Curiozități despre fizică - Teorii mai vechi, teorii mai noi

Școala Gimnazială Nr. 29 “Mihai Viteazul”

PAGINA 80

Curiozități despre fizică – Teorii mai vechi, teorii mai noi

Andrada Ingrid Ambra Georgescu, Clasa a VI - a C

Fizica este știința care studiază proprietățile și structura materiei,formele de mișcare ale acesteia, precum și transformările lor reciproce, iar scopul său principal este de a înțelege cum se comportă Universul. Oricum se pune problema, fizica este una dintre cele mai vechi discipline academice; prin intermediul unei subramuri ale sale, astronomia, ar putea fi cea mai veche. Uneori sinonimă cu filozofia, chimia și chiar unele ramuri ale matematicii și biologiei,de-a lungul ultimelor două milenii, fizica a devenit știință modernă începând cu secolul al XVII-lea, iar toate aceste discipline sunt considerate acum distincte, deși frontierele rămân greu de definit. Fizica este poate cea mai importantă știință a naturii deoarece cu ajutorul ei pot fi explicate în principiu orice alte fenomene întâlnite în alte științe ale naturii cum ar fi chimia sau biologia. Limitările sunt legate de incapacitatea noastră de a obține suficient de multe date experimentale, în cazul biologiei, ori de incapacitatea (până acum) sistemelor de calcul de a analiza dinamica moleculelor foarte complexe, în cazul chimiei. Descoperirile în fizică ajung de cele mai multe ori să fie folosite în sectorul tehnologic, și uneori influențează matematica sau filozofia. Cercetarea este divizată în patru subdomenii: fizica materiei condensate; fizica atomică, moleculară și optică; fizica energiei înalte; fizica astronomică și astrofizică. Majoritatea fizicienilor se specializează în cercetare teoretică sau experimentală, prima ocupându-se de dezvoltarea noilor teorii, și a doua cu testarea experimentală a teoriilor și descoperirea unor

PAGINA 81

noi fenomene. În ciuda descoperirilor importante din ultimele patru secole, există probleme deschise în fizică care așteaptă a fi rezolvate.

1. Teoria relativității

Teoria relativității reprezintă în fizica modernă un ansamblu a două teorii formulate de Albert Einstein: relativitatea restrânsă și relativitatea generală. Ideea de bază a acestor două teorii este că timpul și distanțele unui eveniment măsurate de doi observatori au, în general, valori diferite, dar se supun totdeauna acelorași legi fizice. Când doi observatori examinează configurații diferite, și anume deplasările lor, una în raport cu cealaltă, aplicând regulile logice, se constată că legile fizice au în mod necesar o anumită formă.

2. Relativitatea restrânsă

Relativitatea restrânsă, formulată în 1905, s-a născut din observația că transformarea care permite schimbarea unui sistem referențial, transformarea lui Galilei, nu este valabilă pentru propagarea undelor electromagnetice, care sunt dirijate de ecuațiile lui Maxwell. Pentru a putea “împăca” mecanica clasică cu electromagnetismul, Einstein a postulat faptul că viteza luminii, măsurată de doi observatori situați în sisteme referențiale inerțiale diferite, este totdeauna constantă (ulterior a demonstrat că acest postulat este de fapt inutil, pentru că viteza constantă a luminii derivă din formele legilor fizice). Aceasta l-a condus la revizuirea conceptelor fundamentale ale fizicii teoretice, cum sunt timpul, distanța, masa, energia, cantitatea de mișcare, cu toate consecințele care derivă. Astfel, obiectele în mișcare apar mai grele și mai dense pe direcția lor de mișcare, pe când timpul se scurge mai lent la ceasurile aflate în

Școala Gimnazială Nr. 29 “Mihai Viteazul”

PAGINA 82

în mișcare.

3.Relativitatea generală

Relativitatea generală a fost formulată de Einstein în 1916. Această teorie utilizează formulele matematice ale geometriei diferențiale și a tensorilor pentru descrierea gravitației. Spre deosebire de relativitatea restrânsă, legile relativității generale sunt aceleași pentru toți observatorii, chiar dacă aceștia se deplasează de o manieră neuniformă, unii față de ceilalți. Relativitatea generală este o teorie geometrică, care postulează că prezența de masă și energie conduce la "curbarea" spațiului, și că această curbare influențează traiectoria altor obiecte, inclusiv a luminii, în urma forțelor gravitaționale. Această teorie poate fi utilizată pentru construirea unor modele matematice ale originii și evoluției Universului și reprezintă deci unul dintre instrumentele cosmologiei fizice.

4. Inseparabilitatea cuantică (Entanglementul cuantic)

Inseparabilitatea cuantică este un fenomen cuantic în care stările cuantice ale mai multor particule elementare diferite sunt „cuplate” între ele. Cuvântul englez „entanglement” înseamnă „încurcătură complicată”. În sens matematic, funcția de undă globală care descrie sistemul de obiecte entanglate nu poate fi redusă într-un produs de mai multe funcții elementare independente corespunzând fiecare câte unui obiect individual, chiar dacă obiectele respective sunt separate spațial. Este un fenomen din mecanica cuantică. Stările cuantice a două sau mai multe obiecte fizice entanglate sunt legate între ele în așa fel, încât un obiect neseparat cuantic (entanglat cu altul sau altele) nu mai poate fi descris fără a lua în considerație celelalte obiecte, chiar dacă ele sunt separate spațial. O astfel de interconexiune duce la corelații încă neelucidate între proprietățile

PAGINA 83

fizice observabile ale sistemelor depărtate. De exemplu, mecanica cuantică declară că spinul unui obiect cuantic este nedeterminat, atâta vreme cât nu se intervine fizic pentru a-l măsura. Măsurarea stării cuantice a unui număr de particule neentanglate duce la un rezultat impredictibil. De aceea, într-o serie numeroasă de măsurări ale spinului, la jumătate din ele rezultă spinul „up”, iar la cealaltă jumătate spinul “down”. Dar dacă aceleași măsurări se fac cu particule entanglate, rezultatul particulei entanglate este total predictibil: dacă starea primei din ele este de exemplu cu spinulup, starea celeilalte particule este întotdeauna cu spinul-down, indiferent de distanța dintre ele. Pentru a explica acest gen de rezultate au fost inventate teorii ca teoria variabilelor ascunse. Dar dacă această teorie ar fi valabilă, variabilele ascunse ar trebui să fie într-o stare de „comunicație” oarecum misterioasă, indiferent de distanța dintre particule. Variabilele ascunse ce descriu una din particule ar trebui să se schimbe instantaneu în momentul măsurării proprietăților particulei cuplate (entanglate). Dacă variabilele ascunse nu ar „comunica” între ele atunci când distanța dintre particule e mare, datele statistice ar satisface inegalitatea Bell, dar e dovedit experimental că inegalitatea Bell se violează, după cum a prezis teoretic și mecanica cuantică. Fenomenul de colapsare a funcției de undă dă impresia că actul de măsurare a unui obiect influențează instantaneu pe cel deal doilea obiect, entanglat cu primul, chiar dacă cele două obiecte se află la o oarecare distanță unul de altul. Cu toate acestea entanglarea cuantică „nu permite” transmiterea informației clasice mai repede decât viteza luminii în vid. Entanglarea cuantică se folosește la tehnologii ca de exemplu computere cuantice, criptarea cuantică, teleportare cuantică experimentală. Entanglementul este o proprietate din mecanică cuantică pe care Einstein n-o agrea.

Școala Gimnazială Nr. 29 “Mihai Viteazul”

PAGINA 84

În 1935 Einstein, Podolski și Rosen au formulat paradoxul EPR, un experiment imaginar ce a demonstrat că mecanica cuantică devine non-locală. Este știut că Einstein, sceptic, numea cu ironie aceasta ca ”acțiune fantomă la distanță”. Porecla dată de Einstein a fost "quantic entanglement", încurcătură cuantică. Două particule, aflate la distanță una de alta, pot să aibă o legătură între ele, așa fel încât măsurarea stării cuantice a uneia dintre ele schimbă instantaneu starea cuantică a celeilalte particule entanglate cu ea. Pe atunci se părea că astfel de corelații nonlocale ar putea viola postulatul limitării vitezei luminii (transmiterii de semnale) din Teoria relativității restrânse. Au existat încercări de a explica corelațiile non-locale dintre particule folosind Teoria variabilelor ascunse, unde corelațiile sunt descrise de variabile necunoscute (ascunse). Însă în 1964 John Stewart Bell a demonstrat că nici astfel nu se poate construi o teorie locală bună, iar entanglementul, prezis de mecanica cuantică, se poate deosebi experimental de teoriile cu parametri locali ascunși. Rezultatele experimentelor ce au urmat au dovedit natura nonlocală a mecanicii cuantice, cu toate că în experimente au fost și mici inexactități. Corelarea non-locală duce la o interacțiune interesantă cu Teoria relativității restrânse, care afirmă că informația nu se poate transmite dintr-un loc în altul mai repede decât cu viteza luminii. Deși există sisteme cuantice entanglate care se află la mare distanță unul de altul, transmiterea instantanee a informației nu este posibilă, de acea entanglementul cuantic nu violează cauzalitatea. Este un fenomen descris de teorema noncomunicației. Alte experimente vor verifica dacă entanglementul rezultă din retrocauzalitate.

5. Paradoxul gemenilor

În fizică, paradoxul gemenilor este un experiment imaginar

PAGINA 85

din teoria relativității restrânse, în care o persoană care călătorește în spațiu cu o navă de mare viteză se întoarce acasă și își găsește fratele geamăn-identic rămas pe Pământ mai bătrân decât el. Acest rezultat pare neașteptat, deoarece situația pare simetrică, întrucât fratele rămas pe Pământ poate fi considerat ca fiind și el în mișcare în raport cu celălalt. De aceea se numește "paradox". Contradicția aparentă este explicată în cadrul teoriei relativității. În celebra sa lucrare despre relativitatea restrânsă din 1905, Albert Einstein a prezis că dacă două ceasuri sunt puse împreună și sincronizate, și apoi unul este îndepărtat și apoi adus înapoi, atunci ceasul care a călătorit va rămâne în urma celui care a stat pe loc. Einstein considera aceasta ca o consecință naturală a relativității restrânse, nu un paradox cum se sugera, iar în 1911, a reenunțat acest rezultat sub forma: “Dacă punem o ființă vie într-o cutie... poate aranja ca ființa, după un zbor de durată arbitrară să poată fi adusă în locul original într-o condiție puțin modificată, în vreme ce organismele corespunzătoare rămase în pozițiile lor originale vor fi dat naștere de mult timp la noi generații. Pentru ființa în mișcare, durata călătoriei a fost doar o clipă, dacă mișcarea a fost făcută cu viteză apropiată de cea a luminii.” În 1911, Paul Langevin a făcut acest concept mai ușor de înțeles cu al său exemplu cu gemenii, din care unul e astronaut iar celălalt trăiește doar pe Pământ. Astronautul pleacă într-o călătorie spațială cu o navă care merge cu viteză apropiată de cea a luminii, pe când celălalt rămâne pe Pământ. Când fratele călător se întoarce acasă, el descoperă că este mai tânăr decât fratele lui, cu alte cuvinte, dacă frații ar fi avut fiecare un ceas, cel al astronautului ar fi rămas în urma celui rămas asupra fratelui de pe Pământ, ceea ce înseamnă că pentru astronaut a trecut mai puțin timp decât pentru celălalt. Langevin a explicat vitezele diferite de îmbătrânire astfel: “Doar călătorul a suferit o accelerație care i-a

Școala Gimnazială Nr. 29 “Mihai Viteazul”

PAGINA 86

schimbat direcția vitezei”. Conform lui Langevin, accelerația este aici "absolută", în sensul că ea este cauza asimetriei. Semnificația “Paradoxului Gemenilor” se bazează pe acest detaliu crucial al asimetriei dintre frați. Trebuie spus că nici Einstein nici Langevin nu au considerat aceste rezultate ca fiind literalmente paradoxale: Einstein l-a considerat doar "ciudat" iar Langevin l-a prezentat ca dovadă a mișcării absolute. Un paradox în utilizarea logică și științifică se referă la rezultate inerent contradictorii, adică logic imposibile, și ambii au susținut că diferența de timp ilustrată de această poveste a gemenilor este un fenomen natural și explicabil. Abordarea standard tratează paradoxul gemenilor ca o aplicație directă a teoriei relativității restrânse. Aici, Pământul și nava nu sunt într-o relație simetrică: nava face o "întoarcere" în care simte forțe inerțiale, pe când Pământul nu face nicio întoarcere. Deoarece nu există nicio simetrie, nu este paradoxal faptul că un frate geamăn ajunge să fie mai tânăr ca celălalt. Cu toate acestea, tot este util să se arate că relativitatea restrânsă este consistentă, și cum se fac calculele din punctul de vedere al fratelui geamăn care călătorește. Relativitatea restrânsă nu susține că toți observatorii sunt echivalenți, ci doar aceia din sistemele de referință inerțiale. Dar nava spațială accelerează la întoarcere. În contrast, fratele geamăn care rămâne acasă rămâne în sistemul inerțial pe toată durata zborului fratelui său. Asupra lui nu se aplică forțe de accelerare sau frânare. Într-adevăr, nu sunt doar două, ci trei sisteme de referință inerțiale relevante: cel în care fratele rămas acasă este în repaus, cel în care fratele din navă este în repaus pe drumul de dus, și cel în care el este în repaus pe drumul de întoarcere acasă. În timpul accelerației la întoarcere, fratele care călătorește își schimbă sistemul de referință. În acel moment trebuie să-și ajusteze vârsta calculată a fratelui rămas acasă.

PAGINA 87

În relativitatea restrânsă, nu există conceptul de prezent absolut. Prezentul este definit ca o mulțime de evenimente simultane din punctul de vedere al unui observator dat. Noțiunea de simultaneitate depinde de sistemul de referință, și astfel trecerea de la un sistem la altul necesită o ajustare a definiției prezentului. Paradoxul gemenilor ilustrează o trăsătură a modelului spațiu-timp relativist restrâns, spațiul Minkowski. Liniile de univers ale corpurilor în mișcare inerțială sunt geodezicele din spațiul-timp minkowskian. În geometria Minkowski liniile de univers ale corpurilor în mișcare inerțială maximizează timpul propriu scurs între două evenimente.

6. Materia întunecată

În astronomie și cosmologie, materia întunecată este în prezent un tip necunoscut de materie despre care se consideră că ar conține o mare parte din masa totală a Universului. Materia întunecată nu emite și nici nu absoarbe lumina sau radiațiile electromagnetice sau de altă natură, și deci nu poate fi observată direct cu telescoapele. Se estimează că materia întunecată constituie 73% din materia din Univers și 23% din masaenergia sa. Existența ei încă nu a putut fi dovedită pe cale experimentală din cauză că ea nu emite radiații.

Conform teoriilor actuale restul materiei universului este format din:  energie întunecată: circa 73% din totalul de masă-energie al universului; aceasta este tot o substanță, o materie, foarte puțin cunoscută, doar că numele ei de „energie” este impropriu;  barioni: circa 5 % - aceștia constituie lumea materială obișnuită pe care o percepem direct, inclusiv stelele, planetele, galaxiile etc.  neutrini: circa 0,1 %;

Școala Gimnazială Nr. 29 “Mihai Viteazul”

PAGINA 88

 radiația de fond: echivalează cu circa 0,01 % din materia universului.

Există dovezi teoretice (stabilite de către cercetătorii Universității din Pittsburg, Pennsylvania, SUA, bazate pe radiația de fond - radiația reziduală de la explozia inițială Big Bang) despre existența materiei întunecate și a energiei întunecate, nedetectate încă. Astfel, s-a constatat că fotonii din radiația de fond sunt încetiniți la trecerea lor printre galaxii mai mult decât se calculase inițial, întârzierea datorându-se trecerii prin materia întunecată. Prezența acesteia este dedusă și indirect din mișcarea obiectelor astronomice, în special a stelelor, galaxiilor și roiurilor de galaxii ("superclustere") (conform lucrărilor lui Martin White).

De asemenea există teorii, bazate pe certitudinea prezenței „găurilor negre”, prin care se demonstrează existența materiei întunecate care este responsabilă de expansiunea accelerată a Universului. Pentru prima oară, în vremurile noastre, s-a observat o gaură neagră care a fost surprinsă aruncând jeturi de energie, deși se știa că acestea doar aspiră, și nu refulează materia.

Alte teorii ale existenței materiei întunecate se bazează pe abaterile gravitaționale ce s-au detectat cu privire la mișcarea galaxiilor și roiurilor de galaxii în univers, abateri altfel inexplicabile.

Universul se află într-o permanentă expansiune care are loc cu o viteză mai mare decât s-au așteptat cercetătorii spațiului cosmic. Vidul cosmic, departe de a fi gol, constituie sediul unor nebănuite energii. În Univers, în jurul găurilor negre se „îngrămădește” așanumita materie întunecată, care este până acum indetectabilă.

La începutul anului 2007 astronomii au întocmit o hartă tridimensională a materiei întunecate pe care sunt indicate și stelele și galaxiile. Studiul, publicat în revista Nature, aduce cele mai importante dovezi de până acum că răspândirea galaxiilor corespunde în bună măsură cu distribuția materiei întunecate.

PAGINA 89

Explicația ar consta în faptul că materia întunecată atrage materia obișnuită (galaxii, stele, planete, gaze, radiații, în total 5 % din materia Universului) prin intermediul câmpului gravitațional.

7. Universul nostru se extinde rapid

Teoria Big Bang este la momentul actual explicaţia de bază recunoscută a originii Universului. Folosind o analogie cât mai simplă posibilă,universuls-a creat de la o explozie.Rămăşiţele (ce au format planetele, stelele, etc.) au fost aruncate în toate direcţiile, împinse de energia enormă creată în urma exploziei. Deoarece aceste rămăşiţe sunt atât de grele și prin urmare afectate de gravitaţie, ar fi de aşteptat ca această extindere să se încetinească după un anumit timp. În realitate, extinderea Universului nostru devine din ce în ce mai rapidă cu timpul, ceea ce este echivalent cu cazul în care ai arunca o minge ce se va mişca cu o viteză tot mai mare, în loc să încetinească cadă și să pe pământ. Asta înseamnă că spaţiul este în continuă expansiune. Unica modalitate de a explica acest lucru, este materia întunecată sau mai precis energia întunecată, care este forţa motrice în spatele acestei acceleraţii cosmice.

8. Dualitatea undă – particulă

În fizică, dualismul undă-particulă se referă la faptul că materia prezintă simultan proprietăți ondulatorii și corpusculare. Este vorba despre un concept central al mecanicii cuantice, care a înlocuit teoriile clasice asupra naturii materiei. Anumite fenomene pun în evidență caracterul ondulatoriu (interferența, difracția, polarizarea), pe când altele demonstrează caracterul corpuscular (emisia și absorbția luminii, efectul fotoelectric, efectul Compton). Bazându-se pe studiul acestor fenomene, teoriile clasice propuneau modele în care un obiect era considerat fie o particulă,

Școala Gimnazială Nr. 29 “Mihai Viteazul”

PAGINA 90

fie o undă. Ideea dualității a apărut în legătură cu natura luminii, Louis de Broglie fiind cel care a generalizat conceptul. În mecanica cuantică, lumina nu este considerată nici undă nici particulă, în sensul clasic, ci este unitatea celor două, fără o delimitare precisă. În formalismul clasic, lumina era considerată undă electromagnetică, prezentând fenomene ondulatorii cum ar fi interferența, difracția, polarizarea. Odată cu descoperirea efectului fotoelectric în 1887 de către Heinrich Rudolf Hertz, a fost necesară introducerea unei noi teorii care să justifice fenomenul, întrucât cea clasică era în contradicție cu rezultatele experimentale. În 1905, Albert Einstein explica legile efectului fotoelectric presupunând că lumina este alcătuită din particule (numite fotoni) și aplicând ipoteza lui Planck, conform căreia energia este cuantificată. Louis de Broglie a extins teoria lui Einstein, susținând că orice particulă în mișcare are asociată o undă. Teza lui de doctorat este publicată în anul 1924, dar el primește premiul Nobel abia în 1929, după ce teoria sa este verificată experimental.

9. Toate obiectele cad cu aceeaşi viteză

Galileo a realizat de acum 400 de ani că că viteza de cădere a tuturor obiectelor nu depinde de masa lor. Exemplu: facem un experiment cu o pană şi o minge de bowling (în vid), ele vor atinge solul exact în acelaşi timp.

10. Spuma cuantică

Spuma cuantică reprezintă un concept în mecanica cuantică elaborat de John Wheeler în 1955. Se presupune că „spuma cuantică” ar fi conceptualizată ca fundament al texturii Universului. În plus, „spuma cuantică” poate fi folosită ca o descriere calitativă a turbulențelor subatomice de spațiu-timp la distanțe extrem de mici.