicas do Universo primitivo como contraditórias entre si tornou-se realmente realidade.

O primeiro sábado marca o início do calendário, que começa com a criação de Adão. E é precisamente esta parte do calendário que corresponde à nossa percepção da realidade baseada na lógica. Graças ao fato extraordinário da relatividade do tempo, a lei da relatividade de Einstein, o calendário bíblico está correto nestes seis dias. Tornou-se desnecessário explicar a descoberta de fósseis dizendo que o Criador os colocou deliberadamente onde foram encontrados para testar a nossa fé no acto da Criação ou para satisfazer a nossa curiosidade. A taxa de decaimento radioativo em rochas, meteoritos e fósseis reflete corretamente a passagem do tempo, mas esta passagem do tempo foi e continua a ser medida por relógios localizados no nosso referencial terrestre. O tempo registado por estes relógios foi e continua a ser apenas relativamente, isto é, apenas localmente, correcto. Outros relógios, localizados em outros sistemas de referência, atribuem eventos que ocorrem na Terra a momentos diferentes, mas não menos corretos, no tempo. E sempre será assim, enquanto o Universo obedecer às leis da natureza.

LITERATURA

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• 2. Nachmânides. "Comentários sobre a Torá". Gênesis 5:4.
• 3. “Arqueologia e Estudos do Antigo Testamento”. Ed. Tomás. (Thomas, ed., Arqueologia e Estudo do Antigo Testamento).
• 4. Newton. "Princípios matemáticos da filosofia natural". (Newton, Princípios Matemáticos da Filosofia Natural).
• 5. Einstein. “Relatividade: teorias especiais e gerais”. (Einstein, Relatividade: As Teorias Especial e Geral).
• 6. Cohen. “O nascimento de uma nova física”. (Cohen, O Nascimento de uma Nova Física).
• 7. Páginas. "Simetria perfeita." (Pagels, Simetria Perfeita).
• 8. Shanklândia. "Experimento Michelson-Morley". (Shankland, “O experimento Michelson-Morley”, American Journal of Physics, 32 (1964):16).
• 9. Herman. "A Origem da Teoria Quântica" (1899-1913). (Hermann, A Gênese da Teoria Quântica (1899-1913)).
• 10. Taylor e Wheeler. "Física do Espaço-Tempo". (Taylor e Wheeler, Física do Espaço-Tempo).
• 11. Haefele e Keating, “Relógios Atômicos ao Redor do Mundo: Observações da Mudança Relativística do Tempo”. (Hafele e Keating, “Relógios atômicos ao redor do mundo: ganhos de tempo relativísticos observados.” Science, 117 (1972): 168).
• 12. Woosley e Phillips, “Supernova 1987A1”. (Woosley e Phillips, “Supernova 1987A!” Science, 240 (1988): 750).
• 13. Maimônides. “Mentor do Hesitante”, parte 1, cap. 67.

A teoria da relatividade foi introduzida por Albert Einstein no início do século XX. Qual é a sua essência? Vamos considerar os pontos principais e descrever o TOE em linguagem clara.

A teoria da relatividade praticamente eliminou as inconsistências e contradições da física do século XX, forçou uma mudança radical na ideia da estrutura do espaço-tempo e foi confirmada experimentalmente em numerosos experimentos e estudos.

Assim, o TOE formou a base de todas as teorias físicas fundamentais modernas. Na verdade, esta é a mãe da física moderna!

Para começar, é importante notar que existem 2 teorias da relatividade:

• Teoria da relatividade especial (STR) – considera processos físicos em objetos em movimento uniforme.
• Relatividade geral (GTR) - descreve objetos em aceleração e explica a origem de fenômenos como gravidade e existência.

É claro que o STR apareceu antes e é essencialmente uma parte do GTR. Vamos falar sobre ela primeiro.

STO em palavras simples

A teoria baseia-se no princípio da relatividade, segundo o qual quaisquer leis da natureza são as mesmas em relação aos corpos estacionários e que se movem a uma velocidade constante. E de um pensamento aparentemente tão simples segue-se que a velocidade da luz (300.000 m/s no vácuo) é a mesma para todos os corpos.

Por exemplo, imagine que você recebeu uma nave espacial de um futuro distante que pode voar em grande velocidade. Um canhão laser está instalado na proa do navio, capaz de disparar fótons para frente.

Em relação à nave, essas partículas voam à velocidade da luz, mas em relação a um observador estacionário, parece que deveriam voar mais rápido, uma vez que ambas as velocidades são somadas.

Porém, na realidade isso não acontece! Um observador externo vê fótons viajando a 300.000 m/s, como se a velocidade da espaçonave não tivesse sido adicionada a eles.

É preciso lembrar: em relação a qualquer corpo, a velocidade da luz será um valor constante, não importa o quão rápido ela se mova.

Disto decorrem conclusões surpreendentes como a dilatação do tempo, a contração longitudinal e a dependência do peso corporal da velocidade. Leia mais sobre as consequências mais interessantes da Teoria da Relatividade Especial no artigo no link abaixo.

A essência da relatividade geral (GR)

Para entender melhor, precisamos combinar novamente dois fatos:

• Vivemos em um espaço quadridimensional

Espaço e tempo são manifestações da mesma entidade chamada “continuum espaço-tempo”. Este é um espaço-tempo quadridimensional com eixos coordenados x, y, z e t.

Nós, humanos, somos incapazes de perceber as 4 dimensões igualmente. Em essência, vemos apenas projeções de um objeto quadridimensional real no espaço e no tempo.

Curiosamente, a teoria da relatividade não afirma que os corpos mudam quando se movem. Objetos quadridimensionais sempre permanecem inalterados, mas com movimento relativo suas projeções podem mudar. E percebemos isso como desaceleração do tempo, redução de tamanho, etc.

• Todos os corpos caem com velocidade constante e não aceleram

Vamos fazer um experimento mental assustador. Imagine que você está andando em uma cabine de elevador fechada e sem peso.

Esta situação só pode surgir por dois motivos: ou você está no espaço ou está caindo livremente junto com a cabine sob a influência da gravidade terrestre.

Sem olhar para fora da cabine, é absolutamente impossível distinguir entre estes dois casos. Só que em um caso você voa uniformemente e no outro com aceleração. Você terá que adivinhar!

Talvez o próprio Albert Einstein estivesse pensando em um elevador imaginário e tivesse um pensamento surpreendente: se esses dois casos não podem ser distinguidos, então cair devido à gravidade também é um movimento uniforme. O movimento é simplesmente uniforme no espaço-tempo quadridimensional, mas na presença de corpos massivos (por exemplo), ele é curvo e o movimento uniforme é projetado em nosso espaço tridimensional usual na forma de movimento acelerado.

Vejamos outro exemplo mais simples, embora não totalmente correto, da curvatura do espaço bidimensional.

Você pode imaginar que qualquer corpo maciço cria uma espécie de funil moldado embaixo dele. Então, outros corpos voando não serão capazes de continuar seu movimento em linha reta e mudarão sua trajetória de acordo com as curvas do espaço curvo.

Aliás, se o corpo não tiver muita energia, seu movimento pode acabar sendo fechado.

É importante notar que do ponto de vista dos corpos em movimento, eles continuam se movendo em linha reta, pois não sentem nada que os faça girar. Eles acabaram em um espaço curvo e, sem perceber, têm uma trajetória não linear.

Deve-se notar que 4 dimensões são dobradas, incluindo o tempo, portanto esta analogia deve ser tratada com cautela.

Assim, na teoria geral da relatividade, a gravidade não é uma força, mas apenas uma consequência da curvatura do espaço-tempo. No momento, esta teoria é uma versão funcional da origem da gravidade e está em excelente concordância com os experimentos.

Consequências surpreendentes da relatividade geral

Os raios de luz podem ser desviados ao voar perto de corpos massivos. Na verdade, foram encontrados no espaço objetos distantes que “se escondem” atrás de outros, mas os raios de luz se curvam em torno deles, graças aos quais a luz chega até nós.

É graças a Albert Einstein que você pode saber onde fica uma biblioteca ou loja nas proximidades.

E, finalmente, a relatividade geral prevê a existência de buracos negros em torno dos quais a gravidade é tão forte que o tempo simplesmente para nas proximidades. Portanto, a luz que cai em um buraco negro não pode sair dele (refletir).

No centro de um buraco negro, devido à colossal compressão gravitacional, forma-se um objeto com densidade infinitamente alta, e isso, ao que parece, não pode existir.

Assim, a relatividade geral pode levar a conclusões muito contraditórias, ao contrário de , razão pela qual a maioria dos físicos não a aceitou completamente e continuou a procurar uma alternativa.

Mas ela consegue prever muitas coisas com sucesso, por exemplo, uma recente descoberta sensacional confirmou a teoria da relatividade e nos fez lembrar mais uma vez do grande cientista com a língua de fora. Se você ama ciência, leia WikiScience.