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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Théorie spéciale de la relativité. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes En 1905, dans la revue scientifique allemande Annalen der Physicist, un court article de 30 pages imprimées parut dans un jeune de vingt-six ans. Albert Einstein "Sur l'électrodynamique des corps en mouvement", dans lequel la théorie restreinte de la relativité était presque complètement exposée, ce qui a rapidement rendu célèbre le jeune expert de l'office des brevets. La même année, l'article « L'inertie d'un corps dépend-elle de l'énergie qu'il contient ? » paraît dans la même revue, complétant le premier. La théorie restreinte de la relativité n'est pas apparue de zéro, elle est née de la solution du problème électrodynamique des corps en mouvement, sur lequel de nombreux physiciens travaillent depuis le milieu du XIXe siècle. Ils ont cherché à découvrir l'existence d'un éther-milieu dans lequel se propageaient les ondes électromagnétiques. On a supposé que l'éther pénètre à travers tous les corps, mais ne participe pas à leur mouvement. Divers modèles de l'éther luminifère ont été construits, des hypothèses ont été émises concernant ses propriétés. Il semblait que l'éther immobile pouvait servir de cadre de référence absolument reposant, par rapport auquel Newton considérés comme les "vrais" mouvements des corps. Selon le point de vue de Newton, il existe des "horloges normales" dans l'Univers qui comptent le cours du "temps absolu" à partir de n'importe quel point. De plus, il existe un "mouvement absolu", c'est-à-dire "le mouvement d'un corps d'un lieu absolu à un autre lieu absolu". Pendant deux cents ans, les principes de Newton ont été considérés comme corrects et inébranlables. Aucun physicien ne les a remis en cause. Ernst Mach a été le premier à critiquer ouvertement les principes de Newton. Il a commencé sa carrière scientifique au Département de physique expérimentale et avait son propre laboratoire en Autriche. Mach a mené des expériences avec des ondes sonores et a étudié le phénomène d'inertie. Mach a tenté de réfuter les concepts d'"espace absolu", de "mouvement absolu", de "temps absolu". Einstein connaissait les travaux de Mach, et cette connaissance a joué un rôle important dans ses travaux sur la théorie de la relativité. En physique expérimentale, les dogmes newtoniens ont également été remis en cause. La terre se déplace sur son orbite autour du soleil. À son tour, le système solaire vole dans l'espace mondial. Par conséquent, si l'éther léger est au repos dans "l'espace absolu" et que des corps célestes le traversent, alors leur mouvement par rapport à l'éther devrait provoquer un "vent éthéré" perceptible qui pourrait être détecté à l'aide d'instruments optiques sensibles. Une expérience de détection du "vent éthéré" fut mise en place en 1881 par l'Américain Albert Michelson sur l'idée exprimée 12 ans auparavant. Maxwell. Michelson raisonnait ainsi : si le globe se déplace dans un éther absolument immobile, alors un faisceau de lumière lancé depuis la surface de la Terre, sous certaines conditions, sera emporté par le « vent éthéré », qui souffle vers le mouvement du Terre. Le "vent éthéré" ne devrait survenir qu'en raison du déplacement de la Terre par rapport à l'éther. La première configuration expérimentale a été construite et testée par Michelson à Berlin, tous les instruments étaient montés sur une dalle de pierre et pouvaient être tournés comme un seul. Ensuite, les expériences ont été transférées en Amérique et réalisées avec la participation de l'ami proche et collaborateur de Michelson, Edward Morley. Les scientifiques ont créé un interféromètre à miroir, qui pourrait enregistrer même le "vent d'éther" le plus faible. Les résultats de toutes les expériences menées tant en 1881 qu'en 1887 ont nié l'existence de tout "vent éthéré". L'expérience de Michelson peut encore être considérée comme l'une des plus célèbres et des plus remarquables de l'histoire de la physique. Selon Einstein lui-même, il a été d'une grande importance pour la naissance de la théorie de la relativité. Mais tous les physiciens n'étaient pas d'accord pour dire que l'éther n'existait pas et que les principes de Newton devaient non seulement être remis en question, mais aussi rejetés à jamais. physicien néerlandais Hendrik Lorenz en 1895, il tenta de "sauver" l'éther. Il a suggéré que les corps en mouvement rapide subissent une contraction. Même avant Lorentz, en 1891, le physicien irlandais George Fitzgerald a fait une suggestion similaire, dont Lorentz n'était pas au courant. Lorentz et Fitzgerald ont écrit que tous les objets "sous la pression" de l'éther sont aplatis, raccourcis. La plaque, sur laquelle se trouvent tous les appareils, et les appareils eux-mêmes sont raccourcis. Le globe et les personnes à sa surface sont raccourcis, et l'ampleur de tous ces raccourcissements et aplatissements est égale à une ampleur telle qu'elle équilibre l'effet du "vent éthéré". Les scientifiques ont également introduit une correction pour le temps de propagation du "vent éthéré". Ces idées n'étaient que des spéculations avec peu ou pas de soutien. A l'automne 1904, Henri Poincaré tente lui aussi de "sauver" l'éther absolument immobile. Il tenta de formuler les calculs de Lorentz sous la forme d'une théorie plus ou moins cohérente, mais cette « théorie » n'était qu'une formalité. Les plus grands esprits étaient tristes, il semblait qu'il n'y avait pas moyen de sortir de cette situation. Mais la sortie a été trouvée par Albert Einstein, il a sorti la physique de l'impasse et l'a dirigée dans une nouvelle direction. Einstein, alors qu'il était encore à l'école à Aarau, a souvent mené une expérience de pensée : ce qu'une personne pouvait voir se déplacer derrière une onde lumineuse à la vitesse de la lumière. C'est cette question qui a servi de point de départ aux réflexions sur ce qu'on a appelé plus tard la théorie de la relativité. A propos du début de son raisonnement, Einstein a écrit: "Il était nécessaire d'avoir une idée claire de ce que les coordonnées spatiales et le temps d'un événement signifient en physique." Einstein a commencé par explorer le concept de simultanéité. Ainsi, la mécanique newtonienne affirme qu'en principe, la propagation des interactions (c'est-à-dire la transmission de signaux, d'informations) à une vitesse infinie est possible. Et selon la théorie d'Einstein, la vitesse de la lumière, qui est la vitesse maximale de transmission du signal, est encore finie et, de plus, a la même valeur pour tous les observateurs de trois cent mille kilomètres par seconde. Par conséquent, le concept de "simultanéité absolue" est dépourvu de toute signification physique et ne peut être appliqué. Einstein arrive à la conclusion que la simultanéité d'événements spatialement séparés est relative. La raison de la relativité de la simultanéité est la finitude de la vitesse de propagation des signaux. Certes, nous ne pouvons pas l'imaginer clairement, car la vitesse de la lumière est bien supérieure aux vitesses avec lesquelles nous nous déplaçons. Si la "simultanéité absolue" est impossible, alors le "temps absolu" ne peut pas exister, qui est le même dans tous les référentiels. La notion de "temps absolu", qui s'écoule une fois pour toutes à un rythme donné, totalement indépendant de la matière et de son mouvement, s'avère erronée. Chaque référentiel a sa propre "heure locale". La doctrine du temps d'Einstein était une étape complètement nouvelle dans la science. Le "temps absolu" a été abandonné, et comme le temps et le mouvement sont étroitement liés, il est devenu nécessaire d'éliminer le concept newtonien de "mouvement absolu". C'est ce qu'a fait Einstein. Le premier et principal postulat de la théorie d'Einstein - le principe de relativité - stipule que dans tous les cadres de référence se déplaçant uniformément et rectilignement les uns par rapport aux autres, les mêmes lois de la nature opèrent. Ainsi, le principe de relativité de la mécanique classique est extrapolé à tous les processus de la nature, y compris électromagnétiques. Si une transition d'un cadre de référence à un autre est nécessaire, alors les transformations de Lorentz doivent être utilisées. Einstein a nommé ces équations comme un signe de profond respect pour le travail de son prédécesseur. Einstein dans sa théorie de la relativité a remplacé l'éther léger par un champ électromagnétique. De nombreux scientifiques ont réagi très douloureusement à un tel tournant, ils n'ont pas pu accepter le fait que l'éther n'existe pas. Même le grand Hollandais Lorentz croyait en l'existence de l'éther jusqu'à sa mort. Le deuxième postulat d'Einstein stipule que la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous les référentiels inertiels. Elle ne dépend ni de la vitesse de la source ni de la vitesse du récepteur du signal lumineux. La vitesse de la lumière est la limite supérieure de tous les processus se produisant dans la nature. La vitesse de la lumière est la vitesse maximale ; aucun processus dans la nature ne peut avoir une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Deux paradoxes ou conséquences célèbres découlent de la constance de la vitesse de la lumière : la relativité des distances et la relativité des intervalles de temps. La relativité des distances réside dans le fait que la distance n'est pas une valeur absolue, mais dépend de la vitesse du corps par rapport à un référentiel donné. Les dimensions des corps en mouvement rapide sont réduites par rapport à la longueur des corps au repos. En approchant la vitesse du corps de la vitesse de la lumière, ses dimensions approcheront de zéro ! Lorentz a également exprimé quelque chose de similaire lorsqu'il a essayé de "sauver" l'éther dans l'expérience de Michelson. La relativité des intervalles de temps consiste à ralentir la cadence des horloges dans un référentiel rapide par rapport aux horloges dans un référentiel au repos par rapport au premier. Les effets décrits ci-dessus sont qualifiés de relativistes par les physiciens, c'est-à-dire qu'ils sont observés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Que se passera-t-il si nous essayons réellement d'accélérer un corps matériel à des vitesses proches de la vitesse de la lumière ? La théorie de la relativité affirme l'équivalence de la masse et de l'énergie selon la formule désormais célèbre, qui peut s'exprimer ainsi : « L'énergie est égale à la masse multipliée par le carré de la vitesse de la lumière. Initialement, une augmentation de l'énergie du corps s'accompagne d'une augmentation subtile de la masse et, par conséquent, de l'inertie du corps. Par conséquent, il devient un peu plus difficile de l'accélérer davantage. Au fur et à mesure que la vitesse se rapproche de la vitesse de la lumière, cet effet, de plus en plus impressionnant, rend impossible le dépassement de la vitesse de la lumière. La formule d'Einstein a reçu une brillante confirmation à la fin des années trente dans les réactions de fission de l'uranium. Dans le même temps, un millième de la masse totale a disparu pour se révéler à nouveau pleinement sous forme d'énergie atomique. Même dans les réactions chimiques ordinaires, le rapport d'Einstein est observé, mais les quantités de matière qui apparaissent ou disparaissent au cours de la réaction sont inférieures à un dix-milliardième de la masse totale, il est donc impossible de les détecter même avec des balances très précises. Il est important de souligner que la théorie restreinte de la relativité considère le mouvement uniforme, c'est-à-dire le mouvement à une vitesse constante, à laquelle la direction du mouvement ne change pas. Si le mouvement se produit avec une accélération due à des forces externes, telles que l'attraction gravitationnelle, alors la théorie de la relativité restreinte ne peut plus être appliquée. Ce qu’Einstein a découvert et introduit dans la physique était véritablement révolutionnaire, si bien que peu de physiciens ont immédiatement compris que la théorie de la relativité restreinte était une brillante découverte. Parmi ceux qui ont compris, il y avait Max Planck, qui écrivait : « Le concept de temps d'Einstein surpasse en audace tout ce qui a été créé jusqu'à présent dans les sciences naturelles spéculatives et même dans la théorie philosophique de la connaissance. En 1908, le mathématicien allemand Hermann Minkowski, qui a enseigné Einstein à l'École polytechnique de Zurich, a créé un appareil mathématique pour la théorie restreinte de la relativité. Dans son célèbre discours au Congrès des naturalistes et médecins allemands du 21 septembre 1908, Minkowski disait : "Les concepts d'espace et de temps que je m'apprête à développer devant vous ont poussé sur le sol de la physique expérimentale. C'est leur force. Elles auront des conséquences radicales : désormais l'espace lui-même et le temps lui-même disparaissent complètement dans le domaine des ténèbres, et seule une sorte d'union de ces deux concepts conserve une existence indépendante. Depuis lors, le "monde de Minkowski" est devenu partie intégrante de la théorie restreinte de la relativité. Einstein a dit un jour à James Frank : "Pourquoi exactement ai-je créé la théorie de la relativité ? Quand je me pose cette question, il me semble que la raison est la suivante. Un adulte normal ne pense pas au problème de l'espace et du temps à tous. Selon lui, il a déjà réfléchi à ce problème dans son enfance. Je me suis développé intellectuellement si lentement que l'espace et le temps ont occupé mes pensées lorsque je suis devenu adulte. Naturellement, je pouvais pénétrer plus profondément dans le problème qu'un enfant aux inclinations normales. " Einstein n'avait pas la confiance "adulte" que les problèmes globaux du monde avaient déjà été résolus. Ce sentiment n'a pas été réprimé par l'accumulation de connaissances et d'intérêts particuliers. Il a réfléchi au concept de mouvement et est revenu à l'idée inhérente à l'enfance de l'humanité - à l'idée ancienne de la relativité, qui a ensuite été obscurcie par le concept d'éther en tant que corps de référence absolu. Lorsque le concept d'éther a été écarté, Einstein a conclu que le mouvement ne peut pas être absolu. Auteur : Samin D.K.
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